buku ajar pengetahuan bahan revisi

8/19/2019 Buku Ajar Pengetahuan Bahan Revisi

1/175

BAB I

PENDAHULUAN

Tujuan Pembelajaran Umum

1. Mahasiswa mampu memahami dasar-dasar mekanika bahan dalam hubungannyadengan proses rancang bangun dan penanganan bahan, mampu mengidentifikasi,

menghitung dan menganalisis fenomena fisik dan mekanik yang terjadi dalam bahan dalam hubungannya dengan disain suatu komponen konstruksi.2. Mahasiswa mampu melakukan perancangan suatu konstruksi sederhana

berdasarkan prinsip-prinsip mekanika bahan dan kekuatan bahannyaTujuan Pembelajaran Khusus

1. Mahasiswa dapat memahami dasar-dasar mekanikan bahan dalam hubungannyadengan proses rancang bangun dan penanganan bahan, mampu mengidentifikasi,menghitung dan menganalisis fenomena fisik dan mekanik yang terjadi dalam

bahan dalam hubungannya dengan disain suatu komponen konstruksi2. Mahasiswa dapat melakukan perancangan suatu konstruksi sederhana

berdasarkan prinsip-prinsip mekanika bahan dan kekuatan bahannya

1.1 Pengetahuan Bahan

Salah satu tujuan teknik kimia adalah menemukan bahan-bahan baru danmengembangkan bahan-bahan yang sudah ada serta tidak mengganggu lingkunganhidup. Bahan-bahan terdapat disekitar kita dan telah menjadi bagian dari kebudayaandan pola berfikir manusia. Bahan telah menyatu dengan peradaban manusia, sehinggamanusia mengenal peradaban, yaitu zaman batu, zaman perunggu dan zaman besi.Bahan diambil dari alam dan diproses menjadi bentuk tertentu, seperti cangkul,

pisau,dan lain-lain untuk membantu kehidupan manusia. Bahan-bahan ini memang telahmenyatu dengan kehidupan manusia dan tidak saja merupakan bagian gaya hidupmelainkan turut memegang peran penting dalam kesejahteraan dan keselamatan bangsa.

Apakah hakekatnya bahan itu Bagaimana memahami, mengolah danmenggunakannya Bahan, dengan sendirinya merupakan bagian dari alam semesta,akan tetapi secara lebih rinci bahan adalah benda dengan sifat-sifatnya yang khasdimanfaatkan dalam bangunan, mesin peralatan atau produk. !ermasuk didalamnya, logam, keramik, polimer "plastik#, serat, gelas, kayu, batu, pasir, dan lain -lain. $roduksi dan pemrosesan bahan-bahan tersebut menjadi barang jadi memberikankesempatan kerja bagi kira-kira %&' dari seluruh angkatan kerja di (ndonesia. Bahan-

bahan yang digunakan manusia mengikuti siklus bahan mulai dari ekstraksi,

pembuatan sampai pelapukan. )leh karena itu, siklus bahan adalah suatu sistem yangmenggiatkan sumber daya alam dengan kebutuhan manusia.Secara keseluruhan, bahan-bahan merupakan jaringan yang mengikat bangsa-bangsadan tata ekonomi di dunia satu sama lainnya, demikian pula mengikat manusia denganalam semesta.


2/175

1.2 lmu !an Teknologi Bahan

(lmu dan teknologi bahan meliputi pengembangan dan penerapan pengetahuan

mengenai hubungan antara komposisi, struktur dan pemerosesan bahan dengan sifat-sifat dan pemakaiannya.

*ambar.%-% menunjukkan kaitan antara struktur, sifat, proses, fungsi dan unjuk kerja bahan. (lmu dan teknologi bahan adalah suatu bagian ilmu pengetahuan yang melintangdari ilmu dan penelitian dasar "sebelah kiri# sampai pada kebutuhan dan pengalamanmasyarakat "disebelah kanan#. Aliran pengetahuan ilmiah dalam satu arah dan informasiempiris dalam arah yang berlawanan berbaur dan mendukung perkembangan ilmu danteknologi bahan.

"#U !$% T&K%'"'( B$)$%

$+*+!AA $+*+!AA

(/M(A +M$(0(S

*ambar %.% *ambaran unsur inti dan teknologi bahan dan kaitannya dengan ilmu pengetahuan ilmiah dan empiris

1.* Pertimbangan-Pertimbangan !alam Pemilihan Bahan Konstruksi

1alam pemilihan bahan terutama untuk bahan konstruksi diperlukan pertimbangan-

pertimbangan untuk seleksi, supaya tepat dan sesuai untuk penggunaannya.$ertimbangan-$ertimbangan 1alam $emilihan Bahan 2onstruksi yang terpentingadalah 3

• Sifat-sifat mekanik • Sifat-sifat fisik • Sifat-sifat kimia, terutama stabilitas terhadap korosi• arga atau ekonomi

$emakaian bahan umumnya dikhususkan menerima gaya atau beban terpakai, sebagai

contoh aluminium paduan yang dirancang khusus untuk sayap pesawat terbang dan

2 Pengetahuan Bahan Teknik

+TUKTU+$TU%/UK K&/$

P'+&+

2+B!AMAS4A0A2A!

1A$+*A/AMA

"#U

!$+$


3/175

poros kendaraan bermotor. 1alam kondisi ini, perlu untuk mengetahui karakteristik suatu bahan dan merancang dengan teliti untuk membuat bahan yang mampu menerimadeformasi dengan tidak mengalami keretakan dengan biaya yang tidak mahal.Sifat mekanik suatu bahan mencerminkan hubungan antara deformasi dengan gaya

terpakai. $erilaku sifat mekanik ini sangat penting, seperti 3 kekuatan, kekerasan,elastisitas, dan ketangguhan bahan.

Bahan konstruksi yang digunakan untuk peralatan di industri kimia selain persyaratan diatas perlu ditambahkan harus tahan terhadap korosi. $erancangan pabrik untuk industri kimia sudah barang tentu harus memperhatikan berbagai macam

pertimbangan. al semacam ini dilakukan dalam rangka untuk mengefektifkan danmengefesienkan peng gunaan bahan konstruksi kimia tersebut.

2ita sudah pahami bersama bahwa seorang sarjana teknik kimia harusmengedepankan aspek ekonomi dalam setiap rancangan yang dibuat. Menjadi satukeharusan bagi kita untuk mengetahui sifat-sifat dari bahan itu sendiri.

2etika kita mengenali sifat bahan yang kita gunakan maka sudah barang tentu

penggunaan yang nanti kita lakukan akan menjadi efektif karena kita telah mengetahuikekurangan dan kelebihan bahan yang kita gunakan. 1alam modul ini kita akan fokuskepada sifat5sifat umum dari bahan. Adapun mengenai kriteria pemilihan bahan akan dibahas pada modul berikutnya.

1.0 Klasifikasi Bahan Konstruksi

+eara garis besar bahanmaterial dapat diklasifikasikan sebagai berikut 3

*ambar %.& 2lasifikasi Bahan6Material 2onstruksi


Bahan#aterial

Bukan "ogam"ogam

Besi

4 errous 5

Bukan Besi

4%on errous5

Bahan

'rganik

Bahan

$n 'rganik

Bahan

$lam

Bahan

+emi

+intetis

Bahan

+intetis

Besi Tuang

!an

Paduannya

Baja

!an

Paduannya


4/175

a. Bahan "ogam

Bahan logam memiliki iri-iri umum sebagai berikut3

• 1apat diubah bentuknya "mudah dibentuk# sesuai fungsi dan kegunaannya./ogam memiliki sifat mudah dibentuk karena didalam logam terdapat elektronyang terdislokasi sehingga dapat dengan mudah memindahkan muatan listrik dan energi termal.

• 1aya hantar listrik tinggi• Modulus elastisitas bahan 6 material logam sangat besar dan tinggi.

/ogam memiliki sifat modulus elastisitas yang tinggi, menyebabkan logammemiliki ketahanan yang tinggi pula, sehingga sukar untuk dibengkokkan.

• 2edap cahaya

Sifat kedap cahaya dari material logam disebabkan oleh gerakan elektron yangterdislokasi terhadap getaran elektromagnet pada frekuensi yang tinggi1ari beberapa ciri umum yang dimiliki logam diatas sekiranya kita sudah dapatmereka-reka untuk keperluan dibagian mana kita pergunakan logam.

b. Bahan Bukan "ogam

Sebagai contoh bahan organik sintetis, yaitu bahan $olimer atau bahan $lastik 1alam sehari-hari kita jarang mendengar kata polimer, apalagi buat orang yang masihawam. Sedikit memberikan penjelasan polimer itu berasal dari kata Poly yang berarti

banyak dengan mer yang secara sederhana ditafsirkan sebagai singkatan dari monomer

yang berarti 1 4satu5 mer. Maka dapat kita simpulkan bahwa polimer merupakankumpulan dari monomer-monomer yang menjadi satu sehingga memiliki sifatnyasendiri. $olimer yang sering di jumpai adalah bahan plastik itulah mengapa polimerdiidentikkan dengan plastik , padahal sesungguhnya masih banyak contoh polimer lainyang bukan plastik. $olimer atau plastik memiliki keunggulan sebagai berikut 3

• Berat jenis kecil

• (solator terhadap panas dan listrik • Mudah diberi warna• !ahan terhadap larutan kimia

• !idak banyak memantulkan cahaya dan cendrung tembus cahaya

0eaksi suatu polimer disebut dengan reaksi polimerisasi. 0eaksi polimerisasi ini dapat berlangsung secara adisi atau pun kondensasi. Sebagai contoh dari polimer selain plastik yang sudah lazim digunakan adalah $oliester resin yang dapat digunakan sebagai bahan pembuat kotak pelindung mesin. $oli7inil klorida "$89# dapat digunakan sebagai bahan pembuat pipa-pipa yang tahan terhadap bahan kimia atau tahan korosi.

Sebagai contoh lain dari bahan bukan logam an organik adalah bahan keramik.2eramik adalah campuran yang terdiri dari unsur logam dan unsur bukan logam yangmemiliki sifat-sifat umum sebagai berikut 3



5/175

• 2eras dan rapuh• !ahan terhadap lingkungan suhu tinggi dan lingkungan yang lebih berat

persyaratannya• !ahan terhadap perubahan kimia.• Mempunyai titik cair yang tinggi dibandingkan dengan logam atau organik.

(tulah secara garis besar sifat-sifat umum dari bahan konstruksi kimia yang bisadi jelaskan pada kesempatan kali ini.

1.6 Kompetensi #ata Kuliah Pengetahuan Bahan

$embelajaran mengenai bahan konstruksi teknik kimia difokuskan terhadap logam,keramik dan polimer. $embelajaran mengenai mata kuliah ini dimulai darimikrostruktur material sampai bagaimana memilih suatu bahan jika kita berada dalamsituasi tertentu, banyak faktor yang menentukan kita dalam memilih suatu material

untuk pabrik ataupun untuk suatu alat yang akan dirancang. Artinya kompetensi utamayang akan didapat yaitu memahami struktur atom6molekul bahan dan memahamihubungannya dengan sifat makroskopisnya, serta memahami teori tentang korosi serta

pencegahannya. Akibat dari tujuan itu kita dituntut untuk memiliki kemampuan dalammemilih material dengan baik sebagai sosok yang bertanggung jawab dalam suatu

proses dipabrik "pembuat keputusan#. Mata kuliah ini sangat menarik dipelajari di duniateknik kimia, karena sepatutnya setelah mendapat banyak pengetahuan dengan material,

jiwa kewirausahaan kita dapat terasah. 2arena kita akan mengetahui beberapa peluangusaha skala pabrik kecil di dunia material ini. Mulai dari kerajinan, hingga pemanfaatan7aste menjadi barang yang bernilai jual. 2arena prinsip utama dari teknik kimia adalahost, bagaimana dengan ost seminimum mungkin kita dapat menghasilkan barang

yang bernilai jual dari sebuah barang yang kurang bernilai 6 bahan baku. 2etika belajar mengenai mata kuliah ini, kita juga akan mengetahui bahwa besi itu ada banyak

jenisnya. :enis besi yang banyak itu dapat kita perhatikan dari fase padat ;e-9 dalamdiagram fase ;e-9. fase padat itu terdiri dari, alpha-;errite, Austenite, gamma-;errite,9ementite, dan $earlite. 1an dengan treatment tertentu juga kita dapat mendapatkan

jenis yang lain yaitu Bainite, Martensite dan tempered martensite. Treatment seperti8uenhing, #ar9uenhing, austempering, tempering, annealing, spheroidi:ing,

normali:ing, agehardening, malleabili:ing, alsinasi, firing, dan solid sintering

akan didapatkan bahan konstruksi sesuai kebutuhan.Mengapa kehadiran besi begitu dominan dalam metals sebagai bahan yang

digunakan di pabrik

Begini, metal alloys secara umum dapat dibagi menjadi &, yaitu, ferrous alloys 4eBased materials5, dan non-ferrous alloys 4%on e based materials5. 2ita pun patut

bertanya mengapa ferrous alloy $ertama bahan bakunya yang berlimpah di alam,kedua ia mudah diproduksi, dan ketiga ia memiliki sifat-sifat yang ber7ariasi sesuaitreatmentnya. !etapi besi ini memiliki kelemahan, yaitu mudah korosi. 1alam duniaferrous alloys, dapat terbagi lagi menjadi & bagian yaitu steel, dan ast iron.Selanjutnya dalam non-ferrous alloys, terbagi lagi menjadi, 9u-based, brass-based, Al-

based, Sn-based, dan titanium.$enggunaan besi memang dominan tetapi bukan besi murni yang digunakan, melainkan

besi yang sudah dicampur dengan material lain. ntuk memilih material kita patut berpegang kepada kebutuhan sesuai karakteristik dari suatu material, dan hal ini juga bergantung dengan keadaan geografis atau lingkungan suatu tempat.



6/175

BAB II

SIFAT-SIFAT BAHAN


1. Mahasiswa mampu memahami dasar-dasar mekanikan bahan dalamhubungannya dengan proses rancang bangun dan penanganan bahan, mampu

mengidentifikasi, menghitung dan menganalisis fenomena fisik dan mekanik yang terjadi dalam bahan dalam hubungannya dengan disain suatu komponenkonstruksi

2. Mahasiswa mampu melakukan perancangan suatu konstruksi sederhana berdasarkan prinsip-prinsip mekanika bahan dan kekuatan bahannya.

Tujuan Pembelajaran Khusus

1. Mahasiswa dapat memahami dasar-dasar mekanikan bahan dalam hubungannyadengan proses rancang bangun dan penanganan bahan, mampu mengidentifikasi,menghitung dan menganalisis fenomena fisik dan mekanik yang terjadi dalam

bahan dalam hubungannya dengan disain suatu komponen konstruksi

2. Mahasiswa dapat melakukan perancangan suatu konstruksi sederhana berdasarkan prinsip-prinsip mekanika bahan dan kekuatan bahannya.

2.1 Pendahuluan

Seorang (nsinyur !eknik 2imia adalah sosok yang harus bertanggung jawab terhadapsuatu proses industri kimia. !ermasuk juga dalam pemilihan material konstruksi pabrik,entah itu pipa, menara distilasi, alat penukar panas, tangki penyimpan, atau reaktor dibutuhkan bahan konstruksi yang mempunyai sifat mekanik yang baik, sepertikekuatan, kekerasan, elastisitas dan sebagainya. $erlu diketahui bahwa material yangdipakai untuk membuat alat penukar panas, reaktor, menara distilasi dan alat-alat lainyang mengalami perubahan temperatur, selain dibutuhkan material yang mempunyaikondukti7itas panas juga dibutuhkan material yang tahan terhadap panas. Material yangmengalami perubahan temperatur akan terjadi pemuaian dan penyusutan. $emuaian dan

penyusutan akan mengakibatkan tegangan tarik dan tegangan tekan pada materialtersebut. Material yang digunakan sebagai bahan konstruksi tidak hanya mempunyaikondukti7itas panas yang baik, tetapi juga dibutuhkan bahan konstruksi dengankondukti7itas yang rendah. Misalnya bahan isolator panas yang digunakan untuk isolasi

pada alat penukar panas, supaya panasnya tidak hilang kemana-mana. Bahan konstruksiyang digunakan untuk instalasi listrik, selain dibutuhkan material yang mempunyaikondukti7itas listrik yang baik, juga dibutuhkan material dengan kondukti7itas listrik

yang rendah untuk bahan isolasi listrik. Sifat-sifat fisik yang lain yang dibutuhkan



7/175

bahan konstruksi adalah densitas material. 1ensitas material sangat diperlukan terutamauntuk material konstruksi sayap pesawat terbang, dibutuhkan material yang kuat danringan. :elas, salah satu fenomena lain dalam mempelajari material ini salah satu kriteriadalam pemilihan bahan konstruksi adalah sifat-sifat mekanik, fisik dan kestabilan

terhadap korosi..

+ifat-sifat bahan yang terpenting dalam pemilihan bahan konstruksi adalah 3

< Sifa5sifat mekanik < Sifat-sifat fisik < Sifat-sifat kimia, terutama kestabilan terhadap korosi

+ifat-sifat mekanik yang terpenting dalam pemilihan bahan konstruksi adalah 3

•

2ekuatan 4+trength5

• 2ekerasan 4)ardness5• +lastisitas 4&lastiity5

• $lastisitas 4Plastiity5• 2estabilan terhadap temperatur

+ifat-sifat fisik yang terpenting dalam pemilihan bahan konstruksi adalah 3

• 2ondukti7itas panas66termal dan listrik •

Muai panjang

•

1ensitas

2.1 +ifat-+ifat #ekanik Bahan

Kekuatan

2ekuatan suatu bahan "material# adalah gaya lawan "reaksi gaya# suatu material padat terhadap perubahan bentuk "deformasi# yang mengakibatkan bahan tersebut patahatau pecah. 2ekuatan bahan biasanya dinyatakan dalam tegangan 4stress5, yaitu gaya

per satuan luas. ntuk mengetahui sifat-sifat suatu bahan, tentu kita harus mengadakan pengujian terhadap bahan tersebut. Ada empat jenis uji kekuatan yang biasa dilakukan,yaitu uji tegangan tarik (tensile stress), uji tegangan tekan (compression stress), ujitegangan torsi (torsion stress), dan uji tegangan tekuk (bending stress).

Uji Tegangan Tarik Kekuatan Tarik

2ekuatan !arik suatu bahan "material# adalah gaya lawan "reaksi gaya# suatumaterial padat terhadap perubahan bentuk "deformasi# yang mengakibatkan bahan

tersebut patah.ji tarik mungkin adalah cara pengujian bahan yang paling mendasar. $engujian inisangat sederhana, tidak mahal dan sudah mengalami standarisasi di seluruh dunia,

misalnya di Amerika dengan AS!M += dan :epang dengan :(S &&>%. 1engan menarik

suatu bahan kita akan segera mengetahui bagaimana bahan tersebut bereaksi

terhadap tenaga tarikan dan mengetahui sejauh mana material itu bertambah panjang.

Alat eksperimen untuk uji tarik ini harus memiliki cengkeraman (grip) yang kuat dan



8/175

kekakuan yang tinggi (highly stiff). Brand terkenal untuk alat uji tarik antara lain adalah

antara lain adalah Shimadzu, (nstron dan 1artec. Banyak hal yang dapat kita pelajari

dari hasil uji tarik. Bila kita terus menarik suatu bahan "dalam hal ini suatu logam#

sampai putus, kita akan mendapatkan profil tarikan yang lengkap yang berupa kur7a

seperti digambarkan pada *ambar.%. 2ur7a ini menunjukkan hubungan antara gaya

tarikan dengan perubahan panjang. $rofil ini sangat diperlukan dalam desain yang

memakai bahan tersebut.

*ambar &.% *ambaran singkat uji tarik

Biasanya yang menjadi fokus perhatian adalah kemampuan maksimum bahantersebut dalam menahan beban. 2emampuan ini umumnya disebut Ultimate Tensile+trength disingkat dengan UT+, dalam bahasa (ndonesia disebut tegangan tarik maksimum.

)ukum )ooke?s 4)ooke;s "a75

ntuk hampir semua logam, pada tahap sangat awal dari uji tarik, hubungan antara beban atau gaya yang diberikan berbanding lurus dengan perubahan panjang bahantersebut. 1aerah ini disebut daerah linier. 1i daerah ini, kur7a pertambahan panjang

beban mengikuti aturan ooke?s, yaitu perbandingan tegangan 4stress5 dan regangan4strain5 adalah konstan.

Tegangan adalah besarnya beban dibagi luas penampang bahan dan regangan adalah pertambahan panjang dibagi panjang awal bahan.

Tegangan3 < = $ 4 1 5

1imana 3 ;@ gaya tarikan, A@ luas penampang

egangan3 > = ?"" 4 2 5

1imana 3 /@ pertambahan panjang, /@ panjang awal

ubungan antara tegangan dan regangan dirumuskan3



9/175

& = < > 4 * 5

ntuk memudahkan pembahasan, *ambar.&.% dimodifikasi sedikit dari hubungan

antara gaya tarik dan pertambahan panjang menjadi hubungan antara tegangan danregangan. Selanjutnya kita dapatkan *ambar.&.&, yang merupakan kur7a standar ketikadilakukan percobaan uji tarik. & adalah koefisien arah kur7a dalam daerah linier, dimana perbandingan tegangan 45 selalu tetap. & diberi nama #odulus

&lastisitas atau #odulus @oung. 2ur7a yang menyatakan hubungan antara tegangandan regangan disebut diagram tegangan-regangan 4stress-strain diagram5.

*ambar &.& 2ur7a tegangan-regangan

Bentuk bahan yang diuji, untuk logam biasanya dibuat spesimen dengan dimensiseperti pada gambar.&- berikut.



10/175

*ambar &. 1imensi spesimen uji tarik ":(S C&&D%#.

*ambar &.> (lustrasi pengukur regangan pada spesimen

$erubahan panjang dari spesimen dideteksi lewat pengukur regangan yangditempelkan pada spesimen seperti diilustrasikan pada *ambar.&.>. Bila pengukur regangan ini mengalami perubahan panjang dan penampang, terjadi perubahan nilaihambatan listrik yang dibaca oleh detektor dan kemudian dikon7ersi menjadi perubahanregangan.

!etail profil uji tegangan tarik dan sifat mekanik logam

Sekarang akan kita bahas profil data dari tensile test secara lebih detail. ntuk keperluan kebanyakan analisa teknik, data yang didapatkan dari uji tarik dapat

digeneralisasi seperti pada *ambar.&.E.



11/175

*ambar &.E $rofil data hasil uji tarik 1isini akan dibahas istilah mengenai sifat-sifat mekanik bahan dengan berpedoman

pada hasil uji tarik seperti pada gambar.&-E. Asumsi bahwa dilakukan uji tarik mulaidari titik ) sampai 1 sesuai dengan arah panah dalam gambar.

Batas elastis


12/175

Tegangan @ield, e 4elasti strain5

0egangan yang diakibatkan perubahan elastis bahan. $ada saat bebandilepaskan regangan ini akan kembali ke posisi semula.

egangan plastis >p 4plasti strain5

0egangan yang diakibatkan perubahan plastis. $ada saat beban dilepaskan reganganini tetap tinggal sebagai perubahan permanen bahan.

egangan total 4total strain5

Merupakan gabungan regangan plastis dan regangan elastis, >T = >eA>p. $erhatikan beban dengan arah )AB+. $ada titik B, regangan yang ada adalah regangan total.2etika beban dilepaskan, posisi regangan ada pada titik + dan besar regangan yangtinggal ")+# adalah regangan plastis.

Tegangan tarik maksimum TT# 4UT+, ultimate tensile strength5

$ada gambar.&-E ditunjukkan dengan titik 9 4


13/175

ntuk hasil uji tarik yang tidak memiliki daerah linier dan landing yang jelas,tegangan luluh biasanya didefinisikan sebagai tegangan yang menghasilkan regangan

permanen sebesar D.&', regangan ini disebut offset-strain "gambar.&-K#.

*ambar &.K $enentuan tegangan yield untuk kur7a tanpa daerah linier $erlu untuk diingat bahwa satuan S( untuk tegangan adalah $a "$ascal, 6m danstrain adalah besaran tanpa satuan. Selanjutnya akan dibahas beberapa istilah lain yang

penting seputar interpretasi hasil uji tarik.

Kelenturan4dutility5

Merupakan sifat mekanik bahan yang menunjukkan derajat deformasi plastis yangterjadi sebelum suatu bahan putus atau gagal pada uji tarik. Bahan disebut ulet 4dutile5

bila regangan plastis yang terjadi sebelum putus lebih dari E', bila kurang dari itu suatu bahan disebut getas 4brittle5.

!erajat kelentingan 4resiliene5

1erajat kelentingan didefinisikan sebagai kapasitas suatu bahan menyerap energidalam fase perubahan elastis. Sering disebut dengan Modulus 2elentingan 4#odulus of esiliene5, dengan satuan strain energy per unit Colume ":oule6m atau $a#. 1alamgambar.E-%, modulus kelentingan ditunjukkan oleh luas daerah yang diarsir.

!erajat ketangguhan 4toughness5

2apasitas suatu bahan menyerap energi dalam fase plastis sampai bahan tersebut putus. Sering disebut dengan Modulus 2etangguhan "modulus of toughness#. 1alamgambar.&-E, modulus ketangguhan sama dengan luas daerah dibawah kur7a )AB91.



14/175

Pengerasan regang 4strain hardening5

Sifat kebanyakan logam yang ditandai dengan naiknya nilai tegangan berbandingregangan setelah memasuki fase plastis.

Tegangan sejati , regangan sejati 4true stress, true strain5

1alam beberapa kasus definisi tegangan dan regangan seperti yang telah dibahas diatas tidak dapat dipakai. ntuk itu dipakai definisi tegangan dan regangan sejati, yaitutegangan dan regangan berdasarkan luas penampang bahan secara real time. 1etaildefinisi tegangan dan regangan sejati ini dapat dilihat pada gambar.&-L.

*ambar &.L !egangan dan regangan berdasarkan panjang bahan sebenarnyaDontoh +oal-1

!entukan tegangan mana yang lebih besar dalam 3"a# batang aluminium berukuran &>,K mm D,L mm, dengan beban LK>D kgf atau"b# Batang baja berdiameter %&,= mm dengan beban EDDD kgf . "ambil nilai g@ N,= m6s& #

Penyelesaian!egangan pada batang dapat dihitung dengan menggunakan $ersamaan

σ = F

A=

W

A =

m g

A 4 0 5

a. Untuk batang aluminium 3

24,6 x10

(¿¿−3)(30,7 x10−3)

σ Al= F

A=

W

A =

m g

A =

7640(9,8)¿

= 1EF Pa = 1E6 kPa

b. Untuk batang batang baja



15/175

12,8 x10

π (¿¿−3)2/ 4=3,8 x 108 Pa=3,8 x 105 kPa

σ Baja= F

A =

W

A =

m g

A =

(5000 )(9,8)¿

Dontoh soal-2

Suatu batang tembaga dengan panjang awal ED mm, dikenai tegangan tarik sehinggamemanjang menjadi EN mm. !entukan regangan pada batang tembaga tersebut.

Penyelesaian

0egangan pada batang dapat dihitung dengan menggunakan $ersamaan

Regangan=ε=∆ L

L0 x100

4 6 5

Regangan=ε=∆ L

L0 x100=

L F − L0 L0

x100=59−50

50 x100=18

Dontoh +oal-*

Modulus elastisitas baja rata-rata sama dengan &DE.DDD Mpa.Berapakah regangan kawat berdiameter &,E mm dengan panjang m, bila dibebani EDD

kgf "@>NDDD #

Penyelesaian

$ertambahan panjang bahan setelah dikenai beban yang mempunyai modulus elastisitas&DE.DDD Mpa dapat dihitung dari $ersamaan 3

∆ L= F L

0

E A 4 G 5

2,5 x10

π (¿¿−3)2

4¿¿

(205000 x106)¿

ΔL= F L

0

E A =

(4900 )(3)¿

Uji Tegangan Tekan

Kekuatan Tekan



16/175

2ekuatan !ekan suatu bahan "material# adalah gaya lawan "reaksi gaya# suatumaterial padat terhadap perubahan bentuk "deformasi# yang mengakibatkan bahantersebut pecah

$ada pengujian tekan hanya dilakukan dengan aksial yang bekerja pada batang uji.$engujian tekan yang disarankan mengikuti AS!M "American Standar !estingMaterial#. !egangan yang tepat pada saat bahan uji berdeformasi menjadi bentuk silinder, disebabkan adanya gesekan antara landasan dan batang uji terjadi lekukan.$erhitungan percobaan uji tekan sama dengan percobaan untuk perhitungan uji tarik.

Tegangan Tekan=σ C = F

A 4 H 5

Beberapa percobaan untuk uji tekan dibuat seperti pada gambar berikut 3

*ambar &.= ji 2ekuatan !ekan

Uji Tegangan Bending 4Bending +tress5

!egangan bending banyak digunakan untuk perencanaan konstruksi pada bentangankolom, instalai perpipaan diatas tanah, bangunan, jembatan dan sebagainya.

$ada uji tegangan bending selain didapatkan hasil tegangan bending 4 b5 jugadidapatkan hasil defleksi 4y5.

$engujian dapat menggunakan beban terpusat 4enter load5 dan beban seragam4homogeny load5.

•

Beban Terpusat



17/175

Batang Uji !efleksi

y

"

*ambar &.N ji !egangan Bending 1engan Beban !erpusat ;

!ari hasil uji tegangan bending didapatkan tegangan bending maksimum dan

defleksi maksimum yang dari rumus 3

Untuk Beban Terpusat 3

Tegangan Bending Maksimum=σ b= M maksimum Y

! xx=

F L Y

4 ! xx 4 F 5

"e#leksi Maksimum= $maks= F L

3

48 E ! xx 4 I 5

• Beban +eragam 9

@

Batang Uji

"

!efleksi

*ambar &.%D ji !egangan Bending 1engan Beban Seragam, O



18/175

Tegangan Bending Maksimum=σ b= M maksimum Y

! xx=

% L2

Y

8 ! xx 4 1E 5

"e#leksi Maksimum= $maks= 5% L4

384 E ! xx 4 11 5

1imana, #maks @ momen maksimum yang terjadi pada balok " kgf.m, lbf in,m" @ panjang balok " m , inci, ft #

@t @ jarak dari garis netral ke permukaan balok " m, inci, ft, cm #JJ @ momen inersia luas "m>, in>, ft> ,cm>#

& @ modulus elastisitas " 6m&, kgf6cm&,lbf6in @maks @ defleksi6 lendutan maksimum "m, in, ft#


19/175

3600=(10000 ) L(7 ,5)4(2812,5)

- L=540+m=5 ,40m

"e#leksi Maksimum= $maks

= F L

3

48 E ! xx

0 ,25

100 L=

(10000) L3

48(5400000)(2812 ,5)- L=427+m=4 ,27m

4ang memenuhi syarat kedua-duanya, jarak bentangan, / @ >,&L m

Dontoh +oal-6

Suatu balok dengan penampang persegi panjang yang ditumpu dengan bantalan rol

dengan jarak bentangan /, mendapat beban seragam 9 besarnya %DDD kgf 6m

!ata balok 3

lebar @ b @ %D cm , tebal @ h @ %E cm!egangan Bending yang diijinkan @ DDDDD kgf 6cm& !entukan jarak bentangan / yang memenuhi syarat 3

a. !egangan maksimum yang diijinkan tidak lebih dari KDD kgf 6cm&

b. 1efleksi maksimum yang diijinkan tidak lebih dari D,&E' panjang balok "bentangan#

Penyelesaian 3

M&men !ne'sia Luas (nuk P'il )e'segi )anjang= ! xx= 1

12b*

3

! xx= 1

12b*

3= 1

12(10 )(15)3=2812,5 +m4

Y =

*

2=

15

2 =7,5+m %=1000 kg# /m=10kg#

+m

Tegangan Bending Maksimum=σ b= M maksimum $

! xx=

% L2

Y

8 ! xx

3600=(10 ) L2(7,5)8(2812,5)

- L=1039 +m=10,39m



20/175

"e#leksi Maksimum= $maks= 5% L

4

384 E ! xx

0,25

100 L=

5(10) L4

384(5400000)(2812,5)- L=663+m=6,63m

4ang memenuhi syarat kedua-duanya, jarak bentangan, / @ K,K m

Kekerasan 4)ardness5

$engujian kekerasan adalah satu dari sekian banyak pengujian yang dipakai, karenadapat dilaksanakan pada benda uji yang kecil tanpa kesukaran mengenai spesifikasi.

2ekerasan 4)ardness5 adalah salah satu sifat mekanik 4#ehanial properties5 darisuatu material. 2ekerasan suatu material harus diketahui khususnya untuk material yangdalam penggunaanya akan mangalami pergesekan "frictional force# dan dinilai dariukuran sifat mekanis material yang diperoleh dari. 1eformasi plastis "deformasi yangdiberikan dan setelah dilepaskan, tidak kembali ke bentuk semula akibat indentasi olehsuatu menda sebagai alat uji.1alam hal ini bidang keilmuan yang berperan penting mempelajarinya adalah (lmu$engetahuan Bahan !eknik. Mengapa diperlukan pengujian kekerasan1idalam aplikasi manufaktur, material terutama semata diuji untuk dua pertimbangan3yang manapun ke riset karakteristik suatu material baru dan juga sebagai suatu cek mutuuntuk memastikan bahwa contoh material tersebut menemukan spesifikasi kualitastertentu.$engujian yang paling banyak dipakai adalah dengan menekankan penekan tertentukepada benda uji dengan beban tertentu dan dengan mengukur ukuran bekas penekananyang terbentuk diatasnya, cara ini dinamakan cara kekerasan dengan penekanan.

Kekerasan juga didefinisikan sebagai kemampuan suatu material untuk menahan bebanidentasi atau penetrasi "penekanan#. 1idunia teknik, umumnya pengujian kekerasanmenggunakan > macam metode pengujian kekerasan, yakni 3

• Metode Brinnel "B 6 B#• Metode 0ockwell "0 6 0#• Metode 8ikers "8 6 8#

• Metode *ores

Sedangkan pengujian 0ockwell cocok untuk semua material yang keras dan yang lunak, penggunaannya sederhana dan penekanannya dapat dilakukan dengan leluasa.

!abel &.% Skala 2ekerasan 0ockwell.



21/175

+kal

a

Penekan Beban

$7al

Beban

Utama

/umla

h

Beban

+kala

$ Keruut ntan 12E 1E 6E 1EE 1EE

B Bola Baja 1,6FF mm 41GL5

1E IE

GE

*E

D Keruut ntan 12E

1E 10E 16E 1EE

! Keruut ntan 12E

1E IE 1EE 1EE

& Bola Baja *,1H6 mm 41FL

1E IE GE 1EE

Bola Baja 1,6FF mm 41GL51E 6E 1EE 1*E

( Bola Baja 1,6FF mm 41GL5

1E 10E GE 1*E

) Bola Baja *,1H6 mm 41FL5

1E 6E 1E 1*E

K Bola Baja *,1H6 mm 41FL5

1E 10E 16E 1*E

" Bola Baja G,*6 mm 410L5

1E 6E GE 1*E

# Bola Baja G,*6 mm 410L5

1E IE 1EE 1*E

P Bola Baja G,*6 mm 410L5

1E 10E 16E 1*E

Bola Baja 12,H mm 412L5

1E 6E GE 1*E

+ Bola Baja 12,H mm 412L5

1E IE 1EE 1*E

M Bola Baja 12,H mm 412L5

1E 10E 16E 1*E

$ada tabel.&-% ditunjukkan skala kekerasan A, B dan 9 adalah untuk bahan logam,skala A dapat dipakai untuk bahan sangat keras seperti 2arbida tungsten.Skala 1 dan di bawahnya dipakai untuk batu gerinda sampai plastik. $engujian0ockwel superfisial mempergunakan beban yang ringan untuk memperbaiki ketelitiandari penekan dengan cara penggunaan yang sama, juga dapat mengukur kekerasan

permukaan dari bahan yang dikeraskan permukaannya.Brinell

Bola Baja %D mm Beban DD kgf

0ockwell



22/175

$enekan 9, %ED kgf 0ockwell $enekan , D kgf

*ambar &.%% kuran perbandingan dari penekanan pada pengujian bahan yangsama dengan berbagai pengujian kekerasan

Pemilihan masing-masing skala 4metode pengujian5 tergantung pada 3

a. $ermukaan material b. :enis dan dimensi materialc. :enis data yang diinginkad. 2etersedian alat uji

$engujian 2ekerasan dengan metode 3 Brinnel, 0ockwell dan 8ickers menggunakan3

• $lat Pengujian

• Benda Uji 4test speiment5 bertujuan untuk memahami cara menguji kekerasanlogam dengan ketiga metode tersebut

*ambar.&-%& Benda ji dan Bahan ji 2ekerasan 8ickers

1alam pengujian kekerasan seperti pada pengujian statik lainnya, diukur ketahananterhadap deformasi. !etapi ukuran penekan, beban dan ukuran penekanan, derajat



23/175

pengerasan regangan, berbeda. :adi pertama korelasi antara kekerasan yang diperolehdengan berbagai cara pengujian kekerasan menjadi permasalahan.!idak ada cara lain kecuali mendapatkan hubungan tersebut secara eksperimen, jadikekerasan yang diperoleh dengan berbagai cara ditulis sebagai tabel kon7ersi kekerasan.

!etapi hal yang diutarakan di atas berbeda menurut bahan, oleh karena itu untuk bajaatau paduan tembaga perlu memakai tabel yang berlainan sesuai dengan paduanmesing-masing.Sejumlah data tersedia berkenaan dengan hubungan antara kekerasan dan kekuatan tarik atau kekuatan lelah. ubungan ini sangan memudahkan untuk mengetahui kekuatan

bahan dengan pengujian sederhana dari kekerasan. !etapi karena hubungan itu memuat banyak faktor 7ariabel, perlu berhati-hati dalam penggunaannya. Sebagai tambahandalam penggunaan bagi bahan yang sama jenisnya, disarankan untuk memperhatikanmetalografinya.

*ambar &.% Alat $enguji 2ekerasan /ogam



24/175

#aam-#aam $lat Penguji Kekerasan

*ambar &.%> Alat $enguji 2ekerasan Brinnell

*ambar &.%E Alat $enguji 2ekerasan 0ockwell

*ambar &.%K Alat $enguji 2ekerasan 8ickers



25/175

#etode (ores

Metode ini tidak banyak lagi digunakan dalam dunia metalurgi dan material lanjut, tetapimasih sering dipakai dalam dunia mineralogi. Metode ini dikenalkan oleh ;riedrich Mohs

yang membagi kekerasan material di dunia ini berdasarkan skala "yang kemudian dikenalsebagai skala #ohs#.Skala ini ber7ariasi dari nilai % untuk kekerasan yang paling rendah, sebagaimana dimilikioleh material talk, hingga skala %D sebagai nilai kekerasan tertinggi, sebagaimana dimilikioleh intan. 1alam skala Mohs urutan nilai kekerasan material di duniaini diwakili oleh table berikut3

!abel &.& Skala 2ekerasan Mohs

Kekerasan Bahan umus kimia

% !alk Mg & Si>)%& aO

& *ips 9aS)> .& &)

2alsit 9a9)

> ;lourit 9a;&

E Apatit 9a;"$)>#

K ;eldspar 2 Al Si)>

L 2warsa Si)

= !opas Al& ;& Si)>

N 2orundum Al& )

%D (ntan 9

$rinsip pengujian3 bila suatu mineral mampu digores oleh )rthoclase "no. K# tetapi tidak mampu digores oleh Apatite "no. E#, maka kekerasan mineral tersebut berada antara Edan K. Berdasarkan hal ini, jelas terlihat bahwa metode ini memiliki kekurangan utama

berupa ketidak akuratan nilai kekerasan suatu material. Bila kekerasan mineral-mineraldiuji dengan metode lain, ditemukan bahwa nilai-nilainya berkisar antara %-N saja,sedangkan nilai N-%D memiliki rentang yang besar.

+tabilitas Terhadap Temperatur



26/175

• Stabilitas terhadap temperatur suatu material memberikan inter7al temperatur dimana sifat- sifat mekanik dan fisik bahan tidak mengalami perubahan yangmendasar.

• Misal untuk baja, tahan panas masih stabil pada temperatur KDDQ9. tetapi

beberapa bahan polimer terutama dari golongan termoplastis menjadi lunak padatemperatur %DDQ9

2.2 +ifat-+ifat isik Bahan

Sifat-sifat fisik bahan yang terpenting dalam pemilihan bahan konstruksi adalah 3

• 2ondukti7itas panas dan kondukti7itas listrik • 2oefisien muai panjang

• 1ensitas

KonduktiCitas Panas !an KonduktiCitas "istrik

KonduktiCitas Panas.

Bila dalam suatu bahan terdapat gradien temperatur, maka panas akan mengalir tanpadisertai oleh gerakan zat. Aliran panas seperti ini disebut konduksi, bahan yang dapatmenghantarkan panas dengan baik disebut konduktor dan bahan yang kurang baik menghantar panas disebut isolator.$ada logam konduksi termal itu akibat dari gerakanelektron yang tak terikat dan kondukti7itas panas ini mempunyai hubungan yang erat

dengan kondukti7itas listrik. $ada material yang bukan penghantar listrik, kondukti7itas panas ini merupakan transportasi momentum oleh masing-masing molekul selaingradien temperatur.

KonduktiCitas "istrik

2ondukti7itas listrik adalah ukuran dari kemampuan suatu bahan untuk menghantarkan arus listrik. :ika suatu beda potensial listrik ditempatkan pada ujung-ujung sebuah konduktor muatan-muatan elektron akan bergerak dan menghasilkan aruslistrik. 2ondukti7itas listrik didefinsikan sebagai rasio rapat arus terhadap kuat medanlistrik.

Kriteria Kualitas KonduktiCitas Panas !an "istrik

2ondukti7itas logam penghantar listrik sangat dipengaruhi oleh unsur 5 unsur paduan,impurities atau ketidaksempurnaan dalam kristal logam, yang ketiganya banyak

berperan dalam proses pembuatan pembuatan penghantar itu sendiri. nsur 5 unsur paduan selain mempengaruhi kondukti7itas listrik, akan mempengaruhi sifat 5 sifatmekanika dan fisika lainnya. /ogam murni memiliki kondukti7itas listrik yang lebih

baik dari pada yang lebih rendah kemurniannya. Akan tetapi kekuatan mekanis logammurni adalah rendah. $enghantar tenaga listrik, selain mensyaratkan kondukti7itas yangtinggi juga membutuhkan sifat mekanis dan fisika tertentu yang disesuaikan dengan

penggunaan penghantar itu sendiri



27/175

/enis Bahan Konduktor

Bahan-bahan yang dipakai untuk konduktor harus memenuhi persyaratan-persyaratansebagai berikut3

• 2onduktifitasnya cukup baik.• 2ekuatan mekanisnya "kekuatan tarik# cukup tinggi.• 2oefisien muai panjangnya kecil.• Modulus kenyalnya "modulus elastisitas# cukup besar.

Bahan-bahan yang biasa digunakan sebagai konduktor, antara lain3

• /ogam biasa, seperti3 tembaga, aluminium, besi, dan sebagainya.• /ogam campuran "alloy#, yaitu sebuah logam dari tembaga atau aluminium yang

diberi campuran dalam jumlah tertentu dari logam jenis lain, yang gunanyauntuk menaikkan kekuatan mekanisnya.

• /ogam paduan "composite#, yaitu dua jenis logam atau lebih yang dipadukandengan cara kompresi, peleburan "smelting# atau pengelasan "welding#.

ntuk membuat peralatan dimana terjadi perpindahan panas, seperti alat penukar panas,reaktor, kolom distilasi, e7aporator, boiler dibutuhkan bahan konstruksi yangmempunyai kondukti7itas panas yang baik. $ada alat-alat tersebut juga harus dilengkapidengan isolasi panas untuk mengurangi kehilangan panas karena radiasi, kon7eksi dankonduksi. Bahan konstruksi untuk isolasi panas dibutuhkan material yang mempunyaisifat kondukti7itas yang rendah. 1emikian juga peralatan untuk instalasi listrik dan

peralatan yang menggunakan panas dari energi listrik dibutuhkan bahan konstruksiyang mempunyai kondukti7itas listrik yang baik, Supaya penggunaan energi listrik aman dan untuk mengurangi energi listrik yang hilang dibutuhkan bahan isolasi yangdibuat dari bahan konstruksi dengan kondukti7itas rendah.1alam menentukan dimensi suatu sistem isolasi, dibutuhkan pengetahuan yang pastimengenai jenis, beban panas dan beban listrik yang akan dialami bahan isolasi tersebut.1isamping itu perlu dipertimbangkan kondisi sekitar dimana isolasi akan ditempatkandan untuk mengetahui sifat-sifat dari bahan isolasi sehingga dapat dipilih bahan-bahanyang tepat untuk suatu sistem isolasi, dengan demikian akan dihasilkan suatu rancangan

peralatan yang paling ekonomis dan sesuai dengan kebutuhan. .

ungsi yang penting dari suatu bahan isolasi adalah3

• ntuk mengisolasi antara suatu penghantar dengan penghantar lainnya.Misalnya antara konduktor fasa dengan konduktor fasa lainnya, atau konduktor fasa dengan tanah.

• ntuk menahan gaya mekanis akibat adanya arus pada konduktor yang diisolasi,• Mampu menahan tekanan yang diakibatkan panas dan reaksi kimia.• ntuk mengisolasi peralatan dengan sekitarnya.

Misalnya antara reaktor dan sekitarnya, antara boiler dan sekitarnya, antara alat penukar panas dan sekitarnya dan sebagainya.



28/175

!ekanan yang diakibatkan oleh medan listrik, gaya mekanik, thermal dan reaksi kimiadapat saja terjadi serentak, sehingga perlu diketahui efek bersama dari semua parameter tersebut, dengan kata lain suatu bahan isolasi dinyatakan ekonomis jika bahan tersebut

dapat menahan semua tekanan tersebut dalam jangka waktu yang lama.Sifat kondukti7itas panas danlistrik yang dibutuhkan untuk suatu bahan isolasi adalahsebagai berikut3

• Mempunyai sifat kondukti7itas panas rendah, misalnya bahan asbes, wool,kapas dan sebagainya.

• Mempunyai kekuatan dielektrik "21# yang tinggi, agar dimensi sistem isolasimenjadi kecil dan penggunaan bahan semakin sedikit, sehingga harganya punakan semakin murah, misalnya bahan-bahan polimer yang sesuai.

• 0ugi-rugi dielektriknya rendah, agar suhu bahan isolasi tidak melebihi batas

yang ditentukan.• Memiliki kekuatan kerak "tracking strength# yang tinggi, agar tidak terjadi erosikarena tekanan listrik permukaan.

• Memiliki konstanta dielektrik yang tepat dan cocok, sehingga membuat arus pemuatan 4harging urrent5 tidak melebihi batas yang diijinkan.

Bahan isolasi juga sekaligus merupakan bahan konstruksi peralatan, oleh karena itu ia juga memikul beban mekanis, sehingga bahan isolasi harus memenuhi persyaratanmekanis yang dibutuhkan. Sifat mekanis yang dibutuhkan tergantung pada pemakaian,seperti diberikan dibawah ini.

• (solator hantaran udara, sifat mekanis terpentingnya kekuatan tarik• (solator pendukung pada gardu, sifat mekanis terpentingnya kekuatan tekuk • (solator antenna, sifat mekanis terpentingnya kekuatan tekan• $emutus daya "circuit breaker#, sifat mekanis terpentingnya kekuatan tekan kejut

karakteristik mekanis, seperti elastisitas, kekenyalan dan lain-lain, mempunyaihubungan yang nyata dengan tekanan dan ketepatan rancangan.

$eralatan-peralatan listrik akan mengalami kenaikan suhu selama beroperasi, baik pada tegangan kerja normal maupun dalam kondisi gangguan, sehingga bahanisolasi harus memiliki sifat themal sebagai berikut3

• 2emampuan untuk menahan panas tinggi "daya tahan panas#• 2erentanan terhadap perubahan bentuk pada keadaan panas.• 2ondukti7itas panas tinggi.• 2oefisien muai panas rendah.• !idak mudah terbakar.• !ahan terhadap busur api, dan lain-lain.

Bahan isolasi harus dapat menyesuaikan diri terhadap lingkungan dimana bahan itudigunakan. oleh karena itu bahan isolasi harus memiliki kemampuan sebagai berikut3



29/175

• memiliki daya tahan terhadap minyak dan ozon.• memiliki kekedapan dan kekenyalan higroskopis yang tinggi.• daya serap air rendah.• stabil ketika mengalami radiasi.

Bahan isolasi untuk sistem tegangan tinggi sering menetapkan beberapa persyaratan,dan diantaranya ada yang saling bertentangan. )leh karena itu dalam pemilihan bahanisolasi untuk suatu keperluan khusus sering dilakukan dengan mencari kompromi antara

penyimpangan kebutuhan dengan sifat yang diinginkan, sehingga pemilihan yang benar- benar memuaskan tidak terpenuhi.

$da enam sifat listrik dielektrik, yaitu3

• 2ekuatan dielektrik

• 2onduktansi• 0ugi-rugi dielektrik

• !ahanan isolasi• 2ekuatan kerak isolasi 4traking strength5

Tabel 2.* KonduktiCitas Panas #aterial "ogam

#aterial

"ogam

Temperaturo

D

KonduktiCitas Panas

N4mo

D5

Aluminium D "%DD#R %%L "%%N#

Antominium D "%DD# %D,K "N,L#

Baja lunak %DD &K

Besi 9or D "%DD# & "D#

Besi !empa %DD >,K

+mas %DD %LD

2admium %DD E&,&

Magnesium D "%DD# N& "N

ikel D "%DD# K ">#

$erak D "%DD# &>& "&=#



30/175

$latina %DD >%,N

Seng D "%DD# KE "K>#

Baja "%'9# %DD &EN

!embaga D "%DD# &&> "&%=#

!imah D "%DD# K ">#

!imbal D "%DD# &D "%N#

Tabel 2.0 KonduktiCitas Panas #aterial Bukan "ogam

#aterial

"ogam

TemperaturoD

KonduktiCitas Panas

N4m oD5

*elas %DDR D,D>D

Bata >D D,%=

Bata tahan api >D %,E&

*abus D D,D

$lastik $olistiren D D,%=

$oli 8inil 2hlorida D D,DN

(solasi Magnesia D D,D>

Busa Silika D D,DEE

Tabel 2.6 KonduktiCitas "istrik "ogam

#aterial

"ogam

KonduktiCitas "istrik

4 'hm meter 5

$erak "Ag# K,=%DL



31/175

!embaga "9u# K,D%DL

+mas "Au# >,%DL

Aluminium "Al# ,=%DL

2uningan " LD'9u-D'Cn# %,K%DL

Besi ";e# %,D%DL

Baja 2arbon ";e-9# D,K%DL

Baja !ahan 2arat ";e-9r# D,&%DL

#uai Panjang

$eralatan-peralatan yang beroperasi diatas temperatur kamar akan mengalami pemuaian panjang. 2arena pemuaian, material menjadi bertambah panjang yangmenimbulkan tegangan. !egangan yang ditimbulkan tidak akan menjadi masalahapabila masih dibawah tegangan yang diijinkan dan pemuaian hanya terjadi hanya padasatu bahan.

!egangan akan menjadi masalah apabila terjadi pada dua bahan yang mengalami pemuaian yang tidak sama, dimana kedua bahan tersebut digabung menjadi satukesatuan maka akan terjadi saling tarik-menarik antara kedua bahan tersebut.

ntuk menjelaskan fenomena tersebut, sebagai contoh adalah gambar berikut ini 3

Bahan

"E O"

*ambar &.%L 3 $emuaian panjang pada satu bahan



32/175

$ada temperatur awal, !D panjang awal bahan, /D$ada temperatur akhir, !; panjang akhir bahan, /!

$erubahan temperature, !@!; - !D $erubahan panjang bahan, /

LT = L0(1+. ∆ T ) 4 12 5

LT = L0+∆ L 4 1* 5

L0(1+. ∆ T )= L

0+∆ L

4 10 5

∆ L = L0 . ∆ T

4 16 5

∆ L

L0

=. ∆ T 4 1G 5

ε=∆ L

L0

=. ∆ T 4 1H 5

Besarnya tegangan karena perubahan panjang, /

σ = F

A= E ε= E

∆ L

L0

= E . ∆ T

σ = E . ∆ T 4 1F 5

σ = F

A= E

∆ L

L0

∆ L= F L

0

E A 4 1I 5

1imana 3 σ =egangan a'ik ba*an

. =k&e#isien muai )anjangba*an

E=m&duluselasisias a'ik ba*an



33/175

ntuk dua bahan yang digabungkan dalam suatu konstruksi dimana bahan satu denganlainnya pemuaiannya tidak sama "lihat gambar.&-%=#..

Bila bahan-% memuai secara bebas dengan perubahan panjang O"1, maka

panjang bahan-% menjadi

L1¿ L

0 (1+. 1 ∆ T 1 ) .

Bila bahan-& memuai secara bebas dengan perubahan panjang O"2, maka panjang

bahan-& menjadi L

2¿ L0 (1+. 2 ∆ T 2 ) .

2arena bahan - % dan bahan - & digabung menjadi satu kesatuan, maka masing-masingtidak bisa memuai secara bebas dan panjang akhirnya menjadi /; , misal O"2 O"1,maka seolah-olah bahan - % ditarik sepanjang T% dan bahan - & ditekan sepanjang T&

dengan besar gaya yang sama ;.

:adi bahan-% mendapat tegangan tarik, t sebesar ;6A% dan bahan-& mendapat tegangan

tekan, , sebesar ;6A&.

Bahan-1

+ambungan "as +ambungan "as

Bahan-2 "E ?"1 Q1 Q2

?"2

"

*ambar &.%= $emuaian pada dua bahan yang digabung menjadi satu kesatuan dengansambungan las.

L2= L

0 (1+. 2 ∆ T 2 )= L0+∆ L2

L1= L

0 (1+. 1 ∆ T 1)= L0+∆ L2



34/175

L2− L

1= L

0 (. 2∆ T 2+. 1 ∆ T 1 )=∆ L2−∆ L1

∆ L2−∆ L

1=∆ /

2+∆ /

1= (. 2 ∆ T 2+. 1 ∆ T 1)

$nalog dengan persamaan 3 ∆ L= F L

0

E A /

1=

F L1

E1 A1 /

2=

F L2

E2 A2

/ 2+ /

1=

F L2

E2 A2+

F L1

E1 A1= L

0 (. 2 ∆ T 2+. 1 ∆T 1 )

F =

L0 (. 2 ∆T 2+. 1∆ T 1 )

L2

E2 A

2

+ L

1

E1 A

1

4 2E 5

Besarnya tegangan pada bahan-1 3

σ 1=σ =

F

A1

= L

0 (. 2 ∆ T 2+. 1 ∆ T 1)

A1[ L2 E2 A

2

+ L

1

E1 A E1 ] 4 21 5

Besarnya tegangan pada bahan-2 3

σ 2=σ +=

F

A2

= L

0 ( . 2 ∆ T 2+. 1 ∆ T 1 )

A2[ L2 E2 A

2

+ L

1

E1 A E 1 ] 4 22 5

$anjang akhir kedua bahan menjadi, /;

L F = L1+ / 1= L2− / 2 4 2* 5

Dontoh-G 3

Suatu bahan dengan panjang awal, /D @ % m dipanaskan dari temperatur awal,TE= 26oDdan temperatur akhir,T =126o 9.2oefisien muai panjang bahan.@1,2 J1E-0ED.danmodulus elastisitas bahan, & = 2HGE kgf m2. Berapa tegangan tarik yang diakibatkanoleh perubahan temperatur tersebut

Penyelesaian 3



35/175

OT = T-TE = 126 26 = 1EEoD

σ = E . ∆ T =2760kg#

+m2 x 1 ,2 x10

−4

1&

C x100

&C =33 ,12

kg#

+m2

Dontoh-H 3

Suatu alat penukar panas jenis pipa ganda 4double pipe heat eJhanger5 yang dibuatdari bahan dengan koefisien muai panjang .@1,2 J1E-0ED dan modulus elastisitas

bahan, & = IEEEEE kgf m2 dengan diameter nominal pipa dalam & in schedule =D dandiameter pipa luar in schedule =D. !emperatur awal sebelum dioperasikan 26oD,setelah dioperasikan temperatur rata-rata pipa dalam, T1= 126oD dan temperatur rata-rata pipa luar, T2=1H6oD. $anjang awal alat penukaar panas, "E = G m Berapa tegangan yang terjadi pada pipa dalam dan pipa luar dan berapa panjang akhir alat penukar panas tersebut, "

Penyelesaian 3

$ipa dalam "pipa-%# diameter nominal & in schedule =D 31iameter dalam @ di @ %,NN in @ >,N&E cm1iameter luar @ do @ &,LE in @ K,D cm

$ipa luar "pipa- diameter nominal in schedule =D 3

1iameter dalam @ 1i @ ,D%K in @ L,KK% cm1iameter luar @ 1o @ ,EDD in @ =,=ND cm

!% @ !%-!D @ %&E 5 &E @ %DDo9 !& @ !&-!D @ %LE 5 &E @ %EDo9

1 @ 2 @ @%,& %D->6D9

+% @ +& @ + @ &LKD kgf 6cm&

1,2 x10

¿¿−4¿¿

. 2∆ T 2=¿

1,2 x10¿

¿−4¿¿

. 2∆ T 2=¿



36/175

L2= L0 (1+. 2 ∆ T 2 )=6 (1+1,8 x10−2 )=6,108m

L1= L0 (1+. 1 ∆ T 1)=6 (1+1,2 x10−2 )=6,072m

d

π (¿¿&2−πd i2)

4 =

π (6,0332−4,9252)4

=9,53 +m2

A1=¿

"

π (¿¿&

2

−π"i2

)4 = π (8,8902

−7,6612

)4 =15,97+m2

A2=¿

E2 A

2=(2760

kg#

+m2)(15,97 +m2)=44077,2 kg#

E1 A

1=(2760

kg#

+m2)(9,53 +m2)=26302,8 kg #

F =6 (1,8 x10−2−1,2 x10−2)

[ 6,10844077,2+ 6,072

26302,8 ] =97,99kg#

σ 1=σ =

F

A1

= L

0 (. 2 ∆ T 2+. 1 ∆ T 1)

A1[ L2 E2 A

2

+ L

1

E1 A E1 ]

σ 1=σ =

6 (1,8 x 10−2−1,2 x10−2)

9,53 [ 6,10844077,2+ 6,07226302,8 ]=10,28 kg# /+m

2

σ 2=σ +=

F

A2

= L

0 ( . 2 ∆ T 2+. 1 ∆ T 1 )

A1[ L2 E2 A

2

+ L

1

E1 A E 1 ]



37/175

σ 2=σ +=

6(1,8 x10−2−1,2 x 10−2)

15,97[ 6,10844077,2+ 6,072

26302,8 ]=6,14 kg# /+m

2

:adi pipa dalam mengalami tegangan tarik sebesar @ %D,&= kgf 6cm& dan pipa luar mengalami tegangan tekan sebesar @ K,%> kgf 6cm&

/ 1=

F L1

E1 A1=

97,99 kg# x 6,072m

26302,8 kg# =0,022m

/ 2=

F L2

E1 A2=

97,99 kg# x 6,108m

44077,2kg# =0,014m

$anjang Akhir @ /; @ /% U T% @ K,DL& U D,D&& @ K,DN> m atau

$anjang Akhir @ /; @ /& 5 T& @ K,%D= - D,D%> @ K,DN> m

!ensitas !an Berat /enis

Sebelum membicarakan lebih jauh sifat mekanik bahan, terlebih dahulu akan di jelaskan & "dua#sifat dasar suatu bahan, yaitu, rapat massa "densitas# dan berat jenis 4speifi graCity5.

!ensitas 4rapat massa5

Sebelum membicarakan lebih jauh sifat mekanik bahan, terlebihdahulu akan kita jelaskan & "dua# sifat dasar suatu bahan, yaitu 3 densitas dan berat jenis.!ensitas merupakan besaran yang menyatakan ukuran kerapatan partikel-pertikelmenyusun bahan, dan dinyatakan dengan hubungan 3

"ensias= 0=m

1 4 20 5

1engan m adalah massa bahan "kg# dan V adalah 7olume bahan "m#, sehingga satuanrdensitas adalah kg6m.

Berat /enis

Berat jenis suatu bahan pada dasarnya tidak berbeda dengan rapat massa dan caramenghitungnya sama dengan langkah pada perrhitungan densitas, tetapi massa pada $ersamaan"%# dikalikan dengan percepatan gra7itasi "m6s. Secara matematis dinyatakan dengan

persamaan 3



38/175

Be'a 2enis= 0g=W

1 =

m g

1 4 26 5

1engan W adalah berat bahan 4kgf 5 dan V adalah 7olume bahan 4 m*

5, sehingga satuan berat jenis adalah 4kgf m*5.

2.* +ifat-+ifat Kimia 4+tabilitas Terhadap Korosi5

$erlu diketahui bahwa material yang dipakai beda antara pabrik yang menggunakan

make ooling 7ater dari air laut dan pabrik yang menggunakan cooling 7aternya dari

sungai. 1apat dikatakan bahwa material pipa yang digunakan oleh pabrik $upuk $usri

dengan pabrik $upuk 2altim akan berbeda. :elas, salah satu fenomena lain dalam

mempelajari material ini juga adalah korosi. 1an untuk memilih suatu material perlu pengetahuan yang mendalam mengenai material dan juga korosi.

2orosi adalah perusakan bahan yang dialami dari permukaan bahan akibat reaksi kimia

atau elektrokimia yang terjadi akibat interaksi bahan dengan lingkungannya.$erlindungan terbaik terhadap korosi adalah melapisi bahan yang akan dilindungi

dengan lapisan bahan yang tahan korosi, dengan membuat paduan logam tahan korosi.

/enis jenis "apisan Pelindung untuk Pengendalian Korosi

a. /apisan dengan logam b. /apisan dengan bukan logamc. $erubahan permukaan secara kimia

a. "apisan dengan logam

< $elapisan dengan logam secara elektroplating< $elapisan dengan logam cair secara elektrolisa< $enyemprotan logam dengan system po7deroating < $encelupan logam dengan gal7anisasi.

b. "apisan dengan bukan logam3

< $embalutan dengan karet , plastik< $enyemprotan dengan plastik< $embalutan dengan email< $embuatan dinding tahan asam< $engecatan dengan polimer

. Perubahan permukaan seara kimia 3

< ;osfatasi< $engoksidasian secara kimia< $elapisan secara elektrokimia



39/175

BAB III

DIAGRAM FASE


1. Mahasiswa mampu menjelaskan jenis-jenis diagram fase padat-cair duakomponen

2. Mahasiswa mampu menjelaskan komposisi fase dan komponen pada temperatur tertentu.


1. Mahasiswa dapat menjelaskan jenis-jenis diagram fase padat-cair duakomponen.

2. Mahasiswa dapat menjelaskan komposisi fase dan komponen pada temperaturetertentu

*.1 Pendahuluan

Struktur dan sifat logam murni akan berubah apabila dipadu dengan unsur logam lain.:ika komponen A dipadu dengan komponen B, maka 3

< 2omponen A dengan komponen B bereaksi membentuk fase lain< 2omponen A dengan komponen B bereaksi membentuk fase lain< !erjadi campuran larutan padat jenuh fase B, bila komponen B dipadukan ke

komponen A melebihi batas kelarutannya.< !idak terbentuk fase baru,bila komponen B larut dalam padatan kompnen A.

$ada umumnya logam tidak berdiri sendiri atau keadaan murni, tetapi lebih banyak dalam keadaan dipadu atau logam paduan dengan kandungan unsur-unsur tertentusehingga struktur yang terdapat dalam keadaan setimbang pada temperatur dan tekanantertentu akan berlainan. 2ombinasi dua unsur atau lebih yang membentuk paduanlogam akan menghasilkan sifat yang berbeda dari logam asalnya.

!ujuan membuat logam paduan adalah untuk memperbaiki sifat logam. Sifat yangdiperbaiki adalah kekuatan, keuletan, kekerasan, ketahanan korosi, ketahanan aus,ketahanan lelah dan lain-lain.

;ase pada suatu material didasarkan atas daerah yang berbeda dalam struktur ataukomposisi dari daerah lainnya.



40/175

;ase adalah bagian homogen dari suatu sistem yang memiliki sifat fisik dan kimia yangseragam.

ntuk mempelajari paduan dibuatlah kur7a yang menghubungkan antara fase,

komposisi dan temperatur.1iagram fase adalah suatu grafik yang merupakan representasi tentang fase-fase yangada dalam suatu material pada 7ariasi temperatur, tekanan dan komposisi.$ada umumnya diagram fase dibangun pada keadaan kesetimbangan " kondisinyaadalah pendinginan yang sangat lambat#.

1iagram ini dipakai untuk mengetahui dan memprediksi banyak aspek terhadap sifatmaterial.

1iagram fase suatu material6bahan satu komponen dinyatakan dengan hubungantekanan dan temperatur.

1iagram fase bahan dengan dua atau tiga komponen dimana 7ariabel dari suatu keadaanadalah temperatur, tekanan dan komposisi.

Bahan yang dipakai di industri umumnya berfase padat dan tekanan uapnya rendah jadikeadaan gas dapat diabaikan.2esetimbangan fase padat dan fase cair atau fase padat danfasa padat pengaruh tekanan sangat kecil terhadap temperatur, sehingga tekanandianggap tetap dan diagram fasenya merupakan koordinat temperatur dan komposisi

nformasi penting yang dapat diperoleh dari diagram fase adalah3

• Memperlihatkan fase-fase yang terjadi pada perbedaan komposisi dantemperatur dibawah kondisi pendinginan yang sangat lambat.

• Mengindikasikan kesetimbangan kelarutan padat satu unsur atau senyawa padaunsur lain.

• Mengindikasikan pengaruh temperatur dimana suatu paduan dibawahkondisi kesetimbangan mulai membeku dan pada rentang temperatur tertentu pembekuan terjadi.

• Mengindikasikan temperatur dimana perbedaan fase-fase mulai mencair.

/enis material yang dipadukan 3

%. nsur logam U unsur logam9ontoh3 9u U CnV 9u U AlV 9u U Sn.

&. nsur logam U unsur non logam9ontoh3 ;e U 9.

$aduan terjadi akibat adanya susunan atom sejenis ataupun ada distribusi atom yanglain pada susunan atom lainnya.

:ika ditinjau dari posisi atom-atom yang larut, diperoleh dua jenis larutan padat3

• "arutan padat substitusi



41/175

Adanya atom-atom terlarut yang menempati kedudukan atom-atom pelarut.• "arutan padat interstisi

Adanya atom-atom terlarut yang menempati rongga-rongga diantara kedudukanatom.

(ambar *.1 "arutan padat substitusi

(ambar *.2 "arutan padat interstisi



42/175

ntuk mengetahui kelarutan padat suatu unsur dalam unsur lainnya, )ume-otherymensyaratkan sebagai berikut3

a. :ika perbedaan diameter atom yang larut dibandingkan atom pelarut lebihkecil dari %E', maka kelarutan yang terjadi adalah larutan padat substitusi.

b. :ika perbedaan diameter atom yang larut dibandingkan atom pelarut lebih besar dari %E', maka kelarutan yang terjadi adalah larutan padat interstisi.

Suatu hasil percampuran harus stabil.

Stabilitas dari paduan dijamin oleh keelektronegatifan dan keelektropositifan, makin besar perbedaan keelektronegatifan dan keelektropositifan makin stabil, tetapi kalauterlalu besar perbedaannya yang terjadi bukan larutan melainkan senyawa "compound #

Pembentukan diagram fase

ubungan antara temperatur, komposisi diplot untuk mengetahui perubahan fase yangterjadi. 1engan mem7ariasikan komposisi dari kedua unsur "D÷%DD'# dan kemudiandipanaskan hingga mencair setelah itu didinginkan dengan lambat "diukur olehdilatometer6kalorimeter#, maka akan diperoleh kur7a pendinginan $erubahan komposisiakan mengubah pola dari kur7a pendinginan

*.2 Klasifikasi !iagram Kesetimbangan ase

%. /arut sempurna dalam keadaan cair dan padat.&. /arut sempurna dalam keadaan cair, tidak larut dalam keadaan padat "reaksi

eutektik#.. /arut sempurna dalam keadaan cair, larut sebagian dalam keadaan padat "reaksi

eutektik#.>. /arut sempurna dalam keadaan cair, larut sebagian dalam keadaan padat "reaksi

peritektik#.E. /arut sempurna dalam keadaan cair, tidak larut dalam keadaan padat dan

membentuk senyawa.

G. /arut sebagian dalam keadaan cair "reaksi monotektik#.

1alam penjelasan selanjutnya nanti yang dibahas hanya samapai nomor-, sedangkanyang lain terlalu rumit untuk pendidikan diploma (((.

1. "arut sempurna dalam keadaan air dan padat

Biasa disebut binary isomorphous alloy systems, kedua unsur yang dipadukan larutsempurna dalam keadaan cair maupun padat. $ada sistem ini hanya ada satu struktur kristal yang berlaku untuk semua komposisi, syarat yang berlaku adalah 3

a. Struktur kristal kedua unsur harus sama.



43/175

b. $erbedaan ukuran atom kedua unsur tidak boleh lebih dari %E'.c. nsur-unsur tidak boleh membentuk senyawa.d. nsur-unsur harus mempunyai 7alensi yang sama.

Dontoh klasik untuk jenis diagram fasa ini adalah diagram fasa Du-%i.

Ta ase "i9uid 4"5 (aris air

Td 81 8 82

ase " A +

o D

(aris padat

ase +olid 4+5 Tb

E b1R bR b2R 1EER $=1EER R B B=1EER

(ambar *.* !iagram fase larut sempurna dalam keadaan air dan padat

4Komposisi Cs Temperatur5

!a @ titik cair6leleh komponen A murni !b @ !itik cair6leleh komponen B murni

$turan 3 jika diketahui temperatur dan komposisi, maka akan diketahui jumlah dan

jenis fasa masing-masing.

ntuk menghitung persentase fasa-fasa yang ada pada komposisi tertentu, digunakanmetoda kaidah lengan.

Dontoh-1 3 $ada temperature Td komposisi paduan 8 adalah BR 4lihat gambar 0-*5 3

3&m)&nen B dalam )aduan=B



44/175

Fase Li%uid= L= 44

1

4142 x100 Fase 5&lid=5=

442

41 42 x100

3&m)&nenB dalam Li%uid=B2 x L

3&m)&nenB dalam 5&lid=B1 x 5

1. "arut sempurna dalam keadaan air, tidak larut dalam keadaan padat

4reaksi eutektik5.

Ta ase "i9uid 4"5

Tb

ase +A" ase +A"

!

&

oD ase +olid 4+5

Dampuran +olid $ A B

$=1EER RB B=1EER

(ambar *.0 !iagram fase larut sempurna dalam keadaan air dan tedak

larut dalam keadaan padat 4Komposisi Cs Temperatur5

Ta @ titik cair6leleh komponen A murni Tb = !itik cair6leleh komponen B murni

!itik + adalah titik eutektik, pada temperatur dan komposisi eutektik terjadi reaksi ke-setimbangan eutektik 3

Pemanasan

$ A B "i9uid 4"5



45/175

Pendinginan

!& @ garis padat Ta&Tb @ garis cair !itik & @ titik eutektik

$ada komposisi dan temperature eutektik camuran komponen A dan komponen Bseperti logam murni, dimana titik lelehnya hanya satu 2omponen A dan komponen Btidak larut sempurna dalam kondisi cair dan tidak larut dalam kondisi padat membentuk campuran padat dibawah temperatur eutektik. 1ibawah garis padat terdiri dua fase,yaitu fase padat A dan fase padat B yang membentuk campuran padat.

2. "arut sempurna dalam keadaan air, larut sebagian dalam keadaan padat

4reaksi eutektik5.

Ta ase "i9uid 4"5

T9 81 8 82 Tb

ase A" ase A"

!

T1 +oD

ase +olid 4+5

Dampuran "arutan Padat 4 + 5

( )

b1R bR b2R b*R$=1EER RB B=1EER

(ambar *.6 !iagram fase larut sempurna dalam keadaan air dan tedak

larut dalam keadaan padat 4Komposisi Cs Temperatur5

!a @ titik cair6leleh komponen A murni !b @ !itik cair6leleh komponen B murni

!itik + adalah titik eutektik, pada temperatur dan komposisi eutektik terjadi reaksikesetimbangan 3

Pemanasan



46/175

A "i9uid 4"5

Pendinginan

$ada komposisi dan temperatur eutektik camuran komponen A dan komponen B sepertilogam murni, dimana titik lelehnya hanya satu. 2omponen A dan komponen B larutsempurna dalam kondisi cair dan larut sebagian dalam kondisi padat membentuk campuran larutan padat dan dibawah temperatur eutektik.

/arutan padat adalah larutan padat komponen B didalam komponen A

/arutan padat β adalah larutan padat komponen A didalam komponen B

*aris Ta&Tb adalah garis cair dan garis Ta!&Tb adalah garis padat

*aris Ta!( adalah garis batas kelarutan maksimum komponen B dalam komponen Adalam keadaan padat

*aris Tb) adalah garis batas kelarutan maksimum komponen A dalam komponen Bdalam keadaan padat

Dontoh klasik untuk jenis diagram fase ini adalah diagram fase Pb-+n.

Dontoh-2 $ada temperatur !O dan komposisi paduan 8 adalah bR4lihat gambar 0-053

3&m)&nen B dalam )aduan4=b

3&m)&nen A dalam )aduan 4=(100−b)

Fase Li%uid= L= 44

1

4142 x100 Fase 5&lid=. =

442

4142 x 100

3&m)&nenB dalam Li%uid=b

2 x L

3&m)&nen A dalam Li%uid= L−b2 x L=(100−b2 ) L

3&m)&nenB da lam la'uan )ada . =b

1 x .

3&m)&nen A dalamla'uan )ada . =. −b1 x . =(100−b1).



47/175

Dontoh-* $ada temperatur T1 dan komposisi paduan adalah BR4lihat gambar 0-053

3&m)&nen B dalam )aduan R=b

La'uan Pada . = R5

!5 x100 La'uan Pada 6=

!R

!5 x100

3&m)&nenB dalam la'uan )ada . =b1

x .

3&m)&nen A dalamla'uan )ada . =. −b1 x . =(100−b1 ).

3&m)&nenB dalam la'uan )ada 6=b3

x 6

3&m)&nen A dalamla'uan )ada 6= 6−b3 x 6=(100−b3 ) 6

Dontoh-* diagram fase ini adalah diagram fase Pb-+n.



48/175

(ambar *.G !iagram fase Pb - +n

!iagram fasa +n- Pb terdapat beberapa kondisi3.

• !itik % yaitu paduan LD' $b-D' Sn pada DDQ9 merupakan fase cair.• !itik & yaitu paduan LD'$b-D'Sn pada &DDQ9 merupakan fasa cair dan fase

padat W yang larut dalam $b.• !itik yaitu paduan LD'$b-D'Sn pada %DDQ9 merupakan fase padat W dan X

• !itik > yaitu paduan %D'Sn-ND'$b pada&DDQ9 merupakan fase padat W ataufase tunggal padat

• !itik E yaitu paduan &D'Sn-=D'$b pada&DDQ9 terdiri dari & fase merupakanfase padat W dan cairan• !itik K yaitu paduan KD'Sn->D'$b pada&DDQ9 terdiri satu fase cair

*.* Pembekuan "arutan Padat Tunggal



49/175

(ambar *.H Pembekuan "arutan Padat Tunggal

• 2eadaan suatu cairan homogen dari sistem & komponen A dan B, biladidinginkan secara perlahan maka pendinginan mengikuti garis tegak melalui .

• $ada /% adalah temperatur pembekuan dengan fasa W mulai mengkristal.• *aris cair ae menyatakan permulaan kristalisasi dan garis beku ac merupakan

temperatur pembekuan sehingga cairan membeku seluruhnya.• :ika temperatur diturunkan lagi komposisi larutan padat W berubah sepanjang

garis cf dan komposisi larutan padat X sepanjang garis dg.

Pembekuan dengan reaksi eutektik .

• :ika cairan pada komposisi y , dan temperatur cairan diturunkan sampai gariscair ac maka larutan padat W akan mengkristal dan pada pendinginan lebih lanjut

jumlah cairan akan menurun dengan komposisi berubah sepanjang garis ae.•

!itik e adalah titik potong dua garis cair pada komposisi e, dan cairan dengankomposisi pada titik d menjadi larutan padat X sedang cairan pada komposisi cmenjadi larutan padat W secara simultan.

• !itik e dalam diagram fasa disebut titik eutektik dan perubahan cairan menjadilarutan padat W dan larutan padat X disebut reaksi eutektik



50/175

BAB IV

BESI-BAJA DAN PADUANNYA


1. Mahasiswa mampu menjelaskan jenis-jenis logam besi dan paduannya menurut

standar industri2. Mahasiswa mampu menjelskan diagram fase besi-karbon dan sifat paduannya.


1. Mahasiswa dapat menjelaskan jenis-jenis logam besi dan paduannya menurutstandar industri

2. Mahasiswa dapat menjelaskan diagram fase besi-karbon dan sifat paduannya.

0.1. Pendahuluan

Besi murni merupakan logam yang bersifat lunak dan liat dengan titik cair sekitar %EKQ9. Besi dan baja merupakan bahan mempunyai berbagai sifat dari lunak sampaikeras. Besi merupakan salah satu logam yang mempunyai sifat alotropik, yaitumempunyai bentuk struktur kristal lebih dari satu. Sifat alotropik dari besimenyebabkan timbulnya 7ariasi struktur mikro dari berbagai jenis baja.

$lotropik adalah adanya transformasi dari satu bentuk susunan atom "sel satuan# ke bentuk susunan atom yang lain.

Besi stabil pada temperature di bawah N%D D9 3 besi alfa 4 eS #, temperatur antara N%Ddan %N& D9 3 besi gama 4 e 5, tempertaur diatas %N& D9 3 besi delta 4 e 5

Material logam memiliki sifat tertentu, untuk logam yang sama dapat saja mempunyaisifat yang berbeda. 1itinjau secara fisik, sifat logam berkaitan erat dengan strukturmikro ntuk logam dari jenis yang sama, sifatnya bisa berbeda dengan mengubahstruktur mikro.

#engubah struktur mikro dapat diklasifikasikan menjadi * bagian 3

%. Secara 2imia 3 mengubah komposisi kimia&. Secara Mekanik 3 konfigurasi berubah dan komposisi kimia tetap



51/175

. Secara $erlakuan $anas 3 fasa berubah dengan komposisi kimia tetap atau berubah.

9ara yang biasa digunakan untuk merubah struktur mikro dilakukan melalui proses

perlakuan panas 4)eat Treatment5.

Perubahan sifat logam dapat meliputi 3

• 2eseluruhan dari logam• anya sebagian dari logam "misal permukaannya saja#

!ifinisi Perlakuan Panas adalah suatu proses mengubah sifat logam dengan jalanmengubah struktur mikro melalui proses pemanasan dan pengaturan kecepatan

pendinginan dengan tanpa atau merubah komposisi kimia logam yang bersangkutan.

Tujuan untuk mendapatkan sifat-sifat yang diinginkan sesuai dengan yangdirencanakan "dalam batas-batasnya#.

Prinsip proses Perlakuan Panas adalah setiap proses pada logam tujuannya untuk memperbaiki sifat.Baja "paduan ;e dan 9# merupakan logam yang paling banyak di proses dengan

perlakuan panas.

Betuk sel satuan BDD dan DD

• $ada temperatur di bawah N%DD

9 3 Body 9entered 9ubic "2ubus BerpusatBadan# "B99#• !emperatur antara N%D dan %N&D93;ace 9entered 9ubic "2ubus Berpusat

Muka# ";99#• !empertaur diatas %N& D9 3 Body 9enterd 9ubic "2ubus Berpusat Badan#

"B99#

Beberapa baja memiliki sifat-sifat tertentu sebagai akibat penambahan unsur paduan.Salah satu unsur paduan yang dapat mengontrol sifat baja adalah karbon "9#.!ransformasi yang terjadi pada rentang temperatur tertentu erat hubungannya dengankandungan karbon. Baja yang hanya mempunyai karbon tidak akan memiliki sifatseperti yang diinginkan 2arbon berada didalam besi dapat bentuk larutan atau

berkombinasi dengan besi menbentuk 2arbida besi ";e9#.1iagram yang menampilkan hubungan antara temperatur di mana terjadi perubahan faseselama proses perlakuan pamanasan dan pendinginan lambat dengan kadar karbon disebut diagram fase besi-karbon..

0.2 !iagram ase e-e*D 4e-D5

1iagram ini digunakan untuk mengidentifikasi atau memperkirakan fase-fase yangterdapat pada paduan besi dan karbon.



52/175

1iagram fase besi-besi karbida terbagi atas beberapa fase yaitu 3 fase ferit, fase perlit,fasa sementi dan fasa austenit.

*ambar diagram fase menggambarkan diagram fase besi-karbon untuk seluruh rentang

paduan besi dengan karbon yang mencakup baja dan besi cor.

(ambar 0.1 !iagram fase besi-karbon

A 3 !itik cair besiB 3 !itik pada cairan berhubungan dengan reaksi peritektik 3 /arutan padat berhubungan dengan reaksi peritektik dan kelarutan

maksimum unsur 9 D,% ': 3 !itik peritektik merupakan proses pendinginan austenit pada komposisi : dan

terbentuk fase dari larutan padat dan cairan besi pada komposisi B 3 !itik trasnformasi dari besi V= besi , tranformasi A>9 3 !itik eutektik, terjadi pendinginan fase dengan komposisi + dan

!erbentuk sementit pada komposisi ;"K,KL'# dari fase cair pada komposisi 9.



53/175

;ase eutektik ini disebut ledeburit+ 3 !itik merupakan fasa berhubungan dengan reaksi eutektik dengan kelarutan

9 maksimum &,%>' dan paduan ini disebut Baja* 3 !itik tranformasi besi V= besi S

$ 3 !itik yang menyatakan fase ferit " fase W # yang berhubungan dengan reaksieutektoid dan kelarutan maksimum karbon "9# D,D&'

S 3 !itik eutektoid terjadi reaksi eutektoid dan disebut transformasi A% sedang faseyang terbentuk disebut pearlit. $roses ini merupakan pendinginan dari fase

ferit, austenit, sementit secara simultan.*S 3 merupakan garis hubungan temperatur dan komposisi dimana mulai terbentuk ferit dari austenit, disebut garis A +S 3 merupakan garis hubungan temperatur dan komposisi dimana mulai terbentuk sementit dari austenit ,disebut garis Acm.A% 3 !itik transformasi magnetik untuk ferit.AD 3 !itik tranformasi magnetik untuk sementit

Berdasarkan !iagram asa e-D Paduan Besi-Karbon dibedakan 3

a. Baja 3 adalah paduan besi dan karbon dengan kandungan karbon Y &,%=' b. Besi !uang "cast iron# 3 adalah paduan besi dan karbon dengan kandungan

karbon &,%=->,'c. Besi 2arbida 3 adalah paduan besi dan karbon dengan kandungan karbon >,-

K,KL'

0.* Pengaruh Unsur-Unsur Paduan !alam Baja

• Baja yang hanya mempunyai karbon tidak akan memiliki sifat seperti yangdiinginkan.

• $enambahan unsur-unsur paduan seperti Mn, i, 9r, Mo, 8, Z, dst baik masing-masing maupun secara kombinasi dapat menolong untuk mencapai sifat-sifatyang diinginkan.

2ekuatan dari suatu logam dapat ditentukan oleh unsur paduan dalam logam tersebutterutama unsur paduan yang paling dominan. nsur-unsur paduan yang dominan dalam

baja antara lain 3 9, Mn, $, S dan Si.

Karbon 4D5

2arbon merupakan paduan utama dan pengaruhnya sangat besar pada bajadengan membentuk karbida ;e9 6 sementit yang keras.

$enambahan karbon akan meningkatkan kekerasan dam kekuatan baja. !etapisifat elastisitas, kemampuan untuk di tempa, di las dan di mesin akan menurun.

Biasa berdampingan dengan Si, Mn, S dan $ sebagai akibat dari bijih dan proses pembuatannya.

2adar karbon tidak mempengaruhi kepada daya tahap korosi terhadap air, asammaupun gas.

#angan 4#n5



54/175

Berperan meningkatkan kekuatan dan kekerasan Menurunkan laju pendinginan kritik Meningkatkan ketahanan abrasi

Memperbaiki kualitas permukaan Mengikat Sulfur "S# sehingga memperkecil terbentuknya sulfide besi ";eS# yang

dapat menimbulkan rapuh panas "hot shortness#.

Posfor 4P5

$ada baja sangat merugikan, oleh karena itu pada baja kualitas tinggi selaludiusahakan maksimum 3D,D-D,DE'.

+ulfur 4+5

nsur belerang dapat menyebabkan baja menjadi getas, oleh karena itu hanyadiperkenankan kadarnya antara D,D&E-D,DD'.

+ilikon 4+i5

Seperti halnya Mn, Si ini selalu akan terdapat dalam baja, karena bijih besiselalu mengandung Mn dan Si

$ada baja maksimum D,E' Menaikkan sifat mekanik Menaikkan ketahanan terhadap larutan kimia "%>' S# tetapi sifatnya menjadi

kaku.

Krom 4Dr5

Membentuk karbida "tergantung jenis perlakuan dan kadarnyai# Meningkatkan temperatur austenisasi Meningkatkan ketahann korosi Meningkatkan mampu keras Meningkatkan kekuaatna dan kekerasan Meningkatkan ketahanan aus

#olibden 4#o5

Sangat besar pengaruhnya terhadap sifat mampu keras dibanding unsur lain Menaikkan kekuatan, kekerasan 1ikombinasikan dengan krom dan nikel akan menghasilkan titik luluh dan

kekuatan tarik yang tinggi Mempunyai kecenderungan yang tinggi untuk membentuk karbida Menurunkan kepekaaan terhadap temper embrittlement.

Manadium 4M5



55/175

Menaikkan titik luluh dan kekuatan $embentuk karbida yang kuat dan stabil $enambahan sedikit 8anadium menaikkan kekerasan pada tempertaur tinggi dan

mengurangi pertumbuhann butir.%ikel 4%i5

Menaikkan kekuatan Menaikkan ketangguhan Meningkatkan ketahanan korosi

9, Mn dan i merupakan unsur-unsur penyetabil austenite, Si, 9r, Mo,Z dan Almerupakan unsur-unsur penyetabil ferit, !i, b, 9r, Z, Mo, 8, !a, Cr merupakan unsur-unsur pembentuk karbida

$roses perlakuan panas yang berbeda akan menghasilkan struktur mikro yang berbeda pula. Struktur mikro yang akan ada pada baja akibat proses perlakuan panas adalah ferit,sementit, pearlit, bainit, martensit dan karbida.

erit

!erbentuk dari proses pendinginan yang lambat dari austenit "bajahypoeutectoid#

Bersifat lunak dan ulet Mempunyai kondukti7itas panas yang tinggi.

+ementit

Senyawa besi dan karbon ";e9# Bersifat keras $ada pendinginan lambat bentuknya lamellar.

Pearlit

9ampuran antara ferit dan sementit

$ada D,=' karbon perlit yang tebentuk berupa campuran ferit dan sementit yangtampak seperti pelat-pelat yang tersusun secara bergantian.

Bainit

Merupakan fasa yang kurang stabil "metastabil# 1iperolah dari austenit pada temperatur yang lebih dari temperatur transformasi

ke perlit dan lebih tinggi dari temperatur transformasi ke martensit asil transformasi berupa struktur yang terdiri dari ferit dan sementit "tetapi

bukan perlit#. 2ekerasan ber7ariasi tergantung pada temperatur transformasinya



56/175

:ika terbentuk pada temperatur yang relatif tinggi disebut upper bainit"strukturnya seperti perlit yang sangat halus#.

:ika terbentuk pada temperatur yang relatif rendah disebut lower bainit"strukturnya menyerupai martensit temper#.

#artensit

Merupakan fasa yang terbentuk akibat karbon larut lewat jenuh pada besi alfa !erjadi dengan pendinginan yang cepat Sel satuannya Body 9enter !etragonal "B9!# Atom karbon dianggap menggeser latis kubus menjadi tetragonal Makin tinggi konsentrasi karbon, makin banyak posisi interstisi yang terisi

sehingga efek tetragonalitasnya makin besar.

Karbida

nsur-unsur paduan banyak digunakan untuk baja-baja perkakas "misalnya hot7ork tool steel, old 7ork tool steel, )++5

Meningkatkan ketahanan aus dan memelihara kestabilan pada temperatur tinggi 2eberadaan unsur paduan pada baja akan menimbulkan terbentuknya karbida

seperti M9, M&9K, MK9, ML9 2arbida mempunyai kekerasan yang tinggi Banyaknya karbida yang terbentuk sangat dipengaruhi oleh persentase karbon

dan unsur paduan serta tergantung jenis karbida yang akan terbentuk.

Adanya perbedaan kecepatan pendinginan pada proses perlakuan panas menyebabkan perbedaan struktur mikro yang terjadi.

0.0 Baja Paduan dengan +ifat Khusus

1. Baja Tahan Karat 4 Stainless Steel 5

+ifatnya antara lain 3

• Memiliki daya tahan yang baik terhadap panas, karat dan goresan6gesekan• !ahan temperature rendah maupun tinggi• Memiliki kekuatan besar dengan massa yang kecil

• 2eras, liat, densitasnya besar dan permukaannya tahan aus• !ahan terhadap oksidasi• 2uat dan dapat ditempa• Mudah dibersihkan

• Mengkilat dan tampak menarik

2. High Strength Lo !lloy Steel 4)+"+5

Sifat dari S/A adalah memiliki tensile strength yang tinggi, anti bocor, tahan terhadapabrasi, mudah dibentuk, tahan terhadap korosi, ulet, sifat mampu mesin yang baik dan

sifat mampu las yang tinggi "weldability#. ntuk mendapatkan sifat-sifat di atas maka



57/175

baja ini diproses secara khusus dengan menambahkan unsur-unsur seperti3 tembaga"9u#, nikel "i#, 9hromium "9r#, Molybdenum "Mo#, 8anadium "8a# dan 9olumbium.

*. Baja Perkakas 4Tool Steel 5

Sifat-sifat yang harus dimiliki oleh baja perkakas adalah tahan pakai, tajam atau mudahdiasah, tahan panas, kuat dan ulet.2elompok dari tool steel berdasarkan unsur paduan dan proses pengerjaan panas yangdiberikan antara lain3

a. "ater hardening atau arbon tool steel "ditandai dengan tipe Z oleh A(S(#,+hok resisting "!ipe S#, memiliki sifat kuat dan ulet dan tahan terhadap bebankejut dan repeat loading. Banyak dipakai untuk pahat, palu dan pisau.

b. Dool 7ork tool steel, diperoleh dengan proses hardening dengan pendinginanyang berbeda-beda. !ipe ) dijelaskan dengan mendinginkan pada minyak sedangkan tipe A dan 1 didinginkan di udara.

c. )ot Nork +teel "tipe #, mula-mula dipanaskan hingga "DD 5 EDD# [9 dandidinginkan perlahan-lahan, karena baja ini banyak mengandung tungsten danmolybdenum sehingga sifatnya keras.

d. )igh speed steel "tipe ! dan M#, merupakan hasil paduan baja dengan tungstendan molybdenum tanpa dilunakkan. 1engan sifatnya yang tidak mudah tumpuldan tahan panas tetapi tidak tahan kejut.

e. 9ampuran carbon-tungsten "tipe ;#, sifatnya adalah keras tapi tidak tahan ausdan tidak cocok untuk beban dinamis serta untuk pemakaian pada temperatur tinggi.

Klasifikasi lain antara lain 3

a. #enurut penggunaannya3

• Baja konstruksi 4strutural steel5, mengandung karbon kurang dari D,L ' 9.• Baja perkakas 4tool steel5, mengandung karbon lebih dari D,L ' 9.

b. Baja dengan sifat fisik dan kimia khusus 3

• Baja tahan garam 4aid-resisting steel5• Baja tahan panas 4heat resistant steel5

• Baja tanpa sisik 4non saling steel5•

&letri steel

• #agneti steel

• %on magneti steel

• Baja tahan pakai 47ear resisting steel5• Baja tahan karat6korosi

1engan mengkombinasikan dua klasifikasi baja menurut kegunaan dan komposisi kimiamaka diperoleh lima kelompok baja yaitu 3

%. Baja karbon konstruksi 4arbon strutural steel5



58/175

2. Baja karbon perkakas 4arbon tool steel5*. Baja paduan

buku ajar pengetahuan bahan revisi

Documents