The nature of material

(1)

(2)

The nature of material

❑

Atomic structure and the elements

❑

Bonding between atoms and molecules

▪ Primanry bonding

▪ Secondary bonds

❑

Crystalline structures

▪ Types of crystal structure

▪ Imperfections in crystals

▪ Deformation in metallic crystals

▪ Grain and grain boundaries in metals

❑

Noncrystalline (amorphous) structures

(3)

Mechanical properties of materials

❑

Stress strain relationships

▪ Tensile properties

▪ Compression properties

▪ Bending and testing of brittle materials

▪ Shear properties

❑

Hardness

▪ Hardness tests

▪ Hardness of various materials

❑

Effect of temperature on properties

❑

Fluid properties

(4)

Physical properties of materials

❑

Volumetric and melting properties

▪ Density

▪ Thermal expansion

▪ Melting characteristic

❑

Thermal properties

▪ Specific heat and thermal conductivity

▪ Thermal properties in manufacturing

❑

Mass diffusion

❑

Electric properties

▪ Resistivity and conductivity

▪ Classes of materials by electrical properties

(5)

Dimensions, tolerances and surfaces

❑

Dimensions, tolerances and related attributes

▪ Dimensions and tolerances

▪ Other geometric attributes

❑

Surfaces

▪ Characteristic of surfaces

▪ Surface texture

▪ Surface integrity

❑

Effect of manufacturing processes

(6)

Frictions, wear and lubrications

❑

Frictions

❑

Wear

▪ Wear mechanisms

▪ Protections from frictions and wear

❑

Lubrications

▪ Types of lubrication

(7)

Metals

❑ Alloys and phase diagrams

▪Alloys

▪Phase diagram

❑ Ferrous metals

▪Iron-carbon phase diagram

▪Steels

▪Cast iron

❑ Non-ferrous metals

▪Alluminium and its alloys

▪Magnesium and its alloys

▪Chopper and its alloys

▪Nickel and its alloys

▪Titanium and its alloys

▪Zinc and its alloys

▪Lead and tin

▪Refractory metals

▪Precious metals

❑ Supper alloys

(8)

Sifat-sifat mekanik

• Tegangan (stress)

S = F/A = Pa = N/m

2

• Regangan (strain)

e =

Δ

L/L

• Kekuatan (strength);

Gaya untuk mematahkan/merusak bahan

• Keuletan (ductility);

Besar regangan permanen sebelum perpatahan

e

_f

= (L

_f

–

L

_o

)/L

_o

=

Δ

L/L

_o

• Ketangguhan (toughness);

Energi yang diserap bahan sampai terjadi perpatahan

(9)

Karakteristik thermal

• Kapasitas kalor (Heat capacity)

Perubahan kandungan kalor per

0

C

Suhu adalah level aktivitas termal

Kandungan kalor adalah energi termal

• Panas jenis (Specific heat)

Perbandingan kapasitas kalor bahan dengan

kapasitas kalor air

• Panas peleburan (heat of fusion); Panas penguapan

(heat of vaporazation)

Kalor yang diperlukan untuk mencairkan atau

menguapkan suatu bahan

• Daya hantar panas (Thermal conductivity)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

Tahapan

dalam design

dan

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

• Benda yang asli selalu lebih digemari misal madu asli, gula murni dan emas 24 karat.

• Meskipun benda sempurna, asli, murni itu lebih baik, karena faktor harga

dan menginginkan sifat tertentu diperlukan ketidakmurnian.

misal : perak sterling : {tembaga 7.5% dan perak 92.5%} ---> perak lebih kuat, keras, dan awet namun harga lebih murah

• Seng yang dicampurkan pada tembaga ---> kuningan yang lebih murah dari pada tembaga murni.

Kuningan = keras, kuat, dan ulet dibandingkan tembaga.

Tembaga mempunyai konduktivitas listrik lebih rendah dibandingkan kuningan ---> tembaga murni = penghantar listrik dan penggunaan lainnya apabila konduktivitas listrik diutamakan

• Paduan = kombinasi dari dua atau lebih jenis logam.

Kombinasi ini campuran dari dua struktur kristalin (besi kpr dan Fe3C dalam baja konstruksi).

(23)

• Larutan padat mudah terbentuk bila pelarut dan atom yang larut memiliki ukuran yang sama dan struktur elektron yang serupa.

Contoh : logam dalam kuningan – (tembaga dan seng) yang masing masing mempunyai jari jari atom 0.1278 mm dan 0.139. Keduanya memiliki 28 elektron subvalensi dan membentuk struktur kristal dengan bilangan koordinasi 12.

Bila seng ditambahkan kepada tembaga, maka dengan mudah seng menggantikan

kedudukan tembaga dalam kisi KPS, sampai dengan maksimal menggantikan 40% dari atom tembaga ---> larutan padat substitusi : atom seng menggantikan atom tembaga dalam struktur kristal

• Larutan padat seperti ini sering dijumpai pada berbagai jenis logam,

misal larutan tembaga dan nikel ----> monel. Pada monel, nikel dapat menggantikan atom tembaga dalam perbandingan jumlah manapun, dalam bentuk struktur KPS.

Nikel dan tembaga mempunyai jangkau larut yang besar karena keduanya mempunyai struktur KPS dan jari jari atom masingnya adalah 0.1246 nm dan 0.1278 nm.

Dengan meningkat perbedaan ukuran maka menurun kemampuan substitusi

• Sebaliknya timah putih sangat terbatas menggantikan tembaga, membentuk perunggu dan tetap mempertahankan struktur mula tembaga yaitu KPS. Timah putih melebihi daya larut padat maksimal sehingga membentuk fasa lain.

• Hanya 20 % atom tembaga dapat digantikan oleh aluminium karena jari jari almunium adalah 0.1431 nm, jari jari tembaga adalah 0.1278 nm.

Pelarutan padat menjadi terbatas bila terdapat selisih ukuran jari jari atom melebihi 15%.

(24)

• FASA adalah bagian dari bahan yang mempunyai struktur dan atau komposisi tersendiri.

Misal es –air. Komposisinya sama, es adalah bahan padat kristalin dengan kisi heksagonal, sedangkan air adalah cairan.

Batas FASA keduanya adalah merupakan diskontinuitas dalam struktur : keduanya merupakan FASA terpisah.

• Tembaga yang dilapisi perak keduanya struktur KPS, namun atom perak lebih besar dari atom tembaga. Sehingga terdapat diskontinuitas yang hampir semua pada suhu ruang, sehingga terbentuk dua fasa yang berbeda.

(25)

• Banyak jenis logam yang digunakan secara luas hanya terdiri dari satu FASA. Termasuk logam murni komersial dengan satu komponen. Contoh kawat listrik tembaga, seng untuk pelapis

lembaran baja, aluminium untuk alat alat rumah tangga. Meskipun demikian sering ditambahkan komponen kedua secara sengaja untuk memperbaiki sifat sifat --->

paduan

• Paduan = logam FASA tunggal bila batas solubilitas tidak dilampaui.

Misal :

Kuningan = paduan FASA tunggal tembaga dan seng),

Perunggu = paduan FASA tunggal tembaga dan timah putih)

(26)

Komponen struktur yang ringan dan kuat adalah

keharusan dalam penggunaan praktis

➢

Penghematan tenaga dan bahan bakar

➢

Dilakukan dengan memperbaiki kekuatan

➢

Kekuatan diperbaiki dengan :

❑

Memperkecil unit struktur ---> pada logam

dengan memperhalus struktur mikro

(27)

❑

Pengerasan larutan padat

• Logam murni

mempunyai kekuatan

rendah

• Memperkuat dilakukan menambah

unsur

paduan

(28)

❑

Penguatan presipitasi dan dispersi

❑ Perlakuan atom terlarut ditambahkan melampaui kelarutannya, untuk membuat larutan padat pada temperatur tinggi, perlakuan ini dinamakan perlakuan pelarutan

❑ Pemanasan dengan berbagai temperatur akan menimbulkan fasa presipitat

❑ Presipitasi = pemisahan diri dari suatu larutan terlalu jenuh

❑ Presipitat berbentuk bola, pelat, jarum

❑ Tegangan mulur meningkat kalau presipitat terdispersi di dalam larutan padat, disebut juga penguatan dispersi

❑ Penguatan dispersi menghasilkan bahan yang kuat yang berasal dari campuran bubuk buatan, serat, dsb – dikenal sebagai bahan komposit (polimer dan keramik)

(29)

Struktur yang diperkuat

• Besi dan baja sering diberi perlakuan panas

agar memiliki struktur mikro yang kuat

• Baja berkekuatan tinggi dapat diperoleh

dengan mengubah

fasa austenite

yang

mengandung karbon dalam bentuk larutan

pada temperatur tinggi menjadi

fasa

(30)

• Martensit adalah larutan padat karbon yang

dipaksakan, mempunyai bentuk kisi tetragonal.

• Pencelupan dingin baja dengan kadar

0.4% C

atau lebih mempunyai kekuatan mulur 1700

Mpa atau lebih tetapi bersifat : getas, dilakukan

penemperan untuk keliatan, kekuatan menurun

(31)

❑

Struktur yang diperkuat

✓

Baja dan besi diberi perlakuan panas agar memiliki struktur

mikro yang kuat

✓

Baja berkuatan tinggi diperoleh dengan mengubah fasa

austenit yang mengandung karbon dalam bentuk larutan pada

temperatur tinggi, menjadi fasa martensit dengan pencelupan

dingin pada

temperatur rendah

✓

Martensit adalah larutan padat karbon yang dipaksakan,

mempunyai bentuk kisi tetragonal

✓

Pencelupan dingin, baja berkadar 0,4% C atau lebih

memperoleh kekuatan mulur 1.700 Mpa atau lebih, namun

bersifat getas. Dimanfaatkan apabila telah dilakukan

penemperan untuk memperoleh keliatan (kekuatan menjadi

turun)

✓

Martensit menjadi kuat , keras dan ulet karena unsur karbon

dengan menambahkan Mn, Si, Ni, Cr dan Mo

(32)

• Austenit pada suhu 400

–

550 C kemudian didinginkan

tiba tiba ---> martensit yang sangat halus, mempunyai

sejumlah kisi : kekuatan tinggi = metoda ausforming

• Metoda ausforming tidak dilakukan pada baja karbon

biasa, sehingga dipadu dengan Cr, Ni, Si

• Proses penemperen setelah ausforming maka baja

mencapai kekuatan 3100 Mpa dan mempunyai kekuatan

ulet = tidak dapat dilas dan dimesin

• Baja maraging dengan kadar karbon rendah dapat

dikeraskan dengan presipitasi senyawa antar logam {

kadar paduan Ni 18

–

25%, karbon <0.03%, unsur

sekunder lain}

• Martensit

kubus distemper ---> kekuatan ekstrim 3000

MPa, keuletan baik, mudah dilas karena sedikit karbon :

diaplikasikan pada komponen struktur roda pesawat

(33)

• AA = Aluminium Association

• AISI = The American Iron and Steel

Institute

• CDA = The Copper Development

Association

(34)

Sistem penamaan baja

Semakin bertambah kadar karbon :

• Kekuatan dan kekerasan bertambah

• Keuletan berkurang

(35)

Baja karbon

• Perpaduan antara besi dan karbon dengan sedikit

kandungan Si, Mn, P dan S.

• Sifat baja karbon tergantung pada kadar karbon

• Baja karbon rendah = kadar karbon < 0.30%

Baja karbon sedang = kadar karbon 0.25% - 0.30%

Baja karbon tinggi = 0.45% - 1.7%

Kadar karbon material naik, kekuatan dan kekerasan

bertambah tinggi, tetapi perpanjangan menurun

(36)

Klasifikasi baja karbon (Van Vlak,

(37)

Klasifikasi baja karbon rendah

Banyak di gunakan untuk konstruksi umum

Pengelompokkan berdasar kekuatan tarik = st 0, st 34, st 37, st 50, st 60, st 70

Pengelompokkan berdasar persyaratan deoksidasi, cara pembekuan dan distribusi rongga = baja kil, semi kil, baja rim

Sebuatan Kekuatan

St 00 Sampai 50 30 – 26 0.12 Mutu perdangan tidak dijamin, dapat dilas

Penggolongan baja konstruksi dan sifatnya (Van Vlak)

(38)

Faktor-faktor yang sangat mempengaruhi mampu dari baja

karbon rendah adalah kekuatan tarik dan kepekaan terhadap

retak las

• Kekuatan tarik baja karbon rendah dapat di

pertinggi dengan menaikkan kadar karbon

(C) dan menurunkan kadar mangan (Mn)

• Baja karbon rendah mempunyai kepekaan

retak las yang rendah bila di bandingkan

dengan baja karbon lain atau baja karbon

paduan.

• Retak las yang terjadi pada pengelesan pelat

tebal dapat dihindari dengan pemanasan

mula atau menggunakan elektroda hidrogen

rendah

(39)

Proses pembekuan dan

transformasi baja tahan karat (

stainless steel)

• Stainless steel : tahan korosi , tahan oksidasi

suhu tinggi, kekuatan tarik tinggi

• Sifat diatas ada karena penambahan unsur

paduan terutama Cr (tidak lebih 10%) dan Ni

• Pengelasan sulit di banding baja karbon

• Proses pengelasan yang sulit diatasi dengan

pre-heat dan post-heat

(40)

Klasifikasi baja tahan karat

• Baja tahan karat austenitic = Unsur Ni bersama

dengan C, Mn dan N

• Baja tahan karat ferritic = Cr ditambah Si, Mo dan

Nb

• Baja tahan karat martensitic

• Baja tahan karat duplex (austenitic-ferritic)

Struktur mikro stainless steel dapat diprediksi

berdasar komposisi kimia yaitu dengan

menggunakan diagram schaefflcr dimana unsur

penstabil austenite dan ferrite di plot dalam bentuk

Ni ekuivalen Cr ekuivalen

(41)

• Baja stainless steel dapat di las dengan baja lunak atau

baja karbon rendah

• Baja SUS 304 (0.08

–

0.1% C, 18-20% Cr dan 8-11% Ni

pada saat dilas cenderung menunjukkan gejala welt

decay atau sensitif karena korosi.

• Struktur mikro yang terbentuk pada pengelasan stainless

steel tidak dipengaruhi laju pendinginan setelah

pengelesan, tetapi oleh komposisi kimia baja tahan karat

• Pada umumnya struktur mikro baja tergantung kecepatan

pendinginan dari suhu austenit sampai suhu kamar, yang

juga mempengaruhi sifat-sifat mekanik

• Hubungan kecepatan pendinginan dan struktur mikro

digambarkan dalam diagram waktu-temperatur

–

continous cooling transformation

• Diagram ini digunakan untuk membahas pengaruh

struktur terhadap retak las, keuletan dan ketangguhan las

(42)

Heat Affected Zone

• Ketika pengelasan berlangsung, logam induk

disekitar logam las akan mengalami siklus

termal berupa pemanasan sampai mendekati

titik cair yang diikuti dengan pendinginan

• Struktur mikro dan sifat-sifat mekanis yang

terkandung mengalami perubahan

• Zona ini dinamakan heat affected zone

• Selain siklus termal, daerah ini dipengaruhi

oleh jenis perlakuan mekanis dan perlakuan

panas sebelum pengelasan

(43)

Body Centre Cubic (BCC)

Face Centre Cubic (FCC)

(44)

(45)

Istilah ilmu bahan

• Anil = pemanasan dalam waktu lama disusul dengan pendinginan terkendali untuk pelunakan

• = Pada anil penuh terbentuk austenit, kemudian baja didinginkan perlahan-lahan sehingga terbentuk perlit

• Austenit (γ) = besi kubik pemusatan sisi/ paduan besi KPS. Perlakuan panas untuk melarutkan karbon dalam besi KPS

• Baja eutektoid = baja dengan kandungan karbon yang memberikan perlit 100% sewaktu di anil

• Baja karbon = Paduan Fe-C dengan kandungan paduan minimal

• Baja paduan rendah = baja dengan kandungan paduan <5% selain karbon. Fasa keseimbangan berkaitan dengan diagram Fe-Fe₃C

• Baja tahan karat (stainless steel) = baja paduan tinggi (mengandung Cr atau Cr+Ni) yang dirancang khusus tahan korosi /dioksidasi

• Batas solubilitas = jumlah maksimum bahan yang larut tanpa terjadi kejenuhan

• Berat atom = massa atom dinyatakan dalam satuan massa atom (gram/mol)

• Berat jenis massa = massa di bagi volume total , termasuk pori

• Berat jenis sesungguhnya = massa di bagi volume sesungguhnya (volume tanpa pori)

• Berat molekul = masssa 1 molekul (sma), atau massa 9.6 x 1024 _molekul

(46)

• Besi cor = Paduan Fe – C, kaya karbon yang dapat menghasilkan cairan eutektik selama solidifikasi. Kadar karbon yang dapat larut dalam austenit >2%

• Besi cor kelabu = besi cor dengan serpih grafik yang bila patah mempunyai permukaan patah berwarna kelabu

• Besi cor mampu tempa = besi cor yang mengalami grafitisasi sesudah

solidifikasi. Grafit berbentuk klaster yang dikenal juga dengan karbon temper

• Besi cor modular/besi cor duktil = besi cor dengan grafit blat (spherulit) yang terbentuk selama solidifikasi

• Besi cor putih = besi cor dengan Fe₃C

• Diagram fasa = gambar daerah fasa yang stabil dengan dekomposisi dan lingkungan (temperatur) sebagai koordinat

• Diagram 1 fasa = diagram fasa yg mengandung larutan tak jenih tunggal

• Diagram 2 fasa = diagram fasa melampaui kurva batas kelarutan sehingga ada fasa kedua

• Deskomposisi austenit = reaksi euteletoid yang mengubah austenit menjadi (α + karbida)

(47)

• Fasa = bagian sistem bahan yang homogen secara fisis

• Ferit eutektoid = ferit yang terbentuk (bersama karbida) sewaktu terjadi dekomposisi austenit

• Ferit proeutektoid = ferit yang memisahkan diri dari austenit diatas temperatur eutektoid

• Ferit (α) = besi kubik pemusatan ruang

• Karbida (Ć) = senyawa logam dan karbon, biasanya karbida besi (Fe₃C)

• Komponen (fasa) = bahan kimia dasar yang diperlukan untuk membentuk campuran atau larutan kimia

• Komposisi eutektik = analisis fasa larutan cairan dengan temperatur pencairan minimum (pada perpotongan kurva solubilitas)

• Komposisi eutektoid = analisis fasa larutan padat dengan suhu

dekomposisi minimal (pada perpotongan dua kurva kelarutan padat)

• Kubik pemusatan ruang (kpr) = titik pusat kubus identik dengan titik sudut

• Kubik pemusatan sisi (kps)= pusat permukaan kubus identik dengan titik sudut kubus

• Martensit temper = struktur mikro dua fasa dari ferit dan karbida yang diperoleh dengan pemanasan martensit

(48)

• Pergeseran eutektoid = perubahan temperatur dan analisis

karbon reaksi eutektoid yang terjadi akibat penambahan unsur

paduan

• Perlit (

α+Ć) =

campuran ferit dan karbida berbentuk lamel yang

terjadi akibat dekomposisi austenit dengan komposisi eutektoid

• Presipitasi = pemisahan diri dari suatu larutan terlalu jenuh

• Reaksi fasa-padat = reaksi perubahan struktur mikro dalam

bahan padat; pertumbuhan butir, rekristalisasi, perubahan

polimorfi, larutan padat, presipitasi, dekomposisi entektoid dan

pembentukan martensit

• Solder (Pb-Sn) = logam mencair dibawah 425

0

_{C yang}

digunakan untuk penyambungan

• Solidus = tempat kedudukan temperatur, dibawahnya benda

padat yang stabil

(49)

Peleburan besi

❑

Berasal dari biji besi = persenyawaan besi dan zat

asam (oksida besi)

❑

Besi asal tambang berdasar kandungan bahan:

▪ Biji besi magnet oksida; mengandung bahan

magnet (Fe

₂

0

₄

), warna coklat, kadar besi 50%

▪ Biji besi haematite ; mengandung mineral

haematite (Fe

₂

O

₃

), warna coklat

kemerah-merahan, kadar besi 40-65%

(50)

❑

Sifat oksida besi berbeda dengan sifat unsur besi

❑

Memisahkan zat asam dari dari biji besi di gunakan dapur

tinggi ( tinggi 30 mtr, diameter 6 mtr)

❑

Terjadi proses peleburan, proses reduksi biji besi menjadi

besi

❑

Output = besi kasar kelabu dan besi kasar putih

❑

Besi kasar kelabu berasal dari biji besi yg mengandung

silisium, sifat mudah mencair dan mengalir

❑

Besi kasar putih berasal dari besi yg mengandung mangaan,

zat arang tetap terikat pada besi setelah membeku, kadar

(51)

Besi tuang

❑

Suhu cair besi rendah (1100s/d1200

o

_C)

namun keras dan rapuh = berasal dari biji

besi dengan kadar zat arang tinggi

❑

Silisium = Penambahannya digunakan untuk

menambah kekuatan benda dan

mempertinggi titik cair

❑

Fosfor = memudahkan penuangan namun

besi tuang jadi rapuh

(52)

Baja paduan

❑

Terbagi 3 =

▪ baja konstruksi,

▪ baja untuk alat-alat,

▪ baja spesial (baja anti karat dan baja tahan

panas

❑

Unsur paduan :

▪ Ferrite (Ni, Mn, Cr, Mo) = baja menjadi kuat dan

ulet

(53)

(54)

(55)

(56)

(57)

(58)

Diagram Pb-Sn. Menunjukkan komposisi fasa dan memungkinkan perhitungan kuantitas fasa campuran timah hitam-timah putih pada

sebarang suhu

Sn=Timah

(59)

(60)

Diagram AL₂O₃-ZrO₂. Garis likuiditas membatasi suhu terendah untuk bentuk cair. Garis solidus merupakan batas atas untuk bentuk padat.

(61)

Diagram SiO₂-Al₂O₃. Diagram fasa untuk bahan bukan logam

digunakan dengan diagram fasa logam. Perbedaan terletak pada waktu yang diperlukan untuk mencapai keadaan stabil. Bahan bukan logam

(62)

(63)

Diagram Ag –Cu (Paduan Pb – Sn). Pada 1500_{C, paduan 80 Pb}– ₂₀

Sn terdiri dari α dan β. Komposisi α ditentukan oleh kurva solubilitas.

Pada suhu ini (1500_{C), batas daya larut adalah 10% Sn (dan 90%Pb)}

(64)

(65)

(66)

(67)

(68)

(69)

(70)

(71)

(72)

(73)

(74)

(75)

(76)

(77)

(78)

(79)

(80)

(81)

(82)

(83)

(84)

(85)

(86)

(87)

(88)

(89)

(90)

(91)

(92)

(93)

(94)

• Besi dan baja sering diberi perlakuan panas agar memiliki struktr mikro yang kuat

• Baja berkuatan tinggi di peroleh dengan mengubah fasa austenit yang mengandung karbon dalam bentuk larutan pada temperatur tinggi, menjadi fasa martensit dengan pencelupan dingin pada temperatur rendah

• Martensit adalah larutan pada karbon yang mempunyai bentuk tetragonal

• Pencelupan dingin pada baja berkadar 0.4% C atau lebih mempunyai kekuatan mulur 1.700 Mpa atau lebih, tetapi bersifat getas dan baru dapat dipakai setelah diadakan penemperan untuk memperoleh keliatan walau kekuatan agak menurun.

• Martensit dikuatkan oleh unsur karbon. Penambahan Mn, Si, Ni, Cr, Mo dan unsur lain akan memperbaiki keras dan keuletan

(95)

(96)

Siklus suhu-waktu untuk menjelaskan proses perlakuan panas (Heat treating). Heat treating : Baja dipanaskan pada suhu yang tinggi untuk mengubah sifatnya.

Proses yang dilakukan : a. Penganilan (annealing) b. Normalisasi

c. Pengerasan (through-hardening) d. Celup dingin (quench)

e. Temper

f. Pengerasan kulit ( case hardening)

a. RT = suhu ruang normal

b. LC = suhu kritis dibawah dimana ferit mulai berubah menjadi

austenite selama pemanasan baja c. UC = suhu kritis atas, perubahan

berakhir. Pada baja dengan karbon sedang (0.3-0.5%) UC adalah