Material teknik – bab 2-1

Bab 2
Klasifikasi material dan Struktur
Material Padat
2.1 Pengertian Umum
Secara alamiah Bahan adalah suatu materi dari mana suatu benda itu
dibentuk, benda itu bukan selalu dari satu macam bahan, tetapi dapat dari
berbagai macam bahan yang dapat menjadi satu kesatuan sifat.
Secara umum bahan yang kita kenal, dan yang akan dibahas pada kuliah ini
terklasifikasi sbb:
2.2 Perubahan Peranan Bahan di Masa Depan
2.3 Definisi Materials
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Materials
Materials Science
Materials Engineering
Metallic Materials
Ferrous Metals dan Alloys
Non-Ferrous Metals dan Alloys
Ceramic Materials
Polymeric Materials
Composite Materials
Electronic Materials
1. Materials
Adalah: suatu komposisi partikel yang sanggup membentuk
satu-kesatuan, dimana dari padanya dapat dibentuk suatu
benda yang memiliki sifat yang homogen
2. Material Science
Adalah:Ilmu pengetahuan yang membahas dan mempelajari
sifat-sifat dasar suatu bahan, struktur dan data fisiknya.
3. Materials Engineering
Adalah: disiplin ilmu teknik bahan, terutama mempelajari
dan membahas dasar-dasar ilmu terapan bahan yang
digunakan untuk memberikan informasi dan petunjuk
untuk membuat suatu produk.
4. Metallic Materials
Adalah: Bahan yang memiliki sifat dan karakter tahan
panas yang tinggi, penghantar panas dan listrik yang baik.
Contoh: Besi, Baja, Aluminium, Tembaga, dst.
5. Ferrous Metals dan Alloys
Adalah: Bahan logam besi yang mengandung paduan unsur
lain dalam prosentase yang tinggi.
6. Non Ferrous Metals dan Alloys
Adalah: Bahan yang logam dan logam paduan yang tidak
mengandung besi dan apabila ada kandungan besi
didalamnya tentunya dalam presentase yang sangat kecil
sekali.
Contoh: Al, Cu, Zn, Ti, Ni, dll.
7. Ceramic Metals
Adalah: Bahan yang komposisinya terjadi atas bahan logam dan
non logam. Bahan keramik biasanya bersifat keras tetapi rapuh
serta memiliki sifat suhu cair yang sangat tinggi (≥ 4,000 ◦C)
8. Polymeric Materials
Adalah: Bahan yang memiliki sifat utama berantai yang panjang
(ikatan molekulernya panjang) atau memiliki jaringan yang
berelemen dengan berat yang rendah.
Contoh: Karbon, Hidrogen, Oksigen, Nitrogen, dst.
Contoh: Polisthelen, Solvinil Chlorida (PVC).
9. Composite Materials
Adalah: Bahan yang eksistensinya terjadi karena pencampuran
dari 2 atau 3 macam bahan-bahan lain, yaitu dapat terjadi dari
komposisi bahan logam, keramik dan polimer.
Contoh: Fiber Glass, Epoxy Matrix, dll.
10. Elektronik Materials
Adalah: Bahan yang khusus digunakan untuk komponenkomponen suku cadang dalam industri perlistrikan, terutama
dalam bidang mikro elektronik.
Contoh: Silikon, Fiber Optik, Calium Arsenida, Konduktor dan
super conductor.
Epoxy Matrix
Common uses of fiberglass include
high performance aircraft (gliders),
boats, automobiles, baths, hot tubs,
water tanks, roofing, pipes, cladding,
casts, surfboards and external door skins.
2.4 Daftar Aplikasi Bahan Industri Dengan Sifat Umum
2.5 Struktur, Sifat Bahan dan Proses Bahan Industri
2.5.1 Struktur
Struktur dalam bahan Industri pengamatannya dari beberapa
tingkatan, yang pertama atom, beberapa atom menjadi
molekul, dari atom yang dikelilingi oleh elektronelektronnya yang dapat membawa sifat dari bahan itu sendiri
seperti contohnya: panas, magnet, listrik, optik juga dapat
untuk data dari suatu bahan yang tahan akan korosi.
Ikatan atom suatu unsur bahan dapat mebedakan antara bahan metal, polymer
keramik atau komposit. Dalam hal membahas struktur suatu bahan, akan
berhubungan dengan :
•Struktur Atom
•Susunan Atom
•Struktur Butiran
•Struktur Fasa
Struktur kristal sangat mempengaruhi sifat-sifat mekanis bahan, seperti sifat
logam (keuletan, kekuatan, kekerasa, tahanan kejut).
Struktur butiran terdapat pada sebagian besar golongan bahan logam, beberapa
macam keramik, dan kadang-kadang polymer, (ukuran dan bentuk butiran
memegang peranan utama sebagai faktor penentu sifat bahan.)
Struktur fasa sangat berperan dalam menentukan sifat bahan, bentuk kristal dapat
berubah karena perubahan fasa (akibat adanya perubahan temperatur dan waktu)
2.5.2 Sifat Bahan
Sifat bahan dibagi menjadi 2, yaitu:
1. Sifat Mekanis
2. Sifat Fisik
1. Sifat Mekanis
Sifat mekanis suatu bahan adalah sifat yang menyatakan bagaimana bahan itu
bersikap terhadap gaya atau tekanan yang bekerja padanya. Sifat mekanis bahan
yang paling umum diantaranya adalah: kekuatan, keuletan, kekerasan, regangan,
dsb.
Sifat-sifat yang penting dari sifat mekanis adalah: tahan gesekan, tahan benturan,
tahan kejutan, dll.
2. Sifat Fisik
Yang termasuk sifat fisik bahan adalah: listrik, magnet, optik, panas, lentur dan
sifat kimia.
Sifat fisik bahan tergantung dari 2 hal, yaitu:
1. Struktur bahan
2. Prosesnya
Perbedaan Sifat Mekanis
dan Sifat Fisik Bahan
2.5.3 Proses
Engineering Proses, yaitu bahan industri yang terbuat dari bahan
dasar yang diproses menjadi suatu produk industri.
Berdasarkan jenis material engineering process diproses sebagai
berikut:
1. Logam
- Pengecoran: cor pasir, permanen cor, cor
langsung, cor presisi, cor sentrifugal.
- Forming: Tempa, Gulung, Rol, Tekuk, Sintering.
- Penyambungan: Las, solder, keling.
- Machining: Potong, bubut, freis, asah
- Powder metalurgy
2. Polymer
- Cetakan: Cetak Injeksi, Cetak Tekan, Cetak transfer.
- Forming: Pintal, Ekstrusi, Vakum Forming.
3. Keramik
- Pengecoran: Cetak Beton, Cetak Luncur
- Pamadatan: Ekstrusi, Press, Isostatik
4. Komposit
- Pengecoran: Cor berbagai cara, cor infiltrasi
- Forming: Pemadatan dan sintering
- Penyambungan: Adesi, Ekplosi, Difusi
Sintering/Isostatic Process
Sintering/Isostatic Process
2.6 Pengaruh Lingkungan Terhadap Sifat Bahan
Industri
Lingkungan yang dapat berpengaruh terhadap bahan
dengan prosesnya terutama yang menyangkut tentang:
1. Beban
2. Temperatur
3. Atmosfer
4. Korosi
5. Radiasi
1. Beban
Beban yang bekerja pada suatu bahan dapat merubah secara
drastis sifat bahan, memang hal ini tergantung pada tipe
bahannya dan bagaimana bentuknya (Contoh: perubahan
kekuatan karena kelelahan)
2. Temperatur
Perubahan temperatur merupakan faktor yang paling
dominan dalam menentukan sifat bahan
Grafik yang menggambarkan bagaimana suatu bahan akan
mengalami perubahan kekuatannya akibat perubahan
temperatur yang dialami oleh bahan itu.
3. Atmosfer
Pada peristiwa fisika – kimia kita ketahui, bahwa sebagian besar
bahan logam dan polymer akan bereaksi terhadap unsur-unsur
atau gas-gas lain terutama oksigen, peristiwa ini sering terjadi
pada saat temperatur tinggi.
4. Korosi
Bahan logam sering diserang oleh berbagai macam larutan
pembawa sifat korosi, hal ini juga sering terjadi pada bahan
polymer dan keramik, itu disebabkan oleh peristiwa kimia biasa
ataupun peristiwa elektro – kimia.
5. Kimia
Radiasi tinggi, seperti yang terjadi di dalam dapur/reaktor nuklir
dapat mengubah drastis struktur didalam bahan industri apapun
kerusakannya akan merubah sifat mekanis, fisik dan struktur
didalamnya.
2.7. Struktur dan Energi Atom
Ada 4 tingkatan besar di dalam struktur:
1. Struktur Atom
2. Susunan Atom
3. Mikrostruktur
4. Makrostruktur
2.1 Struktur Kristal Material Engineering
• Partikel adalah sebuah satuan dasar dari benda atau materi, partikel
merupakan satuan terkecil dari suatu materi
• Jenis partikel ada tiga: Atom, molekul dan ion
•
•
•
Atom adalah satuan terkecil dari suatu materi yang terdiri dari
inti yang biasanya mengandung proton (muatan +), dan neutron
(netral), dan kulit yang berisi muatan negatif yaitu elektron
Elektron mengelilingi inti atom dalam orbitnya masing-masing
Atom mempunyai karakteristik tertentu yaitu jumlah proton
dan elektron adalah sama (netral), jika tidak sama disebut ion
•
Ion adalah atom yang bermuatan listrik, ion yang bermuatan
listrik disebut kation dan ion yang bermuatan negatif disebut
anion
•
•
•
•
Massa elektron 9,109 x 10-28 g dan bermuatan –1,602 x 10-19 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
•
•
•
•
•
•
Setiap unsur kimia dibedakan oleh jumlah proton di dalam
inti, atau nomor atom (Z)
Nomor atom merupakan bilangan bulat dan mempunyai
jangkauan dari 1 untuk hidrogen hingga 94 untuk plutonium
Jumlah proton sama pada unsur tertentu, namun jumlah
neutron (N) bisa bervariasi
Masa atom (A) dapat dinyatakan sebagai jumlah masa proton
dan neutron = Z + N
Jumlah proton sama pada unsur tertentu, namun jumlah
neutron (N) bisa bervariasi
Ukuran atom sangat kecil sekali dibandingkan dengan molekul
bahannya, maka diperlukan suatu unsur satuan yang disebut
sebagai satuan massa atom (sma) yang berguna sebagai satuan
dalam perhitungan dan definisikan sebagai1/12 massa atom
karbon (C).Dalam 1 ram terdapat: 6,02 x 1023 sma, yang
disebut sebagai bilangan avogadro.
•
•
•
Berat atom dari unsur atau berat molekul dari
senyawa bisa dijelaskan berdasarkan sma / atom
(molekul) atau massa per mol material
Bilangan Avogadro = satu mol zat terdiri dari 6.023 x
1023 atom atau molekul
1 sma / atom (molekul) = 1 g / mol
Molekul adalah gabungan dari beberapa atom unsur, bisa dua atau lebih.
Artinya berbicara molekul maka yang dibayangkan adalah gabungan
atom-atom (bukan satu atom), molekul adalah partikel terkecil dari suatu
unsur senyawa.
Molekul ada dua, yaitu:
•Molekul Unsur, gabungan atom unsur yang sama (O2, H2, O3)
•Molekul Senyawa, gabungan atom unsur yang berbeda (H2O, CO2,
C2H5)
Materi/zat secara umum dibagi menjadi 2 bagian yaitu Zat Tunggal dan
Campuran
Unsur:
•Adalah sekelompok atom yang memiliki jumlah proton yang sama
pada intinya. Jumlah ini disebut sebagai nomor atom unsur.
•Unsur didefinisikan juga sebagai Zat Tunggal yang sudah tidak
bisa di bagi-bagi lagi menjadi bagian yang kecil. (contoh: H2O,
terdiri dari dua unsur Hidrogen dan Oksigen)
Senyawa:
•Adalah zat tunggal yang terdiri atas beberapa unsur yang saling
kait mengait, senyawa dibentuk minimal 2 unsur yang berbeda.
•Walaupun dibentuk dari unsur yang berbeda, senyawa tetap
disebut zat tunggal, karena sifat-sifat unsur yang membentuknya
tidak dapat di temukan pada senyawa, dengan kata lain senyawa
adalah zat yang baru.
•Contoh: H2O, menghasilkan zat baru yang sifatnya berbeda
dengan unsur penyusunnya. Hidrogen gas yang sangat ringan dan
mudah terbakar, oksigen adalah gas yang sangat diperlukan untuk
pembakaran.
Campuran
Materi/Zat yang tersusun dari beberapa zat yang lain jenis dan tidak
tetap susunannya dari unsur dan senyawa, campuran merupakan materi
yang terdiri dari dua atau lebih zat tunggal.
Jenis campuran
Campuran homogen = larutan, adalah campuran dua zat atau lebih
yang terdiri dari zat terlarut dan pelarut, ukuran partikel larutan sangat
kecil (kurang dari 1 nm)
Campuran heterogen (Suspensi), adalah campuran kasar dan bersifat
heterogen, ukuran partikel lebih dari 100 nm
Campuran yang keadannya antara suspensi dan larutan (Koloid),
adalah campuran yang terdiri dari partikel terdispersi dan partikel
pendispersi, ukuran partikel 1 nm – 100 nm.
Model atom Bohr
Daftar Periodik
Daftar Periodik adalah tampilan unsur-unsur kimia dalam bentuk tabel,
unsur-unsur tersebut diatur berdasarkan struktur elektronnya sehingga
sifat kimia unsur-unsur berubah-ubah secara teratur sepanjang tabel,
setiap unsur didaftarkan berdasarkan nomor atom dan lambang unsurnya
Dari tabel periodik dapat diperoleh data-data tentang:
1. Mengetahui arti “Kolom” dan “Lajur”.
2. Nomor atom suatu unsur
3. Massa suatu atom
4. Valensi unsur
5. Golongan logam
6. Unsur 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).
Tabel Periodik
Dari gambaran diatas terlihat, dengan penguasaan kimia
maka akan dengan lebih mudah dapat menguasai lebih lanjut
terhadap berbagai jenis bahan industri, yaitu:
-Ke luar orbit
-Energi terserap
-Energi terpancar
-Masuk orbit
Dimana perubahan energi terjadi = ΔE, dimana berlaku
ΔE = h . v
C=λ.V
λ = Panjang gelombang
h = 6,63 x 10ⁿ, dimana n = -34 (J/S) – Konstanta Planc
Energi Level
Hukum Niels Bohr:
2.2 Ikatan Atom
Ikatan Atom pada material padat
Pada dasarnya dibagi 2 yaitu:
1. Ikatan Primer
2. Ikatan Sekunder
1. Ikatan Primer
Proses-proses pemindahan seperti melepaskan elektron, menerima
elektron baru dan membagi elektron, maka akan terjadi saling tarikmenarik ion yang terjadi antara ion positip dan ion negatip karena
memiliki muatan yang berlainan.
Untuk mengganggu ikatan tersebut diatas memerlukan energi kurang
lebih sebesar, 500,000 J/Mol .
Yang termasuk kedalam ikatan ini adalah:
1. Ikatan Ion
2. Ikatan Kovalen
3. Ikatan Logam
Ikatan ionik
•
•
•
Umumnya ditemukan pada senyawa yang dibangun oleh unsur logam
dan bukan logam
Atom logam akan memberikan elektron valensinya ke atom-atom non
logam, pada proses ini semua atom akan menjadi stabil dan bermuatan
listrik (atom menjadi ion)
Gaya ikat tarik menarik adalah coloumbik, yaitu ion positif dan negatif
tarik menarik satu sama lain karena adanya muatan listrik
Ciri-cirinya
• Kecenderungannya bersifat memberi atau menerima elektron
• Gaya tarik menarik yang ditimbulkan merata keseluruh sistem
• Membentuk susunan atom yang teratur dalam jaringan stabil
• Ikatan ion sangat stabil
Ikatan Atom Ionik
2. Ikatan Kovalen
•
•
•
Ikatan kovalen adalah ikatan yang melibatkan bersama
pasangan elektron, ikatan kovalen terjadi antara dua
atom yang sama-sama cenderung menangkap elektron
untuk mencapai konfigurasi elektron seperti gas mulia
(Ikatan kovalen terjadi jika dua atom yang berdekatan
membagi elektronnya)
Dua atom yang berikatan kovalen masing-masing akan
menyumbangkan minimal satu elektron keikatan dan
elektron yang dipakai bersama bisa dianggap dipunyai
bersama oleh kedua atom.
Jumlah ikatan kovalen yang mungkin untuk suatu atom
ditentukan oleh jumlah elektron valensi
Ikatan Atom Kovalen
Ikatan Kovalen ada dua yaitu
2.1 Ikatan Kovalen Normal
Ikatan yang mempunyai elektron yang berasal dari
kedua belah pihak.
Contoh: HCl, Cl2, H2, CCl4, dll.
2.2 Ikatan Kovalen Koordinasi
Pasangan elektron yang dipergunakan hanya berasal
dari satu pihak saja, tetapi tetap dimiliki oleh ke dua
elemennya:
Contoh: NH4, NH3HCL3, H3O, dll.
3. Ikatan Logam
•
•
•
Ikatan ini memiliki ikatan yang lebih rumit, ciri-cirinya
adalah: tidak semudah seperti ikatan ion dan atau ikatan
kovalen, elektron pembentuknya terdislokalisir
Ikatan logam ditemukan pada logam dan paduannya
(memiliki sifat kekerasan yang tinggi)
Elektron valensi tidak terikat pada atom tertentu pada
bahan padat tetapi bebas bergerak melewati keseluruhan
logam (kabut elektron bergerak dengan bebas)
Ikatan Atom Logam
2. Ikatan Sekunder
Dikelompokkan sebagai Ikatan Van Der Waals,
sering terjadi pada gas-gas mulia seperti: He, Ne, Ar,
Kr, Xe dll.
Ikatan Atom Hidrogen
Bilangan Koordinasi utk Ikatan
Atom
Struktur Material Padat
Material Teknik
Kristal
• Kristal didefinisikan sebagai material padat yang
mempunyai susunan atom atau molekul yang teratur,
keteraturan tercermin pada permukaan kristal yang
mengikuti pola-pola tertentu
• Material padat dimana atom-atomnya tersusun dalam
susunan pola yang berulang (kontinyu) dan periodik pada
pada arah 3 dimensi.
Daya ikat dalam kristal
Daya yang mengikat atom (atau ion, atau grup ion) dari
bahan padat kristal adalah bersifat listrik
Ikatan kimia dari suatu kristal dibagi menjadi 4 macam
yaitu: ionik, kovalen, logam dan van der waals.
Satuan sel kristal
• Untuk mendeskripsikan kristal
akan lebih mudah jika
didefinisikan sel satuan
• Satuan sel adalah susunan
terkecil dari kristal, dilukiskan
sebagai bola padat dimana setiap
bola saling bersinggungan
• Parameter kisi struktur kristal
– Panjang sisi a, b, c
– Sudut antara sumbu a, b, d
z
c
x
b a
d
b
y
a
Sistem Kristal
• Dlihat dari geometri
sel satuan, kristal
mempunyai tujuh
sistem kristal dan 14
kisi kristal
Arah kristalografi
• Arah kristal
dinyatakan sebagai
vektor dalam [uvw]
• uvw merupakan
bilangan bulat
• Himpunan arah <111>
terdiri dari [111],
[111], [111], [111],
[111], [111], [111],
[111]
z
[111]
y
c
a
[110]
[100]
x
b
Contoh menentukan 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
• Bidang kristalografi
dituliskan dengan indeks
Miller dinyatakan dalam
format (hkl)
• hkl merupakan bilangan
bulat
• Bidang-bidang yang paralel
satu sama lain adalah
ekivalen dan mempunyai
indeks yang identik
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
Prosedur menentukan indeks Miller
•
•
•
•
Jika bidang melalui titik awal, buat bidang paralel di
dalam sel satuan dengan translasi, atau dengan membuat
titik awal lain di sudut lain sel satuan
Bidang yang dicari bisa berpotongan atau sejajar dengan
sumbu. Panjang bidang yang berpotongan ditulis dalam
satuan parameter kisi a, b dan c
Ambil kebalikan dari angka-angka perpotongan tersebut.
Bidang yang sejajar dengan sumbu dianggap berpotongan
di tak berhingga sehingga kebalikannya adalah nol
Indeks Miller adalah bilangan bulat, tulis (hkl)
Contoh 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)
Bilangan Koordinasi
Pada kenyataannya bahan itu merupakan suatu kelompok atomatom yang terkoordinir, jadi bukan hanya merupakan hubungan
dua atom, tetapi lebih merupakan sebagai Polystrom (Hubungan
antara banyak atom).
Contoh CH4, CH3CL.
Arah pertumbuhan kristal
Kristal Kubik Berpusat Ruang, BCC
• Struktur kristal dimana
terdapat atom disetiap
sudut kubus ditambah
satu buah di dalam kubus
• Panjang sel satuan
dirumuskan dengan:
a=4R/√3
Kristal Kubik Berpusat Muka
• Struktur kristal termasuk kristal
kubus dimana terdapat atom
disetiap sudut kubus ditambah
masing-masing satu buah disetiap
permukaan/sisi kubu
• Panjang sisi kubis a dan jari-jari
atom R adalah:
a = 2R √2
• Fraksi volume bola padat di dalam
sel satuan (faktor penumpukan),
FP adalah volume atom di dalam
sel satuan dibagi volume total sel
satuan
•
Kristal Heksagonal Tumpukan Padat (HCP)
• Permukaan atas dan bawah sel satuan
terdiri dari enam atom yang membentuk
heksagonal dan mengelilingi sebuah atom
ditengah. Bidang lain mempunyai 3 atom
tambahan terletak antara bidang atas
dengan bawah
• Fkaktor penumpukan HCP = FCC
• Kerapatan atom
• ρ = ηA/Vc NA , dimana:
η = jumlah atom di dalam sel satuan
A = berat atom
Vc = volume sel satuan
NA = bilangan Avogadro