View
7
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
BAHAN AJAR
MATERIAL TEKNIK
(ME-2301)
Oleh :
Dr.Eng. Markus Karamoy Umboh, ST, MT
NIP. 19750518 199903 1 001
Ir. Fencje A. Rauf, MT
NIP. 19580515 198703 1 001
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SAM RATULANGI
MANADO
2017
DAFTAR ISI
Hal
aman
LEMBAR PENGESAHAN i
KONTRAK PERKULIAHAN ii
ANALISIS ISTRUKSIONAL iii
KATA PENGANTAR v
DAFTAR ISI v
Bab I. Ikhtisar Material Teknik
1.1. Sifat-sifat Material 1
1.2. Material Teknik dan Pengelompokannya 1
Bab II Pengujian Material
2.1. Kekuatan Logam 3
2.1.1. Uji Tarik 3
2.1.2. Uji Keras 14
2.1.3. Uji Impak 18
2.1.4. Uji Kelelahan (Fatigue Test) 20
2.1.5. Uji Creep (Perayapan) 21
2.2. Pengujian Tidak Merusak 24
2.2.1. Uji Visual 24
2.2.2. Uji Ultrasonik 24
2.2.3. Uji Dye Penetran 25
2.2.4. Uji Radiografi 25
Bab III Atom Dan Ikatannya
3.1. Teori Atom 27
3.1.1. Struktur Atom 27
3.1.2. Konfigurasi Elektron 29
3.2. Susunan Periodik Unsur 31
3.2.1. Ikatan-Ikatan antar Atom 33
Bab IV Struktur Logam
4.1. Pembentukan Kristal 35
4.1.1. Sel Satuan 35
4.1.2. Kristalografi 42
4.1.3. Difraksi Sinar-X 48
4.2. Ketidaksempurnaan Kristal 49
4.2.1. Cacat Titik dan Surface Imperfection 50
4.2.2. Dislokasi 51
4.2.3. Slip dan Twin 52
Bab V DIAGRAM FASA
5.1. Latar Belakang Pemaduan 58
5.2. Diagram Fasa Sistem Satu Komponen 58
5.3. Diagram Fasa Sistem Dua Komponen 59
5.4. Diagram Fasa Sistem Tiga Komponen 62
Bab VI BAJA KARBON
6.1. Struktur Besi-Baja 65
6.2. Diagram Fasa Fe-Fe3C 66
6.3. Klasifikasi Baja Karbon 72
6.4. Transformasi Isotermal 73
6.5. Transformasi Pendinginan Kontinu 79
Bab VII Ikhtisar Pembuatan Baja
7.1. Pengerolan Panas 81
7.2. Ekstrusi Logam Dan Paduan 81
7.3. Proses Tempa 81
7.4. Proses Pembentukan Lain 82
DAFTAR PUSTAKA
BAB III
ATOM DAN IKATANNYA
3.1. Teori Atom
Rutherford berpendapat bahwa atom adalah nukles bermuatan positif, yang
membawa bagian terbesar massa atom tersebut, dengan elektron-elektron yang
mengelompok di sekelilingnya. Dia mengemukakan bahwa elektron-elektron
tersebut berevolusi mengelilingi nukleus itu dengan orbit-orbit yang berbentuk
lingkaran sehingga gaya sentrifugal dari elektron-elektron yang berevolusi ini tepat
sama dengan gaya tarik menarik elektrostatik antara nukleus bermuatan positif ini
dengan elektron-elektron bermuatan negatif. Untuk menghindari kesulitan bahwa
elektron yang berputar harus, berdasarkan hukum elektrodinamika klasik, terus
menerus memancarkan energi dalam bentuk radiasi elektromagnetik, Bohr, pada
tahun 1913, terpaksa menarik kesimpulan bahwa, dari semua orbit yang mungkin
ada, hanya beberapa orbit tertentu saja yang diperbolehkan. Orbit-orbit yang diskrit
ini diasumsikan memiliki sifat yang begitu luar biasa sehingga ketika suatu elektron
berada pada salah satu dari antara orbit-orbit ini, tidak ada radiasi yang bisa terjadi.
Kumpulan yang terdiri dari orbit-orbit yang stabil ini ditandai dengan kriteria
bahwa momentum angular dari elektron-elektron pada orbit-orbit ini dinyatakan
oleh
nh/2π (3.1)
Dimana : h = konstanta Planck
n = bilangan bulat (n = 1, 2, 3, dan seterusnya)
3.1.1. Struktur Atom
Pada tahun 1911, Rutherford mengemukakan teori atomnya sebagai berikut
:
- Atom tersusun dari
a. Inti atom yang bermuatan positif
b. Elektron-elektron bermuatan negatif yang beredar mengelilingi inti.
- Inti atom bermuatan positif karena mengandung proton. Oleh karena atom bersifat
netral, maka jumlah proton dalam inti sama dengan jumlah elektron yang
mengelilingi inti.
- Jari-jari atom sekitar 10-8 cm, sedangkan jari-jari inti atom jauh lebih kecil lagi :
10-13 cm.
Atom-atom dari unsur yang berbeda akan memiliki berat, ukuran, dan sifat-
sifat yang juga berbeda. Perbedaan ini disebabkan oleh perbedaan jumlah proton
dari masing-masing atom. Jumlah proton dari atom suatu unsur disebut nomor atom
unsur tersebut. Unsur hidrogen, misalnya, mempunyai nomor atom 1. Ini berarti
bahwa atom hidrogen mengandung 1 proton. Demikian pula unsur karbon yang
memiliki nomor atom 6 akan mengandung 6 proton pada setiap atomnya.
Gambar 3.1. Struktur atom
Penelitian para ilmuwan pada awal abad ke-20 menunjukkan bahwa atom-
atom dari unsur yang sama ternyata dapat memiliki massa dan ukuran yang berbeda.
Meskipun sifat-sifat kimia atom-atom dari unsur yang sama juga pasti sama,
kenyataannya sifat-sifat fisika atom-atom itu bisa berbeda. Gejala atau fenomena
ini disebut isotop (bahasa Yunani : iso = sama, topos = tempat), suatu istilah yang
diciptakan oleh seorang asisten Rutherford yang bernama Frederick Soddy (1877 –
1956) pada tahun 1911.
James Chadwick (1891 – 1974) menemukan bahwa dalam inti atom terdapat
jenis partikel lain di samping proton. Partikel ini tidak bermuatan listrik (netral),
dan itulah sebabnya diberi nama netron. Penemuan netron juga menerangkan
mengapa proton-proton dalam inti stabil. Netron berfungsi sebagai penyekat,
sehingga tidak ada tolak menolak antar proton dalam inti atom.
Jumlah netron yang berbeda menyebabkan atom-atom dari unsur yang sama
dapat mempunyai berat atau massa yang berbeda. Jumlah proton + netron dalam
inti atom disebut berat atom atau massa atom atau nomor massa atau bilangan
massa.
Dengan demikian tiga definisi isotop dapat kita rumuskan :
1. Isotop adalah unsur-unsur sejenis yang memiliki jumlah proton sama, tetapi
jumlah netron berbeda.
2. Isotop adalah unsur-unsur sejenis yang memiliki nomor atom sama, tetapi
berat atom berbeda.
3. Isotop adalah unsur-unsur sejenis yang memiliki sifat kimia sama, tetapi
sifat fisika berbeda.
Nomor atom dan berat atom suatu unsur dituliskan masing-masing di sebelah
kiri bawah dan kiri atas dari lambang unsur tesebut. Misalnya lambang C12
6
menyatakan bahwa atom karbon mempunyai nomor atom 6 dan berat atom 12.
Untuk atom netral, elektron yang bermuatan negatif akan sama jumlahnya
dengan proton yang bermuatan positif. Maka untuk atom yang netral (tidak
bermuatan) maka jumlah elektron dapat menunjukkan nomor atom. Sedangkan
untuk atom yang bermuatan jumlah elektron tidak menunjukkan nomor atom.
Atom-atom dapat melepaskan elektron dan dapat menerima elektron. Artinya
elektron-elektron dari atom dapat berubah. Perubahan jumlah elektron dari atom
netral, menyebabkan atom bermuatan. Atom bermuatan negatif, karena atom
tersebut menerima elektron, sehingga elektronnya bertambah. Atom bermuatan
positif, karena atom tersebut melepaskan elektron sehingga elektronnya berkurang.
3.1.2. Konfigurasi Elektron
Elektron bergerak dengan orbit tetap mengelilingi nukleus dengan
pergerakan elektron sebagai suatu fungsi gelombang. Fungsi ini hanya
menyebutkan secara spesifik probabilitas ditemukannya satu elektron dengan
energi tertentu di dalam ruang yang mengelilingi nukleus tersebut. Situasi ini
semakin diperumit oleh kenyataan bahwa elektron berperilaku tidak saja seakan-
akan berevolusi mengelilingi nukleus tetapi seakan-akan juga melakukan spin
(berputa-putar dengan cepat) mengelilingi sumbunya sendiri. Akibatnya, sebagai
ganti menspesifikasi gerak suatu elektron di dalam atom dengan satu bilangan
tunggal n, seperti dikehendaki teori Bohr, kita sekarang perlu menspesifikasi
keadaan elektron dengan menggunakan empat bilangan. Bilangan-bilangan ini,
dikenal sebagai bilangan kuantum elektron, yaitu n, l, m, dan s, dimana n adalah
bilangan kuantum utama, l bilangan kuantum orbital (azimutal), m bilangan
kuantum magnetik, dan s adalah bilangan kuantum spin. Satu premis dasar lain dari
teori kuantum modern mengenai atom adalah Prinsip Eksklusi Pauli. Prinsip ini
menyatakan bahwa tidak ada dua elektron yang terletak pada atom sama yang bisa
memiliki nilai-nilai numerik yang sama untuk himpunan empat bilangan kuantum
mereka.
Jika kita ingin memahami cara bagaimana Tabel Periodik yang berisi
elemen-elemen (unsur) kimia tersusun berdasarkan struktur elektronik atom-
atomnya, kita sekarang harus mempertimbangkan pengaruh keempat bilangan
kuantum tadi dan keterbatasan-keterbatasan yang ditempatkan pada nilai-nilai
numerik yang dipakai oleh keempat bilangan kuatum tersebut. Bilangan kuantum
terpenting adalah bilangan kuantum utama karena bilangan ini terutama
bertanggung jawab menentukan energi dari elektron. Bilangan kuantum utama
dapat memiliki nilai integral (bilangan bulat) yang dimulai dengan n = 1, yaitu
keadaan energi terendah, dan elektron-elektron yang memiliki nilai ini adalah
elektron yang paling stabil, di mana stabilitas berkurang dengan bertambah
besarnya n. Elektron-elektron yang memiliki bilangan kuantum utama n dapat
memiliki nilai integral untuk bilangan kuantum orbital l antara 0 dan (n – 1). Jadi
jika n = 1, l hanya mungkin bernilai 0, sedangkan untuk n = 2, l = 0 atau 1, dan
untuk n = 3, l = 0, 1, atau 2. Bilangan kuantum orbital berkaitan dengan momentum
angular dari elektron yang berevolusi, dan menentukan apa yang dalam istilah
mekanika nonkuantum diangga sebagai bangun dari orbit. Untuk nilai n tertentu,
elektron yang memiliki nilai l terendah akan memiliki energi terendah, dan semakin
tinggi nilai l, semakin besarlah energinya.
Kedua bilangan kuantum lainnya, m dan s, terkait masing-masing dengan
orientasi orbit elektron yang mengitari nukleus, dan dengan orientasi dari arah spin
elektron tersebut. Untuk nilai l tertentu, suatu elektron dapat memiliki nilai integral
untuk bilangan kuantum dalam m dari +l melalui 0 hingga –l. Jadi untuk l = 2, m
dapat memiliki +2, +1, 0, -1, dan -2. Energi dari elektron-elektron yang mempunyai
nilai n dan l yang sama tetapi dengan nilai m yang berbeda adalah sama, dengan
syarat tidak ada medan magnetik yang hadir. Ketika suatu medan magnetik
diberikan, energi dari elektron-elektron dengan nilai Zeeman. Bilangan kuantum
spin s, untuk elektron yang memiliki nilai n, l, dan m yang sama, dapat memiliki
salah satu dari dua nilai, yaitu +½ atau -½. Fakta bahwa nilai-nilai ini adalah nilai
nonintegral belum perlu kita perhatikan saat ini. Kita hanya harus ingat bahwa dua
elektron dalam suatu atom dapat memiliki nilai yang sama untuk bilangan kuantum
n, l dan m, dan bahwa kedua elektron ini akan memiliki spin dengan orientasi yang
berlawanan. Hanya dalam suatu medan magnetik sajalah energi dari kedua elektron
yang spinnya berlawanan ini akan berbeda.
Tabel 3.1 Alokasi keadaan pada ketiga kulit kuantum pertama
3.2. Susunan Periodik Unsur
Tabel periodik merupakan cara klasifikasi elemen kimia yang sangat
berharga, di mana elemen merupakan satu kumpulan yang berisi atom – atom
sejenis. Pada Tabel 3.2 diperlihatkan versi tipikal suatu Tabel Periodik. Dari 107
elemen yang muncul, 90 diantarannya terdapat di alam, sisanya diproduksi di
reaktor – reaktor nuklir atau akselerator – akselerator partikel. Di samping lambang
kimia setiap elemen, dicantumkan bilangan atomik (Z) dari elemen bersangkutan,
yang dapat dianggap sebagai jumlah proton dalam nukleus atau jumlah elektron
yang mengorbit mengelilingi atom. Elemen – elemen biasanya diklasifikasikan ke
dalam periode (baris horisontal), yang bergantung pada kulit elektron mana yang
sedang diisi, dan golongan (kolom vertikal). Elemen yang terletak dalam satu
golongan mempunyai konfigurasi elektron yang sama pada kulit paling luar, dan,
sebagai akibat langsungnya, memiliki sifat – sifat kimia yang sama.
Tabel 3.2. Tabel Periodik Elemen (dari Puddephatt and Monaghan, 1986; seizin
Oxford University Press).
Tabel 3.3. Bilangan Kwantum Elektron
3.2.1. Ikatan-Ikatan Atar Atom
Biasanya kita mengenal empat tipe pengikat utama dalam material, yaitu
pengikat metalik, pengikat ionik, pengikat kovalen, dan pengikat yang relatif jauh
lebih lemah yaitu pengikat van der Waals. Namun demikian, pada bebagai material
padat bisa saja pengikat memiliki karakter campuran, atau karakter antara. Pertama
– tama akan kita bahas ciri – ciri kimiawi yang dimiliki setiap jenis pengikatan.
Seperti telah kita lihat, elemen – elemen dengan karakteristik metalik yang
paling menonjol dikelompokkan di sisi kiri Tabel Periodik (Tabel 3.2). Secara
umum, elemen – elemen ini memiliki sedikit elektron valensi, di luar kulit tertutup
terluar, yang relatif mudah lepas. Di dalam suatu logam, setiap elektron valensi
“bebas” ternagi rata ke seluruh atom, bukannya terikat pada satu atom tertentu, dan
membentuk bagian dari apa yang disebut sebagai “gas elektron” yang berputar –
putar secara acak di tengah – tengah susunan yang teratur dari inti – inti elektron
bermuatan-positif, atau kation (Gambar 3.2a). Penerapan suatu gradien potensial
listrik akan menyebabkan “gas” tersebut terbawa melalui struktur tanpa hambatan
berarti, sehingga jelaslah mengapa konduktivitas listrik sangat baik pada keadaan
metalik. Ikatan metalik berasal dari tarik – menarik antara kation dan elektron
bebas dan, sesuai perkiraan, timbullah komponen tolak – menolak dari gaya ketika
didekatkan. Namun demikian, gaya – gaya pengikat dalam struktur metalik tidak
memiliki arah dalam ruang dan kita dapat langsung mensimulasi karakteristik
penumpukan dan pengisian ruang dari atom – atom tersebut dengan sistem – sistem
permodelan yang menggunakan bola – bola berukuran sama (bola – bola polistiren,
bahkan dengan gelembung – gelembung busa sabun). Sifat – sifat lain seperti
keuletan, konduktivitas panas dan transmitansi radiasi elektromagnetik juga
dipengaruhi langsung oleh ketanpaarahan dan mobilitas elektron yang tinggi dari
ikatan metalik.
Ikatan ionik terjadi apabila elektron ditransfer dari atom – atom elemen
metalik aktif ke atom – atom elemen nonmetalik aktif, sedemikian rupa sehingga
ion – ion resultannya dapat memiliki kulit tertutup yang stabil. Sebagai contoh,
struktur ionik magnesia (MgO), suatu oksida keramik, terbentuk ketika setiap atom
mangnesium (Z = 12) kehilangan dua elektron dari kulit-L-nya (n = 2) dan elektron
–elektron ini diikat oleh sebuah atom oksigen (Z = 8), menghasilkan konfigurasi
oktet stabil pada kulit-L-nya (Tabel 3.3). Secara keseluruhan, muatan – muatan
ionik tersebut berada dalam keseimbangan dan strukturnya secara listrik netral.
(Gambar 3.2b). Anion biasanya lebih besar daripada kation. Pengikatan ionik
bersifat omnidirectional (kesemua arah), pada dasarnya bersifat elektrostatik dan
bisa jadi sangat kuat, sebagai contoh, magnesia yang merupakan oksida tahan api
yang sangat bermanfaat (t.l = 2930°C). Pada temperatur rendah sampai temperatur
sedang, struktur seperti ini adalah isolator listrik, namun, pada umumnya, akan
menjadi konduktif pada temperatur tinggi ketika agitasi termal dari ion – ionnya
meningkatkan mobilita struktur tersebut.
Pemakaian bersama elektron valensi merupakan ciri utama dari tipe
pengikatan primer kuat yang ketiga. Ikatan – ikatan kovalen terjadi ketika elektron
– elektron valensi dengan spin berlawanan dari atom – atom tetangganya dapat
berpasang – pasangan di dalam orbital – orbital berarah spasial yang bertumpang
tindih, sehingga setiap atom dapat mencapai konfigurasi elektronik yang stabil
(Gambar 3.2c).. Karena terorientasi dalam ruang tiga dimensional, ikatan – ikatan
yang terlokalisir ini berbeda dengan ikatan logam atau ikatan ionik. Selain itu,
elektron – elektron yang ikut serta di dalam ikatan – ikatan terikat dengan kuat
sehingga padatan – padatan kovalen umumnya memiliki konduktivitas listrik
rendah dan bertindak sebagai isolator, kadang – kadang sebagai semikonduktor
(misalnya silikon). Jenis pengikatan yang terakhir ditimbulkan oleh gaya Van Der
Waals yang terjadi ketiga atom-atom, atau gugus-gugus atom, yang berdekatan
bertindak sebagai dipol listrik. Misalkan dua atom dengan perbedaan ukuran yang
sangat besar berkombinasi membentuk sebuah molekul sebagai hasil pengikatan
kovalen. “Awan” elektron yang terbentuk untuk keseluruhan molekul dapat
dikatakan berbentuk seperti buah pir dan memiliki distribusi muatan elektron yang
tidak simetris. Sebuah dipol listrik telah terjadi sehingga gaya tarik menarik
elektrostatik searah yang lemah bisa hadir di dalam agregatberisi molekul-molekul
seperti itu (Gambar 3.2d). Tidak ada elektron-elektron yang “bebas’ maka tidak
terdapat konduksi listrik. Pengikatan Van Der Waals relatif lebih lemah
dibandingkan dengan ketiga bentuk pengikatan yang lainnya.
Gambar 3.2. Skema (a) pengikatan metalik, (b) pengikatan ionik, (c) pengikatan
kovalen, dan (d) pengikatan van der Waals.
Recommended