Download - Material Teknik Sementara-libre
Material Teknik Darmansyah., M.Si
Pusat Pengembangan Bahan Ajar Universitas Mercu Buana
‘12
1
UNIVERSITAS MERCU BUANA
FAKULTAS TEKNIK MESIN
MATA KULIAH : MATERIAL TEKNIK
MODUL 1 : PENGENALAN MATERIAL
DOSEN : DARMANSYAH, M.Si
1.1. Pendahuluan
Setiap orang yang bekerja di bidang teknik dalam aktifitasnya sehari-hari pasti
pernah terlibat dengan bidang yang dinamakan material. Apakah itu terlibat mulai dari
fase desain suatu produk ataupun sampai akhir terciptanya suatu produk tersebut.
Bagi sebagian pihak yang memiliki kepentingan dalam meningkatkan prestasi suatu
produk yang sedang didesain ataupun dipabrikasi, kepentingan terhadap peningkatan
mutu material adalah hal yang wajib. Bisa dilihat dalam pengembangan material pada
semua bidang keteknikan. Misalnya pada bidang elektrikal, orang berusaha untuk
mendapatkan suatu bahan material yang memiliki daya isolasi yang baik terhadap daya
hantar listrik dalam kondisi apapun. Di bidang sipil, orang berupaya untuk menemukan
material yang kuat secara struktur dan tahan terhadap dampak lingkungan dan korosi. Di
bidang perminyakan, orang berusaha untuk menciptakan pipa yang tahan terhadap
degradasi akibat lingkungan yang abrasif dan korosif. Di bidang otomotif, orang
berusaha untuk mendapatkan bahan-bahan yang ringan tetapi kuat. Di bidang
kedirganaraan, orang berupaya menemukan material yang tahan terhadap temperatur
tinggi tetapi memiliki bobot yang ringan.
Semua usaha tersebut di atas dilakukan diberbagai bidang kehidupan agar bisa
memenuhi kebutuhan yang semakin meningkat dari segi keamanan, kemudahan,
kepraktisan, penurunan harga barang dan biaya proses, dan akhirnya bisa menurunkan
harga jual produk. Tetapi hal ini tetap harus dipertimbangkan akan semakin langkanya
ketersediaan bahan baku di alam yang sulit dan lama untuk diperbaharui.
Tujuan dari mata kuliah material teknik ini adalah agar para mahasiwa dapat menjadi
lebih perhatian terhadap jenis-jenis material yang ada, mengerti akan sifat-sifat bahan
dan kemampuannya, dapat mengenali efek terhadap prestasi material yang ditimbulkan
oleh lingkungan sekitar dan kondisi kerja material tersebut.
Material Teknik Darmansyah., M.Si
Pusat Pengembangan Bahan Ajar Universitas Mercu Buana
‘12
2
1.2. Jenis-jenis Material
Material terbagi menjadi beberapa kelompok, diantaranya; baja, keramik,
polimer, semikonduktor, dan material komposit, (tabel 1-1).
Material dalam setiap kelompok tersebut sering memiliki perbedaan dalam hal sifat
dan strukturnya. Pada gambar 1-1 (a) dan (b) terlihat perbedaan dalam sifat daya hantar
listriknya dan kekuatannya.
Baja . Baja dan paduannya seperti alumunium, magnesium, zinc, cast iron, titanium,
copper, nickel dan masih banyak lagi turunannya, memiliki keunggulan yang umum
dalam sifat menghantarkan listrik, menghantarkan panas, memiliki kekuatan yang tinggi,
kekakuan yang tinggi, mudah dibentuk, dan tahan terhadap beban kejut. Bahan-bahan
Material Teknik Darmansyah., M.Si
Pusat Pengembangan Bahan Ajar Universitas Mercu Buana
‘12
3
ini biasa dipakai untuk aplikasi struktur dan pada pembebanan yang besar. Walaupun
baja murni adakalanya digunakan, tetapi kombinasi dari berbagai macam jenis baja yang
disebut baja paduan (alloy) biasanya sering dibuat (didesain) untuk memenuhi
kebutuhan akan peningkatan sifat-sifat material. Ilustrasi pada gambar 1-2 menunjukkan
Material Teknik Darmansyah., M.Si
Pusat Pengembangan Bahan Ajar Universitas Mercu Buana
‘12
4
penggunaan berbagai macam jenis baja paduan untuk aplikasi yang sangat kritis pada
mesin jet pesawat.
Keramik . Keramik seperti bata, gelas, peralatan rumah tangga, bahan-bahan yang
tahan panas, dan bahan-bahan yang abrasif (seperti amplas), memiliki sifat umum
sebagai penghantar panas dan listrik yang buruk dan sebagai konsekwensinya material
ini sering digunakan sebagai bahan penyekat panas dan listrik. Keramik memiliki sifat
kuat dan keras tetapi sangat getas. Saat ini sudah diaplikasikan teknik pemprosesan
keramik sehingga mampu untuk dipakai dalam pembebanan yang berat seperti aplikasi
impeler pada mesin turbin. Lihat gambar 1-3 di bawah ini.
Keramik memiliki kemampuan yang sangat baik dalam hal daya tahan terhadap panas,
tahan terhadap media yang bersifat korosif, memiliki beberapa sifat optik dan listrik yang
luar biasa yang digunakan pada kontruksi integrated circuit, sistem fiber-optic dan
beberapa varian peralatan sensor.
Polimer . Polimer meliputi karet, plastik dan berbagai macam bahan perekat. Bahan-
bahan ini diproduksi dengan cara membuat struktur molekul yang besar dari bahan
molekul organik. Proses ini dinamakan polymerization. Bahan polimer memiliki daya
Material Teknik Darmansyah., M.Si
Pusat Pengembangan Bahan Ajar Universitas Mercu Buana
‘12
5
hantar listrik dan panas yang rendah, kekuatan yang lemah, dan tidak cocok untuk
digunakan pada temperatur yang tinggi. Polimer ada dua jenis, yaitu polimer
termoplastik dan polimner termoseting. Polimer termoplastik adalah polimer yang
memiliki rantai molekul yang panjang dan tidak terhubung dengan kaku, oleh sebab itu
polimer jenis ini memiliki sifat mudah untuk dibentuk. Polimer termoseting merupakan
jenis polimer yang lebih kuat terapi lebih getas karena rantai molekulnya terikat secara
rapat; gambar 1-4. Saat ini polimer juga telah luas dipakai untuk peralatan elektronik.
(Gambar 1-5).
Semikonduktor . Material jenis ini memiliki sifat mampu untuk dikontrol tingkat daya
hantar listriknya. Kelebihan inilah yang membuat material semikonduktor digunakan
untuk berbagai jenis peralatan elektronik seperti transistor, dioda, resistor dan sirkut
terintegrasi (integrated circuit), gambar 1-6. Bahkan saat ini apa yang dinamakan sistem
fiber optik sejatinya adalah fungsi dari sifat material semikonduktor yang mampu untuk
mengubah sinyal listrik menjadi cahaya, begitu juga sebaliknya.
Komposit . Komposit adalah material yang dibentuk dari dua atau lebih material. Hal
ini dilakukan agar mampu melahirkan sifat-sifat material yang baru, di mana sifat-sifat
material kombinasi tersebut tidak bisa ditemui pada material aslinya. Contoh yang paling
Material Teknik Darmansyah., M.Si
Pusat Pengembangan Bahan Ajar Universitas Mercu Buana
‘12
6
umum dikenal seperti beton, plywood, dan fiber glass serta masih banyak lagi (gambar
1-7).
Dengan material komposit kita bisa menghasilkan material dengan sifat ringan, kuat,
mudah dibentuk, serta tahan panas. Perkembangan komposit saat ini sudah sangat
pesat hingga mampu untuk membuat industri pesawat terbang dan pesawat luar
angkasa mengandalkan material ini bagi segala keperluaannya. Salah satu jenis
komposit di industri pesawat yang memakai bahan ini adalah polimer berbahan dasar
carbon fiber reinforce (gambar 1-8.).
Material Teknik Darmansyah., M.Si
Pusat Pengembangan Bahan Ajar Universitas Mercu Buana
‘12
7
1.3. Hubungan antara Struktur, Sifat Material dan Proses
Saat ini sangat dituntut diberbagai peralatan yang menunjang aktifitas kehidupan
memiliki kemampuan yang maksimal; baik itu dari sifatnya, bentuknya dan daya
tahannya. Usaha untuk mewujudkan hal tersebut hanya bisa dicapai bila hubungan antar
sifat material, struktur material serta proses material itu dibuat saling mendukung.
(Gambar 1-9).
Material Teknik Darmansyah., M.Si
Pusat Pengembangan Bahan Ajar Universitas Mercu Buana
‘12
8
Ketika salah satu unsur pendukung tersebut ditubah maka unsur yang lain juga
berubah. Oleh sebab itu kepentingan pengetahuan material teknik adalah untuk
menemukan saling ketergantungan yang optimal antar ketiga unsur tersebut agar dapat
menemukan hasil produk akhir yang baik.
Sifat Material`( properties). Sifat material dapat dibagi menjadi dua bagian besar
yaitu sifat mekanik dan sifat fisik (tabel 1-2).
Sifat mekanik menjelaskan bagaiman suatu material dapat memberikan reaksi
terhadap gaya atau beban luar yang diberikan. Sifat mekanik yang sangat umum dikenal
diantaranya yaitu; kekuatan, mampu bentuk, dan kekakuan. Pengertian sifat - sifat
mekanik pada material lebih mudah diartikan dengan beberapa perilaku material bila
misalnya mendapatkan beban kejut, beban impak, kelelahan material akibat lamanya
intensitas beban yang diberikan, perubahan fisik akibat terekspos pada suhu yang tinggi,
ataupun terjadinya perubahan sifat akibat mendapatkan kondisi lingkungan yang abrasif.
Sifat mekanik material juga menentukan dengan cara apa yang paling mudah suatu
material tersebut dapat dibentuk untuk memenuhi suatu bentuk geometri yang
diinginkan. Sebagai contoh adalah sebuah komponen yang terbuat dari baja dengan
Material Teknik Darmansyah., M.Si
Pusat Pengembangan Bahan Ajar Universitas Mercu Buana
‘12
9
proses penempaan (forging) haruslah tahan terhadap tekanan yang tinggi tanpa terjadi
kerusakan dan harus dapat dibentuk dengan mudah untuk mendapatkan bentuk yang
sesuai. Seringkali, sedikit perubahan struktur dapat memiliki perubahan yang besar
terhadap sifat mekanik dari suatu material.
Sifat fisik adalah sifat yang tergantung dari struktur seperti apa dan proses
bagaimana suatu material itu dibuat. Di antara sifat fisik tersebut adalah sifat listrik,
magnetik, optik, panas, elastik dan kimia. Salah satu contoh dari ketergantungan itu
adalah bila terjadi perubahan yang sangat kecil pada komposisi material (struktur) pada
material semikonduktor maka dapat menyebabkan perubahan yang amat besar
terhadap daya hantar listriknya. Contoh lainnya adalah bila pada bata keramik
ditembakkan api yang sangat panas maka akan memberikan efek penurunan yang
besar terhadap daya tahan panasnya, begitu juga bila terjadi sedikit ketakmurnian
material gelas atau polimer maka akan menyebabkan perubahan warna pada material
tersebut.
Struktur . Struktur dari material terdiri dari beberapa level, di mana satu sama lain
mempengaruhi perilaku atau sifat dari produk akhirnya, (gambar 1-10). Level-level
tersebut dimulai dari tingkat struktur atom, struktur kristal, struktur butir, serta struktur
multi fasa.Tingkatan level yang paling tinggi adalah level struktur atom yang menyusun
material tersebut.
Material Teknik Darmansyah., M.Si
Pusat Pengembangan Bahan Ajar Universitas Mercu Buana
‘12
10
Susunan elektron di sekitar inti atom sangat mempengaruhi perilaku dari daya listrik,
magnetik, daya hantar panas, dan optik serta dapat mempengaruhi daya tahan terhadap
korosi. Selanjutnya susunan elektron juga mempengaruhi bagaimana atom-atom
tersebut terikat satu sama lain dan akhirnya bisa menentukan tipe-tipe material tersebut,
apakah bertipe keramik, metal, polymer, ataupun semikonduktor.
Struktur berikutnya adalah struktur kristal, maksud struktur ini adalah susunan atom
pada ruangnya. Struktur kristal yang memiliki susunan atom yang sangat teratur ini
banyak ditemui pada material metal, semikonduktor, sebagian keramik dan beberapa
jenis polimer. Sedangkan sebagian jenis material keramik lainnya dan kebanyakan jenis
polimer memiliki struktur amourpous atau seperti kaca / bening. Struktur amourpous ini
memiliki susunan atom yang tidak teratur dan sangat berbeda perilakunya dengan
material berstruktur kristal. Sebagai contoh bila pada material polyethylene yang bersifat
glassy maka material ini bersifat transparan (seluruh berkas cahaya menembus bidang
kaca), tetapi bila pada material polyethylene yang kristal maka material ini bersifat
translucent (sebagian cahaya dibiaskan).
Struktur butir. Struktur ini adalah struktur yang paling banyak ditemui pada metal,
semikonduktor, keramik dan ada kalanya pada polimer. Ukuran butir dan bentuknya
sangat memainkan peran pada tingkatan ini. Pada beberapa kasus seperti chip silicon
untuk membuat IC diperlukan material yang hanya berisi satu butir ataupun kristal
tunggal.
Struktur selanjutnya adalah struktur multi fasa. Struktur ini ditemui di hampir seluruh
jenis material, DI mana pada setiap fasanya memiliki susunan atom dan sifat yang unik.
Pengontrolan terhadap jenis, ukuran, distribusi dan jumlah fasa dalam unsur utama
suatu material juga mengakibatkan perlunya tambahan cara untuk mengatur sifat
material tersebut.
Proses. Pengertian proses dalam teknik material adalah memproses suatu material
menjadi suatu bentuk yang diinginkan dari bentuk dasarnya yang tidak mempunyai
bentuk dan fungsi yang jelas (tabel 1-3). Berbagai macam jenis proses material menjadi
sesuatu yang bermanfaat sangatlah banyak, mulai dari proses peleburan, pengecoran,
penempaan, pembentukan, penyambungan, permesinan sampai proses perakitan dan
pelapisan permukaan (cat). Seringkali berbagai jenis material digunakan pada saat
pemprosesan suatu produk akhir komponen. Sebagai contoh bisa dijelaskan sebagai
berikut bila pada suatu proses yang dinamakan evaporative pattern casting untuk
memproses pembuatan cetakan alumunium (gambar 1-11).
Material Teknik Darmansyah., M.Si
Pusat Pengembangan Bahan Ajar Universitas Mercu Buana
‘12
11
1.4. Pengaruh Lingkungan Terhadap Perilaku Material
Hubungan antara struktur, sifat dan prosses juga dipengaruhi oleh lingkungan sekitar
di mana material tersebut diperlakukan. Beberapa kategori yang disebut sebagai
lingkungan adalah; suhu, korosi dan radiasi.
Suhu . Perubahan suhu secara drastis dapat mengubah sifat-sifat dari material
(gambar 1-12). Kekuatan dari sebagian besar material akan turun bila suhu dinaikkan.
Selanjutnya suatu kondisi yang sangat buruk dapat secara tiba – tiba terjadi pada
material bila ditempatkan pada temperatur yang melebihi titik kritisnya. Material yang
telah diperkuat dengan mendapatkan suatu perlakuan panas atau pada sebuah teknik
pembentukan bisa saja secara mendadak kehilangan kekuatannya bila dipanaskan
lanjut. Temperatur yang sangat rendah pun dapat menyebabkan material baja menjadi
rapuh walaupun hanya diberikan beban yang ringan. Temperatur tinggi pun dapat
menyebabkan perubahan struktur pada keramik dan menyebabkan material polimer
mencair atau menjadi hangus.
Material Teknik Darmansyah., M.Si
Pusat Pengembangan Bahan Ajar Universitas Mercu Buana
‘12
12
Saat ini teknologi untuk membuat material menjadi semakin tahan terhadap
pengaruh panas semakin marak seiring dengan tuntutan pasar seperti pada pesawat
ataupun kendaraan luar angkasa (gambar 1-13). Pada aplikasi pesawat terbang,
pengaruh peningkatan suhu permukaan yang diakibatkan oleh gesekan permukaan
dengan udara sangatlah kentara dan sebagai tambahan atas kondisi ini adalah mesin
akan beroperasi dengan effisien (hemat BBM) pada suhu yang tinggi. Untuk menjawab
tantangan agar mendapatkan kecepatan yang tinggi dengan menggunakan bahan bakar
yang hemat maka penemuan terhadap material yang tahan panas terhadap suhu
permukaan dan suhu mesin secara bertahap ditemukan.
Korosi. Sebagian besar metal dan polimer bereaksi terhadap oksigen atau gas
lainnya terutama pada temperatur tinggi. Metal dan keramik dapat hancur pada kondisi
Material Teknik Darmansyah., M.Si
Pusat Pengembangan Bahan Ajar Universitas Mercu Buana
‘12
13
ini, sedangkan material polimer akan menjadi getas atau rapuh (gambar 1-14). Material
juga bisa diserang oleh berbagai macam cairan yang korosif. Metal bisa mendapatkan
serangan korosi secara seragam atau secara selektif dalam bentuk munculnya celah
atau lubang yang mengkibatkan kegagalan prematur (gambar 1-15). Saat ini telah
banyak dikembangkan teknologi pelapis yang dapat melindungi material dari pengaruh
korosi.
Material Teknik Darmansyah., M.Si
Pusat Pengembangan Bahan Ajar Universitas Mercu Buana
‘12
14
Radiasi. Radiasi energi tinggi, seperti neutron yang dihasilkan pada reaktor nuklir,
dapat mempengaruhi struktur internal dari seluruh material serta dapat menghasilkan
kehilangan kekuatan, kegetasan, ataupun perubahan yang kritis dari sifat – sifat fisis.
Selain itu juga dimensi dari suatu material juga dapat berubah seperti terjadinya
pembengkakan atau bahkan terjadinya retak.
Material Teknik Darmansyah., M.Si
Pusat Pengembangan Bahan Ajar Universitas Mercu Buana
‘12
15
1.5. Pemilihan Material
Pemilihan material untuk berbagai macam aplikasi pada awalnya sangat tergantung
kepada suatu proses yang dinamakan pemilihan material. Pemilihan ini biasanya
didasari oleh beberapa persyaratan yang harus dilewati, diantaranya :
1. Material tersebut harus mampu memenuhi persyaratan fisik dan mekanik.
2. Material tersebut mudah untuk dibentuk ataupun dipabrikasi.
3. Material yang dapat diproses tersebut haruslah memiliki nilai ekonomis.
Referensi :
1. Askeland, Donald R. :“The Science and Engineering of Materials”, 2nd edition, PWS-KENT Publishing Company Boston, 1989.