TEORI DASAR
METALURGI FISIK
1.1 Struktur Mikro Material
Material adalah segala sesuatu yang mempunyai massa dan menempati
ruang. Material Teknik adalah segala bahan yang digunakan dalam bidang
keteknikan (kerekayasaan).
Struktur mikro material adalah gambaran komposisi dan distribusi dari
fasa-fasa material yang hanya dapat dilihat dengan metalografi.
Struktur mikro material terbagi atas :
a. Atom
Atom merupakan suatu unsur terkecil dari material yang tidak dapat
dibagi lagi dengan reaksi kimia biasa.
b. Sel Satuan
Merupakan susunan dari beberapa atom yang teratur dan mempunyai
pola yang berulang. Sel satuan terdiri dari kubus (BCC, FCC, dan HCP),
hexagonal, tetragonal, triklin, monoklin, dan sebagainya. Adapun sel satuan
yang berbentuk kubus antara lain :
1. BCC (Body Centered Cubic)
Adanya pemusatan satu atom di tengah-tengah kubus.
Gambar A.1 Sel satuan BCC
Jumlah atom (n) = (1/8) x 8 + 1 = 2
4R = a√3
a = (4/√3) R
1111
Laporan Akhir Praktikum Metalurgi Fisik 2013/2014 Teori Dasar
APF (Atomic Packing Factor)
2. FCC (Face Centered Cubic)
Adanya pemusatan satu atom di setiap sisi kubus.
Gambar A.2 Sel satuan FCC
Jumlah atom (n) = 1/8 x (8) + ½ x (6) = 4
4R = a√2
a = 4/√2 x R
APF (Atomic Packing Factor)
3. HCP (Hexagonal Closed Package)
Kelompok 17 2
Laporan Akhir Praktikum Metalurgi Fisik 2013/2014 Teori Dasar
Gambar A.3 Sel satuan HCP
Jumlah atom (n) = (3x1) + (12 x 1/6) + (2 x ½) = 6
Tinggi = 1,633 a
Luas alas = 6 x luas segitiga
= 6 x (1/2 a x a sin 60)
= 3a2 sin 60
Volume sel satuan = a x t
= 3a2 sin 60 x 1,633 a
= 4,24 a3 ; a = 2 R
= 4,24 (2R)3
= 33,94 R3
APF (Atomic Packing Factor)
Adapun bentuk sel satuan yang lainnya dapat kita lihat melalui tabel
dibawah ini :
Kelompok 17 3
Laporan Akhir Praktikum Metalurgi Fisik 2013/2014 Teori Dasar
Gambar A.4 Macam-macam sel satuan
c. Butir
Kelompok 17 4
Laporan Akhir Praktikum Metalurgi Fisik 2013/2014 Teori Dasar
Merupakan kumpulan dari sel satuan yang memiliki arah dan
orientasi sama dalam 2 dimensi.
Gambar A.5 Butir
d. Kristal
Merupakan kumpulan dari sel satuan yang memiliki arah dan
orientasi sama dalam 3 dimensi.
Gambar A.6 Kristal
1.2 Cacat-cacat pada Material
Cacat pada material merupakan ketidaksempurnaan pada material. Cacat
pada material terbagi atas :
1. Cacat titik
Cacat titik adalah cacat berupa titik pada material dalam skala atomik.
Cacat titik terbagi atas :
a. Vacancy (kekosongan), yaitu cacat yang terjadi akibat adanya
kekosongan atom dalam susunan atom.
b. Subtitusi/pergantian, yaitu cacat yang terjadi akibat adanya pergantian
atom pada susunan atom.
c. Intertisi adalah cacat yang terjadi akibat adanya atom lain yang
menyusup dalam susunan atom. Intertisi terbagi atas:
Self Intertisi, yaitu cacat akibat adanya atom yang menyisip pada
susunan atom yang berasal dari atom itu sendiri.
Kelompok 17 5
Laporan Akhir Praktikum Metalurgi Fisik 2013/2014 Teori Dasar
Impurity, yaitu adanya atom asing yang menyusup pada susunan
atom yang bersifat mengganggu.
Gambar A.7 Cacat titik pada material
2. Cacat Garis/Dislokasi
Cacat garis adalah ketidaksempurnaan pada material akibat kekosongan
pada sebaris atom. Dislokasi terbagi atas dislokasi sisi dan dislokasi ulir.
a. Dislokasi sisi (Edge Dislocation), adalah cacat garis yang arah
pergerakan atomnya tegak lurus terhadap garis dislokasi.
Gambar A.8 dislokasi sisi
b. Dislokasi Ulir (Screw Dislocation), yaitu cacat gais yang arah
pergerakan atomnya sejajar terhadap arah garis dislokasi.
Kelompok 17 6
Laporan Akhir Praktikum Metalurgi Fisik 2013/2014 Teori Dasar
Gambar A.9 Dislokasi ulir
3. Cacat Bidang
Cacat bidang yaitu ketidak sempurnaan material pada sebidang struktur
atom.
Contohnya;
Twinning
Batas butir
Gambar A.10 Cacat bidang
4. Cacat Ruang
Cacat ruang adalah ketidaksempurnaan kristal pada seruang atom yaitu
timbulnya rongga antara batas butir karena orientasi butir dan dapat dilihat secara
langsung.
Contohnya :
Porositas
Kelompok 17 7
Laporan Akhir Praktikum Metalurgi Fisik 2013/2014 Teori Dasar
Retak
Rongga
Gambar A.11 Cacat ruang
1.3 Diagram Fasa
Diagram fasa merupakan diagram yang memperlihatkan fasa yang
terbentuk bila dua fasa dipadukan. Fasa adalah sistem yang mempunyai
karakteristik fisik dan kimia yang sama. Pada diagram fasa dapat dilihat fasa-fasa
yang ada, temperatur material, komposisi masing-masing fasa, dan fraksi fasa.
Reaksi invariant adalah reaksi yang melibatkan tiga fasa dimana dua fasa
menjadi satu fasa atau sebaliknya.
Terdapat tiga titik invariant yang penting yaitu :
1. Titik eutectoid
Dimana pada titik ini terjadi perubahan satu fasa padat menjadi dua fasa
padat, atau sebaliknya.
γ(s) α(s) + Fe3C(s)
2. Titik eutectic
Dimana pada titik ini terjadi perubahan satu fasa cair menjadi dua fasa
padat, atau sebaliknya.
L(c) γ(s) + Fe3C(s)
Pada kadar C 4,3% dan suhu 1148oC terjadi reaksi eutektik yaitu
pembentukan fasa austenit (2,11% C), cementit (6,67% C) dari fasa cair (4,3% C).
Campuran antara austenit dengan sementit disebut ledeburit.
Kelompok 17 8
Laporan Akhir Praktikum Metalurgi Fisik 2013/2014 Teori Dasar
3. Titik peritectic
Diman pada titik ini terjadi perubahan satu fasa cair ditambah satu fasa
padat menjadi satu fasa padat, atau sebaliknya.
L(c) + δ(s) γ(s)
Pembentukan besi-dendrit dan liquid dari fasa austenit. Selubility limit
merupakan batas karbon maksimum didalam paduan Fe3C yaitu 6,67%, jika tidak
larut maka akan timbul grafit (karbon bebas, tidak berikatan dengan Fe)
Gambar A.12 Diagram Fasa Fe-Fe3C
Fasa terbagi tiga, yaitu :
1. Fasa tunggal
a. Liquid (L)
Dalam diagram fasa, semua karbon larut padat dalam Fe ketika
fasanya liquid.
b. Ferrit (α)
mempunyai kelarutan karbon maksimum 0.025 % pada 727 oC
mempunyai sel satuan BCC
terbentuk pada temperatur ruang sampai 910 oC
Kelompok 17 9
Laporan Akhir Praktikum Metalurgi Fisik 2013/2014 Teori Dasar
c. Austenit (γ)
mempunyai kelarutan C maksimum 2,1 % pada 910 oC
mempunyai sel satuan FCC
d. Besi-dendrit (δ)
Sama dengan ferrit, hanya temperatur yang berbeda.
2. Fasa Ganda
Fasa yang terdiri dari dua buah fasa tunggal, contoh : α + γ, α + δ,
dan γ + δ.
3. Fasa Campuran
Gabungan antara fasa tunggal dengan fasa sementit(Fe3C), contoh :
α + Fe3C, δ + Fe3C, dan γ + Fe3C.
1.4 Sifat-sifat Material
Sifat material secara umum dapat diklasifikasikan seperti di bawah ini :
1. Sifat Fisik
Sifat yang telah ada pada material, contoh : warna, massa jenis, dimensi, bau,
dan lain-lain.
2. Sifat Kimia
Sifat material yang berhubungan dengan komposisi kimia, contoh :
kemolaran, kemolalan, dan konsentrasi.
3. Sifat Teknologi
Sifat material yang muncul akibat mengalami proses pemesinan, contoh :
mampu tempa.
4. Sifat Termal
Sifat material yang dipengaruhi oleh temperatur, contoh : konduktifitas
termal, titik beku dan titik didih.
5. Sifat Optik
Kelompok 17 10
Laporan Akhir Praktikum Metalurgi Fisik 2013/2014 Teori Dasar
Sifat material yang berhubungan dengan pencahayaan, contoh : sifat mapu
bias dan mampu dibiaskan.
6. Sifat Akustik
Sifat material yang berhubungan dengan bunyi, contoh : mampu meredam
bunyi.
7. Sifat Magnetik
Sifat material untuk merespon medan magnet, contoh : mampu menyimpan
magnet.
8. Sifat Mekanik
Sifat material yang muncul akibat pembebanan mekanik. Adapun sifat
mekanik pada material antara lain :
a. Kekerasan
Kemapuan material untuk menahan deformasi plastis lokal akibat penetrasi
di permukaan.
b. Kekuatan
Kemapuan material untuk menahan deformasi plastis secara menyeluruh.
Gambar A.13 Kurva kekuatan
c. Keuletan
Kemampuan material untuk menahan deformasi plastis maksimum sampai
material itu patah.
Kelompok 17 11
Laporan Akhir Praktikum Metalurgi Fisik 2013/2014 Teori Dasar
Gambar A.14 Kurva keuletan
d. Kelentingan
Besarnya energi yang diserap material selama deformasi elastis
berlangsung.
Gambar A.15 Kurva kelentingan
e. Ketangguhan
Besarnya energi yang diserap material sampai material tersebut patah.
Gambar A.16 Kurva ketangguhan
Kelompok 17 12
Laporan Akhir Praktikum Metalurgi Fisik 2013/2014 Teori Dasar
f. Modulus Elastisitas
Merupakan ukuran kekakuan material.
Gambar A.17 Kurva modulus elastisitas
1.5 Mekanisme Penguatan Material
1. Penguatan Larut Padat
Penguatan dengan cara menambahkan sejumlah atom lain (atom asing) ke
dalam sebuah gugusan atom induk. Pemaduan dalam jumlah tertentu dimana
semua unsur pemadu terlarut padat dalam logam induk. Atom atom asing tersebut
dapat larut padat intertisi atau substitusi tergantung pada ukurannya. Bila atom
asing berukuran besar (d > 0.15D), maka larut padat substitusi. Kalau berukuran
kecil (d < 0.15D) akan larut padat interstisi (d = diameter atom terlarut, D =
diameter atom pelarut (atom induk).
Gambar A.18 Penguatan larut padat
Kelompok 17 13
Laporan Akhir Praktikum Metalurgi Fisik 2013/2014 Teori Dasar
2. Penguatan dengan Fasa Kedua
Penguatan fasa kedua terjadi ketika penambahan unsur paduan
menghasilkan fasa kedua (second phase) atau fasa sekunder.
Fasa kedua bersifat keras (kuat) dan getas. Kekerasan (kekuatan) material
meningkat dengan bertambahnya jumlah (fraksi berat) fasa kedua. Contoh paduan
yang menghasilkan (memiliki) fasa kedua:
Baja (Steel)
Besi (Fe) yang dipadu dengan karbon (C) menghasilkan fasa kedua
senyawa Fe3C (sementit) disamping fasa utama ferrit (α) larut padat dalam (Fe) .
Fasa ferrit bersifat lebih lunak dan ulet sedangkan sementit sangat keras tapi
rapuh.
Gambar A.19 Roda gigi dengan penguatan fasa kedua
3. Penguatan Presipitat
Merupakan penambahan atom asing ke material utama. Keberadaan
persipitat akan menghambat pergerakan dari dislokasi
Kelompok 17 14
Laporan Akhir Praktikum Metalurgi Fisik 2013/2014 Teori Dasar
Gambar A.20 Penguatan presipitat
4. Penguatan Dispersi
Logam paduan bisa ditingkatkan kekerasannya dengan penambahan
partikel oksida yang akan menghalangi pergerakan dari dislokasi. Partikel oksida
tidak larut dalam matriknya pada suhu tinggi. Penambahan partikel Al2O3 pada
produk SAP (Sintered Aluminium Product) akan memberikan kekuatan yang lebih
tinggi dibandingkan padual Al biasa pada suhu tinggi.
Gambar A.21 penguatan dispersi
5. Penguatan dengan Penghalusan Butir/Sub-butir
Batas butir adalah penghalang dislokasi atau disebut juga penghalang
terjadinya slip. Kemampuan menghalangi bertambah dengan peningkatan sudut
mis-orientasi butir (angle of misorientation). Butir halus mempunyai batas butir
lebih banyak sehingga penghalang dislokasi lebih banyak dan lebih susah
terjadinya slip akhirnya material menjadi lebih kuat. Makin halus ukuran butir
Kelompok 17 15
Laporan Akhir Praktikum Metalurgi Fisik 2013/2014 Teori Dasar
maka bidang slip akan semakin pendek sehingga dislokasi akan cepat sampai ke
batas butir. Semakin halus ukuran butir maka material akan semakin kuat.
Gambar A.22 Penguatan penghalusan butir
6. Pengerasan Regangan
Untuk masing masing kenaikan regangan plastis, dibutuhkan tegangan
yang lebih besar untuk menggerakkan dislokasi dibandingkan sebelumya karena
dislokasi telah banyak yang sampai kebatas butir. Ini berarti logam bertambah
kekerasan dan kekuatannya.
Gambar A.23 penguatan regangan
7. Penguatan dengan Tekstur
Proses defornasi akan menyebabkan butir-butir dari logam mengarah pada
orientasi tertentu. Logam yang orientasi kristalnya mengarah pada orientasi
tertentu dikatakan memiliki tekstur kristalografis. Dengan adanya orientasi yang
tertentu tersebut, maka logam tidak lagi bersifat isotrop melainkan justru bersifat
anisotrop khususnya dalam hal kekuatannya
Kelompok 17 16
Laporan Akhir Praktikum Metalurgi Fisik 2013/2014 Teori Dasar
isotropi anisotropi
Gambar A.24 penguatan dengan tekstur
8. Pengerasan Martensit
Martensit memiliki susunan atom BCT sehingga dislokasi menjadi susah
untuk bergerak. Baja dipanaskan sampai fasa austenit lalu dilakukan pendinginan
cepat sehingga atom-atom karbon pada austenit tidak sempat berdifusi keluar,
akibatnya austenit akan bertransformasi menjadi martensit yang memiliki sel
satuan BCT. Kekerasan martensit akan semakin tinggi dengan semakin banyaknya
atom karbon yang larut didalamnya.
Gambar A.25 Penguatan martensit
Kelompok 17 17
Top Related