If you can't read please download the document
Upload
firaz-rizaldy-dgenk
View
415
Download
71
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Makalah Material Teknik
Citation preview
1
BAB I
PENDAHULUAN
1. Material
adalah sesuatu yang disusun/dibuatoleh bahan. Material digunakan untuk transportasi
hingga makanan Ilmu material/bahan merupakan pengetahuan dasar tentang struktur, sifat-
sifat dan pengolahan bahan.
Jenis Material
ulet, mudah dibentuk dan bersifat penghantar panas dan listrik yang baik
kerapatan rendah, penghantar panas dan listrik buruk dan mudah dibentuk
merupakan ganbungan dari dua bahan atau lebih yang masing-masing sifat tetap.
Pengetahuan Material Teknik Dasar
Didalam industri manufaktur tidak akan lepas dengan satu bidang ilmu teknik yang
berhubungan dengan material. Secara umum material teknik diklasifikasikan menjadi 2
golongan yakni :
1. Metal (logam)
2. Non Metal (bukan logam)
Metal (logam)
Jika ditinjau dari sudut pandang susunan unsur dasar, metal (logam) dibagi menjadi 2, yakni :
1.1 Logam murni (hanya terdiri satu jenis atom saja), contoh : besi (Fe) murni, tembaga (Cu)
murni
1.2 Logam paduan atau metal alloy (terdiri dari dua atau lebih jenis atom)
Logam paduan dibedakan menjadi 3 jenis :
a. Larut padat interstisi (menyisip), yaitu : suatu paduan yang terjadi bila atom yang
larut mempunyai diameter yang jauh lebih kecil daripada yang dilaruti, contoh : Pada
baja Carbon yang mengalami Nitriding dimana atom Fe (yang dilaruti) mempunyai
diameter atom lebih besar bila dibandingkan dengan atom N (yang larut) dengan
diameter lebih kecil sehingga menyisip diantara atom Fe.
b. Larut Padat Subtitusi (menggantikan posisi yang dilaruti), yaitu : suatu paduan yang
terjadi terutama bila diameter atom yang larut hampir sama dengan diameter atom
yang dilaruti, contoh : Pada paduan alumunium (diameter atom Al dan diameter atom
2
Cu hampir sama), pada stainless steel (diameter atom Fe dan diameter atom Cr hampir
sama), dll.
c. Senyawa, yaitu : suatu paduan yang terjadi karena adanya ikatan atom yang sangat
kuat, contoh : NaCl (Senyawa garam).
Metal juga dapat diklasifikasikan menjadi jenis, yakni :
a. Ferrous (besi)
b. Non Ferrous (bukan besi), contoh : Al dan paduannya, Ni dan paduannya, dll.
Ferrous (besi)
a. Wrought Iron (besi tempa)
Fasa besi tempa berupa ferit (alpha), didalamnya terdapat sisa terak yang masih
terperangkap. Terak tersebut banyak mengandung silikat (silikon oksida), bentuknya
menyerupai fiber (cukup kuat). Sifat dari besi tempa ini Ulet dan cukup kuat. Contoh
komposisi dari besi tempa :
- Carbon : 0.06%
- Mangaan : 0.045%
- Silicon : 0.101%
- Phospor : 0.068%
- Sulfur (belerang) : 0.009%
- Terak (dalan berat) : 1.97%
Besi tempa digunakan pada bangunan kereta api, bangunan kapal laut, industri
minyak, tujuan arsitektur, perlengkapan pertanian, dll. Umumnya, pembuatan dari besi tempa
ini menggunakan dapur puddle (dapur aduk)
b. Steel (Baja)
Baja (Steel) digolongkan menjadi 2, yakni :
2.1 Carbon steel (baja karbon)
Baja karbon dapat digolongkan menjadi 3 macam, yakni :
-Baja karbon rendah [Kadar Carbon antara 0,1% hingga 0,20%]
-Baja Karbon sedang [Kadar Carbon antara 0,25% hingga 0,55%]
-Baja Karbon tinggi [Kadar Carbon antara 0,55% hingga 1,75%]
Pembagian baja karbon yang lain yakni : baja hipoeutektoid [Kadar Carbon Kurang dari
0,8%], baja eutektoid [Kadar Carbon 0,8%] dan baja hipereutektoid [Kadar Carbon lebih dari
0,8%]. Fasa-fasa padat yang ada didalam baja :
3
a) Ferit (alpha) : merupakan sel satuan (susunan atom-atom yang paling kecil dan
teratur) berupa Body Centered Cubic (BCC=kubus pusat badan), Ferit ini mempunyai
sifat : magnetis, agak ulet, agak kuat, dll.
b) Autenit : merupakan sel satuan yang berupa Face Centered Cubic (FCC =kubus pusat
muka), Austenit ini mempunyai sifat : Non magnetis, ulet, dll.
c) Sementid (besi karbida) : merupakan sel satuan yang berupa orthorombik, Semented
ini mempunyai sifat : keras dan getas.
d) Perlit : merupakan campuran fasa ferit dan sementid sehingga mempunyai sifat Kuat.
e) Delta : merupakan sel satuan yang berupa Body Centered Cubic (BCC=kubus pusat
badan).
2.2 Alloy steel (baja paduan)
Sebenarnya perbedaan mendasar dari baja karbon dengan baja paduan terletak pada
dominasi atas unsur dalam suatu baja. Jika yang mendominasi sifat fisik dan mekanik adalah
prosentase atau kadar karbon maka dapat disebut sebagai baja karbon sedang bila yang
mendominasi sifat fisik dan mekanik adalah paduan (selain unsur karbon) maka dapat disebut
sebagai baja paduan. Baja paduan dapat diklasifikasikan menjadi :
a. Baja paduan rendah, yaitu : bila jumlah unsur tambahan selain karbon lebih kecil dari 8%,
misalnya : suatu baja terdiri atas 1,35%C; 0,35%Si; 0,5%Mn; 0,03%P; 0,03%S; 0,75%Cr;
4,5%W [Dalam hal ini 6,06%
b. Baja paduan tinggi, yaitu : bila jumlah unsur tambahan selain karban lebih dari atau sama
dengan 8%, misalnya : baja HSS (High Speed Steel) atau SKH 53 (JIS) atau M3-1 (AISI)
mempunyai kandungan unsur : 1,25%C; 4,5%Cr; 6,2%Mo; 6,7%W; 3,3%V.
Tujuan utama dari penambahan unsur paduan sebenarnya untuk memperbaiki sifat-
sifatnya seperti : kekuatan tarik, kekuatan impak, ketahanan korosi, ketahanan panas, dll.
Pada baja HSS (contoh diatas) mempunyai sifat keras, ulet, tahan temperatur tinggi, dll.
2.3 Cast iron (besi cor)
Umumnya besi cor akan mengandung unsur Fe dan C [3,5% - 4,3%]. Besi cor,
diklasifikasikan menjadi :
a. Besi cor putih (white cast iron) Besi cor putih mempunyai fasa sementid+perlit sehingga
mempunyai sifat keras dan getas.
b. Besi cor kelabu (grey cast iron) Unsur penyusun dari besi cor kelabu yakni : Fe + C +
Silikon (Si). Adanya penambahan unsur Si (Silikon) bertujuan untuk mengurai Sementid
menjadi Fe (ferit atau perlit) dan C (grafit). Bentuk grafitnya berupa serpih sehingga
secara sederhana dapat dikatakan bahwa fasa besi cor kelabu berupa ferit/perlit + grafit
4
serpih dengan sifat : agak getas yang dikarenakan ujung-ujung grafit berbentuk serpih
tajam, akibatnya konsentrasi tegangan tinggi sehingga mudah patah. Contoh penggunaan
besi cor kelabu pada konstruksi mesin jahit, blok mesin, lampu hias, mesin bubut, pagar,
dll. Keistimawaan besi cor kelabu terhadap baja yakni : mampu meredam getaran.
c. Besi cor bergrafit bulat (ductile cast iron atau noduler cast iron) Unsur penyusun dari besi
cor bergrafit bulat yakni : Fe + C + Si + Mg / Ce. Penambahan Mg atau Ce bertujuan
cor bersifat ulet). Contoh penggunaan besi cor bergrafir bulat pada kontruksi penjepit rel
kereta api, batang torak kompresor, dll.
d. Besi cor mampu tempa (malleable cast iron) Untuk membuat besi cor mampu tempa
dapat dibuat dengan memanaskan besi cor putih hingga mencapai suhu 700 Derajat
Celcius selama 30 Jam. Hal ini bertujuan agar sementid terturai menjadi Fe (ferit) dan C
(grafit). Grafit yang dihasilkan berbentuk pipih. Contoh penggunaan besi cor mampu
tempa pada spare part yang berukuran kecil-kecil.
Non Metal
Dikategorikan menjadi 3 jenis yakni : Polimer, Komposit dan keramik. Keramik merupakan
senyawa-senyawa dari karbida dan oksida logam atau oksida metaloid (Si). Perbedaan logam
dengan polimer yakni bahwa logam mempunyai butir-butir (kristal-kristal) sedang polimer
terdiri dari mer-mer (molekul-molekul) yang berikatan satu dengan lainnya. Butir (kristal)
adalah kumpulan atom-atom yang mempunyai orientasi atau arah yang sama.
5
BAB II
PEMBAHASAN
A. Klasifikasi Material Teknik:
Secara garis besar material teknik dapat diklasifikasikan menjadi :
1. Material logam
2. Material non logam
Berdasarkan pada komposisi kimia, logam dan paduannya dapat dibagi menjadi dua golongan
yaitu:
1. Logam besi / ferrous
2. Logam non besi / non ferrous
Logam-logam besi merupakan logam dan paduan yang mengandung besi (Fe) sebagai unsur
utamanya.
Logam-logam non besi merupakan meterial yang mengandung sedikit atau sama
sekali tanpa besi. Dalam dunia teknik mesin, logam (terutama logam besi / baja) merupakan
material yang paling banyak dipakai, tetapi material-material lain juga tidak dapat diabaikan.
Material non logam sering digunakan karena meterial tersebut mempunyai sifat yang khas
yang tidak dimiliki oleh material logam.
Material non logam dapat dibedakan menjadi beberapa golongan, yaitu:
1. Keramik
2. Plastik (polimer)
3. Komposit
a. Keramik
Material keramik merupakan material yang terbentuk dari hasil senyawa (compound)
antara satu atau lebih unsur-unsur logam (termasuk Si dan Ge) dengan satu atau lebih unsur-
unsur non logam. material jenis keramik semakin banyak digunakan, mulai berbagai abrasive,
pahat potong, batu tahan api, kaca, dan lain-lain, bahkan teknologi roket dan penerbangan
luar angkasa sangat memerlukan keramik.
6
SIFAT MEKANIK KERAM IK
Keramik biasanya material yang kuat, dan keras dan juga tahan korosi. Sifat-sifat ini
bersama dengan kerapatan yang rendah dan juga titik lelehnya yang tinggi, membuat keramik
merupakan material struktural yang menarik.
Aplikasi struktural keramik maju termasuk komponen untuk mesin mobil dan struktur
pesawat. Misalnya, TiC mempunyai kekerasan 4 kali kekerasan baja. Jadi, kawat baja dalam
struktur pesawat dapat diganti dengan kawat TiC yang mampu menahan beban yang sama
hanya dengan diameter separuhnya dan 31 persen berat. Semen dan tanah liat adalah contoh
yang lain, keduanya dapat dibentuk ketika basah namun ketika kering akan menghasilkan
objek yang lebih keras dan lebih kuat. Material yang sangat kuat seperti alumina (Al2O3) dan
silikon karbida (SiC) digunakan sebagai abrasif untuk grinding dan polishing.
Keterbatasan utama keramik adalah kerapuhannya, yakni kecenderungan untuk patah
tiba-tiba dengan deformasi plastik yang sedikit. Ini merupakan masalah khusus bila bahan ini
digunakan untuk aplikasi struktural. Dalam logam, elektron-elektron yang terdelokalisasi
memungkinkan atom-atomnya berubah-ubah tetangganya tanpa semua ikatan dalam
strukturnya putus. Hal inilah yang memungkinkan logam terdeformasi di bawah pengaruh
tekanan. Tapi, dalam keramik, karena kombinasi ikatan ion dan kovalen, partikel-partikelnya
tidak mudah bergeser. Keramiknya dengan mudah putus bila gaya yang terlalu besar
diterapkan.
Faktur rapuh terjadi bila pembentukan dan propagasi keretakan yang cepat. Dalam
padatan kristalin, retakan tumbuh melalui butiran (trans granular) dan sepanjang bidang
cleavage (keretakan) dalam kristalnya. Permukaan tempat putus yang dihasilkan mungkin
memiliki tekstur yang penuh butiran atau kasar. Material yang amorf tidak memiliki butiran
dan bidang kristal yang teratur, sehingga permukaan putus kemungkinan besar mulus
penampakannya.
Kekuatan tekan penting untuk keramik yang digunakan untuk struktur seperti
bangunan. Kekuatan tekan keramik biasanya lebih besar dari kekuatan tariknya. Untuk
memperbaiki sifat ini biasanya keramik di-pretekan dalam keadaan tertekan. Sifat Hantaran
Listrik.
Sifat listrik bahan keramik sangat bervariasi. Keramik dikenal sangat baik sebagai
isolator. Beberapa isolator keramik (seperti BaTiO3) dapat dipolarisasi dan digunakan
sebagai kapasitor.
7
Keramik lain menghantarkan elektron bila energi ambangnya dicapai, dan oleh karena
itu disebut semikonduktor. Tahun 1986, keramik jenis baru, yakni superkonduktor temperatur
kritis tinggi ditemukan. Bahan jenis ini di bawah suhu kritisnya memiliki hambatan = 0.
Akhirnya, keramik yang disebut sebagai piezoelektrik dapat menghasilkan respons listrik
akibat tekanan mekanik atau sebaliknya.
Sering pula digunakan bahan yang disebut dielektrik. Bahan ini adalah isolator yang
dapat dipolarisasi pada tingkat molekular. Material semacam ini digunakan untuk menyimpan
muatan listrik.
Kekuatan dielektrik bahan adalah kemampuan bahan tersebut untuk menyimpan
elektron pada tegangan tinggi. Bila kapasitor dalam keadaan bermuatan penuh, hampir tidak
ada arus yang lewat. Namun dengan tegangan tinggi dapat mengeksitasi elektron dari pita
valensi ke pita konduksi. Bila hal ini terjadi arus mengalir dalam kapasitor, dan mungkin
disertai dengan kerusakan material karena meleleh, terbakar atau menguap. Medan listrik
yang diperlukan untuk menghasilkan kerusakan itu disebut kekuatan dielektrik. Beberapa
keramik mempunyai kekuatan dielektrik yang sangat besar.Porselain misalnya sampai 160
kV/cm. Sebagian besar hantaran listrik dalam padatan dilakukan oleh elektron. Di logam,
elektron penghantar dihamburkan oleh vibrasi termal meningkat dengan kenaikan suhu, maka
hambatan logam meningkat pula dengan kenaikan suhu.
Sebaliknya, elektron valensi dalam keramik tidak berada di pita konduksi, sehingga
sebagian besar keramik adalah isolator. Namun, konduktivitas keramik dapat ditingkatkan
dengan memberikan ketakmurnian. Energi termal juga akan mempromosikan elektron ke pita
konduksi, sehingga dalam keramik, konduktivitas meningkat (hambatan menurun) dengan
kenaikan suhu.
Beberapa keramik memiliki sifat piezoelektrik, atau kelistrikan tekan. Sifat ini
merupakan bagian bahan "canggih" yang sering digunakan sebagai sensor. Dalam bahan
piezoelektrik, penerapan gaya atau tekanan dipermukaannya akan menginduksi polarisasi dan
akan terjadi medan listrik, jadi bahan tersebut mengubah tekanan mekanis menjadi tegangan
listrik. Bahan piezoelektrik digunakan untuk tranduser, yang ditemui pada mikrofon, dan
sebagainya.
Dalam bahan keramik, muatan listrik dapat juga dihantarkan oleh ion-ion. Sifat ini
dapat diubah-ubah dengan merubah komposisi, dan merupakan dasar banyak aplikasi
komersial, dari sensor zat kimia sampai generator daya listrik skala besar. Salah satu
teknologi yang paling prominen adalah sel bahan bakar. Kemampuan penghantaran ion
didasarkan kemampuan keramik tertentu untuk memungkinkan anion oksigen bergerak,
8
sementara pada waktu yang sama tetap berupa isolator. Zirkonia, ZrO2, yang distabilkan
dengan kalsia (CaO), adalah contoh padatan ionik.
Serbuk Keramik Silikat
Efek Domino pada Pemrosesan Keramik Sesuai dengan sifat alami keramik, bahan
baku keramik yang digunakan untuk produksi mempunyai banyak kendala yang
mempengaruhi pada sifat akhir benda jadi dibandingkan dengan kelompok bahan lain misal
logam atau polimer. Hal ini dikarenakan tidak terdapat tahapan penghalusan lanjut untuk
keramik, tidak seperti logam (peleburan pembekuan deformasi plastik). Pada dasarnya,
-sempurnaan pada bahan baku
diperbanyak kedalam pembesaran ketidak-sempurnaan dalam produk yang disinter.
Efek domino ini menekankan ketergantungan dari sifat akhir produk keramik dalam
karakteristik semua tahapan pemrosesan, dan secara umum dalam karakteristik bahan baku,
secara harfiah bila terdapat kesalahan dalam satu tahap pemrosesan keramik maka akan
mempengaruhi secara nyata hasil akhir keramiknya.
Mineralogi Keramik
Keramik secara tradisional berdasar pada mineral oksida, atau mineral-mineral lain
dimana dapat berubah menjadi oksida-oksida luluh, seperti hidroksida, karbonat, sulfida,
halida, phospatat dll. Mineral-mineral ini merupakan gabungan dari sebagian besar unsur
yang ada dipermukaan bumi ini. Bagaimanapun juga, berkenaan dengan keunggulan oksigen
dalam kerak bumi, hampir setengah unsur yang telah dikenali terjadi secara normal sebagai
oksida, biasanya oksida kompleks seperti silikat. Struktur silikat meliputi sejumlah besar
unsur-
dari dunia ini adalah -unsur relatif besar dimana sering terdapat dalam
keramik meliputi: O, Al, Si, Ca, Mg, Ti, Na, K. Hal ini menarik untuk dicatat, bahwa
beberapa keramik penting menunjukkan konsentrasi yang agak tinggi pada air laut.
Sungguh, sebagian besar MgO dengan kemurnian tinggi (suatu bahan tahan api yang
penting) sekarang ini disediakan dari air laut. Bagaimanapun juga, sebagian besar mineral
penting dalam keramik berasal dari transformasi batu beku dari perapian (igneous rock),
seperti halnya granit atau basal dimana kristal terbentuk dari magma (siapa tahu lumpur
-batu ini adalah silikat
kompleks, dimana komposisi dapat menggambarkan kandungan dari oksida biner sederhana
seperti silika, alumina, alkali dll.
9
Silika, oksida yang relatif besar di Bumi (62% berat dari kerak kontinental Bumi)
adalah dasar dari klasifikasi ini. Batu dengan proporsi SiO2 yang tinggi (dan biasanya
mengandung alumina yang tingi, dimana merupakan komponen kedua terbesar di kerak
Bumi, mengandung 16% berat) dikenal dengan nama asidik (acidic), dan dengan silika
rendah (dan biasanya mengandung magnesia yang tinggi {[3,1% dari kerak bumi] dan/atau
kalsia [5,7% dari kerak bumi]): didefinisikan sebagai dasar
Alumina agak tidak umum dalam batuan dasar, dan sebaliknya: magnesia adalah tidak
umum dalam batuan asidik. Hal ini sangat menguntungkan untuk produksi bahan tahan api
khususnya: kontaminasi silang dari batuan dasar dan asidik akan menyebabkan kehilangan
ketahanan api yang signifikan, yaitu secara signifikan menurunkan titik lebur yang
mengkontaminasi bahan.
Kristalisasi dari batuan beku dari perapian menjadikan formasi dari silikat dan
mineral-mineral lain penting dalam pemrosesan keramik. Istimewanya, hal ini dipercaya
dimana kerusakan dari beberapa silikat, diikuti dengan sedimentasi, membentuk formasi
mineral tanah liat.Bahan baku dasar untuk keramik tradisional termasuk lempung, silika
SiO2, dan Fledspars (K, Na) AlSi3O8, dan beberapa industri kimiawi lain. Tidak ada
mineral-mineral yang digunakan dalam pemrosesan tradisional keramik dapat diperlakukan
formula kimia. Sebagai contoh, kandungan silika pada lepung Kaolin secara umum bervariasi
pada 45% berat sampai 50% berat, dan alumina 35 % berat sampai 40% berat. Keseimbangan
dipengaruhi oleh komponen yang mudah menguap (air dan organiks), dari 10% berat sampai
15% berat. Jumlah ini dapat dibandingkan dengan formula kimiawi ideal dari mineral-
mineral silikat terpilih berikut:
Mineral Formula Kimia Ideal Kaolinit Al2(Si2O5)(OH)4
Halosit Al2(Si2O5)(OH)4 2H2O
Piropillit Al2(Si2O5)2(OH)2
Monmorilonit (Al1,67 Na0,33 Mg0,33)(Si2O5)2(OH)2
Mika Al2K(Si1.5Al0,5)2 (OH)2
Ilit Al2-xMgxK-1-x-y(Si1,5-yAl0.5+YO5)2(OH)2
Pemrosesan Mineral
Teknik modern dan keramik unggul membutuhkan serbuk kemurnian tinggi dimana
akan sangat menguntungkan dan mempunyai karakteristik tertentu (keuntungan dijabarkan
dalam seluruh proses penggilingan (milling) dan klasifikasi prosedur serbuk keramik). Salah
10
satu kemungkinan klasifikasi dari bahan baku keramik berhubungan dengan teknik
pemrosesan maju/unggul yaitu:
Mineral mentah (crude minerals): tanah liat (gerabah, ubin, bola, bentonit), serpihan, bauksit
mentah, kianit mentah.
Mineral Industri: bola lempung dimurnikan, kaolin, bentonit dimurnikan, piropilit,
flint), kianit, bauksit, sirkon, rutil, bijih krom, kaolin kalsinasi, dolomit, dan banyak lagi yang
lain
Industri Kimia: alumina kalsinasi (dari proses Bayer), magnesia kalsinasi (dari air laut),
alumina fusi, magnesia fusi, silikon karbida (proses Acheson), abu soda, barium karbonat,
titania, titaniat kalsinasi, oksida besi, ferit kalsinasi, sirkonia kalsinasi stabil, pigmen sirkonia,
pigmen sirkon kalsinasi.
Operasi peremukan dan penggerindaan awal pada deposit mineral ditujukan
membebaskan komponen yang tidak dikehendaki (ketidak-murnian, organik) dengan
menempatkan dan/atau pemisahan magnetik, dan pengumpulan partikel-halus mineral murni
(misal lempung) dengan pengambangan (floating). Secara alami, lempung hasil proses
mempunyai variasi yang lebar dalam komposisi dan ukuran partikel, tergantung pada lokasi
dan pemrosesan mineral. Sebagai contoh, salah satu pencemar yang paling tidak dikehendaki
dalam kaolin adalah oksida besi, dimana akan secara efektif menghitamkan barang yang
putih. Kaolin Georgia kualitas tinggi dikenal akan kemurniannya (rendah besi) dan sifat
perapian putih bagus. Bola lempung pada umumnya lebih banyak mengandung bahan organik
b. POLIMER
Plastik (polimer) adalah material hasil rekayasa manusia, merupakan rantai molekul
yang sangat panjang dan banyak molekul MER yang saling mengikat. Pemakaian plastik juga
sangat luas, mulai peralatan rumah tangga, interior mobil, kabinet radio/televisi, sampai
konstruksi mesin.
Istilah polimer digunakan untuk menggambarkan bentuk molekul raksasa atau rantai
yang sangat panjang yang terdiri atas unit-unit terkecil yang berulangulang atau mer atau
meros sebagai blok-blok penyusunnya. Molekul-molekul (tunggal) penyusun polimer dikenal
dengan istilah monomer.
11
Polimer Polyethylene, misalnya, adalah salah satu jenis bahan polimer dengan rantai
linear sangat panjang yang tersusun atas unit-unit terkecil (mer) yang berulang-ulang yang
berasal dari monomer molekul ethylene. Perhatikan bahwa monomer memiliki ikatan kovalen
tak jenuh (ikatan ganda) sedangkan pada mer ikatan tersebut menjadi aktif atau ikatan
kovalen terbuka dengan elektron tak berpasangan.
Bahan organik alam mulai dikenal dan digunakan sejak tahun 1866, yaitu dengan
digunakannya polimer cellulose. Bahan organik buatan mulai dikenal tahun 1906 dengan
ditemukannya polimer Phenol Formal dehide atau Bakelite, mengabadikan nama penemunya
L.H. Baekeland. Bakelite, hingga saat ini masih digunakan untuk berbagai keperluan. Para
mahasiswa metalurgi atau metallographist profesional misalnya menggunakan bakelit untuk
memegang (mounting) spesimen metalografi dari sampel logam yang akan dilihat struktur
mikronya di bawah mikroskop optik reflektif.
Istilah plastik, yang sering digunakan oleh masyarakat awam untuk menyebut
sebagian besar bahan polimer, mulai digunakan pada tahun 1909. Istilah tersebut berasal dari
kata Plastikos yang berarti mudah dibentuk dan dicetak. Teknologi modern plastik baru
dimulai tahun 1920-an, yaitu dengan mulai digunakannya polimer yang berasal dari produk
derivatif minyak bumi, seperti misalnya Polyethylene. Salah satu jenis plastik yang sering
kita jumpai adalah LDPE (Low Density Poly Ethylene) yang banyak digunakan sebagai
plastik pembungkus yang lunak dan sangat mudah dibentuk.
Di samping pembagian di atas, yaitu natural polymer yang berasal dari alam
(misalnya cellulose) dan synthetic polymer yang merupakan hasil rekayasa manusia
(misalnya bakelite dan plyethylene), polimer umumnya dikelompokkan berdasarkan perilaku
mekanik dan struktur rantai atau molekulnya. Polimer thermoplastik, misalnya polyethylene,
adalah jenis polimer yang memiliki sifat-sifat thermoplastik yang disebabkan oleh struktur
rantainya yang linear (linear), bercabang (branched) atau sedikit bersambung (cross linked).
Polimer dari jenis ini akan bersifat lunak dan viskos (viscous) pada saat dipanasikan dan
menjadi keras dan kaku (rigid) pada saat didinginkan secara berulang-ulang. Sementara itu,
polimer thermoset (termosetting), misalnya bakelite, hanya melebur pada saat pertama kali
dipanaskan dan selanjutnya mengeras secara permanen pada saat didinginkan. Polimer jenis
ini bersifat lebih keras dan kaku (rigid) karena strukturnya molekulnya yang membentuk
jejaring tiga dimensi yang saling berhubungan (network).
Polimer jenis elastomer, misalnya karet alam, memiliki daerah elastis non linear
yang sangat besar yang disebabkan oleh adanya sambungan-sambungan antar
12
dapat kembali ke bentuknya semula, pada saat beban eksternal dihilangkan.
Proses Pembentukan Polimer (Polimerisasi)
Proses pembentukan rantai molekul raksasa polimer dari unit-unit molekul
terkecilnya (mer atau meros) melibatkan reaksi yang kompleks. Prosespolimerisasi tersebut
yang secara umum dapat dikelompokkan menjadi dua
jenis reaksi, yaitu:
(1) polimerisasi adisi (Addition), dan
(2) polimerisasi
kondensasi (Condensation). Reaksi adisi, seperti yang terjadi pada proses
pembentukan makro molekul polyethylene dari molekul-molekul ethylene, berlangsung
secara cepat tanpa produk samping (by-product) sehingga sering disebut pula sebagai
Pertumbuhan Rantai (Chain Growth). Sementara itu, polimerisasi kondensasi, seperti yang
misalnya pada pembentukan bakelit dari dua buah mer berbeda, berlangsung tahap demi
tahap (Step Growth) dengan menghasilkan produk samping, misalnya molekul air yang
dikondensasikan keluar.
Contoh polimerisasi dengan reaksi adisi adalah proses pembentukan
Polyethylene (PE). Proses pembentukan polimer berlangsung dalam 3 tahap,
yaitu:
(1) inisiasi
(2) adisi atau pertumbuhan rantai, dan
(3) terminasi.
Untukmemulai proses polimerisasi ethylene, ditambahkan H2O2 sehingga terjadi
pemutusan ikatan kovalen antar oksigen dalam molekul Hidrogen Peroksida dan ikatan
kovalen antar karbon dalam molekul Ethylene. Polimerisasi dimulai dengan terbentuknya dua
kelompok inisiator (OH) dan mer. Satu dari dua kelompok OH selanjutnya akan bergabung
dengan mer ethylene mengawali terbentuknya rantai molekul polimer. Selanjutnya akan
terjadi pertumbuhan rantai yang berlangsung sangat cepat membentuk rantai molekul raksasa
linear. Terminasi dari pertumbuhan rantai dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu (1) dengan
bergabungnya OH ke ujung rantai molekul, dan (2) bergabungnya dua rantai molekul.
Panjang dari rantai polimer dapat dikendalikan dengan cara mengendalikan jumlah inisiator.
13
Secara, umum, jika jumlah inisiator yang diberikan sedikit, maka jumlah OH yang tersedia
untuk menghentikan reaksi semakin sedikit pula. Yang perlu dicatat adalah bahwa di reaksi
adisi ini tidak menghasilkan produk sampingan (by product).
Contoh dari polimerasi kondensasi adalah proses pembentukan Bakelit yang telah kita
kenal sebelumnya. Nama kondensasi diberikan karena pada proses polimerisasi ini
dikondensasikan molekul air sebagai produk sampingan (by product)-nya. Bakelit, produk
utama dari reaksi ini, terbentuk dari dua jenis molekul mer, yaitu Phenol dan Formal Dehide.
Tidak seperti halnya pada polimerisasi adisi, reaksi berlangsung lebih lambat, tahap demi
tahap, sehingga sering pula disebut sebagai reaksi pertumbuhan tahap demi tahap (step
growth reaction). Rantai molekul yang terbentuk dalam proses polimerisasi bakelit ini
lebih rigid, karena membentuk jejaring tiga dimensi (three dimensional network) yang
kompleks.
Berat Molekul dan Derajat Polimerisasi
Panjang rata-rata dari rantai polimer dapat dilihat dari berat molekul (molecular
weight) polimer. Berat molekul dari polimer pada dasarnya adalah penjumlahan dari berat
molekul-molekul mer-nya. Jadi semakin tinggi berat molekul dari suatu polimer tertentu,
semakin besar panjang rata-rata dari rantai polimernya. Mengingat polimerasasi adalah
peristiwa yang terjadi secara acak, maka berat molekul biasanya ditentukan secara statistik
dalam bentuk rata-rata berat molekul atau distribusi berat molekulnya.
Suatu polimer thermoplastik misalnya, memiliki distribusi berat molekul sebagaimana
terlihat dalam gambar berikut ini. Distribusi berat molekul tersebut terjadi karena proses
polimerisasi terjadi secara acak (random) sehingga thermoplastik tersebut terdiri atas banyak
rantai-rantai polimer yang berbeda-beda panjangnya. Dari distribusi tersebut dapat ditentukan
rata-rata berat molekul dari thermoplastik tersebut.
Derajat polimerisasi (DP) dari suatu polimer adalah rasio atau perbandingan berat
molekul polimer dengan berat molekul mer-nya. Suatu polyethylene (PE)
dengan berat molekul 28.000 g misalnya, memiliki derajat polimerisasi 1000
karena berat molekul dari mer-nya (C2H4) adalah 28 (12x2 + 1x4). DP
menggambarkan ukuran molekul dari suatu polimer berdasarkan atas jumlahdari monomer
penyusunnya
Berat molekul rata-rata atau derajat polimerisasi dari suatu polimer thermoplastik
sangat berpengaruh terhadap keadaan dan sifat-sifatnya.
Viskositas dan kekuatan polimer misalnya akan meningkat dengan meningkatnya
berat molekul atau derajat polimerisasinya. Sebagai ilustrasi, kita dapat membandingkan
14
keadaan dari monomer ethylene pada derajat polimerisasi yang berbeda-beda. Perbedaan dari
sifat-sifat tersebut dapat dijelaskan oleh fakta bahwa semakin panjang rantai molekul suatu
polimer, semakin besar energi yang diperlukan untuk mengatasi ikatan sekundernya.
Ikatan-ikatan dalam Polimer Ikatan-ikatan dalam polimer dapat dikelompokkan
menjadi dua kelompok, yaitu ikatan primer dan ikatan sekunder. Ikatan primer dari suatu
polimer adalah ikatan kovalen, yaitu ikatan antar atom dengan cara memakai elektron secara
bersama-sama, sebagaimana diilustrasikan dalam gambar.
Ikatan-ikatansekunder yang penting di dalam polimer misalnya adalah ikatan Van der
Waals, ikatan Hidrogen, dan ikatan Ionik. Ikatan primer kovalen termasuk ikatan antar atom
yang sangat kuat, jauh lebih kuat jika dibandingkan dengan ikatan-ikatan sekunder, 10 hingga
100 kalinya. Kekuatan ikatan primer ganda antar atomkarbon di dalam ethylene (C=C),
misalnya besarnya adalah 721 kJ/(g.mol) sedangkan ikatan antar atom karbon dan hidrogen
(C-H) adalah 436 kJ/(g.mol).
Strukur Rantai Molekul Polimer
Arsitektur polimer sangat berpengaruh terhadap sifat-sifat dan perilakunya secara
umum. Secara umum, polimer dapat dikelompokkan menjadi empat jenis berdasarkan
struktur molekulnya, yaitu:
(1) polimer linear (linear polymer)
(2) polimer bercabang (branched polymer)
(3) polimer berkait (cross-linked polymer)dan
(4) polimer berjejaring (network polymer).
Polyethy linear adalah contoh dari jenis polimer dengan struktur rantai linear dan
bercabang. Struktur rantai tersebut menyebabkan polyethylene berperilaku termoplastik, yaitu
dapat dibentuk menjadi suatu bentuk tertentu dan dikembalikan ke bentuk semula. Struktur
rantai molekul berkait adalah struktur rantai yang khas dari karet yang memiliki daerah
elastis non-linear yang sangat besar. Cross-link atau kaitan antar rantai dalam hal ini
berfungsi sebagai
polimer yang telah kita bahas sebelumnya memiliki struktur rantai molekul berjejaring 3
dimensi yang kompleks. Struktur rantai ini sangat rigid sehingga polimer dengan struktur
rantai ini akan berperilaku termoset, yaitu menjadi rigid secara permanen pada saat pertama
kali didinginkan.
Secara umum, perilaku mekanik dari berbagai jenis polimer dapat dijelaskan dari ikatan-
ikatan atom dan struktur rantai molekulnya.
15
Derajat Kekristalan Polimer
Tidak seperti halnya logam, polimer pada umumnya bersifat amorphous, tidak bersifat
kristalin atau memiliki keteraturan dalam rentang cukup panjang.Namun, polimer dapat
mdirekayasa sehingga strukturnya memiliki daerah kristalin, baik pada proses sintesis
maupun deformasi. Besarnya daerah kristalin dalam polimer dinyatakan sebagai derajat
kekristalan polimer. Derajat kekristalan polimer misalnya dapat direkayasa dengan
mengendalikan laju solidifikasi dan struktur rantai, walaupun sangat sulit untuk mendapatkan
derajat kekristalan 100% sebagaimana halnya pada logam. Polimer dengan struktur rantai
bercabang misalnya akan memiliki derajat kekristalan yang lebih rendah jika dibandingkan
dengan struktur tanpa cabang. Sifat-sifat mekanik dan fisik dari polimer sangat dipengaruhi
oleh derajat kekri jrestalannya. Sifat-sifat mekanik yang dipengaruhi oleh derajat kekristalan
misalnya adalah kekakuan (stiffness), kekerasan (hardness), dan keuletan (ductility).
Sedangkan sifat-sifat fisik yang berhubungan dengan derajat kekristalan misalnya adalah
sifat-sifat optik dan kerapatan (density) dari polimer.
c. KOMPOSIT
Komposit merupakan material hasil kombinasi dari dua material atau lebih, yang
sifatnya sangat berbeda dengan sifat masing-masing material asalnya. Komposit selain dibuat
dari hasil rekayasa manusia, juga dapat terjadi secara alamiah, misalnya kayu, yang terdiri
dari serat selulose yang berada dalam matriks lignin. Komposit saat ini banyak dipakai dalam
konstruksi pesawat terbang, karena mempunyai sifat ringan, kuat dan non magnetik.
B. Sifat Sifat Material
Secara garis besar material mempunyai sifat-sifat yang mencirikannya, pada bidang teknik
mesin umumnya sifat tersebut dibagi menjadi tiga sifat. Sifat sifat itu akan mendasari dalam
pemilihan material, sifat tersebut adalah:
Sifat mekanik
Sifat fisik
Sifat teknologi
Dibawah ini akan dijelaskan secara terperinci tentang sifat-sifat material tersebut
1. Sifat Mekanik
Sifat mekanik material, merupakan salah satu faktor terpenting yang mendasari
pemilihan bahan dalam suatu perancangan. Sifat mekanik dapat diartikan sebagai respon atau
16
perilaku material terhadap pembebanan yang diberikan, dapat berupa gaya, torsi atau
gabungan keduanya. Dalam prakteknya pembebanan pada material terbagi dua yaitu beban
statik dan beban dinamik. Perbedaan antara keduanya hanya pada fungsi waktu dimana beban
statik tidak dipengaruhi oleh fungsi waktu sedangkan beban dinamik dipengaruhi oleh fungsi
waktu.
Untuk mendapatkan sifat mekanik material, biasanya dilakukan pengujian mekanik.
Pengujian mekanik pada dasarnya bersifat merusak (destructive test), dari pengujian tersebut
akan dihasilkan kurva atau data yang mencirikan keadaan dari material tersebut.
Setiap material yang diuji dibuat dalam bentuk sampel kecil atau spesimen. Spesimen
pengujian dapat mewakili seluruh material apabila berasal dari jenis, komposisi dan
perlakuan yang sama. Pengujian yang tepat hanya didapatkan pada material uji yang
memenuhi aspek ketepatan pengukuran, kemampuan mesin, kualitas atau jumlah cacat pada
material dan ketelitian dalam membuat spesimen. Sifat mekanik tersebut meliputi antara
lain: kekuatan tarik, ketangguhan, kelenturan, keuletan, kekerasan, ketahanan aus, kekuatan
impak, kekuatan mulur, kekeuatan leleh dan sebagainya.
Sifar-sifat mekanik material yang perlu diperhatikan:
1. Kekuatan (strength)
Merupakan kemampuan suatu material untuk menerima tegangan tanpa menyebabkan
material menjadi patah. Berdasarkan pada jenis beban yang bekerja, kekuatan dibagi
dalam beberapa macam yaitu kekuatan tarik, kekuatan geser, kekuatan tekan, kekuatan
torsi, dan kekuatan lengkung.
2. Kekakuan (stiffness)
Adalah kemampuan suatu material untuk menerima tegangan/beban tanpa mengakibatkan
terjadinya deformasi atau difleksi.
3. Kekenyalan (elasticity)
Didefinisikan sebagai kemampuan meterial untuk menerima tegangan tanpa
mengakibatkan terjadinya perubahan bentuk yang permanen setelah tegangan
dihilangkan, atau dengan kata lain kemampuan material untuk kembali ke bentuk dan
ukuran semula setelah mengalami deformasi (perubahan bentuk).
17
4. Plastisitas (plasticity)
Adalah kemampuan material untuk mengalami deformasi plastik (perubahan bentuk
secara permanen) tanpa mengalami kerusakan. Material yang mempunyai plastisitas
tinggi dikatakan sebagai material yang ulet (ductile), sedangkan material yang
mempunyai plastisitas rendah dikatakan sebagai material yang getas (brittle).
5. Keuletan (ductility)
Adalah sutu sifat material yang digambarkan seprti kabel dengan aplikasi kekuatan tarik.
Material ductile ini harus kuat dan lentur. Keuletan biasanya diukur dengan suatu periode
tertentu, persentase keregangan. Sifat ini biasanya digunakan dalam bidan perteknikan,
dan bahan yang memiliki sifat ini antara lain besi lunak, tembaga, aluminium, nikel, dll.
6. Ketangguhan (toughness)
Merupakan kemampuan material untuk menyerap sejumlah energi tanpa mengakibatkan
terjadinya kerusakan.
7. Kegetasan (brittleness)
Adalah suatu sifat bahan yang mempunyai sifat berlawanan dengan keuletan. Kerapuhan
ini merupakan suatu sifat pecah dari suatu material dengan sedikit pergeseran permanent.
Material yang rapuh ini juga menjadi sasaran pada beban regang, tanpa memberi
keregangan yang terlalu besar. Contoh bahan yang memiliki sifat kerapuhan ini yaitu besi
cor.
8. Kelelahan (fatigue)
Merupakan kecenderungan dari logam untuk menjadi patah bila menerima beban bolak-
balik (dynamic load) yang besarnya masih jauh di bawah batas kekakuan elastiknya.
9. Melar (creep)
Merupakan kecenderungan suatu logam untuk mengalami deformasi plastik bila
pembebanan yang besarnya relatif tetap dilakukan dalam waktu yang lama pada suhu
yang tinggi.
10. Kekerasan (hardness)
18
Merupakan ketahanan material terhadap penekanan atau indentasi / penetrasi. Sifat ini
berkaitan dengan sifat tahan aus (wear resistance) yaitu ketahanan material terhadap
penggoresan atau pengikisan.
Load
Didefinisikan sebagai kekuatan eksternal yang mendukung bagian dari sutau mesin. Beban
ini terdiri dari 3 tipe, yaitu:
Beban tetap (steady load), dikatakan beban tetap apabila beban dalam keadaan diam
dimana benda tersebut tidak dapat erubah arah.
Beban gerak (variying load), apabila beban dapat dipindahkan secara kontiyu.
Beban kejut (shock load), apabila bebam digunakan dan dipindahkan secara tiba-tiba.
Tegangan
Saat gaya atau beban dari system eksternal terjadi pada benda kerja, gaya internal aka muncul
dari dalam benda kerja baik searah ataupun berlawanan arah sebagai reaksi atas gaya
eksternal tersebut. Stress adalah besarnya gaya internal yangtimbul per satuan luas area pada
benda kerja.
Regangan
Adalah gaya yang diberikan pada suatu benda dengan memberikan tegangan tarik sehingga
benda tersebut juga mengalami perubahan bentuk.
Tensile Stress / Tegangan Tarik
Adalah suatu sifat bahan hubungan tegangan-regangan pada tarikan memberikan nilai yang
cukup berubah tergantung pada laju tegangan temperature dll. Umumpnya kekuatan tarik
lebih rendah daripada umpannya seperti baja, duralumin dll.
Compressive Stress / Tegangan Tekan
Compressive in terjadi bila suatu benda kerj ayang menjadi sasaran aksial yang sama ata
berlawanan, dimana tekanan ini disebabakan pada setiap sisi dari benda kerja dan inilah yang
disebut dengan compressive stress. Pertimbangan lain akan menunjukkan bahwa dengan
adanya tegangan beban, akan ada penurunan penjang benda kerja dimana perbandingan
pengurangan panjang dengan panjang asli suatu benda kerja dikenal sebagai tegangan
regangan.
19
Shear Stress / Tegangan Geser
Ketika benda kerja menjadi sasaran dua kekuatan yang sama atau berlawanan, bergerak
secara tangensial dengan sisi yang berlawanan, dimana ini disebabkan pada setiap sisi dari
benda kerja dan inilah yang disebut shear stress. Dan yang berhubungan dengan regangan
dikenal shear strain, yang diukur dengan sudut deformasi yang berdekatan dengan shear
stress
Modulus Young
Hukum Hook menyatakan bahwa ketika benda kerja pada sutu bahan yang elastis maka
tegangan akan seimbang dengan regangan. Dimana E adalah konstanta maka dapat dikatakan
modulus young, dan satuan yang digunakan adalah kg/cm3 atau N/mm
2.
E
Bearing Stress / Tegangan Dukung
Pembatasan compressive stress pada area antara 2 bagian dikenal sebagai bearing stress.
Bearing stress ini dapat digunakan dalam mendesign penyambungan paku. Distribusi dari
bearing stress ini tidak selalu sama tetapi bergantung pada bentuk permukaan benda kerja dan
sifat-sifat fisik dari dua material tersebur. Sedangkan distribusi tekanan akan sama. Bila
pendistribusian stress sulit untuk ditentikan oleh karena itu bearing stress biasanya
dikalkuasikan dengan membagi beban pada beberap area.
Bending Stress / Tegangan Tekuk
Dalam kegiatan perteknikan, bagian-bagian atau anggota structural mungkin menjadi
sasaran pada beban static atau dinamis yang disebut sebagai bending stress. Sedikit
pertimbangan akan menujukkan karena adanya moment bending, kabel pada bagian atas
benda kerja akan diperpendek karena akompresi terebut.
2. Sifat Fisik
Sifat penting yang kedua dalam pemilihan material adalah sifat fisik. Sifat fisik adalah
kelakuan atau sifat-sifat material yang bukan disebabkan oleh pembebanan seperti pengaruh
pemanasan, pendinginan dan pengaruh arus listrik yang lebih mengarah pada struktur
material. Sifat fisik material antara lain : temperatur cair, konduktivitas panas dan panas
spesifik.
20
Struktur material sangat erat hubungannya dengan sifat mekanik. Sifat mekanik dapat diatur
dengan serangkaian proses perlakukan fisik. Dengan adanya perlakuan fisik akan membawa
penyempurnaan dan pengembangan material bahkan penemuan material baru.
3. Sifat Teknologi
Selanjutnya sifat yang sangat berperan dalam pemilihan material adalah sifat teknologi yaitu
kemampuan material untuk dibentuk atau diproses. Produk dengan kekuatan tinggi dapat
dibuat dibuat dengan proses pembentukan, misalnya dengan pengerolan atau penempaan.
Produk dengan bentuk yang rumit dapat dibuat dengan proses pengecoran. Sifat-sifat
teknologi diantaranya sifat mampu las, sifat mampu cor, sifat mampu mesin dan sifat mampu
bentuk. Sifat material terdiri dari sifat mekanik yang merupakan sifat material terhadap
pengaruh yang berasal dari luar serta sifat-sifat fisik yang ditentukan oleh komposisi yang
dikandung oleh material itu sendiri.
Pengaruh Lingkungan Terhadap Perilaku Material
Hubungan antara struktur, sifat dan prosses juga dipengaruhi oleh lingkungan
sekitar,di mana material tersebut diperlakukan. Beberapa kategori yang disebut sebagai
lingkungan adalah; suhu, korosi dan radiasi. Suhu. Perubahan suhu secara drastis dapat
mengubah sifat-sifat dari material
(gambar 1-12). Kekuatan dari sebagian besar material akan turun bila suhu dinaikkan.
Selanjutnya suatu kondisi yang sangat buruk dapat secara tiba tiba terjadi pada
material bila ditempatkan pada temperatur yang melebihi titik kritisnya. Material yang
telah diperkuat dengan mendapatkan suatu perlakuan panas atau pada sebuah teknik
pembentukan bisa saja secara mendadak kehilangan kekuatannya bila dipanaskan
lanjut. Temperatur yang sangat rendah pun dapat menyebabkan material baja menjadi
rapuh walaupun hanya diberikan beban yang ringan. Temperatur tinggi pun dapat
menyebabkan perubahan struktur pada keramik dan menyebabkan material polimer
mencair atau menjadi hangus.
21
Saat ini teknologi untuk membuat material menjadi semakin tahan terhadap
pengaruh panas semakin marak seiring dengan tuntutan pasar seperti pada pesawat
ataupun kendaraan luar angkasa (gambar 1-13). Pada aplikasi pesawat terbang,
pengaruh peningkatan suhu permukaan yang diakibatkan oleh gesekan permukaan
dengan udara sangatlah kentara dan sebagai tambahan atas kondisi ini adalah mesin
akan beroperasi dengan effisien (hemat BBM) pada suhu yang tinggi. Untuk menjawab
tantangan agar mendapatkan kecepatan yang tinggi dengan menggunakan bahan bakar
yang hemat maka penemuan terhadap material yang tahan panas terhadap suhu
permukaan dan suhu mesin secara bertahap ditemukan.
Korosi. Sebagian besar metal dan polimer bereaksi terhadap oksigen atau gas
lainnya terutama pada temperatur tinggi. Metal dan keramik dapat hancur pada kondisi
22
ini, sedangkan material polimer akan menjadi getas atau rapuh (gambar 1-14). Material
juga bisa diserang oleh berbagai macam cairan yang korosif. Metal bisa mendapatkan
serangan korosi secara seragam atau secara selektif dalam bentuk munculnya celah
atau lubang yang mengkibatkan kegagalan prematur (gambar 1-15). Saat ini telah
banyak dikembangkan teknologi pelapis yang dapat melindungi material dari pengaruh
korosi.
Radiasi. Radiasi energi tinggi, seperti neutron yang dihasilkan pada reaktor nuklir,
dapat mempengaruhi struktur internal dari seluruh material serta dapat menghasilkan
kehilangan kekuatan, kegetasan, ataupun perubahan yang kritis dari sifat sifat fisis.
23
Selain itu juga dimensi dari suatu material juga dapat berubah seperti terjadinya
pembengkakan atau bahkan terjadinya retak.
Pemilihan Material
Pemilihan material untuk berbagai macam aplikasi pada awalnya sangat tergantung
kepada suatu proses yang dinamakan pemilihan material. Pemilihan ini biasanya
didasari oleh beberapa persyaratan yang harus dilewati, diantaranya :
1. Material tersebut harus mampu memenuhi persyaratan fisik dan mekanik.
2. Material tersebut mudah untuk dibentuk ataupun dipabrikasi.
3. Material yang dapat diproses tersebut haruslah memiliki nilai ekonomis.
C. PROSES PENGOLAHAN LOGAM
Secara umum logam bisa dibedakan atas dua yaitu : logam-logam besi (ferous) dan
logam-logam bukan besi (non feorus). Sesuai dengan namanya logam-logam besi adalah
logam atau paduan yang mengandung besi sebagai unsur utamanya, sedangkan logam-logam
bukan besi adalah logam yang tidak atau sedikit sekali mengandung besi.
Logam-logam besi terdiri atas :
24
- besi tuang (cast iron)
- baja karbon (carbon steel)
- baja paduan (alloy steel)
- baja spesial (specialty steel)
Keempat kelompok besi diatas terbagi lagi atas pengelompokan yang lebih kecil yang
diperlihatkan pada tabel 1. Untuk logam bukan besi contohnya adalah logam dan paduan
seperti : aluminium, tembaga, timah, emas, magnesium dsb.
Dalam penggunaannya pada bidang teknik diharuskan memilih bahan logam yang
sesuai dengan keperluan aplikasi dalam hal kekuatan, kekerasan, kekuatan lelah, ketahan
korosi dan sebagainya sehingga dalam pemakaiannya akan memberikan hasil yang paling
optimal.
Sifat-sifat yang diperlukan di dalam aplikasi sangat dipengaruhi oleh struktur bahan tersebut,
sedangkan struktur yang terbentuk dipengaruhi oleh komposisi kimia, teknik/proses
pembuatan serta proses perlakuan panas yang diberikan kepada logam tersebut. Secara
skematik hubungan antara struktur, sifat mekanik dan kualitas yang diberikan logam
diperlihatkan pada gambar 1.
Pada produk rekayasa, selain pengaruh faktor-faktor diatas, kualitasnya juga
dipengaruhi oleh faktor desain (perencanaan) dan kondisi pengoperasian.
Pada dewasa ini penggunaan logam yang paling banyak masih didominasi oleh logam
besi dan paduannya terutama di bidang permesinan. Logam aluminium dan paduannya juga
mengalami penggunaan yang meningkat akhir-akir ini karena beberapa sifat-sifatnya yang
disukai yang salah satunya adalah bobotnya yang ringan.
Tabel 1: Pembagian Paduan Besi dan Baja Menurut Komposisinya.
______________________________________________________________________
No. Paduan besi dan Baja Komposisi kimia (dalam %)
____________________________________________________________________
1 Besi tuang 2-4 %C, 1-3 %Si, 0,80 %Mn (maks) 0,10
%P (maks), 0,05% S (maks).
- Besi tuang kelabu Disamping terdapat perbedaan yang
kecil
- Besi tuang putih dari segi komposisi, perbedaan sifat
-sifat
25
- Besi tuang noduler besi tuang ditentukan oleh struktur mikro
karena proses pembuatan atau karena
proses perlakuan panas.
- Besi tuang paduan Unsur-unsur pemadu : Cr, Ni, Mo, Al
atau logam-logam lainnya.
2. Baja karbon :
- Baja karbon rendah 0,08-0,35 %C | 0,25-1,50 %Mn
- Baja karbon sedang 0,35-0,50 %C plus | 0,25-0,30 %Si
- Baja karbon 0,04 %P (maks) | 0,05 %S (maks)
3. Baja paduan :
- Baja paduan rendah - Seperti pada baja karbon rendah
+unsur-unsur pemadu kurang dari 4 %
seperti : Cr, Ni, Mo, Cu, Al, Ti, V, Nb,B,
W dll.
- Baja paduan medium - Seperti pada baja paduan rendah
tetapi jumlah unsur-unsur pemadu
diatas 4%.
4. Baja Spesial :
- Baja stainless : a. Feritik (12-30 %Cr dan kadar karbon
rendah)
b. Martensitik (12-17 %Cr dan 0,1-1,0 %
C)
c. Austenitik (17-25 %Cr dan 8-20% Ni)
d. Duplek (23-30 %Cr, 2,5-7 %Ni, plus
Ti dan Mo)
e.Presipitasi (seperti pada austenitik,
plus
elemen pemadu seperti : Cu, Ti, Al,
Mo, Nb atau N)
26
- Baja perkakas General purpose steels Die steels
High speed steels (0,85-1,25 %C, 1,50-
20 %W, 4-9,5 %Mo, 3-4,5 %Cr, 1-4%V,
5-12 Co)
D. KARAKTERISTIK LOGAM
Sebelum mempelajari dasar-dasar fisik logam, kita terlebih dahulu harus mempunyai
gambaran yang jelas tentang golongan kualitas keadaan logam. Sering terbayang oleh kita
bahwa logam adalah sesuatu yang mempunyai kilauan tinggi, konduktivitas listrik serta panas
yang baik, dapat ditempa, dan ulet.
Diantara sesama logam sendiri variasi perbedaan sifat teryata sangat besar. Untuk
mengambarkan perbedaan mencolok antara perilaku logam yang satu dengan yang lain orang
cukup membandingkan masing-masing dengan ulet serta mudahnya timbal (lead) ditempa
pada suhu kamar, serta kekerasan dan kerapuhan tungsten pada suhu sama.
Sifat yang paling sering dianggap mencirikan logam adalah konduktivitas listrik atau
konduktivitas termalnya yang tinggi. Sebagai contoh, logam konduktor listrik yang paling
baik adalah tembaga sedangkan yang paling buruk adalah timbal, padahal kehambatan
(resituvity) timbal hanya dua belas kali kehambatan tembaga. Sangat besarnya perbedaan
konduktivitas antara logam dan non logam adalah karena pada logam yang mengalami beda
potensial elektron-elektron dapat bergerak bebas, sementara pada bahan non logam tidak
demikian. Jadi dapat disimpulkan bahwa karakteristik dasar logam harus dipelajari dari
struktur elektronnya, atau dengan kata lain pengkajian material teknik harus dimulai dari
pemahaman struktur atom-atom yang membentuknya.
E. ATOM
Dalam gambaran sederhana oleh Rutherford, atom terbentuk atas inti bermuatan
positif pembawa sebagian besar massa atom, dengan elektron-elektron yang bergerak
mengitarinya. Ruterford mengatakan bahwa elektron-elektron mengitari inti dalam orbit
melingkar sehingga gaya sentrifugal semua elektron tepat sama dengan gaya tarik
elektrostatik antara inti yang bermuatan positif dan elektronelektron yang bemuatan negatif.
Guna menghindari kesulitan dalam pemahaman akibat adanya hokum
elektrodinamika yang disini menyatakan bahwa elektronelektron yang berevolusi harus terus-
27
menerus melepaskan energi berupa radiasi elektromagnetik, maka Bohr dalam tahun 1913
terpaksa menyimpulkan bahwa dari semua orbit yang mungkin, hanya orbit-orbit tertentu saja
yang boleh ditempati oleh electron.
Orbit-orbit khusus itu diandaikan mempunyai sifat luar biasa, yakni bahwa bila
sebuah elektron berada dalam salah satu orbit tersebut, radiasi tak akan terjadi.Kumpulan
orbit-orbit stabil tadi dicirikan menurut kritiria yang menyatakan bahwa momentum sudut
elektron-elektron dalam orbit dihitung mengunakan rumus nh h konstanta
Planck dan n bilangan bulat (n
penjelasan yang memuaskan tentang spektrum garis atom hydrogen, sekaligus membangun
batu pijakan untuk teori atom modern.
Ketika selanjutnya teori atom dikembangkan oleh de Broglie, Schodinger dan Heienberg,
orang yang menyadari bahwa hukum-hukum klasik tentang dinamika partikel tidak dapat
diterapkan terhadap partikel-partikel dasar (fundamental particles).
Dalam dinamika klasik, sudah menjadi prasyarat bahwa posisi dan momentum suatu
partikel diketahui secara tepat, namun dalam dinamika atom bila posisi partikel secara pasti,
maka besaran yang lain (momentum) tidak dapat ditentukan.
Dalam kenyataan, ketidak pastian tentang posisi dan momentum partikel kecil harus
kita akui, akan tetapi hasil kali derajat ketidakpastian masing-masing besaran tadi dapat kita
hubungkan dengan nilai konstanta Planck (h = 6.6256 x 10-34 Js).
Di alam makroskopik ketiddakpastian ini terlalu kecil untuk dapat diukur, namun bila
kita melakukan sesuatu terhadap gerak elektron yang mengelilingi inti atom, penerapan
prinsip ketidakpastian (Uncertainty Principle-istilah yang diperkenalkan oleh Heisenberg)
penting sekali.
Akibat menganut Prinsip Ketidakpastian ini, kita tak boleh lagi membayangkan
elektron sebagai sesuatu yang bergerak dalam orbit tetap mengelilingi inti. Kita harus
memandang gerak elektron sebagai fungsi gelombang.
Dengan fungsi ini kita hanya mungkin mendapatkan elkctron yang energinya tertentu
saja diruang disekitar inti. Situasi menjadi lebih rumit bila kita memperhitungkan kenyataan
bahwa elektron bukan hanya bergerak mengitari inti, namun juga berpusing pada porosnya
sendiri. Sebagai konsekuensi, untuk menyatakan gerak elkctron disebuah atom kita tidak lagi
mengunakan integer tunggal n, seperti pada teori Borh. Sekarang kita harus menyatakan
keadaan elektron mengunakan empat buah bilangan.
Bilangan-bilangan yang dikenal sebagai bilangan-bilangan kuantum ini adalah n, l, m
dan s, dimana n merupakan bilangan kkuatum pertama (principal quantum number), l
28
bilangan kuantum orbit (orbital quantum number), m bilangan kuantum dalam (inner
quantum number) dan s bilangan kuantum spin (spin quantum number). Prinsip dasar lain
teori kuantum modern untuk atom adalah Prinsip Pengecualian Pauli (Pauli Exclusion
Principle) yang yang menyatakan bahwa dalam sebuah atom tidak ada dua elektron yang bias
memiliki perangkat bilangan kuantum
persis sama.
Jika kita ingin memahami cara membuat Tabel Periodik menurut struktur elektronik
atom-atom berbagai unsure, kita harus memperhatikan kebermaknaan keempat bilangan
kuantum tadi, sekaligus batasan harga-harga numeric yang dapat dimiliki masing-masing.
Bilangan kuantum yang paling penting adalah bilangan kuantum utama, karena inilah yang
paling berperan dalam penentuan energi elektron.
Bilangan kuantum utama dapat memiliki harga bilangan bulat mulai dari n = 1, yang
menyatakan energi paling rendah. Elektron dengan n = 1 paling stabil, dan kestabilan
berkurang dengan naiknya harga n. Elektron yang bilangan kuantum utamanya n dapat
mempunyai bilangan kuantum orbital bernilai bulat antara 0 dan (n - 1). Jadi jika n = 1, l
harus 0, sementara bila n = 2, l = 0 atau 1, dan bila n = 3, l = 0, 1, atau 2. bilangan kuantum
orbital menyatakan momentum sudut elektron ketika mengitari inti, dan ini mnentukan
sesuatu yang dalam mekanika nonkuantum disebut bentuk orbit.
Untuk suatu harga n, elektron dengan l paling rendah akan mempunyai energi paling
rendah, sehingga semakin tinggi harga l makin besar ula energinya. Dua bilangan kuantum
yang lain, yaitu m dan s berturut-turut menyatakan orientasi orbit elektron diseputar inti dan
orientasi arah spin elektron. Untuk suatu harga l, sebuah elektron boleh mempunyai bilangan
kuantum dalam m bernilai bulat dari +l sampai l, termasuk 0. jadi untuk l = 2, m bisa
mempunyai harga-harga +2, +1, 0, -1, dan 2. Elektro-elektron dengan harga-harga n dan l
yang sama tetapi berbeda dalam harga-harga m mempunyai energi yang sama besar, asalkan
tidak dipengaruhi suatu medan magnet. Bila ada medan magnet, energi elektron-elektron
dengan harga-harga m berbeda akan berubah sedikit, seperti yang tampak dari terpisahnya
garis-garis spektrum pada efek Zeeman. Untuk sebuah electron yang mempunyai harga-harga
n, l dan m sama besar, bilangan kuantum spin s-
n bahwa harga tesebut bukan bilangan bulat untuk sementara ini tidak perlu
dirisaukan; yang perlu kita ingat hanyalah bahwa dua elektron dalam sebuah atom dapat
mempunyai harga-harga n, l dan m yang sama, serta bahwa kedua elektron tadi akan
berpusing dengan arah berlawanan. Hanya dibawah pengaruh medan magnet saja energi dua
elektron dengan spin berlawanan akan berbeda.
29
STRUKTUR ATOM
Setiap atom terdiri dari inti yang sangat kecil yang terdiri dari proton dan neutron, dan
di kelilingi oleh elektron yang bergerak. Elektron dan proton mempunyai muatan listrik yang
besarnya 1,60 x 10-19 C dengan tanda negatif untuk elektron dan positif untuk proton
sedangkan neutron tidak bermuatan listrik. Massa partikel-partikel subatom ini sangat kecil:
proton dan neutron mempunyai massa kira-kira sama yaitu 1,67 x 10-27 kg, dan lebih besar
dari elektron yangmassanya 9,11 x 10-31 kg.
Setiap unsur kimia dibedakan oleh jumlah proton di dalam inti, atau nomor atom (Z).
Untuk atom yang bermuatan listrik netral atau atom yang lengkap, nomor atom adalah sama
dengan jumlah elektron. Nomor atom merupakan bilangan bulat dan mempunyai jangkauan
dari 1 untuk hidrogen hingga 94 untuk plutonium yang merupakan nomor atom yang paling
tinggi untuk unsur yang terbentuk secara alami.
Massa atom (A) dari sebuah atom tertentu bisa dinyatakan sebagai jumlah massa
proton dan neutron di dalam inti. Walaupun jumlah proton sama untuk semua atom pada
sebuah unsur tertentu, namun jumlah neutron (N) bisa bervariasi. Karena itu atom dari sebuah
unsur bisa mempunyai dua atau lebih massa atom yang disebut isotop. Berat atom berkaitan
dengan berat rata-rata massa atom dari isotop yang terjadi secara alami. Satuan massa atom
(sma) bisa digunakan untuk perhitungan berat atom. Suatu skala sudah ditentukan dimana 1
sma didefinisikan sebagai 1/12 massa atom dari isotop karbon yang paling umum, karbon 12
(12C) (A = 12,00000). Dengan teori tersebut, massa proton dan neutron sedikit lebih besar
dari satu, dan A Z + N Berat atom dari unsur atau berat molekul dari senyawa bisa
dijelaskan berdasarkan sma per atom (molekul) atau massa per mol material. Satu mol zat
terdiri dari 6,023 x 1023 atom atau molekul (bilangan Avogadro). Kedua teori berat
atom ini dikaitkan dengan persamaan berikut:
1 sma/atom (molekul) = 1 g/mol
Sebagai contoh, berat atom besi adalah 55,85 sma/atom, atau 55,85 g/mol.
Kadang-kadang penggunaan sma per atom atau molekul lebih disukai; pada
kesempatan lain g/mol (atau kg/mol) juga digunakan; satuan yang terakhirlah yang akan
digunakan pada buku ini.
IKATAN ATOM PADA BAHAN PADAT GAYA DAN ENERGI IKAT
Ketika atom didekatkan dari suatu jarak yang tak terbatas. Pada jarak jauh, interaksi
bisa diabaikan, tetapi ketika atom saling mendekati, masing-masing memberikan gaya ke
yang lainnya. Gaya ini ada dua macam, tarik atau tolak, dan besarnya merupakan fungsi jarak
30
antar atom. Sumber gaya tarik FA tergantung pada jenis ikatan yang ada antara dua atom.
Besarnya berubah dengan jarak, seperti yang digambarkan secara skematis pada Gambar
2.8a. Akhirnya, kulit elektron terluar dari kedua atom mulai tumpang tindih, dan gaya tolak
yang kuat FR mulai timbul. Gaya netto FN antar dua atom adalah jumlah kedua komponen
tarik dan tolak, yaitu : F F F N A R = + yang juga merupakan fungsi jarak antar atom
sebagaimana di plot pada Gambar 2.8a.Jika FA dan FR sama besar, tidak ada gaya netto,
sehingga: F F A R + = 0
Kemudian kondisi kesetimbangan muncul. Pusat kedua atom tetap terpisah pada jarak
keseimbangan ro seperti ditunjukkan gambar 2.8a. Pada sebagian besar atom, ro kira-kira 0,3
nm (3). Ketika sudah berada pada posisi ini, kedua atom akan melawan semua usaha untuk
memisahkannya dengan gaya tarik, atau untuk mendorongnya dengan gaya tolak. Kadang-
kadang lebih menyenangkan untuk menggunakan energi potensial antara dua atom daripada
gaya. Secara matematik, energi (E) dan gaya (F)dihubungkan dengan :
31
Atau untuk sistem atom
E F dr N N
r
F dr F dr A
r
R
r
E E A R
dimana EN, EA dan ER masing-masing adalah energi netto, energi tarik dan energi tolak bagi
dua atom yang terisolasi dan berdekatan. Gambar 2.8b menggambarkan energi potensial
tarik, tolak dan energi potensial netto sebagai fungsi jarak antar atom untuk dua atom. Untuk
kurva netto, yaitu jumlah kedua energi, mempunyai energi potensial dititik minimum. Pada
posisi ini spasi kesetimbangan yang sama, ro, bersesuaian dengan jarak atom pada kurva
energi potensial minimum. Energi Ikat untuk kedua atom ini, Eo, bersesuaian dengan energi
pada titik minimum ini (juga diperlihatkan pada gambar 2.8b), dimana menyatakan energi
yang diperlukan untuk memisahkan kedua atom ini kejarak yang tak terbatas.
Besar energi ikat ini dan bentuk energi vs kurva jarak antar atom berbeda dari satu
material ke material lainnya, kedua variabel ini bergantung kepada jenis ikatan atom. Zat
padat dibentuk dengan energi ikat yang besar, sedangkan energi ikat yang kecil lebih disukai
oleh gas, kondisi cair berlaku bagi energi yang besarnya menengah. Pada umumnya untuk
material padat, temperatur leleh dan sifat ikatannya mencerminkan besarnya energi ikat .
TATANAMA KEADAAN ELEKTRON DI SEBUAH ATOM
Sebelum membahas cara membuat susunan berkala unsur-unsur menurut strktur
elektronika atom-atomnya, kita perlu menjabarkan dahulu system tatanama (nomeklatur)
yang memungkinkan dijelaskanya keadaan elektron-elektron dalam sebuah atom. Karena
energi sebuah elektron hanya ditentukan harga-harga bilangan kuantum utama dan orbital,
maka kedua bilangan kuantum ini saja yang perlu diperhatikan dalam nomenklatur kita.
Bilangan kuantum utama ditampilkan atau diekspresikan sebagaimana adanya, namun
bilangan kuantum orbital dinyatakan dengan huruf. Huruf-huruf ini, yang diturunkan dari
kebiasaan diawal perkembangan spektroskopi, adalah s, p, d, f yang berturut-turut
menyatakan bilangan-bilangan kuantum orbital l berharga 0, 1, 2 dan 3. (s = sharp, p =
principal, d = diffusi, f = fundamental).
Bila bilangan kuantum utama n = 1 maka l harus sama dengan nol, dan elektron
dalam keadaan demikian dinyatakan dengan simbol 1s. disini bilanga kuantum dalam tidak
32
boleh memiliki harga yang lain dari m = 0, namun harga bilangan kuantum spin-nya (s) boleh
boleh memiliki keadaan 1s, dan elektron-elektron itupun berpusing dalam arah berlawanan.
Dengan kata lain bila n =1, hanya s keadaan yang terjadi dan keadaan-keadaan itu hanya
dapat dimiliki oleh dua buah elektron. Begitu kedua keadaan 1s terisi penuh, keadaan energi
paling rendah berikutnya harus memiliki harga n = 2. Disini l boleh mempunyai harga 0 atau
1, dan karena itu elektron-elektron bias dalam keadaan entah 2s atau 2p. Energi sebuah
keadaan 2s lebih rendah dari energi dalam keadaan 2p, oleh sebab itu keadaan 2s akan terisi
lebih dahulu. Di sini pun, hanya dua electron bias berada dalam keadaan 2s, dan untuk
keadaan-keadan s ini selalu demikian, tidak peduli berapapun harga bilangan kuantum
utamanya. Electron-elektron dalam keadaan p dapat memiliki harga-harga m = +1, 0, -1, dan
elektron-elektron yang memiliki masing-masing dari harga tersebut dapat memilikidua harga
bilangan kuantum spin. Ini memungkinkan adanya enam buah elektron dalam setiap.
Tidak ada lagi elektron yang dapat ditambahkan ke dalam keadaan n = 2 sesudah
keadaan-keadaan 2s dan 2p-nya terisi. Elektron-elektron berikutnya harus menempati
keadaan denga n = 3 yang energinya lebih tinggi. Disini muncul kemungkinan adanya l
berharga 0, 1 dan 2, sehingga disampuing keadaan-keadaan s dan p, keadaan-keadaan dengan
d dengan l = 2 kini bias terjadi. Bila l = 2, m bias memilki harga-harga +2, +1, 0, -1, -2 dan
masing-masing dapat ditempati dua elektron dengan spin berlawanan, sehingga total keadaan
d mungkin adalah 10. Akhirnya bila n = 4, l bias mempunyai harga dari 0 hingga 4, dan bila l
= 4, dapat dibuktikan bahwa kita akan mendapatkan 14 keadaan 4f.
TABEL PERIODIK
Atom paling sederhana adalah atom hidrogen, yang mempunyai proton tunggal
sebagai intinya, dan karena itu hanya sebuah elektron yang dapat mengitarinya supaya atom
itu tetap netral. Bila atom hydrogen ini bebas, yaitu dalam keadaan energi paling rendah,
elektronnya akan berada dalam keadaan 1s. Untuk helium, yang intinya terdiri atas dua
proton dan dua neutron, massa atomnya akan empat kali lebih besar dari hidrogen, tetapi
karena muatan inti (nuclear charge) sematamata hanya ditentukan oleh banyaknya proton,
maka hanya dua elektron yang berkitar di orbitnya. Kedua elektron ini kakn mempunyai
energi paling rendah bila masing-masing menempati keadaan 1s. atom berikutnya, lithium,
yang mempunyai tiga muatan inti, hanya dapat menempatkan dua elektronnya dalam keadaan
1s, sedangkan elektron ketiga harus masuk ke keadaan 2s yang energinya sedikit lebih tinggi.
Begitu seperangkat keadaan untuk kuantum utama tertentu terisi, elektronelektron dalam
keadaan demikian disebut membentuk selapis kulit yang rapat, dan dalam mekanika kuantum
33
begitu suatu kulit terisi, energi dari kulit tersebut turun ke harga yang demikian rendahnya
sehingga elektron-elektron bias berada dalam keadaan mantap sekali. Oleh sebab itu, lithium
mempunyai dua elektron yang terikatsekali ke intinya dan sebuah electron di keadaan 2s yang
sangat kurang terikat. Elektron ini, yang sering disebut electron valensi, dapat dilepaskan
dengan mudah, dan karena itu lithium dapat membentuk ion dengan muatan positif satu, dan
bervalensi satu. Elektron 2s yang terletek disebelah luar ini denga demikian tergolong bebas.
Berilium mempunyai muatan inti empat, karena itu elektron-elektronnya akan
menempati keadaan-keadaan 1s dan 2s, sementara keenam keadaan 2p dengan energi lebih
tinggi tetap kosong. Dalam enam atom berikutnya, yang bermuatan inti dari lima hingga
sepuluh, keadaan 2p ini akan cepat terisi, dan pada usur dengan muatan sepuluh (neon) semua
keadaan tersedia yang memiliki bilangan kuantum utam 1 dan 2 terisi sehingga atom itu
memiliki dua lapis kulit yang rapat. Seperti dalam kasus helium, elektron-elektron berada
dalam keadaan energi rendah dan dari sini tidak dapat dipindahkan dengan mudah.
Akibatnya, seperti helium, neon tidak mudah membentuk ion dan karena itu tidak dapat
berperan serta dalam reaksi-reaksi kimia.
Dalam susunan berkala unsur-unsur, tiap kali sebuah atom mendapatka cukup
elektron untuk merapatkan kulitnya, unsur yang terbentuk bersifat nonreaktif, dan unsur-
unsur ini disebut gas mulia (inert gases).
Tabel 2.2 Tabel Periodik Unsur
Dengan mekanisme yang sama, atom-atom dengan muatan inti atau nomor atom
antara sebelas dan delapan belas akan membentuk kulit ketiga yang memiliki n = 3 dengan
mengisi keadaan-keadaan 3s dahulu, kemudian 3p. bukan tidak mungkin orang berpikir
bahwa sesudah argon yang bernomor atom Z = 18, atom-atom akan mempunyai electron
keadaan 3d. ternyata yang terjadi bukan demikian karena kebetulan saja energi elektron di
keadaan 4s lebih endah dibandingkan keadaan 3d. akibatnya, pada kalium (potassium) yang
34
mempunyai Z = 19 elektron-elektron berenergi tinggi keadaan s, dan unsure ini memiliki sifat
kimia lebih menyerupai natrium(sodium) dan litium yang juga mempunyai elektron-elektron
tunggal di keadaan s. Kalsium dengan Z = 20 memiliki dua elektron di keadaan 4s yang
dengan demikian terisi penuh, sehingga scandium yang mungkin diharapkan memiliki
elektron berenergi paling tinggi di keadaan 4p, ternyata menemukan bahwa energi elektron
lebih rendah bila ditempatkan di keadaan 3d yang sampai kini dibiarkan kosong karena
energinya lebih tinggi dibandingkan keadaan 4s. Sesudah skandium, unsur-unsur berikutnya
meneruskan proses pengisian keadaan 3d, yang menjadi penuh pada unsur seng (Zn).
Bagaimanapun, proses pengisian keadaan 3d ini ternyata tidak sederhana. Dalam atom-tom
bebas, diketahui bahwa ketika keadaan 3d diisi, elektron-elektron mula-mula menempati lima
keadaan yang sesuai dengan kelima harga bilangan kuantum dalam m dan elektron-elektron
tadi semuanya mempunyai bilangan spin sama (kaidah Hund). Apabila kelima keadaan itu
telah terisi, energi elektron-elektron turun sehingga dari segi energi bagi khrom lebih
menguntungkan andaikata sebuah elektron yang seharusnya menempati keadaan 4s
digunakan untuk melengkapi kelima keadaan 3d. Itu sebabnya khrom hanya mempunyai
sebuah elektron 4s dan lima elektron 3d. Proses serupa terjadi pada pada tembaga. Di sini
sebuah dari elektron-elektron 4s digunakan untuk melengkapi kesepuluh keadaan 3d, yang
dengan demikian merapatkan kulit ketiga dan mendapatkan reduksi energi elektron yang
lumayan untuk kulit ini. Unsur-unsur dari scandium hinga tembaga, yang keadaan-keadaan
3d-nya terisi dengan cepat, doikenal sebagai unsur-unsur trnsisi. Pada tujuh unsur sesudah
tembaga proses pengisian keadaan 4s dan 4p tidak begitu lancar, dan kripton, yang keadaan-
keadaan 4s serta 4p-nya terisi penuh, termasuk kelompok gas mulia.
Pada kelompok unsur berikutnya, dari rubidium hingga xenon, terjadi proses
pengisian seperti terdahulu, yaitu 5s dahulu, baru kemudian 4d dan akhirnya 5p. Keadaan 4f
untuk sementara belum terisi karena mempersyaratkan energi lebih tinggi ketimbang
keadaan-keadaan 5s, 4d, 5p dan 6s. Baru sesudah lanthanium, dari segi energi sudah pada
tempatnya mengisi keempat belas keadaan 4f. Kelompok unsur yang dalam tabel periodik
terletak antara lanthanium dan hafnium ini dikenal sebagai unsur tanah jarang. Setelah
keadaan-keadaan 4f terisi, unsur-unsur berikutnya hingga gas mulia radon, mulai mengisi
keadaan 5d dan akhirnya 6p. Unsur-unsur yang tersisa, lagilagi mengisi keadan s terlebih
dahulu, yaitu keadaan-keadaan 7s dan proses selanjutnya sama dengan pada kelompok logam
sebelumnya. Bagaimanapun, dari Material Teknik
unsur-unsur diatas untuk saat ini hanya enam unsur yang betul-betul terdapat di alam,
yang lainnya belum ditetapkan apakah termasuk kelompok unsur tanah jarang atau tidak.
35
Dengan cara ini kita dapat membuat skema untuk menjelaskan unsur-unsur seperti tampak
pada tabel 2.2. Di sini angka dibawah simbol kimia tiap unsur menyatakan nomor atom. Baris
horizontal menyatakan periode, sementara kolom vertikal menyatakan kelompok atau grup.
Di sini jelas bahwa tiap periode diakhiri dengan sebuah unsur gas mulia, yang semua keadaan
elektronya untuk harga bilangan kuantum utama tertentu telah terisi, dan bahwa unsur-unsur
di suatu kelompok mana pun memiliki elektron di kulit luar dalam konfigirasi yang sama.
PERILAKU KIMIA DAN IKATAN LOGAM
Perilaku kimia unsur-unsur dapat dijelaskan menurut tingkat stabilitas yang timbul
ketika kulit-kulit elektron terisi. Pada gas mulia yang kondisi mantapnya terdapat pada setiap
atom, sulit sekali memindahkan sebuah elektron dari kulit terluar yang berisi untuk
menghasilkan ion bermuatan positif. Demikian pula, sulit sekali menambahkan sebuah
elektron ke kulit terluar yang terisai penuh untuk menghasilkan ion bermuatan negatif. Oleh
sebab itu, gas mulia, yang tidak mudah diubah menjadi ion, tidak dapat membentuk senyawa
kimia.
Unsur-unsur yang mempunyai sedikit elektron di luar kulit terluar dapat dengan
mudah melepaskan elektron-elektron tersebut untuk membentuk ion positif (kation). Di pihak
lain, unsur-unsur yang mempunyai cukup banyak elektron di luar kulit terluar dengan mudah
mau menerima beberapa elektron lagi untuk membentuk kulit baru, dan dengan demikian
membentuk ion negatif (anion). Sebagai contoh, lithium, natrium, dan kalium yang
mempunyai sebuah elektron paling luar (elektron valensi) di keadaan s, bila melepaskan
elektron itu akan membentuk ion bermuatan positif satu. Unsur-unsur disebut unsur-unsur
univalent (bervalensi satu). Sebaliknya, khlor, brom dan iodium masing-masing kekurangan
sebuah electron untuk membentuk kulit terluar terbaru, dan bila kekurangan tersebut
terpenuhi, ion-ion bermuatan negatif satu yang terjadi akan mantap sekali. Afinitas kimia
antara natrium dan khlor dengan demikian dapat dijelaskan secara mudah sebagai pemberian
electron terluar dari atom natrium kepada atom khlor, yang akibat kejadian tersebut keduanya
sama-sama memiliki struktur electron dengan kulit luar terisi penuh, dan kedua ion
bermuatan berlawanan yang terbentuk akan saling rangkul akibat gaya tarik elektrostatik. Ini
juga menjelaskan terjadinya ikatan ion atau ikatan ikatan heteropolar.
Unsur-unsur dibagian kiri Tabel Periodik cenderung membentuk ion positif, dan
mempunyai valensi yang makin ke kanan makin besar, mulai dari grup I. Dengan demikian
pula, unsur-unsur di sebelah kanan cenderung membentuk ion negatif, dan dalam hal ini,
valensi menigkat dari kanan ke kiri. Situasi yang menarik terjadi pada unsur-unsur yang kulit
36
terluarnya hanya terisi separuh, misalnya karbon, yang menurut teori dapat membentuk
ikatan ion-ion bervalensi empat entah bermuatan positif atau negatif. Pada kenyataannya
unsur-unsur semacam itu, meskipun kadangkadang membentuk ikatan dengan unsur lain,
lebih sering membentuk jenis ikatan lain yang disebut ikatan kovalen atau ikatan homopolar.
Dalam ikatan jenis ini atomatom yang bersebelahan secara bersama mengunakan elektron
valensi mereka sedemikian rupa sehingga tiap atom seolah-olah memiliki kulit terluar penuh
meskipun tidak purna waktu.
Dalam ikatan kovalen, atom-atom lebih suka memberika sebuah elektron saja untuk
dipakai bersama dengan tetangga masing-masing, separti tampak dalam
banyaknya ikatan kovalen yang dibentuk oleh unsur sama dengan (8 N) di mana N adalah
banyaknya elektron diluar kulit terluar yang penuh. Ciri penting lain pada ikatan kovalen
adalah bahwa elektron-elektron yang dipakai bersama berada dalam keadaan-keadaan s dan
p. Jadi karbon, yang mempunyai empat buah electron terluar, dapat membentuk ikatan
kovalen dengan empat atom karbon lain. Dalam intan, yang pada hakikatnya adalah karbon
padat, tiap karbon dikelilingi empat atom lain yang secara simetrik terletak di sudut-sudut
sebuah tetrahedron beraturan. Dengan cara ini kita dapat menyusun jaringan atomatom
karbon tiga dimensi.
Zat padat yang ikatannya ionik atau kovalen, mempunyai elektron-elektron yang tidak
dapat bermigrasi dengan bebas meskipun berada di bawah pengaruh suatu gaya gerak listrik
(e.m.f), karena itu bersifat isolator. Seperti telah kita ketahui, karakteristik atom paling
penting adalah kemampuannya menghantarkan listrik, dan karena itu tidak boleh berikatan
ionik atau kovalen. Semua unsur yang jelas menunjukan karakteristik logam dikelompokan di
bagian selah kiri Tabel Periodik seperti pada table 2.2. Semua atom unsur logam mempunyai
elektron di luar kulit penuh dalam jumlah yang sedikit. Ini berlaku untuk semua unsur di
subkelompok I, II dan III, untuk unsur-unsur di ketiga kelompok transisi, dan untuk unsur-
unsur tanah jarang.
Pada logam, elektron-elektron terluar pada dasarnya bergerak dengan bebas di seluruh
bahan, karena itu kita membayangkan logam sebagai susunan ion bermuatan positif yang
berembesi awan elektron. ikatan di dalamnya terutama disebabka oleh tarik-menarik antara
ion-ion positif dan elektronelektron bebas. Salah satu akibat paling penting dari bentuk ikatan
ini adalah bahwa gaya ikat (bonding force) tidak mengikuti arah yang tertentu dan karena itu
ion-ion akan mengelompok menurut bentuk geometric yang paling ekonomis.
Bagaimanapun, perlu diingat bahwa apabila dua ion saling mendekati, di antara keduanya
juga terjadi gaya tolak menolak, dan gaya ini membatasi derajat keekonomisan dalam
37
pengelompokannya, sehingga sesunguhnya ion-ion logam dapat dipandang sebagai bola-bola
yang keras. Ini pula sebabnya masalah struktur kristal logam sangat dapat dipandang sebagai
masalah pengepakan sejumlah bola berukuran sama.
SUSUNAN ATOM DALAM LOGAM
Ion logam sangat kecil dan diameternya hanya beberapa kaliu 10-10 mm, atau kurang
dari nanometer. Dengan demikian satu millimeter kubik logam diperkirakan mengandung
1022. Di atas telah dibahas bahwa ion-ion dalam logam padat tidak tersusun secara acak,
namun seolah-olah dipak secara beraturan. Pada kebanyakan logam, ion-ion mengelompok
sedemikian rupa sehingga volume yang dibutuhkan sedikit mungkin. Pada semua logam,
termasuk yang ion-ionnya agak renggang, penataan ion-ion ternyata mengikuti mengikuti
suatu pola tertentu, dan karena struktur logam dicirikan menurut satuan (unit) pola sederhana
yang disebut sel struktur, yang kalau diulang-ulang secara beraturan di seluruh bagian badan
logam akan menentukan posisi semua ion dalam kristal logam bersangkutan.
Kita mengenal dua cara penataan bola-bola berukuran sama yang memungkinkan
volume minimum. Kedua cara itu adalah penataan kubus pusat sisi atau face-centerd cubic
arragement (f.c.c) dan penataan heksagonal susunan rapat atau closed-paccked hexagonal
arragement (c.p.h). Sel-sel struktur pada kedua cara penataan diatas dapat dilihat dalam
Gambar 2.2(a) dan 2.2(b). Sel struktur lain lagi yang tampak pada Gambar 2.2(c) adalah cara
pengepakan. Cara pengepakan bola ini dikenal sebagai penataan kubus pusat ruang atau
body-centered cubic arragement (b.c.c).
38
Gambar 2.2 Susunan atom dalam (a) struktur kubik pusat muka, (b) struktur
closedpackedheksagonal, dan (c) struktur body-centred cubic
Untuk menetapkan secara lengkap struktur suatu logam, kita perlu mempelajari
struktur kristal dan ukuran (dimensi) sel strukturnya. Banyaknya besaran yang dibutuhkan
untuk menentukan suatu sel struktur bergantung pada derajat keteraturan geometrik yang
ditunjukan oleh sel. Jadi, dalam sel-sel struktur kubus kita hanya perlu mengukur panjang
salah satu rusuk, sementara pada sel heksagonal kita perlu mengetahui panjang a dan c seperti
dalam Gambar 2.2(b). bagaimanapun, jika struktur yang ideal adalah susunan rapat, kedua
39
besaran a dan c harus memiliki perbandingan c/a = 1,633. Dalam struktur logam,
perbandingan c/a, yang sering disebut nisbah menyumbu (axial ratio), tidak pernah tepat
1,633, dan karena itu struktur logam tidak betul-betul tersusun secara rapat; untuk seng
misalnya, c/a = 1,86 dan untuk titanium, c/a = 1,58. Besaran yang menunjukan ukuran sel
struktur itu disebut parameter kisi (lattice parameter).
Pengetahuan tentang penetapan kisi memungkinkan kita menghitung jari-jari atom (r)
logam berdasrkan asumsi bahw atom-atom itu berbentuk bola dan masingmasing salling
kontak. Perlu di ketahui bahwa dalam struktur kubus pusat sisi (f.c.c) r = (a 2)/ 4 , dan dalam
struktur kubus pusat ruang (b.c.c) r = (a 3)/ 4, denga a parameter kisi. Karena besaran-besaran
a dan r sangat kecil, sudah menjadi kelaziman untuk mengukurnya dalam nanometer (10-9
m). Sebuah konsep yang penting sehubungan denga struktur kristal ini adalah bilangan
koordinasi, yang didefinisikan sebagai banyaknya atom berjarak terdekat sama dari sebuah
atom mana pun dalam struktur kristal. Jadi, dalam struktur kubus pusat ruang seperti pada
Gambar 2.2(c), dengan mudah dapat dilihat bahwa atom di pusat kubus dikekilingi oleh
delapan buah atom yang berjarak sama yang terletak di sudut-sudut kubus, dan bilangan
koordinasi disini adalah 8. Lain halnya dengan Gambar 2.2(a), mungkin anda tidak langsung
menyadari bahwa bilangan koordinasi di struktur kubus pusat sisi seperti ini adalah 12.
Agaknya cara yang paling mudah untuk membayangkan ini adlah denga
menempatkan dua sel kubus pusat sisi berdampingan dan memperhatikan atom-atom
disekeliling atom yang menjadi pusat sisi bersama. Pada struktur heksagonal susunan rapat
dengan perbandingan ideal c/a = 1,633, bilangan koordinasi juga 12 seperti yang mudah
terlihat bila kita menumpukan dua sel dan memilih atom di pusat bidang bersama sebagai
titik acuan. Bidang ini sering disebut bidang basal. Bidang dengan susunan atom paling padat
dalam struktur heksagonal susunan rapat yang paling ideal adalah bidang basal, dan mamiliki
tatanan atom yang sama seperti pada bidang paling padat dalam struktur kubus pusat sisi*.
Baik struktur heksagoanl susunan rapat maupun kubus pusat sisi merupakan dua metode
pengepakan bola yangsama bagusnya; perbedaan di antara keduanya hanyalah pada cara
penumpukan bidang susunan rapat masing-masing. Gambar 2.3 memperlihatkan cara atom-
atom dalam suatu bidang susunan rapat.
40
Gambar 2.3 Susunan atom dalam bidang close-packed, (b) posisi dua bidang close-packed,
dan (c) stacking bidang seksutif
Ketika menumpukan atau mengandengkan bidang atom yang kedua, bidang atom
pertama mungkin ditempatkan entah dengan posisi B atau C, yang betul-betul merupakan
kedudukan setara. Bagaimanapun, begitu atom pertama ditempatkan di salah satu dari
duakedudukan, semua atom lain di bidang kedua harus berada di kedudukan serupa. Ini tidak
lain karena kedudukan-kedudukan bersebelahan untuk tipe-tipe B dan C terlalu dekat untuk
ditempati keduanya dalam lapisan yang sama. Sampai di sini kita belum menjumpai
perbedaan antara struktur heksagonal susunan rapat dan kubus pusat sisi. Perbedaan baru
timbul ketika lapisan ketiga diletakan.
Dalam peletakan lapisan ketiga, dengan mengandaikan bahwa kedudukankedudukan
tipe B telah digunakan untuk membentuk lapisan kedua, seperti dalam Gambar 2.3, atom-
atom dapat menempati kedudukan- kedudukan A atau C. kalau kedudukan A yang dipilih,
maka atom-atom di lapisan ketiga akan langsung di atas lapisan pertama, dan struktur yang
terbentuk adalah heksagonal susunan rapat, sedangkan jika kedudukan C yang dipilih,
kejadiannya tidak demikian dan struktur yang berbentuk adalah kubus pusat sisi. Jadi,
struktur heksagonal susunan rapat terdiri atas lapisan-lapisan atom tersusun rapat yang
ditumpuk dengan urutan ABABAB atau ACACAC. Struktur kubus pusat sisi memiliki cara
penumpukan dengan urutan ABCABCABC sehingga atom-atom di lapisan keempat terletak
langsung di atas atom-atom lapisan pertama.
Tabel 2.3 Struktur kristal beberapa logam biasa pada suhu ruang
41
Tabel 2.3. memperlihatkan struktur kristal yang dianut oleh sejumlah logamlogam pada
temperatur kamar. Beberapa logam ternyata menganut lebih dari satu struktur kristal, yang
masing-masing hanya stabil pada temperatur tertentu. Contoh paling baik untuk gejala yang
disebut polimorfisme ini adalah seperti yang ditunjukan oleh besi, yang berstruktur kubus
pusat ruang pada temperatur-temperatur di bawah 910o C serta di atas 1400o C, namun
berstruktur kubus pusat sisi bila di antara 910o C dan 1400o C. contoh lain yang umum
antara lain adalah titanium dan zirconium yang berubah dari kubus susunan rapat ke kubus
pusat ruang berturut-turut pada temperatur 882o C dan 815o C. timah putih berubah dari
struktur kubus (kelabu) menjadi tetragonal (putih) pada suhu 13,2o C. uranium dan plutonium
juga menganut beberapa struktur kristal. Plutonium, khususnya, tergolong kompleks karena
memiliki enam struktur kristal di antara suhu kamar dan titik leburnya pada 640o C.
ELEKTRON -ELEKTRON DALAM KRISTAL LOGAM
Kalau kita membayangkan atom-atom dikumpulkan dan ditata membentuk struktur
kristal, maka ketika jarak antara atom-atom terdekat mendekati jarak antar atom yang khas
pada logam, elektron-elektron terluar tidak lagi mengacu ke atomnya masing-masing. Begitu
electron-elektron terluar tidak lagi terikat ke atomnya masing-masing melainkan bergerak
bebas di seluruh logam, maka menurut Prinsip Kekecualian Pauli, elektron-elektron tadi tidak
42
dapat memprtahankan perangkat bilangan kuantum yang sama seperti masih merupakan
bagian dari atom-atom. Akibatnya, elektron-elektron bebas tidak lagi bisa memiliki lebih dari
dua elektron dengan spin berlawanan untuk suatu energi tertentu. Energi-energi elektron
bebas itu didistribusikan ke suatu rentang yang terus meningkat sejalan proses pembentukan
logam oleh atom-atom. Jika atom-atom dimaksudkan untuk membentuk struktur logam yang
mantap, energi purata (mean energi) elektron-elektron bebas harus lebih rendah disbanding
energi tingkat elektron ketika atom-atom masih bebas.