pendahuluan -...

Pendahuluan

Material Teknik

Buku Pustaka

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

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

• Pengetahuan Bahan, Tata Surdia dan Shinroku Saito, Pradnya Paramita, 1995

• Principle of Materials Science and Engineering, William F. Smith, Mc Graw Hill, 1996

Pokok Bahasan

1. Pendahuluan

2. Sifat logam

3. Dislokasi dan mekanisme penguatan

4. Failure 4. Failure

5. Fasa Diagram

6. Fasa Transformasi

7. Proses Thermal Logam

8. Metal Alloy

9. Keramik

10. Struktur Polymer

11. Komposit

Pendahuluan

Minggu 1

Sejarah Perkembangan Material

• Paleolitikum (40.000 - 100.000 tahun lalu)

– Penggunaan batu dan tanah liat sebagai peralatanperalatan

• Mesolitikum (10.000 – 40.000 tahun lalu)

– Penggunaan batu lebih lanjut sebagai patung

• Tembaga (5.000 – 10.000 tahun lalu)

– Ornamen tembaga, tembikar, proses peleburan logam

Sejarah Perkembangan Material lanjutan...

• Perunggu (3.000 – 5.000 tahun lalu)

– Penggunaan perunggu (Cu/Sn), kaca, peleburan besibesi

• Besi (1.000 – 3.000 tahun lalu)

– Proses Carburizing, forging dan porselen

• Baja (100-1.000 tahun lalu)

– Pengecoran baja dan meterial stainless steel

Sejarah Perkembangan Material lanjutan...

• Polymer (sejaka tahun 1900an)

– Penggunaan serat karbon sebagai pengganti logam dan kacalogam dan kaca

• Silikon (sejak 60 tahun lalu)

– Penggunaan silikon dalam dunia kesehatan dan teknologi

• Bio dan nano material (sekarang)

– Penggunaan material ramah lingkungan dan partikel berukuran sangat kecil.

Perspektif Sejarah

Bio and nano

Silicon

Polymer

SteelSteel

Iron

Bronze

Copper

Stone

Structural Material Functional Material

Ilmu dan Teknologi Material

• Material adalah sumber alam yang tersedia secara langsung atau tidak langsung

• Ilmu material/bahan merupakan pengetahuan dasar yang mempelajari tentang struktur, sifat dan pengolahan bahanmempelajari tentang struktur, sifat dan pengolahan bahan

• Teknologi atau sering disebut teknik (berasal dari bahasa Yunani tέχνη, techne, "seni, keterampilan, keahlian tangan") adalah pembuatan, modifikasi, penggunaan, dan pengetahuan tentang alat, mesin, kerajinan, sistem, dan metode organisasi, dalam rangka memecahkan masalah, meningkatkan solusi yang sudah ada untuk masalah, mencapai tujuan, menangani input / output hubungan diterapkan atau melakukan fungsi tertentu.

Klasifikasi Material

• Logam, bahan dasar logam (besi, tembaga, dll), baja, alloy, intermetallic compounds

• Keramik, Keramik struktural (bearing), whiteware (porselen), kaca, keramik elektronik whiteware (porselen), kaca, keramik elektronik (kapasitor, insulator, transistor), keramik perekat kimia (semen)

• Polimer, plastik, perekat, karet

• Semiconductor, material metaloid

• Komposit, komposit partikulat, laminate dan fiber reinforced

Materials of the Future

Materials of the Future

A. SMART MATERIALS

A group of new and state of the art materials now being developed that will have a significant influence on many technologies.

Smart implies the ability to sense charges in environments and Smart implies the ability to sense charges in environments and then respond to the changes in predetermined manners-traits that are also found in living organisms.

Component of smart materials (or system):

• Some type of sensor (detect an input signal)

• An actuator (perform a responsive and adaptive function)

Materials of the Future

Four types of materials used for actuator:

1. Shape memory alloys; metals, after having been deformed, revert back to their original shapes when temperature is changed.

2. Piezoelectric ceramics; expand and contract in response to an applied electric fields (or voltage); conversely, they also generate an electric field when their dimension are altered.field when their dimension are altered.

3. Magnetostrictive; like piezoelectric but in magnetic fields

4. Electro-rheological & magneto-rheological fluids are liquids that experience dramatic changes in viscosity upon the application of electric or magnetic fields.

Example of Smart materials: piezoelectric inserted to blade of helicopter to sensor noise computer feedback to generate noise-canceling antinoise.

Materials of the Future

B. NANOTECHNOLOGY

To understand the chemistry and physics of materials by studying large and complex structures to investigate the fundamental building blocks of these structures that are smaller and simpler. “Top-down” sciences

By SPM (scanning probe microscopes) permits to observe the individual atoms By SPM (scanning probe microscopes) permits to observe the individual atoms and molecules, and it has become possible to manipulate and move atoms and molecules to form new structures, thus, design new materials that are built from simple atomic level constituents (i.e. “materials by design”)

It enables to carefully arrange atoms to develop mechanical, electrical, magnetic, and other properties. “Bottom-up” sciences called nanotechnology.

Nano = 10-9, nanotechnology < 100 nm equivalent 500 atom diameters

Modern Materials Needs

The development of more sophisticated and specialized materials, as well as consideration of the environmental impact of material production.

Nuclear energy: many problem remain in materials, from fuel to containment structures to facilities to the disposal of radioactive waste.containment structures to facilities to the disposal of radioactive waste.

Transportation: facing low operating temperature engine etc. Fuel cell energy: facing low operating temperature for high energy

output. Manufacturing process: facing toxic as a product of the process

Modern Materials Needs

Non renewable materials such as polymer, some of metals, oil will be depleted for:

The discovery of additional reserves, The development of new materials having comparable properties with The development of new materials having comparable properties with

less adverse environmental impact, and/or Increased recycling effort and the development of new recycling

technology

Struktur dan Ikatan Atom

Minggu 2

Pendahuluan

• Atom terdiri dari elektron dan inti atom

• Inti atom disusun oleh proton dan neutron

• Elektron mengelilingi inti atom dalam orbitnya masing-masingmasing

• Massa elektron 9,109 x 10-28 g dan bermuatan –1,602 x 10-

19 C

• Massa proton 1,673 x 10-24 g dan bermuatan 1,602 x 10-19

C

• Massa neutron 1,675 x 10-24 g dan tidak bermuatan

• Massa atom terpusat pada inti atom

• Jumlah elektron dan proton sama, sedangkan neutron neutral, maka atom menjadi neutral

Model atom Bohr

Konfigurasi Elektron

1. Aturan Aufbau

1s

2s 2p

3s 3p 3d

20

4s 4p 4d 4f

5s 5p 5d 5f

6s 6p 6d

7s 7p

1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p, …

Konfiguration elektron unsurNo. Element K L M N O P Q

1 2 3 4 5 6 7

s s p s p d s p d f s p d f s p d f s

1 H 12 He 23 Li 2 14 Be 2 25 B 2 2 16 C 2 2 27 N 2 2 38 O 2 2 49 F 2 2 510 Ne 2 2 611 Na 2 2 6 112 Mg 2 2 6 212 Mg 2 2 6 213 Al 2 2 6 2 114 Si 2 2 6 2 215 P 2 2 6 2 316 S 2 2 6 2 417 Cl 2 2 6 2 518 Ar 2 2 6 2 619 K 2 2 6 2 6 - 120 Ca 2 2 6 2 6 - 221 Sc 2 2 6 2 6 1 222 Ti 2 2 6 2 6 2 223 V 2 2 6 2 6 3 224 Cr 2 2 6 2 6 5* 125 Mn 2 2 6 2 6 5 226 Fe 2 2 6 2 6 6 227 Co 2 2 6 2 6 7 228 Ni 2 2 6 2 6 8 229 Cu 2 2 6 2 6 10 1*30 Zn 2 2 6 2 6 10 231 Ga 2 2 6 2 6 10 2 132 Ge 2 2 6 2 6 10 2 233 As 2 2 6 2 6 10 2 334 Se 2 2 6 2 6 10 2 435 Br 2 2 6 2 6 10 2 536 Kr 2 2 6 2 6 10 2 6

*Note Irregularity

Tabel Periodik

Metaloid

Metaloid adalah kelompok unsur kimia yang memiliki sifat antara logam dan non-logam. Metaloid sulit dibedakan dengan logam, perbedaan utamanya adalah bahwa umumnya metaloid adalah utamanya adalah bahwa umumnya metaloid adalah semikonduktor sedangkan logam adalah konduktor. Ada tujuh unsur yang dikelompokkan sebagai metaloid, yaitu boron (B), silikon(Si), germanium (Ge), arsen (As), antimon (Sb), telurium (Te), dan polonium (Po).

Elektronegatip dari Unsur

Jenis Ikatan Pada Material

• Ikatan Ionik

• Ikatan Kovalen

• Ikatan Logam• Ikatan Logam

Ikatan Atom Ionik

Adalah ikatan antara atom logam dan non logam. Atom logam cenderung melepaskanelektron, sedangkan atom non logam menyerap elektron. logam menyerap elektron. Atom yang melepas elektron berubah menjadi ion positif, sedangkan yang menerima negatif. Umumnya pada unsur logam golongan IA, IIA dan IIIA

Ikatan Atom Kovalen

Umumnya terjadi antara atom non logam dan non logam. Disebut juga dengan ikatan homopolar. Disebut juga dengan ikatan homopolar. Ikatan ini terjadi karena adanya penggunaan elektron secara bersamaan oleh kedua atom yang berikatan.

Jenis Ikatan Kovalen

• Ikatan kovalen tunggal H2

• Ikatan kovalen rangkap dua O2

• Ikatan kovalen rangkap tiga N• Ikatan kovalen rangkap tiga N2

• Ikatan kovalen koordinat (Dativ)

Ikatan Atom Logam

Atom unsur logam memiliki sedikit elektron valensi. Sehingga elektron selalu berpindah-pindah. Hal ini menyebabkan atom logam bermuatan positif.Atom logam memiliki energi Atom logam memiliki energi ionisasi yang lebih kecil dibandingkan unsur lain.Karena atom logam berubahmenjadi ion maka logam merupakankumpulan ion-ion positif yang berenang dalam lautan elektronvalensi.

Sifat Material

• Sifat mekanik Elasticity and stiffness, plasticity, Strength, Brittleness or Toughness, Fatigue

• Sifat elektrikal electrical conductivity and resistivity• Sifat dielectric polarizeability, capacitance, ferroelectric,

piezoelectric, pyroelectricpiezoelectric, pyroelectric• Sifat magnet paramagnetic, diamagnetic, ferromagnetic• Sifat optik refractive index, absorbtion, transmission,

reflection, birefringence• Sifat korosi• Sifat deteriorative stress, corrosive environment,

embrittlement, incorrect structure from improper alloying or heat treatments

• Sifat biologis toxicity, bio compatibility

Sifat MekanikSifat MekanikMaterial Teknik

Sifat Mekanik

• Material dalam pengunanya dikenakan gaya atau beban.

• Karena itu perlu diketahuo kharater material agar deformasi yg terjadi tidak berlebihan dan tidak terjadi kerusakan

Gaya/beban

berlebihan dan tidak terjadi kerusakan atau patah

• Karakter material tergantung pada:

– Komposisi kimia

– Struktur mikro

– Sifat material: sifat mekanik, sifat fisik dan sifat kimia

Material

Sifat mekanik

• Kekuatan (strength): ukuran besar gaya yang diperlukan utk mematahkan atau merusak suatu bahan

• Kekuatan luluh (yield strength): kekuatan bahan • Kekuatan luluh (yield strength): kekuatan bahan terhadap deformasi awal

• Kekuatan tarik (Tensile strength): kekuatan maksimun yang dapat menerima beban.

• Keuletan (ductility): berhubungan dengan besar regangan sebelum perpatahan

Sifat Mekanik

• Kekerasan (hardness): ketahanan bahan terhadap penetrasi pada permukaannya

• Ketangguhan (toughness): jumlah energi yang mampu diserap bahan sampai terjadi perpatahanmampu diserap bahan sampai terjadi perpatahan

• Mulur (creep)

• Kelelahan (fatique): ketahanan bahan terhadap pembebanan dinamik

• Patahan (failure)

Uji Kekerasan:Karakteristik Berbagai Pengujian Kekerasan

Cara Brinell (HB) Rockwell Rockwell Vickers (Hv) Kekerasan Shore(Hs) Pengujian (Hra,Hrc etc) superficial Mikro(Hv)

(Hr,30T,Hr30 n dst)

Penekan Bola Baja 10 Kerucut intan Kerucut intan Piramida Intan Jenis Vickers Palu Intan 3 g mm Ф 120 ;Bola 120 ;Bola sudut bidang jenis Knoop Karbida Baja 1/16”- baja 1/16”- berhadap-an sudut

1/2” 1/2” 136 130 ,172

Beban 500-3,000kg Beban mula Beban mula 3 1-120 kg 1-500 g 10 kg beban kg,beban total total 15,30 60,100,150kg dan 45 kg

Kekerasan Beban /luas Dalamnya Dalamnya Beban/luas Beban/Luas Tinggi penekanan penekanan penekanan penekanan penekanan pantulan

6,5”dari 10”tinggi pantulan asal 100

Konsep tegangan (stress) dan regangan (strain)

• Pembebanan statik:

– Tarik

– Kompressi

– Geser

FF

– Geser

F F

Beban tarikBeban kompressi

F

FBeban geser

Uji tarikStandar sampel untuk uji tarik

2¼’

2’

¾’ 0,505’

• Tegangan teknik, = F/Ao (N/m2=Pa)

• Regangan teknik, = (li-lo)/lo

• Tegangan geser, = F/Ao

2’R 3/8’

Deformasi elastis

• Pada pembebanan rendah dalam uji tarik, hubungan antara

Teg.

Modulus

Beban dihilangkan

hubungan antara tegangan dan regangan linier

Reg.

Modulus elastis

Pembebanan

Deformasi elastis

• Hubungan tsb masih dalam daerah deformasi elastis dan dinyatakan dengan

• Hubungan diatas dikenal sebagai Hukum • Hubungan diatas dikenal sebagai Hukum Hooke

• Deformasi yang mempunyai hubungan tegangan dan regangan linier (proporsional) disebut sebagai deformasi elastis

Sifat elastis material

• Ketika uji tarik dilakukan pada suatu logam, perpanjangan pada arah beban, yg dinyatakan dlm regangan z mengakibatkan

Z

regangan z mengakibatkan terjadinya regangan kompressi pada x sb-x dan y pada sb-y

• Bila beban pada arah sb-z uniaxial, maka x = y . Ratio regangan lateral & axial dikenal sebagai ratio Poisson

Z

z

x

y

= x/y

• Harga selalu positip, karena tanda x dan y

berlawanan.

• Hubungan modulus Young dengan modulus • Hubungan modulus Young dengan modulus geser dinyatalan dengan

E = 2 G (1 + )

• Biasanya <0,5 dan utk logam umumnya

G = 0,4 E

Deformasi plastis

• Utk material logam, umumnya deformso elastis terjadi < 0,005 regangan

Teg.

Reg.

ys

0,002regangan

• Regangan > 0,005 terjadi deformasi plastis (deformasi permanen) Teg.

Reg.

ys

Titik

luluh atas

Titik

Luluh bawah

0,002

Deformasi elastis

• Ikatan atom atau molekul putus: atom atau molekul berpindah tdk kembali pada posisinya bila tegangan dihilangkan

• Padatan kristal: proses slip padatan amorphous • Padatan kristal: proses slip padatan amorphous (bukan kristal). Mekanisme aliran viscous

Keuletan (ductility)

• Keuletan: derajat deformasi plastis hingga terjadinya patah

• Keuletan dinyatakan dengan• Keuletan dinyatakan dengan

– Presentasi elongasi,

%El. = (lf-lo)/lo x 100%

– Presentasi reduksi area,

%AR = (Ao-Af)/Ao x 100%

Ketangguan (Toughness)

• Perbedaan antara kurva tegangan dan regangan hasil uji tarik utk material yang getas dan ulet

Teg.

B

B’ yang getas dan ulet

• ABC : ketangguhan material getas

• AB’C’ : ketangguhan material ulet

Teg.

Reg.A

B’

C C’

Tegangan dan regangan sebenarnya• Pada daerah necking,

luas tampang lintang sampel uji material

• Tegangan sebenarnyaTeg. teknik

sebenarnya

• Tegangan sebenarnya

T = F/Ai

• Regangan sebenarnya

T = ln li/lo

Teg.

Reg.

teknik

Bila volum sampel uji tidak berubah, maka Aili = Aolo

• Hubungan tegangan teknik dengan tegangan sebenarnya

T = (1 + )T = (1 + )

• Hubungan regangan teknik dengan regangan sebenarnya

T = ln (1+ )

Patahan (Failure)

Dislokasi

Minggu 3

Struktur dan Cacat Kristal

Material Teknik

Pendahuluan

• Kristal adalah susunan atom-atom secara teratur dan kontinu pada arah tiga dimensi

a

z

dimensi

• Satuan sel adalah susunan terkecil dari kristal

• Parameter kisi struktur kristal– Panjang sisi a, b, c

– Sudut antara sumbu a, b, d

b

ac

db a

x

y

Sistem Kristal Parameter kisi diklasifikasikan dalam tujuh sistem kristal dan empat belas kisi kristal

• Arah kristal dinyatakan sebagai vektor dalam [uvw]

• uvw merupakan [111]

z

• uvw merupakan bilangan bulat

• Himpunan arah <111> terdiri dari [111], [111], [111], [111], [111], [111], [111], [111]

[100]

b

ac

x

[111]

[110]

y

Menentukan Indeks Miller Arah Kristal• Prosedur menentukan arah

kristal

x y z

Proyeksi a/2 b 0Proyeksi pd sb y: b

z

Proyeksi pd Proyeksi (dlm a, b, c)

½ 1 0

Reduksi 1 2 0

Penentuan [120]

cy

b

a

x

Proyeksi pd sb y: bProyeksi pd sb x: a/2

Bidang Kristal

• Dinyatakan dengan (hkl)

• hkl merupakan bilangan bulat

b

ac

x

Bid (110) mengacu titik asal O

Bid. (110) ekivalen

z

y

bilangan bulatbx Bid. (110) ekivalen

b

ac

x

Bid (111) mengacu titik asal O

Bid. (111) ekivalen

z

y

Menentukan Indeks Miller Bidang Kristal• Prosedur menentukan bidang

kristal

x y z

Perpotongan ~a -b c/2

z z’

Perpotongan (dlm a, b dan c)

~ -1 ½

Resiprokal 0 -1 2

Penentuan (012)

cy

b

a

x bid.(012)x’

14 kisi kristal

Kristal Kubik Berpusat Muka(Body Centered Cubic –BCC)• Faktor tumpukan padat =

total volum bola / total volum satuan sel = Vs/Vc

= 4x(4/3 r3)/16r32 = 0,740,74

• Kerapatan = A / VcNA

= (4x63,5) / (162x (1,28x10 -8)x(6,02x 1023)) g/cm3 = 8,89 g/cm3.

Kristal Kubik Berpusat Bidang(Faced Centered Cubic – FCC)

Kristal Heksagonal Tumpukan Padat(Hexagonal Closed Package-HCP)

Cacat Kristal

• Cacat Kristal

– Cacat titik

• Kekosongan

• Pengotor

– Pengotor Intersisi– Pengotor Intersisi

– Pengotor Subtitusi

– Cacat garis (dislokasi)

• Dislokasi garis

• Dislokasi ulir

– Cacat bidang

• Batas butir

• Permukaan

– Cacat volum

Cacat Titik

Cacat titik

Dislokasi Garis

Dislokasi Ulir

Mix dislocation

Cacat atom campuran

Cacat atom campuran

Batas Butir

PENGERASAN PERMUKAAN(CASE HARDENING)

MATERIAL TEKNIK

TEKNIK INDUSTRI

Definisi & Tujuan•Case Hardening dapat dikatakan sbg suatu proses HT untuk memperoleh pengerasan hanya pada lapisan permukaan saja, atau dg kata lain lap permukaan mempunyai kekerasan yg lebih tinggi sedangkan bagian yg lbh dalam tetap spt semula (kekerasan rendah ttp keuletannya tinggi)•Tujuannya banyak industri yg membutuhkan material yang •Tujuannya banyak industri yg membutuhkan material yang keras (pd permukaanya, tahan aus) tetapi bagian dalamnya msh ulet/tangguh. Dengan kondisi ini pd lap permukaan terdapat teg sisa yg berupa tegangan tekan (tahan terhadap kelelahan, fatigue limitnya naik) dan scr keseluruhan material tsb masih ulet.•Contoh pengerasan pada gigi-gigi dari roda gigi, poros, beberapa tool dan die

Ada 5 cara yg banyak dilakukan dalam CH :

1.

2.

3.

4.

5.

Carburising

Nitriding

Cyaniding/ carbonitriding Pengerasan api

(flame hardening) Pengerasan induksi

(induction hardening)5. (induction hardening)

Tiga yg teratas dg merubah komposisi kimia, duacara berikutnya dg membuat martensit hanya pdpermukaan saja (shallow hardening methods,syarat kadar karbon tdk kurang dari 0.30%)

1. CARBURISING

•

•

•

Cara paling murah dan metode tertua.

Pada baja dg keuletan tinggi, kadar karbon =< 0.2%.

Karena kadar karbon rendah maka hrs ditambahmendifusikan karbon melalui permukaannya

dgmendifusikan karbon melalui permukaannyasehingga mampu dikeraskan(pembentukan martensit).

Tahapan carburising :

– Penambahan carbon

– pengerasan

dg quenching

•

Penembahan karbon (carburising)

Pemanasan pd temperatur ckp tinggi di

lingkungan yg mengandung karbon aktif

Atom karbon berdifusi ke dalam baja sampaikadar tertentu & kedalaman tertentu

•

•kadar tertentu & kedalaman tertentu

Selanjutnya proses quenching

Ada 3 cara penambahan karbon (carburising):

– Solid carburising, gas carburising, liquid carburising

•

•

Solid carburising

Benda kerja dimasukkan dalam suatu kotakditimbun dengan carburising compound, kotak ditutup (kedap udara), dipanaskansampai 900-9500C slm bbrp jam, kotak

•

sampai 900-950 C slm bbrp jam, kotakdikeluarkan dari dapur, dibiarkan dingin, dibongkar & benda kerja dibersihkan kmdndipanaskan kembali utk pengerasan(quenching)

Carburising compoundBerupa serbuk td: arang kayu/coke 70-80%, barium/natrium karbonat 20-25%, kalsium karbonat 2,5-3,5%Selama pemanasan udara yg terperangkap dlm kotak akan bereaksi dg arang menjdi CO:2C + O2 -----> 2CO

Selanjutnya CO akan berdissosiasi mjd karbon aktif (C.at) yg dpt berdifusi ke dlm baja:2CO -----> CO2 + C.at

C.at ini adalah atom karbon aktif, yg dpt berdifusi ke dlm baja, karbonat pd

•

•

•

•

C.at ini adalah atom karbon aktif, yg dpt berdifusi ke dlm baja, karbonat pd carburising compound berfungsi sbg energizer atau activator yg mempercepat proses carburising yaitu dg menghasilkan sjmlah CO2 dr reaksi dekomposisinya:BaCO3 ----> BaO + CO2

Yang kemdn bereaksi dg carbon membentuk CO

Karena pd temperatur tinggi baja mampu melarutkan banyak karbon mk dlm wktsingkat permukaan baja akan menyerap karbon hingga mencapai batas jenuhnya.Mengingat bahwa bagian dalam baja hanya mengandung sdkt karbon mk karbonakan berdifusi masuk lebih ke dalam.

Tebal lapisan permukaan yg mengalami penambahan karbon (case depth) ini tergantung pd temperatur pemanasan dan panjangnya holding time pd temperatur pemanasan itu.

••

•

•

Gas Carburising

Baja dipanaskan dlm dapur dg atmosfernyabyk mengandung gas CO dan/atau gas hydrokarbon yg sdh berdekomposisi pd temp carburising (900-950 C) akan berdekomposisi

•

carburising (900-950 C) akan berdekomposisi

mghslkan C yang nantinya

Reaksi dekomposisinya:

berdifusi ke dlm bj

•2CO

CH4

<----> C.at + CO2

<----> C.at + H2

CO + H2 <----> C.at + H2O

Diffusion Period

Pada gas carburising lap hypereutektoid dpt dihilangkan dg memberikan suatu diffusion period yaitu dg menghentikan aliran gas carburising ttp mempertahankan temperatur

•

carburising ttp mempertahankan temperatur pemanasan.

Dg demikian karbon akan berdifusi lbh

kedalam dan merata pada lapisan kulit.

Benda kerja akan lbh bersih shg dpt lgsgdiquench, shg dapur lbh efisien.

•

•

Liquid CarburisingPemanasan dilakukan dlm saltbath yg td campuran sodium cyanide (NaCN) atau potassium cyanide (KCN) yg berfungsisbg carburising agent yg aktif, dg sodium carbonat (Na2CO3) yg berfungsi sbg energiser.

4 NaCN + 2O2 ----> 4 NaCNO

•

4 NaCNO ----> 2NaCN + Na2CO3 + CO + 2 N.at

CO2 + C.at2 CO ---->2 CO ---->

• Terlihat bhw selain atom carbon, atom nitrogen jg ikutberdifusi ke dlm baja. Nitrogen ini bereaksi membentuknitrida yg jg keras.

Tebal kulit pengerasan (case depth) jg tergantung pd kandungan cyanide dlm saltbath (biasanya digunakan campuran dg 40-50% NaCN), sdg slm pemakaian kandungan cyanide ini terus berkurang, krn itu scr periodik komposisi saltbath hrs sll diperiksa/dipertahankan konstan.

•

Pendinginan cepat (Quenching)

Stlh lap kulit mengandung ckp karbon, proses dilanjutkan dg pengerasan (quenching) utk mencapai kekerasan yg tinggi & tempering, utk mengurangi

•

tinggi & tempering, utk mengurangi kegetasan & teg sisa yg berlebihan.

• Pd pack carburising quenching dilakukanpemanasan kembali, ttp pd gas & liquidcarburising quenching dpt dilakukan lgsgpemanasan utk penambahan karbon.

stlh

ssdh

• Saat carburising baja dipanaskan pdtemperatur ckp tinggi di daerah austenit,

kemungkinan tjd pertumbuhan butir yg

berlebihan coarse grained steel

Jika lgsg diquench mk material mjd

shg

• Jika lgsg diquench mk material mjd getas/terdistorsi.

Baja yg mengandung unsur paduan dpt

mencegah tjd nya pertumbuhan butir

grained steel (yg dpt lgsg diquench)

•

•fine

2. NITRIDING

• Nitriding dilakukan dg memanaskan baja di dlmdapur dg atmosfer yg mengandung atomnitrogen aktif yg akan berdifusi ke dlm baja dnbereaksi dg unsur dlm membtk nitrida.bereaksi dg unsur dlm membtk nitrida.

Nitrida yg terbtk sgt keras dn stabil, nitrigen aktif diperoleh dr gas amonia yg bl dipanaskan pd temp nitriding (500-600C) akan berdissosiasi mjd nitrogen aktif dn gas hidrogen:

•

2 NH3 ------> 2 N.at + 3 H2

• Pd dasarnya smua baja dpt dinitriding, ttp hasil ygbaik akan diperoleh bl baja mengandung unsurpaduan yg membtk nitrida (nitride forming element)spt aluminium, chrom atau molybden.

Bd kerja dimasukkan dlm dapur yg kedap udara, gas amonia dialirkan scr kontinyu slm proses pemanasan pd temp 500-600C.

•

pd temp 500-600C.

Proses nitriding berlgsg lama (bs dlm bbrp hari). Kekerasan yg dihasilkan sgt tinggi (shg tdk perlu quenching) shg bd kerja terhindar dr distorsi, retak atau teg sisa. Nitrida yg terbtk sgt stabil, kekerasannya tdk berubah slm pemanasan walaupun sd 600C.

•

• Walaupun proses nitriding brlgsg lama skl ttptebal kulit yg terjd tipis skl. Baja utk dinitridingtdk blh tll lunak (>= 0,3-0,4%C) agar mampumendukung kulit yg sgt tipis tadi.

Bd kerja stlh dinitriding disarankan tdk dlkkn

proses machining (selain polishing/lapping).•

proses machining (selain polishing/lapping).

Baja hsl nitriding memp sft tahan aus yg sgtbaik, memp sft tahan thdp kelelahan dan jgtahan trhdp korosi.

•

3. CYANIDING & CARBONITRIDING

• Cyaniding menyerap karbon dan nitrogen dgperbandingan yg lbh seimbang. Proses cyanidingmrpkn modifikasi liquid carburising, proses dgmggnkn saltbath ttp dg konsentrasi garam cyanide yglbh rendah dn temp pemanasan yg lbh rendah, shglbh rendah dn temp pemanasan yg lbh rendah, shgdiffusi nitrogen ckp banyak.

• Saltbath mengandung 25-45% NaCNholdingtime 5-30men didapatkansgt tipis (0.02-0.04mm).

Kulit tipis ini tahan aus dn kekerasan

pd 550-600C dnkulit (case) yg

• sgt tinggi, srgdlkkn thdp baja perkakas (HSS, high speed steel)

• Pd cyaniding komposisi saltbath dn temppemanasan sgt berpengruh thdp tebal dnkompss kimia dr kulit. Dg temp pemanasanmkn tinggi dn kandgn NaCN dlm saltbath ygmkn rendah akn mghslkn case depth yg mknbesar, dan kadar karbon dr kulit yg mkn tinggibesar, dan kadar karbon dr kulit yg mkn tinggi(kadar nitrogen mkn rendah)

Utk proses yg mghslkn kulit dg kadar karbonyg ckp tinggi (>0.4%C) perlu dlkkn quenchingdn tempering.

•

• Corbonitriding mrpkn modifikasi proses gascarburising, dg menggunakan camp gas2 tdkarbonmonoksida dn gas hidrokarbon ygdiperkaya dg gas amonia. Shg yg berdifusi tdkhanya karbon ttp jg nitrogen, proses berlgsgdg temp yg lbh rendh.dg temp yg lbh rendh.

Kekerasan yg dihasilkan dr cyaniding ataupun carbonitriding (ssdh quenching) akan lbh stabil dp yg diperoleh dr carburising, lbh tahan thdp pemanasan, tdk mudah mjd lunak krn pemanasan.

•

4. FLAME HARDENING

• Pada flame hardening dan induction hardeningkomposisi kimia dr permukaan benda kerja tdkberubah. Pengerasan dlkkn dg memanaskan hanyabag permukaan.

Flame hardening dlkkn dg menyemburkan api dg intensitas tinggi ke permukaan, biasanya api dr brander oxyacetylene (shg sblm panas sempat menjalar ke bag dalam di abgian permuk sdh mencapai temp austenitising, kmdn sgr diquench. Shg bag permukaan terbtk martensit sdg di bag dalam tetap spt semula.

•

• Benda kerja (baja) hrs memp hardenability yg memadai kadarkarbonnya (0,3-0,6%C)

Proses sederhana (manual), menggunakan welding torch (brander las oxyasetylen), permukaan dipanaskan smp temp austenitising kmdn dicelupkn dlm air/minyak.

Hanya bisa utk ukuran bendakerja kecil.

Kekerasan kulit terutama tergantung pd kadar karbon dr baja,

•

•

• Kekerasan kulit terutama tergantung pd kadar karbon dr baja, sdg tebal kulit tergtg pd sbrp tebal bag permukaan yg mglmi pemanasan smp mjd austenit dan didinginkan dg laju pendinginan kritis.

Pd proses pemanasan trgntg intensitas pemanasan, jarak permuk bd kerja dg brander, lamanya pemanasan, kecepatan gerakan antara brander dan benda kerja.

•

•

5. INDUCTION HARDENING

• Pd prinsipnya sama dg flame hardening, hanya sajapemanasan ditimbulkan oleh arus induksi yg terjadikrn adanya medan magnet yg berubah2 dg sgt cepat(di sekitar konduktor yg dialiri arus listrik akan timbulmedan magnet yg besar dn arahnya trgtg pd besarmedan magnet yg besar dn arahnya trgtg pd besardan arah arus yg mengalir).

Arus induksi ini akan menimbulkan panas, krn arus induksi ini tjd di permukaan mk panas akan tjd di permukaan (panas yg timbul akan sgt intens jk arus induksi ditimbulkan oleh arus bolak-balik dg frekwensi tinggi.

•

• Untuk menimbulkan pemanasan yg merata pdpermukaan mk bed kerja diletakkan di dekatkoil yg dialiri arus bolak-balik frekwensi tinggi.

Tebal kulit tergantung pd tebalnya permukaan yg mglmi pemanasan smp ke temp austenit sblm diquench.

•

sblm diquench.

Baja yg di-induction hardening akan memperlihatkan distorsi lbh sdkt dp yg diquench dr dapur. Baja yg tlh diquench & ditemper dpt dikeraskan dg kulit yg sgt tipis dan kekerasan yg ckp tinggi.

•

Failure : Fracture and Fatique

Minggu 4

Diagram FasaDiagram FasaMinggu 5

Pendahuluan

• Sifat mekanik bahan salah satunya ditentukan oleh struktur mikro

• Utk mengetahui struktur mikro, perlu mengetahui fasa diagram

• Diagram fasa digunakan utk peleburan, pengecoran, kristalisasi • Diagram fasa digunakan utk peleburan, pengecoran, kristalisasi dll

• Komponen: logam murni dan/atau senyawa penyusun paduan

• Cth. Kuningan, Cu sebagai unsur pelarut dan Zn sebagai unsur yang dilarutkan.

• Batas kelarutan merupakan konsentrasi atom maksimum yang dapat dilarutkan oleh pelarut utk membentuk larutan padat (solid solution). Contoh Gula dalam air.

• Fasa adalah bagian homogen dari sistem yg mempunyai kharakteristik fisik & kimia yg uniform

• Contoh fasa , material murni, larutan padat, • Contoh fasa , material murni, larutan padat, larutan cair dan gas.

• Material yg mempunyai dua atau lebih struktur disebut polimorfik

• Jumlah fasa yg ada & bagiannya dlm material merupakan struktur mikro.

• Diagram kesetimbangan fasa merupakan diagram yang menampilkan struktur mikro atau struktur fasa dari paduan tertentuatau struktur fasa dari paduan tertentu

• Diagram kesetimbangan fasa menampilkan hubungan antara suhu dan komposisi serta jumlah fasa-fasa dalam keadaan setimbang.

Diagram Cu-Ni• L = larutan cair

homogen yang mengandung Cu dan Ni

• A = larutan padat • A = larutan padat subtitusi yang terdiri dari Cu dan Ni, yang mempunyai struktur FCC

Diagram Cu-Ni

• Jumlah persentasi cair (Wl) = S/(R+S)x100%

• Jumlah persentasi a • Jumlah persentasi a (Wa) = R/(R+S)x100%

Sistem binary eutektik

• Batas kelarutan atom Ag pada fasa adan atom Cu pada fasa b tergantung pada suhu

• Pada 780C, Fasa a dapat melarutkan atom Ag hingga 7,9%berat dan Fasa bdapat melarutkan atom Cu hingga 8,8%berat

• Daerah fasa padat: fasa a, fasa a+b,

A

BE

F

G

• Daerah fasa padat: fasa a, fasa a+b, dan fasa b, yang dibatasi oleh garis solidus AB, BC, AB, BG, dan FG, GH.

• Daerah fasa padat + cair: fasa a + cair, dan fasa b + cair, yang dibatasi oleh garis solidus

• Daerah fasa cair terletak diatas garis liquidus AE dan FE

• Reaksi Cair padat(a) + padat (b) pada titik E disebut reaksi Eutektik.

CH

Diagram Fasa Pb-Sn

• Reaksi eutektik

Cair (61,9%Sn) a(19,2%Sn)+b(97,6%Sn)

Diagram Fasa Cu-Zn

Diagram Fasa Al-Si

• Paduan hipoeutektik Al-Si mengandung Si <12,6%

• Paduan eutektik Al-Si mengandung Si sekitar mengandung Si sekitar 12,6%

• Paduan hipereutektik Al-Si mengandung Si >12,6%

Diagram Fasa FeC

Minggu 6

Diagram Fasa Fe-Fe3C

• Besi-a (ferrit); Struktur BCC, dapat melarutkan C maks. 0,022% pada 727C.

• Besi-d (austenit); struktur FCC, dapat melarutkan C FCC, dapat melarutkan C hingga 2,11% pada 1148C.

• Besi-z (ferrit); struktur BCC

• Besi Karbida (sementit); struktur BCT, dapat melarutkan C hingga 6,7%0

• Pearlit; lamel-lamel besi-adan besi karbida

Reaksi pada Diagram Fasa Fe-C

• Reaksi eutektik pada titik 4,3%C, 1148C

L d(2,11%C) + Fe3C(6,7%C)

• Reaksi eutektoid pada titik 0,77%C, 727C• Reaksi eutektoid pada titik 0,77%C, 727C

d(0,77%C) a(0,022%C) + Fe3C(6,7%C)

• Reaksi peritektik

Pengaruh unsur pada Suhu Eutektoid dan Komposisi Eutektoid

• Unsur pembentuk besi-d: Mn & Ni

• Unsur • Unsur pembentuk besi-a: Ti, Mo, Si & W

Fasa Transformasi

Minggu 7

Diagram Transformasi-Isotermal

Diagram Transformasi-Isotermal untuk Baja Eutektoid

Proses Anil & Perlakuan Panas

Minggu 8

Pendahuluan

• Proses anil merupakan proses perlakuan panas suatu bahan melalui pemanasan pada suhu cukup tinggi dan waktu yang lama, diikuti pendinginan perlahan-lahanperlahan-lahan

• Anil – Tujuan: menghilangkan tegangan sisa, meningkatkan

ductility, softness dan toughness

– Prosedur: suhu pemanasan mendekati suhu transisi danditahan sebelum pendinginan perlahan-lahan

– Perubahan strukturmikro: pearlite

• Full Annealing

– Bahan : baja carbon menengah dan rendah

– Proses : sama seperti Annealing, namun – Proses : sama seperti Annealing, namun pendinginan dilakukan didalam oven pemanas hingga suhu kamar.

– Perubahan struktur mikro : coarse pearlite

Normalisasi / Normalizing terdiri dari homogenisasi dan normalisasi

• Homogenisasi

– Bahan: logam cair

– Tujuan: menyeragamkan komposisi bahan

– Prosedur: pemanasan pada suhu setinggi mungkin asalkan logam tidak mencair dan tidak menumbuhkan butirtidak mencair dan tidak menumbuhkan butir

– Perubahan strukturmikro: homogenitas lebih baik, mendekati diagram fasa

• Normalisasi

– Bahan: baja

– Tujuan: membentuk strukturmikro dengan butir halus & seragam

– Prosedur: austenisasi 50-60C, disusul dengan pendinginan udara

– Perubahan strukturmikro: pearlit halus dan sedikit besi-apraeutektoid

• Menghilangkan Tegangan (stress relieving)

– Bahan: semua logam, khususnya baja

– Tujuan: menghilangkan tegangan sisa

– Prosedur: Pemanasan sampai 600C utk baja selama beberapa jam

– Prosedur: Pemanasan sampai 600C utk baja selama beberapa jam

– Perubahan strukturmikro: tidak ada

• Rekristalisasi

– Bahan: logam yang mengalami pengerjaan dingin

– Tujuan: pelunakan dengan meniadakan pengerasan regangan

– Prosedur: Pemanasan antara 0,3 dan 0,6 titik lebur logam

– Perubahan strukturmikro: butir baru

Speroidisasi

– Bahan: baja karbon tinggi, seperti bantalan pelurupeluru

– Tujuan: meningkatkan ketangguhan baja

– Prosedur: dipanaskan pada suhu eutektoid (~700C) untuk 1-2 jam

– Perubahan strukturmikro: speroidit

Diagam perlakuan panas

Laku Mampu Tempa (Malleabilisasi)• Bahan: besi cor

• Tujuan: besi cor lebih ulet

• Prosedur:

– anil dibawah suhu eutektoid (<750C)– anil dibawah suhu eutektoid (<750C)

Fe3C 3Fe(a) + C(garfit)

Dan terbentuk besi mampu tempa ferritik

– Anil diatas suhu eutektoid (>750C)

Fe3C 3Fe(d) + C(garfit)

Dan terbentuk besi mampu tempa austenitik

• Perubahan strukturmikro: terbentuknya gumpalan grafit.

Recovery, Rekristalisasi, Pertumbuhan Butir

Proses Presipitasi

• Pengerasan presipitasi dilakukan dengan memanaskan logam hingga unsur pemadu hingga unsur pemadu larut, kemudian celup cepat, dan dipanaskan kembali pada suhu relatip rendah

Precipitation Hardening

• Hardening of non-allotropic alloys– The properties of nonferrous substances that do not readily

form allotropes cannot be changed by controlled cooling.– Such substances are known as non-allotropic alloys, and

include aluminum, copper, and magnesium alloys as well as include aluminum, copper, and magnesium alloys as well as stainless steels containing Ni.

– The method of hardening is called precipitation hardening and age hardening.

– Precipitation involves the formation of a new crystalline structure through the application of controlled quenching and tempering. Precipitation disperses hard particles throughout the existing more ductile material.

Logam BesiLogam BesiMinggu 9

Ferrous Metal Alloy

• Material besi dibagi menjadi dua, yaitu besi paduan/baja dan besi tuang

• Semakin tinggi kadar karbon maka semakin • Semakin tinggi kadar karbon maka semakin mudah terkorosi

• Karena mengandung besi, maka memiliki sifat magnetis yang baik.

Kelebihan besi Paduan/baja

• Mudah didapat di alam

• Mudah dibentuk

• Memiliki kekuatan dan kelenturan yang • Memiliki kekuatan dan kelenturan yang baik

• Tangguh – memiliki sifat mekanik dan fisik yang baik

Logam besi

• Baja karbon

• Baja paduan

• Baja pekakas & dies• Baja pekakas & dies

• Baja tahan karat

• Besi tuang

Baja karbon

• Menurut kadungan C– Baja karbon rendah: C<0,3%, utk baut, mur,

lembaran, pelat, tabung, pipa, komponen mesin berkekuatan rendahberkekuatan rendah

– Baja karbon menengah: 0,3%<C<0,6%, utk roda gigi, axle, batang penghubung, crankshaft, rel, komponen utk mesin pengerjaan logam

– Baja karbon tinggi: 0,6%<C<1,0%, utk mata pahat, kabel, kawat musik, pegas

Klasifikasi baja menurut AISI & SAE

Baja seri 1045 utk yoke ball

• 1045 termasuk seri 10xx atau seri baja karbon

• Angka 45 merupakan kandungan karbon = • Angka 45 merupakan kandungan karbon = 45/100 % = 0,45%

Baja Paduan

• Baja paduan rendah berkekuatan tinggi (high strength alloy steel)– C<0,30%

a– Strukturmikro: butir besi-a halus, fasa kedua martensit & besi-d

– Produknya: pelat, balok, profil

• Baja fasa ganda (Dual- phase steel)– Strukturmikro: campuran besi-a & martensit

Baja paduan rendah berkekuatan tinggi

Kekuatan luluh Komposis kimia Deoksidasi

103 Psi MPa

35 240

S = kualitas struktur F = kill + kontrol S40 275

45 310

50 350 X = paduan rendah

W = weathering

D = fasa ganda

K = kill

O = bukan kill

50 350

60 415

70 485

80 550

100 690

120 830

140 970

Cth. 50XF

50 kekuatan luluh 50x103 Psi

X paduan rendah

F kill + kontrol S

Baja tahan karat

• Sifatnya tahan korosi, kekuatan & keuletan tinggi dan kandungan Cr tinggi

• Kandungan lain : Ni, Mo, Cu, Ti, Si, Mg, • Kandungan lain : Ni, Mo, Cu, Ti, Si, Mg, Cb, Al, N dan S

Jenis baja tahan karat

• Austenitik (seri 200 & 300)– Mengandung Cr, Ni dan Mg

– Bersifat tidak magnit, tahan korosi

– Utk peralatan dapur, fitting, konstruksi, peralatan – Utk peralatan dapur, fitting, konstruksi, peralatan transport, tungku, komponen penukar panas, linkungan kimia

• Ferritik (seri 400)– Mengandung Cr tinggi, hingga 27%

– Bersifat magnit, tahan korosi

– Utk peralatan dapur.

Jenis baja tahan karat

• Martensitik (seri 400 & 500)– Mengandung 18%Cr, tdk ada Ni

– Bersifat magnit, berkekuatan tinggi, keras, tahan patah dan uletdan ulet

– Utk peralatan bedah, instrument katup dan pegas

• Pengerasan presipitasi– Mengandung Cr, Ni, Cu, Al, Ti, & Mo

– Bersifat tahan korosi, ulet & berkekuatan tinggi pada suhu tinggi

– Utk komponen struktur pesawat & pesawat ruang angkasa

Jenis baja tahan karat

• Struktur Duplek

– Campuran austenit & ferrit

– Utk komponen penukar panas & pembersih air – Utk komponen penukar panas & pembersih air

Besi cor

• Besi tuang disusun oleh besi, 2,11-4,50% karbon dan 3,5% karbon dan 3,5% silikon

• Kandungan Si mendekomposisi Fe3C menjadi Fe-a dan C (garfit)

Jenis besi cor

• Besi cor kelabu

• Besi cor nodular (ulet)

• Besi cor tuang putih• Besi cor tuang putih

• Besi cor malleable

Besi cor kelabu

• Disusun oleh serpihan C (grafit) yang tersebar pada besi-a

• Bersifat keras & getas• Bersifat keras & getas

Besi cor nodular (ulet)

• C (grafit)nya berbentuk bulat (nodular) tersebar pada besi-a.pada besi-a.

• Nodular terbentuk karena besi cor kelabu ditambahkan sedikit unsur magnesium dan cesium

• Keras & ulet

Besi cor putih

• Disusun oleh besi-adan besi karbida (Fe3C)

• Terbentuk melalui • Terbentuk melalui pendinginan cepat

• Getas, tahan pakai & sangat keras

Besi cor malleable

• Disusun oleh besi-a dan C (grafit)

• Dibentuk dari besi cor putih yang dianil pada putih yang dianil pada 800-900oC dalam atmosphere CO & CO2

Cara Membuat Besi Paduan

• Carbothermic Reactions menambahkan unsur Carbon dengan melalui reaksi kimia yang sering disebut dengan carburizing yang sering disebut dengan carburizing

• Dengan menambahkan unsur paduan pada saat fasa liquid.

Logam Bukan BesiMinggu 10

Pendahuluan

• Logam & paduan bukan besi

– Logam biasa: Al, Cu, Mg

– Logam/paduan tahan suhu tinggi: W, Ta, Mo

• Aplikasi utk

– Ketahanan korosi– Ketahanan korosi

– Konduktifitas panas $ listrik tinggi

– Kerapatan rendah

– Mudah dipabrikasi

• Cth.

– Al utk pesawat terbang, peralatan masak

– Cu utk kawat listrik, pipa air

– Zn utk karburator

– Ti utk sudu turbin mesinjet

– Ta utk mesin roket

AlimuniumProduk Wrough

1xxx Al murni: 99,00%

2xxx Al+Cu

3xxx Al+Mn3xxx Al+Mn

4xxx Al+Si

5xxx Al+Mg

6xxx Al+Mg+Si

7xxx Al+Zn

8xxx Al+unsur lain

AlimuniumProduk Cor

1xx.x Al murni: 99,00%

2xx.x Al+Cu

3xx.x Al+Si, Cu, Mg3xx.x Al+Si, Cu, Mg

4xx.x Al+Si

5xx.x Al+Mg

6xx.x Tidak digunakan

7xx.x Al+Zn

8xx.x Al+Pb

Perlakuan utk produk aluminium wrough dan corF Hasil pabrikasi (pengerjaan dingin

atau panas atau cor)

O Proses anil (hasil pengerjaan dingin O Proses anil (hasil pengerjaan dingin atau panas atau cor)

H Pengerjaan regangan melalui pengerjaan dingin (utk produk wrough)

T Perlakuan panas

Magnesium & paduan magnesium

• Logam terringan dan penyerap getaran yg baik

• Aplikasi:

– Komponen pesawat & missil

– Mesin pengankat

– Pekakas

– Tangga

– Koper

– Sepeda

– Komponen ringan lainnya.

Paduan magnesium: produk wrough dan corPaduan Komposisi (%) Kondisi Pembentukk

anAl Zn Mn Zr

AZ31B 3,0 1,0 0,2 F H24 Ekstrusi AZ31B 3,0 1,0 0,2 F H24 Ekstrusi lembaran & pelat

AZ80A 8,5 0,5 0,2 T5 Ekstrusi & tempa

HK31A 0,7 H24 Lembaran & pelat

ZK60A 5,7 0,55 T5 Ekstrusi & tempa

Penamaan paduan magnesium

• Hurup 1&2 menyatakan unsur pemadu utama

• Angka 3&4 menyatakan % unsur pemadu utama

• Hurup 5 menyatakan standar paduan

• Hurup dan angka berikutnya menyatakan perlakuan panas• Hurup dan angka berikutnya menyatakan perlakuan panas

Contoh. AZ91C-T6

A Al

Z Zn

9 9%Al

1 1%Zn

C Standar C

T6 Perlakuan panas

Tembaga & paduan tembaga

• Sifat paduan tembaga:

– Konduktifitas listrik dan panas tinggi

– Tidak bersifat magnit

– Tahan korosi

• Aplikasi• Aplikasi

– Komponen listrik dan elektronik

– Pegas

– Cartridge

– Pipa

– Penukar panas

– Peralatan panas

– Perhiasan, dll

Jenis paduan tembaga

• Kuningan (Cu+Zn)

• Perunggu (Cu+Sn)

• Perunggu Al (Cu+Sn+Al)• Perunggu Al (Cu+Sn+Al)

• Perunggu Be (Cu+Sn+Be)

• Cu+Ni

• Cu+Ag

Nikel & paduan nikel

• Sifat paduan nikel

– Kuat

– Getas

– Tahan korosi pada suhu tinggi

• Elemen pemadu nikel: Cr, Co, Mo dan Cu

• Paduan nikel base = superalloy

• Paduan nikel tembaga = monel

• Paduan nikel krom = inconel

• Paduan nikel krom molybdenum = hastelloy

• Paduan nikel kron besi = nichrome

• Paduan nikel besi = invar

Supperalloy

• Tahan panas dan tahan suhu tinggi

• Aplikasi: mesin jet, turbin gas, mesin roket, pekakas, dies, industri nuklir, kimia dan petrokimiapetrokimia

• Jenis superalloy

– Superalloy besi base: 32-67%Fe, 15-22%Cr, 9-38%Ni

– Superalloy kobalt base: 35-65%Co, 19-30%Cr, 35%Ni

– Superalloy nikel base: 38-76%Ni, 27%Cr, 20%Co.

KeramikKeramikMinggu 11

Penggolongan keramik berdasarpenggunaannya

Keramik

• Senyawa logam atau bukan logam yang mempunyai ikatan atom ionik dan kovalen

• Ikatan ionik dan kovalen menyebabkan keramik mempunyai titik lebur tinggi dan bersifat isolatormempunyai titik lebur tinggi dan bersifat isolator

• Keramik terdiri dari

– Keramik tradisional, disusun oleh tanah liat, silika dan feldspar. Cth. bata, ubin, genteng dan porselen

– Keramik murni atau teknik, disusun oleh senyawa murni.

Brittle fracture of ceramics:

Bahan keramik – batu tahan api

Keramik digunakan utk kebut batu tahan api spt pd oven listrik, tungku api dinding ketel uao, dinding kupola pengecoran logam, rotary klin dll

Komposisi batu tahan api & namanya sbb :

•

•

•

•

Fireclay digunakkan pd dinding kupola

Silica refractories digunakan pd perasngkat dasar pembuatan kaca, baja dan tungku ketel uap

• Beberapa jenis keramik tahan api kusus spt: alumina,silica, magnesia, baryllia, zircomia, dan muilite

Jenis lain keramik termasuk compound, dg cara menambahkan unsur karbon dan graphite C.

Bahan SiC digunakan utk pemanas listrik (elemen

•

• Bahan SiC digunakan utk pemanas listrik (elemen setrika listrik), tungku penegecoran baja, da tungku dapur induksi

Keramik tahan aus digunakan sbg amplas, gerina, alat potong. Pembuatannya dg cara diserbukkan, dipres dan disinter shg bahan abrasive keramik terikat pd media pengikat

Keramik utk alat potong: intan, silicon carbide, tungsten, wolfram carbide, pasir silica

•

•

•

Ceramics- glass

Kaca digunakan utk pembuatan botol, kaca jendela,, lensa dan serat gelas (fiberglass)

Kaca dibedakan non kristal dan krsital.

Kaca kristal volume spesifik (vol/massa) nya lbh kecil, pembuatan dg cara mendinginkan kaca non kristal pd

•

•

•pembuatan dg cara mendinginkan kaca non kristal pd temp lelehnya pd saat pendinginan tjd (lht gbr di file: ceramik processing.pdf utk glass)

Annealing pd kaca diperlukan utk menghilangkan teg sisa yg ada. Teg sisa tjd pd proses pembuatan dg pendinginan yg tdk seragam.

Cara annealing dg memanaskan kaca pd temp annealing kmdn didinginkan scr perlahan2

•

•

Jenis-jenis kaca

Struktur Kristal

• Sebagian besar keramik diikat secara ionik dan hanya sedikit tang diikat secara kavalen

• Ikatan ionik biasanya mempunyai diameter atom kation < atom anion, akibatnya atom

• Ikatan ionik biasanya mempunyai diameter atom kation < atom anion, akibatnya atom kation selalu dikelilingi atom anion.

• Jumlah atom tetangga terdekat (mengelilingi) atom tertentu dikenal sbg bilangan koordinasi (Coordination number).

Hub.bil.koordinasi dan perbandingan jari2atom kation-anion

Bilangan koordinasi

Perbandingan jari-jari kation-anion

Geometri koordinasi

2 <0,1552 <0,155

3 0,115-0,225

4 0,225-0,414

6 0,414-0,732

8 0,723-1,0

Jari-jari kation dan anionKation Jari-jari ion (nm) Anion Jari-jari ion (nm)

Al 3+ 0,053 Br - 0,196

Ba 2+ 0,136 Cl - 0,181

Ca 2+ 0,100 F - 0,133

Cs + 0,170 I - 0,220Cs + 0,170 I - 0,220

Fe 2+ 0,077 O 2- 0,140

Fe 3+ 0,069 S 2- 0,184

K + 0,138

Mg 2+ 0,072

Mn 2+ 0,067

Na 2+ 0,102

Ni 2+ 0,069

Si 4+ 0,040

Ti 2+ 0,061

Struktur Kristal Tipe AXCth.; NaCl, CsCl, ZnS dan intan

• Struktur NaCl (Garam)– Bentuk kubik berpusat muka (FCC)

– 1 atom kation Na+ dikelilingi 6 atom anion Cl- (BK 6)

– Posisi atom kation Na+: ½½½, 00½, – Posisi atom kation Na+: ½½½, 00½, 0½0, ½00

– Posisi atom anion Cl-: 000, ½½0, ½0½, 0½½

– Cth seperti kristal garam: MgO, MnS, LiF dan FeO.

– Perbadingan jari-jari atom kation dan anion = 0,102/0,181 = 0,56

Struktur kristal tipe AX

• Struktur CsCl – Bentuk kubik sederhana

(simple cubic)

– 1 atom kation Cs+ dikelilingi 8 atom anion Cl- (BK 8)

– Posisi atom kation Na+: ½½

– Posisi atom anion Cl-:000

– Perbandingan jari-jari aton kation dan anion = 0,170/0,181 = 0,94.

Struktur kristal tipe AX

• Struktur ZnS– Bentuk Sphalerite

– 1 atom kation Zn+ dikelilingi 4 atom anion S- (BK 4)

– Posisi atom kation Zn+: – Posisi atom kation Zn+: ¾¾¾, ¼¼¾, ¼¾¼, ¾¼¼

– Posisi atom anion S-: 000, ½½0, ½0½, 0½½

– Cth seperti kristal ZnS: ZnTe, BeO dan SiO.

– Perbandingan jari-jari atom kation dan anion = 0,060/0,174 = 0,344

Struktur kristal AX

• Struktur intan

– Bentuk sama seperti ZnS, tetapi seluruh atomnya diisi atom C.diisi atom C.

– Ikatan atomnya ikatan atom kovalen

Struktur kristal intan

Struktur kristal AmXp

• Al2O3 (korundum)

– Bentuk heksagonal tumpukan padat

Struktur kristal Al2O3

Struktur kristal AmBnXp

• BaTiO3

– Bentuk kristal perouskite

– Atom kation: Ba2+ dan Ti4+

– Atom anion: O2-– Atom anion: O2-

Struktur kristal perouskite

Polimer

Minggu 12 & 13

POLIMERBerasal dari kata poli (banyak) dan mer (meros, yunani:bagian)

Penyusunan mer mjd polimer melalui ikatan atom C

•

•

Polimer sering dsbt sbg plastik sintetis, punya beratmolekul yg tinggi, yg t.d rantai molekul yg bercabang2 ygmolekul yg tinggi, yg t.d rantai molekul yg bercabang2 membntk senyawa polimer.

yg

• Plastik adalahmoulding atauataupun kimianonkristalin ygpadat

bhn organis yg dg mudah dpt dicetak/dibentuk/ shaping dg cara mekanik utk mghslkan substansi yg liat &pd temp. kamar berada dlm keadaan

Kebanyakan mer berasal dari gugushidrokarbon, misal :

Beberapa hidrikarbon (rantai tunggal 1, dan ganda2, adlh sbb:

Beberapa tabel single mer (mer tunggal) dapatdilihat spt dibawh ini :

• Rantai polimer dibedakan sebagai rantai tunggaldan rantai bercabang

Konfigurasi polimer dibedakan menjadi :

– Stereoisometri (rangkaian rantai C tunggal)

– Geometricalisomerism (rangkaian rantai Cganda)

Rangkaian polimer yg t.d 2 atom atau lebih

•

• Rangkaian polimer yg t.d 2 atom atau lebih polimer disebut sbg COPOLIMER

Polimer bs dibuat bhn kristal polimer, dg carapendinginan cepat, pd saat bhn polimer mulaimendingin (memadat dr kead leleh/plastis)

Bahan polimer kebanyakan bersft plastis, artinya sangat mudah berubah btk scr permanen

•

•

•

Mer-mer yg membtk polimer karet misalnyadibwh ini :

Karakteristik dan pembuatan , gamb kurvapengujian tarik bbrp polimer digambarkan sbb:

Berat jenis polimer berkisar antara 0.9 – 2kgf/dm3, spt pd tbl brkt memuat karakteristik fisik &mekanis bbrp polimer ;

Temperatur leleh dan temp transisi(temp utkmembuat proses kristal polimer) disajikan pd tabelberikut ini :

• Respon bhn polimer thdptemp dibedakan mjd:– Termoplastik, adl bhn

polimer yg apbl dipanasidan mendingin memp sftfisis yg sama (reversibel)fisis yg sama (reversibel)

Termosetting, adl bhn polimer, yg berubah sft fisisnya apabl dipanasi. Bhn polimer termosetting biasanya lbh keras,kuatdan getas, serta dimensi yg lbh stabil. Contoh karet vulkanisir, epoxy , venol, poliester resin

–

Proses polimerisasi dibagi menjadi 2

Addition polimerisasi (chain reaction), contoh pd reaksi poliethilen)

•

Reaksi ini bertujuan menggandeng polimer dg bahankatalis atau initiator

Condensation polimerisation (step reaction),• Condensation polimerisation (step reaction),

For example, consider the formation of the polyester, poly(ethylene terephthalate) (PET), from the reaction between ethylene glycol and terephthalic acid; the intermolecular reaction is as follows:

•

• Pengujian bahan polimer :

–

–

–

–

Pengujian

Pengujian

Pengujian

Pengujian

creep

impact

fatique

sobek/geser dan kekerasan

• Pembuatan produk dr polimer dg cara :

–

–

–

–

–

Compression molding

Injection molding

Extrution

Blow molding casting

Berbagai jenis plastik dan penggunaannya :

Thermoplastic

Thermoset

Elastomer (karet)

• Elastomer adalah karet buatan, karet buatan dan karetalam biasanya diperbaiki sifat mekanisnya dg sistem vulkanisasi. Vulkanisasi menggunakan belerang sulfur sbg bahan utk memperkeras karet.

Komposit

Minggu 14

KompositKomposit adl gab antara 2 atau lbh material yg pd permukaan antara ke2 benda tsb tdk bercampur atau tdk

•

bereaksi scr kimia. Jd ke 2 benda campuran tsb mshdilihat bedanya (beda dg fasa fasa logam yaitu fasa perlit yg mrpkn gab antara ferit dan sementit dg

bs

kandungn Fe dan C shg tdk bisakomposit)

dikatakan sbgkomposit)

Gab dr ke2 material pd komposit• adlh:–

–

–

–

–

Memp kekuatan tinggi

Memp brt jns rendah

Kuat dan cukup kaku

Tahan thdp beban kejut atau impact

Memp ketangguhan tinggi

• Bag komposit yg lbh byk (%-nya) berfgsi sbg pengikatdsbt matriks, utk bahan pengisinya atau yg diikat oleh matriks dsbt fasa terdispersi (dispersed phase)/ dispersan/ serat (fiber)/ fillers (pengisi)

Ukuran/ % serta penataan fillers sgt berpengaruh thdp sifat mekanik komposit yg dihasilkan.

Secara visual komposit digolongkan macroscopic

•

•composite (kasat mata) dan microscopic composite (dgcomposite (kasat mata) dan microscopic compositebantuan mikroskop utk lihat).

Macroscopic composite : beton, dinding, structural laminates, tripleks dll

Microscopic composite : dispersion strengthened(komposit dispersi), particel reinforced (komposit

(dg

•

•

partikel), fiber reinforced (komposit serat, arah kontinyu,serat acak, hybrid)

Komposit terdiri dari matriks dan fasaterdisphersi

Microscopic compositeKomposit dispersi, material yg diikat matriks memp dimensi 0,01 –0,1 µm (10 – 100 nm), dispersi partikel scr merata biasanya sampai15% volume.

Komposit partikel, mempunyai ukuran partikel > 1 µm diameter, dg konsentrasi 20 -40% volume

Serat komposit, ukuran serat mulai 0,001 inch dg konsentrasi vol serat sampai 70% volume

1.

2.

3.

• Pada komposit bahan dispersi, partikel atau seratbiasanya lbh keras dp bahan matriksnya.

Bahan dispersan, partikel atau serat bisa berasal dr bahan metalik, non metal, bhn oksida (keramik) dll. Contoh bhn dispersan: ThO2, pelapisan Al powder dll

•

Particle reinforced composite

• Ikatan matriks terhadap partikel maksimal dsbt upperbound (ikatan terkuat), yg minimum dsbt lower bound

• Kekuatan atau modulus– Upper bound:

young (E) sbb:

Lower bound:

• E = modulus young•

•

•

•

•

E = modulus young

fraksi volume

komposit

V =

C =

M = matriks

P = partikel/ pengisi

Komposit partikel

• Termasuk komposit partikel adalah cermet (ceramicsmetal) dmn carbida sementit diikat dg logam WC dan TiC, misalnya= diikat dg cobalt dan nikel. Material ini dgnkan sbg alat potong mesin perkakas. Dibuat dg teknologi metalurgi serbuk, dicampur, dipres dan

–

teknologi metalurgi serbuk, dicampur, dipres dan dipanasi (sintering)

Pada material ban, dicampurkan serbuk carbon C•(carbon black) kedalam karet, sebesar 15-30% volume,dg diameter partikel carbon black 20-50 mm

Komposit serat (Fiber Reinforced Composites)

••

Komposit serat (fiber) mempunyai kekuatan dan kekakuan tinggi

Fungsi matriks pd komposit serat adl utk mengikat antara serat satu dg lainnya, jg utk meneruskan beban tegangan dr gaya luar. Kekuatan komposit adl kekuatan diantara matriks dan seratnya.

Biasanya matriks komposit memp modulus elastisitas lbh bsr dp seratnya.

Matriks komposit jg melindungi serat2nya dr kerusakan akibat abrasive (aus) dan kerusakanpd permuk serat akibat reaksi dg

•

•

•abrasive (aus) dan kerusakanpd permuk serat akibat reaksi dg lingkungan

Kerusakan pd permuk serat memicu retak/sobek. Kerusakan komposit akibat terpisahnya serat dr matriksnya dsbt pullout. Perpatahan serat ke serat pd kondisi getas dsbt dg cotastropic failure.

Gaya ikat (bounding forces) antara matriks dan serat sgt penting utk mengurangi gejala rusak fiber pullout dan mempertinggi tegangan yg bs diteruskan

•

•

•

•

Bahan

Bahan nilon

Bahan

matriks logam : aluminium , tembaga

matrik polimer : poliester, epoxi, phenol, silicon,

•

•

serat : whiskers, fibers, wires

Whiskers, bahan dr single crystals yg lebar dibandingdiameter/tebalnya sangat besar. Terbuat dari graphite, SiC, SiNO2, Al2O3

Fibers, bahan polikristal ataou amorphi dg diameter yg kecil dibanding panjang, biasanya dr ceramic atau polimer seperti: nilon, kaca, asbes, Al2O3

Wires, kawat berdiameter lebih besar dibuat dr Mo, W, baja (misal pd ban)

•

•

KOMPOSIT MAKROSKOPIK

•

•

•

•

Komposit structures

Dinding struktural laminates

Composites sandwich

Dinding & beton (concrete)• Dinding & beton (concrete)

Structural Composites

A structural composite is normally composed of both homogeneous and composite materials, the properties of which depend not only on the properties of theconstituent materials but also on the geometrical design of the various structural elements. Laminar composites and sandwich panels are two of the most common structural composites; only a relatively superficial examination is offered here for them.

LAMINAR COMPOSITESA laminar composite is composed of two-dimensional sheets or panels that have a preferred high-strength direction such as is found in wood and continuous and aligned fiber-reinforced plastics.The layers are stacked and subsequently cemented together such that the orientation of the high-strength direction varies with each successive layer (Figure 16.16). For example, adjacent wood sheets in plywood are aligned with the grain direction at right angles to each other. Laminations may also be constructed using fabric material such as cotton, paper, or woven glass fibersembeddedin a plastic matrix.Thus a laminar composite has relatively high strength in

a number of directions in the two-dimensional plane; however, the strength in any given direction is, of course, lower than it would be if all the fibers were orientedin that direction. One example of a relatively complex laminated structure is the modern ski (see the chapter-opening illustration for this chapter).

Sandwich panels, considered to be a class of structural composites, are designed to be light-weight beams or panels having relatively high stiffnesses and strengths. A sandwich panel consists of two outer sheets, or faces, that are separated by and adhesively bonded to a thicker core

(Figure 16.17). The outer sheets are made of a relatively stiff and strong material, typically aluminum alloys, fiber-reinforced plastics, titanium, steel, or plywood; they impart high stiffness and strength to the structure, and must be thick enough to withstand tensile and compressive stresses that result from loading.The core material is lightweight, and normally has a low modulus of elasticity. Core materials typically fall within three categories: rigid polymeric foams (i.e., phenolics, epoxy, polyurethanes), wood (i.e., balsa wood), and honeycombs (see below).

Structurally, the core serves several functions. First of all, it provides Structurally, the core serves several functions. First of all, it provides continuous support for the faces. In addition, it must have sufficient shear strength to withstand transverse shear stresses, and also be thick enough to provide high shear stiffness (to resist buckling of the panel). (It should be noted that tensile and compressive stresses on the core are much lower than on the faces.)