Kekuatan Geser: Properti Kritis untuk Kinerja & Desain Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Kekuatan geser adalah maksimum tegangan geser yang dapat ditahan oleh suatu material sebelum kegagalan terjadi di sepanjang bidang yang sejajar dengan arah gaya yang diterapkan. Ini menggambarkan ketahanan material terhadap gaya yang menyebabkan gesekan internal satu bagian terhadap bagian lainnya dalam arah yang berlawanan tetapi sejajar.

Dalam ilmu material dan rekayasa, kekuatan geser adalah sifat mekanik kritis yang menentukan kemampuan material untuk menahan deformasi dan kegagalan di bawah kondisi beban geser. Sifat ini sangat penting dalam aplikasi di mana material mengalami gaya geser, beban torsi, atau tegangan tembus.

Dalam bidang metalurgi yang lebih luas, kekuatan geser berdiri sejajar dengan kekuatan tarik, kekuatan tekan, dan kekerasan sebagai sifat dasar yang menggambarkan perilaku mekanik suatu material. Ini sangat relevan untuk komponen baja yang digunakan dalam aplikasi struktural, pengikat, dan elemen mesin di mana gaya geser mendominasi.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, kekuatan geser muncul sebagai ketahanan terhadap pergerakan dislokasi di sepanjang bidang slip dalam kisi kristal. Ketika tegangan geser diterapkan, bidang atom mencoba untuk meluncur satu sama lain, menciptakan dan menyebarkan dislokasi melalui struktur material.

Pada baja, ketahanan terhadap pergerakan dislokasi ini dipengaruhi oleh hambatan seperti batas butir, presipitat, atom solut, dan cacat kristal lainnya. Hambatan ini menghalangi gerakan dislokasi, memerlukan tegangan yang lebih tinggi untuk melanjutkan deformasi, sehingga meningkatkan kekuatan geser material.

Kegagalan geser yang akhir terjadi ketika tegangan yang diterapkan mengatasi gaya kohesif antara atom, menyebabkan bidang meluncur secara katastrofik relatif satu sama lain, yang mengakibatkan pemisahan material atau deformasi permanen.

Model Teoretis

Kriteria hasil von Mises adalah model teoretis utama yang digunakan untuk menggambarkan kekuatan geser pada material ductile seperti baja. Model ini mengusulkan bahwa hasil mulai terjadi ketika densitas energi distorsi mencapai nilai kritis, terlepas dari keadaan tegangan spesifik.

Secara historis, pemahaman tentang kekuatan geser berkembang dari teori gesekan Coulomb pada abad ke-18 hingga teori tegangan geser maksimum Tresca, dan akhirnya ke model yang lebih canggih seperti von Mises pada awal abad ke-20. Perkembangan ini sejalan dengan kemajuan dalam kristalografi dan teori dislokasi.

Pendekatan alternatif termasuk kriteria Tresca (teori tegangan geser maksimum), yang lebih konservatif daripada von Mises, dan teori Mohr-Coulomb, yang sangat berguna untuk material yang kekuatan gesernya tergantung pada tegangan normal.

Dasar Ilmu Material

Kekuatan geser sangat terkait dengan struktur kristal, dengan struktur kubik berpusat badan (BCC) pada baja ferritik menunjukkan perilaku geser yang berbeda dibandingkan dengan struktur kubik berpusat wajah (FCC) pada baja austenitik. Jumlah dan orientasi sistem slip dalam struktur ini secara langsung mempengaruhi ketahanan geser.

Batas butir berfungsi sebagai penghalang signifikan terhadap pergerakan dislokasi, dengan struktur butir yang lebih halus umumnya menunjukkan kekuatan geser yang lebih tinggi sesuai dengan hubungan Hall-Petch. Interaksi antara dislokasi dan batas butir adalah mekanisme penguatan utama pada baja.

Sifat ini terhubung dengan prinsip dasar ilmu material termasuk pengerasan regangan, penguatan larutan padat, dan pengerasan presipitat—semua yang meningkatkan kekuatan geser dengan menciptakan hambatan terhadap pergerakan dislokasi melalui mikrostruktur.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Definisi dasar kekuatan geser ($\tau_{max}$) dinyatakan sebagai:

$$\tau_{max} = \frac{F}{A}$$

Di mana $F$ adalah gaya yang diterapkan sejajar dengan area penampang dan $A$ adalah area di mana gaya bekerja. Nilai yang dihasilkan biasanya dinyatakan dalam megapaskal (MPa) atau pon per inci persegi (psi).

Formula Perhitungan Terkait

Untuk material ductile seperti sebagian besar baja, hubungan teoretis antara kekuatan hasil geser ($\tau_y$) dan kekuatan hasil tarik ($\sigma_y$) menurut kriteria von Mises adalah:

$$\tau_y = \frac{\sigma_y}{\sqrt{3}} \approx 0.577\sigma_y$$

Untuk pemuatan torsi pada poros melingkar, tegangan geser maksimum ($\tau_{max}$) dihitung sebagai:

$$\tau_{max} = \frac{Tr}{J}$$

Di mana $T$ adalah torsi yang diterapkan, $r$ adalah jari-jari ke serat luar, dan $J$ adalah momen inersia polar dari penampang.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini mengasumsikan material yang homogen, isotropik di bawah kondisi pemuatan statis. Mereka paling akurat untuk material ductile yang mengikuti perilaku hasil von Mises.

Formula dasar kekuatan geser hanya berlaku untuk pemuatan geser murni tanpa pembengkokan atau tegangan normal. Dalam keadaan tegangan yang kompleks, analisis yang lebih canggih menggunakan tegangan utama diperlukan.

Model ini biasanya mengasumsikan kondisi suhu ruangan dan tidak memperhitungkan sensitivitas laju regangan, efek lingkungan, atau variasi mikrostruktur yang dapat secara signifikan mempengaruhi perilaku geser yang sebenarnya.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM A370: Metode dan Definisi Pengujian Standar untuk Pengujian Mekanik Produk Baja, yang mencakup ketentuan untuk pengujian geser baja.

ASTM B769: Metode Pengujian Standar untuk Pengujian Geser Paduan Aluminium, sering disesuaikan untuk pengujian baja dengan modifikasi.

ISO 4136: Pengujian destruktif pada las di material logam — Uji tarik melintang, yang mencakup evaluasi kekuatan geser sambungan las.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Pengujian geser biasanya dilakukan menggunakan perangkat pengujian geser khusus yang terpasang pada mesin pengujian universal. Perangkat ini memastikan penyelarasan yang tepat dan kondisi pemuatan geser murni selama pengujian.

Pengujian geser langsung beroperasi berdasarkan prinsip menerapkan gaya paralel yang berlawanan untuk menciptakan bidang geser dalam spesimen. Uji geser tipe punch menggunakan penggerek dan cetakan untuk menciptakan tegangan geser di sepanjang tepi penggerek.

Peralatan canggih termasuk mesin pengujian torsi untuk spesimen tubular dan perangkat khusus untuk pengujian geser ganda, yang membantu menghilangkan efek pembengkokan untuk pengukuran yang lebih akurat.

Persyaratan Sampel

Sampel uji geser standar biasanya memiliki dimensi yang dipotong dengan presisi dengan ketebalan berkisar antara 3-12mm tergantung pada metode pengujian spesifik dan kekuatan material.

Persiapan permukaan memerlukan pemesinan yang hati-hati untuk memastikan permukaan sejajar dan penyelarasan yang tepat dalam perangkat uji. Finishing permukaan harus halus dan bebas dari notches yang dapat memicu kegagalan prematur.

Spesimen harus bebas dari deformasi sebelumnya, tegangan sisa, atau zona yang terpengaruh panas kecuali kondisi ini secara khusus dievaluasi sebagai bagian dari program pengujian.

Parameter Uji

Pengujian standar biasanya dilakukan pada suhu ruangan (20-25°C) di bawah kondisi kelembaban yang terkontrol, meskipun pengujian suhu tinggi atau kriogenik dapat dilakukan untuk aplikasi tertentu.

Kecepatan pemuatan biasanya dikendalikan antara 0.5-5 mm/menit untuk memastikan kondisi quasi-statis, meskipun ini dapat bervariasi berdasarkan standar spesifik yang diikuti.

Penyelarasan spesimen dalam perangkat sangat penting untuk memastikan pemuatan geser murni tanpa memperkenalkan momen pembengkokan yang dapat membatalkan hasil.

Pengolahan Data

Data gaya-pergeseran dikumpulkan secara terus-menerus selama pengujian, dengan gaya maksimum sebelum kegagalan digunakan untuk menghitung kekuatan geser akhir.