Teori Dasar Metalurgi Fisik

TEORI DASAR

METALURGI FISIK

1.1 Struktur Mikro Material

Material 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 Satuan

Merupakan 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 = a√3

a = (4/√3) R

1111

Laporan Akhir Praktikum Metalurgi Fisik 2013/2014 Teori Dasar

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) + ½ x (6) = 4

4R = a√2

a = 4/√2 x R


3. HCP (Hexagonal Closed Package)

Kelompok 17 2


Gambar A.3 Sel satuan HCP

Jumlah atom (n) = (3x1) + (12 x 1/6) + (2 x ½) = 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


Adapun bentuk sel satuan yang lainnya dapat kita lihat melalui tabel

dibawah ini :

Kelompok 17 3


Gambar A.4 Macam-macam sel satuan

c. Butir

Kelompok 17 4


Merupakan kumpulan dari sel satuan yang memiliki arah dan

orientasi sama dalam 2 dimensi.

Gambar A.5 Butir

d. Kristal

Merupakan kumpulan dari sel satuan yang memiliki arah dan

orientasi sama dalam 3 dimensi.

Gambar A.6 Kristal

1.2 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.

Kelompok 17 5


Impurity, yaitu adanya atom asing yang menyusup pada susunan

atom yang bersifat mengganggu.

Gambar A.7 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.8 dislokasi sisi

b. Dislokasi Ulir (Screw Dislocation), yaitu cacat gais yang arah

pergerakan atomnya sejajar terhadap arah garis dislokasi.

Kelompok 17 6


Gambar A.9 Dislokasi ulir

3. Cacat Bidang

Cacat bidang yaitu ketidak sempurnaan material pada sebidang struktur

atom.

Contohnya;

Twinning

Batas butir

Gambar A.10 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

Kelompok 17 7


Retak

Rongga

Gambar A.11 Cacat ruang

1.3 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 eutectoid

Dimana pada titik ini terjadi perubahan satu fasa padat menjadi dua fasa

padat, atau sebaliknya.

γ(s) α(s) + Fe3C(s)

2. Titik eutectic

Dimana pada titik ini terjadi perubahan satu fasa cair menjadi dua fasa

padat, atau sebaliknya.

L(c) γ(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.

Kelompok 17 8


3. Titik peritectic

Diman pada titik ini terjadi perubahan satu fasa cair ditambah satu fasa

padat menjadi satu fasa padat, atau sebaliknya.

L(c) + δ(s) γ(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.12 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 (α)

mempunyai kelarutan karbon maksimum 0.025 % pada 727 oC

mempunyai sel satuan BCC

terbentuk pada temperatur ruang sampai 910 oC

Kelompok 17 9


c. Austenit (γ)

mempunyai kelarutan C maksimum 2,1 % pada 910 oC

mempunyai sel satuan FCC

d. Besi-dendrit (δ)

Sama dengan ferrit, hanya temperatur yang berbeda.

2. Fasa Ganda

Fasa yang terdiri dari dua buah fasa tunggal, contoh : α + γ, α + δ,

dan γ + δ.

3. Fasa Campuran

Gabungan antara fasa tunggal dengan fasa sementit(Fe3C), contoh :

α + Fe3C, δ + Fe3C, dan γ + 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 Kimia

Sifat material yang berhubungan dengan komposisi kimia, contoh :

kemolaran, kemolalan, dan konsentrasi.

3. Sifat Teknologi

Sifat 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

Kelompok 17 10


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.13 Kurva kekuatan

c. Keuletan

Kemampuan material untuk menahan deformasi plastis maksimum sampai

material itu patah.

Kelompok 17 11


Gambar A.14 Kurva keuletan

d. Kelentingan

Besarnya energi yang diserap material selama deformasi elastis

berlangsung.

Gambar A.15 Kurva kelentingan

e. Ketangguhan

Besarnya energi yang diserap material sampai material tersebut patah.

Gambar A.16 Kurva ketangguhan

Kelompok 17 12


f. Modulus Elastisitas

Merupakan ukuran kekakuan material.

Gambar A.17 Kurva modulus elastisitas

1.5 Mekanisme Penguatan Material

1. Penguatan Larut Padat

Penguatan 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.18 Penguatan larut padat

Kelompok 17 13


2. 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 (α) larut padat dalam (Fe) .

Fasa ferrit bersifat lebih lunak dan ulet sedangkan sementit sangat keras tapi

rapuh.

Gambar A.19 Roda gigi dengan penguatan fasa kedua

3. Penguatan Presipitat

Merupakan penambahan atom asing ke material utama. Keberadaan

persipitat akan menghambat pergerakan dari dislokasi

Kelompok 17 14


Gambar A.20 Penguatan presipitat

4. Penguatan Dispersi

Logam 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.21 penguatan dispersi

5. Penguatan dengan Penghalusan Butir/Sub-butir

Batas 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

Kelompok 17 15


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.22 Penguatan penghalusan butir

6. Pengerasan Regangan

Untuk 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.23 penguatan regangan

7. 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

Kelompok 17 16


isotropi anisotropi

Gambar A.24 penguatan dengan tekstur

8. Pengerasan Martensit

Martensit 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.25 Penguatan martensit

Kelompok 17 17

Teori Dasar Metalurgi Fisik

Documents