Material Teknik 3rd session hadisaputra@live.com Page 1 Struktur Materials
Hubungan antara struktur dan sifat-sifat bahan
Perkembangan kebutuhan bahan sebenarnya sudah dimulai sejak manusia ada, hal ini dikarenakan, kebutuhan manusia untuk mensejahterakan hidupnya. Hal ini dapat diketahui dari alat-alat kebutuhan hidup yang digunakan selama sejarah manusia itu sendiri. Contohnya adanya pemakaian batu untuk alat perburuan, tombak untuk mencari ikan dan lain sebagainya.
Pada perkembangan saat ini, engineer berkreasi menciptakan bahan-bahan baru yang dapat digunakan untuk mensejahterakan kehidupan manusia, dengan memanfaatkan bahan2 yang ada. Hingga terbentuklah material-materila baru seperti composit (carbon fiber composite, natural fiber composite, dan lain sebagainya).
Pemilihan material dalam engineering activity merupakan hal yang sangat menentukan, karena dalam rekayasa engineering salah satu keberhasilannya ditentukan oleh ketepatan dalam memilih bahan.
Pada prinsipnya segala macam bahan pada dasarnya tersusun oleh proton, neutron, dan electron. Dimana ketiga unsur ini membentuk struktur yang stabil. Bahan apapun pada dasarnya tersusun oleh ketiga unsur ini. Sifat-sifat bahan pada dasarnya terdiri dari sifat physical dan mechanicalnya, dimana sifat-sifat ini tentunya tidak lepas dari sifat-sifat struktur atom penyusunya.
Struktur Atom
Material Teknik 3rd session hadisaputra@live.com Page 2 Istilah atom berasal dari Bahasa Yunani, yang berarti tidak dapat dipotong ataupun sesuatu yang tidak dapat dibagi-bagi lagi. Konsep atom sebagai komponen yang tak dapat dibagi-bagi lagi pertama kali diajukan oleh para filsuf India dan Yunani. Pada abad ke-17 dan ke-18, para kimiawan meletakkan dasar-dasar pemikiran ini dengan menunjukkan bahwa zat-zat tertentu tidak dapat dibagi-bagi lebih jauh lagi menggunakan metode-metode kimia. Selama akhir abad ke-19 dan awal abad ke-20, para fisikawan berhasil menemukan struktur dan komponen-komponen subatom di dalam atom, membuktikan bahwa 'atom' tidaklah tak dapat dibagi-bagi lagi. Prinsip-prinsip mekanika kuantum yang digunakan para fisikawan kemudian berhasil memodelkan atom.
Relatif terhadap pengamatan sehari-hari, atom merupakan objek yang sangat kecil dengan massa yang sama kecilnya pula. Atom hanya dapat dipantau menggunakan peralatan khusus seperti mikroskop penerowongan payaran. Lebih dari 99,9% massa atom berpusat pada inti atom, dengan proton dan neutron yang bermassa hampir sama. Setiap unsur paling tidak memiliki satu isotop dengan inti yang tidak stabil yang dapat mengalami peluruhan radioaktif. Hal ini dapat mengakibatkan transmutasi yang mengubah jumlah proton dan neutron pada inti. Elektron yang terikat pada atom mengandung sejumlah aras energi, ataupun orbital, yang stabil dan dapat mengalami transisi di antara aras tersebut dengan menyerap ataupun memancarkan foton yang sesuai dengan perbedaan energi antara aras. Elektron pada atom menentukan sifat-sifat kimiawi sebuah unsur dan memengaruhi sifat-sifat magnetis atom tersebut.
Perkembangan Model Atom
Seorang filsuf Yunani yang bernama Democritus berpendapat bahwa jika suatu benda dibelah terus menerus, maka pada saat tertentu akan didapat akan didapat bagian yang tidak dapat dibelah lagi. Bagian seperti ini oleh Democritus disebut atom.[1] Istilah atom berasal dari bahasa yunani “a” yang artinya tidak, sedangkan “tomos” yang artinya dibagi. Jadi, atom artinya tidak dapat dibagi lagi. Pengertian ini kemudian disempurnakan menjadi, atom adalah bagian terkecil dari suatu unsur yang tidak dapat dibelah lagi namun namun masih memiliki sifat kimia dan sifat fisika benda asalnya.
Material Teknik 3rd session hadisaputra@live.com Page 3 Macam-macam Model Atom
1. Model Atom John Dalton
Pada tahun 1808, John Dalton yang merupakan seorang guru di Inggris, melakukan perenungan tentang atom. Hasil perenungan Dalton menyempurnakan teori atom Democritus. Bayangan Dalton dan Democritus adalah bahwa atom berbentuk pejal. Dalam renungannya Dalton mengemukakan postulatnya tentang atom:
1. Setiap unsur terdiri dari partikel yang sangat kecil yang dinamakan dengan atom 2. Atom dari unsur yang sama memiliiki sifat yang sama
3. Atom dari unsur berbeda memiliki sifat yang berbeda pula
4. Atom dari suatu unsur tidak dapat diubah menjadi atom unsur lain dengan reaksi kimia, atom tidak dapat dimusnahkan dan atom juga tidak dapat dihancurkan
5. Atom-atom dapat bergabung membentuk gabungan atom yang disebut molekul 6. Dalam senyawa, perbandingan massa masing-masing unsur adalah tetap
Teori atom Dalton mulai membangkitkan minat terhadap penelitian mengenai model atom. Namun, teori atom Dalton memiliki kekurangan, yaitu tidak dapat menerangkan suatu larutan dapat menghantarkan arus listrik. Bagaimana mungkin bola pejal dapat menghantarkan arus listrik padahal listrik adalah elektron yang bergerak. Berarti ada partikel lain yang dapat menghantarkan aruslistrik.
2. Model Atom J.J. Thomson
Pada tahun 1897, J.J Thomson mengamati elektron. Dia menemukan bahwa semua atom berisi elektron yang bermuatan negatif. Dikarenakan atom bermuatan netral, maka setiap atom harus berisikan partikel bermuatan positif agar dapat menyeimbangkan muatan negatif dari elektron.
Kelebihan model atom Thomson
Membuktikan adanya partikel lain yang bermuatan negatif dalam atom. Berarti atom bukan merupakan bagian terkecil dari suatu unsur.
Kelemahan model atom Thomson
Material Teknik 3rd session hadisaputra@live.com Page 4 3. Model Atom Rutherford
Model atom Rutherford
Rutherford melakukan penelitian tentang hamburan sinar α pada lempeng emas. Hasil pengamatan tersebut dikembangkan dalam hipotesis model atom Rutherford.
a. Sebagian besar dari atom merupakan permukaan kosong.
b. Atom memiliki inti atom bermuatan positif yang merupakan pusat massa atom. c. Elektron bergerak mengelilingi inti dengan kecepatan yanga sangat tinggi.
d. Sebagian besar partikel α lewat tanpa mengalami pembelokkan/hambatan. Sebagian kecil dibelokkan, dan sedikit sekali yang dipantulkan.
Kelemahan Model Atom Rutherford
a. Menurut hukum fisika klasik, elektron yang bergerak mengelilingi inti memancarkan energi dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Akibatnya, lama-kelamaan elektron itu akan kehabisan energi dan akhirnya menempel pada inti.
b. Model atom rutherford ini belum mampu menjelaskan dimana letak elektron dan cara rotasinya terhadap ini atom. c. Elektron memancarkan energi ketika bergerak, sehingga energi atom menjadi tidak stabil.
Material Teknik 3rd session hadisaputra@live.com Page 5 4. Model Atom Niels Bohr
Model Atom Niels Bohr
Pada tahun 1913, Niels Bohr mengemukakan pendapatnya bahwa elektron bergerak mengelilingi inti atom pada lintasan-lintasan tertentu yang disebut kulit atom. [5] Model atom Bohr merupakan penyempurnaan dari model atom Rutherford.
Kelemahan teori atom Rutherford diperbaiki oleh Neils Bohr dengan postulat bohr : a. Elektron-elektron yang mengelilingi inti mempunyai lintasan dan energi tertentu.
b. Dalam orbital tertentu, energi elektron adalah tetap. Elektron akan menyerap energi jika berpindah ke orbit yang lebih luar dan akan membebaskan energi jika berpindah ke orbit yang lebih dalam
Kelebihan model atom Bohr
atom terdiri dari beberapa kulit untuk tempat berpindahnya elektron.
Kelemahan model atom Bohr
a. tidak dapat menjelaskan efek Zeeman dan efek Strack.
Material Teknik 3rd session hadisaputra@live.com Page 6 Ikatan Atom
Ikatan atom terdiri dari 2 macam, yaitu primary bonding dan secondary bonding.
Primary bonding, meliputi :
Ikatan ion merupakan sejenis interaksi elektrostatik antara dua atom yang memiliki perbedaan elektronegativitas yang besar. Tidaklah terdapat nilai-nilai yang pasti yang membedakan ikatan ion dan ikatan kovalen, namun perbedaan elektronegativitas yang lebih besar dari 2,0 bisanya disebut ikatan ion, sedangkan perbedaan yang lebih kecil dari 1,5 biasanya disebut ikatan kovalen. Ikatan ion menghasilkan ion-ion positif dan negatif yang berpisah. Muatan-muatan ion ini umumnya berkisar antara -3 e sampai dengan +3e.
Covalen Bonding
Ikatan kovalen adalah ikatan yang umumnya sering dijumpai, yaitu ikatan yang perbedaan elektronegativitas (negatif dan positif) di antara atom-atom yang berikat sangatlah kecil atau hampir tidak ada. Ikatan-ikatan yang terdapat pada kebanyakan senyawa organik dapat dikatakan sebagai ikatan kovalen.
Metalic Bonding
Pada ikatan logam, elektron-elektron ikatan terdelokalisasi pada kekisi (lattice) atom. Berbeda dengan senyawa organik, lokasi elektron
yang berikat dan muatannya adalah statik. Oleh karena delokalisai yang menyebabkan elektron-elektron dapat bergerak bebas, senyawa ini
Material Teknik 3rd session hadisaputra@live.com Page 7 VanDer Walls Bonding
Dipol seketika ke dipol terimbas, atau gaya van der Waals, adalah ikatan yang paling lemah, namun sering dijumpai di antara semua
zat-zat kimia. Misalnya atom helium, pada satu titik waktu, awan elektronnya akan terlihat tidak seimbang dengan salah satu muatan negatif
berada di sisi tertentu. Hal ini disebut sebagai dipol seketika (dwikutub seketika). Dipol ini dapat menarik maupun menolak elektron-elektron
helium lainnya, dan menyebabkan dipol lainnya. Kedua atom akan seketika saling menarik sebelum muatannya diseimbangkan kembali untuk
kemudian berpisah.
Hydrogen Bonding
Ikatan hidrogen bisa dikatakan sebagai dipol permanen yang sangat kuat seperti yang dijelaskan di atas. Namun, pada ikatan hidrogen,
proton hidrogen berada sangat dekat dengan atom penderma elektron dan mirip dengan ikatan tiga-pusat dua-elektron seperti pada diborana.
Ikatan hidrogen menjelaskan titik didih zat cair yang relatif tinggi seperti air, ammonia, dan hidrogen fluorida jika dibandingkan dengan
senyawa-senyawa yang lebih berat lainnya pada kolom tabel periodik yang sama.
Struktur Kristal
Material Teknik 3rd session hadisaputra@live.com Page 8
Stuktur Kristal
Material Teknik 3rd session hadisaputra@live.com Page 9 Dari ke 14 system Kristal tersebut hanya 4 enis yang paling banyak dijumpai pada kebanyakan logam yang biasa digunakan,yaitu :
1. Simple Cubic
2. FCC (Face Center Cubic) 3. BCC (Body Center Cubic) 4. HCP (Hexagonal Close Packed)
Material Teknik 3rd session hadisaputra@live.com Page 10 Polimorfy : beberapa unsur yang memiliki space lattice yang berbeda
Alotropi : Bila sifat polimorfinya reversible. Contoh :
Material Teknik 3rd session hadisaputra@live.com Page 11
Kristalisasi
Proses pembentukaan Kristal yang terjadi pada saat pembekuan yang terdiri dari dua tahapan yaitu, 1. Nucleation (pengintian)
2. Pertumbuhan Kristal (Crystal Growth)
Material Teknik 3rd session hadisaputra@live.com Page 12 CACAT-CACAT
1. Cacat Titik 2. Cacat Garis 3. Cacat Bidang 4. Cacat Ruang
Edge dislocation Screw dislocation Mixdislocation
COLD WORKING ?
Suatu logam dikatakan mengalami pengerjaan dingin bila butir-butir kristalnya berada dalam keadaan terdistorsi setelah mengalami deformasi plastis. Dalam keadaan ini pada Kristal terdapat berbagai dislokasi setelah terjadi slip.
Sebagai akibat pengerjaan dingin ini adalah
1. Tensile strength, yield strength, dan kekerasan akan meningkat
Material Teknik 3rd session hadisaputra@live.com Page 13 Contoh pengerjaan dingin:
1. Cold rolling 2. Cold drawing
RECRYSTALLIZATION ?
Sebagai akibat pengerjaan dingin terjadi peningkatan jumlah dislokasi yang besar dan bidang-bidang kristalogafik tertentu akan mengalami distorsi yang hebat. Sebagaian dari energy yang diberikan untuk mendeformasi logam itu dikeluarkan sebagai panas dan sebagian tersimpan sebagai energy dalam di dalam struktur Kristal, hal ini berkaitan dengan cacat Kristal yang terjadi sebagai akibat dari deformasi. Bila logam yang telah mengalami pengerjaan dingin ini dipanaskan kembali maka atom-atom akan menerima sejumlah panas yang dapat dipakai kembali untuk bergerak membentuk sejumlah Kristal yang lebih bebas cacat, serta bebas tegangan dalam. Peristiwa perubahan yang terjadi selama proses pemanasan kembali ini dibagi menjadi tiga tahapan yaitu:
1. Recovery
2. Recrystallization 3. Grain growth
1. Recovery
Peristiwa ini terjadi pada awal pemanasan kembali, pada temperature yang rendah dan perubahan yang terjadi tidak diikuti dengan perubahan struktur makro serta belum terjadi perubahan sifat mekanik. Perubahan yang terjadi hanya perubahan energy dalamnya saja (berkurang nilainya).
Perlunya mengurangi tegangan Dalam ini, adalah untk mencegah terjadinya distorsi pada benda kerja yang mengalami pengerjaan dingin sebagai akibat tegangan sisa itu, dan juga untuk mencegah stress corrosion cracking atau retak karena korosi pada logam yang mengalami tegangan. Proses laku panas yang memanfaatkan hal ini dinamakan stress relief annealing.
2. Recystallisation
Material Teknik 3rd session hadisaputra@live.com Page 14 Rekristalisasi terjadi melalui proses pengintian dan pertumbuhan. Lajunya mula-mula rendah dan kemudian sangat cepat dan selanjutnya melambat kembali menjelang akhir proses.
Temperature dimana rekristalisasi terjadi dinamakan temperature rekristalisasi yaitu temperature dimana logam yang dideformasi dingin akan mengalami rekristalisasi.
Logam yang dideformasi pada temperature diatas tempertaur rekristalisasi nya akan langsung mengalami rekristalisasi dan setelah selesai akan diperoleh Kristal yang sama dengan Kristal sebelum mengalami deformasi. Pengerjaan seperti ini dinamakan pengerjaan panas (Hot working)
3. Grain growth
Material Teknik 3rd session hadisaputra@live.com Page 15 Refference :
De Garmo,
www.wikipedia.com Anonim, ilmu bahan
