Makalah Material Teknik

download Makalah Material Teknik

If you can't read please download the document

description

Makalah Material Teknik

Transcript of Makalah Material Teknik

  • 1

    BAB I

    PENDAHULUAN

    1. Material

    adalah sesuatu yang disusun/dibuatoleh bahan. Material digunakan untuk transportasi

    hingga makanan Ilmu material/bahan merupakan pengetahuan dasar tentang struktur, sifat-

    sifat dan pengolahan bahan.

    Jenis Material

    ulet, mudah dibentuk dan bersifat penghantar panas dan listrik yang baik

    kerapatan rendah, penghantar panas dan listrik buruk dan mudah dibentuk

    merupakan ganbungan dari dua bahan atau lebih yang masing-masing sifat tetap.

    Pengetahuan Material Teknik Dasar

    Didalam industri manufaktur tidak akan lepas dengan satu bidang ilmu teknik yang

    berhubungan dengan material. Secara umum material teknik diklasifikasikan menjadi 2

    golongan yakni :

    1. Metal (logam)

    2. Non Metal (bukan logam)

    Metal (logam)

    Jika ditinjau dari sudut pandang susunan unsur dasar, metal (logam) dibagi menjadi 2, yakni :

    1.1 Logam murni (hanya terdiri satu jenis atom saja), contoh : besi (Fe) murni, tembaga (Cu)

    murni

    1.2 Logam paduan atau metal alloy (terdiri dari dua atau lebih jenis atom)

    Logam paduan dibedakan menjadi 3 jenis :

    a. Larut padat interstisi (menyisip), yaitu : suatu paduan yang terjadi bila atom yang

    larut mempunyai diameter yang jauh lebih kecil daripada yang dilaruti, contoh : Pada

    baja Carbon yang mengalami Nitriding dimana atom Fe (yang dilaruti) mempunyai

    diameter atom lebih besar bila dibandingkan dengan atom N (yang larut) dengan

    diameter lebih kecil sehingga menyisip diantara atom Fe.

    b. Larut Padat Subtitusi (menggantikan posisi yang dilaruti), yaitu : suatu paduan yang

    terjadi terutama bila diameter atom yang larut hampir sama dengan diameter atom

    yang dilaruti, contoh : Pada paduan alumunium (diameter atom Al dan diameter atom

  • 2

    Cu hampir sama), pada stainless steel (diameter atom Fe dan diameter atom Cr hampir

    sama), dll.

    c. Senyawa, yaitu : suatu paduan yang terjadi karena adanya ikatan atom yang sangat

    kuat, contoh : NaCl (Senyawa garam).

    Metal juga dapat diklasifikasikan menjadi jenis, yakni :

    a. Ferrous (besi)

    b. Non Ferrous (bukan besi), contoh : Al dan paduannya, Ni dan paduannya, dll.

    Ferrous (besi)

    a. Wrought Iron (besi tempa)

    Fasa besi tempa berupa ferit (alpha), didalamnya terdapat sisa terak yang masih

    terperangkap. Terak tersebut banyak mengandung silikat (silikon oksida), bentuknya

    menyerupai fiber (cukup kuat). Sifat dari besi tempa ini Ulet dan cukup kuat. Contoh

    komposisi dari besi tempa :

    - Carbon : 0.06%

    - Mangaan : 0.045%

    - Silicon : 0.101%

    - Phospor : 0.068%

    - Sulfur (belerang) : 0.009%

    - Terak (dalan berat) : 1.97%

    Besi tempa digunakan pada bangunan kereta api, bangunan kapal laut, industri

    minyak, tujuan arsitektur, perlengkapan pertanian, dll. Umumnya, pembuatan dari besi tempa

    ini menggunakan dapur puddle (dapur aduk)

    b. Steel (Baja)

    Baja (Steel) digolongkan menjadi 2, yakni :

    2.1 Carbon steel (baja karbon)

    Baja karbon dapat digolongkan menjadi 3 macam, yakni :

    -Baja karbon rendah [Kadar Carbon antara 0,1% hingga 0,20%]

    -Baja Karbon sedang [Kadar Carbon antara 0,25% hingga 0,55%]

    -Baja Karbon tinggi [Kadar Carbon antara 0,55% hingga 1,75%]

    Pembagian baja karbon yang lain yakni : baja hipoeutektoid [Kadar Carbon Kurang dari

    0,8%], baja eutektoid [Kadar Carbon 0,8%] dan baja hipereutektoid [Kadar Carbon lebih dari

    0,8%]. Fasa-fasa padat yang ada didalam baja :

  • 3

    a) Ferit (alpha) : merupakan sel satuan (susunan atom-atom yang paling kecil dan

    teratur) berupa Body Centered Cubic (BCC=kubus pusat badan), Ferit ini mempunyai

    sifat : magnetis, agak ulet, agak kuat, dll.

    b) Autenit : merupakan sel satuan yang berupa Face Centered Cubic (FCC =kubus pusat

    muka), Austenit ini mempunyai sifat : Non magnetis, ulet, dll.

    c) Sementid (besi karbida) : merupakan sel satuan yang berupa orthorombik, Semented

    ini mempunyai sifat : keras dan getas.

    d) Perlit : merupakan campuran fasa ferit dan sementid sehingga mempunyai sifat Kuat.

    e) Delta : merupakan sel satuan yang berupa Body Centered Cubic (BCC=kubus pusat

    badan).

    2.2 Alloy steel (baja paduan)

    Sebenarnya perbedaan mendasar dari baja karbon dengan baja paduan terletak pada

    dominasi atas unsur dalam suatu baja. Jika yang mendominasi sifat fisik dan mekanik adalah

    prosentase atau kadar karbon maka dapat disebut sebagai baja karbon sedang bila yang

    mendominasi sifat fisik dan mekanik adalah paduan (selain unsur karbon) maka dapat disebut

    sebagai baja paduan. Baja paduan dapat diklasifikasikan menjadi :

    a. Baja paduan rendah, yaitu : bila jumlah unsur tambahan selain karbon lebih kecil dari 8%,

    misalnya : suatu baja terdiri atas 1,35%C; 0,35%Si; 0,5%Mn; 0,03%P; 0,03%S; 0,75%Cr;

    4,5%W [Dalam hal ini 6,06%

    b. Baja paduan tinggi, yaitu : bila jumlah unsur tambahan selain karban lebih dari atau sama

    dengan 8%, misalnya : baja HSS (High Speed Steel) atau SKH 53 (JIS) atau M3-1 (AISI)

    mempunyai kandungan unsur : 1,25%C; 4,5%Cr; 6,2%Mo; 6,7%W; 3,3%V.

    Tujuan utama dari penambahan unsur paduan sebenarnya untuk memperbaiki sifat-

    sifatnya seperti : kekuatan tarik, kekuatan impak, ketahanan korosi, ketahanan panas, dll.

    Pada baja HSS (contoh diatas) mempunyai sifat keras, ulet, tahan temperatur tinggi, dll.

    2.3 Cast iron (besi cor)

    Umumnya besi cor akan mengandung unsur Fe dan C [3,5% - 4,3%]. Besi cor,

    diklasifikasikan menjadi :

    a. Besi cor putih (white cast iron) Besi cor putih mempunyai fasa sementid+perlit sehingga

    mempunyai sifat keras dan getas.

    b. Besi cor kelabu (grey cast iron) Unsur penyusun dari besi cor kelabu yakni : Fe + C +

    Silikon (Si). Adanya penambahan unsur Si (Silikon) bertujuan untuk mengurai Sementid

    menjadi Fe (ferit atau perlit) dan C (grafit). Bentuk grafitnya berupa serpih sehingga

    secara sederhana dapat dikatakan bahwa fasa besi cor kelabu berupa ferit/perlit + grafit

  • 4

    serpih dengan sifat : agak getas yang dikarenakan ujung-ujung grafit berbentuk serpih

    tajam, akibatnya konsentrasi tegangan tinggi sehingga mudah patah. Contoh penggunaan

    besi cor kelabu pada konstruksi mesin jahit, blok mesin, lampu hias, mesin bubut, pagar,

    dll. Keistimawaan besi cor kelabu terhadap baja yakni : mampu meredam getaran.

    c. Besi cor bergrafit bulat (ductile cast iron atau noduler cast iron) Unsur penyusun dari besi

    cor bergrafit bulat yakni : Fe + C + Si + Mg / Ce. Penambahan Mg atau Ce bertujuan

    cor bersifat ulet). Contoh penggunaan besi cor bergrafir bulat pada kontruksi penjepit rel

    kereta api, batang torak kompresor, dll.

    d. Besi cor mampu tempa (malleable cast iron) Untuk membuat besi cor mampu tempa

    dapat dibuat dengan memanaskan besi cor putih hingga mencapai suhu 700 Derajat

    Celcius selama 30 Jam. Hal ini bertujuan agar sementid terturai menjadi Fe (ferit) dan C

    (grafit). Grafit yang dihasilkan berbentuk pipih. Contoh penggunaan besi cor mampu

    tempa pada spare part yang berukuran kecil-kecil.

    Non Metal

    Dikategorikan menjadi 3 jenis yakni : Polimer, Komposit dan keramik. Keramik merupakan

    senyawa-senyawa dari karbida dan oksida logam atau oksida metaloid (Si). Perbedaan logam

    dengan polimer yakni bahwa logam mempunyai butir-butir (kristal-kristal) sedang polimer

    terdiri dari mer-mer (molekul-molekul) yang berikatan satu dengan lainnya. Butir (kristal)

    adalah kumpulan atom-atom yang mempunyai orientasi atau arah yang sama.

  • 5

    BAB II

    PEMBAHASAN

    A. Klasifikasi Material Teknik:

    Secara garis besar material teknik dapat diklasifikasikan menjadi :

    1. Material logam

    2. Material non logam

    Berdasarkan pada komposisi kimia, logam dan paduannya dapat dibagi menjadi dua golongan

    yaitu:

    1. Logam besi / ferrous

    2. Logam non besi / non ferrous

    Logam-logam besi merupakan logam dan paduan yang mengandung besi (Fe) sebagai unsur

    utamanya.

    Logam-logam non besi merupakan meterial yang mengandung sedikit atau sama

    sekali tanpa besi. Dalam dunia teknik mesin, logam (terutama logam besi / baja) merupakan

    material yang paling banyak dipakai, tetapi material-material lain juga tidak dapat diabaikan.

    Material non logam sering digunakan karena meterial tersebut mempunyai sifat yang khas

    yang tidak dimiliki oleh material logam.

    Material non logam dapat dibedakan menjadi beberapa golongan, yaitu:

    1. Keramik

    2. Plastik (polimer)

    3. Komposit

    a. Keramik

    Material keramik merupakan material yang terbentuk dari hasil senyawa (compound)

    antara satu atau lebih unsur-unsur logam (termasuk Si dan Ge) dengan satu atau lebih unsur-

    unsur non logam. material jenis keramik semakin banyak digunakan, mulai berbagai abrasive,

    pahat potong, batu tahan api, kaca, dan lain-lain, bahkan teknologi roket dan penerbangan

    luar angkasa sangat memerlukan keramik.

  • 6

    SIFAT MEKANIK KERAM IK

    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.

    Aplikasi struktural keramik maju termasuk komponen untuk mesin mobil dan struktur

    pesawat. Misalnya, TiC mempunyai kekerasan 4 kali kekerasan baja. Jadi, kawat baja dalam

    struktur pesawat dapat diganti dengan kawat TiC yang mampu menahan beban yang sama

    hanya dengan diameter separuhnya dan 31 persen berat. Semen dan tanah liat adalah contoh

    yang lain, keduanya dapat dibentuk ketika basah namun ketika kering akan menghasilkan

    objek yang lebih keras dan lebih kuat. Material yang sangat kuat seperti alumina (Al2O3) dan

    silikon karbida (SiC) digunakan sebagai abrasif untuk grinding dan polishing.

    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. Dalam

    padatan kristalin, retakan tumbuh melalui butiran (trans granular) dan sepanjang bidang

    cleavage (keretakan) dalam kristalnya. Permukaan tempat putus yang dihasilkan mungkin

    memiliki tekstur yang penuh butiran atau kasar. Material yang amorf tidak memiliki butiran

    dan bidang kristal yang teratur, sehingga permukaan putus kemungkinan besar mulus

    penampakannya.

    Kekuatan tekan penting untuk keramik yang digunakan untuk struktur seperti

    bangunan. Kekuatan tekan keramik biasanya lebih besar dari kekuatan tariknya. Untuk

    memperbaiki sifat ini biasanya keramik di-pretekan dalam keadaan tertekan. Sifat Hantaran

    Listrik.

    Sifat listrik bahan keramik sangat bervariasi. Keramik dikenal sangat baik sebagai

    isolator. Beberapa isolator keramik (seperti BaTiO3) dapat dipolarisasi dan digunakan

    sebagai kapasitor.

  • 7

    Keramik lain menghantarkan elektron bila energi ambangnya dicapai, dan oleh karena

    itu disebut semikonduktor. Tahun 1986, keramik jenis baru, yakni superkonduktor temperatur

    kritis tinggi ditemukan. Bahan jenis ini di bawah suhu kritisnya memiliki hambatan = 0.

    Akhirnya, keramik yang disebut sebagai piezoelektrik dapat menghasilkan respons listrik

    akibat tekanan mekanik atau sebaliknya.

    Sering pula digunakan bahan yang disebut dielektrik. Bahan ini adalah isolator yang

    dapat dipolarisasi pada tingkat molekular. Material semacam ini digunakan untuk menyimpan

    muatan listrik.

    Kekuatan dielektrik bahan adalah kemampuan bahan tersebut untuk menyimpan

    elektron pada tegangan tinggi. Bila kapasitor dalam keadaan bermuatan penuh, hampir tidak

    ada arus yang lewat. Namun dengan tegangan tinggi dapat mengeksitasi elektron dari pita

    valensi ke pita konduksi. Bila hal ini terjadi arus mengalir dalam kapasitor, dan mungkin

    disertai dengan kerusakan material karena meleleh, terbakar atau menguap. Medan listrik

    yang diperlukan untuk menghasilkan kerusakan itu disebut kekuatan dielektrik. Beberapa

    keramik mempunyai kekuatan dielektrik yang sangat besar.Porselain misalnya sampai 160

    kV/cm. Sebagian besar hantaran listrik dalam padatan dilakukan oleh elektron. Di logam,

    elektron penghantar dihamburkan oleh vibrasi termal meningkat dengan kenaikan suhu, maka

    hambatan logam meningkat pula dengan kenaikan suhu.

    Sebaliknya, elektron valensi dalam keramik tidak berada di pita konduksi, sehingga

    sebagian besar keramik adalah isolator. Namun, konduktivitas keramik dapat ditingkatkan

    dengan memberikan ketakmurnian. Energi termal juga akan mempromosikan elektron ke pita

    konduksi, sehingga dalam keramik, konduktivitas meningkat (hambatan menurun) dengan

    kenaikan suhu.

    Beberapa keramik memiliki sifat piezoelektrik, atau kelistrikan tekan. Sifat ini

    merupakan bagian bahan "canggih" yang sering digunakan sebagai sensor. Dalam bahan

    piezoelektrik, penerapan gaya atau tekanan dipermukaannya akan menginduksi polarisasi dan

    akan terjadi medan listrik, jadi bahan tersebut mengubah tekanan mekanis menjadi tegangan

    listrik. Bahan piezoelektrik digunakan untuk tranduser, yang ditemui pada mikrofon, dan

    sebagainya.

    Dalam bahan keramik, muatan listrik dapat juga dihantarkan oleh ion-ion. Sifat ini

    dapat diubah-ubah dengan merubah komposisi, dan merupakan dasar banyak aplikasi

    komersial, dari sensor zat kimia sampai generator daya listrik skala besar. Salah satu

    teknologi yang paling prominen adalah sel bahan bakar. Kemampuan penghantaran ion

    didasarkan kemampuan keramik tertentu untuk memungkinkan anion oksigen bergerak,

  • 8

    sementara pada waktu yang sama tetap berupa isolator. Zirkonia, ZrO2, yang distabilkan

    dengan kalsia (CaO), adalah contoh padatan ionik.

    Serbuk Keramik Silikat

    Efek Domino pada Pemrosesan Keramik Sesuai dengan sifat alami keramik, bahan

    baku keramik yang digunakan untuk produksi mempunyai banyak kendala yang

    mempengaruhi pada sifat akhir benda jadi dibandingkan dengan kelompok bahan lain misal

    logam atau polimer. Hal ini dikarenakan tidak terdapat tahapan penghalusan lanjut untuk

    keramik, tidak seperti logam (peleburan pembekuan deformasi plastik). Pada dasarnya,

    -sempurnaan pada bahan baku

    diperbanyak kedalam pembesaran ketidak-sempurnaan dalam produk yang disinter.

    Efek domino ini menekankan ketergantungan dari sifat akhir produk keramik dalam

    karakteristik semua tahapan pemrosesan, dan secara umum dalam karakteristik bahan baku,

    secara harfiah bila terdapat kesalahan dalam satu tahap pemrosesan keramik maka akan

    mempengaruhi secara nyata hasil akhir keramiknya.

    Mineralogi Keramik

    Keramik secara tradisional berdasar pada mineral oksida, atau mineral-mineral lain

    dimana dapat berubah menjadi oksida-oksida luluh, seperti hidroksida, karbonat, sulfida,

    halida, phospatat dll. Mineral-mineral ini merupakan gabungan dari sebagian besar unsur

    yang ada dipermukaan bumi ini. Bagaimanapun juga, berkenaan dengan keunggulan oksigen

    dalam kerak bumi, hampir setengah unsur yang telah dikenali terjadi secara normal sebagai

    oksida, biasanya oksida kompleks seperti silikat. Struktur silikat meliputi sejumlah besar

    unsur-

    dari dunia ini adalah -unsur relatif besar dimana sering terdapat dalam

    keramik meliputi: O, Al, Si, Ca, Mg, Ti, Na, K. Hal ini menarik untuk dicatat, bahwa

    beberapa keramik penting menunjukkan konsentrasi yang agak tinggi pada air laut.

    Sungguh, sebagian besar MgO dengan kemurnian tinggi (suatu bahan tahan api yang

    penting) sekarang ini disediakan dari air laut. Bagaimanapun juga, sebagian besar mineral

    penting dalam keramik berasal dari transformasi batu beku dari perapian (igneous rock),

    seperti halnya granit atau basal dimana kristal terbentuk dari magma (siapa tahu lumpur

    -batu ini adalah silikat

    kompleks, dimana komposisi dapat menggambarkan kandungan dari oksida biner sederhana

    seperti silika, alumina, alkali dll.

  • 9

    Silika, oksida yang relatif besar di Bumi (62% berat dari kerak kontinental Bumi)

    adalah dasar dari klasifikasi ini. Batu dengan proporsi SiO2 yang tinggi (dan biasanya

    mengandung alumina yang tingi, dimana merupakan komponen kedua terbesar di kerak

    Bumi, mengandung 16% berat) dikenal dengan nama asidik (acidic), dan dengan silika

    rendah (dan biasanya mengandung magnesia yang tinggi {[3,1% dari kerak bumi] dan/atau

    kalsia [5,7% dari kerak bumi]): didefinisikan sebagai dasar

    Alumina agak tidak umum dalam batuan dasar, dan sebaliknya: magnesia adalah tidak

    umum dalam batuan asidik. Hal ini sangat menguntungkan untuk produksi bahan tahan api

    khususnya: kontaminasi silang dari batuan dasar dan asidik akan menyebabkan kehilangan

    ketahanan api yang signifikan, yaitu secara signifikan menurunkan titik lebur yang

    mengkontaminasi bahan.

    Kristalisasi dari batuan beku dari perapian menjadikan formasi dari silikat dan

    mineral-mineral lain penting dalam pemrosesan keramik. Istimewanya, hal ini dipercaya

    dimana kerusakan dari beberapa silikat, diikuti dengan sedimentasi, membentuk formasi

    mineral tanah liat.Bahan baku dasar untuk keramik tradisional termasuk lempung, silika

    SiO2, dan Fledspars (K, Na) AlSi3O8, dan beberapa industri kimiawi lain. Tidak ada

    mineral-mineral yang digunakan dalam pemrosesan tradisional keramik dapat diperlakukan

    formula kimia. Sebagai contoh, kandungan silika pada lepung Kaolin secara umum bervariasi

    pada 45% berat sampai 50% berat, dan alumina 35 % berat sampai 40% berat. Keseimbangan

    dipengaruhi oleh komponen yang mudah menguap (air dan organiks), dari 10% berat sampai

    15% berat. Jumlah ini dapat dibandingkan dengan formula kimiawi ideal dari mineral-

    mineral silikat terpilih berikut:

    Mineral Formula Kimia Ideal Kaolinit Al2(Si2O5)(OH)4

    Halosit Al2(Si2O5)(OH)4 2H2O

    Piropillit Al2(Si2O5)2(OH)2

    Monmorilonit (Al1,67 Na0,33 Mg0,33)(Si2O5)2(OH)2

    Mika Al2K(Si1.5Al0,5)2 (OH)2

    Ilit Al2-xMgxK-1-x-y(Si1,5-yAl0.5+YO5)2(OH)2

    Pemrosesan Mineral

    Teknik modern dan keramik unggul membutuhkan serbuk kemurnian tinggi dimana

    akan sangat menguntungkan dan mempunyai karakteristik tertentu (keuntungan dijabarkan

    dalam seluruh proses penggilingan (milling) dan klasifikasi prosedur serbuk keramik). Salah

  • 10

    satu kemungkinan klasifikasi dari bahan baku keramik berhubungan dengan teknik

    pemrosesan maju/unggul yaitu:

    Mineral mentah (crude minerals): tanah liat (gerabah, ubin, bola, bentonit), serpihan, bauksit

    mentah, kianit mentah.

    Mineral Industri: bola lempung dimurnikan, kaolin, bentonit dimurnikan, piropilit,

    flint), kianit, bauksit, sirkon, rutil, bijih krom, kaolin kalsinasi, dolomit, dan banyak lagi yang

    lain

    Industri Kimia: alumina kalsinasi (dari proses Bayer), magnesia kalsinasi (dari air laut),

    alumina fusi, magnesia fusi, silikon karbida (proses Acheson), abu soda, barium karbonat,

    titania, titaniat kalsinasi, oksida besi, ferit kalsinasi, sirkonia kalsinasi stabil, pigmen sirkonia,

    pigmen sirkon kalsinasi.

    Operasi peremukan dan penggerindaan awal pada deposit mineral ditujukan

    membebaskan komponen yang tidak dikehendaki (ketidak-murnian, organik) dengan

    menempatkan dan/atau pemisahan magnetik, dan pengumpulan partikel-halus mineral murni

    (misal lempung) dengan pengambangan (floating). Secara alami, lempung hasil proses

    mempunyai variasi yang lebar dalam komposisi dan ukuran partikel, tergantung pada lokasi

    dan pemrosesan mineral. Sebagai contoh, salah satu pencemar yang paling tidak dikehendaki

    dalam kaolin adalah oksida besi, dimana akan secara efektif menghitamkan barang yang

    putih. Kaolin Georgia kualitas tinggi dikenal akan kemurniannya (rendah besi) dan sifat

    perapian putih bagus. Bola lempung pada umumnya lebih banyak mengandung bahan organik

    b. POLIMER

    Plastik (polimer) adalah material hasil rekayasa manusia, merupakan rantai molekul

    yang sangat panjang dan banyak molekul MER yang saling mengikat. Pemakaian plastik juga

    sangat luas, mulai peralatan rumah tangga, interior mobil, kabinet radio/televisi, sampai

    konstruksi mesin.

    Istilah polimer digunakan untuk menggambarkan bentuk molekul raksasa atau rantai

    yang sangat panjang yang terdiri atas unit-unit terkecil yang berulangulang atau mer atau

    meros sebagai blok-blok penyusunnya. Molekul-molekul (tunggal) penyusun polimer dikenal

    dengan istilah monomer.

  • 11

    Polimer Polyethylene, misalnya, adalah salah satu jenis bahan polimer dengan rantai

    linear sangat panjang yang tersusun atas unit-unit terkecil (mer) yang berulang-ulang yang

    berasal dari monomer molekul ethylene. Perhatikan bahwa monomer memiliki ikatan kovalen

    tak jenuh (ikatan ganda) sedangkan pada mer ikatan tersebut menjadi aktif atau ikatan

    kovalen terbuka dengan elektron tak berpasangan.

    Bahan organik alam mulai dikenal dan digunakan sejak tahun 1866, yaitu dengan

    digunakannya polimer cellulose. Bahan organik buatan mulai dikenal tahun 1906 dengan

    ditemukannya polimer Phenol Formal dehide atau Bakelite, mengabadikan nama penemunya

    L.H. Baekeland. Bakelite, hingga saat ini masih digunakan untuk berbagai keperluan. Para

    mahasiswa metalurgi atau metallographist profesional misalnya menggunakan bakelit untuk

    memegang (mounting) spesimen metalografi dari sampel logam yang akan dilihat struktur

    mikronya di bawah mikroskop optik reflektif.

    Istilah plastik, yang sering digunakan oleh masyarakat awam untuk menyebut

    sebagian besar bahan polimer, mulai digunakan pada tahun 1909. Istilah tersebut berasal dari

    kata Plastikos yang berarti mudah dibentuk dan dicetak. Teknologi modern plastik baru

    dimulai tahun 1920-an, yaitu dengan mulai digunakannya polimer yang berasal dari produk

    derivatif minyak bumi, seperti misalnya Polyethylene. Salah satu jenis plastik yang sering

    kita jumpai adalah LDPE (Low Density Poly Ethylene) yang banyak digunakan sebagai

    plastik pembungkus yang lunak dan sangat mudah dibentuk.

    Di samping pembagian di atas, yaitu natural polymer yang berasal dari alam

    (misalnya cellulose) dan synthetic polymer yang merupakan hasil rekayasa manusia

    (misalnya bakelite dan plyethylene), polimer umumnya dikelompokkan berdasarkan perilaku

    mekanik dan struktur rantai atau molekulnya. Polimer thermoplastik, misalnya polyethylene,

    adalah jenis polimer yang memiliki sifat-sifat thermoplastik yang disebabkan oleh struktur

    rantainya yang linear (linear), bercabang (branched) atau sedikit bersambung (cross linked).

    Polimer dari jenis ini akan bersifat lunak dan viskos (viscous) pada saat dipanasikan dan

    menjadi keras dan kaku (rigid) pada saat didinginkan secara berulang-ulang. Sementara itu,

    polimer thermoset (termosetting), misalnya bakelite, hanya melebur pada saat pertama kali

    dipanaskan dan selanjutnya mengeras secara permanen pada saat didinginkan. Polimer jenis

    ini bersifat lebih keras dan kaku (rigid) karena strukturnya molekulnya yang membentuk

    jejaring tiga dimensi yang saling berhubungan (network).

    Polimer jenis elastomer, misalnya karet alam, memiliki daerah elastis non linear

    yang sangat besar yang disebabkan oleh adanya sambungan-sambungan antar

  • 12

    dapat kembali ke bentuknya semula, pada saat beban eksternal dihilangkan.

    Proses Pembentukan Polimer (Polimerisasi)

    Proses pembentukan rantai molekul raksasa polimer dari unit-unit molekul

    terkecilnya (mer atau meros) melibatkan reaksi yang kompleks. Prosespolimerisasi tersebut

    yang secara umum dapat dikelompokkan menjadi dua

    jenis reaksi, yaitu:

    (1) polimerisasi adisi (Addition), dan

    (2) polimerisasi

    kondensasi (Condensation). Reaksi adisi, seperti yang terjadi pada proses

    pembentukan makro molekul polyethylene dari molekul-molekul ethylene, berlangsung

    secara cepat tanpa produk samping (by-product) sehingga sering disebut pula sebagai

    Pertumbuhan Rantai (Chain Growth). Sementara itu, polimerisasi kondensasi, seperti yang

    misalnya pada pembentukan bakelit dari dua buah mer berbeda, berlangsung tahap demi

    tahap (Step Growth) dengan menghasilkan produk samping, misalnya molekul air yang

    dikondensasikan keluar.

    Contoh polimerisasi dengan reaksi adisi adalah proses pembentukan

    Polyethylene (PE). Proses pembentukan polimer berlangsung dalam 3 tahap,

    yaitu:

    (1) inisiasi

    (2) adisi atau pertumbuhan rantai, dan

    (3) terminasi.

    Untukmemulai proses polimerisasi ethylene, ditambahkan H2O2 sehingga terjadi

    pemutusan ikatan kovalen antar oksigen dalam molekul Hidrogen Peroksida dan ikatan

    kovalen antar karbon dalam molekul Ethylene. Polimerisasi dimulai dengan terbentuknya dua

    kelompok inisiator (OH) dan mer. Satu dari dua kelompok OH selanjutnya akan bergabung

    dengan mer ethylene mengawali terbentuknya rantai molekul polimer. Selanjutnya akan

    terjadi pertumbuhan rantai yang berlangsung sangat cepat membentuk rantai molekul raksasa

    linear. Terminasi dari pertumbuhan rantai dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu (1) dengan

    bergabungnya OH ke ujung rantai molekul, dan (2) bergabungnya dua rantai molekul.

    Panjang dari rantai polimer dapat dikendalikan dengan cara mengendalikan jumlah inisiator.

  • 13

    Secara, umum, jika jumlah inisiator yang diberikan sedikit, maka jumlah OH yang tersedia

    untuk menghentikan reaksi semakin sedikit pula. Yang perlu dicatat adalah bahwa di reaksi

    adisi ini tidak menghasilkan produk sampingan (by product).

    Contoh dari polimerasi kondensasi adalah proses pembentukan Bakelit yang telah kita

    kenal sebelumnya. Nama kondensasi diberikan karena pada proses polimerisasi ini

    dikondensasikan molekul air sebagai produk sampingan (by product)-nya. Bakelit, produk

    utama dari reaksi ini, terbentuk dari dua jenis molekul mer, yaitu Phenol dan Formal Dehide.

    Tidak seperti halnya pada polimerisasi adisi, reaksi berlangsung lebih lambat, tahap demi

    tahap, sehingga sering pula disebut sebagai reaksi pertumbuhan tahap demi tahap (step

    growth reaction). Rantai molekul yang terbentuk dalam proses polimerisasi bakelit ini

    lebih rigid, karena membentuk jejaring tiga dimensi (three dimensional network) yang

    kompleks.

    Berat Molekul dan Derajat Polimerisasi

    Panjang rata-rata dari rantai polimer dapat dilihat dari berat molekul (molecular

    weight) polimer. Berat molekul dari polimer pada dasarnya adalah penjumlahan dari berat

    molekul-molekul mer-nya. Jadi semakin tinggi berat molekul dari suatu polimer tertentu,

    semakin besar panjang rata-rata dari rantai polimernya. Mengingat polimerasasi adalah

    peristiwa yang terjadi secara acak, maka berat molekul biasanya ditentukan secara statistik

    dalam bentuk rata-rata berat molekul atau distribusi berat molekulnya.

    Suatu polimer thermoplastik misalnya, memiliki distribusi berat molekul sebagaimana

    terlihat dalam gambar berikut ini. Distribusi berat molekul tersebut terjadi karena proses

    polimerisasi terjadi secara acak (random) sehingga thermoplastik tersebut terdiri atas banyak

    rantai-rantai polimer yang berbeda-beda panjangnya. Dari distribusi tersebut dapat ditentukan

    rata-rata berat molekul dari thermoplastik tersebut.

    Derajat polimerisasi (DP) dari suatu polimer adalah rasio atau perbandingan berat

    molekul polimer dengan berat molekul mer-nya. Suatu polyethylene (PE)

    dengan berat molekul 28.000 g misalnya, memiliki derajat polimerisasi 1000

    karena berat molekul dari mer-nya (C2H4) adalah 28 (12x2 + 1x4). DP

    menggambarkan ukuran molekul dari suatu polimer berdasarkan atas jumlahdari monomer

    penyusunnya

    Berat molekul rata-rata atau derajat polimerisasi dari suatu polimer thermoplastik

    sangat berpengaruh terhadap keadaan dan sifat-sifatnya.

    Viskositas dan kekuatan polimer misalnya akan meningkat dengan meningkatnya

    berat molekul atau derajat polimerisasinya. Sebagai ilustrasi, kita dapat membandingkan

  • 14

    keadaan dari monomer ethylene pada derajat polimerisasi yang berbeda-beda. Perbedaan dari

    sifat-sifat tersebut dapat dijelaskan oleh fakta bahwa semakin panjang rantai molekul suatu

    polimer, semakin besar energi yang diperlukan untuk mengatasi ikatan sekundernya.

    Ikatan-ikatan dalam Polimer Ikatan-ikatan dalam polimer dapat dikelompokkan

    menjadi dua kelompok, yaitu ikatan primer dan ikatan sekunder. Ikatan primer dari suatu

    polimer adalah ikatan kovalen, yaitu ikatan antar atom dengan cara memakai elektron secara

    bersama-sama, sebagaimana diilustrasikan dalam gambar.

    Ikatan-ikatansekunder yang penting di dalam polimer misalnya adalah ikatan Van der

    Waals, ikatan Hidrogen, dan ikatan Ionik. Ikatan primer kovalen termasuk ikatan antar atom

    yang sangat kuat, jauh lebih kuat jika dibandingkan dengan ikatan-ikatan sekunder, 10 hingga

    100 kalinya. Kekuatan ikatan primer ganda antar atomkarbon di dalam ethylene (C=C),

    misalnya besarnya adalah 721 kJ/(g.mol) sedangkan ikatan antar atom karbon dan hidrogen

    (C-H) adalah 436 kJ/(g.mol).

    Strukur Rantai Molekul Polimer

    Arsitektur polimer sangat berpengaruh terhadap sifat-sifat dan perilakunya secara

    umum. Secara umum, polimer dapat dikelompokkan menjadi empat jenis berdasarkan

    struktur molekulnya, yaitu:

    (1) polimer linear (linear polymer)

    (2) polimer bercabang (branched polymer)

    (3) polimer berkait (cross-linked polymer)dan

    (4) polimer berjejaring (network polymer).

    Polyethy linear adalah contoh dari jenis polimer dengan struktur rantai linear dan

    bercabang. Struktur rantai tersebut menyebabkan polyethylene berperilaku termoplastik, yaitu

    dapat dibentuk menjadi suatu bentuk tertentu dan dikembalikan ke bentuk semula. Struktur

    rantai molekul berkait adalah struktur rantai yang khas dari karet yang memiliki daerah

    elastis non-linear yang sangat besar. Cross-link atau kaitan antar rantai dalam hal ini

    berfungsi sebagai

    polimer yang telah kita bahas sebelumnya memiliki struktur rantai molekul berjejaring 3

    dimensi yang kompleks. Struktur rantai ini sangat rigid sehingga polimer dengan struktur

    rantai ini akan berperilaku termoset, yaitu menjadi rigid secara permanen pada saat pertama

    kali didinginkan.

    Secara umum, perilaku mekanik dari berbagai jenis polimer dapat dijelaskan dari ikatan-

    ikatan atom dan struktur rantai molekulnya.

  • 15

    Derajat Kekristalan Polimer

    Tidak seperti halnya logam, polimer pada umumnya bersifat amorphous, tidak bersifat

    kristalin atau memiliki keteraturan dalam rentang cukup panjang.Namun, polimer dapat

    mdirekayasa sehingga strukturnya memiliki daerah kristalin, baik pada proses sintesis

    maupun deformasi. Besarnya daerah kristalin dalam polimer dinyatakan sebagai derajat

    kekristalan polimer. Derajat kekristalan polimer misalnya dapat direkayasa dengan

    mengendalikan laju solidifikasi dan struktur rantai, walaupun sangat sulit untuk mendapatkan

    derajat kekristalan 100% sebagaimana halnya pada logam. Polimer dengan struktur rantai

    bercabang misalnya akan memiliki derajat kekristalan yang lebih rendah jika dibandingkan

    dengan struktur tanpa cabang. Sifat-sifat mekanik dan fisik dari polimer sangat dipengaruhi

    oleh derajat kekri jrestalannya. Sifat-sifat mekanik yang dipengaruhi oleh derajat kekristalan

    misalnya adalah kekakuan (stiffness), kekerasan (hardness), dan keuletan (ductility).

    Sedangkan sifat-sifat fisik yang berhubungan dengan derajat kekristalan misalnya adalah

    sifat-sifat optik dan kerapatan (density) dari polimer.

    c. KOMPOSIT

    Komposit merupakan material hasil kombinasi dari dua material atau lebih, yang

    sifatnya sangat berbeda dengan sifat masing-masing material asalnya. Komposit selain dibuat

    dari hasil rekayasa manusia, juga dapat terjadi secara alamiah, misalnya kayu, yang terdiri

    dari serat selulose yang berada dalam matriks lignin. Komposit saat ini banyak dipakai dalam

    konstruksi pesawat terbang, karena mempunyai sifat ringan, kuat dan non magnetik.

    B. Sifat Sifat Material

    Secara garis besar material mempunyai sifat-sifat yang mencirikannya, pada bidang teknik

    mesin umumnya sifat tersebut dibagi menjadi tiga sifat. Sifat sifat itu akan mendasari dalam

    pemilihan material, sifat tersebut adalah:

    Sifat mekanik

    Sifat fisik

    Sifat teknologi

    Dibawah ini akan dijelaskan secara terperinci tentang sifat-sifat material tersebut

    1. Sifat Mekanik

    Sifat mekanik material, merupakan salah satu faktor terpenting yang mendasari

    pemilihan bahan dalam suatu perancangan. Sifat mekanik dapat diartikan sebagai respon atau

  • 16

    perilaku material terhadap pembebanan yang diberikan, dapat berupa gaya, torsi atau

    gabungan keduanya. Dalam prakteknya pembebanan pada material terbagi dua yaitu beban

    statik dan beban dinamik. Perbedaan antara keduanya hanya pada fungsi waktu dimana beban

    statik tidak dipengaruhi oleh fungsi waktu sedangkan beban dinamik dipengaruhi oleh fungsi

    waktu.

    Untuk mendapatkan sifat mekanik material, biasanya dilakukan pengujian mekanik.

    Pengujian mekanik pada dasarnya bersifat merusak (destructive test), dari pengujian tersebut

    akan dihasilkan kurva atau data yang mencirikan keadaan dari material tersebut.

    Setiap material yang diuji dibuat dalam bentuk sampel kecil atau spesimen. Spesimen

    pengujian dapat mewakili seluruh material apabila berasal dari jenis, komposisi dan

    perlakuan yang sama. Pengujian yang tepat hanya didapatkan pada material uji yang

    memenuhi aspek ketepatan pengukuran, kemampuan mesin, kualitas atau jumlah cacat pada

    material dan ketelitian dalam membuat spesimen. Sifat mekanik tersebut meliputi antara

    lain: kekuatan tarik, ketangguhan, kelenturan, keuletan, kekerasan, ketahanan aus, kekuatan

    impak, kekuatan mulur, kekeuatan leleh dan sebagainya.

    Sifar-sifat mekanik material yang perlu diperhatikan:

    1. Kekuatan (strength)

    Merupakan kemampuan suatu material untuk menerima tegangan tanpa menyebabkan

    material menjadi patah. Berdasarkan pada jenis beban yang bekerja, kekuatan dibagi

    dalam beberapa macam yaitu kekuatan tarik, kekuatan geser, kekuatan tekan, kekuatan

    torsi, dan kekuatan lengkung.

    2. Kekakuan (stiffness)

    Adalah kemampuan suatu material untuk menerima tegangan/beban tanpa mengakibatkan

    terjadinya deformasi atau difleksi.

    3. Kekenyalan (elasticity)

    Didefinisikan sebagai kemampuan meterial untuk menerima tegangan tanpa

    mengakibatkan terjadinya perubahan bentuk yang permanen setelah tegangan

    dihilangkan, atau dengan kata lain kemampuan material untuk kembali ke bentuk dan

    ukuran semula setelah mengalami deformasi (perubahan bentuk).

  • 17

    4. Plastisitas (plasticity)

    Adalah kemampuan material untuk mengalami deformasi plastik (perubahan bentuk

    secara permanen) tanpa mengalami kerusakan. Material yang mempunyai plastisitas

    tinggi dikatakan sebagai material yang ulet (ductile), sedangkan material yang

    mempunyai plastisitas rendah dikatakan sebagai material yang getas (brittle).

    5. Keuletan (ductility)

    Adalah sutu sifat material yang digambarkan seprti kabel dengan aplikasi kekuatan tarik.

    Material ductile ini harus kuat dan lentur. Keuletan biasanya diukur dengan suatu periode

    tertentu, persentase keregangan. Sifat ini biasanya digunakan dalam bidan perteknikan,

    dan bahan yang memiliki sifat ini antara lain besi lunak, tembaga, aluminium, nikel, dll.

    6. Ketangguhan (toughness)

    Merupakan kemampuan material untuk menyerap sejumlah energi tanpa mengakibatkan

    terjadinya kerusakan.

    7. Kegetasan (brittleness)

    Adalah suatu sifat bahan yang mempunyai sifat berlawanan dengan keuletan. Kerapuhan

    ini merupakan suatu sifat pecah dari suatu material dengan sedikit pergeseran permanent.

    Material yang rapuh ini juga menjadi sasaran pada beban regang, tanpa memberi

    keregangan yang terlalu besar. Contoh bahan yang memiliki sifat kerapuhan ini yaitu besi

    cor.

    8. Kelelahan (fatigue)

    Merupakan kecenderungan dari logam untuk menjadi patah bila menerima beban bolak-

    balik (dynamic load) yang besarnya masih jauh di bawah batas kekakuan elastiknya.

    9. Melar (creep)

    Merupakan kecenderungan suatu logam untuk mengalami deformasi plastik bila

    pembebanan yang besarnya relatif tetap dilakukan dalam waktu yang lama pada suhu

    yang tinggi.

    10. Kekerasan (hardness)

  • 18

    Merupakan ketahanan material terhadap penekanan atau indentasi / penetrasi. Sifat ini

    berkaitan dengan sifat tahan aus (wear resistance) yaitu ketahanan material terhadap

    penggoresan atau pengikisan.

    Load

    Didefinisikan sebagai kekuatan eksternal yang mendukung bagian dari sutau mesin. Beban

    ini terdiri dari 3 tipe, yaitu:

    Beban tetap (steady load), dikatakan beban tetap apabila beban dalam keadaan diam

    dimana benda tersebut tidak dapat erubah arah.

    Beban gerak (variying load), apabila beban dapat dipindahkan secara kontiyu.

    Beban kejut (shock load), apabila bebam digunakan dan dipindahkan secara tiba-tiba.

    Tegangan

    Saat gaya atau beban dari system eksternal terjadi pada benda kerja, gaya internal aka muncul

    dari dalam benda kerja baik searah ataupun berlawanan arah sebagai reaksi atas gaya

    eksternal tersebut. Stress adalah besarnya gaya internal yangtimbul per satuan luas area pada

    benda kerja.

    Regangan

    Adalah gaya yang diberikan pada suatu benda dengan memberikan tegangan tarik sehingga

    benda tersebut juga mengalami perubahan bentuk.

    Tensile Stress / Tegangan Tarik

    Adalah suatu sifat bahan hubungan tegangan-regangan pada tarikan memberikan nilai yang

    cukup berubah tergantung pada laju tegangan temperature dll. Umumpnya kekuatan tarik

    lebih rendah daripada umpannya seperti baja, duralumin dll.

    Compressive Stress / Tegangan Tekan

    Compressive in terjadi bila suatu benda kerj ayang menjadi sasaran aksial yang sama ata

    berlawanan, dimana tekanan ini disebabakan pada setiap sisi dari benda kerja dan inilah yang

    disebut dengan compressive stress. Pertimbangan lain akan menunjukkan bahwa dengan

    adanya tegangan beban, akan ada penurunan penjang benda kerja dimana perbandingan

    pengurangan panjang dengan panjang asli suatu benda kerja dikenal sebagai tegangan

    regangan.

  • 19

    Shear Stress / Tegangan Geser

    Ketika benda kerja menjadi sasaran dua kekuatan yang sama atau berlawanan, bergerak

    secara tangensial dengan sisi yang berlawanan, dimana ini disebabkan pada setiap sisi dari

    benda kerja dan inilah yang disebut shear stress. Dan yang berhubungan dengan regangan

    dikenal shear strain, yang diukur dengan sudut deformasi yang berdekatan dengan shear

    stress

    Modulus Young

    Hukum Hook menyatakan bahwa ketika benda kerja pada sutu bahan yang elastis maka

    tegangan akan seimbang dengan regangan. Dimana E adalah konstanta maka dapat dikatakan

    modulus young, dan satuan yang digunakan adalah kg/cm3 atau N/mm

    2.

    E

    Bearing Stress / Tegangan Dukung

    Pembatasan compressive stress pada area antara 2 bagian dikenal sebagai bearing stress.

    Bearing stress ini dapat digunakan dalam mendesign penyambungan paku. Distribusi dari

    bearing stress ini tidak selalu sama tetapi bergantung pada bentuk permukaan benda kerja dan

    sifat-sifat fisik dari dua material tersebur. Sedangkan distribusi tekanan akan sama. Bila

    pendistribusian stress sulit untuk ditentikan oleh karena itu bearing stress biasanya

    dikalkuasikan dengan membagi beban pada beberap area.

    Bending Stress / Tegangan Tekuk

    Dalam kegiatan perteknikan, bagian-bagian atau anggota structural mungkin menjadi

    sasaran pada beban static atau dinamis yang disebut sebagai bending stress. Sedikit

    pertimbangan akan menujukkan karena adanya moment bending, kabel pada bagian atas

    benda kerja akan diperpendek karena akompresi terebut.

    2. Sifat Fisik

    Sifat penting yang kedua dalam pemilihan material adalah sifat fisik. Sifat fisik adalah

    kelakuan atau sifat-sifat material yang bukan disebabkan oleh pembebanan seperti pengaruh

    pemanasan, pendinginan dan pengaruh arus listrik yang lebih mengarah pada struktur

    material. Sifat fisik material antara lain : temperatur cair, konduktivitas panas dan panas

    spesifik.

  • 20

    Struktur material sangat erat hubungannya dengan sifat mekanik. Sifat mekanik dapat diatur

    dengan serangkaian proses perlakukan fisik. Dengan adanya perlakuan fisik akan membawa

    penyempurnaan dan pengembangan material bahkan penemuan material baru.

    3. Sifat Teknologi

    Selanjutnya sifat yang sangat berperan dalam pemilihan material adalah sifat teknologi yaitu

    kemampuan material untuk dibentuk atau diproses. Produk dengan kekuatan tinggi dapat

    dibuat dibuat dengan proses pembentukan, misalnya dengan pengerolan atau penempaan.

    Produk dengan bentuk yang rumit dapat dibuat dengan proses pengecoran. Sifat-sifat

    teknologi diantaranya sifat mampu las, sifat mampu cor, sifat mampu mesin dan sifat mampu

    bentuk. Sifat material terdiri dari sifat mekanik yang merupakan sifat material terhadap

    pengaruh yang berasal dari luar serta sifat-sifat fisik yang ditentukan oleh komposisi yang

    dikandung oleh material itu sendiri.

    Pengaruh Lingkungan Terhadap Perilaku Material

    Hubungan antara struktur, sifat dan prosses juga dipengaruhi oleh lingkungan

    sekitar,di mana material tersebut diperlakukan. Beberapa kategori yang disebut sebagai

    lingkungan adalah; suhu, korosi dan radiasi. Suhu. Perubahan suhu secara drastis dapat

    mengubah sifat-sifat dari material

    (gambar 1-12). Kekuatan dari sebagian besar material akan turun bila suhu dinaikkan.

    Selanjutnya suatu kondisi yang sangat buruk dapat secara tiba tiba terjadi pada

    material bila ditempatkan pada temperatur yang melebihi titik kritisnya. Material yang

    telah diperkuat dengan mendapatkan suatu perlakuan panas atau pada sebuah teknik

    pembentukan bisa saja secara mendadak kehilangan kekuatannya bila dipanaskan

    lanjut. Temperatur yang sangat rendah pun dapat menyebabkan material baja menjadi

    rapuh walaupun hanya diberikan beban yang ringan. Temperatur tinggi pun dapat

    menyebabkan perubahan struktur pada keramik dan menyebabkan material polimer

    mencair atau menjadi hangus.

  • 21

    Saat ini teknologi untuk membuat material menjadi semakin tahan terhadap

    pengaruh panas semakin marak seiring dengan tuntutan pasar seperti pada pesawat

    ataupun kendaraan luar angkasa (gambar 1-13). Pada aplikasi pesawat terbang,

    pengaruh peningkatan suhu permukaan yang diakibatkan oleh gesekan permukaan

    dengan udara sangatlah kentara dan sebagai tambahan atas kondisi ini adalah mesin

    akan beroperasi dengan effisien (hemat BBM) pada suhu yang tinggi. Untuk menjawab

    tantangan agar mendapatkan kecepatan yang tinggi dengan menggunakan bahan bakar

    yang hemat maka penemuan terhadap material yang tahan panas terhadap suhu

    permukaan dan suhu mesin secara bertahap ditemukan.

    Korosi. Sebagian besar metal dan polimer bereaksi terhadap oksigen atau gas

    lainnya terutama pada temperatur tinggi. Metal dan keramik dapat hancur pada kondisi

  • 22

    ini, sedangkan material polimer akan menjadi getas atau rapuh (gambar 1-14). Material

    juga bisa diserang oleh berbagai macam cairan yang korosif. Metal bisa mendapatkan

    serangan korosi secara seragam atau secara selektif dalam bentuk munculnya celah

    atau lubang yang mengkibatkan kegagalan prematur (gambar 1-15). Saat ini telah

    banyak dikembangkan teknologi pelapis yang dapat melindungi material dari pengaruh

    korosi.

    Radiasi. Radiasi energi tinggi, seperti neutron yang dihasilkan pada reaktor nuklir,

    dapat mempengaruhi struktur internal dari seluruh material serta dapat menghasilkan

    kehilangan kekuatan, kegetasan, ataupun perubahan yang kritis dari sifat sifat fisis.

  • 23

    Selain itu juga dimensi dari suatu material juga dapat berubah seperti terjadinya

    pembengkakan atau bahkan terjadinya retak.

    Pemilihan Material

    Pemilihan material untuk berbagai macam aplikasi pada awalnya sangat tergantung

    kepada suatu proses yang dinamakan pemilihan material. Pemilihan ini biasanya

    didasari oleh beberapa persyaratan yang harus dilewati, diantaranya :

    1. Material tersebut harus mampu memenuhi persyaratan fisik dan mekanik.

    2. Material tersebut mudah untuk dibentuk ataupun dipabrikasi.

    3. Material yang dapat diproses tersebut haruslah memiliki nilai ekonomis.

    C. PROSES PENGOLAHAN LOGAM

    Secara umum logam bisa dibedakan atas dua yaitu : logam-logam besi (ferous) dan

    logam-logam bukan besi (non feorus). Sesuai dengan namanya logam-logam besi adalah

    logam atau paduan yang mengandung besi sebagai unsur utamanya, sedangkan logam-logam

    bukan besi adalah logam yang tidak atau sedikit sekali mengandung besi.

    Logam-logam besi terdiri atas :

  • 24

    - besi tuang (cast iron)

    - baja karbon (carbon steel)

    - baja paduan (alloy steel)

    - baja spesial (specialty steel)

    Keempat kelompok besi diatas terbagi lagi atas pengelompokan yang lebih kecil yang

    diperlihatkan pada tabel 1. Untuk logam bukan besi contohnya adalah logam dan paduan

    seperti : aluminium, tembaga, timah, emas, magnesium dsb.

    Dalam penggunaannya pada bidang teknik diharuskan memilih bahan logam yang

    sesuai dengan keperluan aplikasi dalam hal kekuatan, kekerasan, kekuatan lelah, ketahan

    korosi dan sebagainya sehingga dalam pemakaiannya akan memberikan hasil yang paling

    optimal.

    Sifat-sifat yang diperlukan di dalam aplikasi sangat dipengaruhi oleh struktur bahan tersebut,

    sedangkan struktur yang terbentuk dipengaruhi oleh komposisi kimia, teknik/proses

    pembuatan serta proses perlakuan panas yang diberikan kepada logam tersebut. Secara

    skematik hubungan antara struktur, sifat mekanik dan kualitas yang diberikan logam

    diperlihatkan pada gambar 1.

    Pada produk rekayasa, selain pengaruh faktor-faktor diatas, kualitasnya juga

    dipengaruhi oleh faktor desain (perencanaan) dan kondisi pengoperasian.

    Pada dewasa ini penggunaan logam yang paling banyak masih didominasi oleh logam

    besi dan paduannya terutama di bidang permesinan. Logam aluminium dan paduannya juga

    mengalami penggunaan yang meningkat akhir-akir ini karena beberapa sifat-sifatnya yang

    disukai yang salah satunya adalah bobotnya yang ringan.

    Tabel 1: Pembagian Paduan Besi dan Baja Menurut Komposisinya.

    ______________________________________________________________________

    No. Paduan besi dan Baja Komposisi kimia (dalam %)

    ____________________________________________________________________

    1 Besi tuang 2-4 %C, 1-3 %Si, 0,80 %Mn (maks) 0,10

    %P (maks), 0,05% S (maks).

    - Besi tuang kelabu Disamping terdapat perbedaan yang

    kecil

    - Besi tuang putih dari segi komposisi, perbedaan sifat

    -sifat

  • 25

    - Besi tuang noduler besi tuang ditentukan oleh struktur mikro

    karena proses pembuatan atau karena

    proses perlakuan panas.

    - Besi tuang paduan Unsur-unsur pemadu : Cr, Ni, Mo, Al

    atau logam-logam lainnya.

    2. Baja karbon :

    - Baja karbon rendah 0,08-0,35 %C | 0,25-1,50 %Mn

    - Baja karbon sedang 0,35-0,50 %C plus | 0,25-0,30 %Si

    - Baja karbon 0,04 %P (maks) | 0,05 %S (maks)

    3. Baja paduan :

    - Baja paduan rendah - Seperti pada baja karbon rendah

    +unsur-unsur pemadu kurang dari 4 %

    seperti : Cr, Ni, Mo, Cu, Al, Ti, V, Nb,B,

    W dll.

    - Baja paduan medium - Seperti pada baja paduan rendah

    tetapi jumlah unsur-unsur pemadu

    diatas 4%.

    4. Baja Spesial :

    - Baja stainless : a. Feritik (12-30 %Cr dan kadar karbon

    rendah)

    b. Martensitik (12-17 %Cr dan 0,1-1,0 %

    C)

    c. Austenitik (17-25 %Cr dan 8-20% Ni)

    d. Duplek (23-30 %Cr, 2,5-7 %Ni, plus

    Ti dan Mo)

    e.Presipitasi (seperti pada austenitik,

    plus

    elemen pemadu seperti : Cu, Ti, Al,

    Mo, Nb atau N)

  • 26

    - Baja perkakas General purpose steels Die steels

    High speed steels (0,85-1,25 %C, 1,50-

    20 %W, 4-9,5 %Mo, 3-4,5 %Cr, 1-4%V,

    5-12 Co)

    D. KARAKTERISTIK LOGAM

    Sebelum mempelajari dasar-dasar fisik logam, kita terlebih dahulu harus mempunyai

    gambaran yang jelas tentang golongan kualitas keadaan logam. Sering terbayang oleh kita

    bahwa logam adalah sesuatu yang mempunyai kilauan tinggi, konduktivitas listrik serta panas

    yang baik, dapat ditempa, dan ulet.

    Diantara sesama logam sendiri variasi perbedaan sifat teryata sangat besar. Untuk

    mengambarkan perbedaan mencolok antara perilaku logam yang satu dengan yang lain orang

    cukup membandingkan masing-masing dengan ulet serta mudahnya timbal (lead) ditempa

    pada suhu kamar, serta kekerasan dan kerapuhan tungsten pada suhu sama.

    Sifat yang paling sering dianggap mencirikan logam adalah konduktivitas listrik atau

    konduktivitas termalnya yang tinggi. Sebagai contoh, logam konduktor listrik yang paling

    baik adalah tembaga sedangkan yang paling buruk adalah timbal, padahal kehambatan

    (resituvity) timbal hanya dua belas kali kehambatan tembaga. Sangat besarnya perbedaan

    konduktivitas antara logam dan non logam adalah karena pada logam yang mengalami beda

    potensial elektron-elektron dapat bergerak bebas, sementara pada bahan non logam tidak

    demikian. Jadi dapat disimpulkan bahwa karakteristik dasar logam harus dipelajari dari

    struktur elektronnya, atau dengan kata lain pengkajian material teknik harus dimulai dari

    pemahaman struktur atom-atom yang membentuknya.

    E. ATOM

    Dalam gambaran sederhana oleh Rutherford, atom terbentuk atas inti bermuatan

    positif pembawa sebagian besar massa atom, dengan elektron-elektron yang bergerak

    mengitarinya. Ruterford mengatakan bahwa elektron-elektron mengitari inti dalam orbit

    melingkar sehingga gaya sentrifugal semua elektron tepat sama dengan gaya tarik

    elektrostatik antara inti yang bermuatan positif dan elektronelektron yang bemuatan negatif.

    Guna menghindari kesulitan dalam pemahaman akibat adanya hokum

    elektrodinamika yang disini menyatakan bahwa elektronelektron yang berevolusi harus terus-

  • 27

    menerus melepaskan energi berupa radiasi elektromagnetik, maka Bohr dalam tahun 1913

    terpaksa menyimpulkan bahwa dari semua orbit yang mungkin, hanya orbit-orbit tertentu saja

    yang boleh ditempati oleh electron.

    Orbit-orbit khusus itu diandaikan mempunyai sifat luar biasa, yakni bahwa bila

    sebuah elektron berada dalam salah satu orbit tersebut, radiasi tak akan terjadi.Kumpulan

    orbit-orbit stabil tadi dicirikan menurut kritiria yang menyatakan bahwa momentum sudut

    elektron-elektron dalam orbit dihitung mengunakan rumus nh h konstanta

    Planck dan n bilangan bulat (n

    penjelasan yang memuaskan tentang spektrum garis atom hydrogen, sekaligus membangun

    batu pijakan untuk teori atom modern.

    Ketika selanjutnya teori atom dikembangkan oleh de Broglie, Schodinger dan Heienberg,

    orang yang menyadari bahwa hukum-hukum klasik tentang dinamika partikel tidak dapat

    diterapkan terhadap partikel-partikel dasar (fundamental particles).

    Dalam dinamika klasik, sudah menjadi prasyarat bahwa posisi dan momentum suatu

    partikel diketahui secara tepat, namun dalam dinamika atom bila posisi partikel secara pasti,

    maka besaran yang lain (momentum) tidak dapat ditentukan.

    Dalam kenyataan, ketidak pastian tentang posisi dan momentum partikel kecil harus

    kita akui, akan tetapi hasil kali derajat ketidakpastian masing-masing besaran tadi dapat kita

    hubungkan dengan nilai konstanta Planck (h = 6.6256 x 10-34 Js).

    Di alam makroskopik ketiddakpastian ini terlalu kecil untuk dapat diukur, namun bila

    kita melakukan sesuatu terhadap gerak elektron yang mengelilingi inti atom, penerapan

    prinsip ketidakpastian (Uncertainty Principle-istilah yang diperkenalkan oleh Heisenberg)

    penting sekali.

    Akibat menganut Prinsip Ketidakpastian ini, kita tak boleh lagi membayangkan

    elektron sebagai sesuatu yang bergerak dalam orbit tetap mengelilingi inti. Kita harus

    memandang gerak elektron sebagai fungsi gelombang.

    Dengan fungsi ini kita hanya mungkin mendapatkan elkctron yang energinya tertentu

    saja diruang disekitar inti. Situasi menjadi lebih rumit bila kita memperhitungkan kenyataan

    bahwa elektron bukan hanya bergerak mengitari inti, namun juga berpusing pada porosnya

    sendiri. Sebagai konsekuensi, untuk menyatakan gerak elkctron disebuah atom kita tidak lagi

    mengunakan integer tunggal n, seperti pada teori Borh. Sekarang kita harus menyatakan

    keadaan elektron mengunakan empat buah bilangan.

    Bilangan-bilangan yang dikenal sebagai bilangan-bilangan kuantum ini adalah n, l, m

    dan s, dimana n merupakan bilangan kkuatum pertama (principal quantum number), l

  • 28

    bilangan kuantum orbit (orbital quantum number), m bilangan kuantum dalam (inner

    quantum number) dan s bilangan kuantum spin (spin quantum number). Prinsip dasar lain

    teori kuantum modern untuk atom adalah Prinsip Pengecualian Pauli (Pauli Exclusion

    Principle) yang yang menyatakan bahwa dalam sebuah atom tidak ada dua elektron yang bias

    memiliki perangkat bilangan kuantum

    persis sama.

    Jika kita ingin memahami cara membuat Tabel Periodik menurut struktur elektronik

    atom-atom berbagai unsure, kita harus memperhatikan kebermaknaan keempat bilangan

    kuantum tadi, sekaligus batasan harga-harga numeric yang dapat dimiliki masing-masing.

    Bilangan kuantum yang paling penting adalah bilangan kuantum utama, karena inilah yang

    paling berperan dalam penentuan energi elektron.

    Bilangan kuantum utama dapat memiliki harga bilangan bulat mulai dari n = 1, yang

    menyatakan energi paling rendah. Elektron dengan n = 1 paling stabil, dan kestabilan

    berkurang dengan naiknya harga n. Elektron yang bilangan kuantum utamanya n dapat

    mempunyai bilangan kuantum orbital bernilai bulat antara 0 dan (n - 1). Jadi jika n = 1, l

    harus 0, sementara bila n = 2, l = 0 atau 1, dan bila n = 3, l = 0, 1, atau 2. bilangan kuantum

    orbital menyatakan momentum sudut elektron ketika mengitari inti, dan ini mnentukan

    sesuatu yang dalam mekanika nonkuantum disebut bentuk orbit.

    Untuk suatu harga n, elektron dengan l paling rendah akan mempunyai energi paling

    rendah, sehingga semakin tinggi harga l makin besar ula energinya. Dua bilangan kuantum

    yang lain, yaitu m dan s berturut-turut menyatakan orientasi orbit elektron diseputar inti dan

    orientasi arah spin elektron. Untuk suatu harga l, sebuah elektron boleh mempunyai bilangan

    kuantum dalam m bernilai bulat dari +l sampai l, termasuk 0. jadi untuk l = 2, m bisa

    mempunyai harga-harga +2, +1, 0, -1, dan 2. Elektro-elektron dengan harga-harga n dan l

    yang sama tetapi berbeda dalam harga-harga m mempunyai energi yang sama besar, asalkan

    tidak dipengaruhi suatu medan magnet. Bila ada medan magnet, energi elektron-elektron

    dengan harga-harga m berbeda akan berubah sedikit, seperti yang tampak dari terpisahnya

    garis-garis spektrum pada efek Zeeman. Untuk sebuah electron yang mempunyai harga-harga

    n, l dan m sama besar, bilangan kuantum spin s-

    n bahwa harga tesebut bukan bilangan bulat untuk sementara ini tidak perlu

    dirisaukan; yang perlu kita ingat hanyalah bahwa dua elektron dalam sebuah atom dapat

    mempunyai harga-harga n, l dan m yang sama, serta bahwa kedua elektron tadi akan

    berpusing dengan arah berlawanan. Hanya dibawah pengaruh medan magnet saja energi dua

    elektron dengan spin berlawanan akan berbeda.

  • 29

    STRUKTUR ATOM

    Setiap atom terdiri dari inti yang sangat kecil yang terdiri dari proton dan neutron, dan

    di kelilingi oleh elektron yang bergerak. Elektron dan proton mempunyai muatan listrik yang

    besarnya 1,60 x 10-19 C dengan tanda negatif untuk elektron dan positif untuk proton

    sedangkan neutron tidak bermuatan listrik. Massa partikel-partikel subatom ini sangat kecil:

    proton dan neutron mempunyai massa kira-kira sama yaitu 1,67 x 10-27 kg, dan lebih besar

    dari elektron yangmassanya 9,11 x 10-31 kg.

    Setiap unsur kimia dibedakan oleh jumlah proton di dalam inti, atau nomor atom (Z).

    Untuk atom yang bermuatan listrik netral atau atom yang lengkap, nomor atom adalah sama

    dengan jumlah elektron. Nomor atom merupakan bilangan bulat dan mempunyai jangkauan

    dari 1 untuk hidrogen hingga 94 untuk plutonium yang merupakan nomor atom yang paling

    tinggi untuk unsur yang terbentuk secara alami.

    Massa atom (A) dari sebuah atom tertentu bisa dinyatakan sebagai jumlah massa

    proton dan neutron di dalam inti. Walaupun jumlah proton sama untuk semua atom pada

    sebuah unsur tertentu, namun jumlah neutron (N) bisa bervariasi. Karena itu atom dari sebuah

    unsur bisa mempunyai dua atau lebih massa atom yang disebut isotop. Berat atom berkaitan

    dengan berat rata-rata massa atom dari isotop yang terjadi secara alami. Satuan massa atom

    (sma) bisa digunakan untuk perhitungan berat atom. Suatu skala sudah ditentukan dimana 1

    sma didefinisikan sebagai 1/12 massa atom dari isotop karbon yang paling umum, karbon 12

    (12C) (A = 12,00000). Dengan teori tersebut, massa proton dan neutron sedikit lebih besar

    dari satu, dan A Z + N Berat atom dari unsur atau berat molekul dari senyawa bisa

    dijelaskan berdasarkan sma per atom (molekul) atau massa per mol material. Satu mol zat

    terdiri dari 6,023 x 1023 atom atau molekul (bilangan Avogadro). Kedua teori berat

    atom ini dikaitkan dengan persamaan berikut:

    1 sma/atom (molekul) = 1 g/mol

    Sebagai contoh, berat atom besi adalah 55,85 sma/atom, atau 55,85 g/mol.

    Kadang-kadang penggunaan sma per atom atau molekul lebih disukai; pada

    kesempatan lain g/mol (atau kg/mol) juga digunakan; satuan yang terakhirlah yang akan

    digunakan pada buku ini.

    IKATAN ATOM PADA BAHAN PADAT GAYA DAN ENERGI IKAT

    Ketika atom didekatkan dari suatu jarak yang tak terbatas. Pada jarak jauh, interaksi

    bisa diabaikan, tetapi ketika atom saling mendekati, masing-masing memberikan gaya ke

    yang lainnya. Gaya ini ada dua macam, tarik atau tolak, dan besarnya merupakan fungsi jarak

  • 30

    antar atom. Sumber gaya tarik FA tergantung pada jenis ikatan yang ada antara dua atom.

    Besarnya berubah dengan jarak, seperti yang digambarkan secara skematis pada Gambar

    2.8a. Akhirnya, kulit elektron terluar dari kedua atom mulai tumpang tindih, dan gaya tolak

    yang kuat FR mulai timbul. Gaya netto FN antar dua atom adalah jumlah kedua komponen

    tarik dan tolak, yaitu : F F F N A R = + yang juga merupakan fungsi jarak antar atom

    sebagaimana di plot pada Gambar 2.8a.Jika FA dan FR sama besar, tidak ada gaya netto,

    sehingga: F F A R + = 0

    Kemudian kondisi kesetimbangan muncul. Pusat kedua atom tetap terpisah pada jarak

    keseimbangan ro seperti ditunjukkan gambar 2.8a. Pada sebagian besar atom, ro kira-kira 0,3

    nm (3). Ketika sudah berada pada posisi ini, kedua atom akan melawan semua usaha untuk

    memisahkannya dengan gaya tarik, atau untuk mendorongnya dengan gaya tolak. Kadang-

    kadang lebih menyenangkan untuk menggunakan energi potensial antara dua atom daripada

    gaya. Secara matematik, energi (E) dan gaya (F)dihubungkan dengan :

  • 31

    Atau untuk sistem atom

    E F dr N N

    r

    F dr F dr A

    r

    R

    r

    E E A R

    dimana EN, EA dan ER masing-masing adalah energi netto, energi tarik dan energi tolak bagi

    dua atom yang terisolasi dan berdekatan. Gambar 2.8b menggambarkan energi potensial

    tarik, tolak dan energi potensial netto sebagai fungsi jarak antar atom untuk dua atom. Untuk

    kurva netto, yaitu jumlah kedua energi, mempunyai energi potensial dititik minimum. Pada

    posisi ini spasi kesetimbangan yang sama, ro, bersesuaian dengan jarak atom pada kurva

    energi potensial minimum. Energi Ikat untuk kedua atom ini, Eo, bersesuaian dengan energi

    pada titik minimum ini (juga diperlihatkan pada gambar 2.8b), dimana menyatakan energi

    yang diperlukan untuk memisahkan kedua atom ini kejarak yang tak terbatas.

    Besar energi ikat ini dan bentuk energi vs kurva jarak antar atom berbeda dari satu

    material ke material lainnya, kedua variabel ini bergantung kepada jenis ikatan atom. Zat

    padat dibentuk dengan energi ikat yang besar, sedangkan energi ikat yang kecil lebih disukai

    oleh gas, kondisi cair berlaku bagi energi yang besarnya menengah. Pada umumnya untuk

    material padat, temperatur leleh dan sifat ikatannya mencerminkan besarnya energi ikat .

    TATANAMA KEADAAN ELEKTRON DI SEBUAH ATOM

    Sebelum membahas cara membuat susunan berkala unsur-unsur menurut strktur

    elektronika atom-atomnya, kita perlu menjabarkan dahulu system tatanama (nomeklatur)

    yang memungkinkan dijelaskanya keadaan elektron-elektron dalam sebuah atom. Karena

    energi sebuah elektron hanya ditentukan harga-harga bilangan kuantum utama dan orbital,

    maka kedua bilangan kuantum ini saja yang perlu diperhatikan dalam nomenklatur kita.

    Bilangan kuantum utama ditampilkan atau diekspresikan sebagaimana adanya, namun

    bilangan kuantum orbital dinyatakan dengan huruf. Huruf-huruf ini, yang diturunkan dari

    kebiasaan diawal perkembangan spektroskopi, adalah s, p, d, f yang berturut-turut

    menyatakan bilangan-bilangan kuantum orbital l berharga 0, 1, 2 dan 3. (s = sharp, p =

    principal, d = diffusi, f = fundamental).

    Bila bilangan kuantum utama n = 1 maka l harus sama dengan nol, dan elektron

    dalam keadaan demikian dinyatakan dengan simbol 1s. disini bilanga kuantum dalam tidak

  • 32

    boleh memiliki harga yang lain dari m = 0, namun harga bilangan kuantum spin-nya (s) boleh

    boleh memiliki keadaan 1s, dan elektron-elektron itupun berpusing dalam arah berlawanan.

    Dengan kata lain bila n =1, hanya s keadaan yang terjadi dan keadaan-keadaan itu hanya

    dapat dimiliki oleh dua buah elektron. Begitu kedua keadaan 1s terisi penuh, keadaan energi

    paling rendah berikutnya harus memiliki harga n = 2. Disini l boleh mempunyai harga 0 atau

    1, dan karena itu elektron-elektron bias dalam keadaan entah 2s atau 2p. Energi sebuah

    keadaan 2s lebih rendah dari energi dalam keadaan 2p, oleh sebab itu keadaan 2s akan terisi

    lebih dahulu. Di sini pun, hanya dua electron bias berada dalam keadaan 2s, dan untuk

    keadaan-keadan s ini selalu demikian, tidak peduli berapapun harga bilangan kuantum

    utamanya. Electron-elektron dalam keadaan p dapat memiliki harga-harga m = +1, 0, -1, dan

    elektron-elektron yang memiliki masing-masing dari harga tersebut dapat memilikidua harga

    bilangan kuantum spin. Ini memungkinkan adanya enam buah elektron dalam setiap.

    Tidak ada lagi elektron yang dapat ditambahkan ke dalam keadaan n = 2 sesudah

    keadaan-keadaan 2s dan 2p-nya terisi. Elektron-elektron berikutnya harus menempati

    keadaan denga n = 3 yang energinya lebih tinggi. Disini muncul kemungkinan adanya l

    berharga 0, 1 dan 2, sehingga disampuing keadaan-keadaan s dan p, keadaan-keadaan dengan

    d dengan l = 2 kini bias terjadi. Bila l = 2, m bias memilki harga-harga +2, +1, 0, -1, -2 dan

    masing-masing dapat ditempati dua elektron dengan spin berlawanan, sehingga total keadaan

    d mungkin adalah 10. Akhirnya bila n = 4, l bias mempunyai harga dari 0 hingga 4, dan bila l

    = 4, dapat dibuktikan bahwa kita akan mendapatkan 14 keadaan 4f.

    TABEL PERIODIK

    Atom paling sederhana adalah atom hidrogen, yang mempunyai proton tunggal

    sebagai intinya, dan karena itu hanya sebuah elektron yang dapat mengitarinya supaya atom

    itu tetap netral. Bila atom hydrogen ini bebas, yaitu dalam keadaan energi paling rendah,

    elektronnya akan berada dalam keadaan 1s. Untuk helium, yang intinya terdiri atas dua

    proton dan dua neutron, massa atomnya akan empat kali lebih besar dari hidrogen, tetapi

    karena muatan inti (nuclear charge) sematamata hanya ditentukan oleh banyaknya proton,

    maka hanya dua elektron yang berkitar di orbitnya. Kedua elektron ini kakn mempunyai

    energi paling rendah bila masing-masing menempati keadaan 1s. atom berikutnya, lithium,

    yang mempunyai tiga muatan inti, hanya dapat menempatkan dua elektronnya dalam keadaan

    1s, sedangkan elektron ketiga harus masuk ke keadaan 2s yang energinya sedikit lebih tinggi.

    Begitu seperangkat keadaan untuk kuantum utama tertentu terisi, elektronelektron dalam

    keadaan demikian disebut membentuk selapis kulit yang rapat, dan dalam mekanika kuantum

  • 33

    begitu suatu kulit terisi, energi dari kulit tersebut turun ke harga yang demikian rendahnya

    sehingga elektron-elektron bias berada dalam keadaan mantap sekali. Oleh sebab itu, lithium

    mempunyai dua elektron yang terikatsekali ke intinya dan sebuah electron di keadaan 2s yang

    sangat kurang terikat. Elektron ini, yang sering disebut electron valensi, dapat dilepaskan

    dengan mudah, dan karena itu lithium dapat membentuk ion dengan muatan positif satu, dan

    bervalensi satu. Elektron 2s yang terletek disebelah luar ini denga demikian tergolong bebas.

    Berilium mempunyai muatan inti empat, karena itu elektron-elektronnya akan

    menempati keadaan-keadaan 1s dan 2s, sementara keenam keadaan 2p dengan energi lebih

    tinggi tetap kosong. Dalam enam atom berikutnya, yang bermuatan inti dari lima hingga

    sepuluh, keadaan 2p ini akan cepat terisi, dan pada usur dengan muatan sepuluh (neon) semua

    keadaan tersedia yang memiliki bilangan kuantum utam 1 dan 2 terisi sehingga atom itu

    memiliki dua lapis kulit yang rapat. Seperti dalam kasus helium, elektron-elektron berada

    dalam keadaan energi rendah dan dari sini tidak dapat dipindahkan dengan mudah.

    Akibatnya, seperti helium, neon tidak mudah membentuk ion dan karena itu tidak dapat

    berperan serta dalam reaksi-reaksi kimia.

    Dalam susunan berkala unsur-unsur, tiap kali sebuah atom mendapatka cukup

    elektron untuk merapatkan kulitnya, unsur yang terbentuk bersifat nonreaktif, dan unsur-

    unsur ini disebut gas mulia (inert gases).

    Tabel 2.2 Tabel Periodik Unsur

    Dengan mekanisme yang sama, atom-atom dengan muatan inti atau nomor atom

    antara sebelas dan delapan belas akan membentuk kulit ketiga yang memiliki n = 3 dengan

    mengisi keadaan-keadaan 3s dahulu, kemudian 3p. bukan tidak mungkin orang berpikir

    bahwa sesudah argon yang bernomor atom Z = 18, atom-atom akan mempunyai electron

    keadaan 3d. ternyata yang terjadi bukan demikian karena kebetulan saja energi elektron di

    keadaan 4s lebih endah dibandingkan keadaan 3d. akibatnya, pada kalium (potassium) yang

  • 34

    mempunyai Z = 19 elektron-elektron berenergi tinggi keadaan s, dan unsure ini memiliki sifat

    kimia lebih menyerupai natrium(sodium) dan litium yang juga mempunyai elektron-elektron

    tunggal di keadaan s. Kalsium dengan Z = 20 memiliki dua elektron di keadaan 4s yang

    dengan demikian terisi penuh, sehingga scandium yang mungkin diharapkan memiliki

    elektron berenergi paling tinggi di keadaan 4p, ternyata menemukan bahwa energi elektron

    lebih rendah bila ditempatkan di keadaan 3d yang sampai kini dibiarkan kosong karena

    energinya lebih tinggi dibandingkan keadaan 4s. Sesudah skandium, unsur-unsur berikutnya

    meneruskan proses pengisian keadaan 3d, yang menjadi penuh pada unsur seng (Zn).

    Bagaimanapun, proses pengisian keadaan 3d ini ternyata tidak sederhana. Dalam atom-tom

    bebas, diketahui bahwa ketika keadaan 3d diisi, elektron-elektron mula-mula menempati lima

    keadaan yang sesuai dengan kelima harga bilangan kuantum dalam m dan elektron-elektron

    tadi semuanya mempunyai bilangan spin sama (kaidah Hund). Apabila kelima keadaan itu

    telah terisi, energi elektron-elektron turun sehingga dari segi energi bagi khrom lebih

    menguntungkan andaikata sebuah elektron yang seharusnya menempati keadaan 4s

    digunakan untuk melengkapi kelima keadaan 3d. Itu sebabnya khrom hanya mempunyai

    sebuah elektron 4s dan lima elektron 3d. Proses serupa terjadi pada pada tembaga. Di sini

    sebuah dari elektron-elektron 4s digunakan untuk melengkapi kesepuluh keadaan 3d, yang

    dengan demikian merapatkan kulit ketiga dan mendapatkan reduksi energi elektron yang

    lumayan untuk kulit ini. Unsur-unsur dari scandium hinga tembaga, yang keadaan-keadaan

    3d-nya terisi dengan cepat, doikenal sebagai unsur-unsur trnsisi. Pada tujuh unsur sesudah

    tembaga proses pengisian keadaan 4s dan 4p tidak begitu lancar, dan kripton, yang keadaan-

    keadaan 4s serta 4p-nya terisi penuh, termasuk kelompok gas mulia.

    Pada kelompok unsur berikutnya, dari rubidium hingga xenon, terjadi proses

    pengisian seperti terdahulu, yaitu 5s dahulu, baru kemudian 4d dan akhirnya 5p. Keadaan 4f

    untuk sementara belum terisi karena mempersyaratkan energi lebih tinggi ketimbang

    keadaan-keadaan 5s, 4d, 5p dan 6s. Baru sesudah lanthanium, dari segi energi sudah pada

    tempatnya mengisi keempat belas keadaan 4f. Kelompok unsur yang dalam tabel periodik

    terletak antara lanthanium dan hafnium ini dikenal sebagai unsur tanah jarang. Setelah

    keadaan-keadaan 4f terisi, unsur-unsur berikutnya hingga gas mulia radon, mulai mengisi

    keadaan 5d dan akhirnya 6p. Unsur-unsur yang tersisa, lagilagi mengisi keadan s terlebih

    dahulu, yaitu keadaan-keadaan 7s dan proses selanjutnya sama dengan pada kelompok logam

    sebelumnya. Bagaimanapun, dari Material Teknik

    unsur-unsur diatas untuk saat ini hanya enam unsur yang betul-betul terdapat di alam,

    yang lainnya belum ditetapkan apakah termasuk kelompok unsur tanah jarang atau tidak.

  • 35

    Dengan cara ini kita dapat membuat skema untuk menjelaskan unsur-unsur seperti tampak

    pada tabel 2.2. Di sini angka dibawah simbol kimia tiap unsur menyatakan nomor atom. Baris

    horizontal menyatakan periode, sementara kolom vertikal menyatakan kelompok atau grup.

    Di sini jelas bahwa tiap periode diakhiri dengan sebuah unsur gas mulia, yang semua keadaan

    elektronya untuk harga bilangan kuantum utama tertentu telah terisi, dan bahwa unsur-unsur

    di suatu kelompok mana pun memiliki elektron di kulit luar dalam konfigirasi yang sama.

    PERILAKU KIMIA DAN IKATAN LOGAM

    Perilaku kimia unsur-unsur dapat dijelaskan menurut tingkat stabilitas yang timbul

    ketika kulit-kulit elektron terisi. Pada gas mulia yang kondisi mantapnya terdapat pada setiap

    atom, sulit sekali memindahkan sebuah elektron dari kulit terluar yang berisi untuk

    menghasilkan ion bermuatan positif. Demikian pula, sulit sekali menambahkan sebuah

    elektron ke kulit terluar yang terisai penuh untuk menghasilkan ion bermuatan negatif. Oleh

    sebab itu, gas mulia, yang tidak mudah diubah menjadi ion, tidak dapat membentuk senyawa

    kimia.

    Unsur-unsur yang mempunyai sedikit elektron di luar kulit terluar dapat dengan

    mudah melepaskan elektron-elektron tersebut untuk membentuk ion positif (kation). Di pihak

    lain, unsur-unsur yang mempunyai cukup banyak elektron di luar kulit terluar dengan mudah

    mau menerima beberapa elektron lagi untuk membentuk kulit baru, dan dengan demikian

    membentuk ion negatif (anion). Sebagai contoh, lithium, natrium, dan kalium yang

    mempunyai sebuah elektron paling luar (elektron valensi) di keadaan s, bila melepaskan

    elektron itu akan membentuk ion bermuatan positif satu. Unsur-unsur disebut unsur-unsur

    univalent (bervalensi satu). Sebaliknya, khlor, brom dan iodium masing-masing kekurangan

    sebuah electron untuk membentuk kulit terluar terbaru, dan bila kekurangan tersebut

    terpenuhi, ion-ion bermuatan negatif satu yang terjadi akan mantap sekali. Afinitas kimia

    antara natrium dan khlor dengan demikian dapat dijelaskan secara mudah sebagai pemberian

    electron terluar dari atom natrium kepada atom khlor, yang akibat kejadian tersebut keduanya

    sama-sama memiliki struktur electron dengan kulit luar terisi penuh, dan kedua ion

    bermuatan berlawanan yang terbentuk akan saling rangkul akibat gaya tarik elektrostatik. Ini

    juga menjelaskan terjadinya ikatan ion atau ikatan ikatan heteropolar.

    Unsur-unsur dibagian kiri Tabel Periodik cenderung membentuk ion positif, dan

    mempunyai valensi yang makin ke kanan makin besar, mulai dari grup I. Dengan demikian

    pula, unsur-unsur di sebelah kanan cenderung membentuk ion negatif, dan dalam hal ini,

    valensi menigkat dari kanan ke kiri. Situasi yang menarik terjadi pada unsur-unsur yang kulit

  • 36

    terluarnya hanya terisi separuh, misalnya karbon, yang menurut teori dapat membentuk

    ikatan ion-ion bervalensi empat entah bermuatan positif atau negatif. Pada kenyataannya

    unsur-unsur semacam itu, meskipun kadangkadang membentuk ikatan dengan unsur lain,

    lebih sering membentuk jenis ikatan lain yang disebut ikatan kovalen atau ikatan homopolar.

    Dalam ikatan jenis ini atomatom yang bersebelahan secara bersama mengunakan elektron

    valensi mereka sedemikian rupa sehingga tiap atom seolah-olah memiliki kulit terluar penuh

    meskipun tidak purna waktu.

    Dalam ikatan kovalen, atom-atom lebih suka memberika sebuah elektron saja untuk

    dipakai bersama dengan tetangga masing-masing, separti tampak dalam

    banyaknya ikatan kovalen yang dibentuk oleh unsur sama dengan (8 N) di mana N adalah

    banyaknya elektron diluar kulit terluar yang penuh. Ciri penting lain pada ikatan kovalen

    adalah bahwa elektron-elektron yang dipakai bersama berada dalam keadaan-keadaan s dan

    p. Jadi karbon, yang mempunyai empat buah electron terluar, dapat membentuk ikatan

    kovalen dengan empat atom karbon lain. Dalam intan, yang pada hakikatnya adalah karbon

    padat, tiap karbon dikelilingi empat atom lain yang secara simetrik terletak di sudut-sudut

    sebuah tetrahedron beraturan. Dengan cara ini kita dapat menyusun jaringan atomatom

    karbon tiga dimensi.

    Zat padat yang ikatannya ionik atau kovalen, mempunyai elektron-elektron yang tidak

    dapat bermigrasi dengan bebas meskipun berada di bawah pengaruh suatu gaya gerak listrik

    (e.m.f), karena itu bersifat isolator. Seperti telah kita ketahui, karakteristik atom paling

    penting adalah kemampuannya menghantarkan listrik, dan karena itu tidak boleh berikatan

    ionik atau kovalen. Semua unsur yang jelas menunjukan karakteristik logam dikelompokan di

    bagian selah kiri Tabel Periodik seperti pada table 2.2. Semua atom unsur logam mempunyai

    elektron di luar kulit penuh dalam jumlah yang sedikit. Ini berlaku untuk semua unsur di

    subkelompok I, II dan III, untuk unsur-unsur di ketiga kelompok transisi, dan untuk unsur-

    unsur tanah jarang.

    Pada logam, elektron-elektron terluar pada dasarnya bergerak dengan bebas di seluruh

    bahan, karena itu kita membayangkan logam sebagai susunan ion bermuatan positif yang

    berembesi awan elektron. ikatan di dalamnya terutama disebabka oleh tarik-menarik antara

    ion-ion positif dan elektronelektron bebas. Salah satu akibat paling penting dari bentuk ikatan

    ini adalah bahwa gaya ikat (bonding force) tidak mengikuti arah yang tertentu dan karena itu

    ion-ion akan mengelompok menurut bentuk geometric yang paling ekonomis.

    Bagaimanapun, perlu diingat bahwa apabila dua ion saling mendekati, di antara keduanya

    juga terjadi gaya tolak menolak, dan gaya ini membatasi derajat keekonomisan dalam

  • 37

    pengelompokannya, sehingga sesunguhnya ion-ion logam dapat dipandang sebagai bola-bola

    yang keras. Ini pula sebabnya masalah struktur kristal logam sangat dapat dipandang sebagai

    masalah pengepakan sejumlah bola berukuran sama.

    SUSUNAN ATOM DALAM LOGAM

    Ion logam sangat kecil dan diameternya hanya beberapa kaliu 10-10 mm, atau kurang

    dari nanometer. Dengan demikian satu millimeter kubik logam diperkirakan mengandung

    1022. Di atas telah dibahas bahwa ion-ion dalam logam padat tidak tersusun secara acak,

    namun seolah-olah dipak secara beraturan. Pada kebanyakan logam, ion-ion mengelompok

    sedemikian rupa sehingga volume yang dibutuhkan sedikit mungkin. Pada semua logam,

    termasuk yang ion-ionnya agak renggang, penataan ion-ion ternyata mengikuti mengikuti

    suatu pola tertentu, dan karena struktur logam dicirikan menurut satuan (unit) pola sederhana

    yang disebut sel struktur, yang kalau diulang-ulang secara beraturan di seluruh bagian badan

    logam akan menentukan posisi semua ion dalam kristal logam bersangkutan.

    Kita mengenal dua cara penataan bola-bola berukuran sama yang memungkinkan

    volume minimum. Kedua cara itu adalah penataan kubus pusat sisi atau face-centerd cubic

    arragement (f.c.c) dan penataan heksagonal susunan rapat atau closed-paccked hexagonal

    arragement (c.p.h). Sel-sel struktur pada kedua cara penataan diatas dapat dilihat dalam

    Gambar 2.2(a) dan 2.2(b). Sel struktur lain lagi yang tampak pada Gambar 2.2(c) adalah cara

    pengepakan. Cara pengepakan bola ini dikenal sebagai penataan kubus pusat ruang atau

    body-centered cubic arragement (b.c.c).

  • 38

    Gambar 2.2 Susunan atom dalam (a) struktur kubik pusat muka, (b) struktur

    closedpackedheksagonal, dan (c) struktur body-centred cubic

    Untuk menetapkan secara lengkap struktur suatu logam, kita perlu mempelajari

    struktur kristal dan ukuran (dimensi) sel strukturnya. Banyaknya besaran yang dibutuhkan

    untuk menentukan suatu sel struktur bergantung pada derajat keteraturan geometrik yang

    ditunjukan oleh sel. Jadi, dalam sel-sel struktur kubus kita hanya perlu mengukur panjang

    salah satu rusuk, sementara pada sel heksagonal kita perlu mengetahui panjang a dan c seperti

    dalam Gambar 2.2(b). bagaimanapun, jika struktur yang ideal adalah susunan rapat, kedua

  • 39

    besaran a dan c harus memiliki perbandingan c/a = 1,633. Dalam struktur logam,

    perbandingan c/a, yang sering disebut nisbah menyumbu (axial ratio), tidak pernah tepat

    1,633, dan karena itu struktur logam tidak betul-betul tersusun secara rapat; untuk seng

    misalnya, c/a = 1,86 dan untuk titanium, c/a = 1,58. Besaran yang menunjukan ukuran sel

    struktur itu disebut parameter kisi (lattice parameter).

    Pengetahuan tentang penetapan kisi memungkinkan kita menghitung jari-jari atom (r)

    logam berdasrkan asumsi bahw atom-atom itu berbentuk bola dan masingmasing salling

    kontak. Perlu di ketahui bahwa dalam struktur kubus pusat sisi (f.c.c) r = (a 2)/ 4 , dan dalam

    struktur kubus pusat ruang (b.c.c) r = (a 3)/ 4, denga a parameter kisi. Karena besaran-besaran

    a dan r sangat kecil, sudah menjadi kelaziman untuk mengukurnya dalam nanometer (10-9

    m). Sebuah konsep yang penting sehubungan denga struktur kristal ini adalah bilangan

    koordinasi, yang didefinisikan sebagai banyaknya atom berjarak terdekat sama dari sebuah

    atom mana pun dalam struktur kristal. Jadi, dalam struktur kubus pusat ruang seperti pada

    Gambar 2.2(c), dengan mudah dapat dilihat bahwa atom di pusat kubus dikekilingi oleh

    delapan buah atom yang berjarak sama yang terletak di sudut-sudut kubus, dan bilangan

    koordinasi disini adalah 8. Lain halnya dengan Gambar 2.2(a), mungkin anda tidak langsung

    menyadari bahwa bilangan koordinasi di struktur kubus pusat sisi seperti ini adalah 12.

    Agaknya cara yang paling mudah untuk membayangkan ini adlah denga

    menempatkan dua sel kubus pusat sisi berdampingan dan memperhatikan atom-atom

    disekeliling atom yang menjadi pusat sisi bersama. Pada struktur heksagonal susunan rapat

    dengan perbandingan ideal c/a = 1,633, bilangan koordinasi juga 12 seperti yang mudah

    terlihat bila kita menumpukan dua sel dan memilih atom di pusat bidang bersama sebagai

    titik acuan. Bidang ini sering disebut bidang basal. Bidang dengan susunan atom paling padat

    dalam struktur heksagonal susunan rapat yang paling ideal adalah bidang basal, dan mamiliki

    tatanan atom yang sama seperti pada bidang paling padat dalam struktur kubus pusat sisi*.

    Baik struktur heksagoanl susunan rapat maupun kubus pusat sisi merupakan dua metode

    pengepakan bola yangsama bagusnya; perbedaan di antara keduanya hanyalah pada cara

    penumpukan bidang susunan rapat masing-masing. Gambar 2.3 memperlihatkan cara atom-

    atom dalam suatu bidang susunan rapat.

  • 40

    Gambar 2.3 Susunan atom dalam bidang close-packed, (b) posisi dua bidang close-packed,

    dan (c) stacking bidang seksutif

    Ketika menumpukan atau mengandengkan bidang atom yang kedua, bidang atom

    pertama mungkin ditempatkan entah dengan posisi B atau C, yang betul-betul merupakan

    kedudukan setara. Bagaimanapun, begitu atom pertama ditempatkan di salah satu dari

    duakedudukan, semua atom lain di bidang kedua harus berada di kedudukan serupa. Ini tidak

    lain karena kedudukan-kedudukan bersebelahan untuk tipe-tipe B dan C terlalu dekat untuk

    ditempati keduanya dalam lapisan yang sama. Sampai di sini kita belum menjumpai

    perbedaan antara struktur heksagonal susunan rapat dan kubus pusat sisi. Perbedaan baru

    timbul ketika lapisan ketiga diletakan.

    Dalam peletakan lapisan ketiga, dengan mengandaikan bahwa kedudukankedudukan

    tipe B telah digunakan untuk membentuk lapisan kedua, seperti dalam Gambar 2.3, atom-

    atom dapat menempati kedudukan- kedudukan A atau C. kalau kedudukan A yang dipilih,

    maka atom-atom di lapisan ketiga akan langsung di atas lapisan pertama, dan struktur yang

    terbentuk adalah heksagonal susunan rapat, sedangkan jika kedudukan C yang dipilih,

    kejadiannya tidak demikian dan struktur yang berbentuk adalah kubus pusat sisi. Jadi,

    struktur heksagonal susunan rapat terdiri atas lapisan-lapisan atom tersusun rapat yang

    ditumpuk dengan urutan ABABAB atau ACACAC. Struktur kubus pusat sisi memiliki cara

    penumpukan dengan urutan ABCABCABC sehingga atom-atom di lapisan keempat terletak

    langsung di atas atom-atom lapisan pertama.

    Tabel 2.3 Struktur kristal beberapa logam biasa pada suhu ruang

  • 41

    Tabel 2.3. memperlihatkan struktur kristal yang dianut oleh sejumlah logamlogam pada

    temperatur kamar. Beberapa logam ternyata menganut lebih dari satu struktur kristal, yang

    masing-masing hanya stabil pada temperatur tertentu. Contoh paling baik untuk gejala yang

    disebut polimorfisme ini adalah seperti yang ditunjukan oleh besi, yang berstruktur kubus

    pusat ruang pada temperatur-temperatur di bawah 910o C serta di atas 1400o C, namun

    berstruktur kubus pusat sisi bila di antara 910o C dan 1400o C. contoh lain yang umum

    antara lain adalah titanium dan zirconium yang berubah dari kubus susunan rapat ke kubus

    pusat ruang berturut-turut pada temperatur 882o C dan 815o C. timah putih berubah dari

    struktur kubus (kelabu) menjadi tetragonal (putih) pada suhu 13,2o C. uranium dan plutonium

    juga menganut beberapa struktur kristal. Plutonium, khususnya, tergolong kompleks karena

    memiliki enam struktur kristal di antara suhu kamar dan titik leburnya pada 640o C.

    ELEKTRON -ELEKTRON DALAM KRISTAL LOGAM

    Kalau kita membayangkan atom-atom dikumpulkan dan ditata membentuk struktur

    kristal, maka ketika jarak antara atom-atom terdekat mendekati jarak antar atom yang khas

    pada logam, elektron-elektron terluar tidak lagi mengacu ke atomnya masing-masing. Begitu

    electron-elektron terluar tidak lagi terikat ke atomnya masing-masing melainkan bergerak

    bebas di seluruh logam, maka menurut Prinsip Kekecualian Pauli, elektron-elektron tadi tidak

  • 42

    dapat memprtahankan perangkat bilangan kuantum yang sama seperti masih merupakan

    bagian dari atom-atom. Akibatnya, elektron-elektron bebas tidak lagi bisa memiliki lebih dari

    dua elektron dengan spin berlawanan untuk suatu energi tertentu. Energi-energi elektron

    bebas itu didistribusikan ke suatu rentang yang terus meningkat sejalan proses pembentukan

    logam oleh atom-atom. Jika atom-atom dimaksudkan untuk membentuk struktur logam yang

    mantap, energi purata (mean energi) elektron-elektron bebas harus lebih rendah disbanding

    energi tingkat elektron ketika atom-atom masih bebas.