Sifat-Sifat Bahan (Material Properties)

Hairul Arsyad

Pengelompokan Sifat Bahan

• Sifat-sifat material meliputi :• Sifat Fisik : berhubungan dengan parameter-

parameter fisik seperti dimensi, berat, densitas (massa jenis), titik leleh, porositas, permeabiltas, jumlah mol dsb.

• Sifat kimia bahan: berhubungan dengan parameter kimia seperti PH, kemampuan oksidasi, kemampuan reduksi, kemampuan dalam membentuk ikatan kimia, ketahanan korosi dsb.

• Sifat Listrik : sangat berhubungan dengan kemampuan menghantar dan menyimpan listrik seperti konduktor, semi konduktor, isolator (dialektrik) atau bahkan material superkonduktor, solar sel.

• Sifat termal : Berhubungan dengan kemampuan menghantar dan menyimpan panas dari suatu bahan, dikenal bahan konduktor dan isolator panas, sangat menentukan untuk material penukar panas. Beberapa sifat termal bahan: Konduktivitas termal, koefisien muai termal, kapasitas panas spesifik.

• Sifat Magnetik : Berhubungan dengan perilaku magnetic bahan dalam lingkungan dengan atau tanpa medan magnet, dikenal ferromagnetik, paramagnetik dan diamagnetik

• Sifat Optik : Perilaku bahan terhadap sinar/cahaya. Perilaku bahan terhadap cahaya meliputi absorpsi (menyerap), refraksi (memantulkan); salah satu sifat refraksi bahan adalah harga indeks bias bahan. Sifat transmisi (meneruskan) cahaya, dan sifat dispersi (penyebaran). Contoh penggunaan material yang memanfaatkan sifat terhadap cahaya adalah lensa dan serat optik.

• Sifat Akustik : perilaku bahan terhadap gelombang suara.

• Sifat Mekanik : Perlaku bahan terhadap gaya-gaya mekanik

• Sifat Teknik : Kemampuan bahan dalam mengalami proses-proses pembentukan, penyambungan dan permesinan.

• Sifat Estetik : Berhubungan dengan aspek tampilan dan tekstur bahan untuk keperluan seni dan estetika.

3

• Hukum Ohm's :V = I R

Voltage (volts) resistance (Ohms)current (amps)

VIe-

A(cross sect. area)

L

• Resistivity, and Conductivity, :

VL

IA

E: electricfieldintensity

resistivity(Ohm-m)

J: current density

I

conductivity

• Resistance: R

LA

L

A

SIFAT LISTRIK: Konduktivitas listrik

Polystyrene <10-14

Polyethylene 10-15-10-17

Silver 6.8 x 107

Copper 6.0 x 107

Iron 1.0 x 107

METALS

Silicon 4 x 10-4

Germanium 2 x 100

GaAs 10-6

SEMICONDUCTORS

Soda-lime glass 10-10

Concrete 10-9

Aluminum oxide <10-13

CERAMICS

POLYMERS

conductors

semiconductors insulators

4

• Room T values (Ohm-m)-1

Selected values from Tables 18.1, 18.2, and 18.3, Callister 6e.

PERBANDINGAN KONDUKTIVITAS

7

• Insulators: --Higher energy states not accessible due to gap.

• Semiconductors: --Higher energy states separated by a smaller gap.

Energy

filled band

filled valence band

empty band

filled s

tate

s

GAP

Energy

filled band

filled valence band

empty band

filled s

tate

s

GAP?

ENERGY STATES: INSULATORS AND SEMICONDUCTORS

• Imperfections increase resistivity --grain boundaries --dislocations --impurity atoms --vacancies

8

T (°C)-200 -100 0

Cu + 3.32 at%Ni

Cu + 2.16 at%Ni

deformed Cu + 1.12 at%Ni

1

2

3

4

5

6

Resi

stiv

ity,

(1

0-8 O

hm

-m)

0

Cu + 1.12 at%Ni

“Pure” Cu

• Resistivity increases with: --temperature --wt% impurity --%CW

Adapted from Fig. 18.8, Callister 6e. (Fig. 18.8 adapted from J.O. Linde, Ann. Physik 5, p. 219 (1932); and C.A. Wert and R.M. Thomson, Physics of Solids, 2nd ed., McGraw-Hill Book Company, New York, 1970.)

METALS: RESISTIVITY VS T, IMPURITIES

15

• Electrical conductivity and resistivity are: --material parameters.• Electrical resistance is: --a geometry and material dependent parameter.• Conductors, semiconductors, and insulators... --different in whether there are accessible energy states for conductance electrons.• For metals, conductivity is increased by --reducing deformation --reducing imperfections --decreasing temperature.

2

• General: The ability of a material to absorb heat.• Quantitative: The energy required to increase the temperature of the material.

C

dQdT

heat capacity(J/mol-K)

energy input (J/mol)

temperature change (K)

• Two ways to measure heat capacity: -- Cp : Heat capacity at constant pressure.

-- Cv : Heat capacity at constant volume.

HEAT CAPACITY

4

Selected values from Table 19.1, Callister 6e.

HEAT CAPACITY: COMPARISON• Polymers

Polypropylene Polyethylene Polystyrene Teflon

cp (J/kg-K) at room T

• CeramicsMagnesia (MgO) Alumina (Al2O3) Glass

• MetalsAluminum Steel Tungsten Gold

1925 1850 1170 1050

900 486 128 138

incr

easi

ng c

p

cp: (J/kg-K) Cp: (J/mol-K)

material

940 775

840

5

• Materials berubah ukran ketika dipanaskan.

• Atomic view: Mean bond length increases with T.

Lfinal LinitialLinitial

(Tfinal Tinitial)

coefficient ofthermal expansion (1/K)

Tinit

TfinalLfinal

Linit

Bond energy

Bond length (r)

incr

easi

ng

T

T1

r(T5)

r(T1)

T5bond energy vs bond length curve is “asymmetric”

THERMAL EXPANSION

6

• PolymersPolypropylene Polyethylene Polystyrene Teflon

145-180 106-198 90-150 126-216

(10-6/K) at room T

• CeramicsMagnesia (MgO) Alumina (Al2O3) Soda-lime glass Silica (cryst. SiO2)

13.5 7.6 9 0.4

• MetalsAluminum Steel Tungsten Gold

23.6 12 4.5 14.2

incr

easi

ng

Material

Selected values from Table 19.1, Callister 6e.

THERMAL EXPANSION: COMPARISON

7

• The ability of a material to transfer heat.• Quantitative:

q k

dTdx

temperaturegradient

thermal conductivity (J/m-K-s)

heat flux(J/m2-s)

• Atomic view: Atomic vibrations in hotter region carry energy (vibrations) to cooler regions.

T2 > T1 T1

x1 x2heat flux

THERMAL CONDUCTIVITY

8

• PolymersPolypropylene Polyethylene Polystyrene Teflon

0.12 0.46-0.50 0.13 0.25

k (W/m-K)

• CeramicsMagnesia (MgO) Alumina (Al2O3) Soda-lime glass Silica (cryst. SiO2)

38 39 1.7 1.4

• MetalsAluminum Steel Tungsten Gold

247 52 178 315

incr

easi

ng k

By vibration/ rotation of chain molecules

Energy Transfer

By vibration of atoms

By vibration of atoms and motion of electrons

Material

Selected values from Table 19.1, Callister 6e.

THERMAL CONDUCTIVITY: COMPARISON

9

• Terjadi akibat: --heating/cooling --perbedaan dalam thermal expansion.

)( roomthermalroom

TTEL

L

Troom

Lroom

TL

EX: THERMAL STRESS

• --Sebuah batang tembaga (E = 100Gpa) berada tanpa tegangan pd temp (20oC) dipanaskan hingg temp T. Jika besarnya tekanan yg diberikan utk mencegah pemuaian sebesar -172 Mpa. Berapakah besarnya temp yg dicapai pada saat besarnya tekanan sebesar 172 Mpa. Jika dietahui Koef. Muai tembaga: 20x10-6/C

compressive keeps L = 0)( roomTTE

100GPa 20 x 10-6 /C

20CAnswer: 106C

12

• A material responds to heat by: --increased vibrational energy --redistribution of this energy to achieve thermal equil.• Heat capacity: --energy required to increase a unit mass by a unit T.• Coefficient of thermal expansion: --the stress-free strain induced by heating by a unit T.• Thermal conductivity: --the ability of a material to transfer heat.

2

• Dihasilkan oleh arus yg mengalir melewati lilitan coil:

Applied magnetic field H

current I

N turns total

L = length of each turn

• Hubungan Medan magnet, H:

H

NIL

applied magnetic fieldsatuan= (ampere-turns/m)

current

Sifat Magnetik : Medan Magnet

3

• Induksi Magnetik (B) terjadi bila berada pd medan magnet

current I

B = Magnetic Induction (tesla) inside the material

• Magnetic susceptibility, (tak berdimensi)

H

Bvacuum = 0

> 0

< 0

Respon Material terhadap medan magnet

5

B (1)oH permeability of a vacuum:(1.26 x 10-6 Henries/m)

Plot adapted from Fig. 20.6, Callister 6e. Values and materials from Table 20.2 and discussion in Section 20.4, Callister 6e.

3 Jenis Magnet

ferromagnetic e.g., Fe3O4, NiFe2O4 ferrimagnetic e.g., ferrite(), Co, Ni, Gd

(3)

Magnetic induction (B--tesla)

Strength of applied magnetic field (H) (ampere-turns/m)

diamagnetic ( ~ -10-5)

vacuum ( = 0) (1)

(2)

e.g., Al2O3, Cu, Au, Si, Ag, Zn

e.g., Al, Cr, Mo, Na, Ti, Zr

( as large as 106 !)

Sifat Mekanik

• Sifat mekanik adalah salah satu sifat yang paling penting dalam aspek keteknikan. Sifat mekanik bahan menggambarkan perilaku bahan terhadap pembebanan mekanik, baik pembebanan statik, dinamik, tarik, tekan, geser, bending,puntir, impak, dsb.

• Sifat mekanik dari suatu bahan dapat diketahui melalui pengujian mekanik

Sifat-mekanik yang penting• Kekuatan (strength)

Kekuatan bahan adalah ukuran kemampuan bahan dalam menahan beban tanpa mengalami kegagalan. Umumnya ukuran kekuatan bahan mengacu pada kekuatan tarik bahan.

• KekerasanKetahanan bahan terhadap adanya penetrasi pada permukaan. Kekerasan bahan diperoleh dari Uji kekerasan.

• KetangguhanBanyaknya energi yang dapat diserap oleh material tanpa mengalami kegagalan.

• KeuletanUkuran deformasi yang dapat diterima oleh bahan tanpa gagal

• Ketahanan lelah (fatik)Kemampuan bahan menerima beban siklik.

• Deformasi elastik dan plastikDeformasi elastik adalah perubahan bentuk bahan pada daerah elastik banyak terjadi pada elemen-elemen mesin yang mengalami pembebanan.Deformasi plastik adalah perubahan bentuk permanen yang dialami oleh bahan akibat gaya atau pembebanan, banyak terjadi pada proses-proses pembentukan bahan.

• Kekuatan luluh (titik luluh)• Tegangan • Regangan• Modulus Elastis

SIFAT TEKNIK BAHAN

• Mampu Cor (Castability)Kemampuan bahan untuk dapat dipabrikasi dengan metode pengecoran. Ukuran mampu cor dilihat dari flowability dari bahan.

• Mampu Mesin (Machinability)Kemampuan bahan dalam proses-proses permesinan.

• Mampu Bentuk (Formabilty)• Mampu Las (Weldability)