Material Teknik 3rd session hadisaputra@live.com Page 1

Struktur Materials

Hubungan antara struktur dan sifat-sifat bahan

Perkembangan kebutuhan bahan sebenarnya sudah dimulai sejak manusia ada, hal ini dikarenakan, kebutuhan manusia untuk mensejahterakan

hidupnya. Hal ini dapat diketahui dari alat-alat kebutuhan hidup yang digunakan selama sejarah manusia itu sendiri. Contohnya adanya pemakaian batu

untuk alat perburuan, tombak untuk mencari ikan dan lain sebagainya.

Pada perkembangan saat ini, engineer berkreasi menciptakan bahan-bahan baru yang dapat digunakan untuk mensejahterakan kehidupan

manusia, dengan memanfaatkan bahan2 yang ada. Hingga terbentuklah material-materila baru seperti composit (carbon fiber composite, natural fiber

composite, dan lain sebagainya).

Pemilihan material dalam engineering activity merupakan hal yang sangat menentukan, karena dalam rekayasa engineering salah satu

keberhasilannya ditentukan oleh ketepatan dalam memilih bahan.

Pada prinsipnya segala macam bahan pada dasarnya tersusun oleh proton, neutron, dan electron. Dimana ketiga unsur ini membentuk struktur

yang stabil. Bahan apapun pada dasarnya tersusun oleh ketiga unsur ini. Sifat-sifat bahan pada dasarnya terdiri dari sifat physical dan mechanicalnya,

dimana sifat-sifat ini tentunya tidak lepas dari sifat-sifat struktur atom penyusunya.

Struktur Atom

Struktur atom merupakan satuan dasar materi yang terdiri dari inti atom beserta awan elektron bermuatan negatif yang mengelilinginya. Inti

atom mengandung campuran proton yang bermuatan positif dan neutron yang bermuatan netral (terkecuali pada Hidrogen-1 yang tidak memiliki

neutron). Elektron-elektron pada sebuah atom terikat pada inti atom oleh gaya elektromagnetik. Demikian pula sekumpulan atom dapat berikatan

satu sama lainnya membentuk sebuah molekul. Atom yang mengandung jumlah proton dan elektron yang sama bersifat netral, sedangkan yang

mengandung jumlah proton dan elektron yang berbeda bersifat positif atau negatif dan merupakan ion. Atom dikelompokkan berdasarkan

jumlah proton dan neutron pada inti atom tersebut. Jumlah proton pada atom menentukan unsur kimia atom tersebut, dan jumlah neutron

menentukan isotop unsur tersebut.

Material Teknik 3rd session hadisaputra@live.com Page 2

Istilah atom berasal dari Bahasa Yunani, yang berarti tidak dapat dipotong ataupun sesuatu yang tidak dapat dibagi-bagi lagi. Konsep atom

sebagai komponen yang tak dapat dibagi-bagi lagi pertama kali diajukan oleh para filsuf India dan Yunani. Pada abad ke-17 dan ke-18, para

kimiawan meletakkan dasar-dasar pemikiran ini dengan menunjukkan bahwa zat-zat tertentu tidak dapat dibagi-bagi lebih jauh lagi

menggunakan metode-metode kimia. Selama akhir abad ke-19 dan awal abad ke-20, para fisikawan berhasil menemukan struktur dan

komponen-komponen subatom di dalam atom, membuktikan bahwa 'atom' tidaklah tak dapat dibagi-bagi lagi. Prinsip-prinsip mekanika kuantum

yang digunakan para fisikawan kemudian berhasil memodelkan atom.

Relatif terhadap pengamatan sehari-hari, atom merupakan objek yang sangat kecil dengan massa yang sama kecilnya pula. Atom hanya dapat

dipantau menggunakan peralatan khusus seperti mikroskop penerowongan payaran. Lebih dari 99,9% massa atom berpusat pada inti atom,

dengan proton dan neutron yang bermassa hampir sama. Setiap unsur paling tidak memiliki satu isotop dengan inti yang tidak stabil yang dapat

mengalami peluruhan radioaktif. Hal ini dapat mengakibatkan transmutasi yang mengubah jumlah proton dan neutron pada inti. Elektron yang

terikat pada atom mengandung sejumlah aras energi, ataupun orbital, yang stabil dan dapat mengalami transisi di antara aras tersebut dengan

menyerap ataupun memancarkan foton yang sesuai dengan perbedaan energi antara aras. Elektron pada atom menentukan sifat-sifat kimiawi

sebuah unsur dan memengaruhi sifat-sifat magnetis atom tersebut.

Perkembangan Model Atom

Seorang filsuf Yunani yang bernama Democritus berpendapat bahwa jika suatu benda dibelah terus menerus, maka pada saat tertentu akan

didapat akan didapat bagian yang tidak dapat dibelah lagi. Bagian seperti ini oleh Democritus disebut atom.[1]

Istilah atom berasal dari bahasa

yunani “a” yang artinya tidak, sedangkan “tomos” yang artinya dibagi. Jadi, atom artinya tidak dapat dibagi lagi. Pengertian ini kemudian

disempurnakan menjadi, atom adalah bagian terkecil dari suatu unsur yang tidak dapat dibelah lagi namun namun masih memiliki sifat kimia

dan sifat fisika benda asalnya.

Atom dilambangkan dengan ZXA, dimana A = nomor massa (menunjukkan massa atom, merupakan jumlah proton dan neutron), Z = nomor

atom (menunjukkan jumlah elektron atau proton). Proton bermuatan positif, neutron tidak bermuatan (netral), dan elektron bermuatan negatif.

Massa proton = massa neutron = 1.800 kali massa elektron. Atom-atom yang memiliki nomor atom sama dan nomor massa berbeda disebut

isotop, atom-atom yang memiliki nomor massa sama dan nomor atom berbeda dinamakan isobar, atom-atom yang memiliiki jumlah neutron

yang sama dinamakan isoton.

Material Teknik 3rd session hadisaputra@live.com Page 3

Macam-macam Model Atom

1. Model Atom John Dalton

Pada tahun 1808, John Dalton yang merupakan seorang guru di Inggris, melakukan perenungan tentang atom. Hasil perenungan Dalton

menyempurnakan teori atom Democritus. Bayangan Dalton dan Democritus adalah bahwa atom berbentuk pejal. Dalam renungannya Dalton

mengemukakan postulatnya tentang atom:

1. Setiap unsur terdiri dari partikel yang sangat kecil yang dinamakan dengan atom

2. Atom dari unsur yang sama memiliiki sifat yang sama

3. Atom dari unsur berbeda memiliki sifat yang berbeda pula

4. Atom dari suatu unsur tidak dapat diubah menjadi atom unsur lain dengan reaksi kimia, atom tidak dapat dimusnahkan dan atom juga

tidak dapat dihancurkan

5. Atom-atom dapat bergabung membentuk gabungan atom yang disebut molekul

6. Dalam senyawa, perbandingan massa masing-masing unsur adalah tetap

Teori atom Dalton mulai membangkitkan minat terhadap penelitian mengenai model atom. Namun, teori atom Dalton memiliki kekurangan,

yaitu tidak dapat menerangkan suatu larutan dapat menghantarkan arus listrik. Bagaimana mungkin bola pejal dapat menghantarkan arus listrik

padahal listrik adalah elektron yang bergerak. Berarti ada partikel lain yang dapat menghantarkan arus listrik.

2. Model Atom J.J. Thomson

Pada tahun 1897, J.J Thomson mengamati elektron. Dia menemukan bahwa semua atom berisi elektron yang bermuatan negatif. Dikarenakan

atom bermuatan netral, maka setiap atom harus berisikan partikel bermuatan positif agar dapat menyeimbangkan muatan negatif dari elektron.

Kelebihan model atom Thomson

Membuktikan adanya partikel lain yang bermuatan negatif dalam atom. Berarti atom bukan merupakan bagian terkecil dari suatu unsur.

Kelemahan model atom Thomson

Model Thomson ini tidak dapat menjelaskan susunan muatan positif dan negatif dalam bola atom tersebut.

Material Teknik 3rd session hadisaputra@live.com Page 4

3. Model Atom Rutherford

Model atom Rutherford

Rutherford melakukan penelitian tentang hamburan sinar α pada lempeng emas. Hasil pengamatan tersebut dikembangkan dalam hipotesis

model atom Rutherford.

a. Sebagian besar dari atom merupakan permukaan kosong.

b. Atom memiliki inti atom bermuatan positif yang merupakan pusat massa atom.

c. Elektron bergerak mengelilingi inti dengan kecepatan yanga sangat tinggi.

d. Sebagian besar partikel α lewat tanpa mengalami pembelokkan/hambatan. Sebagian kecil dibelokkan, dan sedikit sekali yang dipantulkan.

Kelemahan Model Atom Rutherford

a. Menurut hukum fisika klasik, elektron yang bergerak mengelilingi inti memancarkan energi dalam bentuk gelombang elektromagnetik.

Akibatnya, lama-kelamaan elektron itu akan kehabisan energi dan akhirnya menempel pada inti.

b. Model atom rutherford ini belum mampu menjelaskan dimana letak elektron dan cara rotasinya terhadap ini atom.

c. Elektron memancarkan energi ketika bergerak, sehingga energi atom menjadi tidak stabil.

d. Tidak dapat menjelaskan spektrum garis pada atom hidrogen (H).

Material Teknik 3rd session hadisaputra@live.com Page 5

4. Model Atom Niels Bohr

Model Atom Niels Bohr

Pada tahun 1913, Niels Bohr mengemukakan pendapatnya bahwa elektron bergerak mengelilingi inti atom pada lintasan-lintasan tertentu yang

disebut kulit atom. [5]

Model atom Bohr merupakan penyempurnaan dari model atom Rutherford.

Kelemahan teori atom Rutherford diperbaiki oleh Neils Bohr dengan postulat bohr :

a. Elektron-elektron yang mengelilingi inti mempunyai lintasan dan energi tertentu.

b. Dalam orbital tertentu, energi elektron adalah tetap. Elektron akan menyerap energi jika berpindah ke orbit yang lebih luar dan akan

membebaskan energi jika berpindah ke orbit yang lebih dalam

Kelebihan model atom Bohr

atom terdiri dari beberapa kulit untuk tempat berpindahnya elektron.

Kelemahan model atom Bohr

a. tidak dapat menjelaskan efek Zeeman dan efek Strack.

b. Tidak dapat menerangkan kejadian-kejadian dalam ikatan kimia dengan baik, pengaruh medan magnet terhadap atom-atom, dan spektrum

atom yang berelektron lebih banyak.

Material Teknik 3rd session hadisaputra@live.com Page 6

Ikatan Atom

Ikatan atom terdiri dari 2 macam, yaitu primary bonding dan secondary bonding.

Primary bonding, meliputi :

1. Ionic Bonding

2. Covalen Bonding

3. Metalic Bonding

Secondary Bonding

1. Van der Waals

2. Hydrogen Bond

Ionic Bonding Ikatan ion merupakan sejenis interaksi elektrostatik antara dua atom yang memiliki perbedaan elektronegativitas yang besar. Tidaklah

terdapat nilai-nilai yang pasti yang membedakan ikatan ion dan ikatan kovalen, namun perbedaan elektronegativitas yang lebih besar dari 2,0 bisanya disebut ikatan ion, sedangkan perbedaan yang lebih kecil dari 1,5 biasanya disebut ikatan kovalen. Ikatan ion menghasilkan ion-ion positif dan negatif yang berpisah. Muatan-muatan ion ini umumnya berkisar antara -3 e sampai dengan +3e.

Covalen Bonding Ikatan kovalen adalah ikatan yang umumnya sering dijumpai, yaitu ikatan yang perbedaan elektronegativitas (negatif dan positif) di antara atom-atom yang berikat sangatlah kecil atau hampir tidak ada. Ikatan-ikatan yang terdapat pada kebanyakan senyawa organik dapat dikatakan sebagai ikatan kovalen. Metalic Bonding

Pada ikatan logam, elektron-elektron ikatan terdelokalisasi pada kekisi (lattice) atom. Berbeda dengan senyawa organik, lokasi elektron

yang berikat dan muatannya adalah statik. Oleh karena delokalisai yang menyebabkan elektron-elektron dapat bergerak bebas, senyawa ini

memiliki sifat-sifat mirip logam dalam hal konduktivitas, duktilitas, dan kekerasan.

Material Teknik 3rd session hadisaputra@live.com Page 7

VanDer Walls Bonding

Dipol seketika ke dipol terimbas, atau gaya van der Waals, adalah ikatan yang paling lemah, namun sering dijumpai di antara semua

zat-zat kimia. Misalnya atom helium, pada satu titik waktu, awan elektronnya akan terlihat tidak seimbang dengan salah satu muatan negatif

berada di sisi tertentu. Hal ini disebut sebagai dipol seketika (dwikutub seketika). Dipol ini dapat menarik maupun menolak elektron-elektron

helium lainnya, dan menyebabkan dipol lainnya. Kedua atom akan seketika saling menarik sebelum muatannya diseimbangkan kembali untuk

kemudian berpisah.

Hydrogen Bonding

Ikatan hidrogen bisa dikatakan sebagai dipol permanen yang sangat kuat seperti yang dijelaskan di atas. Namun, pada ikatan hidrogen,

proton hidrogen berada sangat dekat dengan atom penderma elektron dan mirip dengan ikatan tiga-pusat dua-elektron seperti pada diborana.

Ikatan hidrogen menjelaskan titik didih zat cair yang relatif tinggi seperti air, ammonia, dan hidrogen fluorida jika dibandingkan dengan

senyawa-senyawa yang lebih berat lainnya pada kolom tabel periodik yang sama.

Struktur Kristal

Susunan atom-atom yang teratur dalam tiga dimensi menurut suatu pola tertentu dinamakan Kristal. Bila dari

inti2 atom tersebut dihubungkan dengan suatu garis2 imajiner maka akan terbentuk suatu kerangka tiga dimensi

yang dinamakan space lattice, yang tersusun oleh sejumlah unit cell (merupakan space lattice yang terkecil).

Seperti gambar disamping.

Material Teknik 3rd session hadisaputra@live.com Page 8

Stuktur Kristal

Ada 7 macam crystal system seperti dalam table 3.2 disamping, dan dari 7 macam

system tersebut terdapat 14 macam jenis bentuk space lattice yang mungkin terjadi.

Material Teknik 3rd session hadisaputra@live.com Page 9

Dari ke 14 system Kristal tersebut hanya 4 enis yang paling banyak dijumpai pada kebanyakan logam yang biasa digunakan,yaitu :

1. Simple Cubic

2. FCC (Face Center Cubic)

3. BCC (Body Center Cubic)

4. HCP (Hexagonal Close Packed)

HCP

Material Teknik 3rd session hadisaputra@live.com Page 10

Polimorfy : beberapa unsur yang memiliki space lattice yang berbeda

Alotropi : Bila sifat polimorfinya reversible.

Contoh :

Besi alpha pada temp kurang dari 910C strukturnya BCC dan diatas temp 910C strukturnya

FCC dan reversible.

Material Teknik 3rd session hadisaputra@live.com Page 11

Kristalisasi Proses pembentukaan Kristal yang terjadi pada saat pembekuan yang terdiri dari dua tahapan yaitu,

1. Nucleation (pengintian)

2. Pertumbuhan Kristal (Crystal Growth)

Pada kondisi cair atom2 akan bergerak dengan tidak teratur dan pada saat pendinginan

maka atom2 akan menempati posisi-posisi tertentu untuk mulai membentuk lattice, dan

ini terjadi pada tempat yang relative dingin. Serta mulai terbentuk inti Kristal, dimana

inti-inti ini mulai menjadi pusat pertumbuhan Kristal selanjutnya.

Material Teknik 3rd session hadisaputra@live.com Page 12

CACAT-CACAT

1. Cacat Titik

2. Cacat Garis

3. Cacat Bidang

4. Cacat Ruang

Edge dislocation Screw dislocation Mixdislocation

COLD WORKING ?

Suatu logam dikatakan mengalami pengerjaan dingin bila butir-butir kristalnya berada dalam keadaan terdistorsi setelah mengalami deformasi

plastis. Dalam keadaan ini pada Kristal terdapat berbagai dislokasi setelah terjadi slip.

Sebagai akibat pengerjaan dingin ini adalah

1. Tensile strength, yield strength, dan kekerasan akan meningkat

2. Ductility menurun dengan semakin naiknya derajat deformasi dingin yang dialami.

3. Sifat penghantaran listrik akan menurun

Material Teknik 3rd session hadisaputra@live.com Page 13

Contoh pengerjaan dingin:

1. Cold rolling

2. Cold drawing

RECRYSTALLIZATION ?

Sebagai akibat pengerjaan dingin terjadi peningkatan jumlah dislokasi yang besar dan bidang-bidang kristalogafik tertentu akan mengalami

distorsi yang hebat. Sebagaian dari energy yang diberikan untuk mendeformasi logam itu dikeluarkan sebagai panas dan sebagian tersimpan

sebagai energy dalam di dalam struktur Kristal, hal ini berkaitan dengan cacat Kristal yang terjadi sebagai akibat dari deformasi. Bila logam

yang telah mengalami pengerjaan dingin ini dipanaskan kembali maka atom-atom akan menerima sejumlah panas yang dapat dipakai kembali

untuk bergerak membentuk sejumlah Kristal yang lebih bebas cacat, serta bebas tegangan dalam. Peristiwa perubahan yang terjadi selama proses

pemanasan kembali ini dibagi menjadi tiga tahapan yaitu:

1. Recovery

2. Recrystallization

3. Grain growth

1. Recovery

Peristiwa ini terjadi pada awal pemanasan kembali, pada temperature yang rendah dan perubahan yang terjadi tidak diikuti dengan

perubahan struktur makro serta belum terjadi perubahan sifat mekanik. Perubahan yang terjadi hanya perubahan energy dalamnya saja

(berkurang nilainya).

Perlunya mengurangi tegangan Dalam ini, adalah untk mencegah terjadinya distorsi pada benda kerja yang mengalami pengerjaan dingin

sebagai akibat tegangan sisa itu, dan juga untuk mencegah stress corrosion cracking atau retak karena korosi pada logam yang

mengalami tegangan. Proses laku panas yang memanfaatkan hal ini dinamakan stress relief annealing.

2. Recystallisation

Pemanasan lebih lanjut akan menyebabkan munculnya Kristal baru dari Kristal yang terdistorsi dengan struktur lattice dan komposisi

kimia yang sama seperti sebelum pengerjaan dingin.

Material Teknik 3rd session hadisaputra@live.com Page 14

Rekristalisasi terjadi melalui proses pengintian dan pertumbuhan. Lajunya mula-mula rendah dan kemudian sangat cepat dan selanjutnya

melambat kembali menjelang akhir proses.

Temperature dimana rekristalisasi terjadi dinamakan temperature rekristalisasi yaitu temperature dimana logam yang dideformasi dingin

akan mengalami rekristalisasi.

Logam yang dideformasi pada temperature diatas tempertaur rekristalisasi nya akan langsung mengalami rekristalisasi dan setelah selesai

akan diperoleh Kristal yang sama dengan Kristal sebelum mengalami deformasi. Pengerjaan seperti ini dinamakan pengerjaan panas (Hot

working)

3. Grain growth

Butir Kristal yang besar akan memiliki free energy yang lebih rendah karenanya butir Kristal cenderung untuk tumbuh lebih besar hingga

mencapai ukuran maksimunya pada temperature tersebut. Makin tinggi temperature pemanasan makin besar pula ukuran besar butir.

Bahkan laju pertumbuhan butir ini makin tinggi dengan makin tingginya temperature pemanasan.Bila setelah pemanasan hingga

temperature yang dianggap cukup kemudian logam didinginkan kembali dengan lambat maka besar butir setelah mencapai temperature

kamar tidak berseda jauh dengan besar butir saat sebelum didinginkan (asalkan selama pendinginan tidak terjadi perubahan fase).

Material Teknik 3rd session hadisaputra@live.com Page 15

Refference :

De Garmo,

www.wikipedia.com

Anonim, ilmu bahan

William D. Callister, Fundamental of Materials Science.