teori dasar
Laporan Akhir Praktikum Metalurgi Fisik 2013/2014Perlakuan Panas
BAGIAN A
TEORI DASAR
ASISTEN: DAFMIKO
LEMBAR ASISTENSI
TEORI DASAR METALURGI FISIK1.1Struktur Mikro MaterialMaterial adalah segala sesuatu yang mempunyai massa dan menempati ruang. Material Teknik adalah segala bahan yang digunakan dalam bidang keteknikan (kerekayasaan).
Struktur mikro material adalah gambaran komposisi dan distribusi dari fasa-fasa material yang hanya dapat dilihat dengan metalografi.Struktur mikro material terbagi atas :
a. Atom
Atom merupakan suatu unsur terkecil dari material yang tidak dapat dibagi lagi dengan reaksi kimia biasa.
b. Sel SatuanMerupakan susunan dari beberapa atom yang teratur dan mempunyai pola yang berulang. Sel satuan terdiri dari kubus (BCC, FCC, dan HCP), hexagonal, tetragonal, triklin, monoklin, dan sebagainya. Adapun sel satuan yang berbentuk kubus antara lain :
1. BCC (Body Centered Cubic)Adanya pemusatan satu atom di tengah-tengah kubus.
Gambar A.1 sel satuan BCC Jumlah atom (n) = (1/8) x 8 + 1 = 2
4R = a3
a = (4/3) R
APF (Atomic Packing Factor)
2. FCC (Face Centered Cubic)Adanya pemusatan satu atom di setiap sisi kubus.
Gambar A.2 sel satuan FCC
Jumlah atom (n) = 1/8 x (8) + x (6) = 4
4R = a2
a = 4/2 x R
APF (Atomic Packing Factor)
3. HCP (Hexagonal Closed Package)
Gambar A.3 sel satuan HCP
Jumlah atom (n) = (3x1) + (12 x 1/6) + (2 x ) = 6
Tinggi = 1,633 a
Luas alas = 6 x luas segitiga
= 6 x (1/2 a x a sin 60)
= 3a2 sin 60
Volume sel satuan = a x t
= 3a2 sin 60 x 1,633 a
= 4,24 a3 ; a = 2 R
= 4,24 (2R)3 = 33,94 R3
APF (Atomic Packing Factor)
Adapun bentuk sel satuan yang lainnya dapat kita lihat melalui tabel dibawah ini :Tabel A.1 Sel satuan
c. Butir
Merupakan kumpulan dari sel satuan yang memiliki arah dan orientasi sama dalam 2 dimensi.
Gambar A.4 Butird. Kristal
Merupakan kumpulan dari sel satuan yang memiliki arah dan orientasi sama dalam 3 dimensi.
Gambar A.5 Kristal1.2 Cacat-cacat pada Material
Cacat pada material merupakan ketidaksempurnaan pada material. Cacat pada material terbagi atas :1.
Cacat titik
Cacat titik adalah cacat berupa titik pada material dalam skala atomik. Cacat titik terbagi atas :
a. Vacancy (kekosongan), yaitu cacat yang terjadi akibat adanya kekosongan atom dalam susunan atom.
b. Subtitusi/pergantian, yaitu cacat yang terjadi akibat adanya pergantian atom pada susunan atom.
c. Intertisi adalah cacat yang terjadi akibat adanya atom lain yang menyusup dalam susunan atom. Intertisi terbagi atas:
Self Intertisi, yaitu cacat akibat adanya atom yang menyisip pada susunan atom yang berasal dari atom itu sendiri. Impurity, yaitu adanya atom asing yang menyusup pada susunan atom yang bersifat mengganggu.
Gambar A.11 cacat titik pada material
2.
Cacat Garis/Dislokasi
Cacat garis adalah ketidaksempurnaan pada material akibat kekosongan pada sebaris atom. Dislokasi terbagi atas dislokasi sisi dan dislokasi ulir.
a.Dislokasi sisi (Edge Dislocation), adalah cacat garis yang arah pergerakan atomnya tegak lurus terhadap garis dislokasi.
Gambar A.12 dislokasi sisib. Dislokasi Ulir (Screw Dislocation), yaitu cacat gais yang arah pergerakan atomnya sejajar terhadap arah garis dislokasi.
Gambar A.13 dislokasi ulir3.
Cacat Bidang
Cacat bidang yaitu ketidak sempurnaan material pada sebidang struktur atom. Contohnya;
Twinning
Batas butir
Gambar A.14 cacat bidang
4.
Cacat Ruang
Cacat ruang adalah ketidaksempurnaan kristal pada seruang atom yaitu timbulnya rongga antara batas butir karena orientasi butir dan dapat dilihat secara langsung. Contohnya : Porositas
Retak
Rongga
Gambar A.15 cacat ruang1.3 Diagram Fasa
Diagram fasa merupakan diagram yang memperlihatkan fasa yang terbentuk bila dua fasa dipadukan. Fasa adalah sistem yang mempunyai karakteristik fisik dan kimia yang sama. Pada diagram fasa dapat dilihat fasa-fasa yang ada, temperatur material, komposisi masing-masing fasa, dan fraksi fasa.
Reaksi invariant adalah reaksi yang melibatkan tiga fasa dimana dua fasa menjadi satu fasa atau sebaliknya.
Terdapat tiga titik invariant yang penting yaitu :
1. Titik eutectoidDimana pada titik ini terjadi perubahan satu fasa padat menjadi dua fasa padat, atau sebaliknya.(s) (s) + Fe3C(s)2. Titik eutecticDimana pada titik ini terjadi perubahan satu fasa cair menjadi dua fasa padat, atau sebaliknya.L(c) (s) + Fe3C(s)
Pada kadar C 4,3% dan suhu 1148oC terjadi reaksi eutektik yaitu pembentukan fasa austenit (2,11% C), cementit (6,67% C) dari fasa cair (4,3% C). Campuran antara austenit dengan sementit disebut ledeburit.
3. Titik peritecticDiman pada titik ini terjadi perubahan satu fasa cair ditambah satu fasa padat menjadi satu fasa padat, atau sebaliknya. L(c) + (s) (s)
Pembentukan besi-dendrit dan liquid dari fasa austenit. Selubility limit merupakan batas karbon maksimum didalam paduan Fe3C yaitu 6,67%, jika tidak larut maka akan timbul grafit (karbon bebas, tidak berikatan dengan Fe)
Gambar A.16 Diagram Fasa Fe-Fe3C
Fasa terbagi tiga, yaitu :
1. Fasa tunggal
a. Liquid (L)Dalam diagram fasa, semua karbon larut padat dalam Fe ketika fasanya liquid.b. Ferrit () mempunyai kelarutan karbon maksimum 0.025 % pada 727 oC
mempunyai sel satuan BCC
terbentuk pada temperatur ruang sampai 910 oCc. Austenit ()
mempunyai kelarutan C maksimum 2,1 % pada 910 oC
mempunyai sel satuan FCC
d. Besi-dendrit ()
Sama dengan ferrit, hanya temperatur yang berbeda.
2. Fasa Ganda
Fasa yang terdiri dari dua buah fasa tunggal, contoh : + , + , dan + .3. Fasa Campuran
Gabungan antara fasa tunggal dengan fasa sementit(Fe3C), contoh : + Fe3C, + Fe3C, dan + Fe3C.1.4 Sifat-sifat Material
Sifat material secara umum dapat diklasifikasikan seperti di bawah ini :1. Sifat Fisik
Sifat yang telah ada pada material, contoh : warna, massa jenis, dimensi, bau, dan lain-lain.
2. Sifat KimiaSifat material yang berhubungan dengan komposisi kimia, contoh : kemolaran, kemolalan, dan konsentrasi.
3. Sifat TeknologiSifat material yang muncul akibat mengalami proses pemesinan, contoh : mampu tempa.
4. Sifat Termal
Sifat material yang dipengaruhi oleh temperatur, contoh : konduktifitas termal, titik beku dan titik didih.
5. Sifat Optik
Sifat material yang berhubungan dengan pencahayaan, contoh : sifat mapu bias dan mampu dibiaskan.
6. Sifat Akustik
Sifat material yang berhubungan dengan bunyi, contoh : mampu meredam bunyi.
7. Sifat Magnetik
Sifat material untuk merespon medan magnet, contoh : mampu menyimpan magnet.
8. Sifat Mekanik
Sifat material yang muncul akibat pembebanan mekanik. Adapun sifat mekanik pada material antara lain :a. Kekerasan
Kemapuan material untuk menahan deformasi plastis lokal akibat penetrasi di permukaan.
b. Kekuatan
Kemapuan material untuk menahan deformasi plastis secara menyeluruh.
Gambar A.6 kurva kekuatan
c. Keuletan
Kemampuan material untuk menahan deformasi plastis maksimum sampai material itu patah.
Gambar A.7 kurva keuletand. Kelentingan
Besarnya energi yang diserap material selama deformasi elastis berlangsung.
Gambar A.8 kurva kelentingan
e. KetangguhanBesarnya energi yang diserap material sampai material tersebut patah.
Gambar A.9 kurva ketangguhanf. Modulus ElastisitasMerupakan ukuran kekakuan material.
Gambar A.10 kurva modulus elastisitas1.5 Mekanisme Penguatan Material
1. Penguatan Larut PadatPenguatan dengan cara menambahkan sejumlah atom lain (atom asing) ke dalam sebuah gugusan atom induk. Pemaduan dalam jumlah tertentu dimana semua unsur pemadu terlarut padat dalam logam induk. Atom atom asing tersebut dapat larut padat intertisi atau substitusi tergantung pada ukurannya. Bila atom asing berukuran besar (d > 0.15D), maka larut padat substitusi. Kalau berukuran kecil (d < 0.15D) akan larut padat interstisi (d = diameter atom terlarut, D = diameter atom pelarut (atom induk).
Gambar A.17 penguatan larut padat2. Penguatan dengan Fasa Kedua Penguatan fasa kedua terjadi ketika penambahan unsur paduan menghasilkan fasa kedua (second phase) atau fasa sekunder.
Fasa kedua bersifat keras (kuat) dan getas. Kekerasan (kekuatan) material meningkat dengan bertambahnya jumlah (fraksi berat) fasa kedua. Contoh paduan yang menghasilkan (memiliki) fasa kedua: Baja (Steel)
Besi (Fe) yang dipadu dengan karbon (C) menghasilkan fasa kedua senyawa Fe3C (sementit) disamping fasa utama ferrit () larut padat dalam (Fe) . Fasa ferrit bersifat lebih lunak dan ulet sedangkan sementit sangat keras tapi rapuh.
Gambar A.18 roda gigi dengan penguatan fasa kedua
3. Penguatan PresipitatMerupakan penambahan atom asing ke material utama. Keberadaan persipitat akan menghambat pergerakan dari dislokasi
Gambar A.19 penguatan presipitat4. Penguatan DispersiLogam paduan bisa ditingkatkan kekerasannya dengan penambahan partikel oksida yang akan menghalangi pergerakan dari dislokasi. Partikel oksida tidak larut dalam matriknya pada suhu tinggi. Penambahan partikel Al2O3 pada produk SAP (Sintered Aluminium Product) akan memberikan kekuatan yang lebih tinggi dibandingkan padual Al biasa pada suhu tinggi.
Gambar A.20 penguatan dispersi5. Penguatan dengan Penghalusan Butir/Sub-butirBatas butir adalah penghalang dislokasi atau disebut juga penghalang terjadinya slip. Kemampuan menghalangi bertambah dengan peningkatan sudut mis-orientasi butir (angle of misorientation). Butir halus mempunyai batas butir lebih banyak sehingga penghalang dislokasi lebih banyak dan lebih susah terjadinya slip akhirnya material menjadi lebih kuat. Makin halus ukuran butir maka bidang slip akan semakin pendek sehingga dislokasi akan cepat sampai ke batas butir. Semakin halus ukuran butir maka material akan semakin kuat.
Gambar A.21 penguatan penghalusan butir6. Pengerasan ReganganUntuk masing masing kenaikan regangan plastis, dibutuhkan tegangan yang lebih besar untuk menggerakkan dislokasi dibandingkan sebelumya karena dislokasi telah banyak yang sampai kebatas butir. Ini berarti logam bertambah kekerasan dan kekuatannya.
Gambar A.22 penguatan regangan7. Penguatan dengan Tekstur Proses defornasi akan menyebabkan butir-butir dari logam mengarah pada orientasi tertentu. Logam yang orientasi kristalnya mengarah pada orientasi tertentu dikatakan memiliki tekstur kristalografis. Dengan adanya orientasi yang tertentu tersebut, maka logam tidak lagi bersifat isotrop melainkan justru bersifat anisotrop khususnya dalam hal kekuatannya
isotropi anisotropiGambar A.23 penguatan dengan tekstur8. Pengerasan MartensitMartensit memiliki susunan atom BCT sehingga dislokasi menjadi susah untuk bergerak. Baja dipanaskan sampai fasa austenit lalu dilakukan pendinginan cepat sehingga atom-atom karbon pada austenit tidak sempat berdifusi keluar, akibatnya austenit akan bertransformasi menjadi martensit yang memiliki sel satuan BCT. Kekerasan martensit akan semakin tinggi dengan semakin banyaknya atom karbon yang larut didalamnya.
Gambar A.24 penguatan martensit
PAGE Kelompok 17
_1334417848.vsdu
f
y
e
f
y
_1337881627.unknown
_1338054866.unknown
_1334417850.vsdf
u
f
y
e
e
y
u
_1337880681.unknown
_1334417849.vsdu
f
y
e
_1334417846.vsdu
f
y
e
eu
u
y
f
_1334417847.vsdf
Keuletan
u
f
y
e
y
_1294086274.vsdMacam-macam Sel Satuan Lainnya
