BAHAN AJAR

MATERIAL TEKNIK

(ME-2301)

Oleh :

Dr.Eng. Markus Karamoy Umboh, ST, MT

NIP. 19750518 199903 1 001

Ir. Fencje A. Rauf, MT

NIP. 19580515 198703 1 001

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SAM RATULANGI

MANADO

2017

DAFTAR ISI

Hal

aman

LEMBAR PENGESAHAN i

KONTRAK PERKULIAHAN ii

ANALISIS ISTRUKSIONAL iii

KATA PENGANTAR v

DAFTAR ISI v

Bab I. Ikhtisar Material Teknik

1.1. Sifat-sifat Material 1

1.2. Material Teknik dan Pengelompokannya 1

Bab II Pengujian Material

2.1. Kekuatan Logam 3

2.1.1. Uji Tarik 3

2.1.2. Uji Keras 14

2.1.3. Uji Impak 18

2.1.4. Uji Kelelahan (Fatigue Test) 20

2.1.5. Uji Creep (Perayapan) 21

2.2. Pengujian Tidak Merusak 24

2.2.1. Uji Visual 24

2.2.2. Uji Ultrasonik 24

2.2.3. Uji Dye Penetran 25

2.2.4. Uji Radiografi 25

Bab III Atom Dan Ikatannya

3.1. Teori Atom 27

3.1.1. Struktur Atom 27

3.1.2. Konfigurasi Elektron 29

3.2. Susunan Periodik Unsur 31

3.2.1. Ikatan-Ikatan antar Atom 33

Bab IV Struktur Logam

4.1. Pembentukan Kristal 35

4.1.1. Sel Satuan 35

4.1.2. Kristalografi 42

4.1.3. Difraksi Sinar-X 48

4.2. Ketidaksempurnaan Kristal 49

4.2.1. Cacat Titik dan Surface Imperfection 50

4.2.2. Dislokasi 51

4.2.3. Slip dan Twin 52

Bab V DIAGRAM FASA

5.1. Latar Belakang Pemaduan 58

5.2. Diagram Fasa Sistem Satu Komponen 58

5.3. Diagram Fasa Sistem Dua Komponen 59

5.4. Diagram Fasa Sistem Tiga Komponen 62

Bab VI BAJA KARBON

6.1. Struktur Besi-Baja 65

6.2. Diagram Fasa Fe-Fe3C 66

6.3. Klasifikasi Baja Karbon 72

6.4. Transformasi Isotermal 73

6.5. Transformasi Pendinginan Kontinu 79

Bab VII Ikhtisar Pembuatan Baja

7.1. Pengerolan Panas 81

7.2. Ekstrusi Logam Dan Paduan 81

7.3. Proses Tempa 81

7.4. Proses Pembentukan Lain 82

DAFTAR PUSTAKA

BAB III

ATOM DAN IKATANNYA

3.1. Teori Atom

Rutherford berpendapat bahwa atom adalah nukles bermuatan positif, yang

membawa bagian terbesar massa atom tersebut, dengan elektron-elektron yang

mengelompok di sekelilingnya. Dia mengemukakan bahwa elektron-elektron

tersebut berevolusi mengelilingi nukleus itu dengan orbit-orbit yang berbentuk

lingkaran sehingga gaya sentrifugal dari elektron-elektron yang berevolusi ini tepat

sama dengan gaya tarik menarik elektrostatik antara nukleus bermuatan positif ini

dengan elektron-elektron bermuatan negatif. Untuk menghindari kesulitan bahwa

elektron yang berputar harus, berdasarkan hukum elektrodinamika klasik, terus

menerus memancarkan energi dalam bentuk radiasi elektromagnetik, Bohr, pada

tahun 1913, terpaksa menarik kesimpulan bahwa, dari semua orbit yang mungkin

ada, hanya beberapa orbit tertentu saja yang diperbolehkan. Orbit-orbit yang diskrit

ini diasumsikan memiliki sifat yang begitu luar biasa sehingga ketika suatu elektron

berada pada salah satu dari antara orbit-orbit ini, tidak ada radiasi yang bisa terjadi.

Kumpulan yang terdiri dari orbit-orbit yang stabil ini ditandai dengan kriteria

bahwa momentum angular dari elektron-elektron pada orbit-orbit ini dinyatakan

oleh

nh/2π (3.1)

Dimana : h = konstanta Planck

n = bilangan bulat (n = 1, 2, 3, dan seterusnya)

3.1.1. Struktur Atom

Pada tahun 1911, Rutherford mengemukakan teori atomnya sebagai berikut

:

- Atom tersusun dari

a. Inti atom yang bermuatan positif

b. Elektron-elektron bermuatan negatif yang beredar mengelilingi inti.

- Inti atom bermuatan positif karena mengandung proton. Oleh karena atom bersifat

netral, maka jumlah proton dalam inti sama dengan jumlah elektron yang

mengelilingi inti.

- Jari-jari atom sekitar 10-8 cm, sedangkan jari-jari inti atom jauh lebih kecil lagi :

10-13 cm.

Atom-atom dari unsur yang berbeda akan memiliki berat, ukuran, dan sifat-

sifat yang juga berbeda. Perbedaan ini disebabkan oleh perbedaan jumlah proton

dari masing-masing atom. Jumlah proton dari atom suatu unsur disebut nomor atom

unsur tersebut. Unsur hidrogen, misalnya, mempunyai nomor atom 1. Ini berarti

bahwa atom hidrogen mengandung 1 proton. Demikian pula unsur karbon yang

memiliki nomor atom 6 akan mengandung 6 proton pada setiap atomnya.

Gambar 3.1. Struktur atom

Penelitian para ilmuwan pada awal abad ke-20 menunjukkan bahwa atom-

atom dari unsur yang sama ternyata dapat memiliki massa dan ukuran yang berbeda.

Meskipun sifat-sifat kimia atom-atom dari unsur yang sama juga pasti sama,

kenyataannya sifat-sifat fisika atom-atom itu bisa berbeda. Gejala atau fenomena

ini disebut isotop (bahasa Yunani : iso = sama, topos = tempat), suatu istilah yang

diciptakan oleh seorang asisten Rutherford yang bernama Frederick Soddy (1877 –

1956) pada tahun 1911.

James Chadwick (1891 – 1974) menemukan bahwa dalam inti atom terdapat

jenis partikel lain di samping proton. Partikel ini tidak bermuatan listrik (netral),

dan itulah sebabnya diberi nama netron. Penemuan netron juga menerangkan

mengapa proton-proton dalam inti stabil. Netron berfungsi sebagai penyekat,

sehingga tidak ada tolak menolak antar proton dalam inti atom.

Jumlah netron yang berbeda menyebabkan atom-atom dari unsur yang sama

dapat mempunyai berat atau massa yang berbeda. Jumlah proton + netron dalam

inti atom disebut berat atom atau massa atom atau nomor massa atau bilangan

massa.

Dengan demikian tiga definisi isotop dapat kita rumuskan :

1. Isotop adalah unsur-unsur sejenis yang memiliki jumlah proton sama, tetapi

jumlah netron berbeda.

2. Isotop adalah unsur-unsur sejenis yang memiliki nomor atom sama, tetapi

berat atom berbeda.

3. Isotop adalah unsur-unsur sejenis yang memiliki sifat kimia sama, tetapi

sifat fisika berbeda.

Nomor atom dan berat atom suatu unsur dituliskan masing-masing di sebelah

kiri bawah dan kiri atas dari lambang unsur tesebut. Misalnya lambang C12

6

menyatakan bahwa atom karbon mempunyai nomor atom 6 dan berat atom 12.

Untuk atom netral, elektron yang bermuatan negatif akan sama jumlahnya

dengan proton yang bermuatan positif. Maka untuk atom yang netral (tidak

bermuatan) maka jumlah elektron dapat menunjukkan nomor atom. Sedangkan

untuk atom yang bermuatan jumlah elektron tidak menunjukkan nomor atom.

Atom-atom dapat melepaskan elektron dan dapat menerima elektron. Artinya

elektron-elektron dari atom dapat berubah. Perubahan jumlah elektron dari atom

netral, menyebabkan atom bermuatan. Atom bermuatan negatif, karena atom

tersebut menerima elektron, sehingga elektronnya bertambah. Atom bermuatan

positif, karena atom tersebut melepaskan elektron sehingga elektronnya berkurang.

3.1.2. Konfigurasi Elektron

Elektron bergerak dengan orbit tetap mengelilingi nukleus dengan

pergerakan elektron sebagai suatu fungsi gelombang. Fungsi ini hanya

menyebutkan secara spesifik probabilitas ditemukannya satu elektron dengan

energi tertentu di dalam ruang yang mengelilingi nukleus tersebut. Situasi ini

semakin diperumit oleh kenyataan bahwa elektron berperilaku tidak saja seakan-

akan berevolusi mengelilingi nukleus tetapi seakan-akan juga melakukan spin

(berputa-putar dengan cepat) mengelilingi sumbunya sendiri. Akibatnya, sebagai

ganti menspesifikasi gerak suatu elektron di dalam atom dengan satu bilangan

tunggal n, seperti dikehendaki teori Bohr, kita sekarang perlu menspesifikasi

keadaan elektron dengan menggunakan empat bilangan. Bilangan-bilangan ini,

dikenal sebagai bilangan kuantum elektron, yaitu n, l, m, dan s, dimana n adalah

bilangan kuantum utama, l bilangan kuantum orbital (azimutal), m bilangan

kuantum magnetik, dan s adalah bilangan kuantum spin. Satu premis dasar lain dari

teori kuantum modern mengenai atom adalah Prinsip Eksklusi Pauli. Prinsip ini

menyatakan bahwa tidak ada dua elektron yang terletak pada atom sama yang bisa

memiliki nilai-nilai numerik yang sama untuk himpunan empat bilangan kuantum

mereka.

Jika kita ingin memahami cara bagaimana Tabel Periodik yang berisi

elemen-elemen (unsur) kimia tersusun berdasarkan struktur elektronik atom-

atomnya, kita sekarang harus mempertimbangkan pengaruh keempat bilangan

kuantum tadi dan keterbatasan-keterbatasan yang ditempatkan pada nilai-nilai

numerik yang dipakai oleh keempat bilangan kuatum tersebut. Bilangan kuantum

terpenting adalah bilangan kuantum utama karena bilangan ini terutama

bertanggung jawab menentukan energi dari elektron. Bilangan kuantum utama

dapat memiliki nilai integral (bilangan bulat) yang dimulai dengan n = 1, yaitu

keadaan energi terendah, dan elektron-elektron yang memiliki nilai ini adalah

elektron yang paling stabil, di mana stabilitas berkurang dengan bertambah

besarnya n. Elektron-elektron yang memiliki bilangan kuantum utama n dapat

memiliki nilai integral untuk bilangan kuantum orbital l antara 0 dan (n – 1). Jadi

jika n = 1, l hanya mungkin bernilai 0, sedangkan untuk n = 2, l = 0 atau 1, dan

untuk n = 3, l = 0, 1, atau 2. Bilangan kuantum orbital berkaitan dengan momentum

angular dari elektron yang berevolusi, dan menentukan apa yang dalam istilah

mekanika nonkuantum diangga sebagai bangun dari orbit. Untuk nilai n tertentu,

elektron yang memiliki nilai l terendah akan memiliki energi terendah, dan semakin

tinggi nilai l, semakin besarlah energinya.

Kedua bilangan kuantum lainnya, m dan s, terkait masing-masing dengan

orientasi orbit elektron yang mengitari nukleus, dan dengan orientasi dari arah spin

elektron tersebut. Untuk nilai l tertentu, suatu elektron dapat memiliki nilai integral

untuk bilangan kuantum dalam m dari +l melalui 0 hingga –l. Jadi untuk l = 2, m

dapat memiliki +2, +1, 0, -1, dan -2. Energi dari elektron-elektron yang mempunyai

nilai n dan l yang sama tetapi dengan nilai m yang berbeda adalah sama, dengan

syarat tidak ada medan magnetik yang hadir. Ketika suatu medan magnetik

diberikan, energi dari elektron-elektron dengan nilai Zeeman. Bilangan kuantum

spin s, untuk elektron yang memiliki nilai n, l, dan m yang sama, dapat memiliki

salah satu dari dua nilai, yaitu +½ atau -½. Fakta bahwa nilai-nilai ini adalah nilai

nonintegral belum perlu kita perhatikan saat ini. Kita hanya harus ingat bahwa dua

elektron dalam suatu atom dapat memiliki nilai yang sama untuk bilangan kuantum

n, l dan m, dan bahwa kedua elektron ini akan memiliki spin dengan orientasi yang

berlawanan. Hanya dalam suatu medan magnetik sajalah energi dari kedua elektron

yang spinnya berlawanan ini akan berbeda.

Tabel 3.1 Alokasi keadaan pada ketiga kulit kuantum pertama

3.2. Susunan Periodik Unsur

Tabel periodik merupakan cara klasifikasi elemen kimia yang sangat

berharga, di mana elemen merupakan satu kumpulan yang berisi atom – atom

sejenis. Pada Tabel 3.2 diperlihatkan versi tipikal suatu Tabel Periodik. Dari 107

elemen yang muncul, 90 diantarannya terdapat di alam, sisanya diproduksi di

reaktor – reaktor nuklir atau akselerator – akselerator partikel. Di samping lambang

kimia setiap elemen, dicantumkan bilangan atomik (Z) dari elemen bersangkutan,

yang dapat dianggap sebagai jumlah proton dalam nukleus atau jumlah elektron

yang mengorbit mengelilingi atom. Elemen – elemen biasanya diklasifikasikan ke

dalam periode (baris horisontal), yang bergantung pada kulit elektron mana yang

sedang diisi, dan golongan (kolom vertikal). Elemen yang terletak dalam satu

golongan mempunyai konfigurasi elektron yang sama pada kulit paling luar, dan,

sebagai akibat langsungnya, memiliki sifat – sifat kimia yang sama.

Tabel 3.2. Tabel Periodik Elemen (dari Puddephatt and Monaghan, 1986; seizin

Oxford University Press).

Tabel 3.3. Bilangan Kwantum Elektron

3.2.1. Ikatan-Ikatan Atar Atom

Biasanya kita mengenal empat tipe pengikat utama dalam material, yaitu

pengikat metalik, pengikat ionik, pengikat kovalen, dan pengikat yang relatif jauh

lebih lemah yaitu pengikat van der Waals. Namun demikian, pada bebagai material

padat bisa saja pengikat memiliki karakter campuran, atau karakter antara. Pertama

– tama akan kita bahas ciri – ciri kimiawi yang dimiliki setiap jenis pengikatan.

Seperti telah kita lihat, elemen – elemen dengan karakteristik metalik yang

paling menonjol dikelompokkan di sisi kiri Tabel Periodik (Tabel 3.2). Secara

umum, elemen – elemen ini memiliki sedikit elektron valensi, di luar kulit tertutup

terluar, yang relatif mudah lepas. Di dalam suatu logam, setiap elektron valensi

“bebas” ternagi rata ke seluruh atom, bukannya terikat pada satu atom tertentu, dan

membentuk bagian dari apa yang disebut sebagai “gas elektron” yang berputar –

putar secara acak di tengah – tengah susunan yang teratur dari inti – inti elektron

bermuatan-positif, atau kation (Gambar 3.2a). Penerapan suatu gradien potensial

listrik akan menyebabkan “gas” tersebut terbawa melalui struktur tanpa hambatan

berarti, sehingga jelaslah mengapa konduktivitas listrik sangat baik pada keadaan

metalik. Ikatan metalik berasal dari tarik – menarik antara kation dan elektron

bebas dan, sesuai perkiraan, timbullah komponen tolak – menolak dari gaya ketika

didekatkan. Namun demikian, gaya – gaya pengikat dalam struktur metalik tidak

memiliki arah dalam ruang dan kita dapat langsung mensimulasi karakteristik

penumpukan dan pengisian ruang dari atom – atom tersebut dengan sistem – sistem

permodelan yang menggunakan bola – bola berukuran sama (bola – bola polistiren,

bahkan dengan gelembung – gelembung busa sabun). Sifat – sifat lain seperti

keuletan, konduktivitas panas dan transmitansi radiasi elektromagnetik juga

dipengaruhi langsung oleh ketanpaarahan dan mobilitas elektron yang tinggi dari

ikatan metalik.

Ikatan ionik terjadi apabila elektron ditransfer dari atom – atom elemen

metalik aktif ke atom – atom elemen nonmetalik aktif, sedemikian rupa sehingga

ion – ion resultannya dapat memiliki kulit tertutup yang stabil. Sebagai contoh,

struktur ionik magnesia (MgO), suatu oksida keramik, terbentuk ketika setiap atom

mangnesium (Z = 12) kehilangan dua elektron dari kulit-L-nya (n = 2) dan elektron

–elektron ini diikat oleh sebuah atom oksigen (Z = 8), menghasilkan konfigurasi

oktet stabil pada kulit-L-nya (Tabel 3.3). Secara keseluruhan, muatan – muatan

ionik tersebut berada dalam keseimbangan dan strukturnya secara listrik netral.

(Gambar 3.2b). Anion biasanya lebih besar daripada kation. Pengikatan ionik

bersifat omnidirectional (kesemua arah), pada dasarnya bersifat elektrostatik dan

bisa jadi sangat kuat, sebagai contoh, magnesia yang merupakan oksida tahan api

yang sangat bermanfaat (t.l = 2930°C). Pada temperatur rendah sampai temperatur

sedang, struktur seperti ini adalah isolator listrik, namun, pada umumnya, akan

menjadi konduktif pada temperatur tinggi ketika agitasi termal dari ion – ionnya

meningkatkan mobilita struktur tersebut.

Pemakaian bersama elektron valensi merupakan ciri utama dari tipe

pengikatan primer kuat yang ketiga. Ikatan – ikatan kovalen terjadi ketika elektron

– elektron valensi dengan spin berlawanan dari atom – atom tetangganya dapat

berpasang – pasangan di dalam orbital – orbital berarah spasial yang bertumpang

tindih, sehingga setiap atom dapat mencapai konfigurasi elektronik yang stabil

(Gambar 3.2c).. Karena terorientasi dalam ruang tiga dimensional, ikatan – ikatan

yang terlokalisir ini berbeda dengan ikatan logam atau ikatan ionik. Selain itu,

elektron – elektron yang ikut serta di dalam ikatan – ikatan terikat dengan kuat

sehingga padatan – padatan kovalen umumnya memiliki konduktivitas listrik

rendah dan bertindak sebagai isolator, kadang – kadang sebagai semikonduktor

(misalnya silikon). Jenis pengikatan yang terakhir ditimbulkan oleh gaya Van Der

Waals yang terjadi ketiga atom-atom, atau gugus-gugus atom, yang berdekatan

bertindak sebagai dipol listrik. Misalkan dua atom dengan perbedaan ukuran yang

sangat besar berkombinasi membentuk sebuah molekul sebagai hasil pengikatan

kovalen. “Awan” elektron yang terbentuk untuk keseluruhan molekul dapat

dikatakan berbentuk seperti buah pir dan memiliki distribusi muatan elektron yang

tidak simetris. Sebuah dipol listrik telah terjadi sehingga gaya tarik menarik

elektrostatik searah yang lemah bisa hadir di dalam agregatberisi molekul-molekul

seperti itu (Gambar 3.2d). Tidak ada elektron-elektron yang “bebas’ maka tidak

terdapat konduksi listrik. Pengikatan Van Der Waals relatif lebih lemah

dibandingkan dengan ketiga bentuk pengikatan yang lainnya.

Gambar 3.2. Skema (a) pengikatan metalik, (b) pengikatan ionik, (c) pengikatan

kovalen, dan (d) pengikatan van der Waals.