Diktat PMT [PDF]

Citation preview

PETA KONSEP



















BAB 1











MATERIAL



•



Atom rantai polimer berikatan kovalen



Seorang insinyur tidak dapat membuat barang baru tanpa memperhitungkan sifat material. Kemampuan mesin tergantung sifat material. Material pada dasarnya adalah sesuatu yang ada dimana saja, kapan saja, dan dalam keadaan apa saja. Teknik material mempelajari hubungan struktur, sifat, pemrosesan, kinerja material, serta eksploitasi hubungan tersebut sehingga menghasilkan produk yang sesuai harapan. Struktur Material dalam skala atom terdiri atas atom, electron, atau molekul, struktur yang sering disebut struktur nano (nano structures). Dalam skala lebih besar, struktur material terdiri atas gabungan kelompok atom yang disebut struktur mikroskopik (microscopic structures), artinya dapat dilihat dengan mikroskop. Lalu struktur mikroskopik bergabung menjadi struktur makroskopik (macroscopic structures), artinya dapat dilihat oleh mata telanjang. “ Sifat ” material adalah respon material terhadap stimulus yang diberikan. Secara konvensional, material ada logam, polimer, keramik. Tambahan jenis lain, yaitu komposit, semikonduktor, dan biomaterial.



•



Ikatan antar rantai -> ikatan Van Der Waals



•



Ringan (memiliki massa jenis rendah)



•



Fleksibel (mudah diubah bentuk)



•



Cth: plastic, karet



LOGAM : •



Tersusun atas atom-atom logam



•



Atom berikatan membentuk ikatan logam



•



Konduktivitas listrik dan termal yang baik (karena valensi electron bebas bergerak)



•



Tidak tembus cahaya



•



Kekuatan cukup tinggi, namun cukup ulet (dapat dideformasi / ubah bentuk)



•



Cth : besi, baja, aluminium, tembaga



POLIMER : •



Senyawa organic umumnya (C, H, O)



•



Ukuran molekul besar karena tersusun dalam bentuk rantai







KERAMIK : •



Senyawa antara logam dan nonlogam



•



Punya ikatan kovalen atau ionic



•



Berada dalam bentuk senyawa oksida, nitride, karbida



•



Klasifikasi : gelas/kaca, semen, keramik dari lempung



•



Isolator panas & listrik



•



Tahan terhadap duhu tinggi



•



Keras, namun getas (rapuh)



KOMPOSIT : •



Gabungan lebih dari satu molekul



•



Desain untuk dapat efek sinergis



•



Cth: fiberglass (serat keramik/gelas sebagai penguat dalam polimer). Fiberglass didesain memiliki kekuatan tinggi (kontribusi gelas), tapi punya fleksibilitas baik (kontribusi polimer)



SEMIKONDUKTOR : •



Sifat penghantar listrik antara konduktor & isolator



•



Sensitive terhadap kehadiran atom pengotor (sifat penghantar listriknya)



•



Terobosan pada rangkaian terintegrasi (integrated circuit – IC). Cth: ukuran telepon seluler semakin ramping dengan kapabilitas yang semakin canggih



BIOMATERIAL : •



Material yang ditanam (implant) ke tubuh manusia



•



Cth: baja tahan karat yang dilapisi titanium untuk tulang pinggul buatan Saat ini ada dua material masa depan, yaitu material Cerdas (smart materials) dan nanoteknologi. MATERIAL CERDAS : 1. Material sensor Dapat mendeteksi sinyal input 2. Shape memory alloys Logam yang dapat kembali ke bentuk semula jika suhu diubah/kembali 3. Keramik piecoelektrik Akan memuai bila ada beban & pemuaian ini menghasilkan medan listrik, maka dapat dipakai sebagai sensor beban pada lift/mesin uji tarik 4. Magnetostrictive Mirip piezoelektrik, namun responsive terhadap medan magnet NANOTEKNOLOGI : •



Pemecahan material (belah/hancur) sehingga jadi kecil. Sifatnya jauh dari sifat material dalam skala penyusunan & pembalahan material dalam skala atom, o,2nm (rata-rata ukuran)



•



Material dibawah 100nm disebut material berstruktur nano



•



Cth: partikel dalam lapisan filter kaca kendaraan bermotor, dimana partikel tidak mengurangi tembus pandang kaca, melainkan berkemampuan menyerap sinar ultraviolet











BAB 2











STRUKTUR ATOM Setiap atom memiliki inti dan awan electron bermuatan negative yang mengelilingi. Inti atom terdiri atas proton (positif) dan neutron (netral), kecuali hydrogen (tidak memiliki neutron). Elektron-elektron pada sebuah atom terikat pada inti atom oleh gaya elektromagnetik. Kumpulan atom = MOLEKUL ATOM : - Mengandung • Proton = electron (bersifat netral) • Jumlah protron beda dengan electron (bersifat positif/negative dan adalah ION) - Dikelompokkan • Proton menentukan unsur KIMIA • Neutron menentukan ISOTOP - Penamaan



Model dan teori atom selalu berkembang dari zaman Yunani kuno hingga sekarang. Berikut adalah penjelasan perkembangannya. DALTON : - teori • atom berbentuk pejal • tidak dapat dimusnahkan & tidak dapat diciptakan • tiap unsur ada partikel kecil yang disebut atom • perbandingan massa masing-masing unsur adalah tetap • gabungan atom -> molekul - kekurangan • tidak dapat menerangkan menghantarkan arus listrik



larutan



• Oleh DEMOCRITUS • Berasal dari Bahasa Yunani, “ a “ artinya tidak, “ tomos “ artinya dibagi • Atom artinya tidak dapat dibagi lagi - Karakteristik • 99.9% massa atom berpusat di inti atom, namun PENENTU sifat material & kimiawi adalah electron



THOMSON : - teori • atom berisi muatan positif & negative yang tersebar seperti “bintik roti kismis” - kekurangan • tidak dapat menjelaskan rinci susunan muatan positif & negative RUTHERFORD : - teori • atom memiliki inti bermuatan positif • electron bergerak mengelilingi inti - kekurangan



𝐴 𝑍



𝑋 -> notasi NUKLIDA



A = nomor massa (proton + neutron) Z = nomor atom (proton) Electron = proton = ±1.6 x 10&'( C







• menurut fisika klasik, electron mengelilingi inti memancarkan energy dalam bentuk gelombang elektromagnetik, akhirnya lama kelamaan electron kehabisan energy dan akan menempel pada inti atom • penjelasan letak dan rotasi electron tidak jelas



• electron memancarkan energy yang mengakibatkan energy atom tidak stabil • tidak dapat menjelaskan spectrum garis hydrogen BOHR : - teori • electron mengelilingi inti ada lintasan tertentu (orbit) • dalam orbital tertentu, energy electron tetap • electron menyerap energy jika ke orbit yang lebih luar, dan sebaliknya - kekurangan • tidak dapat menjelaskan efek Zeeman dan efek Strack



kuantum magnetic (m). Ketiga bilangan ini merupakan bilangan bulat sederhana yang menunjukkan peluang adanya electron di sekeliling inti atom (ukuran, bentuk, dan orientasi ruang sebuah electron). Selain dari n, l, dan m, masih ada satu bilangan kuantum lain, yaitu bilangan kuantum spin (s). BILANGAN KUANTUM UTAMA : - orbital berada dalam tingkat-tingkat energy sesuai dengan bilangan kuantum utama (n) - dimulai dengan K, L, M, N, O, … - bilangan integral yang dimulai dari 1 (n = 1, 2, 3, …) -



jumlah orbital tiap kulit sama dengan 𝑛*



• tidak dapat menerangkan ikatan kimia, pengaruh medan magnet terhadap atom, spectrum atom berelektron banyak • NB : - efek Zeeman adalah jika atom ditempatkan di medan magnet, akan terbentuk spectrum yang rumit - efek Strack adalah jika atom ditempatkan di medan listrik, akan terbentuk spectrum halus yang rumit



K



L



M



N



…



n



1



2



3



4



…



𝑛*



1



4



9



16



…



BILANGAN KUANTUM AZIMUT : - penggambaran subkulit - huruf s (sharp), p (principle), d (difuse), f (fundamental) l



s



p



d



f



0



1



2



3



MEKANIKA KUANTUM : - posisi electron ketika mengelilingi atom tidak pasti sesuai prinsip ketidakpastian Heisenberg (posisi & momentum suatu partikel tidak dapat diukur secara bersamaan) sehingga ORBITAL adalah daerah kebolehjadian (peluang) terbesar ditemukannya electron - gerakan electron dalam mengelilingi inti atom memiliki sifat dualism sebagaimana diajukan oleh de Broglie (dinyatakan oleh persamaan “Schrodinger”)



BILANGAN KUANTUM MAGNETIK : - bilangan kuantum orientasi - menunjukkan orientasi (arah orbital) dalam ruang / orientasi subkulit dalam kulit



Dari persamaan Schrodinger, dihasilkan 3 bilangan kuantum, yaitu bilangan kuantum utama (n), bilangan kuantum azimut (l), bilangan



BILANGAN KUANTUM SPIN :



-



nilai m adalah bilangan bulat –m, melalui nol, bilangan bulat +m untuk : •



l = 0, maka m = 0



•



l = 1, maka m = 0, ±1



•



l = 2, maka m = 0, ±1, ±2



•



l = 3, maka m = 0, ±1, ±2, ±3



-



ditemukan dari hasil pengamatan radiasi uap perak yang dilewatkan melalui medan magnet, oleh Otto Stern dan W. Gerlach - s = + ½ ; s = - ½ (dimana ½ menyatakan fraksi elektron) Ikatan atom pada padatan dibagi menjadi dua, yaitu ikatan primer dan ikatan sekunder. IKATAN PRIMER : - umumnya dimiliki atom-atom benda padat, seperti logam, polimer, atau keramik - jenis : ionik, kovalen, logam IKATAN SEKUNDER : - ikatan yang lemah, tetapi memengaruhi sifat material - jenis : Van der Waals, hydrogen IKATAN IONIK : - perpindahan elektron ke yang kekurangan, melakukan pemberian, bukan peminjaman (terlokalisasi) - penyebabnya adalah ikatan Coulomb - memiliki selisih keelektronegatifan yang besar - terbentuk dari ion positif dan negative - membutuhkan adanya transfer elektron - Cth :



-







Suhu kamar berwujud padat Bentuk struktur kristal agak rapuh (getas) Titik didih & titik leleh tinggi Larut dalam pelarut air, tidak larut dalam pelarut organic Saat terhidrolisis dalam air, menghantarkan arus listrik Fase padat tidak menghantarkan arus listrik Isolator thermal (proses mengurangi laju perpindahan kalor, melalui konduksi, konveksi, dan radiasi



-



Non directional (sama ke semua arah disekitar ion, seluruh ion positif harus bertetangga dengan ion negative) Cth: keramik



IKATAN KOVALEN : - Pengguaan elektron secara bersama - Directional (arah tertentu) - Non logam – non logam - Unsur padatan, seperti intan (C, karbon), silicon, germanium, senyawa di kanan tabel periodic - Polimer memiliki ikatan kovalen sepanjang rantai utama - Semakin dekat jarak atom, ikatan kovalen semakin besar/tinggi IKATAN LOGAM : - Elektron valensi “bergerak bebas” ke seluruh bagian logam - Membentuk “awan elektron” yang mengikat seluruh atom - Non-directional - Ikatan logam (konduktor listrik & panas karena adanya “awan elektron”, maka mudah bergerak) - Ulet dalam suhu kamar, dapat dibengkokkan - Delokalisasi sempurna elektron (ion logam dapat digantikan menjadi berbagai logam padatan) IKATAN VAN DER WAALS : - Ikatan lemah jika dibandingkan dengan lainnya - Terdapat di gas mulia dengan konfigurasi elektron stabil - Terdapat di molekul halogen terkondensasi.



-



Cth: 𝐶𝑙* , 𝐵𝑟* , 𝐼* , dan dalam keadaan cair dan padat Non directional Fluktuasi dengan waktu



IKATAN HIDROGEN : - Ikatan sekunder yang paling kuat - Terdapat pada molekul polar, atom H terikat kovalen IKATAN CAMPURAN : -



Keramik : ionic + kovalen Cth: Si𝑂* Polimer : campuran ikatan kovalen/sekunder Jenis



Energi ikatan



Ionic



Besar



Non directional (keramik)



Kovalen



Bervariasi, besar – intan; kecil – bismuth



Directional (semi konduktor, keramik, polimer)



Metalik / logam



Bervariasi, besar – tungsten; kecil – merkuri



Non directional (logam)



Terkecil



Directional (inter rantai (polimer) dan inter molekul)



Sekunder



-



Sifat energy ikat : •



Titik leleh ↗↗ jika Eo ↗↗ (Tm)



•



Modulus elastisitas ↗↗ jika Eo ↗↗ (E)



•



Koefisien muai panjang ↗↗ jika Eo ↘↘ (𝛂) Ikatan Keramik



Logam



Ionic & kovalen



Logam



Keterangan Energy ikat besar; Tm ↗↗; E ↗↗, 𝛂 ↘↘ Energy ikat bervariasi; Tm = ; E = ; 𝛂 =



Polimer



Kovalen & sekunder



Arah terarah, ikatan sekunder



mendominasi; Tm ↘↘; E ↘↘, 𝛂 ↗↗







BAB 3











SIFAT/KARAKTERISTIK MATERIAL



BENTUK BEBAN : - Statik (beban berubah secara lambat terhadap waktu & diberikan seragam di seluruh penampang) - Dinamik (beban berfluktuasi pada suatu periode waktu) - Impak (beban mendadak) SIFAT MEKANIK : - Kekuatan (Tarik, tekan geser, fleksural, tekuk) - Impak - Fatik/kelelahan - Kekerasan - Ketahanan aus



TEGANGAN/ STRESS : 𝞂 = REGANGAN/ STRAIN : 𝞮 =



" #$ '( )'$ '$



=



+' '$







Keterangan : - F = beban yang diberikan tegak lurus potongan melintang bidang (Newton) - 𝐴- = luas potongan melintang tegak lurus bidang sebelum bahan diberi beban - σ = intensitas beban yang didistribusikan di dalam material, yang menghambat perubahan bentuk (N/𝑚0 atau 1 MPa = 103 N/𝑚0 ) Deformasi adalah perubahan bentuk sebuah benda atau material. Terdapat dua, yaitu deformasi elastis dan plastis. DEFORMASI ELASTIS : - deformasi ketika tegangan dan regangan berbanding lurus (Hukum Hooke) - tidak permanen, saat dilepas beban, specimen kembali ke bentuk awal/reversible - kemiringan bagian linear = E (modulus elastisitas) - E ↗↗ maka kekakuan (stiffness) ↗↗ , dan sebaliknya (semakin kaku, makin bisa menahan











beban yang berat, maka struktur tidak akan terdeformasi)



• ditarik garis lurus yang sejajar bagian elastis kurva pada posisi regangan 0.002 (0.2%) disebut metode offset • perpotongannya dengan kurva 𝞂 – 𝞮 lalu dihubungkan ke sumbu 𝞂 sehingga diperoleh tegangan luluh (yield strength / 𝛔𝒚 ), artinya tegangan dimana deformasi



- Dalam skala atomic, diartikan sebagai perubahan kecil pada jarak antar atom & teregangnya ikatan antar atom



plastis mulai/ketika fenomena luluh terjadi (MPa), kadang disebut proof stress - transisi elastis ke plastis yang jelas dimiliki beberapa jenis baja (terutama C rendah). Fenomena ini, tegangan luluh adalah rata-rata titik luluh atas dan bawah



- Tarikan : • Perpanjangan (pada arah z) • Akibatnya, pemendekan arah lateral (arah x & y) -> 𝜀5 & 𝜀6 - Poisson’s ratio : • Rasio antara regangan lateral & aksial • Tegangan satu arah (uniaksial pada arah z) • Isotropic • 𝜀5 = 𝜀6 (berlawanan tanda)



𝜀𝑦 𝜀 • V=− 𝑥 = − ε𝑦



ε𝑧



DEFORMASI PLASTIS : - 𝞂 & 𝞮 tidak berbanding lurus - permanen, saat dilepas beban, benda tidak kembali ke bentuk semula - perspektif atom (berhubungan dengan pemutusan ikatan & atom tetangga asal & pembentukan dengan ikatan baru) - batas elastis / batas proporsional (titik dimana deformasi elastis berubah menjadi plastis (P) - konvensi mengetahui batas proporsional : (P tidak jelas)







TAMBAHAN : - Kekuatan tarik (tensile strength) : • Tegangan maksimum yang dapat diterima material sebelum patah



• Saat maksimum, mulai terbentuk leher (neck), yaitu daerah deformasi terlokasi, yang disebut penciutan/necking - Kekuatan patah (fracture strength) : tegangan pada saat patah - Keuletan (ductility) : • Besar deformasi plastis yang dapat dicapai hingga saat patah • % elongasi/perpanjangan =



'( )'$ '$



• % pengurangan penampang =



x 100%



#( )#$ #$



x 100%



• material yang mengalami deformasi sangat kecil atau bahkan tidak mengalami deformasi plastis sama sekali disebut rapuh (brittle) -> keuletan < 5% • material yang memiliki keuletan besar disebut ulet (ductile) • kegunaan nilai keuletan : ü menunjukkan seberapa besar sebuah struktur dapat berdeformasi plastis sebelum patah ü menentukan derajat deformasi yang diizinkan selama proses deformasi - ketangguhan (toughness) : • kemampuan material menyerap energy hingga patah • material disebut tangguh jika memiliki kekuatan & keuletan yang tinggi • pengukuran : ü statis : mengukur luas daerah dibawah kurva stress-strain ü dinamis : melalukan pengujian impak



- kekerasan (hardness) : ukuran ketahanan material terhadap deformasi plastis terlokalisasi (mis: indentasi kecil atau gores) Sifat mekanik lain yang penting adalah kekerasan. Pengujian kekerasan menggunakan indentor kecil (bola/pyramid) yang ditekan ke permukaan bahan. Ada 4 jenis pengujian kekerasan PENGUJIAN KEKERASAN : - Mohs : berdasarkan skala kemampuan material untuk menggores material lain (dari 1 = talk sampai 10 = intan) - Rockwell : • Metode yang paling banyak digunakan karena sederhana dan tanpa keahlian khusus • Peralatannya otomatis sehingga tidak perlu pengukuran jelek. Nilai kekerasan langsung ditampilkan di mesin uji - Brinell : pemberian beban konstan, umumnya antara 500 – 3000 kgf, dengan indentor baja yang dikeraskan berdiameter 5 atau 10 mm, pada permukaan specimen yang rata. Jejak diukur dengan mikroskop - Vickers : • Dapat mengukur kekerasan yang tinggi • Indentornya adalah pyramid intan yang memiliki dasar berbentuk kotak dengan beban 1-120 kgf







• Semi konduktivitas : KORELASI KEKUATAN & KEKERASAN : Baik kekuatan tarik maupun kekerasan adalah indicator ketahanan material terhadap deformasi plastis sehingga keduanya kira-kira berbanding lurus PENGUJIAN IMPAK : - beban impak/beban kejut adalah beban yang diberikan secara cepat dan tiba-tiba - energy impak (E) adalah jumlah energy yang diserap oleh material ketika menerima beban impak. Energi impak disebut juga ketangguhan takik - harga impak (HI) adalah besar energy yang diserap (E) dibagi dengan luas penampang di bawah takik (A) - pengujian ada 2 : • Charpy : memakai 3 titik tumpu beban, dimana kedua ujung specimen ditahan • Izod : dibuat seperti batang cantilever dengan pendulum yang jatuh memukul specimen di atas takik • NB : ü Kesamaan : gunakan tipe pendulum ü Perbedaan : pada specimen & dimensi specimen ü Salah satu fungsi utama pengujian Charpy dan Izod adalah untuk menentukan apakah material mengalami transisi ulet keg etas, dengan menurunnya temperature SIFAT FISIKA : - Sifat listrik : • Respon material terhadap medan listrik yang diberikan • Hukum ohm : V = IR; V = voltase; I = arus; R = tahanan • Resistivitas : 𝞺 = RA / I (𝛀m) • Konduktivitas listrik : 𝞂 = 1/𝞺



ü Intrinsik : disebabkan oleh struktur elektron yang dimiliki oleh material murni, seperti Si, Ge ü Ekstrinsik : ditentukan oleh atom paduan, seperti GaP, GaAs, InSb, CdS, ZnTe - Sifat termal : • Respon material terhadap panas • Kapasitas panas (C) : kemampuan material menyerap panas dari lingkungan luarnya 𝑑𝑄 𝐽 𝐶= ( ) 𝑑𝑡 𝑘𝑔𝐾 • Koefisien ekspansi panas linear (𝛂) : derajat )_



pemuaian material akibat panas (°C ) 𝛥𝑙 = 𝛼 . 𝛥𝑇



𝑙𝑜



• Konduktivitas panas : kemampuan material meneruskan panas 𝑑𝑇 𝑞 = −𝑘 𝑑𝑥 Keterangan : q = fluks panas k = konduktivitas panas gh g5



= perbedaan temperature



- Sifat magnetic : • Diamagnetisme : bentuk magnetisme yang sangat lemah yang tidak tetap dan ada hanya bila ada medan magnet luar. Disebabkan oleh perubahan gerakan orbital elektron akibat adanya medan magnet • Paramagnetisme : fenomena dimana material memiliki dipol magnet yang dapat diserahkan oleh medan magnet luar • Ferromagnetisme : material memiliki momen magnetic tetap tanpa perlu adanya medan magnet luar, contohnya : BCC ferrite, Co, Ni SIFAT KIMIA :



- Korosi : serangan terhadap logam yang merusak dan tidak direncanakan, bersifat elektrokimia dan biasanya diawali dipermukaan - Laju korosi : • Laju penghilangan material akibat reaksi kimia • Dinyatakan sebagai laju penetrasi korosi • Satuan : mpy (mils per year) atau mm/yr (1 mils = 0.001 in) • CPR = kW/𝞺At Keterangan : W=kehilangan berat sebelah ekspos selama t 𝞺 = berat jenis material A = luas specimen yang diekspos k = konstanta - Pasivitas : • Beberapa material yang biasanya aktif, dalam kondisi lingkungan tertentu dapat kehilangan reaktivitas kimianya dan menjadi sangat inert. Cth : Al, Fe, Cr, Ni, Ti • Disebabkan oleh terbentuknya lapisan tipis oksida yang menempel sangat kuat di permukaan logam











BAB 4











SIFAT, APLIKASI, DAN PEMROSESAN LOGAM FERO PEMBENTUKAN LOGAM



EKSTRUKSI/EXTRUSION : - Menekan logam dalam rongga tertutup melalui alat, disebut dengan cetakan, yang menggunakan tekanan mekanik/hidrolik untuk mendapatkan bentuk penampang yang diinginkan



Semua material logam yang akan mengalami proses pembentukan harus memiliki keuletan yang tinggii sehingga tidak retak / pecah pada saat proses berlangsung. PENEMPAAN/FORGING : - Proses dimana metal/logam dipanaskan dan dibentuk hingga terdeformasi plastis dengan mengaplikasikan gaya tekanan (compressive force) - Cth: melakukan pemanasan, lalu pedng ditempah dengan dipukul (gaya tekan) - Contoh barang : pedang, kunci pas



PENGEROLLAN/ROLLING -> SHEET METAL FORMING : - Pembentukaan lembaran tipis logam (biasanya < ¼ in atau 6 mm) dengan memberi tekanan melalui cetakan - Efek operasi pengerjaan panas pengerollan ini adalah penghalusan butir yang disebabkan rekristalisasi







PENARIKAN/DRAWING : - Penekanan terhadap bagian tengah dari bakalan (blank) degan sebuah penekan (punch) ke dalam rongga cetakan (dies) sampai terjadi aliran material masuk ke dalam cetakan



PASIR/SAND CASTING : - Pengecoran dengan cetakan pasir - Dapat mencetak logam dengan titik lebar yang tinggi, seperti baja, nikel, titanium - Dapat mencetak dengan berbagai ukuran - Jumlah produksi dari satuan sampai jutaan







CETAKAN TEKAN/BERTEKANAN/DIE CASTING : - Pengecoran cetakan permanen dengan cara menginjeksikan logam cair ke dalam rongga cetakan dengan tekanan tinggi (7-350 MPa). Tekanan tetap dipertahankan selama proses pembekuan, setelah seluruh bagian coran membeku, cetakan dibuka dan hasil coran dikeluarkan dari dalam cetakan



- Lubang cetakan dibuat dari plastic atau lilin/wax yang kemudian dipanaskan hingga meleleh, meninggalkan lubang cetakan sesuai bentuk yang diinginkan - Digunakan untuk mengecor peralatan yang memerlukan tingkat presisi yang tinggi, seperti perhiasan, mahkota gigi (dental crown), sudut turbin, dll



CONTINUOUS CASTING : - Bentuk slap



Mesin Cetak Ruang Panas (Hot Chamber) 1. Tungku peleburan terdapat pada mesin dan silinder injeksi terendam dalam logam cair 2. Tekanan injeksi 7-35 MPa 3. Digunakan untuk logam cor dengan titik lebur rendah seperti Sn, Pb, Zn 4. Laju produksi cepat, bisa mencapai 500 produksi/jam



METALURGI SERBUK / POWDER METALLURGY : - Material logam dibuat menjadi serbuk - Serbuk dikompaksi/ditekan ke dalam satu cetakan yang memiliki bentuk sesuai dengan desain - Serbuk yang telah dikompaksi dan memiliki bentuk tertentu disebut bakalan/green - Syarat komponen dibuat melalui proses



Mesin Cetak Ruang Design (Cold Chamber) 1. Tungku peleburan terpisah dari mesin dan silinder injeksi diisi logam cair secara manual/mekanis 2. Tekanan injeksi 14-140 MPa 3. Digunakan untuk logam cor dengan titik lebur lebih tinggi seperti Al, Cu, Mg 4. Laju produksi lebih lambat



metalurgi serbuk : • Didesain untuk memiliki kandungan porositas tertentu dengan tetap mempertahankan densitas yang tinggi seperti material padat • Dibuat dari material paduan logam yang unsurnya memiliki kelarutan terbatas. Cth: Al-Ti



INVESTMENT CASTING LOST-WAX CASTING :



(PRESISI)



/



• Dibuat dari material logam yang memiliki titik lebur yang sangat tinggi • Memiliki bentuk yang kecil dan rumit







- Titik lebur 1300 – 1400 °C PENGELASAN/WELDING : - Proses penyambungan permanen dua atau lebih bagian logam, dengan melelehkan materialnya - Spot welding & seam welding adalah dua metode yang popular digunakan untuk logam lembaran



- Bersifat rapuh/getas (150 – 300 MPa) - Tidak elastis, jika dibengkok paksa, akan patah BAJA - Karbon < 2% - Jika dipukul akan menghasilkan bunyi nyaring - Karbon larut membentuk fase ferit (𝛂)/ 𝐹𝑒% 𝐶) dengan bentuk lamellar/fase perlit - Titik lebur > 1550°C - Sifat kuat & ulet yang tinggi (200 – 500



MPa) - Lebih elastis, jika dibengkok, akan bengkok - Tambahan : • Paduan Fe dan C dengan Fe elemen utama dan C kurang dari 2%



Paduan fero diproduksi dalam jumlah lebih besar jika dibandingkan dengan paduan logam lainnya, terutama untuk aplikasi konstruksi & manufaktur karena : - Bahan logam tersedia di alam dalam jumlah besar - Paduan besi & baja dapat diproduksi dengan biaya relatif rendah (baik untuk biaya ekstraksi, pemurnian, maupun pemrosesan) - Paduan besi baja memiliki karakteristik yang bervariasi sehingga dapat dipakai untuk banyak aplikasi BESI - Karbon > 2% - Jika dipukul akan menghasilkan bunyi yang tidak nyaring dan seperti terendam oleh sesuatu - Membentuk grafit yang bebas



• Tambahan elemen dalam paduan : ü Pengotor (Si, P, S, Mn, dimana tidak dapat dipisahkan dari baja) ü Tambahan : Cr (lebih keras tanpa menurunkan elastisitas), Ni (lebih tahan karat), Mo (agar dapat diletakkan dalam air laut) BAJA KARBON RENDAH : - Kandungan C < 0.25% - Struktur mikro terdiri atas ferit & perlit : bentuk lunak namun memiliki ulet & tangguh yang baik - Dapat dibubut & dilas namun tidak responsive terhadap perlakuan panas / heat treatment - Aplikasi : bodi mobil, lembaran baja untuk pipa, kaleng BAJA KARBON SEDANG : - Kandungan karbon 0.25 – 0.6 % - Ulet & tangguh yang lebih rendah



- Lebih kuat dari baja karbon rendah - Responsive terhadap heat treatment ( heat treatment artinya dipanaskan, lalu langsung dicelupkan ke air/pendingin agar C terperangkap dalam baja) - Aplikasi : rel kereta, roda gigi, crankshaft BAJA KARBON TINGGI : - Kandungan karbon 0.6 – 1.4 % - Paling kuat & keras, tetapi tidak ulet - Struktur mikro terdiri atas perlit & sementit (𝐹𝑒% 𝐶) yang sangat keras - Dipakai dalam kondisi dikeraskan & distemper (memiliki ketahanan aus yang tinggi) - Aplikasi : alat potong, bantalan, pisau, mata gergaji BAJA TAHAN KARAT (STAINLESS STEEL) : - Sangat tahan korosi - Kandungan Cr minimal 11% - Ni & Mo juga berperan meningkatkan ketahanan korosi - Berdasarkan struktur mikro : martensitic, feritik, austenitic, pengerasan presipitasi BAJA PERKAKAS : - 1.4 – 1.6 karbon - maksimal 0.6 Mn - maksimal 0.6 Si - 11 – 13 Cr - maksimal 0.3 Ni - maksimal 1.1 V - 0.7 – 1.2 Mo BESI TUANG : - kandungan karbon > 2.14% - struktur mikro terdiri dari grafit yang bebas BESI TUANG KELABU : - Si 1 – 3 %



- Struktur mikro terdiri atas grafit berbentuk serpih (flake) dikelilingi oleh ferrit/perlit - Sangat rapuh & berwarna kelabu jika patah - Mampu meredam getaran & menyumbangkan ketahanan aus yang tinggi pada material - Murah - Aplikasi : pagar rumah, mesin kendaraan bermotor



BESI TUANG NODULAR : - Mengandung Mg / Cerium : sebagai pembulat grafit selama proses pembekuan - Struktur mikro terdiri atas grafit berbentuk bulat yang dikelilingi oleh ferrit/perlit - Lebih kuat & ulet daripada besi tuang kelabu - Sifat hamper bendekati sifat baja - Aplikasi : katup, badan pompa, roda gigi BESI TUANG PUTIH : - Si < 0.1% - Dibuat melalui proses pembekuan yang relative cepat : membentuk sementit ( 𝐹𝑒% 𝐶 ) yang sangat keras - Keras & ketahanan aus yang sangat tinggi : namun sangat rapuh & tidak dapat dimesin - Aplikasi : roller pada mesin pengerollan BESI TUANG MAMPU TEMPA : - Diperoleh dengan memanaskan besi tuang putih pada suhu 800 – 900 °C untuk waktu lama. Sementit akan terdekomposisi menjadi Fe dan C, maka 𝐹𝑒% 𝐶 → 3Fe + C - C yang terdekomposisi adalah grafit yang berbentuk berkelompok/rosette - Ketangguhan cukup tinggi - Aplikasi : batang penghubung (connecting rods), rodai gigi transmisi, penyambung pipa, katup



Secara skematis, ada tiga tahap pembuatan besi dan baja, yaitu reduksi bijih besi (pemrosesan dri biji besi menjadi besi), pemurnian baja (penurunan kadar C dalam besi menjadi bahan baja setengah jadi), dan pembentukan (pengubahan bentuk bahan baja setengah jadi menjadi bahan jadi). REDUKSI BIJIH BESI : - Reduksi Tidak Langsung • Dilakukan di dalam tanur tinggi (blast furnace) • Material yang dimasukkan adalah bijih besi yang sudah dimurnikan (𝐹𝑒( 𝑂% ), batu bara, dan batu kapur (limestone, 𝐶𝑎𝐶𝑂% ) • Dari bagian bawah tanur tinggi, udara panas bertekanan (1150 – 1250 °C) dihembuskan sehingga terjadi reaksi : 2C (batu bara) + O( → 2CO Fe( O% (bijig besi) + 3CO → Fe% O. + CO( Fe% O. + CO → FeO + CO( FeO + CO → Fe + CO( CO( + C → CO Keterangan : disebut reduksi tidak langsung karena gas reduktor (CO) tidak dimasukkan secara langsung ke dalam tanur tinggi, tetapi dihasilkan dari proses di dalam tanur tinggi, yaitu reaksi antara C dan udara panas • CO akan mereduksibijih besi hingga menjadi Fe dalam keadaan cair : eksotermis • Batu kapur yang ditambahkan akan bereaksi dengan pengotor dalam bijih besi membentuk terak/slag yang akan mengapung di atas besi cair (𝞺 lebih rendah). Terak yang telah dingin dapat dihancurkan & dapat dipakai sebagai bahan pencampur semen • Material yang dihasilkan dari tanur tinggi adalah besi cair/pig iron (3 – 4 %) • Lalu besi cair dituang ke torpedo car dan langsung mengalami proses hot metal



pretreatment untuk mengurangi kadar fosfor (defosforisasi) & dikirim ke proses pemurnian baja - Reduksi Langsung • Gas reduktor dimasukkan ke dalam tanur bagian atas sehingga disebut reduksi langsung • Tidak terjadi pencairan bijih besi, melainkan besi kasar padat : endotermik (2.5% C) • Besi spons/besi kasar padat berpori dan memiliki luas permukaan aktif yang besar sehingga sangat sensitive terhadap udara/mudah terbakar ketika dipindahkan dalam jumlah besar sehingga pabrik harus dekat dengan sumber gas alam PEMURNIAN BAJA (STEEL REFINING) : - Dapur Oksigen Basa (Basic Oxygen FurnaceBOF) • Meniupkan gas 𝑂( ke dalam besi cair sehingga terjadi reaksi 2C + O( → 2CO • Gas CO kemudian keluar dari logam cair; akibatnya kadar C dalam besi cair turun • Oksigen dimasukkan dengan tekanan tinggi melalui selang (lance) dimana selang dapat dimasukkan dari atas (top-blown vessel), dari bawah (bottom-blown vessel), atau kombinasi keduanya (top and bottom-blown vessel) • Batu kapur juga dimasukkan, yang akan bereaksi dengan Si, besi oksida, pengotor lainnya membentuk terak CaO-Si O( -FeO sehingga baja menjadi lebih murni • Kemudian baja cair dituang menyaring terak yang dihasilkan



dengan



• Karena produktivitas tinggi, 51% produksi baja di dunia dibuat melalui BOF



- Dapur Busur Listrik (Electric Arc FurnaceEAF) • Memasukkan besi spons, pig iron )padat), besi bekas (scrap) dimana besi bekas adalah bahan terbanyak yang dimasukkan • Katoda (pada tutup atas dapur) dan anoda (pada dasar dapur) terbuat dari grafit yang dialiri listrik • Karena elektroda dialiri listrik & ada jarak sempit antara ujung katoda & permukaan logam (besi), maka timbul bunga api bersuhu tinggi yang akan melebur besi • Oksigen dialirkan dalam besi cair untuk mengurangi kadar C • Flux (CaO dalam bentuk batu kapur / MgO dalam bentuk dolomite/magnesite) ditambahkan ke dalam logam cair, dimana akan mengeluarkan pengotor (Si, S, P, Al, Ca) sehingga terjadi pemurnian • Penuangan baja cair ke cetakan, menjadi slab atau langsung ke tundish pada proses continuous casting, yang menghasilkan slab berukuran lebih tipis • Karena bahan import terbesar adalah besi bekas, baja yang dihasilkan ini bukan baja yang berkualitas tinggi TAMBAHAN : PEMURNIAN SEKUNDER Untuk memproduksi baja berkualitas tinggi (tool steel & stainless steel), dilakukan pemurnian sekunder dari BOF/EAF. Ada beberapa jenis dapur untuk proses pemurnian sekunder : - Laddle Furnace / LF - Argon-Oxygen Decarburization Furnace / AOD - Vacuum-Oxygen Decarburization Furnace / VOD - RH type degassing unit / RH











SOAL-SOAL







1.



Hitung besar energi gaya tarik-menarik antara ion-ion Ca#$ dan O#& yang terpisah pada jarak 1,25 nm! Jawab : Energi gaya tarik-menarik antara ion-ion Ca#$ dan O#& adalah =− =− =−



( ) +,( )(/,())(2,34 .(6789 )((,#4 . (67: ) ( ()6,4(4 . (6798



≈ −0,007116 . 10#( ≈ −7,116 . 10(2 2.



Jelaskan ikatan atom yang terdapat pada material-material berikut! Jawab : a. Kuningan/brass (paduan Cu-Zn) Kuningan memiliki ikatan logam Alasan : Kuningan adalah logam yang merupakan campuran dari tembaga (Cu) dan seng (Zn) dimana merupakan paduan logam. Tembaga merupakan komponen utama dari kuningan, dan kuningan biasanya diklasifikasikan sebagai paduan tembaga. Senyawa yang terbentuk hasil dari ikatan logam dinamakan logam (jika semua atom adalah sama). Misalnya, dalam logam tembaga, atom tembaga dikelilingi 12 atom tembaga ( yang berikatan) atau aloi (jika terdapat atom-atom yang berbeda) misalnya atom logam Be dan Cu membentuk baja. Atom-atom logam tersusun padat sehingga elektron valensi dari setiap atom tidak lagi terikat pada satu atom, namun bebas bergerak ke seluruh bagian logam. Elektron yang ada membentuk semacam awan elektron. Elektron bebas dalam orbit ini bertindak sebagai perekat atau lem. Kation logam yang berdekatan satu sama lain saling tarik menarik dengan adanya elektron bebas sebagai ”lemnya”. b. Karet Karet memiliki ikatan kovalen dan sedikit ikatan Van der Waals Alasan : Karet merupakan polimer adisi yang terbentuk dari berbagai monomer. Polimer dibentuk, bila ratusan atau ribuan unit molekul yang kecil (monomer), saling berikatan dalam suatu rantai. Jenis-jenis monomer yang saling berikatan membentuk polimer, terkadang sama atau berbeda. Polimer mengandung rantai-rantai atom yang dipadukan melalui ikatan kovalen yang terbentuk melalui proses adisi. c. Barium sulfat (BaS) Barium sulfat memiliki ikatan ionik







Alasan : Barium memiliki sifat logam dengan nomor atom 56 dan elektron valensi 2. Barium membentuk ion positif dengan melepas 2 elektron menjadi Ba#$ . Sulfur memiliki sifat non logam dengan nomor atom 16 dan elektron valensi 6. Sulfur membentuk ion negatif dengan menerima 2 elektron menjadi S #& . d. Xenon padat Xenon padat memiliki ikatan gaya Van der Waals Alasan : Xenon padat merupakan gas inert. Inert gas adalah suatu gas atau campuran bermacam-macam gas yang dapat mempertahankan kadar oksigen dalam prosentase rendah sehingga dapat mencegah terjadinya ledakan atau kebakaran. Atom-atom gas inert dapat membentuk suatu ikatan kristal lemah. Ikatan kristal tersebut terjadi akibat adanya interaksi elektrostatis antara momen dipol-momen dipol atom gas inert. Momen dipol merupkan salah satu bagian dari ikata gaya Van der Waals. e. Perunggu/bronze (paduan Cu-Sn) Perunggu memiliki ikatan logam Alasan : Perunggu dapat dibuat dari campuran logam tembaga (80%), timah putih (15%), dan seng (5%). Sama seperti Kuningan, paduan logam-logam memiliki ikatan logam dengan alasan yang sudah tertera di bagian kuningan. f. Nilon Nilon memiliki ikatan kovalen Alasan : Nilon merupakan polimer kondensasi yang terjadi dari reaksi antara gugus fungsi pada monomer yang sama atau monomer yang berbeda. Polimer dibentuk, bila ratusan atau ribuan unit molekul yang kecil (monomer), saling berikatan dalam suatu rantai. Jenis-jenis monomer yang saling berikatan membentuk polimer, terkadang sama atau berbeda. Polimer mengandung rantai-rantai atom yang dipadukan melalui ikatan kovalen yang terbentuk melalui proses polimerasi dimana molekul monomer bereaksi bersama-sama secara kimiawi. Contoh reaksi nilon 6,6 g. Aluminium fosfat (AlP) Aluminium fosfat memiliki ikatan ionik Alasan : Aluminium memiliki sifat logam dengan nomor atom 13 dan elektron valensi 3. Aluminium membentuk ion positif dengan melepas 3 elektron menjadi Al/$ . Fosfat memiliki sifat non logam dengan nomor atom 15 dan elektron valensi 5. Fosfat membentuk ion negatif dengan menerima 5 elektron menjadi P /& . 3.



Jelaskan mengapa HF memiliki titik didih lebih tinggi daripada HCl (19,4°C vs -85°C), meskipun HF memiliki berat molekul yang lebih rendah. (No. 10) Jawab : Pada table periodik, HF memiliki berat molekul yang lebih rendah dibandingkan HCl. Makin kecil berat molekul, makin rendah titik didih. Namun, pada kenyataannya, HF memiliki titik







didih lebih tinggi daripada HCl. Alasannya karena antar molekul HF terdapat ikatan hidrogen. Ikatan hidrogen adalah ikatan yang terjadi antara atom H dengan atom yang keelektronegatifannya sangat tinggi (F, O, N). 4.



Sebuah batangan silinder dengan panjang 100 mm dan diameter 10,0 mm akan dideformasi dengan beban tarik sebesar 27.500 N. Desain tidak memperkenankan batangan berdeformasi plastis DAN mengalami pengurangan diameter penampang lebih dari 7,5 x 10&/ mm. Pilihlah material pada tabel yang dapat memenuhi kriteria desain tersebut. Perhitungan sebagai justifikasi pemilihan material harus dituliskan. Material



Modulus Elastisitas (GPa)



Kekuatan luluh (MPa)



Rasio Poisson



Paduan aluminium



70



200



0,33



Paduan kuningan



101



300



0,35



Paduan baja



207



400



0,27



Paduan titanium



107



650



0,36



Diketahui : 𝑙6 = 100 mm = 10&( m 𝑑6 = 10 mm 𝑟6 = 5 mm = 5 x 10&/ m



Δd maksimum = 7,5 x 10&/ mm = 7,5 x 10&E m Δr maksimum = 3,75 x 10&E m F = 27500 N Penyelesaian : r = 5 x 10&/ m - 3,75 x 10&E m = 5000 x 10&E m - 3,75 x 10&E m = 4996,25 x 10&E m = 4,99625 x 10&/ m Volume awal sebelum deformasi = Volume akhir setelah deformasi



π . 𝑟6 # . 𝑙6 = π . 𝑟 # . 𝑙 (5 . 10&/ )# . 10&( = (4,99625 . 10&/ )# . 𝑙 25 . 10&K = 24,9625 . 10&E . 𝑙 𝑙







= 0,10015 m



Δ𝑙 = 𝑙 - 𝑙6 = 0,1 m - 0,10015 m = 0,00015 m



E=



LMNOPNOP -MNOPNOP



= =



Q . RS TS . R #K466 (6,() (/,())( 4 .(67U 9 (6,666(4)



= 2,33 x 10&(( Pa = 233 GPa Material yang memenuhi kriteria desain tersebut adalah paduan baja karena modulus elastisitas paduan baja kurang dari 233 Gpa dan karena modulus elastisitas paduan baja paling mendekati 233 Gpa. 5.



Untuk setiap kelompok material berikut (lihat figur berikutnya)



Tentukan : •



Material yang paling kuat adalah “AISI 4142, as quenched”. Alasannya karena kekuatan adalah tegangan maksimum yang dapat diterima oleh suatu material sebelum mengalami patah. Jika dilihat dari figur berikut, AISI 4142, as quenched memiliki tegangan terbesar.



•



Material yang paling lemah/lunak adalah “teflon (PTFE)”. Alasannya karena kekuatan adalah tegangan maksimum yang dapat diterima oleh suatu material sebelum mengalami patah. Jika dilihat dari figur berikut, teflon (PTFE) memiliki tegangan terkecil sehingga merupakan material yang lemah/lunak.



•



Material yang paling kaku adalah “AISI 4142, as quenched”. Alasannya karena modulus elastisitas sebanding dengan kekakuan suatu material. Apabila semakin besar modulus elastisitas (semakin curam grafik kemiringan tegangan-regangan), maka semakin besar sifat







kekakuan suatu material, dan sebaliknya. Jika dilihat dari figur berikut, yang memiliki grafik kemiringan paling curam adalah AISI 4142, as quenched. •



Material dengan kekuatan luluh paling tinggi adalah “AISI 4142, as quenched”. Alasannya karena kekuatan luluh suatu material dilihat dari titik luluhnya. Titik luluh adalah titik yang berada pada batas elastis dan plastis. Titik ini adalah batas dimana suatu material akan mulai mengalami deformasi plastis tanpa adanya penambahan beban. Jika dilihat dari figur berikut, yang memiliki titik luluh terbesar adalah AISI 4142, as quenched.



•



Material dengan elongasi paling besar adalah “polietilen berdensitas tinggi”. Alasannya karena rumus % elongasi/perpanjangan = paling besar maka



(RV &RS ) RS



(RV &RS ) RS



𝑥100 sehingga untuk mencari elongasi



harus bernilai paling besar.



(RV &RS ) RS



adalah rumus regangan. Besar



% elongasi diukur hingga saat patah. Jika dilihat dari figur berikut, ujung grafik yang merupakan titik perpatahan yang memiliki regangan terbesar adalah polietilen berdensitas tinggi. •



Material yang paling ulet adalah “polietilen berdensitas tinggi”. Alasannya karena keuletan dapat menahan besar deformasi plastis hingga terjadinya perpatahan. Jika dilihat dari figur berikut, yang memiliki kondisi deformasi plastis hingga perpatahan, yang terbesar adalah polietilen berdensitas tinggi.



•



Material yang paling tangguh adalah “AISI 1020, hot rolled”. Alasannya karena untuk menentukan besarnya ketangguhan suatu material dapat diketahui secara kuantitatif dari luas area keseluruhan dibawah kurva tegangan-regangan hasil pengujian tarik. Jika dilihat dari figur berikut, tidak hanya sekilas melihat dari grafik saja, juga diperhatikan angka tegangan dan regangan di sumbu x dan y, sehingga luas dibawah kurva yang terbesar berada pada AISI 1020, hot rolled.



6.



Figur berikut menunjukkan defleksi dari tiga jenis material (baja, aluminium, dan polystyrene) akibat pembebanan sebesar 4,5 kg. Dari figur ini, tentukan jenis material yang paling kaku.







Kekakuan dapat ditentukan oleh modulus elastisitas dan juga defleksi. Semakin besar modulus elastisitas, maka semakin besar tingkat kekakuan suatu material. Sedangkan defleksi adalah perubahan bentuk pada material dalam arah y akibat adanya pembebanan vertikal yang diberikan. Defleksi diukur dari posisi sebelum mengalami pembebanan dan setelah mengalami pembebanan. Semakin kecil selisih posisi sebelum dan sesudah pembebanan, pastinya material tersebut adalah material yang semakin kaku. Pada figur berikut, tampak bahwa baja memiliki kekakuan terbesar karena baja memiliki modulus elastisitas terbesar, yaitu 206 x 10&/ MPa dan defleksi terkecil, yaitu 2,5 cm. 7.



Bagaimana cara untuk mengetahui/mengukur ketangguhan suatu material berdasarkan grafik tegangan-regangan (hasil uji tarik)? Jelaskan! Ketangguhan adalah kemampuan material menyerap energi hingga patah. Pada kondisi pembebanan statis, ketangguhan dapat diketahui dengan mengukur luas daerah di bawah kurva tegangan-regangan. Luas ini menunjukkan jumlah energi tiap satuan volume yang dapat dikenakan kepada bahan tanpa mengakibatkan pecah. Pada kondisi pembebanan dinamis, ketangguhan diukur dengan pengujian impak. Berikut adalah representasi ketangguhan material pada pembebanan statis yang diukur dari luas daerah di bawah kurva.



Material B’ lebih tangguh daripada material B karena material B’ dapat menyerap lebih banyak energi sebelum patah, yang dtandai dengan luas dibawah grafik B’.