Pendahuluan Material Teknik Buku Pustaka • Materials Science and Engineering, An introduction, William D. Callister Jr, Wiley, 2004 • Ilmu dan Teknologi Bahan, Lawrence H. Van Vlack (terjemahan), Erlangga, 1995 • Pengetahuan Bahan, Tata Surdia dan Shinroku Saito, Pradnya Paramita, 1995 • Principle of Materials Science and Engineering, William F. Smith, Mc Graw Hill, 1996 Pokok Bahasan 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. Pendahuluan Sifat logam Dislokasi dan mekanisme penguatan Failure Fasa Diagram Fasa Transformasi Proses Thermal Logam Metal Alloy Keramik Struktur Polymer Komposit Pendahuluan Minggu 1 Sejarah Perkembangan Material • Paleolitikum (40.000 - 100.000 tahun lalu) – Penggunaan batu dan tanah liat sebagai peralatan • Mesolitikum (10.000 – 40.000 tahun lalu) – Penggunaan batu lebih lanjut sebagai patung • Tembaga (5.000 – 10.000 tahun lalu) – Ornamen tembaga, tembikar, proses peleburan logam Sejarah Perkembangan Material lanjutan... • Perunggu (3.000 – 5.000 tahun lalu) – Penggunaan perunggu (Cu/Sn), kaca, peleburan besi • Besi (1.000 – 3.000 tahun lalu) – Proses Carburizing, forging dan porselen • Baja (100-1.000 tahun lalu) – Pengecoran baja dan meterial stainless steel Sejarah Perkembangan Material lanjutan... • Polymer (sejaka tahun 1900an) – Penggunaan serat karbon sebagai pengganti logam dan kaca • Silikon (sejak 60 tahun lalu) – Penggunaan silikon dalam dunia kesehatan dan teknologi • Bio dan nano material (sekarang) – Penggunaan material ramah lingkungan dan partikel berukuran sangat kecil. Perspektif Sejarah Bio and nano Silicon Polymer Steel Iron Bronze Copper Stone Structural Material Functional Material Ilmu dan Teknologi Material • Material adalah sumber alam yang tersedia secara langsung atau tidak langsung • Ilmu material/bahan merupakan pengetahuan dasar yang mempelajari tentang struktur, sifat dan pengolahan bahan • Teknologi atau sering disebut teknik (berasal dari bahasa Yunani tέχνη, techne, "seni, keterampilan, keahlian tangan") adalah pembuatan, modifikasi, penggunaan, dan pengetahuan tentang alat, mesin, kerajinan, sistem, dan metode organisasi, dalam rangka memecahkan masalah, meningkatkan solusi yang sudah ada untuk masalah, mencapai tujuan, menangani input / output hubungan diterapkan atau melakukan fungsi tertentu. Klasifikasi Material • Logam, bahan dasar logam (besi, tembaga, dll), baja, alloy, intermetallic compounds • Keramik, Keramik struktural (bearing), whiteware (porselen), kaca, keramik elektronik (kapasitor, insulator, transistor), keramik perekat kimia (semen) • Polimer, plastik, perekat, karet • Semiconductor, material metaloid • Komposit, komposit partikulat, laminate dan fiber reinforced Materials of the Future Materials of the Future A. SMART MATERIALS A group of new and state of the art materials now being developed that will have a significant influence on many technologies. Smart implies the ability to sense charges in environments and then respond to the changes in predetermined manners-traits that are also found in living organisms. Component of smart materials (or system): • Some type of sensor (detect an input signal) • An actuator (perform a responsive and adaptive function) Materials of the Future Four types of materials used for actuator: 1. Shape memory alloys; metals, after having been deformed, revert back to their original shapes when temperature is changed. 2. Piezoelectric ceramics; expand and contract in response to an applied electric fields (or voltage); conversely, they also generate an electric field when their dimension are altered. 3. Magnetostrictive; like piezoelectric but in magnetic fields 4. Electro-rheological & magneto-rheological fluids are liquids that experience dramatic changes in viscosity upon the application of electric or magnetic fields. Example of Smart materials: piezoelectric inserted to blade of helicopter to sensor noise computer feedback to generate noise-canceling antinoise. Materials of the Future B. NANOTECHNOLOGY To understand the chemistry and physics of materials by studying large and complex structures to investigate the fundamental building blocks of these structures that are smaller and simpler. “Top-down” sciences By SPM (scanning probe microscopes) permits to observe the individual atoms and molecules, and it has become possible to manipulate and move atoms and molecules to form new structures, thus, design new materials that are built from simple atomic level constituents (i.e. “materials by design”) It enables to carefully arrange atoms to develop mechanical, electrical, magnetic, and other properties. “Bottom-up” sciences called nanotechnology. Nano = 10-9, nanotechnology < 100 nm equivalent 500 atom diameters Modern Materials Needs The development of more sophisticated and specialized materials, as well as consideration of the environmental impact of material production. Nuclear energy: many problem remain in materials, from fuel to containment structures to facilities to the disposal of radioactive waste. Transportation: facing low operating temperature engine etc. Fuel cell energy: facing low operating temperature for high energy output. Manufacturing process: facing toxic as a product of the process Modern Materials Needs Non renewable materials such as polymer, some of metals, oil will be depleted for: The discovery of additional reserves, The development of new materials having comparable properties with less adverse environmental impact, and/or Increased recycling effort and the development of new recycling technology Struktur dan Ikatan Atom Minggu 2 Pendahuluan • Atom terdiri dari elektron dan inti atom • Inti atom disusun oleh proton dan neutron • Elektron mengelilingi inti atom dalam orbitnya masingmasing • Massa elektron 9,109 x 10-28 g dan bermuatan –1,602 x 1019 C • Massa proton 1,673 x 10-24 g dan bermuatan 1,602 x 10-19 C • Massa neutron 1,675 x 10-24 g dan tidak bermuatan • Massa atom terpusat pada inti atom • Jumlah elektron dan proton sama, sedangkan neutron neutral, maka atom menjadi neutral Model atom Bohr Konfigurasi Elektron 1. Aturan Aufbau 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p 5d 5f 6s 6p 6d 7s 7p 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p, … 20 Konfiguration elektron unsur No. Element 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr *Note Irregularity K 1 L 2 M 3 N 4 O 5 P 6 Q 7 s sp spd spd f spd f spd f s 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 2 2 2 2 1 2 2 2 2 1* 2 21 22 23 24 25 26 1 2 3 4 5 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 1 2 3 4 5 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 1 2 3 5* 5 6 7 8 10 10 10 10 10 10 10 10 Tabel Periodik Metaloid Metaloid adalah kelompok unsur kimia yang memiliki sifat antara logam dan non-logam. Metaloid sulit dibedakan dengan logam, perbedaan utamanya adalah bahwa umumnya metaloid adalah semikonduktor sedangkan logam adalah konduktor. Ada tujuh unsur yang dikelompokkan sebagai metaloid, yaitu boron (B), silikon(Si), germanium (Ge), arsen (As), antimon (Sb), telurium (Te), dan polonium (Po). Elektronegatip dari Unsur Jenis Ikatan Pada Material • Ikatan Ionik • Ikatan Kovalen • Ikatan Logam Ikatan Atom Ionik Adalah ikatan antara atom logam dan non logam. Atom logam cenderung melepaskan elektron, sedangkan atom non logam menyerap elektron. Atom yang melepas elektron berubah menjadi ion positif, sedangkan yang menerima negatif. Umumnya pada unsur logam golongan IA, IIA dan IIIA Ikatan Atom Kovalen Umumnya terjadi antara atom non logam dan non logam. Disebut juga dengan ikatan homopolar. Ikatan ini terjadi karena adanya penggunaan elektron secara bersamaan oleh kedua atom yang berikatan. Jenis Ikatan Kovalen • • • • Ikatan kovalen tunggal H2 Ikatan kovalen rangkap dua O2 Ikatan kovalen rangkap tiga N2 Ikatan kovalen koordinat (Dativ) Ikatan Atom Logam Atom unsur logam memiliki sedikit elektron valensi. Sehingga elektron selalu berpindah-pindah. Hal ini menyebabkan atom logam bermuatan positif. Atom logam memiliki energi ionisasi yang lebih kecil dibandingkan unsur lain. Karena atom logam berubah menjadi ion maka logam merupakan kumpulan ion-ion positif yang berenang dalam lautan elektron valensi. Sifat Material • Sifat mekanik Elasticity and stiffness, plasticity, Strength, Brittleness or Toughness, Fatigue • Sifat elektrikal electrical conductivity and resistivity • Sifat dielectric polarizeability, capacitance, ferroelectric, piezoelectric, pyroelectric • Sifat magnet paramagnetic, diamagnetic, ferromagnetic • Sifat optik refractive index, absorbtion, transmission, reflection, birefringence • Sifat korosi • Sifat deteriorative stress, corrosive environment, embrittlement, incorrect structure from improper alloying or heat treatments • Sifat biologis toxicity, bio compatibility Sifat Mekanik Material Teknik Sifat Mekanik • Material dalam pengunanya dikenakan gaya atau beban. • Karena itu perlu diketahuo kharater material agar deformasi yg terjadi tidak berlebihan dan tidak terjadi kerusakan atau patah • Karakter material tergantung pada: – Komposisi kimia – Struktur mikro – Sifat material: sifat mekanik, sifat fisik dan sifat kimia Gaya/beban Material Sifat mekanik • Kekuatan (strength): ukuran besar gaya yang diperlukan utk mematahkan atau merusak suatu bahan • Kekuatan luluh (yield strength): kekuatan bahan terhadap deformasi awal • Kekuatan tarik (Tensile strength): kekuatan maksimun yang dapat menerima beban. • Keuletan (ductility): berhubungan dengan besar regangan sebelum perpatahan Sifat Mekanik • Kekerasan (hardness): ketahanan bahan terhadap penetrasi pada permukaannya • Ketangguhan (toughness): jumlah energi yang mampu diserap bahan sampai terjadi perpatahan • Mulur (creep) • Kelelahan (fatique): ketahanan bahan terhadap pembebanan dinamik • Patahan (failure) Uji Kekerasan: Karakteristik Berbagai Pengujian Kekerasan Cara Pengujian Brinell (HB) Rockwell (Hra,Hrc etc) Rockwell superficial (Hr,30T,Hr30 n dst) Vickers (Hv) Kekerasan Mikro(Hv) Shore(Hs) Penekan Bola Baja 10 mm Ф Karbida Kerucut intan 120 ;Bola Baja 1/16”1/2” Kerucut intan 120 ;Bola baja 1/16”1/2” Piramida Intan sudut bidang berhadap-an 136 Jenis Vickers jenis Knoop sudut 130 ,172 Palu Intan 3 g Beban 500-3,000kg Beban mula 10 kg beban total 60,100,150kg Beban mula 3 kg,beban total 15,30 dan 45 kg 1-120 kg 1-500 g Kekerasan Beban /luas penekanan Dalamnya penekanan Dalamnya penekanan Beban/luas penekanan Beban/Luas penekanan Tinggi pantulan 6,5”dari 10”tinggi pantulan asal 100 Konsep tegangan (stress) dan regangan (strain) F F • Pembebanan statik: – Tarik – Kompressi – Geser F F F Beban kompressi Beban tarik F Beban geser Uji tarik Standar sampel untuk uji tarik 2¼’ 0,505’ 2’ ¾’ R 3/8’ • Tegangan teknik, = F/Ao (N/m2=Pa) • Regangan teknik, = (li-lo)/lo • Tegangan geser, = F/Ao Deformasi elastis • Pada pembebanan rendah dalam uji tarik, hubungan antara tegangan dan regangan linier Beban dihilangkan Teg. Modulus elastis Pembebanan Reg. Deformasi elastis • Hubungan tsb masih dalam daerah deformasi elastis dan dinyatakan dengan • Hubungan diatas dikenal sebagai Hukum Hooke • Deformasi yang mempunyai hubungan tegangan dan regangan linier (proporsional) disebut sebagai deformasi elastis Sifat elastis material Z • Ketika uji tarik dilakukan pada suatu logam, perpanjangan pada arah beban, yg dinyatakan dlm regangan z mengakibatkan terjadinya regangan kompressi pada x sb-x dan y pada sb-y • Bila beban pada arah sb-z uniaxial, maka x = y . Ratio regangan lateral & axial dikenal sebagai ratio Poisson z y x Z = x/y • Harga selalu positip, karena tanda x dan y berlawanan. • Hubungan modulus Young dengan modulus geser dinyatalan dengan E = 2 G (1 + ) • Biasanya <0,5 dan utk logam umumnya G = 0,4 E Deformasi plastis • Utk material logam, umumnya deformso elastis terjadi < 0,005 regangan • Regangan > 0,005 terjadi deformasi plastis (deformasi permanen) ys Teg. 0,002 Reg. Titik luluh atas ys Teg. Titik Luluh bawah Reg. Deformasi elastis • Ikatan atom atau molekul putus: atom atau molekul berpindah tdk kembali pada posisinya bila tegangan dihilangkan • Padatan kristal: proses slip padatan amorphous (bukan kristal). Mekanisme aliran viscous Keuletan (ductility) • Keuletan: derajat deformasi plastis hingga terjadinya patah • Keuletan dinyatakan dengan – Presentasi elongasi, %El. = (lf-lo)/lo x 100% – Presentasi reduksi area, %AR = (Ao-Af)/Ao x 100% Ketangguan (Toughness) B B’ Teg. A C Reg. C’ • Perbedaan antara kurva tegangan dan regangan hasil uji tarik utk material yang getas dan ulet • ABC : ketangguhan material getas • AB’C’ : ketangguhan material ulet Tegangan dan regangan sebenarnya • Pada daerah necking, luas tampang lintang sampel uji material Teg. • Tegangan sebenarnya T = F/Ai • Regangan sebenarnya T = ln li/lo sebenarnya teknik Reg. Bila volum sampel uji tidak berubah, maka Aili = Aolo • Hubungan tegangan teknik dengan tegangan sebenarnya T = (1 + ) • Hubungan regangan teknik dengan regangan sebenarnya T = ln (1+ ) Patahan (Failure) Dislokasi Minggu 3 Struktur dan Cacat Kristal Material Teknik Pendahuluan z • Kristal adalah susunan atom-atom secara teratur dan kontinu pada arah tiga dimensi • Satuan sel adalah susunan terkecil dari kristal • Parameter kisi struktur kristal – Panjang sisi a, b, c – Sudut antara sumbu a, b, d c x b a d b y a Sistem Kristal Parameter kisi diklasifikasikan dalam tujuh sistem kristal dan empat belas kisi kristal • Arah kristal z dinyatakan sebagai vektor dalam [uvw] • uvw merupakan [111] bilangan bulat y c • Himpunan arah <111> [100] a [110] terdiri dari [111], b [111], [111], [111], x [111], [111], [111], [111] Menentukan Indeks Miller Arah Kristal • Prosedur menentukan arah kristal x y z Proyeksi a/2 b 0 Proyeksi (dlm a, b, c) ½ 1 0 Reduksi 1 2 0 Penentuan [120] z c x Proyeksi pd sb x: a/2 b Proyeksi pd sb y: b a y Bidang Kristal • Dinyatakan dengan (hkl) • hkl merupakan bilangan bulat z Bid (110) mengacu titik asal O y c a b x Bid. (110) ekivalen z Bid (111) mengacu titik asal O c x a b Bid. (111) ekivalen y Menentukan Indeks Miller Bidang Kristal • Prosedur menentukan bidang kristal x y z Perpotongan ~a -b c/2 Perpotongan (dlm a, b dan c) ~ -1 ½ Resiprokal 0 -1 2 Penentuan (012) z z’ c a y b x x’ bid.(012) 14 kisi kristal Kristal Kubik Berpusat Muka (Body Centered Cubic –BCC) • Faktor tumpukan padat = total volum bola / total volum satuan sel = Vs/Vc = 4x(4/3 r3)/16r32 = 0,74 • Kerapatan = A / VcNA = (4x63,5) / (162x (1,28x10 -8)x(6,02x 1023)) g/cm3 = 8,89 g/cm3. Kristal Kubik Berpusat Bidang (Faced Centered Cubic – FCC) Kristal Heksagonal Tumpukan Padat (Hexagonal Closed Package-HCP) Cacat Kristal • Cacat Kristal – Cacat titik • Kekosongan • Pengotor – Pengotor Intersisi – Pengotor Subtitusi – Cacat garis (dislokasi) • Dislokasi garis • Dislokasi ulir – Cacat bidang • Batas butir • Permukaan – Cacat volum Cacat Titik Cacat titik Dislokasi Garis Dislokasi Ulir Mix dislocation Cacat atom campuran Cacat atom campuran Batas Butir PENGERASAN PERMUKAAN (CASE HARDENING) MATERIAL TEKNIK TEKNIK INDUSTRI Definisi & Tujuan •Case Hardening dapat dikatakan sbg suatu proses HT untuk memperoleh pengerasan hanya pada lapisan permukaan saja, atau dg kata lain lap permukaan mempunyai kekerasan yg lebih tinggi sedangkan bagian yg lbh dalam tetap spt semula (kekerasan rendah ttp keuletannya tinggi) •Tujuannya banyak industri yg membutuhkan material yang keras (pd permukaanya, tahan aus) tetapi bagian dalamnya msh ulet/tangguh. Dengan kondisi ini pd lap permukaan terdapat teg sisa yg berupa tegangan tekan (tahan terhadap kelelahan, fatigue limitnya naik) dan scr keseluruhan material tsb masih ulet. •Contoh pengerasan pada gigi-gigi dari roda gigi, poros, beberapa tool dan die Ada 5 cara yg banyak dilakukan dalam CH : 1. 2. 3. 4. 5. Carburising Nitriding Cyaniding/ carbonitriding Pengerasan api (flame hardening) Pengerasan induksi (induction hardening) Tiga yg teratas dg merubah komposisi kimia, dua cara berikutnya dg membuat martensit hanya pd permukaan saja (shallow hardening methods, syarat kadar karbon tdk kurang dari 0.30%) 1. CARBURISING • Cara paling murah dan metode tertua. • Pada baja dg keuletan tinggi, kadar karbon =< 0.2%. • Karena kadar karbon rendah maka hrs ditambah dg mendifusikan karbon melalui permukaannya sehingga mampu dikeraskan dg quenching (pembentukan martensit). • Tahapan carburising : – Penambahan carbon – pengerasan Penembahan karbon (carburising) • Pemanasan pd temperatur ckp tinggi di lingkungan yg mengandung karbon aktif • Atom karbon berdifusi ke dalam baja sampai kadar tertentu & kedalaman tertentu • Selanjutnya proses quenching • Ada 3 cara penambahan karbon (carburising): – Solid carburising, gas carburising, liquid carburising Solid carburising • Benda kerja dimasukkan dalam suatu kotak ditimbun dengan carburising compound, kotak ditutup (kedap udara), dipanaskan sampai 900-9500C slm bbrp jam, kotak dikeluarkan dari dapur, dibiarkan dingin, dibongkar & benda kerja dibersihkan kmdn dipanaskan kembali utk pengerasan (quenching) Carburising compound • • • • • • • • Berupa serbuk td: arang kayu/coke 70-80%, barium/natrium karbonat 20-25%, kalsium karbonat 2,5-3,5% Selama pemanasan udara yg terperangkap dlm kotak akan bereaksi dg arang menjdi CO: 2C + O2 -----> 2CO Selanjutnya CO akan berdissosiasi mjd karbon aktif (C.at) yg dpt berdifusi ke dlm baja: 2CO -----> CO2 + C.at C.at ini adalah atom karbon aktif, yg dpt berdifusi ke dlm baja, karbonat pd carburising compound berfungsi sbg energizer atau activator yg mempercepat proses carburising yaitu dg menghasilkan sjmlah CO2 dr reaksi dekomposisinya: BaCO3 ----> BaO + CO2 Yang kemdn bereaksi dg carbon membentuk CO Karena pd temperatur tinggi baja mampu melarutkan banyak karbon mk dlm wkt singkat permukaan baja akan menyerap karbon hingga mencapai batas jenuhnya. Mengingat bahwa bagian dalam baja hanya mengandung sdkt karbon mk karbon akan berdifusi masuk lebih ke dalam. Tebal lapisan permukaan yg mengalami penambahan karbon (case depth) ini tergantung pd temperatur pemanasan dan panjangnya holding time pd temperatur pemanasan itu. Gas Carburising • Baja dipanaskan dlm dapur dg atmosfernya byk mengandung gas CO dan/atau gas hydrokarbon yg sdh berdekomposisi pd temp carburising (900-950 C) akan berdekomposisi mghslkan C yang nantinya berdifusi ke dlm bj • Reaksi dekomposisinya: 2CO <----> C.at + CO2 CH4 <----> C.at + H2 CO + H2 <----> C.at + H2O Diffusion Period • Pada gas carburising lap hypereutektoid dpt dihilangkan dg memberikan suatu diffusion period yaitu dg menghentikan aliran gas carburising ttp mempertahankan temperatur pemanasan. • Dg demikian karbon akan berdifusi lbh kedalam dan merata pada lapisan kulit. • Benda kerja akan lbh bersih shg dpt lgsg diquench, shg dapur lbh efisien. Liquid Carburising • Pemanasan dilakukan dlm saltbath yg td campuran sodium cyanide (NaCN) atau potassium cyanide (KCN) yg berfungsi sbg carburising agent yg aktif, dg sodium carbonat (Na2CO3) yg berfungsi sbg energiser. 4 NaCN + 2O2 ----> 4 NaCNO 4 NaCNO ----> 2NaCN + Na2CO3 + CO + 2 N.at 2 CO ----> CO2 + C.at • Terlihat bhw selain atom carbon, atom nitrogen jg ikut berdifusi ke dlm baja. Nitrogen ini bereaksi membentuk nitrida yg jg keras. • Tebal kulit pengerasan (case depth) jg tergantung pd kandungan cyanide dlm saltbath (biasanya digunakan campuran dg 40-50% NaCN), sdg slm pemakaian kandungan cyanide ini terus berkurang, krn itu scr periodik komposisi saltbath hrs sll diperiksa/dipertahankan konstan. Pendinginan cepat (Quenching) • Stlh lap kulit mengandung ckp karbon, proses dilanjutkan dg pengerasan (quenching) utk mencapai kekerasan yg tinggi & tempering, utk mengurangi kegetasan & teg sisa yg berlebihan. • Pd pack carburising quenching dilakukan stlh pemanasan kembali, ttp pd gas & liquid carburising quenching dpt dilakukan lgsg ssdh pemanasan utk penambahan karbon. • Saat carburising baja dipanaskan pd temperatur ckp tinggi di daerah austenit, shg kemungkinan tjd pertumbuhan butir yg berlebihan coarse grained steel • Jika lgsg diquench mk material mjd getas/terdistorsi. • Baja yg mengandung unsur paduan dpt mencegah tjd nya pertumbuhan butir fine grained steel (yg dpt lgsg diquench) 2. NITRIDING • Nitriding dilakukan dg memanaskan baja di dlm dapur dg atmosfer yg mengandung atom nitrogen aktif yg akan berdifusi ke dlm baja dn bereaksi dg unsur dlm membtk nitrida. • Nitrida yg terbtk sgt keras dn stabil, nitrigen aktif diperoleh dr gas amonia yg bl dipanaskan pd temp nitriding (500-600C) akan berdissosiasi mjd nitrogen aktif dn gas hidrogen: 2 NH3 ------> 2 N.at + 3 H2 • Pd dasarnya smua baja dpt dinitriding, ttp hasil yg baik akan diperoleh bl baja mengandung unsur paduan yg membtk nitrida (nitride forming element) spt aluminium, chrom atau molybden. • Bd kerja dimasukkan dlm dapur yg kedap udara, gas amonia dialirkan scr kontinyu slm proses pemanasan pd temp 500-600C. • Proses nitriding berlgsg lama (bs dlm bbrp hari). Kekerasan yg dihasilkan sgt tinggi (shg tdk perlu quenching) shg bd kerja terhindar dr distorsi, retak atau teg sisa. Nitrida yg terbtk sgt stabil, kekerasannya tdk berubah slm pemanasan walaupun sd 600C. • Walaupun proses nitriding brlgsg lama skl ttp tebal kulit yg terjd tipis skl. Baja utk dinitriding tdk blh tll lunak (>= 0,3-0,4%C) agar mampu mendukung kulit yg sgt tipis tadi. • Bd kerja stlh dinitriding disarankan tdk dlkkn proses machining (selain polishing/lapping). • Baja hsl nitriding memp sft tahan aus yg sgt baik, memp sft tahan thdp kelelahan dan jg tahan trhdp korosi. 3. CYANIDING & CARBONITRIDING • Cyaniding menyerap karbon dan nitrogen dg perbandingan yg lbh seimbang. Proses cyaniding mrpkn modifikasi liquid carburising, proses dg mggnkn saltbath ttp dg konsentrasi garam cyanide yg lbh rendah dn temp pemanasan yg lbh rendah, shg diffusi nitrogen ckp banyak. • Saltbath mengandung 25-45% NaCN pd 550-600C dn holdingtime 5-30men didapatkan kulit (case) yg sgt tipis (0.02-0.04mm). • Kulit tipis ini tahan aus dn kekerasan sgt tinggi, srg dlkkn thdp baja perkakas (HSS, high speed steel) • Pd cyaniding komposisi saltbath dn temp pemanasan sgt berpengruh thdp tebal dn kompss kimia dr kulit. Dg temp pemanasan mkn tinggi dn kandgn NaCN dlm saltbath yg mkn rendah akn mghslkn case depth yg mkn besar, dan kadar karbon dr kulit yg mkn tinggi (kadar nitrogen mkn rendah) • Utk proses yg mghslkn kulit dg kadar karbon yg ckp tinggi (>0.4%C) perlu dlkkn quenching dn tempering. • Corbonitriding mrpkn modifikasi proses gas carburising, dg menggunakan camp gas2 td karbonmonoksida dn gas hidrokarbon yg diperkaya dg gas amonia. Shg yg berdifusi tdk hanya karbon ttp jg nitrogen, proses berlgsg dg temp yg lbh rendh. • Kekerasan yg dihasilkan dr cyaniding ataupun carbonitriding (ssdh quenching) akan lbh stabil dp yg diperoleh dr carburising, lbh tahan thdp pemanasan, tdk mudah mjd lunak krn pemanasan. 4. FLAME HARDENING • Pada flame hardening dan induction hardening komposisi kimia dr permukaan benda kerja tdk berubah. Pengerasan dlkkn dg memanaskan hanya bag permukaan. • Flame hardening dlkkn dg menyemburkan api dg intensitas tinggi ke permukaan, biasanya api dr brander oxyacetylene (shg sblm panas sempat menjalar ke bag dalam di abgian permuk sdh mencapai temp austenitising, kmdn sgr diquench. Shg bag permukaan terbtk martensit sdg di bag dalam tetap spt semula. • Benda kerja (baja) hrs memp hardenability yg memadai kadar karbonnya (0,3-0,6%C) • Proses sederhana (manual), menggunakan welding torch (brander las oxyasetylen), permukaan dipanaskan smp temp austenitising kmdn dicelupkn dlm air/minyak. • Hanya bisa utk ukuran bendakerja kecil. • Kekerasan kulit terutama tergantung pd kadar karbon dr baja, sdg tebal kulit tergtg pd sbrp tebal bag permukaan yg mglmi pemanasan smp mjd austenit dan didinginkan dg laju pendinginan kritis. • Pd proses pemanasan trgntg intensitas pemanasan, jarak permuk bd kerja dg brander, lamanya pemanasan, kecepatan gerakan antara brander dan benda kerja. 5. INDUCTION HARDENING • Pd prinsipnya sama dg flame hardening, hanya saja pemanasan ditimbulkan oleh arus induksi yg terjadi krn adanya medan magnet yg berubah2 dg sgt cepat (di sekitar konduktor yg dialiri arus listrik akan timbul medan magnet yg besar dn arahnya trgtg pd besar dan arah arus yg mengalir). • Arus induksi ini akan menimbulkan panas, krn arus induksi ini tjd di permukaan mk panas akan tjd di permukaan (panas yg timbul akan sgt intens jk arus induksi ditimbulkan oleh arus bolak-balik dg frekwensi tinggi. • Untuk menimbulkan pemanasan yg merata pd permukaan mk bed kerja diletakkan di dekat koil yg dialiri arus bolak-balik frekwensi tinggi. • Tebal kulit tergantung pd tebalnya permukaan yg mglmi pemanasan smp ke temp austenit sblm diquench. • Baja yg di-induction hardening akan memperlihatkan distorsi lbh sdkt dp yg diquench dr dapur. Baja yg tlh diquench & ditemper dpt dikeraskan dg kulit yg sgt tipis dan kekerasan yg ckp tinggi. Failure : Fracture and Fatique Minggu 4 Diagram Fasa Minggu 5 Pendahuluan • Sifat mekanik bahan salah satunya ditentukan oleh struktur mikro • Utk mengetahui struktur mikro, perlu mengetahui fasa diagram • Diagram fasa digunakan utk peleburan, pengecoran, kristalisasi dll • Komponen: logam murni dan/atau senyawa penyusun paduan • Cth. Kuningan, Cu sebagai unsur pelarut dan Zn sebagai unsur yang dilarutkan. • Batas kelarutan merupakan konsentrasi atom maksimum yang dapat dilarutkan oleh pelarut utk membentuk larutan padat (solid solution). Contoh Gula dalam air. • Fasa adalah bagian homogen dari sistem yg mempunyai kharakteristik fisik & kimia yg uniform • Contoh fasa , material murni, larutan padat, larutan cair dan gas. • Material yg mempunyai dua atau lebih struktur disebut polimorfik • Jumlah fasa yg ada & bagiannya dlm material merupakan struktur mikro. • Diagram kesetimbangan fasa merupakan diagram yang menampilkan struktur mikro atau struktur fasa dari paduan tertentu • Diagram kesetimbangan fasa menampilkan hubungan antara suhu dan komposisi serta jumlah fasa-fasa dalam keadaan setimbang. Diagram Cu-Ni • L = larutan cair homogen yang mengandung Cu dan Ni • A = larutan padat subtitusi yang terdiri dari Cu dan Ni, yang mempunyai struktur FCC Diagram Cu-Ni • Jumlah persentasi cair (Wl) = S/(R+S)x100% • Jumlah persentasi a (Wa) = R/(R+S)x100% Sistem binary eutektik • • • • • • Batas kelarutan atom Ag pada fasa a dan atom Cu pada fasa b tergantung pada suhu Pada 780C, Fasa a dapat melarutkan atom Ag hingga 7,9%berat dan Fasa b dapat melarutkan atom Cu hingga 8,8%berat Daerah fasa padat: fasa a, fasa a+b, dan fasa b, yang dibatasi oleh garis solidus AB, BC, AB, BG, dan FG, GH. Daerah fasa padat + cair: fasa a + cair, dan fasa b + cair, yang dibatasi oleh garis solidus Daerah fasa cair terletak diatas garis liquidus AE dan FE Reaksi Cair padat(a) + padat (b) pada titik E disebut reaksi Eutektik. A F G H E B C Diagram Fasa Pb-Sn • Reaksi eutektik Cair (61,9%Sn) a(19,2%Sn)+b(97,6%Sn) Diagram Fasa Cu-Zn Diagram Fasa Al-Si • Paduan hipoeutektik AlSi mengandung Si <12,6% • Paduan eutektik Al-Si mengandung Si sekitar 12,6% • Paduan hipereutektik Al-Si mengandung Si >12,6% Diagram Fasa FeC Minggu 6 Diagram Fasa Fe-Fe3C • Besi-a (ferrit); Struktur BCC, dapat melarutkan C maks. 0,022% pada 727C. • Besi-d (austenit); struktur FCC, dapat melarutkan C hingga 2,11% pada 1148C. • Besi-z (ferrit); struktur BCC • Besi Karbida (sementit); struktur BCT, dapat melarutkan C hingga 6,7%0 • Pearlit; lamel-lamel besi-a dan besi karbida Reaksi pada Diagram Fasa Fe-C • Reaksi eutektik pada titik 4,3%C, 1148C L d(2,11%C) + Fe3C(6,7%C) • Reaksi eutektoid pada titik 0,77%C, 727C d(0,77%C) a(0,022%C) + Fe3C(6,7%C) • Reaksi peritektik Pengaruh unsur pada Suhu Eutektoid dan Komposisi Eutektoid • Unsur pembentuk besi-d: Mn & Ni • Unsur pembentuk besi-a: Ti, Mo, Si & W Fasa Transformasi Minggu 7 Diagram Transformasi-Isotermal Diagram Transformasi-Isotermal untuk Baja Eutektoid Proses Anil & Perlakuan Panas Minggu 8 Pendahuluan • Proses anil merupakan proses perlakuan panas suatu bahan melalui pemanasan pada suhu cukup tinggi dan waktu yang lama, diikuti pendinginan perlahan-lahan • Anil – Tujuan: menghilangkan tegangan sisa, meningkatkan ductility, softness dan toughness – Prosedur: suhu pemanasan mendekati suhu transisi dan ditahan sebelum pendinginan perlahan-lahan – Perubahan strukturmikro: pearlite • Full Annealing – Bahan : baja carbon menengah dan rendah – Proses : sama seperti Annealing, namun pendinginan dilakukan didalam oven pemanas hingga suhu kamar. – Perubahan struktur mikro : coarse pearlite Normalisasi / Normalizing terdiri dari homogenisasi dan normalisasi • Homogenisasi – Bahan: logam cair – Tujuan: menyeragamkan komposisi bahan – Prosedur: pemanasan pada suhu setinggi mungkin asalkan logam tidak mencair dan tidak menumbuhkan butir – Perubahan strukturmikro: homogenitas lebih baik, mendekati diagram fasa • Normalisasi – Bahan: baja – Tujuan: membentuk strukturmikro dengan butir halus & seragam – Prosedur: austenisasi 50-60C, disusul dengan pendinginan udara – Perubahan strukturmikro: pearlit halus dan sedikit besi-a praeutektoid • Menghilangkan Tegangan (stress relieving) – Bahan: semua logam, khususnya baja – Tujuan: menghilangkan tegangan sisa – Prosedur: Pemanasan sampai 600C utk baja selama beberapa jam – Perubahan strukturmikro: tidak ada • Rekristalisasi – Bahan: logam yang mengalami pengerjaan dingin – Tujuan: pelunakan dengan meniadakan pengerasan regangan – Prosedur: Pemanasan antara 0,3 dan 0,6 titik lebur logam – Perubahan strukturmikro: butir baru Speroidisasi – Bahan: baja karbon tinggi, seperti bantalan peluru – Tujuan: meningkatkan ketangguhan baja – Prosedur: dipanaskan pada suhu eutektoid (~700C) untuk 1-2 jam – Perubahan strukturmikro: speroidit Diagam perlakuan panas Laku Mampu Tempa (Malleabilisasi) • Bahan: besi cor • Tujuan: besi cor lebih ulet • Prosedur: – anil dibawah suhu eutektoid (<750C) Fe3C 3Fe(a) + C(garfit) Dan terbentuk besi mampu tempa ferritik – Anil diatas suhu eutektoid (>750C) Fe3C 3Fe(d) + C(garfit) Dan terbentuk besi mampu tempa austenitik • Perubahan strukturmikro: terbentuknya gumpalan grafit. Recovery, Rekristalisasi, Pertumbuhan Butir Proses Presipitasi • Pengerasan presipitasi dilakukan dengan memanaskan logam hingga unsur pemadu larut, kemudian celup cepat, dan dipanaskan kembali pada suhu relatip rendah Precipitation Hardening • Hardening of non-allotropic alloys – The properties of nonferrous substances that do not readily form allotropes cannot be changed by controlled cooling. – Such substances are known as non-allotropic alloys, and include aluminum, copper, and magnesium alloys as well as stainless steels containing Ni. – The method of hardening is called precipitation hardening and age hardening. – Precipitation involves the formation of a new crystalline structure through the application of controlled quenching and tempering. Precipitation disperses hard particles throughout the existing more ductile material. Logam Besi Minggu 9 Ferrous Metal Alloy • Material besi dibagi menjadi dua, yaitu besi paduan/baja dan besi tuang • Semakin tinggi kadar karbon maka semakin mudah terkorosi • Karena mengandung besi, maka memiliki sifat magnetis yang baik. Kelebihan besi Paduan/baja • Mudah didapat di alam • Mudah dibentuk • Memiliki kekuatan dan kelenturan yang baik • Tangguh – memiliki sifat mekanik dan fisik yang baik Logam besi • • • • • Baja karbon Baja paduan Baja pekakas & dies Baja tahan karat Besi tuang Baja karbon • Menurut kadungan C – Baja karbon rendah: C<0,3%, utk baut, mur, lembaran, pelat, tabung, pipa, komponen mesin berkekuatan rendah – Baja karbon menengah: 0,3%<C<0,6%, utk roda gigi, axle, batang penghubung, crankshaft, rel, komponen utk mesin pengerjaan logam – Baja karbon tinggi: 0,6%<C<1,0%, utk mata pahat, kabel, kawat musik, pegas Klasifikasi baja menurut AISI & SAE Baja seri 1045 utk yoke ball • 1045 termasuk seri 10xx atau seri baja karbon • Angka 45 merupakan kandungan karbon = 45/100 % = 0,45% Baja Paduan • Baja paduan rendah berkekuatan tinggi (high strength alloy steel) – C<0,30% – Strukturmikro: butir besi-a a halus, fasa kedua martensit & besi-d – Produknya: pelat, balok, profil • Baja fasa ganda (Dual- phase steel) – Strukturmikro: campuran besi-a & martensit Baja paduan rendah berkekuatan tinggi Kekuatan luluh 103 Psi MPa 35 240 40 275 45 310 50 350 60 415 70 485 80 550 100 690 120 830 140 970 Cth. 50XF 50 kekuatan luluh 50x103 Psi X paduan rendah F kill + kontrol S Komposis kimia Deoksidasi S = kualitas struktur F = kill + kontrol S X = paduan rendah K = kill W = weathering O = bukan kill D = fasa ganda Baja tahan karat • Sifatnya tahan korosi, kekuatan & keuletan tinggi dan kandungan Cr tinggi • Kandungan lain : Ni, Mo, Cu, Ti, Si, Mg, Cb, Al, N dan S Jenis baja tahan karat • Austenitik (seri 200 & 300) – Mengandung Cr, Ni dan Mg – Bersifat tidak magnit, tahan korosi – Utk peralatan dapur, fitting, konstruksi, peralatan transport, tungku, komponen penukar panas, linkungan kimia • Ferritik (seri 400) – Mengandung Cr tinggi, hingga 27% – Bersifat magnit, tahan korosi – Utk peralatan dapur. Jenis baja tahan karat • Martensitik (seri 400 & 500) – Mengandung 18%Cr, tdk ada Ni – Bersifat magnit, berkekuatan tinggi, keras, tahan patah dan ulet – Utk peralatan bedah, instrument katup dan pegas • Pengerasan presipitasi – Mengandung Cr, Ni, Cu, Al, Ti, & Mo – Bersifat tahan korosi, ulet & berkekuatan tinggi pada suhu tinggi – Utk komponen struktur pesawat & pesawat ruang angkasa Jenis baja tahan karat • Struktur Duplek – Campuran austenit & ferrit – Utk komponen penukar panas & pembersih air Besi cor • Besi tuang disusun oleh besi, 2,11-4,50% karbon dan 3,5% silikon • Kandungan Si mendekomposisi Fe3C menjadi Fea dan C (garfit) Jenis besi cor • • • • Besi cor kelabu Besi cor nodular (ulet) Besi cor tuang putih Besi cor malleable Besi cor kelabu • Disusun oleh serpihan C (grafit) yang tersebar pada besi-a • Bersifat keras & getas Besi cor nodular (ulet) • C (grafit)nya berbentuk bulat (nodular) tersebar pada besi-a. • Nodular terbentuk karena besi cor kelabu ditambahkan sedikit unsur magnesium dan cesium • Keras & ulet Besi cor putih • Disusun oleh besi-a dan besi karbida (Fe3C) • Terbentuk melalui pendinginan cepat • Getas, tahan pakai & sangat keras Besi cor malleable • Disusun oleh besi-a dan C (grafit) • Dibentuk dari besi cor putih yang dianil pada 800-900oC dalam atmosphere CO & CO2 Cara Membuat Besi Paduan • Carbothermic Reactions menambahkan unsur Carbon dengan melalui reaksi kimia yang sering disebut dengan carburizing • Dengan menambahkan unsur paduan pada saat fasa liquid. Logam Bukan Besi Minggu 10 Pendahuluan • • • Logam & paduan bukan besi – Logam biasa: Al, Cu, Mg – Logam/paduan tahan suhu tinggi: W, Ta, Mo Aplikasi utk – Ketahanan korosi – Konduktifitas panas $ listrik tinggi – Kerapatan rendah – Mudah dipabrikasi Cth. – Al utk pesawat terbang, peralatan masak – Cu utk kawat listrik, pipa air – Zn utk karburator – Ti utk sudu turbin mesinjet – Ta utk mesin roket Alimunium Produk Wrough 1xxx 2xxx 3xxx 4xxx 5xxx 6xxx 7xxx 8xxx Al murni: 99,00% Al+Cu Al+Mn Al+Si Al+Mg Al+Mg+Si Al+Zn Al+unsur lain Alimunium Produk Cor 1xx.x 2xx.x 3xx.x 4xx.x 5xx.x 6xx.x 7xx.x 8xx.x Al murni: 99,00% Al+Cu Al+Si, Cu, Mg Al+Si Al+Mg Tidak digunakan Al+Zn Al+Pb Perlakuan utk produk aluminium wrough dan cor F Hasil pabrikasi (pengerjaan dingin atau panas atau cor) O Proses anil (hasil pengerjaan dingin atau panas atau cor) H Pengerjaan regangan melalui pengerjaan dingin (utk produk wrough) Perlakuan panas T Magnesium & paduan magnesium • Logam terringan dan penyerap getaran yg baik • Aplikasi: – – – – – – – Komponen pesawat & missil Mesin pengankat Pekakas Tangga Koper Sepeda Komponen ringan lainnya. Paduan magnesium: produk wrough dan cor Paduan Komposisi (%) Kondisi Pembentukk an Ekstrusi lembaran & pelat Ekstrusi & tempa Lembaran & pelat Ekstrusi & tempa Al Zn Mn AZ31B 3,0 1,0 0,2 F H24 AZ80A 8,5 0,5 0,2 T5 HK31A ZK60A 5,7 Zr 0,7 H24 0,55 T5 Penamaan paduan magnesium • • • • Hurup 1&2 menyatakan unsur pemadu utama Angka 3&4 menyatakan % unsur pemadu utama Hurup 5 menyatakan standar paduan Hurup dan angka berikutnya menyatakan perlakuan panas Contoh. AZ91C-T6 A Al Z Zn 9 9%Al 1 1%Zn C Standar C T6 Perlakuan panas Tembaga & paduan tembaga • Sifat paduan tembaga: – Konduktifitas listrik dan panas tinggi – Tidak bersifat magnit – Tahan korosi • Aplikasi – Komponen listrik dan elektronik – Pegas – Cartridge – Pipa – Penukar panas – Peralatan panas – Perhiasan, dll Jenis paduan tembaga • • • • • • Kuningan (Cu+Zn) Perunggu (Cu+Sn) Perunggu Al (Cu+Sn+Al) Perunggu Be (Cu+Sn+Be) Cu+Ni Cu+Ag Nikel & paduan nikel • Sifat paduan nikel – Kuat – Getas – Tahan korosi pada suhu tinggi • Elemen pemadu nikel: Cr, Co, Mo dan Cu • Paduan nikel base = superalloy • Paduan nikel tembaga = monel • Paduan nikel krom = inconel • Paduan nikel krom molybdenum = hastelloy • Paduan nikel kron besi = nichrome • Paduan nikel besi = invar Supperalloy • Tahan panas dan tahan suhu tinggi • Aplikasi: mesin jet, turbin gas, mesin roket, pekakas, dies, industri nuklir, kimia dan petrokimia • Jenis superalloy – Superalloy besi base: 32-67%Fe, 15-22%Cr, 9-38%Ni – Superalloy kobalt base: 35-65%Co, 19-30%Cr, 35%Ni – Superalloy nikel base: 38-76%Ni, 27%Cr, 20%Co. Keramik Minggu 11 Penggolongan keramik berdasar penggunaannya Keramik • Senyawa logam atau bukan logam yang mempunyai ikatan atom ionik dan kovalen • Ikatan ionik dan kovalen menyebabkan keramik mempunyai titik lebur tinggi dan bersifat isolator • Keramik terdiri dari – Keramik tradisional, disusun oleh tanah liat, silika dan feldspar. Cth. bata, ubin, genteng dan porselen – Keramik murni atau teknik, disusun oleh senyawa murni. Brittle fracture of ceramics: Bahan keramik – batu tahan api • • Keramik digunakan utk kebut batu tahan api spt pd oven listrik, tungku api dinding ketel uao, dinding kupola pengecoran logam, rotary klin dll Komposisi batu tahan api & namanya sbb : • Fireclay digunakkan pd dinding kupola • Silica refractories digunakan pd perasngkat dasar pembuatan kaca, baja dan tungku ketel uap • Beberapa jenis keramik tahan api kusus spt: alumina, silica, magnesia, baryllia, zircomia, dan muilite • Jenis lain keramik termasuk compound, dg cara menambahkan unsur karbon dan graphite C. • Bahan SiC digunakan utk pemanas listrik (elemen setrika listrik), tungku penegecoran baja, da tungku dapur induksi • Keramik tahan aus digunakan sbg amplas, gerina, alat potong. Pembuatannya dg cara diserbukkan, dipres dan disinter shg bahan abrasive keramik terikat pd media pengikat • Keramik utk alat potong: intan, silicon carbide, tungsten, wolfram carbide, pasir silica Ceramics- glass • Kaca digunakan utk pembuatan botol, kaca jendela,, lensa dan serat gelas (fiberglass) • Kaca dibedakan non kristal dan krsital. • Kaca kristal volume spesifik (vol/massa) nya lbh kecil, pembuatan dg cara mendinginkan kaca non kristal pd temp lelehnya pd saat pendinginan tjd (lht gbr di file: ceramik processing.pdf utk glass) • Annealing pd kaca diperlukan utk menghilangkan teg sisa yg ada. Teg sisa tjd pd proses pembuatan dg pendinginan yg tdk seragam. • Cara annealing dg memanaskan kaca pd temp annealing kmdn didinginkan scr perlahan2 Jenis-jenis kaca Struktur Kristal • Sebagian besar keramik diikat secara ionik dan hanya sedikit tang diikat secara kavalen • Ikatan ionik biasanya mempunyai diameter atom kation < atom anion, akibatnya atom kation selalu dikelilingi atom anion. • Jumlah atom tetangga terdekat (mengelilingi) atom tertentu dikenal sbg bilangan koordinasi (Coordination number). Hub.bil.koordinasi dan perbandingan jari2atom kation-anion Bilangan koordinasi 2 Perbandingan jari-jari kationanion <0,155 3 0,115-0,225 4 0,225-0,414 6 0,414-0,732 8 0,723-1,0 Geometri koordinasi Jari-jari kation dan anion Kation Jari-jari ion (nm) Anion Jari-jari ion (nm) Al 3+ 0,053 Br - 0,196 Ba 2+ 0,136 Cl - 0,181 Ca 2+ 0,100 F- 0,133 Cs + 0,170 I- 0,220 Fe 2+ 0,077 O 2- 0,140 Fe 3+ 0,069 S 2- 0,184 K+ 0,138 Mg 2+ 0,072 Mn 2+ 0,067 Na 2+ 0,102 Ni 2+ 0,069 Si 4+ 0,040 Ti 2+ 0,061 Struktur Kristal Tipe AX Cth.; NaCl, CsCl, ZnS dan intan • Struktur NaCl (Garam) – Bentuk kubik berpusat muka (FCC) – 1 atom kation Na+ dikelilingi 6 atom anion Cl- (BK 6) – Posisi atom kation Na+: ½½½, 00½, 0½0, ½00 – Posisi atom anion Cl-: 000, ½½0, ½0½, 0½½ – Cth seperti kristal garam: MgO, MnS, LiF dan FeO. – Perbadingan jari-jari atom kation dan anion = 0,102/0,181 = 0,56 Struktur kristal tipe AX • Struktur CsCl – Bentuk kubik sederhana (simple cubic) – 1 atom kation Cs+ dikelilingi 8 atom anion Cl- (BK 8) – Posisi atom kation Na+: ½½ – Posisi atom anion Cl-:000 – Perbandingan jari-jari aton kation dan anion = 0,170/0,181 = 0,94. Struktur kristal tipe AX • Struktur ZnS – Bentuk Sphalerite – 1 atom kation Zn+ dikelilingi 4 atom anion S- (BK 4) – Posisi atom kation Zn+: ¾¾¾, ¼¼¾, ¼¾¼, ¾¼¼ – Posisi atom anion S-: 000, ½½0, ½0½, 0½½ – Cth seperti kristal ZnS: ZnTe, BeO dan SiO. – Perbandingan jari-jari atom kation dan anion = 0,060/0,174 = 0,344 Struktur kristal AX • Struktur intan – Bentuk sama seperti ZnS, tetapi seluruh atomnya diisi atom C. – Ikatan atomnya ikatan atom kovalen Struktur kristal intan Struktur kristal AmXp • Al2O3 (korundum) – Bentuk heksagonal tumpukan padat Struktur kristal Al2O3 Struktur kristal AmBnXp • BaTiO3 – Bentuk kristal perouskite – Atom kation: Ba2+ dan Ti4+ – Atom anion: O2- Struktur kristal perouskite Polimer Minggu 12 & 13 POLIMER • Berasal dari kata poli (banyak) dan mer (meros, yunani: bagian) • Penyusunan mer mjd polimer melalui ikatan atom C Polimer sering dsbt sbg plastik sintetis, punya berat molekul yg tinggi, yg t.d rantai molekul yg bercabang2 yg membntk senyawa polimer. • Plastik adalah bhn organis yg dg mudah dpt dicetak/ moulding ataudibentuk/ shaping dg cara mekanik ataupun kimiautk mghslkan substansi yg liat & nonkristalin ygpd temp. kamar berada dlm keadaan padat Kebanyakan mer berasal dari gugus hidrokarbon, misal : Beberapa hidrikarbon (rantai tunggal 1, dan ganda 2, adlh sbb: Beberapa tabel single mer (mer tunggal) dapat dilihat spt dibawh ini : • Rantai polimer dibedakan sebagai rantai tunggal dan rantai bercabang • Konfigurasi polimer dibedakan menjadi : – Stereoisometri (rangkaian rantai C tunggal) – Geometricalisomerism (rangkaian rantai C ganda) • Rangkaian polimer yg t.d 2 atom atau lebih polimer disebut sbg COPOLIMER • Polimer bs dibuat bhn kristal polimer, dg cara pendinginan cepat, pd saat bhn polimer mulai mendingin (memadat dr kead leleh/plastis) • Bahan polimer kebanyakan bersft plastis, artinya sangat mudah berubah btk scr permanen Mer-mer yg membtk polimer karet misalnya dibwh ini : Karakteristik dan pembuatan , gamb kurva pengujian tarik bbrp polimer digambarkan sbb: Berat jenis polimer berkisar antara 0.9 – 2 kgf/dm3, spt pd tbl brkt memuat karakteristik fisik & mekanis bbrp polimer ; Temperatur leleh dan temp transisi(temp utk membuat proses kristal polimer) disajikan pd tabel berikut ini : • Respon bhn polimer thdp temp dibedakan mjd: – Termoplastik, adl bhn polimer yg apbl dipanasi dan mendingin memp sft fisis yg sama (reversibel) – Termosetting, adl bhn polimer, yg berubah sft fisisnya apabl dipanasi. Bhn polimer termosetting biasanya lbh keras,kuat dan getas, serta dimensi yg lbh stabil. Contoh karet vulkanisir, epoxy , venol, poliester resin Proses polimerisasi dibagi menjadi 2 • • Addition polimerisasi (chain reaction), contoh pd reaksi poliethilen) Reaksi ini bertujuan menggandeng polimer dg bahan katalis atau initiator Condensation polimerisation (step reaction), For example, consider the formation of the polyester, poly(ethylene terephthalate) (PET), from the reaction between ethylene glycol and terephthalic acid; the intermolecular reaction is as follows: • Pengujian bahan polimer : – – – – Pengujian creep Pengujian impact Pengujian fatique Pengujian sobek/geser dan kekerasan • Pembuatan produk dr polimer dg cara : – – – – – Compression molding Injection molding Extrution Blow molding casting Berbagai jenis plastik dan penggunaannya : Thermoplastic Thermoset Elastomer (karet) • Elastomer adalah karet buatan, karet buatan dan karet alam biasanya diperbaiki sifat mekanisnya dg sistem vulkanisasi. Vulkanisasi menggunakan belerang sulfur sbg bahan utk memperkeras karet. Komposit Minggu 14 Komposit • Komposit adl gab antara 2 atau lbh material yg pd permukaan antara ke2 benda tsb tdk bercampur atau tdk bereaksi scr kimia. Jd ke 2 benda campuran tsb msh bs dilihat bedanya (beda dg fasa fasa logam yaitu fasa perlit yg mrpkn gab antara ferit dan sementit dg kandungn Fe dan C shg tdk bisa dikatakan sbg komposit) • Gab dr ke2 material pd komposit adlh: – – – – – Memp kekuatan tinggi Memp brt jns rendah Kuat dan cukup kaku Tahan thdp beban kejut atau impact Memp ketangguhan tinggi • Bag komposit yg lbh byk (%-nya) berfgsi sbg pengikat dsbt matriks, utk bahan pengisinya atau yg diikat oleh matriks dsbt fasa terdispersi (dispersed phase)/ dispersan/ serat (fiber)/ fillers (pengisi) • Ukuran/ % serta penataan fillers sgt berpengaruh thdp sifat mekanik komposit yg dihasilkan. • Secara visual komposit digolongkan macroscopic composite (kasat mata) dan microscopic composite (dg bantuan mikroskop utk lihat). • Macroscopic composite : beton, dinding, structural laminates, tripleks dll • Microscopic composite : dispersion strengthened (komposit dispersi), particel reinforced (komposit partikel), fiber reinforced (komposit serat, arah kontinyu, serat acak, hybrid) Komposit terdiri dari matriks dan fasa terdisphersi Microscopic composite 1. Komposit dispersi, material yg diikat matriks memp dimensi 0,01 – 0,1 µm (10 – 100 nm), dispersi partikel scr merata biasanya sampai 15% volume. 2. Komposit partikel, mempunyai ukuran partikel > 1 µm diameter, dg konsentrasi 20 -40% volume 3. Serat komposit, ukuran serat mulai 0,001 inch dg konsentrasi vol serat sampai 70% volume • Pada komposit bahan dispersi, partikel atau serat biasanya lbh keras dp bahan matriksnya. • Bahan dispersan, partikel atau serat bisa berasal dr bahan metalik, non metal, bhn oksida (keramik) dll. Contoh bhn dispersan: ThO2, pelapisan Al powder dll Particle reinforced composite • Ikatan matriks terhadap partikel maksimal dsbt upper bound (ikatan terkuat), yg minimum dsbt lower bound • Kekuatan atau modulus young (E) sbb: – Upper bound: Lower bound: • • • • • E = modulus young V = fraksi volume C = komposit M = matriks P = partikel/ pengisi Komposit partikel • Termasuk komposit partikel adalah cermet (ceramics – metal) dmn carbida sementit diikat dg logam WC dan TiC, misalnya= diikat dg cobalt dan nikel. Material ini dgnkan sbg alat potong mesin perkakas. Dibuat dg teknologi metalurgi serbuk, dicampur, dipres dan dipanasi (sintering) • Pada material ban, dicampurkan serbuk carbon C (carbon black) kedalam karet, sebesar 15-30% volume, dg diameter partikel carbon black 20-50 mm Komposit serat (Fiber Reinforced Composites) • Komposit serat (fiber) mempunyai kekuatan dan kekakuan tinggi • Fungsi matriks pd komposit serat adl utk mengikat antara serat satu dg lainnya, jg utk meneruskan beban tegangan dr gaya luar. • Kekuatan komposit adl kekuatan diantara matriks dan seratnya. • Biasanya matriks komposit memp modulus elastisitas lbh bsr dp seratnya. • Matriks komposit jg melindungi serat2nya dr kerusakan akibat abrasive (aus) dan kerusakanpd permuk serat akibat reaksi dg lingkungan • Kerusakan pd permuk serat memicu retak/sobek. Kerusakan komposit akibat terpisahnya serat dr matriksnya dsbt pullout. Perpatahan serat ke serat pd kondisi getas dsbt dg cotastropic failure. • Gaya ikat (bounding forces) antara matriks dan serat sgt penting utk mengurangi gejala rusak fiber pullout dan mempertinggi tegangan yg bs diteruskan • Bahan matriks logam : aluminium , tembaga • Bahan matrik polimer : poliester, epoxi, phenol, silicon, nilon • Bahan serat : whiskers, fibers, wires • Whiskers, bahan dr single crystals yg lebar dibanding diameter/tebalnya sangat besar. Terbuat dari graphite, SiC, SiNO2, Al2O3 • Fibers, bahan polikristal ataou amorphi dg diameter yg kecil dibanding panjang, biasanya dr ceramic atau polimer seperti: nilon, kaca, asbes, Al2O3 • Wires, kawat berdiameter lebih besar dibuat dr Mo, W, baja (misal pd ban) KOMPOSIT MAKROSKOPIK • • • • Komposit structures Dinding struktural laminates Composites sandwich Dinding & beton (concrete) Structural Composites A structural composite is normally composed of both homogeneous and composite materials, the properties of which depend not only on the properties of the constituent materials but also on the geometrical design of the various structural elements. Laminar composites and sandwich panels are two of the most common structural composites; only a relatively superficial examination is offered here for them. LAMINAR COMPOSITES A laminar composite is composed of two-dimensional sheets or panels that have a preferred high-strength direction such as is found in wood and continuous and aligned fiber-reinforced plastics.The layers are stacked and subsequently cemented together such that the orientation of the high-strength direction varies with each successive layer (Figure 16.16). For example, adjacent wood sheets in plywood are aligned with the grain direction at right angles to each other. Laminations may also be constructed using fabric material such as cotton, paper, or woven glass fibers embedded in a plastic matrix.Thus a laminar composite has relatively high strength in a number of directions in the two-dimensional plane; however, the strength in any given direction is, of course, lower than it would be if all the fibers were oriented in that direction. One example of a relatively complex laminated structure is the modern ski (see the chapter-opening illustration for this chapter). Sandwich panels, considered to be a class of structural composites, are designed to be light-weight beams or panels having relatively high stiffnesses and strengths. A sandwich panel consists of two outer sheets, or faces, that are separated by and adhesively bonded to a thicker core (Figure 16.17). The outer sheets are made of a relatively stiff and strong material, typically aluminum alloys, fiber-reinforced plastics, titanium, steel, or plywood; they impart high stiffness and strength to the structure, and must be thick enough to withstand tensile and compressive stresses that result from loading.The core material is lightweight, and normally has a low modulus of elasticity. Core materials typically fall within three categories: rigid polymeric foams (i.e., phenolics, epoxy, polyurethanes), wood (i.e., balsa wood), and honeycombs (see below). Structurally, the core serves several functions. First of all, it provides continuous support for the faces. In addition, it must have sufficient shear strength to withstand transverse shear stresses, and also be thick enough to provide high shear stiffness (to resist buckling of the panel). (It should be noted that tensile and compressive stresses on the core are much lower than on the faces.)
