Teori Dasar Material

TEORI DASAR MATERIAL

Material adalah segala sesuatu yang mempunyai massa dan menempati ruang. Berdasarkan pengertian tersebut maka material teknik adalah material yang digunakan untuk menyusun sebuah benda dan digunakan untuk perekayasaan dan perancangan di bidang teknik.

Klasifikasi Material

Berdasarkan sumbernya material dibagi atas dua macam :

1.      Material Organik

Material organik adalah material yang bersumber dari alam berupa makhluk hidup dan dapat dimanfaatkan langsung tanpa melalui proses. Contoh : kayu, karet alam, dan batu bara.

2.      Material Anorganik

Material anorganik adalah material yang bersumber dari alam selain makhluk hidup dan untuk mendapatkannya harus diproses terlebih dahulu.

Material anorganik dibedakan atas 2 macam yaitu :

1)        Logam

Logam adalah material yang mempunyai daya hantar listrik yang tinggi dengan sifat konduktor yang baik dan tahan terhadap temperatur tinggi, mempunyai titik didih tinggi, keras, mengkilap, tidak tembus cahaya, dan dapat dideformasi.

Logam terdiri dari :

1.         Ferro

Logam ferro adalah logam dengan unsur penyusun utamanya adalah Fe (besi). Logam ferro terbagi menjadi :

1)        Baja

Baja merupakan logam dengan unsur penyusun utamanya adalah Fe (besi) dan C (karbon) dengan kadar karbon antara 0,02 % sampai 2,1 %. Baja ini terdiri atas :

a.         Baja Karbon (Carbon Steel), terdiri dari :

·           Baja Karbon Rendah (Low Carbon Steel), dengan kadar karbon 0,02 % ≤ C ≤ 0,2 %. Contoh : plat dan paku.

·           Baja Karbon Menengah (Medium Carbon Steel), dengan kadar karbon 0,2 % < C ≤ 0,5 %. Contoh : roda gigi dan poros.

·           Baja Karbon Tinggi (High Carbon Steel), dengan kadar karbon 0,5 % < C ≤  2,1 %. Contoh : spiral, dawai, dan cetakan tempa.

b.        Baja Paduan (Alloy Steel)

Baja paduan adalah baja yang diperoleh dari pemaduan dua unsur atau lebih untuk mendapatkan sifat mekanik tertentu yang diinginkan, baja paduan dibagi atas :

1)        Berdasarkan paduan

§   Baja Paduan Rendah (Low Alloy Steel), kadar paduan ≤ 8%.

§   Baja Paduan Tinggi (High Alloy Steel), kadar paduan > 8%.

Contoh : baja tahan karat (Stain Less Steel), baja perkakas dan baja tahan gesek,

2)        Berdasarkan kegunaan :

§  Baja tahan karat (dengan penambahan Cr). Contoh: Stainless steel.

§  Baja tahan aus (dengan penambahan Mn). Contoh: Kuku eskavator.

§  Baja tahan temperatur tinggi (dengan penambahan Mo dan W). Contoh: Sudu turbin.

§  Tool steel (dengan penambahan Mo dan V). Contoh: Pahat karbida.

2)      Besi Cor (Cast Iron)

Besi cor merupakan logam dengan unsur penyusunnya adalah Fe dan grafit yang kadar karbonnya antara 2,1% sampai 6,67%.

Berdasarkan proses pembuatannya besi cor terbagi atas :

a.         Besi Cor Putih (White Cast Iron)

Besi cor putih merupakan besi cor yang tidak mempunyai grafit dengan fasa α + Fe₃C. Didapat dengan pendinginan cepat, sehingga banyak mengandung Fe₃C. Hal ini yang menyebabkan besi cor putih bersifat keras dan getas dengan % Si < 1.

b)        Besi Cor Kelabu (Gray Cast Iron)

Besi cor kelabu merupakan besi cor dengan bentuk grafit berbentuk serpihan yang terbentuk dari Fe₃C yang terurai, bersifat mampu meredam getaran, dan mempunyai kekuatan tekan yang tinggi. Pembentukannya sama dengan besi cor putih, perbedaannya terletak pada laju pendinginan. Contoh : konstruksi mesin jahit, blok mesin, lampu hias, dan mesin bubut.

Berdasarkan fasa terbagi dua, yaitu :

§   Besi Cor Kelabu Perapian Putih (Ferritic) berfasa α. Terbentuk dengan pendinginan lambat.

§   Besi Cor Kelabu Perapian Hitam (Pearlitic)Berfasa α + Fe₃C. Terbentuk dengan pendinginan normal

c)        Besi Cor Nodular (Nodular Cast Iron)

Bentuk grafit bulat, pembuatan dengan cara besi cor dipanaskan kemudian ditambah Mg (Nokulen) dan akan terbentuk gelembung-gelembung udara yang nantinya akan diisi oleh karbon dan memiliki keuletan yang tinggi. Bersifat tahan beban tarik.

Berdasarkan fasanya terbagi dua, yaitu :

§   Besi Cor Nodular Putih fasa α. (Ferritic). Terbentuk dengan pendinginan secara lambat.

§   Besi Cor Nodular Hitam Berfasa α +Fe₃C. (Pearlitic). Terbentuk dengan pendinginan secara cepat.

d)       Besi Cor Maliabel (Melleable Cast Iron)

Besi cor yang diperoleh melalui proses tempering yang mempunyai sifat keras dan getas serta bentuk grafit seperti bongkahan.

Contoh : spare part yang berukuran kecil.

Berdasarkan fasanya terbagi dua, yaitu :

§   Besi Cor Maliabel Putih berfasa α. (Ferritic). Terbentuk dengan pendinginan secara lambat.

§   Besi Cor Maliabel Hitam Berfasa α +Fe₃C. (Pearlitic). Terbentuk dengan pendinginan secara cepat.

2.         Non Ferro

Logam non ferro adalah logam dengan unsur penyusun utamanya selain Fe (besi) yang dicampur dengan unsur lain. Contoh: kuningan (Cu + Zn), alumunium, dan brass.

2)        Non Logam

Non logam adalah material dengan titik didih rendah dan bersifat isolator, tidak tahan temperatur yang tinggi, dan sebagian tembus cahaya. Material non logam terdiri dari :

a.         Polimer

Polimer merupakan gabungan monomer-monomer yang membentuk rantai hidrokarbon (C-H) yang panjang yang terdiri dari :

1)        Termoplastik

Termoplastik merupakan polimer dengan rantai karbon lurus, tidak tahan temperatur tinggi, dan berkekuatan rendah. Contoh : plastik.

2)        Termosetting

Termosetting merupakan polimer dengan rantai hidrokarbon bercabang, tahan terhadap temperatur tinggi, dan mempunyai stabilitas yang tinggi. Contoh : PVC (Poly Vinyl Chloride) dan melamin.

3)        Elastomer

Elastomer merupakan polimer yang mempunyai tingkat elastisitas yang tinggi dan rantai karbon berbentuk jala. Contoh : Karet alam.

b.         Komposit

Komposit merupakan perpaduan dua unsur yang terdiri dari matriks dan fiber, yang masih memiliki sifat aslinya. Fiber sebagai penguat dan matriks sebagai pengikat.

Berdasarkan matriksnya, komposit terbagi menjadi :

a)        Metal Matrics Composite (MMC) dengan logam sebagai matriks. Contoh: Body pesawat terbang

b)        Ceramic Matrics Composite (CMC) dengan keramik sebagai matriks. Contoh: Tiang bangunan beton

c)        Polymer Matrics Composite (PMC) dengan polimer sebagai matriks. Contoh: Ban

c.         Keramik

Keramik adalah suatu material yang merupakan perpaduan logam dan non logam yang membentuk sifat baru melalui proses pemanasan. Keramik terbagi atas dua, yaitu :

a.         Keramik Tradisional

Keramik tradisional adalah keramik yang pembuatannya  mengalami proses pemisahan secara tradisional. Contoh : gerabah dan ubin.

b)        Keramik Modern

Keramik modern adalah keramik yang mengalami proses kimia secara modern untuk mendapatkan properties / sifat yang diinginkan. Contoh : keramik pada besi dibuat untuk mencegah rugi-rugi panas pada pencetusan awal pembakaran.

Struktur Mikro Material

Struktur mikro material terdiri atas :

1.        Atom

Atom merupakan bagian terkecil dari material yang tidak dapat dibagi lagi dengan reaksi kimia biasa.

2.        Sel Satuan

Sel satuan merupakan gabungan dari beberapa atom yang tersusun secara teratur dan berulang.

Jenis-jenis sel satuan antara lain :

a)         Cubic

Sel satuan Cubic terdiri dari :

·           Body Centered Cubic (BCC), perhitungan APF dari BCC adalah APF = 68 %.

·           Face Centered Cubic (FCC), perhitungan APF dari FCC adalah APF  = 74 %.

b)        Hexagonal Closed Package (HCP)

Cara perhitungan APF dari HCP :

volume sel satuan = luas alas x tinggi

tinggi = 1,633a

luas alas = 6 x luas segitiga = 6 x (1/2 a x a sin 60) = 6 x (1/2 a² sin 60) = 3a² sin 60

Volume sel satuan = 3a² sin  60 x  1,633a = 4,899a³ sin 60 = 4,24a³

a = 2R, maka :

Volume sel satuan = 4,24(2R)³ = 4,24 x 8R³ = 33,94 R³

APF = 74%

c)         Tetragonal

Syarat dari tetragonal ini adalah a = b ≠ c dan α = β = γ = 90.

d)        Triklin

Syarat dari Triklin adalah a ≠ b ≠ c dan α ≠ β ≠ γ ≠ 90.

e)         Monoklin

Syarat dari Monoklin  adalah a ≠ b ≠ c dan α = γ = 90 ≠ β.

3.        Butir

Butir  merupakan kumpulan sel satuan yang mempunyai arah dan orientasi gerak yang sama yang dilihat dari arah dua dimensi.

4.        Kristal

Kristal merupakan susunan dari sel satuan yang memiliki arah dan orientasi gerak yang sama dilihat dari arah tiga dimensi.

Sifat-Sifat Material

Sifat-sifat yang terdapat pada material adalah :

1.        Sifat fisik

Sifat fisik adalah sifat material yang dapat dilihat secara langsung tanpa melakukan pembebanan dan telah ada pada material tersebut. Contoh : warna dan dimensi.

2.        Sifat termal

Sifat termal adalah sifat material yang dipengaruhi oleh temperatur. Contoh : titik didih dan titik cair.

3.        Sifat akustik

Sifat akustik adalah sifat material yang berhubungan dengan bunyi. Contoh : fibrasi.

4.        Sifat kimia

Sifat kimia adalah sifat kimia dari material untuk mampu berinteraksi dengan lingkungannya. Contoh : korosi.

5.        Sifat teknologi

Sifat teknologi adalah sifat material untuk mampu diproses. Contoh : mampu cor.

6.        Sifat magnetik

Sifat magnetik adalah sifat material untuk merespon medan magnet.

7.        Sifat optik

Sifat optik adalah sifat material yang berhubungan dengan pencahayaan. Contoh : pembiasan.

8.        Sifat mekanik

Sifat mekanik adalah sifat material yang dipengaruhi oleh pembebanan. Sifat mekanik terdiri dari :

a.         Kekerasan

Kekerasan adalah kemampuan material untuk menahan deformasi plastis lokal akibat adanya penetrasi dipermukaan. Kekerasan ini tidak mempunyai kurva karena hanya berbentuk titik.

b.         Kekuatan

Kekuatan adalah kemampuan material untuk menahan deformasi plastis secara menyeluruh sampai material itu patah.

c.         Kelentingan

Kelentingan adalah besarnya energi yang diserap oleh material sampai pembebanan elastis dan bila gaya dihilangkan akan kembali ke bentuk semula.

d.        Keuletan

Keuletan adalah regangan plastis maksimum yang mampu ditahan oleh material sampai material tersebut patah.

e.         Ketangguhan

Ketangguhan adalah besarnya energi yang dapat diserap oleh material sampai material tersebut patah.

f.          Modulus Elastisitas

Modulus elastisitas adalah perbandingan antara tegangan dan regangan pada daerah elastis yang menunjukkan derajat kekakuan material.

Jenis-Jenis Pengujian

Pengujian mekanik adalah pengujian untuk melihat pengaruh atau respon material terhadap pembebanan. Jenis-jenis pengujian terbagi menjadi dua bagian :

1.        Akibat yang Ditimbulkan pada Material

Terbagi atas :

a.         Pengujian yang merusak (DT/ Destructive Test)

Pengujian yang merusak (DT) adalah pengujian yang dilakukan dengan memberikan beban / deformasi sampai material (spesimen) gagal atau rusak. Conto : uji tarik, uji impak, uji tekan, dan uji keras.

b.         Pengujian yang tidak merusak (NDT/ Nondestructive Test)

Pengujian yang tidak merusak (NDT) adalah pengujian yang dilakukan tanpa merusak sampel. Pada umumnya pengujian ini bertujuan untuk menemukan cacat makro dan mikro pada material. Contoh : Ultrasonik, Dye-Penetrant, Radiography Test, Visual test, dan Magnetic test.

2.        Berdasarkan Pembebanan

Terbagi atas :

a.         Pembebanan Statis

Pengujian dengan pembebanan statis adalah pengujian yang dilakukan dengan memberikan beban yang konstan setiap perubahan waktu kepada suatu  material. Jadi, berapapun lamanya pengujian, jumlah beban yang diberikan pada material itu adalah sama. Contoh : uji tarik, uji keras, uji tekan, uji puntir, dan uji lentur.

b.         Pembebanan Dinamis

Pengujian dengan pembebanan dinamis adalah pengujian yang dilakukan dengan memberikan beban yang berbeda setiap perubahan waktu kepada suatu material. Jadi, setiap perubahan waktu yang terjadi, beban yang diberikan kepada material haruslah berbeda. Contoh: Uji lelah.

c.         Pembebanan Impak

Pengujian dengan pembebanan impak adalah pengujian yang dilakukan dengan memberikan beban secara tiba–tiba atau beban kejut kepada suatu material. Jadi waktu yang dibutuhkan untuk pembebanan ini sangat sedikit sekali. Contoh: uji impak.

Cacat-Cacat pada material

Cacat material adalah ketidaksempurnaan pada struktur material. Cacat pada material terdiri dari :

1.        Cacat titik

Cacat titik adalah ketidaksempurnaan pada material dalam skala atomik. Cacat yang terjadi berupa titik yang terdapat pada susunan atom, terbagi menjadi :

a.         Vacancy, adalah adanya kekosongan pada susunan atom.

b.         Substitusi, adalah adanya penggantian atom dengan atom lain.

c.         Intertisi, adalah adanya penyisipan oleh atom asing.

d.        Self-Intertisi, adalah adanya penyisipan oleh atom sendiri.

2.        Cacat garis

Cacat garis yaitu cacat yang terjadi karena adanya segaris atom yang hilang atau yang tidak sempurna. Terdiri dari :

a.       Dislokasi Sisi, adalah dislokasi yang arah geraknya tegak lurus terhadap garis dislokasi.

b.      Dislokasi Ulir, adalah dislokasi yang arah geraknya sejajar dengan garis dislokasi.

3.        Cacat bidang

Cacat bidang adalah cacat kompleks pada material karena ketidaksempurnaan pada sebidang atom yang terjadi pada batas butir.

4.        Cacat ruang

Cacat volume atau cacat ruang adalah adanya ketidaksempurnaan kristal pada seruang atom dengan timbulnya rongga antar batas butir karena orientasi butir dapat dilihat secara langsung.