BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
2.2. Landasan teor
2.2.7. Material untuk hip joint prosthesis
2.2.7.4. Stainless steel
2.2.7.5.3. Paduan titanium fasa ß
Paduan Ti-13%V-11%Cr-3%Al adalah salah satu dari paduan fasa ß. Kekuatan yang tinggi dan perbandingan batas mulurnya bertahan sampai kira-kira pada temperatur 400ºC. Paduan ini memiliki kekuatan yang lebih baik pada daerah temperatur tersebut dibandingkan dengan baja 4340 (Ni-Cr-M0), baja tahan karat, dan paduan aluminium .
2.2.7.6. Zirconia (zirconium oxide)
Zirconia adalah material yang sangat keras. Zirconia menunjukkan kelambanannya terhadap korosi dan terhadap bahan kimia pada temperatur di atas titik leleh alumina. Material ini memiliki konduktivitas termal yang rendah. Konduktivitas listriknya di atas 600°C dan digunakan sebagai sel sensor oksigen dan sebagai suspector (pemanas) pada tanur induksi temperatur tinggi. Sifat-sifat utama zirconia:
1. Dapat digunakan hingga temperatur 2400°C 2. Massa jenisnya tinggi
3. Konduktivitas termalnya rendah
4. Kelambanan bereaksi terhadap bahan kimia 5. Tahan terhadap logam cair
7. Ketahanan terhadap patah yang tinggi 8. Kekerasannya tinggi
Zirconia terdiri dari tiga fase kristal pada temperatur yang berbeda. Pada temperatur yang sangat tinggi (>2370°C) material ini memiliki struktur kubus. Pada temperatur menengah (1170 - 2370°C) material ini memiliki struktur tetragonal. Pada temperatur yang rendah (di bawah 1170°C) material ini berubah ke dalam struktur monoklinik. Transformasi dari tetragonal ke monoklinik berlangsung cepat dan disertai oleh tiga sampai lima persen peningkatan volume yang menyebabkan terjadinya cracking yang luas pada material. Perilaku ini menghancurkan sifat-sifat material selama komponen dibuat (selama pendinginan) dan membuat zirconia yang murni menjadi tidak berguna untuk seluruh aplikasi secara struktur maupun secara mekanik. Beberapa oksida yang pecah dari zirconia dalam struktur kristal zirconia dapat melambat atau menghilangkan struktur kristal ini. Umumnya digunakan zat tambahan yang efektif seperti MgO, CaO, dan Y2O3. Dengan sejumlah zat tambahan yang cukup, struktur kubus temperatur tinggi dapat dipertahankan pada temperatur ruang. Zirconia yang berstruktur kubus merupakan material yang sangat kuat karena material ini tidak melalui fase transisi yang merusak selama proses pemanasan dan pendinginan.
Ada bermacam jenis tipe zirconia seperti yang ditunjukkan pada tabel 2.3. Sementara itu sifat-sifat khusus dari tipe zirconia tersebut ditunjukkan pada tabel 2.4.
Tabel 2.3. Macam-macam tipe zirconia (www.azom.com)
Material Singkatan
Tetragonal Zirconia Polycrystals TZP Partially Stabilised Zirconia PSZ
Fully Stabilised Zirconia FSZ
Transformation Toughened Ceramics TTC Zirconia Toughened Alumina ZTA Transformation Toughened Zirconia TTZ
Tabel 2.4. Sifat-sifat khusus berbagai tipe zirconia (www.azom.com) Sifat-sifat Y- TZP Ce- TZP ZTA Mg-PSZ 3Y20A Density (g.cm-3) 6.05 6.15 4.15 5.75 5.51 Kekerasan (HV30) 1350 900 1600 1020 1470 Young,s modulus (GPa) 205 215 380 205 260 Poisson’s ratio 0.3 - - 0.23 - Fracture toughness (Mpa.m-1/2) 9.5 15-20 4-5 8-15 6 2.3. Teori Elastisitas
Simulasi hip joint prosthesis perlu memperhatikan sifat mekanik yang dimiliki material dalam pelaksanannya . Sifat mekanik yang dimiliki material
antara lain: kekuatan (strength), keliatan (ductility), kekerasan (hardness), dan kekuatan lelah (fatique). Sifat mekanik material didefinisikan sebagai ukuran kemampuan material untuk mendistribusikan dan menahan gaya serta tegangan yang terjadi. Proses pembebanan, struktur molekul yang berada dalam ketidaksetimbangan, dan gaya luar yang terjadi akan mengakibatkan material mengalami tegangan.
Sebuah material yang dikenai beban atau gaya akan mengalami deformasi, pada pembebanan di bawah titik luluh deformasi akan kembali hilang. Hal ini disebabkan karena material memiliki sifat elastis (elastic zone). Jika beban ditingkatkan sampai melewati titik luluh (yield point), maka deformasi akan terjadi secara permanen atau terjadi deformasi plastis (plastic deformation). Jika beban ditingkatkan hingga melewati tegangan maksimal, maka material akan mengalami patah (Timoshenko, 1986).
2.3.1. Tegangan (stress)
Tegangan adalah besaran pengukuran intensitas gaya atau reaksi dalam yang timbul persatuan luas. Tegangan menurut Marciniak (2002) dibedakan menjadi dua yaitu engineering stress dan true stress. Engineering stress dapat dirumuskan sebagai berikut:
?eng = 0 A F ...(2) dengan:
?eng = Engineering stress (MPa) F = Gaya (N)
Sedangkan true stress adalah tegangan hasil pengukuran intensitas gaya reaksi yang dibagi dengan luas permukaan sebenarnya (actual). True stress dapat dihitung dengan:
s = A F
...(3)
dengan:
s = True stress ( MPa)
F = Gaya (N)
A = Luas permukaan sebenarnya (mm2)
Tegangan normal dianggap positif jika menimbulkan suatu tarikan (tensile) dan dianggap negatif jika menimbulkan penekanan (compression).
2.3.2. Regangan (strain)
Regangan didefinisikan sebagai perubahan panjang material dibagi panjang awal akibat gaya tarik ataupun gaya tekan pada material. Apabila suatu spesimen struktur material diikat pada penjepit di mesin penguji dan beban serta pertambahan panjang spesifikasi diamati secara serempak, maka dapat digambarkan pengamatan pada grafik dimana ordinat menyatakan beban dan absis menyatakan pertambahan panjang. Batasan sifat elastis perbandingan regangan dan tegangan akan linier dan akan berakhir sampai pada titik mulur. Hubungan tegangan dan regangan tidak lagi linier pada saat material mencapai batasan fase sifat plastis.
Menurut Marciniak (2002) regangan dibedakan menjadi dua, yaitu: engineering strain dan true strain.
Engineering strain adalah regangan yang dihitung menurut dimensi benda aslinya (panjang awal), sehingga untuk mengetahui besarnya regangan yang terjadi adalah dengan membagi perpanjangan dengan panjang semula. % 100 % 100 0 0 0 ? ? ? ? ? ? l l l l l eng ? ...(4) dengan:
?eng = Engineering strain
?l = Perubahan panjang
lo = Panjang mula-mula
l = Panjang setelah diberi gaya
True strain dapat dihitung secara bertahap (increment strain), dimana regangan dihitung pada kondisi dimensi benda saat itu (sebenarnya) dan bukan dihitung berdasarkan panjang awal dimensi benda. Persamaan regangan untuk true strain (e) adalah:
0 ln 0 l l l dl l l ? ?
?
? ...(5) dengan: ? = True strain2.3.3. Deformasi
Deformasi atau perubahan bentuk terjadi apabila bahan dikenai gaya. Selama proses deformasi berlangsung, material menyerap energi sebagai akibat adanya gaya yang bekerja. Sebesar apapun gaya yang bekerja pada material, material akan mengalami perubahan bentuk dan dimensi. Perubahan bentuk secara fisik pada benda dibagi menjadi dua, yaitu deformasi plastis dan deformasi elastis.
Penambahan beban pada bahan yang telah mengalami kekuatan tertinggi tidak dapat dilakukan, karena pada kondisi ini bahan telah mengalami deformasi total. Jika beban tetap diberikan maka regangan akan bertambah dimana material seakan menguat yang disebut dengan penguatan regangan (strain hardening) yang selanjutnya benda akan mengalami putus pada kekuatan patah (Singer, 1995).
Hubungan tegangan-regangan dapat dituliskan sebagai berikut:
L A P E ? ? ? ? ? ...(6)
Sehingga deformasi (?) dapat diketahui:
E A L P ? ? ? ? ...(7) dengan: P = Beban (N) A = Luas permukaan (mm2)
L = Panjang awal (mm)
E = Modulus elastisitas
Pada awal pembebanan akan terjadi deformasi elastis sampai pada kondisi tertentu, sehingga material akan mengalami deformasi plastis. Pada awal pembebanan di bawah kekuatan luluh, material akan kembali ke bentuk semula. Hal ini dikarenakan adanya sifat elastis pada bahan. Peningkatan beban melebihi kekuatan luluh (yield point) yang dimiliki plat akan mengakibatkan aliran deformasi plastis sehingga plat tidak akan kembali ke bentuk semula, hal ini bisa dilihat pada gambar 2.23.
Gambar 2.23. Diagram tegangan–regangan (Singer, 1995)
Elastisitas bahan sangat ditentukan oleh modulus elastisitas. Modulus elastisitas suatu bahan didapat dari hasil bagi antara tegangan dan regangan.
? ? ?
dengan:
E = Modulus elastisitas
? = Tegangan (MPa)
? = Regangan