Bahan Ajar Material Teknik (1)

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)/16r32 =
0,74
• Kerapatan = A / VcNA
= (4x63,5) / (162x
(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 780C, 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 727C.
• Besi-d (austenit); struktur
FCC, dapat melarutkan C
hingga 2,11% pada 1148C.
• 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, 1148C
L  d(2,11%C) + Fe3C(6,7%C)
• Reaksi eutektoid pada titik 0,77%C, 727C
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
(~700C) 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 (<750C)
Fe3C  3Fe(a) + C(garfit)
Dan terbentuk besi mampu tempa ferritik
– Anil diatas suhu eutektoid (>750C)
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.)