Sifat Mekanik Keramik

Keramik biasanya material yang kuat, dan keras dan juga tahan korosi.

Sifat-sifat ini bersama dengan kerapatan yang rendah dan juga titik lelehnya yang

tinggi, membuat keramik merupakan material struktural yang menarik.

Keterbatasan utama keramik adalah kerapuhannya, yakni kecenderungan untuk

patah tiba-tiba dengan deformasi plastik yang sedikit. Ini merupakan masalah

khusus bila bahan ini digunakan untuk aplikasi struktural.

Dalam logam, elektron-elektron yang terdelokalisasi memungkinkan atom-

atomnya berubah-ubah tetangganya tanpa semua ikatan dalam strukturnya putus.

Hal inilah yang memungkinkan logam terdeformasi di bawah pengaruh tekanan.

Tapi, dalam keramik, karena kombinasi ikatan ion dan kovalen, partikel-

partikelnya tidak mudah bergeser. Keramiknya dengan mudah putus bila gaya

yang terlalu besar diterapkan. Faktur rapuh terjadi bila pembentukan dan

propagasi keretakan yang cepat.

Sifat-sifat mekanik beberapa keramik teknik disajikan pada table dibawah.

Perhatikan bahwa kekuatan tegangan tarik mereka besarnya adalah sekitar satu

urutan lebih rendah daripada kekuatan kompresi. Alasan untuk ini adalah

kepekaan retak mereka, ketidakmurnian dan porositas. Menyebabkan cacat seperti

inisiasi dan propagasi retak di bawah tegangan tarik dan mengurangi kekuatan

tarik parah. Dengan demikian, reproduktifitas dan kehandalan (kinerja yang dapat

diterima selama periode waktu tertentu) adalah aspek penting dalam kehidupan

pelayanan komponen keramik.

1

Berikut ini adalah karekteristirk dari berbagai jenis keramik.

keramik secara umum berdampak kurangnya ketangguhan dan ketahanan

shock thermal karena kurangnya keuletan inheren; pertama dimulai, dari retakan

yang menjalar dengan cepat. Selain mengalami kegagalan fatik di bawah siklik

muatan, keramik (terutama kaca) memperlihatkan fenomena yang disebut

kelelahan statis. Ketika mengalami beban tarik statis selama periode waktu

tertentu, bahan bahan ini tiba-tiba mungkin gagal. Fenomena ini terjadi di

lingkungan di mana uap air hadir.

Kelelahan Statis, yang tidak terjadi dalam ruang hampa atau udara kering,

telah dikaitkan dengan suatu mekanisme yang mirip dengan stress corrosion

cracking dari logam. Komponen keramik yang akan dikenai tegangan tarik

mungkin dapat pra-tekan dalam banyak cara yang sama seperti beton pra-tekan.

Prestressing komponen keramik yang berbentuk subjek mereka untuk tekanan

kompresi.

2

Metode yang digunakan meliputi:

Perlakuan panas dan Perubahan kimia

Perlakuan Laser permukaan

Pelapisan dengan keramik yang memiliki koefisien ekspansi termal yang

berbeda

Penyelesaikan operasi Permukaan (seperti grinding) di mana akibat

tegangan tekan sisa pada permukaan

3

A. POROSITAS

Porositas adalah kemampuan badan tanah liat yang telah dibakar untuk

menyerap air melalui pori-pori. Tingkat porositas dapat dihitung melalui proses

perebusan dan perendaman benda uji di waktu tertentu. Uji porositas yaitu

kegiatan pengujian untuk mengetahui tingkat penyerapan air suatu benda uji dari

massa tanah liat yang telah dibakar. Daya penyerapan terhadap air pada benda

dengan pori-pori banyak atau porositas besar akan besar, sebaliknya, bila benda

uji mengalami proses “vitrifikasi” hingga padat dan tidak berpori lagi, maka daya

serap mendekati nol.

Secara umum porositas ada dua jenis yang dapat dibedakan satu sama lainnya.

1. Porositas semu (apparent porosity), yaitu perbandingan volume renik

terbuka dan volume total.

2. Porositas total, yaitu perbandingan jumlah antara volume remik terbuka

dan renik tertutup terhadap volume totalnya.

Hubungan antara Porositas dan Suhu Pembakaran

Di dalam massa tanah liat plastis terdapat pori-pori atau celah di antara partikel-

partikelnya. Pori-pori ini berisi air plastisitas yang sewaktu-waktu dapat keluar

dan masuk tergantung pada udara sekeliling. Pada suhu pembakaran 6000C, pori-

pori kosong karena plastisitas menguap, saat suhu pembakaran dinaikkan melebihi

6000C, bahan-bahan felspatik berfungsi sebagai fluks, yaitu bahan yang dapat

menurunkan titik matang tanah liat. Akibatnya bahan-bahan silika mencair dan

mulai memasuki pori-pori yang kosong dengan disertai penyusutan volume.

Semakin besar susut massa tanah liat, semakin sedikit dan kecil ukuran pori-pori.

Peleburan bahanbahan silikat akibat fluks berlanjut sampai semua pori-pori terisi

hingga porositas menjadi nol dan menjadi kedap air.

Dari uraian di atas dapat disimpulkan bahwa pada setiap kenaikan suhu

pembakaran akan terjadi perubahan volume atau penyusutan yang  berpengaruh

pada kekuatan dan porositas benda yang dibakar. Dengan kata lain, semakin tinggi

suhu bakar, badan tanah akan semakin kuat dan  semakin kecil porositasnya. Pada

titik “vitrifikasi”, pembakaran dianggap telah selesai dengan kekuatan yang

maksimal dan porositas yang minimal.

4

Proses Pengujian Porositas

Proses pengujian porositan badan tanah liat adalah sebagai berikut :

1. Timbang masing-masing benda uji yang telah dibakar pada tiga suhu bakar dari

semua formula yang dibuat dalam keadaan kering.

2. Masukkan benda uji tersebut ke dalam baskom plastik dan biarkan benda uji

terendam di dalam air tersebut selama 24 jam.

3. Ambil semua benda uji yang basah dan hapus dengan busa yang lembab.

Kemudian timbang lagi benda uji yang baru direndam. Perhitungan hasil

timbangan sebagai berat basah. Hitung porositas masing-masing benda uji dari

tiga suhu bakar yang berbeda dengan menggunakan rumus sebagai berikut :

Catat hasil perhitungan dari benda uji dari tiga suhu bakar yang berbeda,

kemudian bandingkan porositas benda uji untuk masing-masing suhu bakar yang

berbeda tersebut dan simpulkan.

5

B. Kekasaran Permukaan Keramik

Salah satu factor yang mempengaruhi struktur dan kekuatan keramik

adalah kehalusan permukaannya. Pada umumnya bentuk permukaan adalah

kasar, bergelombang dan rata. Pengukuran kekasaran permukaan keramik

dapat ditentukan dengan cara memperhatikan persamaan gelombang yang

dibentuk keramik ketika dialiri dengan gelombang elektromagnetik.

Pengukuran ini dapat dilakukan secara praktis susunan permukaan yang

baik dan tidak beraturan, dikatakan gelombang-gelombang dari frekuensi

tinggi (panjang gelombang yang kecil) dan frekuensi rendah (panjang

gelombang besar). Dari factor-faktor diatas dinyatakan, bahwa jika panjang

gelombangnya agak kecil menunjukkan sampel adalah kasar dan jika

panjangnya besar, menunjukkan bahwa permukaan sampel adalah halus.

C. Kekerasan

Kekerasan didefinisikan sebagai ketahanan bahan terhadap penetrasi pada

permukaannya, atau ukuran tahanan terhdap deformasi permukaan bahan.

Cara pengukuran kekasaran dapat ditetapkan dengan deformasi yang berbeda-

beda yaitu kekerasan Mohr, Brinnel, Vickers, Rockwell. Dan Knop Kekerasan

Brinnel adalah suatu indeks kekerasaan yang dihitung dari luasan lekukan

yang ditimbulkan oleh penekan bulat yang besar. Lekukan ini ditimbulkan

oleh bola baja karbida. Ada tiga cara melakukan pengukura kekerasan

tergantung cara pengujiannya, yaitu;

1. Kekuatan goresan (sctrach hardness)

2. Kekerasan lekukan ( indentation hardness)

3. Kekerasan pantulan atau kekerasan dinamik

6

1. Rockwell Hardness Test

Rockwell hardness test merupakan metode untuk menentukan

kekerasan dengan cara mengukur kedalaman penetrasi suatu indenter yang

diberi beban besar ke material yang diuji dan dibandingkan dengan beban

pertama. Nilai kekerasan tidak memiliki unit dan umumnya ditentukan

dalam R, L, M, E dan K skala untuk logam atau bahan yang lunak.

Semakin tinggi peringkat skalanya berarti semakin keras materialnya.

Indenter untuk metode rockwell bisa berupa bola baja dengan diameter

tertentu atau berlian tip berbentuk kecrucut dengan sudut 120o dan

diameter alasnya 0,2 mm yang disebut Brale. Ada beberapa skala yang

digunakan, biasanya disimbolkan dengan huruf tunggal, untuk

menunjukkan beban atau indenter yang berbeda (A, B, C, dll).

Berikut ini adalah prinsip uji kekerasan rockwell:

HR = E - e

F0 = beban minor awal dalam kg;

F1 = beban mayor tambahan dalam kg;

F = total beban dalam kg;

e = penambahan kedalaman penetrasi akibat beban F1 diukur dalam satuan

0.002mm;

E = konstanta, tergantung bentuk indenter: 100 untuk indenter diamond,

130 untuk indenter bola baja;

7

HR = Rockwell Hardness Number;

D = diameter bola baja.

2. Brinell Hardness Test

Brinell hardness test ditentukan dengan menekankan baja keras

atau massa karbida yang memiliki diameter yang spesifik dengan beban

yang spesifik ke permukaan suatu material dan mengukur diameter

indentasi setelah pengujian. Brinell Hardness Number, atau

disederhanakan dengan Brinnel Number, diperoleh dengan membagi

beban yang digunakan dalam kilogram dibagi dengan luas permukaan

lekukan dalam mm2. Untuk metal dan alloy yang digunakan di kedokteran

gigi, pengujiannya biasa menggunakan bola baja berdiameter 1,6 mm

sebagai indenter dengan beban sebesar 3.000 kgf.3 Indentasi diukur dan

kekerasannya dikalkulasikan sebagai berikut:

Dimana:

P= tekanan yang diberikan (kgf)

D= diameter indenter (mm)

d= diameter indentasi (mm

Gambar Prinsip uji kekerasan Brinnell13

8

3. Vickers Hardness Test

Vickers hardness test dilakukan dengan cara menekankan diamond

indenter ke material yang akan diuji Indenter berbentuk piramid dengan

basis berbentuk persegi dan sudut yang terbentuk antara sisi yang

berlawanan sebesar 136o dan beban sebesar 1-120 kg3. Beban ditekankan

selama 10-15 detik. Indentasi akan meninggalkan bekas pada material

yang diuji berupa dua garis diagonal dan diukur menggunakan

mikroskop.11

Angka Vickers Hardness diperoleh dengan rumus:

Keterangan:

F = Beban dalam kg

D = jumlah aritmatika dari dua diagonal, d1 dan d2 (mm)

Gambar 3. Prinsip uji kekerasan Vicker

9

D. Pengujian Tarik

Pengujian tarik adalah pengujian mekanik secara statis dengan cara sampel

ditarik dengan pembebanan pada kedua ujungnya, dimana gaya tarik yang

diberikan sebesar F Newton. Sifat mekanik yang dapat diamati pada pengujian

tarik adalah : kekuatan tarik, prtambahan panjang dan kekuatan tarik

maksimum.

Pertambahan panjang yang terjadi akibat gaya yang diberikan pada sampel

disebut deformasi. Perbandingan pertambahan panjang dengan panjang mula-

mula disebut regangan. Regangan (ε) ini juga merupakan ukuran kekenyalan

suatu bahan yang harganya biasa dinyatakan dalam persen (%).

ε =

Δll0 x 100 % =

l−l0

l0 x 100 %

Dengan :

ε = Regangan (%)

Δl = Pertambahan panjang (mm)

l0 = Panjang mula-mula (mm)

l = Panjang akhir (mm)

Perbandingan kakas pada sampel terhadap luas penampang lintang pada

saat pemberian kakas tersebut disebut tegangan (stress). Tegangan tarik

maksimum atau kekuatan tarik (tensile strength) suatu bahan ditetapkan

dengan membagi kakas tarik maksimum dengan luas penampang mula-mula.

Persamaannya sebagai berikut :

σ m=Fm

A0

Dengan :

σ m = Kekuatan tarik maksimum(N/m2)

Fm = Gaya tarik maksimum (N)

A0 = Luas penampang mula-mula (m2)

10

Karena Ao dan Io merupakan besaran konstan maka bentuk diagram σ vs ε

serupa dengan hubungan P vs Δl yang dihasilkan oleh mesin tarik. Berikut ini

gambar grafik hubungan antara tegangan(σ) dengan regangan (ε).

Tegangan (σ )

B

σ m

σ u C

σ p

O ε ε u ε u Regangan (ε )

Gambar Kurva Tegangan – Regangan

Grafik ini menunjukkan bahwa dari bagian awal kurva tegangan–

regangan mulai dari titik O sampai A merupakan daerah elastis, dimana daerah ini

berlaku hukum Hooke. Titik A merupakan batas plastis yang didefenisikan

sebagai tegangan terbesar yang dapat ditahan oleh suatu bahan tanpa mengalami

regangan permanen apabila beban ditiadakan. Dengan demikian, apabila beban

ditiadakan disembarang titik O dan A, kurva akan menelusuri jejaknya kembali

dan bahan yang bersangkutan akan kembali ke panjang awalnya. Titik B

merupakan tegangan tarik maksimum yang masih bisa ditahan oleh bahan. Titik C

merupakan titik putus/patah. Penambahan beban sehingga melampaui titik A akan

sangat menambah regangan sampai tercapai titik C dimana bahan menjadi putus.

Dari titik A sampai C dikatakan bahan mengalami deformasi plastis. Jika jarak

11

titik O dan A besar, maka bahan itu dikatakan kenyal (ductile). Jika pemutusan

terjadi segera setelah melewati batas elastis maka bahan itu dikatakan rapuh. Pada

daerah antara titik O dan A berlaku Hooke dan besarnya modulus elastisitas pada

daerah ini dapat ditulis dengan persamaan :

E = σε

dengan : E adalah modulus elastisitas atau modulus Young

Modulus young adalah ukuran suatu bahan yang diartikan ketahanan

material tersebut terhadap deformasi elastik. Makin besar modulusnya, maka

semakin kecil regangan elastik yang dihasilkan akibat pemberian tegangan

(Simatupang, 2008).

Kekuatan tarik keramik polikristalin meningkat dengan menurunnya

ukuran butir dan porositas. Hubungan ini diwakili sekitar oleh peryataan

UTS = UTS0e-np

Di mana P adalah fraksi volume pori-pori di padat (dengan demikian, jika

porositas 15%, maka P = 0,15), UTS adalah kekuatan tarik pada porositas nol, dan

eksponen n berkisar antara 4 dan 7,

modulus elastisitas keramik adalah kira-kira terkait ke porositas oleh peryataan.

E = Eo (1-1.9P+0.9P2) (8.2)

Di mana E0 adalah modulus porositas nol.

Sumber :

12

Budiyanto, Wahyu Gatot dkk, 2008, Kriya Keramik untuk SMK Jilid 2,

Jakarta : Pusat Perbukuan Departemen Pendidikan Nasional, h. 180 – 182.

Prof. Drs. Motlan,Msc,PH.D, 2010, Fisika Material, Medan: Universitas

Negeri Medaan.

www.wikipedia.com

13