Material Teknik

nure lizarifin [COMPANY NAME]

BAB 1

STRUKTUR dan IKATAN ATOM

Konsep dasar dari struktur dan ikatan atom, yaitu atom terdiri dari inti atom yang

sangat kecil, inti atom tersebut tersusun dari electron dan proton. Kumpulan dari neutron

dan proton itu disebut juga nukleon. Kemudian terdapat electron yang mengelilingi inti

atom yang memiliki orbit masing-masing.Seluruh masa atom tersebut sebenarnya

berpusat pada nucleus (inti atom), karena massa electron yang sangat kecil. Sekitar 99%

massa atom berada di inti dengan muatan proton dan neutron yang hampir sama.

Electron yang terdapat pada orbital-orbital tadi, bersifat stabil, dan mempengaruhi sifat-

sifat kimiawi sebuah unsur.

Mengenai model-model atom, memiliki perkembangan. Model-model atom

tersebut memiliki struktur atom. Berikut model-model atom dan struktur atom yang ada

di dalamnya :

1. Struktur atom model Dalton

Teori Dalthon mengatakan bahwa atom berbentuk pejal, selain itu ia

mengungkapkan bahwa setiap unsur terdiri atas partikel yang sangat kecil diberi nama

ATOM, atom yang berasal dari unsur yang sama memiliki sifat yang sama, atom dari suatu

unsur tidak dapat diubah menjadi atom unsur lain menggunakan reaksi kimia, atom tidak

dapat dimusnahkan dan tidak dapat dihancurkan.

2. Struktur atom model Thomson

J.J Thomson mengajukan model atom yang menyerupai roti kismis. Menurutnya,

terdapat electron yang tersebar bagaikan roti kismis.

3. Struktur atom model Rutherford

Berdasarkan percobaan yang telah ia lakukan , bahwa sebagian massa dan muatan

positif atom terdapat pada inti atom, dan electron beredar mengelilingi inti atom, lintsan

elektron disebut dengan kulit atom, dan jarak dari inti ke kulit atom disebut dengan jari-

jari atom.

4. Struktur atom model Niels Bohr

Pada electron terdapat lintasan-lintasan, lintasan tersebut disebut dengan kulit

atom, tiap lintasan akan ditandai dengan satu bilangan bulat yang dinamakan bilangan

kuantum utama(n). electron dapat berpindah disertai dengan pemancaran, perpindahan

electron pada bagian yang lebih dalam, akan diikuti dengan penyerapan energy, dan juga

sebaliknya.

Istilah dari atom berasal dari bahasa Yunani yang artinya tidak dapat dipotong atau

sesuatu yang tidak dapat dibagi-bagi. Atom merupakan suatu objek yang sangat kecil,

dan memiliki massa yang sangat kecil, sehingga untuk melihatnya membutuhkan alat,

mikroskop.

Untuk memahami jumlah proton dan neutron,

Jumlah proton = nomor atom dari atom (Z)

Jumlah proton + jumlah neutron (N) = nomor massa atom (A)

A = Z + N

Massa atom (A) dari atom tertentu dapat dinyatakan sebagai jumlah dari massa

proton dan neutron dalam inti. Walaupun jumlah proton sama dengan semua atom dari

suatu elemen tertentu, jumlah neutron akan menjadi suatu variable. Sehingga, atom

beberapa elemen memiliki dua atau lebih massa atom yang berbeda, inilah yang disebut

dengan isotop. Satuan dari massa atom (amu) dapat digunakan untuk menghitung berat

atom.

Bagian-bagian dalam atom, memiliki massa dan muatan tertentu, seperti yang terdapat

pada table di bawah ini :

Partikel

Subatom

Massa Muatan

(kg) Perbandingan (coulomb) Perbandingan

Proton, p 1,67 10 27 0 +1,60 10 19 +1

Neutron,

n

1,67 10 27 1 - -

Elektron,

e

9,11 10 31 1/ 1.836 1,60 10 19 -1

A. Elektron dalam atom

Pada awal telah dijelaskan mengenai model-model atom, model atom Rutherford

menjelaskan bahwa atom terdiri dari inti atom yang bermuatan positif dan dikelilingi oleh

elektron, namun teori tersebut tidak menjelaskan tentang kestabilan atom. Saat

mengelilingi inti, elektron mengalami percepatan sentripetal akibat pengaruh gaya

sentripetal.

Teori Maxwell, yang menyatakan bahwa partikel bermuatan yang bergerak maka

akan memancarkan energy. Maka, menurutnya elektron yang bergerak juga akan

memancarkan energy.

Pemancaran energy ini akan menyebabkan energy pada elektron menghilang,

sehingga lintasan berbentuk spiral dan jari-jari lintasan elektron tersebut akan mengecil,

kecepatan elektron semakin lambat dan akan tertarik pada inti atom, namun pada

kenyataannya atom akan tetap stabil.

Niels Bohr menggunakan teori kuantum, menurut Bohr bahwa spectrum garis

menunjukan elektron dalam atom hanya beredar pada lintasannya dengan tingkat energy

tertentu. Pada lintasannya tersebut elektron dapat beredar tanpa pemancaran maupun

penyerapan energy, jadi energy elektron tidak berubah sehingga lintasannya tetap.

Elektron dapat berpindah dari satu lintasan ke lintasan lain dengan disertai pemancaran

atau penyerapan energy yang hasilnya sama dengan selisih saat tingkat energy akhir dan

awal.

Namun teori Bohr hanya dapat menjelaskan spectrum gas hydrogen, tidak dapat

menjelaskan spectrum dari unsur yang jumlah elektronnya lebih dari satu. Kelemahan

Bohr dijelaskan oleh Louis Victor De Broglie tentang teori partikel gelombang ,

menurutnya pada kondisi tertentu memungkinkan materi yang bergerak memiliki cirri-ciri

gelombang. Hal ini terbukti benar, dengan ditemukannya sifat gelombang dari elektron,

yang mempunyai sifat difraksi, maka gelombang tersebut tidak bergerak melalui suatu

garis, namun menyebar pada daerah tertentu.

Teori De Broglie kemudian dikembangan oleh Erwin Schrodinger, yang

menyatakan bahwa kedudukan elektron dalam atom tidak dapat diketahui secara pasti,

namun kemungkinan menemukan elektron pada suatu titik pada jarak tertentu dari

intinya. Ruangan yang memungkinkan ditemukannya elektron disebut orbital.

Dalam mekanika kuantum, model atom digambarkan dengan menyerupai awan.

Beberapa elektron bergabung membentuk kelompok yang disebut subkulit.

Persamaan Schrodinger menghasilkan bilangan kuantum, seringkali disebut

K,L,M,N. Bilangan kuantum berhubungan dengan jarak elektron dari inti atau posisi

elektron.

Bilangan

kuantum

nomor ke n

Kulit Subkulit Jumlah

orbital

Nomor

elektron per

kulit

1 K s 1 2

2

L

s 1 8

p 3

3 M

s 1

18 p 3

d 5

4 N

s 1

32 p 3

d 5

f 7

Elektron mengisi dari orbital pada tingkat energy rendah atau terdekat dengan inti,

sebelum mengisi bagian orbital yang lebih tinggi. Saat pada orbital yang energinya sama,

maka elektron akan mengisi orbital yang kosong terlebih dahulu.

Dapat dilihat bahwa orbital s selalu memiliki energy yang lebih rendah daripada orbital p,

maka orbital s akan ditempati terlebih dahulu pada oleh elektron sebelum menempati

orbital p.

Konfigurasi elektron

Konfigurasi elektron yaitu menggambarkan susunan elektron yang ada dalam

atom. Terdapat 3 aturan yang dapat digunakan, yaitu : aturan Pauli, aturan Aufbau, dan

aturan Hund.

Aturan Pauli, tidak boleh terdapat dua elektron dalam satu atom dengan empat

bilangan kuantum yang sama. Orbital yang sama akan

mempunyai bilangan kuantum n,l,m yang sama tetapi yang

membedakan yaitu kuantum spin (s). dengan ddemikian tiap

orbital dapat berisi 2 elektron dengan spin / arah putar yang

berlawanan

Aturan Aufbau, pengisian orbital dimulai dari tingkat energy yang rendah ke yang

tingkat energy yang lebih tinggi.

Aturan Hund , elektron-elektron dalam suatu orbital cenderung untuk tidak

berpasangan ia baru berpasangan apabila pada subkulit itu

sudah tidak ada lagi orbital yang kosong. Cara mengisinya

menuliskan arah panah ke atas terlebih dahulu disemua kotak,

baru kemudian diikuti panah ke bawah dari kotak pertama.

Table Periodik

Tabel periodik adalah tampilan unsur-unsur kimia dalam bentuk tabel.

unsur-unsur tersebut telah diatur berdasarkan struktur elektronny, sehingga sifat-

sifat kimia tersebut hampi serupa/ berubah-ubah secara teratur sepanjang tabel.

Setiap unsur didaftarkan berdasarkan nomor atom dan lambang unsurnya.

Pada tabel periodik, terdapat golongan dan periode. Kolom,atau yang vertical

disebut dengan golongan , pada tabel periodik terdapat 18 golongan, yaitu terdapat VIII

golongan A, Sedangkan pada golongan B terdapat VIII golongan juga, namun golongan

ke VIII B terdiri dari 3 kolom. Golongan VIIIA, disebut dengan gas mulia karena elektron

valensinya sudah stabil. Golongan VIIA disebut dengan halogen (F,Cl,Br,I, dan At) . Alkali

dan logam alkali tanah terdapat pada golongan IA dan IIA.

Selain golongan, terdapat pula periode, terdapat 7 baris horizontal yang

disebut dengan periode . Walaupun golongan adalah cara yang yang paling umu untuk

mengklasifikasikan unsur, namun ada beberapa bagian di tabel unsur yang memiliki

kecenderungan sifatnya secara horizontal dan kesamaan sifatnya lebih terlihat dibanding

kecenderungan dengan vertical.

Elemen-elemen yang terdapat disudut kanan atas mudah menerima atau

membagi elektron, elemen-elemen ini disebut dengan elektronegatif unsur.

IKATAN ATOM pada PADATAN

Pada sebuah padatan, tiap atom dikelilingi oleh sejumlah atom lainnya. Atom

berinteraksi karena mereka didekatkan dengan bersamaan dari pemisahan yang tak

terbatas. Pada jarak yang besar interaksi dapat diabaikan, karena atom yang terlalu jauh

tidak berpengaruh satu dengan lainnya. Namun, jika jaraknya dekat, maka terdapat gaya

tarik-menarik antar atom.

IKATAN PRIMER ( ikatan yang kuat)

Ikatan ion adalah ikatan yang terbentuk akibat gaya tarik menarik antara

muatan ion yang berbeda. Ikatan antara natrium dan klorin, dalam natrium klorida terjadi

karena adanya serah terima elektron. Natrium merupakan logam, yang mudah melepas

elektron dengan energy ionisasi yang rendah sedangkan klorin merupakan nonlogam

dengan afinitas atau daya penangkapan elektron yang tinggi. Apabila terjadi reaksi antara

natrium dan klorin maka atom klorin akan menarik satu elektron natrium. Akibatnya

natrium menjadi ion positif dan klorin menjadi ion negative. Adanya ion positif dan

negative memungkinkan terjadinya gaya tarik antara atom, sehingga terbentuk natrium

klorida.

Ikatan kovalen, proses pembentukan kestabilan suatu atom tidak hanya

melalui pelepasan dan penerimaan elektron, kenyataan kestabilan juga dapat dicapai

dengan cara menggunakan elektron secara bersama.

Ikatan logam

Ikatan logam adalah ikatan yang terbentuk akibat adanya gaya tarik-menarik

yang terjadi antara muatan positif dari ion-ion logam dengan muatan negatif dari

elektron-elektron yang bebas bergerak. Atom logam mempunyai sedikit elektron valensi,

sehingga sangat mudah untuk dilepaskan dan membentuk ion positif.

Ikatan sekunder

Ikatan sekunder yang lebih lemah, merupakan ikatan interatom,

dikelompokan sebagai gaya van der waals, meski sesungguhnya terdapat mekanisme

yang berbeda. Gas mulia, dalam keadaan stabil tidak ada ikatan primer yang efektif,

karena ikatan ion, kovalen, dan semuanya memerlukan penyesuaian dan elektron valensi.

Akibatnya, atom-atom gas mulia memiliki daya tarik menarik yang lemah.

Ikatan atom hydrogen

Ikatan hydrogen terjadi saat sebuah molekul memiliki atom N, O, atau F yang

mempunyai pasangan elektron yang bebas. Hidrogen dari molekul lain akan berinteraksi

dengan pasangan elektron bebas ini membentuk suatu ikatan hydrogen dengan besar

ikatan bervariasi mulai dari yang lemah hingga tinggi. Ikatan hydrogen akan

mempengaruhi titik didih suatu senyawa, semakin besar ikatan hidrogennya, maka

semakin tinggi titik didihnya.

Ikatan dipole terimbas

Dipol seketika ke dipole terimbas, atau gaya van der waals, adalah ikatan yang

paling lemah, namun sering dijumpai di antara semua zat-zat kimia. Misalnya atom

helium, pada satu titik waktu, awan elektronnya akan terlihat tidak seimbang dengan

salah satu muatan negatif berada di sisi tertentu. Hal ini yang biasa disebut dengan dipole

seketika.

Daftar Pustaka

William D. Callister Jr,Wiley. Materials Science and Engineering, An introduction.

2004

Lawrence H. Van Vlack. Ilmu dan Teknologi Bahan, (terjemahan), Erlangga, 1995

BAB 2

STRUKTUR DAN CACAT KRISTAL

Kristal

Kristal terbentuk dari komposisi atom-atom, ion-ion atau molekul molekul zat padat

yang memiliki susunan berulang dan jarak yang teratur dalam tiga dimensi. Pada

hubungan lokal yang teratur, suatu kristal harus memiliki rentang yang panjang pada

koordinasi atom-atom atau ion dalam pola tiga dimensi sehingga menghasilkan rentang

yang panjang sebagai karakteristik dari bentuk kristal tersebut.

Ditinjau dari struktur atom penyusunnya, bahan padat dibedakan menjadi tiga yaitu kristal

tunggal (monocrystal), polikristal (polycrystal), dan

amorf (Smallman, 2000: 13).

1. Kristal tunggal (monocrystal)

atom atau penyusunnyamempunyai struktur tetap karena atom-atom atau

molekul-molekul penyusunnya tersusun secara teratur dalam pola tiga dimensi dan

pola-pola ini berulang secara periodik dalam rentang yang panjang tak berhingga

2. Polikristal (polycristal)

Polikristal dapat didefinisikan sebagai kumpulan dari kristal-kristal tunggal

yang memiliki ukuran sangat kecil dan saling menumpuk yang membentuk

benda padat.

3. Amorf

Struktur amorf menyerupai pola hampir sama dengan kristal, akan

tetapi pola susunan atom-atom, ion-ion atau molekul-molekul yang dimiliki

tidak teratur dengan jangka yang pendek. Amorf terbentuk karena proses

pendinginan yang terlalu cepat sehingga atom-atom tidak dapat dengan tepat

menempati lokasi.

Struktur Kristal

Susunan khas atom-atom dalam kristal disebut struktur kristal.

Struktur kristal dibangun oleh sel satuan (unit cell) yang merupakan sekumpulan atom

yang tersusun secara khusus, secara periodik berulang dalam tiga dimensi dalam suatu

kisi kristal (crystal lattice).

Parameter-parameter kristal terdiri atas :

1. Konstanta kisi adalah jarak yang selalu terulang dalam pola jangkau kristal yang

menentukan sel satuandalam Kristal

Sumbu-sumbu a, b, dan c adalah sumbu-sumbu yang dikaitkan

dengan parameter kisi kristal. Untuk , , dan merupakan sudut antara

sumbu-sumbu referensi kristal. Menurut anggapan Bravais (1848),

berdasarkan kisi bidang dan kisi ruang kristal mempunyai 14 kisi dan

berdasarkan perbandingan sumbu-sumbu kristal dan hubungan sudut satu

dengan sudut yang lain, kristal dikelompokkan menjadi 7 sistem kristal

seperti yang dapat dilihat pada Tabel 1.

Sistem Sumbu (axes) Sudut sumbu (axial angles)

Kubik a = b = c a = b = g = 900

Tetragonal a = b c a = b = g = 900

Ortorombik a b c a = b = g = 900

Monoklinik a b c a - g - 900 b

Triklinik a b c a b g = 900

Hexagonal a = a c a = b = 900 ; g = 1200

Rombohedral a = b = c a = b = g 900

Konstanta kisi dapat dihitung dan diukur secara analitik dan dinyatakan dalam jari-jari

atom penyusun kristal tersebut. Konstanta kisi kristal juga dapat ditentukan secara

experimental, misalnya dengan difraksi sinar X.

Tujuh sistem kristal dengan empat belas kisi Bravais. (Van Vlack, 2004: 63)

2. Volume density (r) adalah massa atom per volume sel satuannya

3. Atomic packing factors, faktor tumpukan padat adalah volume atom dalam 1 sel

satuan per volume sel satuan itu sendiri

4. Coordination numbers (cn)

Coordination numbers atau diterjemahkan sebagai bilangan koordinasi (BK) adalah

suatu bilangan yang menunjukkan berapa jumlah atom-atom tetangga terdekat (atom-

atom yang bersentuhan).

Bilangan koordinasi tergantung pada 2 faktor, yaitu :

1. Kovalensi .

Jumlah ikatan kovalen di sekitar suatu atom tergantung pada jumlah elektron

valensinya

2. Penumpukan atom.

Karena sejumlah energi bebas, bila ion dengan muatan berbeda saling mendekati

, bahan dengan ikatan ion , umumnya memiliki bilangan koordinasi yang tinggi

yaitu mempunyai sebanyak mungkin atom tetangga terdekat tanpa menimbulkan

gaya tolak-menolak yang kuat antara ion dengan muatan sama.

Misalnya :

Pada FCC Coordination number = 12 , yaitu terdiri dari 12 atom tetangga terdekat (4

atom pojok, 4 atom sisi, dan 4 atom equilaven sel berikutnya). Pada

BCC coordination number = 8.

BIDANG KRISTAL

Bidang kristal adalah bidang-bidang atom dalam suatu kisi kristal. Arah (tegak lurus)

bidang kristal disebut sebagai arah kristal.

Suatu kristal tentunya memiliki bidang-bidang atom yang mempengaruhi sifat dan

perilaku bahan. Baik bidang, maupun arah bidang dinyatakan dalam 3 angka yang

disebut sebagai indeks miller .

Untuk membedakannya, maka :

a. Untuk arah bidang digunakan simbol atau lambang [ h, k, l ]

Contoh : [ 1, 1, 1 ]

b. Untuk bidang kristal digunakan lambang ( h, k, l )

Contoh : ( 1, 1, 1 )

Bidang kisi yang paling mudah digambarkan adalah bidang-bidang yang membatasi sel

satuan di samping bidang lainnya. h, k, l, tersebut adalah bilang-bilangan bulat seperti 0,

1, 2, 3, dan seterusnya yang dapat ditentukan dengan cara sebagai berikut :

1. Tentukan panjang perpotongan bidang kristal terhadap ketiga sumbu

kristal misalnya x1, y1 , z1. x1, y1 dan z1 dinyatakan dalam kelipatan besaran-besaran

sel satuan a, b, dan c.

Contoh : x1 = p1 a y1 = p2 b z1 = p3 c.

2. Ketiga nilai p1 , p2 dan p3 dapat dikalikan/dibagi dengan faktor yang sama untuk

memberikan bilang-bilangan integer terkecil (tentukan dulu kebalikannya !)

Contoh :

Bidang yang diarsir memotong sumbu x, y, z masing-masing di a, 2b , dan 2/3c . Untuk

satu unit sel maka bidang tersebut berpotongan di 1, 2, 2/3. Kebalikannya : 1,1/2,

dan 3/2.

Indeks Miller h, k, l dapat dikalikan Receprocal dengan bilangan yang memberikan

bilangan bulat terkecil yaitu dengan 2. Sehingga bidangnya menjadi 213 ; Jadi bilangan

tersebut (2, 1, 3).

Catatan:

Indeks Miller adalah kebalikan dari perpotongan suatu bidang dgn ke-tiga sumbu x,y dan

z yang dinyatakan dalam bilangan utuh bukan pecahan. Indeks miller yang biasanya

bertanda negative (-) berarti menunjukkan bidang pada arah tertentu, (misalnya

perpotongan tsb ada di + , + dan 1/3 maka receprocalnya 2, 1, dan 3).

Maka bidang dengan indeks Miller semacam ini ditulis (2, 1, 3).

Family bidang adalah sekelompok bidang memiliki karakteristik yang sama tetapi memiliki

indeks Millerr yang berbeda satu dengan lainnya.

Misalkan : notasi untuk family bidangnya adalah {1 1 0}, maka bidang-bidangnya adalah

: (1, 1, 0), (1, 0, 1), (0, 1, 1), (1, 1, 0), (1, 1, 0)

DENSITAS BIDANG DAN DENSITAS GARIS

Densitas bidang atau Planar Density (PD) adalah fraksi bidang kristal yang ditempati oleh

atom-atom kristal. Sedangkan densitas garis atau Linier Density (LD) adalah fraksi garis

sepanjang arah kristal yang melewati pusat-pusat atom.

STRUKTUR HEXAGONAL

Berbeda dengan sistem kristal lainnya, maka bidang-bidang dan arah-arah bidang

kristal pada sistem hexagonal menggunakan 4 indeks yaitu (h, k, i, l ). Karena sistem ini

disusun oleh 3 sumbu bidang dan 1 sumbu tegak lurus (^) bidang basalnya.. Sumbu

pada bidang basal adalah a1, a2 dan a3 yang mana satu dan lainnya menbentuk sudut

1200. Indeks h, k, i adalah reciprocal/potongan bidang kristal terhadap sumbu a1,

a2 dan a3, sedangkan indeks l adalah perpotongan dengan sumbu c.

Catatan : Indeks bidang adalah sifat kebalikan dari indeks Miller yang memungkinkan

kita melakukan perhitungan untuk jarak antar bidang. Agar suatu garis terletak dalam

bidang tertentu, hasil skalar indeks arah garis dan indeks bidang harus = 0

Kristal Kubik Berpusat Muka

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

Kristal Heksagonal Tumpukan Padat

CACAT KRISTAL

kehadiran cacat Kristal yang sedikit memiliki pengaruh yang sangat besar dalam

menentukan sifat suatu bahan dan pengaturan cacat sangat penting dalam pemrosesan

bahan.

Cacat kristal dapat terjadi pada saat,

1. selama proses pertumbuhan kristal,

2. proses pemurnian atau proses laku (treatment), dan

3. bahkan seringkali cacat kristal sengaja diciptakan untuk menghasilkan sifat-sifat

tertentu.

1. Cacat titik

Cacat titik adalah ketaksempurnaan kristal yang terjadi pada suatu titik kisi tertentu.

Cacat tersebut dapat berupa :

kekosongan (vacancy)

Vacancy mempunyai pengaruh pada besar medan listrik setempat sehingga

berpengaruh pada sifat listrik dan optik zat padat

Pusat-pusat warna dalam kristal alkali-halida terjadi karena adanya vacancy

- sisipan (interstitial)

- takmurnian (substitutional impurity)

Ketidakmurnian dapat mempengaruhi

1. sifat listrik (electric properties)

2. sifat optik

3. sifat mekanik

4. sifat termal dari bahan

- cacat Frenkel

Pengotoran yaitu, adanya atom-atom asing pada beberapa titik kisi kristal

2. Cacat garis (dislokasi) : cacat kristal linier (1 dimensi) yang dikelilingi oleh atom

atom yang keluar menyimpang dari barisannya, meliputi berjuta jarak antar atom

Dislokasi garis

Dislokasi ulir

3. Cacat bidang

Batas butir

Permukaan

4. Cacat volum

Daftar Pustaka

http://eprints.uny.ac.id/8412/3/bab%202%20_08306144007.pdf

https://sites.google.com/site/basicmaterialsciences/v-kristal-struktur-kristal

William D. Callister Jr,Wiley. Materials Science and Engineering, An introduction.

2004

BAB 3

SIFAT MEKANIKA

Sifat mekanik material, merupakan salah satu faktor terpenting yang mendasari pemilihan

bahan dalam suatu perancangan. Sifat mekanik dapat diartikan sebagai respon atau

perilaku material terhadap pembebanan yang diberikan, dapat berupa gaya, torsi atau

gabungan keduanya.

Beberapa sifat mekanik dapat dibedakan menurut cara pembebanannya, yaitu

Sifat mekanik statis, yaitu sifat mekanik bahan terhadap beban statis yang

besarnya tetap atau bebannya mengalami perubahan yang lambat.

Sifat mekanik dinamis, yaitu sifat mekanik bahan terhadap beban dinamis yang

besar berubah ubah, atau dapat juga dikatakan mengejut.

Karakter material tergantung pada:

Komposisi kimia

Struktur mikro

Sifat material: sifat mekanik, sifat fisik dan sifat kimia

beberapa sifat mekanik yang penting untuk diketahui :

Kekuatan (strength), menyatakan kemampuan bahan untuk menerima tegangan

tanpa menyebabkan bahan menjadi patah. Kekuatan ini ada beberapa macam,

tergantung pada jenis beban yang bekerja atau mengenainya. Contoh kekuatan

tarik, kekuatan geser, kekuatan tekan, kekuatan torsi, dan kekuatan lengkung.

Kekerasan (hardness), dapat didefenisikan sebagai kemampuan suatu bahan untuk

tahan terhadap penggoresan, pengikisan (abrasi), identasi atau penetrasi. Sifat ini

berkaitan dengan sifat tahan aus (wear resistance). Kekerasan juga mempunya

korelasi dengan kekuatan.

Kekenyalan (elasticity), menyatakan kemampuan bahan untuk menerima tegangan

tanpa mengakibatkan terjadinya perubahan bentuk yang permanen setelah

tegangan dihilangkan. Bila suatu benda mengalami tegangan maka akan terjadi

perubahan bentuk. Apabila tegangan yang bekerja besarnya tidak melewati batas

tertentu maka perubahan bentuk yang terjadi hanya bersifat sementara,

perubahan bentuk tersebut akan hilang bersama dengan hilangnya tegangan yang

diberikan. Akan tetapi apabila tegangan yang bekerja telah melewati batas

kemampuannya, maka sebagian dari perubahan bentuk tersebut akan tetap ada

walaupun tegangan yang diberikan telah dihilangkan. Kekenyalan juga

menyatakan seberapa banyak perubahan bentuk elastis yang dapat terjadi

sebelum perubahan bentuk yang permanen mulai terjadi, atau dapat dikatakan

dengan kata lain adalah kekenyalan menyatakan kemampuan bahan untuk kembali

ke bentuk dan ukuran semula setelah menerima bebang yang menimbulkan

deformasi.

Kekakuan (stiffness), menyatakan kemampuan bahan untuk menerima

tegangan/beban tanpa mengakibatkan terjadinya perubahan bentuk (deformasi)

atau defleksi. Dalam beberapa hal kekakuan ini lebih penting daripada kekuatan.

Plastisitas (plasticity) menyatakan kemampuan bahan untuk mengalami sejumlah

deformasi plastik (permanen) tanpa mengakibatkan terjadinya kerusakan. Sifat ini

sangat diperlukan bagi bahan yang akan diproses dengan berbagai macam

pembentukan seperti forging, rolling, extruding dan lain sebagainya. Sifat ini juga

sering disebut sebagai keuletan (ductility). Bahan yang mampu mengalami

deformasi plastik cukup besar dikatakan sebagai bahan yang memiliki keuletan

tinggi, bahan yang ulet (ductile). Sebaliknya bahan yang tidak menunjukkan

terjadinya deformasi plastik dikatakan sebagai bahan yang mempunyai keuletan

rendah atau getas (brittle).

Ketangguhan (toughness), menyatakan kemampuan bahan untuk menyerap

sejumlah energi tanpa mengakibatkan terjadinya kerusakan. Juga dapat dikatakan

sebagai ukuran banyaknya energi yang diperlukan untuk mematahkan suatu benda

kerja, pada suatu kondisi tertentu. Sifat ini dipengaruhi oleh banyak faktor,

sehingga sifat ini sulit diukur.

Kelelahan (fatigue), merupakan kecendrungan dari logam untuk patah bila

menerima tegangan berulang ulang (cyclic stress) yang besarnya masih jauh

dibawah batas kekuatan elastiknya. Sebagian besar dari kerusakan yang terjadi

pada komponen mesin disebabkan oleh kelelahan ini. Karenanya kelelahan

merupakan sifat yang sangat penting, tetapi sifat ini juga sulit diukur karena sangat

banyak faktor yang mempengaruhinya.

Creep, atau bahasa lainnya merambat atau merangkak, merupakan

kecenderungan suatu logam untuk mengalami deformasi plastik yang besarnya

berubah sesuai dengan fungsi waktu, pada saat bahan atau komponen tersebut

tadi menerima beban yang besarnya relatif tetap.

Konsep Tegangan dan Regangan

Jika suatu benda mengalami sebuah beban statis atau terjadi perubahan

yangrelatif lambat dengan waktu dan beban diberikan secara seragam pada

daerahmelintang pada permukaan benda uji, perilaku mekaniknya dapat diprediksi

olehtes tegangan-regangan sederhana. Cara inilah yang paling sering

dilakukanuntuk logam pada suhu kamar. Ada tiga cara utama di mana beban

dapatditerapkan: yaitu, ketegangan, kompresi, dan geser. Dalam penerapan

secarateknik, kebanyakan beban bersifat torsional ketimbang gaya geser murni,

jenispembebanan ini diilustrasikan pada gambar dibawah ini

Deformasi elastis adalah deformasi atau perubahan bentuk yang terjadi pada suatu

benda, saat gaya tersebut bekerja, dan perubahan bentuk akan hilang, ketika gaya

tersebut dihilangkan.

Pembebanan statik:

Tarik Kompressi Geser

F

F

F

F Beban tarik

Beban kompressi

F

F

Deformasi plastis adalah perubahan bentuk yang terjadi secara permanen, walaupun gaya

tersebut dihilangkan.

Pengujian uji tarik: Pengujian ini merupakan proses pengujian yang biasa dilakukan

karena pengujian tarik dapat menunjukkan perilaku bahan selama proses pembebanan.

Pada uji tarik , benda uji diberi beban gaya tarik , yang bertambah secara kontinyu,

bersamaan dengan itu dilakukan pengamatan terhadap perpanjangan yang dialami benda

uji.

Hukum Hooke (Hookes Law)

Untuk hampir semua logam, pada tahap sangat awal dari uji tarik, hubungan antara beban

atau gaya yang diberikan berbanding lurus dengan perubahan panjang bahan tersebut.

Ini disebut daerah linier atau linear zone. Di daerah ini, kurva pertambahan panjang vs

beban mengikuti aturan Hooke sebagai berikut:

rasio tegangan (stress) dan regangan (strain) adalah konstan

Stress adalah beban dibagi luas penampang

bahan dan strain adalah pertambahan panjang dibagi panjang awal bahan.

Stress: = F/A F: gaya tarikan, A: luas penampang

Strain: = L/L L: pertambahan panjang, L: panjang awal

Hubungan antara stress dan strain dirumuskan:

E = /

Pengujian Kekerasan

Pengujian ini dilakukan dengan dua pertimbanagn yaitu untuk mengetahui

karakteristik suatu material baru dan melihat mutu untuk memastikan suatu material

memiliki spesifikasi kualitas tertentu. Berdasarkan pemakaianya dibagi menjadi:

1. Pengujian kekerasan dengan penekanan(indentation test)

Pengujian ini dilakukan merupakan pengujian kekerasan terha-dap bahan logam

dimana dalam menentukan kekerasaannya deilakukan dengan cara menganalisis

indentasi atau bekas penekanan pada benda uji sebagai reaksi dari pembebanan tekan

2. Pengujian kekerasan dengan goresan(sratch test)

Merupakan pengujian kekerasan terhadap benda (logam) dimana dalam

menentukan kekerasannya dilakukan dengan mencari perban-dingan dari bahan yang

menjadi standart. Contohnya adalah pengujian metode MOHS

3. Pengujian kekerasan dengan cara dinamik(dynamic test)

Merupakan pengujian kekerasan dengan mengukur tinggi pantu-lan dari bola baja

atau intan(hammer)yang dijatuhkan dari ketinggian tertentu.

Daftar pustaka :

William D. Callister Jr,Wiley. Materials Science and Engineering, An introduction. 2004

http://ardra.biz/sain-teknologi/metalurgi/pembentukan-logam-metal-

forming/pengertian-deformasi-elastis-dan-plastis

http://yefrichan.wordpress.com/2010/05/21/sifat-%E2%80%93-sifat-material/

http://mustazamaa.wordpress.com/2010/04/15/sifat-sifat-mekanik-bahan/

http://sekolah007.blogspot.com/2013/04/macam-macam-pengujian-bahan.html

BAB 4

DIAGRAM FASA

A. Pengertian Diagram fasa

Diagram Fasa adalah diagram yang menampilkan hubungan antara temperatur dimana

terjadi perubahan fasa selama proses pendinginan dan pemanasan yang lambat dengan

kadar karbon.

B. Komponen

logam murni dan/atau senyawa penyusun paduan. Contoh : Cu - Zn (perunggu),

komponennya adalah Cu dan Zn.

C. Istilah

Solid solution (larutan padat) : terdiri dari beberapa atom, minimal dua atom yang

berbeda, atom terlarut menempati posisi substitusi atau interstisi pada kisi pelarut

dan struktur kristal mengikuti struktur kristal pelarut.

Batas kelarutan (solubility limit).

Suatu logam paduan akan mempunyai maksimum konsentrasi dari atom terlarut

yang akan larut pada pelarut.

Jika atom terlarut konsentrasinya melampaui batas kelarutan maka sebagian atom

tersebut tidak akan terlarut lagi. Untuk menggambarkan keadaan ini bisa dilihat

contoh larutan air gula. Jika gula yang dicampur terlalu banyak maka gula tersebut

tidak akan larut lagi.

Fase:

Fase didefinisikan sebagai sistem yang homogen yang mempunyai sifat kimia dan

sifat fisika yang seragam/uniform.

Satu fase : contohnya logam murni, padatan, cairan.

Lebih 1 fase : contohnya larutan air-gula dengan gula (larutan air-gula yang

melampaui batas kelarutan).

Sistem fase tunggal = homogen

Sistem 2 atau lebih fase = campuran atau sistem heterogen.

Struktur mikro :

Sifat-sifat fisik suatu bahan seperti sifat mekanik tergantung dari struktur mikro.

Struktur mikro diketahui dengan observasi mikroskopik menggunakan mikroskop

optik atau mikroskop elektron.

Pada logam paduan, penggolongan struktur mikro berdasarkan berapa jumlah fase,

proporsinya dan bagaimana susunannya didalam bahan.

Struktur mikro bergantung kepada jumlah elemen paduan, konsentrasinya dan

perlakuan panasnya (temperatur, lamanya pemanasan, laju pendinginan).

Kesetimbangan fase

Kesetimbangan : jika sebuah sistem mempunyai energi bebas minimum pada

temperatur, tekanan dan komposisi tertentu, lalu tidak terjadi perubahan kondisi

Makin tinggi energi bebas , dan gerak atom pada bahan makin acak dan tidak teratur.

Secara makro : sifat-sifat sistem tidak berubah terhadap waktu, stabil

Kesetimbangan fase : adalah kesetimbangan pada sistem yang terdiri lebih dari 1

fase. Masing-masing fase tidak mengalami perubahan.

DIAGRAM KESETIMBANGAN FASE.

Banyak informasi tentang pengontrolan struktur mikro pada paduan logam

tertentu lebih memudahkan jika digambar dalam bentuk diagram yaitu diagram fase

atau diagram kesetimbangan.

Banyak perubahan struktur mikro terjadi pada saat transformasi fase yaitu

perubahan yang terjadi diantara dua fase atau lebih karena temperatur berubah.

Gejalanya bisa berupa transisi dari satu fase ke fase lain atau terbentuk fase baru atau

hilangnya sebuah fase. Diagram kesetimbangan fase menggambarkan hubungan antara

temperatur dan komposisi dan kuantitas fase-fase pada kesetimbangan.

Paduan biner : (binary alloy) adalah paduan yang terdiri dari dua komponen (contoh : Cu

Ni)

Diagram fase paduan biner Cu Ni bisa dilihat pada gambar 9.2.

Sumbu y : temperatur

Sumbu x : komposisi paduan (dalam % berat bawah, dalam % atom atas).

3 daerah pada kurva : - a (fase a) struktur fcc

- L (fase cair)

Asyari Daryus - Material Teknik

Teknik Mesin, Universitas Darma Persada - Jakarta

51

- a + L (fase a + cair).

Fase a adalah solid solution Ni Cu substitusi

Solid solution Ni Cu : - Ni dan Cu sama sama mempunyai struktur FCC.

- jari jari atom yang hampir sama.

- elektro-negatif yang hampir sama.

- valensi yang sama.

Garis liquidus : garis antara l dan a + L.

Garis solidus : garis antara a dan a + L.

Pada sistem biner, jika diketahui komposisi dan temperatur kesetimbangan, 3 informasi

yang diperoleh :

1. Fase paduan

2. Komposisi fase

3. Persen atau fraksi fase.

Diagram Cu-Ni

Mencari komposisi fase pada daerah 2 fase :

- titik B pada gambar : ( 35 wt% Ni 65 wt% Cu pada 12500 C)

1. Tarik garis horisontal melalui B (tie line)

2. Tandai perpotongan garis dengan kurva di kedua garis

3. Tarik garis tegak lurus pada perpotongan kurva terhadap sumbu x, komposisi

paduan bisa didapat.

- Perpotongan dengan garis liquidus CL : 31,5 wt% Ni 68,5 wt% Cu (gambar)

- Perpotongan dengan garis solidus Ca : 42,5 wt% Ni 57,5 wt% Cu

Mencari persen atau fraksi fase

Jumlah persentasi cair (W

l) =

S/(R+S)x100%

Pada daerah 1 fase : titik A pada gambar 100 % a.

Pada daerah 2 fase : titik B pada gambar

Digunakan garis horisontal (tie line) dan prosedur lever rule (hukum tuas).

Prosedurnya hukum tuas sbb:

1. Tarik garis horisontal pada temperatur yang diketahui (titik B) (garis tie line).

2. Diperoleh komposisi alloi keseluruhan, Co.

3. Fraksi sebuah fase dihitung dengan mengambil panjang dari komposisi alloi

keseluruhan, Co kebatas fase yang lainnya dan dibagi dengan panjang total tie line

(panjang CL - Ca).

4. Fraksi fase yang lain dilakukan dengan cara yang sama.

5. Jika diinginkan dalam persen, fraksi dikali 100. Jika komposisi dalam % berat, maka

fraksi adalah fraksi massa (berat).

WL = S/ R + S WL = C a - Co/Ca - CL

WL = fraksi berat fase L

Ca = komposisi fase a

CL = komposisi fase L

Co = komposisi keseluruhan

Sebagai contoh, lihat gambar

WL= 42,535/ (42,531,5) =0,68

Dengan cara yang sama untuk fase a

W = R/R+S

=C0CL/C CL

= 3531,5/(42,531,5) = 0,32

Diagram Fasa Reaksi eutektik

HUKUM FASE GIBBS

Konstruksi diagram fase dan kondisi kesetimbangan fase mengikuti hukum

termodinamika.

j.w. gibbs memberikan formula yang disebut hukum fase gibbs :

P= jumlah fase

F= derajat kebebasan

C= jumlah komponen sistem

N= jumlah varibel non komposisi.

Misal : sistem Cu Ag s

Tekanan konstan

N = 1 (hanya temperatur variabel non komposisi)

P + F = 2+1

= 3

F = 3 P

Jika fase = fase tunggal (a atau b atau L)

P = 1

F = 3 1 = 2

F = 2

Artinya bahwa menerangkan karakteristik paduan mempunyai fase tunggal, kita harus

menentukan 2 parameter yaitu komposisi dan temperatur

Daftar Pustaka

William D. Callister Jr,Wiley. Materials Science and Engineering, An introduction.

2004

Lawrence H. Van Vlack. Ilmu dan Teknologi Bahan, (terjemahan), Erlangga, 1995

Diagram Fasa Fe- Besi- (ferrit);

Struktur BCC, dapat melarutkan C maks. 0,022% pada 727 C.

BAB 5

PROSES ANIL dan PERLAKUAN PANAS

Perlakuan panas adalah proses pemanasan dan pendinginan material yang

terkontrol dengan maksud merubah sifat fisik untuk tujuan tertentu. Secara umum

proses perlakuan panas adalah sebagai berikut:

a. Pemanasan material sampai suhu tertentu dengan kecepatan tertentu pula.

b. Mempertahankan suhu untuk waktu tertentu sehingga temperaturnya

merata

c. Pendinginan dengan media pendingin (air, oli atau udara)

Ketiga hal diatas tergantung dari material yang akan di heat treatment dan sifatsifat

akhir yang diinginkan. Melalui perlakuan panas yang tepat tegangan dalam

dapat dihilangkan, besar butir diperbesar atau diperkecil, ketangguhan ditingkatkan

atau dapat dihasilkan suatu permukaan yang keras di sekeliling inti yang ulet.

Untuk memungkinkan perlakuan panas yang tepat, susunan kimia logam harus

diketahui karena perubahan komposisi kimia, khususnya karbon(C) dapat

mengakibatkan perubahan sifat fisis.

1. Proses anil merupakan proses perlakuan panas suatu bahan melalui pemanasan pada

suhu cukup tinggi dan waktu yang lama, diikuti pendinginan perlahan-lahan

Anil

Bahan: Gelas

Tujuan: menghilangkan tegangan sisa & menghindari terjadinya retakan

panas

Prosedur: suhu pemanasan mendekati suhu transisi gelas dan pendinginan

perlahan-lahan

Perubahan strukturmikro: tidak ada

Menghilangkan Tegangan

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 .

1.1 Full Annealing

Full annealing terdiri dari austenisasi dari baja yang bersangkutan diikuti

dengan pendinginan yang lambat di dalam dapur. Temperatur yang dipilih

untuk austenisasi tergantung pada karbon dari baja yang bersangkutan.

1.2 Spheroidized Annealing

Spheroidized annealing dilakukan dengan memanaskan baja sedikit diatas

atau dibawah temperatur , kemudian

didiamkan pada temperatur tersebut untuk jangka waktu tertentu kemudian

diikuti dengan pendinginan yang lambat. Tujuan dari Spheroidized

annealing adalah untuk memperbaiki mampu mesin dan memperbaiki

mampu bentuk.

1.3 Isothermal Annealing

Jenis proses ini

dimanfaatkan untuk melunakkan baja-baja sebelum dilakukan proses

permesinan.

1.4 Proses Homogenisasi

Proses ini dilakukan pada rentang temperatur 1100 - 1200oC. Proses difusi

yang terjadi pada temperatur ini akan menyeragamkan komposisi baja

Proses homogenisasi dilakukan selama beberapa jam pada

temperatur sekitar 1150 - 1200oC. Setelah itu, benda kerja didinginkan ke

800 - 850oC, dan selanjutnya didinginkan diudara. Setelah proses ini, dapat

juga dilakukan proses normal atau anil untuk memperhalus struktur overheat.

Perlakuan seperti ini hanya dilakukan untuk kasus-kasus yang khusus

karena biaya prosesnya sangat tinggi

1.5 Stress Relieving

Stress relieving adalah salah satu proses perlakuan panas yang ditujukan

untuk menghilangkan tegangan-tegangan yang ada di dalam benda kerja,

memperkecil distorsi yang terjadi selama proses perlakuan panas dan, pada

kasus-kasus tertentu, mencegah timbulnya retak

Timbulnya Tegangan di dalam Benda Kerja

Beberapa faktor penyebab timbulnya tegangan di dalam logam sebagai

akibat dari proses pembuatan logam tersebut menjadi sebuah komponen

adalah :

1. Pemesinan : Jika suatu komponen mengalami proses pemesinan yang berat,

maka akan timbul tegangan di dalam komponen tersebut.

Tegangan yang berkembang di dalam benda kerja dapat

menimbulkan retak pada saat dilaku panas atau mengalami

distorsi. Hal ini disebabkan karena adanya perubahan pada pola

kesetimbangan tegangan akibat penerapan proses pemesinan

yang berat.

2. Pembentukan : Proses metal forming juga akan mengakibatkan tegangan

dalam akan berkembang, seperti pada proses coining,

bending, drawing, dan sebagainya.

3. Perlakuan panas : Perlakuan panas juga merupakan salah satu penyebab

timbulnya tegangan dalam komponen. Hal ini terjadi sebagai

akibat tidak homogennya pemanasan dan pendinginan atau

sebagai akibat terlalu cepatnya laju pemanasan ke

temperatur austenitisasi

4. Pengecoran : Tegangan dalam selalu ada pada produk-produk cor

sebagai akibat dari tidak meratanya pendinginan dari

permukaan ke bagian dalam benda kerja dan juga akibat

adanya perbedaan laju pendinginan pada berbagai bagian

produk cor yang sama.

5. Pengelasan : Tegangan dalam juga terjadi pada suatu komponen yang

mengalami pengelasan, soldering, dan brazing. Tegangan

tersebut terjadi karena adanya pemuaian dan pengkerutan

di daerah yang dipengaruhi panas (HAZ) dan juga di daerah

logam las.

2. Normalizing Proses normalizing atau menormalkan adalah jenis perlakuan panas yang

umum diterapkan pada hampir semua produk cor, over-heated forgings dan produk-produk tempa yang besar. Normalizing ditujukan untuk memperhalus butir, memperbaiki mampu mesin, menghilangkan tegangan sisa dan juga memperbaiki sifat mekanik baja karbon struktural dan bajabaja paduan rendah. Normalizing dilakukan karena tidak diketahui bagaimana proses dari pembuatan benda kerja ini apakah dikerjakan dingin (cold Working) atau pengerjaan Panas (Hot Working). Dimana normalizing ini bertujuan untuk mengembalikan atau memperhalus struktur butir dari benda kerja.

3. Hardening Hardening adalah proses perlakuan panas yang diterapkan untuk

menghasilkan benda kerja yang keras. Perlakuan ini terdiri dari memanaskan baja sampai temperatur pengerasannya (Temperatur austenisasi) dan menahannya pada temperatur tersebut untuk jangka waktu tertentu dan kemudian didinginkan dengan laju pendinginan yang sangat tinggi atau di quench agar diperoleh kekerasan yang diinginkan

Daftar Pustaka :

http://eviezie.blogspot.com/2011/11/anil-dan-perlakuan-panas.html