Diktat Pemilihan Bahan Dan Proses, by Godlief

   

Diktat

   

 

 

  PEMIILIHAN BAH HAN DAN PR ROSES  

 

                 

Oleh :

GODLIEF HERYSON

Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik

Universitas Nusa Cendana Kupang

Daftar Isi 

    Topik  KATA PENGANTAR JURUSAN    KATA PENGANTAR PENULIS    1. PENGANTAR  MATERIAL  TEKNIK    Pendahuluan,  Sejarah  Perkembangan,  Sifat‐sifat  Material  Teknik, Klasifikasi Material Teknik, Logam Besi,Logam Bukan  Besi, Karakterisasi Material, Konsep Struktur.   2. KEGAGALAN  MATERIAL    Pendahuluan,  Kegagalan  Akibat  Beban  Statis,  Kegagalan  Akibat  Beban  fatik,  Stress‐Life,  Diagram  S‐N,  Faktor‐faktor  Modifikasi,  Temperatur,  Lingkungan  Kerja,  Kasus  Kegagalan  Material.  3. LOGAM DAN PADUAN    Pendahuluan,  Baja  Tahan  Karat,  Pengaruh  Unsur  Paduan  pada Baja Tahan Karat Austenitik, Pengaruh Perlakuan Panas  pada Baja Tahan Karat.   4. POLIMER    Pendahuluan,  Struktur  Polimer,  Berat  Molekul  Polimer,  Bahan  Tambahan,  Proses  Pencampuran  Polimer,  Faktor‐ faktor Pemilihan, Sifat Mekanik, Aplikasi Polimer   5. KERAMIK      6. KOMPOSIT    Sejarah  Komposit,  Komposit  dan  Paduan,  Konsep  Dasar,  Klasifikasi Komposit, Komposit Partikel, Komposit Serat (KS),  Komposit  Struktur/Laminat  (KSL),  Phasa  Pembentuk  Komposit, Perilaku Umum dan Unsur Komposit               

 

hal  i    ii    1   

20   

45   

54   

74    80   

 

KATA PENGANTAR     

Puji syukur kehadirat Allah SWT dengan rahmatnya penulis diberi kesehatan dan 

waktu  sehingga  terselesainya  penulisan  Diktat  tentang  material  teknik    yang    kiranya  menjadi  bahan  ajar  untuk  mata  kuliah  Pemilihan  Bahan  dan  Proses  dan  juga  Material  Teknik.   

Diktat ini berisi uraian‐uraian yang mudah difahami dengan contoh contoh yang 

simpel dan mudah untuk dimengerti mengenai  jenis‐jenis material, cara‐cara pemilihan  material  yang  sesuai  dengan  fungsinya  sehingga  pemanfaatannya  maksimal.  Diktat  ini  juga mebahas cara fabrikasi material‐material tersebut.    

Atas  terselesainya  Diktat  ini  penulis  mengucapkan  terima  kasih  kepada  Bapak 

Zulmiardi,  ST.  MT.,  selaku  Ketua  Jurusan  Teknik  atas  dukungan  dan  arahannya  untuk  meningkatkan  mutu  penulisan  buku  ini.  Demikian  juga  kepada  Bapak  Zulfikar,  ST.  MT.,  dan  Maya  yang  telah  banyak  membantu  dalam  proses  editing  diktat  ini.  Sebagai  karya  manusia sudah tentu beberapa kekurang akan ditemui pada diktat ini. Untuk itu, penulis  mohon saran‐saran dari rekan‐rekan dosen demi kesempurnaan penulisan ini. Wassalam    Penulis.  Godlief   Heryson 

KATA SAMBUTAN Dalam rangka peningkatan mutu Perguruan Tinggi sesuai dengan Misi Visi Pendidikan Nasional salah satunya adalah penerapan Kurikulum Berbasis kompentensi dimana diharapkan mutu lulusan akan lebih berdaya guna dan memenuhi keinginan stake holders. Untuk ini membutuhkan bacaan-bacaan yang beri bahan-bahan kuliah yang bermanfaat dan sesuai dengan perkembangan ilmu pengetahuan terbaru (up to date) sehingga mahasiswa tidak ketinggalan dalam wawasan keilmuan yang mereka pelajari. Dalam ilmu material teknik, ada suatu kecenderungan perkembangan ke depan bahan konvensional mulai ditinggalkan dan sebagai gantinya bahan non konvensional seperti polimer dan komposit sangat mejnanjikan karena keunggulannya. Dengan adanya Diktat yang berjudul Pemilihan Bahan dan Proses ini kami dari Jurusan Teknik Mesin sangat mendukung dan kiranya dapat dimanfaatkan oleh mahasiswa di Jurusan Teknik Mesin Unimal, khususnya yang mengambil mata kuliah Pemilihan Bahan dan Proses khususnya dan yang mengikuti mata kuliah yang berhubungan dengan Material Teknik umumnya. Demikian kata sambutan dari kami semoga bermanfaat adanya

Penyusun

Godlief Heryson Adoe

 

     

1 

 

1 PENGANTAR MATERIAL TEKNIK Pendahuluan  Pemilihan  dan  penggunaan  suatu  bahan  dalam  dunia  keteknikan,  terlebih  dahulu  dilakukan  analisis  terhadap  bahan  tersebut.  Proses  pemilihan  membutuhkan  informasi  tentang  sifat‐sifat  bahan  tersebut.  Pengetahuan  mengenai  jenis‐jenis  dan  sifat‐sifat  bahan  merupakan  pengetahuan  dasar  yang  harus  dimiliki  bagi  seorang  perencana  di  bidang  teknik  mesin.  Dengan  pengetahuan  ini,  perencana  akan  dapat  memperlakukan  bahan‐bahan yang digunakan sesuai dengan kondisi yang dipersyaratkan sehingga dapat  menghindari  penggunaan  yang  berbahaya.  Selain  itu,  perencana  juga  dapat  merekomendasikan  bahan  alternatif  jika  memang  dibutuhkan  atau  untuk  peningkatan  kekuatan misalnya.  Seorang  perencana  di  bidang  teknik  mesin  dituntut  untuk  mampu  memilih  bahan  yang  paling  sesuai  untuk  suatu  kebutuhan  yang  khusus.  Selain  itu  seorang  perencana  teknik  mesin  juga  harus  mempertimbangkan  pula  aspek‐aspek  di  luar  aspek  teknologi,  misalnya aspek  ekonomi. 

 

 

Sejarah Perkembangan Bahan  Sejarah  perkembangan  bahan  sama  halnya  dengan  sejarah  peradaban  manusia.  Sejarah  perkembangan  bahan  dapat  dibagi  3  era  yaitu  era  zaman  batu,  era  zaman  perunggu dan era zaman besi. Setiap era tersebut  melambangkan bahan‐bahan populer  yang digunakan di masing‐masing zaman tersebut.  Kemampuan  pemanfaatan  api  manandai  perobahan  era/zaman  tersebut.  Semakin  tinggi  suhu  dari  pemanfaatan  api  semakin  maju  teknik  pengolahan  bahan  tersebut  .  Untuk saat ini dan kedepan adalah era komposit dan polimer. 

Sifat­sifat Material Teknik/Bahan  Sifat‐sifat  material  teknik  dapat  dikatagorikan  kedalam  beberapa  kelompok,  yaitu  ;  sifat mekanis, sifat fisis, dan sifat kimia. Sifat‐sifat mekanis merupakan sifat teknik yang  paling  penting.  

Sifat mekanis   Sifat mekanis sangat penting diketahui dalam merancang suatu peralatan atau mesin  atau  dalam  perhitungan  konstruksi.  Informasi  mengenai  spesifikasi  bahan  teknik  dapat  dilakukan  dengan  uji  tarik  dengan  menggunakan  alat  uji  tarik  (tensile  test  machine)  seperti diperlihatkan pada gambar 1.1.    Informasi  yang  diperoleh  dari  uji  tarik  adalah  kekuatan  tarik  (Mpa),  perpanjangan  (mm  atau  %),  reduksi  penampang  (mm),  modulus  elastis/kekuatan  (Mpa),  modulus   (Mpa),  keuletan  bahan/impak  (J/m).  Sementara  itu,  kekerasan  dan  tahan  gores  dapat 

 

2 

3 

 

diuji dengan alat uji kekerasan brinnel hardness test, rockwell hardness test, atau vicker  hardness test.  Pengujian  Tarik  dilakukan  dengan  pemberian  beban  aksial  secara  berangsur‐angsur  dan kontinu sampai spesimen material  yang di uji putus. Pengukuran besaran tegangan  (σ)  dan  regangan  (ε)  diperoleh  dalam  diagram  HOOK  (gbr.1.3).  Kurva  Tegangan  vs  Regangan  menunjukkan  hubungan  antara  tegangan  akibat  tarikan  dengan  terjadinya  regangan pada spesimen uji.                                         

  Gambar 1.1   Alat uji tarik dan contoh spesimen uji tarik  (ASTM M 40)  Kurva  tegangan‐regangan  menunjukkan  hubungan  antara  tegangan  akibat  tarikan  dengan terjadinya regangan pada spesimen uji.  

 

4 

 

σ ε2 

σ

1 

ε

ε   

Gambar 1.2  Kurva tegangan regangan  Pada  umunya,  bahan‐bahan  yang  kaku  akan  menunjukkan  kurva  seperti  gambar  Alignment  dimana  daerah  plastis  tidak  jelas.    Sedangkan  kurva  untuk  baja  logam  akan  diperoleh  seperti  pada  gambar  B  dimana  daerah  plastis  tampak.  Dari  titik  0  ke  1  merupakan  daerah  elastis,  dimana  terjadi  pemanjangan  bila  tegangan  diberikan  dan  aakan kembali ke keadaan semula bila tegangan dihilangkan. Dari titik 1 ke 2 merupakan  daerah  plastis,  dimana  perpanjnagn  batang  tidak  kembali  ke  keadaan  semula  bila  tegangan  dihilangkan.  Namun,  batang  akan  memendek  dari  panjang  ketika  ada  pembenahan/tarikan dan diameter akan mengecil. Kurva dari titik 2 ke 3, perpanjangan  terjadi  dengan  cepat  dan  pemanjangan  akan  terus  terjadi  serta  pengecilan  diameter  secara  drastis  walaupun  tegangan  dikurangkan.  Bila  beban  ditiadakan,  panjang  batang/spesimen  akan  tetap.  Dan  jika  pembebanan  diteruskan  maka  batang  akhirnya  akan patah.   Diantara sifat mekanis yang terpenting adalah tegangan tarik (σ), modulus elastis (E)  dan  regangan/  pemanjangan  (ε).  Ketiga  sifat  ini  dapat  ditentukan  dengan  persamaan  dibawah ini.  

 

5 

 

 

P σ = 1 A

( MPa )  

σ E= ε

ε=

(MPa )  

L −L 1 0 L

X 100%  

0

Sifat Fisis   Sifat‐sifat yang dikatagorikan sifat fisis diantaranya berat jenis, titik lebur, titik didih,  titik  beku,  kalor  lebur,  kalor  beku,  perubahan  volume,  bentuk  dan  panjang  terhadap  perubahan temperatur. 

Sifat Kimia   Sifat  kimia  meliputi  reaksi  antara  logam  dengan  oksigen  di  udara  (pengkaratan),  kadar bahan beracun, kemungkinan bereaksi dengan garam, asam dan basa. 

Klasifikasi Material Teknik (Bahan Struktur):  Secara  garis  besar  ,  material  teknik  dapat  diklasifikasikan  pada    4  kategori,  yaitu  :  logam, polimer, keramik dan komposit seperti diperlihatkan pada gambar 1.3. Sedangkan  secara  lebih  rinci,  material  teknik  dapat  diklasifikasikan  seperti  diperlihatkan  pada  gambar 1.3.  BAHAN STRUKTUR

      LOGAM  

POLIMER

KERAMIKS

Konvensional Rekayasa Teknologi

  Gambar. 1.3. Klasifikasi bahan struktur   

 

KOMPOSIT

6 

 

Material Teknik

   

Logam

Bukan Logam

  Polimer/Bahan Sintetis

Bahan Alami

Baja Tuang

Termoplastisti

Batu

Besi Tuang

Termoseting

Minyak

Paduan Besi

Elastomers

Kaca

  Logam Besi      

Bukan Besi

  Logam Ringan  

Logam Ringan

  Logam Murni

Logam Murni Aluminium, perunggu, beryllium.

  PADUAN

PADUAN Anti corotal, alumna, avional

Timah putih, seng   timah hitam, nikel tembaga, wolfram   dll.

Kuningan, Patri   perunggu

Logam Mulia

™ Termoplastik:  Poliertilen  (PE),  Polipropilen  (PP),  Polistiren  (PS),  Polivinil  Klorida  (PVC),  Poliamida  (PA),  Poli‐ karbonat  (PCO),  Poliester/  Polietilen  treftalat (PET).  ™ Termoset:  Resin:  Fenol,  Epoksi,  Melamin. Poliester tak Jenuh, Poliuretan.  ™ Elastomer:       Karet Alam 

Gambar. 1.4. Klasifikasi Material Teknik 

Logam Besi  (Ferrous)  Besi  dan  baja    adalah  logam  terbanyak  yang  digunakan  dalam  bidang  teknik,  yaitu  95%  produksi  logam  dunia.  Untuk  penggunaan  tertentu,  besi  dan  baja    adalah    satu‐ satunya  logam  yang  memenuhi  persyaratan  teknis  maupun  ekonomi.    Dalam  beberapa  bidang  tertentu,    besi  dan  baja  mulai  mendapat  persaingan  dari  logam  bukan  besi  dan  bahan bukan logam Khususnya bahan komposit. 

 

7 

 

Penggolongan  logam  besi  tergantung  komposisikimia  penyususunnya,  khususnya  kadar  karbon.  Kadar  karbon  yang  dimiliki  oleh  suatu  logam  mempengaruhi  sifat‐sifat  mekanis/fisis besi tersebut. Jenis‐jenis besi menurut prosentase kadar carbon diberikan  di bawah ini.  Pembuatan baja  diperkenalkan Sir Henry Bessemer (Inggris)  pada tahun  1800.atau  terkenal dengan dapur Bessenger.    Pembuatan  besi  mampu  tempa    diperkenalkan  Wiliam  Kelly  (Amerika)  pada    tahun   1800, bahan utamanya adalah besi dengan paduannya. Diolah melalui proses peleburan  pada  tanur  tinggi    dengan  menambahkan  kokas  dan  gamping  (batu  kapur)  sehingga  diperoleh hasil akhir berupa besi kasar.  Bijih  besi  yang  paling  banyak  digunakan  adalah  jenis  hematif  (Fe2O3)  yang  banyak  ditambang di Cina. Jenis hematif mempunyai  kadar besinya yang tinggi sedangkan kadar  kotorannya relatif rendah. 

  Gambar 1.5    tungku oxigem (oxygen furnace) yang dipakai untuk poduksi baja.   

 

 

Logam Bukan Besi  Logan bukan besi diproduksi mencapai  20% dari logam produk industri. Umumnya,  logam  bukan  besi  lemah.  Oleh  karena  itu,  pencampuran  dengan  logam  lain  dan  membentuk paduan perlu dilakukan untuk meningkatkan kekuatannya.  

Paduan (alloy)  Paduan  (alloy)  adalah  komposisi  lebih  dari  satu  elemen  .  Ilmu  teknik  paduan  (engineering  alloy)  meliputi  cast‐irons  dan  baja,  paduan  aluminium  (alluminium  alloy),  paduan  magnesium  (magnesium  alloy),  paduan  titanium  (titanium  alloy),  paduan  nikel  (nickel  alloy),paduan  seng  (zinc  alloys)  dan  paduan  tembaga  (copper  alloys).  Sebagai  contoh adalah kuningan menrupakan paduan dari kuningan dan tembaga.      

Sifat  Secara umum, logam bukan besi memiliki sifat tahan korosi, daya hantar listrik baik  dan  mudah  dibentuk.  Biasanya,  kemmapuan  tahan  korosi  ini  semakin  baik  dengan  semakin  berat  massa  jenisnya,  kecuali  aluminium.  Pada  permukaan  terbentuk  lapisan  oksida yang akan melindungi logam dari korosi selanjutnya. Logam bukan besi memiliki  warna sehingga menambah estetik, seperti perak, kuning, abu‐abu dll. 

Pengolahan  Logam  bukan  besi  tidak  ditemukan  sebagai  logam  murni  di  alam  bebas  tapi  terikat  sebagai  oksida  dengan  kotoran‐kotoran  dan  membentuk  bijih‐bijih.    Untuk  itu  perlu  dilakukan  pengolahan  yang  meliputi  beberapa  tahap,  yaitu  tahap  penghalusan  mineral,  tahap pencucian, tahap pemisahan antara logam dan kotoran serta  tahap peleburan. 

 

8 

 

Proses  peleburan  dilakukan  pada    tanur  tinggi  atau  dapur  reverberasi.  Pada  dapur  jenis  ini,  bahan  bakar  kokas  dicampur  dengan  bijih  untuk  mempercepat  proses  pembakaran  dan  pencampuran  dengan  fluks  dapat  meningkatkan  kemurnian  logam  serta mengurangi viskositas terak. Ukuran kokas dan bijih lebih besar dari 1 cm dan tidak  akan terbawa keluar oleh hembusan udara.  

Karakterisasi Material     Perbedaan  karakterisasi  terhadap  suatu  material  sangat  dipengaruhi  oleh  latar  keilmuan  dari  pengguna.  Konsep  ini  bagi  seorang  ilmuan  yang  berfikir  material  dalam  konteks atom‐atom (mikroskopik) berbeda halnya dengan  seorang insinyur proses yang  cenderung  memikirkan  sifat‐sifat,  proses  dan  jaminan  mutu  dari  material  tersebut.  Berbeda  pula  dengan  definisi  dari  seorang  insinyur  mesin  yang  lebih  terfokus  pada  distribusi tegangan dan perpindahan panas. Definsi yang diambil dari ASM‐International  Materials  Characterization  Handbook  adalah  sebagai  berikut  “  Karakterissasi  menjelaskan  tentang  komposisi  dan  struktur  termasuk  kerusakan  dari  suatu  material  yang  penting  suatu  perlakukan  khusus,  mempelajari  sifat‐sifat,  atau  menggunakannya  dan untuk memenuhi reproduksi material.  

Suatu  komponen  penting  dari  metodologi  teknik  material  adalah  pengetahuan  struktur  material.  Struktur    khas  dapat  dilihat  dengan  menggunakan  suatu  miskroskop  optic    atau  mikroskrop  elektro  baik  transmission  electron  microscope  (TEM)  atau  scanning  electron  microscope  (SEM).  Transmission  electron  microscope  (TEM)  adalah  miskroskop elektro yang pencitraan oleh elektron‐elektron yang melalui suatu specimen 

 

9 

10

 

yang  tipiss  sedangkan  scanning  eleectron  microscope  (SEM)  adalah  pencitraan  denggan  pengempu ulan  elektro‐eelektro  yang  dipancarkan n  dari  permukkaan  materiaal  yang  diamaati.  Gambar yang diperoleh dari pencitraan miskrosskop elektron dapat  dilihaat pada gamb bar  1.6.  

  mbar 1.6 Hasil SEM Dendritte  Gam

Prinsip p pengoperassian miskroskkop optic sam ma halnya den ngan SEM ataau TEM, kecu uali  sumber caahaya (light ssource) untukk suatu miskro oskop electro on adalah seb buah penemb bak  electron  (electron  gu un),sedangkan n  untuk  elektromagnetikk  adalah  len nsa  yang  tid dak  d optical‐g grade  glass.  Miskroskop  electron  meembutuhkan  sebuah  ruaang  terbuat  dari  hampa  (vaacuum  colum mn)  karena  elektro‐elektro on  mudah  beerinteraksi  deengan  molekkul‐ molekul udara dan akan mudah diseerap.   

  Gambarr 1.7  Hasil SEM M pada sebuah IC 

 

11

 

 Gamb bar  1.7,  sebu uan  mikrograf  scanning  electron  dari  suatu  wilayah  peraltan  dari  sebuah  in ntegrated  cirrcuit.  Warna  putih  menu unjukkan  jalu ur  metalisasi..  Pada  gamb bar  tersebut,  kita  dapat  melihat  m dengaan  normal  peermukaan  siliccon  wafer  daan  jalur  koneksi  yang terbe entuk. Gambaar 1.8, juga m memperlihatkan penampan ng jalur metal pada suatu IC.  

 

 

 

 

Gam mbar 1.8. Penaampang jalur metal dengan SEM pada IC 

  Gm mabar 1.9  Fo oto Pelapisan TiC pada graphite dengan n menggunakan SEM 

 

12 

 

Konsep Struktur  Struktur  suatu  material  dapat  dibagi  menjadi  empat  tingkatan,  yaitu  struktur  atom  (atomic structure), susunan atom (atomic arrangement), mikrostruktur (microstructure),  dan makrosruktur (macrostructure). 

  Gambar 1.10 koordinat polihedra pada IC    Meskipun penekanan utama bagi insinyur material untuk memahami dan mengatur  mikrostruktur  dan  makro‐struktur  berbagai  material,  namun  pengetahuan  tentang  struktur‐struktur atom dan kristal terlebih dahulu harus dipahami.   Struktur  atom  mempengaruhi  bentuk  ikatan  yang  terbentuk  sesama  atom.  Dengan  bentuk  ikatan  atom,  kita  dapat  mengkatagorikan  material  tersebut  sebagai  logam,  keramik, dan polimer dan kita dapat mendapatkan gambaran beberapa hal penting dari  sifat‐sifat makanik dan fisik dalam ketiga kelas tersebut. 

This first image shows the coordination polyhedra for a superconductor material as  shown  on  the  fig.  1.10.  It  represents  the  basic  repeat  unit  that,  when  aggregated  with 

 

13 

 

about 10^20 similar units, will create a monolith of the superconductor somewhat less in  size than one cubic centimeter. The crystalline unit cell is one aspect of structure that the  materials  engineer  must  understand  to  produce  functional  superconductor  devices.  However, there are other aspects of a material's structure that too must be considered.  The purpose of this web page is to introduce the reader to the concept of structure. 

Let  us  begin  our  discussion  of  structure  by  first  considering  the  crystal  structure  of  perovskites. Perovskites are a large family of crystalline ceramics that derive their name  from a specific mineral known as perovskite.  

 

 

 

 

Fig. 1.11 amethyst 

They are the most abundant minerals on earth and have been of continuing interest  to  geologists  for  the  clues  they  hold  to  the  planet's  history.  The  parent  material,  perovskite, was first described in the 1830's by the geoologist Gustav Rose, who named it  after the famous Russian mineralogist Count Lev Aleksevich von Perovski. Currently, the  most  intensely  studied  perovskites  are  those  that  superconduct  at  liquid  nitrogen  temperatures.  Superconducting  perovskites  were  first  discovered  by  IBM  researchers  Bednorz  and  Mueller  who  were  examining  the  electrical  properties  of  a  family  of 

 

 

materials  in  the  Ba‐La‐Cu‐O  system.  The  coordination  polyhedra  is  only  one  way  to  represent  a  crystalline  unit  cell.  Another  way  is  to  use  a  ball  and  stick  model,  with  the  balls representing atoms and the sticks, bonds between the atoms. Two representations  of this are illustrated below. 

First,  let  us  consider  a  basic  unit  cell,  a  cubic  crystal  system,  as  seen  in  three  dimensions.  Those  of  us  who  lack  3‐dimensional  depth  perception  can  sometimes  gain  3D information by moving our heads slightly from left to right while looking at an object.  Similarly,  all  of  us  can  project  a  3‐dimensional  cube  onto  a  2‐dimensional  screen  and  then rotate it to provide information on its 3D nature. In other words, we can use a 2D  perspective  projection  extrapolated  to  a  3D  impression.  To  the  left,  you  see  a  GIF  animation of a unit cell of a three‐dimensional (3D) crystal.  

So,  the  unit  cell  is  the  basic  repeat‐unit  for  describing  a  crystal.  What  is  a  crystal?  Well most of us have seen mineral crystals. For example, consider amethyst. Amethyst is  the purple variety of quartz and is a popular gemstone. If it were not for its widespread  availability,  amethyst  would  be  very  expensive.  The  name  "amethyst"  comes  from  the  Greek  and  means  "not  drunken."  This  was  maybe  due  to  a  belief  that  amethyst  would  ward off the effects of alcohol, but most likely the Greeks were referring to the almost  wine‐like color of some stones that they may have encountered. Its color is unparalleled,  and even other, more expensive purple gemstones are often compared to its color and  beauty. 

The  amethyst  crystals,  above‐left,  are  large  and  well  defined.  Recall:  there  are  billions and billions and billions of unit‐cells that make up these individual crystals. Let us 

 

14 

 

now take a look at fluorite crystals which are smaller, more regular crystals, aggregated  as  a  group.  Fluorite  is  a  mineral  with  a  veritable  bouquet  of  brilliant  colors.  Fluorite  is  well known and prized for its glassy luster and rich variety of colors.. 

Now,  let  us  move  from  aggregate  fluorite  crystals  to  aggregate  galena  crystals.  Galena  is  PbS,  or  lead‐sulfide.  This  fine  specimen  of  the  mineral  Galena  consists  of  hundreds of intergrown crystals. Most of these are tiny, not measuring more than 0.1" (3  mm)  in  diameter,  but  at  least  20  of  them  exceed  0.3"  (8  mm)  in  all  dimensions.  The  crystals  shown  are  of  octahedral  form  with  their  tips  often  truncated  by  small  cube‐ oriented faces. They have the standard dark‐gray color, dull metallic luster, and opacity  of  Galena,  and  are  dusted  with  a  thin  layer  of  superfine  pyrite  (Fe‐S)  or  chalcopyrite  (Fe/Cu‐S), giving some of the crystals a dull golden appearance. 

With  the  introduction  above,  the  reader  may  appreciate  that  there  are  must  necessarily be defects associated with crystals. Defects too define structure. For example,  consider  the  boundaries  between  individual  crystals  (or  grains).  Since  these  crystalline  aggregates grow together with 'random' orientation, grain‐boundaries necessarily exist:  and  they  are  defects  as  the  atomic  order  along  them  is  disrupted  from  that  within  individual grains. These planar structures certainly must have something to do with, for  example, how the aggregate will break apart if struck by a hammer blow. Note too the  reference  to  a  dull  golden  appearance  of  the  galena  specimen.  The  source  of  this  discoloration is impurity particles. Iron sulfide and iron/copper sulfide grow on (and then  into)  the  lead‐sulfide  crystals.  These  sulfides  have  different  color  properties  than  the  lead‐sulfide.  It  is  indeed  impurities  and  imperfections  in  the  crystal  structure  of  the 

 

15 

16 

 

amethyst and fluorite crystals, introduced above, that give those crystals color. Note in  the  case  of  the  amethyst  the  non‐uniformity  of  color,  and  thus  the  non‐uniformity  of  chemical content! All of these concepts relate to the structure and associated defects of  the materials being discussed. 

  Fig. 1.12 view inside a perovskite material 

Now I share with you a few micro‐structural images. The first will be a look "inside" a  perovskite  material:  lanthanum  aluminate.  Let's  not  concern  ourselves  with  the  magnification. You can assume dimensions to be in the order of tens of microns. What  you will see is a non‐perfect, but beautiful state of matter. In one of the superconducting  perovskites, the degree of defect (such as that shown on the left) would determine how  well  the  crystal  would  work  as  a  superconductor.  The  structure  determines  properties.  Enjoy the beauty and many natural wonders in the reference source,  

For a second look at defect structure, consider fig. 1.13 that is the image on the right  from  the  NASA  Science  Academy  web  pages  .  Here,  we  are  looking  at  rather  high  magnification at a Group II‐VI semiconductor compound, possibly ZnS. The color electron  photomicrograph  shows  such  common  structural  defects  as  a  grain  boundary  (A),  twin 

 

17 

 

boundaries  (B),  and  triangular‐shaped  dislocation  etch  pits  (C).  These  defects  were  revealed by chemical etching of a wafer cut from a crystal of a II‐VI semiconducting alloy,  which was produced by directional solidification. Dislocations are another type of defect  (line‐defect) common to crystalline solids, and very, very important to their properties. 

  Fig. 1.13 defect structure 

Reflect  again  on  the  poly‐crystalline  structure  of  the  galena  aggregate  previously  introduced.  This  is  essentially  a  three  dimensional  view  of  how  metals  and  alloys  are  structured. The sole difference is the scale of the grain‐array. Commercial alloys are fine‐ grained,  with  grains  (ie,  crystals)  typically  0.075  mm  or  so,  in  diameter.  Perhaps  comparison of the galena aggregate to fig. 1.15 will convince you that grain‐boundaries  play a role in the behavior of metals and alloys. Shown is the fracture surface of a high‐ strength  alloy  which  failed  by  hydrogen  embrittlement.  This  mode  of  failure  is  highly  dependent  on  the  size,  orientation  and  chemical  make‐up  of  the  grain  boundaries.  Please note the similarity  of the galena specimen and this failure specimen, which  was 

 

18 

 

subject  to  inter‐granular  (ie,  along‐the‐grain‐boundary)  fracture.  The  individual  polyhedra facets define the grains.  

  Fig. 1.14 galena aggregate 

Metallography is a means to evaluate the grain‐structure of materials. Shown on the  right  is  a  color  photo‐micrograph  (a  two‐dimensional  section  through  a  poly‐crystalline  array)  of  a  common  alloy  or  metal  (brass  or  nickel,  for  example).  To  the  trained  metallurgist  or  materials  engineer,  the  structure  represents  a  face‐centered‐cubic  material that has been worked and then "recrystallized" during an annealing treatment.  The metal or alloy is in a soft, ductile state. I know you may not know what all of these  terms  mean.  I  am  trying  to  illustrate  the  link  between  structure,  properties  and  processing.  I  am  trying  to  illustrate  the  perspective  of  the  materials  engineer  and  the  importance of the structure concept. This image is the work of George Vander Voort of  the International Metallographic Society.  

 

19 

 

Fig. 1.15 color photo‐micrograph 

To  reinforce  the  importance  of  grain  structure  to  properties,  please  consider  the  photo‐micrograph below. Again, failure along grain boundaries of an engineering alloy is  featured. The alloy is stainless steel (why is it called "stainless" steel.... do you know?).  The  failure  mode  is  caustic  stress  corrosion  cracking.  Here,  in  a  micrograph  of  the  stainless steel, one can see how failure is proceding along the grain‐boundaries from the  free‐surface of the component (top edge). Besides grain boundaries, what other defects  do you see in this photomicrograph?  

 

20

 

   

2 KEGAGALAN MATERIAL

 

Pendahuluan  Suatu  material    dinyatakan  gagal  apabila  tidak  berkemampuan  untuk  memenuhi  fungsi utama dari perencanaan yang dikehendaki. Faktor utama penyebab suatu bahan  mengalami  kegagalan  adalah  beban  maksimum  yang  bekerja  melebihi  tegangan  patah  bahan.  Namun,  tidak  semua  bahan  gagal  dengan  cara  yang  sama.  Faktor  kekuatan,  kemuluran  dan  kerapuhan  mempengaruhi  mekanikal  gagal  suatu  bahan.  Faktor‐faktor  yang  mempengaruhi  kegagalan  sangat  tergantung  pada  sifat  dasar  dan  keadaan  bahan  tersebut  ,  jenis  pembebanan  yang  dikenakan,  kadar  pembebanan  yang  dialami,  temperature  dan  keadaan  lingkungan,  pengaruh  tumpuan  beban,  ketidaksempurnaan  permukaan, atau cacat bahan. 

Kegagalan Akibat Beban Statis.  Kegagalan  akibat  beban  static  disebabkan  mulur  atau  rapuh  atau  dipengaruhi  modulus kekenyalan. 

 

 

Kegagalan Akibat Beban Fatik.  Gagal lelah atau fatik adalah kegagalan yang terjadi pada kondisi beban maksimum  yang lebih kecil dari kemampuan beban, namun terjadi karena berulang ulang dan  terus  menerus sehingga terjadi penambahan mikro retak.  Fatik  yang  terjadi  pada  logam  telah  dipelajari  sejak  lebih  dari  150  tahun  yang  lalu.  Salah  satu  peneliti  awal  tapi  bukan  yang  pertama  adalah  August  Wohler.  Dalam  kurun  waktu sejak tahun 1850 sampai dengan tahun 1875 berbagai percobaan telah dijalankan  guna  mendapatkan  sebuah  tegangan  alternative  yang  aman  sehingga  kegagalan  tidak   akan  terjadi.  Hampir  seratusan  tahun  para  peneliti  telah  menampilkan  secara  eksperimental  efek  dari  beberapa  variable  yang  mempengaruhi  panjangnya  usia  kekuatan fatik logam. 

Fatik  logam  merupakan  sebuah  proses  yang  mengakibatkan  kegagalan  premature  atau kerusakan dari sebuah komponen yang dikenai beban berulang. Fatik logam adalah  sebuah  proses  metalurgi  yang  rumit  dan  sulit  digambarkan  secara  akurat  dan  sulit  dimodelkan  pada  tingkatan  mikroskopi.  Meskipun  kompleks,  pengamatan  kerusakan  fatik  dalam  desain  komponen  dan  struktur  harus  dilaksanakan.  Akibatnya  metoda‐ metoda analisa fatik pun mulai tumbuh berkembang. 

Stress – Life  Metoda  S‐N  merupakan  sebuah  pendekatan  yang  pertama  sekali  digunakan  dalam  upaya  memahami  dan  menghitung  kelelahan  pada  logam.  Metoda  ini  telah  menjadi  metoda standar untuk desain fatik selama kurun waktu hamper 100 tahun. Pendekatan 

 

21

 

dengan  metoda  S‐N  masih  banyak  digunakan  dalam  aplikasi  desain  dimana  tegangan  yang berlangsung menjadi faktor utama dengan batas elastis material dan resultan usia  pakai sangat panjang seperti pada poros transmisi, roda gigi, kopling dan sebagainya. 

Metoda  Stess‐life  tidak  dapat  digunakan  untuk  aplikasi‐aplikasi  putaran  rendah  dimana regangan yang terjadi memiliki sebuah komponen plastis yang signifikan. Untuk  kasus ini pendekatan yang berbasis kepada regangan lebih sesuai untuk digunakan. Garis  pemisah  antara  fatik  putaran  rendah  dengan  fatik  putaran  tinggi  adalah  bergantung  kepada material, namun biasanya berkisar antara 10 sampai dengan 105 putaran. 

Diagram S­N  Dasar  dari  metoda  Stress  –  Life  ini  adalah  diagram  S‐N  atau  disebut  juga  diagram  Wohler  yang  menggambarkan  tegangan  –  tegangan  alternatif  (S)  terhadap  jumlah  putaran  hingga  patah  (N).  Prosedur  yang  paling  umum  untuk  mendapatkan  data  S‐N  adalah  melalui  pengujian  Rotating  Banding  dan  Axial  Tension.  Data  hasil  uji  S‐N  ini  biasanya  ditampilkan  dalam  grafik  log  dengan  garis  aktual  S‐N  merepresentasikan  data  rata‐rata.  Beberapa  material,  terutama  logam  BCC  (Body  Centered  Cubic)  memiliki  batasan  endurance  atau  batas  fatik  (Se)  dimana  batasan  tersebut  merupakan  batasan  tegangan  dimana  material  memiliki  usia  pakai  tak  terhingga.  Untuk  kebutuhan  engineering,  usia  pakai  tak  berhingga  biasanya  diperhitungkan  hingga  putaran  1  juta.  Batas  endurance  dipengaruhi  oleh  elemen‐elemen  penyusunnya,  seperti  karbon  atau  nitrogen  didalam  besi  dengan  dislokasi  pin.  Hal  ini  mencegah  mekanisme  slip  yang  memicu pembentukan mikrocrack. Bila endurance limit berkurang, maka hal – hal yang  harus diperhatikan sebagai penyebabnya adalah : 

 

22

23

 

1. Terjadinya beban berlebih secara periodik (periodic overloads) dimana terjadinya  dislokasi  unpin. 

2. Lingkungan  kerja  yang  korosif  (corrosive  environments)  yang  mengakibatkan  terjadinya interakasi fatik korosi. 

3. Temperatur  yang  tinggi  (high  temperature)  yang  mengakibatkan  terjadinya  dislokasi yang berpindah‐pindah. 

Adalah  penting  untuk  dicatat  bahwa  efek  dari  beban  berlebih  secara  periodik  tersebut diatas memiliki hubungan dengan tingkat kemulusan spesimen yang diuji. Untuk  komponen bertakik memiliki perilaku yang sangat berbeda yang diakibatkan oleh adanya  residual stress (tegangan sisa) yang ditimbulkan oleh beban berlebih. 

Kebanyakan  material  paduan  non‐logam  tidak  memiliki  endurance  limit  dan  garis  kurva S‐N  nya memiliki kemiringan yang kontinu. Batas endurance semu atau  kekuatan  fatik  dari  material  ini  dianggap  sama  dengan  harga  tegangan  dimana  usia  pakainya  berkisar 5 x 108 putaran. 

Hubungan endurance limit terhadap hardness (kekerasan) yaitu: 

 

 

Se (Ksi)  ≈ 0.25   x   BHN    ; untuk  BHN ≤ 400      

 

 

Se 

≈ 100 Ksi               ; untuk  BHN > 400 

Hubungan endurance limit terhadap ultimate strength: 

 

 

Se   ≈  0,5 x   Su 

; untuk Su  ≤  200 Ksi 

 

 

Se   ≈  100 Ksi   

; untuk Su  >  200 Ksi 

 

24

 

Tegangan  bolak‐balik  yang  di  hubungkan  dengan  usia  pakai  1000  putaran  (S1000)  dapat  di  estimasi  0,9  x  Sut.  Garis  yang  menghubungkan  titik  ini  dan  endurance  limit  adalah  merupakan  estimasi  yang  digunakan  untuk  garis  desain  S‐N  bila  tidak  ada  data  titik aktual yang tersedia untuk material tersebut. 

Guna melakukan pendekatan secara grafik sebuah hubungan power dapat digunakan  untuk memperkirakan kurva S‐N untuk baja: 

 

 

S = 10cNb   ( untuk 103   lC  (misalnya  1‐15  lC)  disebut  dengan  nama  serat  kontinue.  Sedangkan  serat  dengan  1  > lC (misalnya 1‐15 lC) disebut  dengan  nama  serat  kontinue.  Sedangkan  serat  dengan  1