Teknologi Mekanik untuk Penera Tingkat Ahli

ii

TEKNOLOGI MEKANIK

Bahan Ajar

Oleh:

Victor Tulus Pangapoi Sidabutar NIP. 19771018 200912 1 002

KEMENTERIAN PERDAGANGAN REPUBLIK INDONESIA BALAI PENDIDIKAN DAN PELATIHAN METROLOGI

BANDUNG

2011

iii

UCAPAN TERIMA KASIH

Segala puji dan syukur kepada Allah Yang Maha Pengasih yang

menciptakan langit dan bumi dan segala isinya karena hanya dengan

berkat dari Dia sehingga penulis mampu menyelesaikan bahan ajar

teknologi mekanik yang diperuntukkan untuk diklat penera ahli.

Selain itu penulis juga berterima kasih sebesar-besarnya kepada semua

pihak yang telah membantu penulis baik itu berupa dukungan moral,

maupun material, sehingga bahan ajar ini dapat selesai. Secara khusus,

penulis menyampaikan terima kasih dan rasa hormat kepada :

1. Bapak Ir. Bambang Setiadji, M.M. selaku Kepala Balai Pendidikan

dan Latihan Metrologi.

2. Istri dan anakku tercinta yang mengerti kesibukkan penulis saat

penulisan bahan ajar ini.

Penulis menyadari bahwa bahan ajar ini masih jauh dari sempurna, baik

dari segi isi maupun penyajian. Maka penulis menerima saran dan kritik

dari semua pihak yang membaca dan menyimaknya sangat diharapkan

oleh penulis.

Semoga bahan ajar ini dapat bermanfaat bagi perkembangan ilmu

pengetahuan dan teknologi di masa yang akan datang.

Bandung, 01 April 2011

Penulis

iv

DAFTAR ISI

Halaman

UCAPAN TERIMA KASIH ............................................ ii

DAFTAR ISI ................................................................. iii

BAB I. PENDAHULUAN

A. Latar Belakang ................................................... ...... 1

B. Deskripsi Singkat ……............................................... 1

C. Manfaat Bahan Ajar Bagi Peserta ………………….... 1

D. Tujuan Pembelajaran ……………………………...…. 2

1. Kompetensi Dasar …………………..…………… 2

2. Indikator Keberhasilan ……………………..……. 2

E. Materi Pokok dan Sub Materi Pokok ................... ...... 2

BAB II. UNSUR, SENYAWA DAN CAMPURAN

A. Pendahuluan ………….……………………………….. 6

B. Unsur ………………………………………………..… 7

C. Senyawa …………………….……………………….... 9

D. Campuran ……………………………………………… 9

E. Rangkuman ………………………………………..…. 10

F. Latihan …………………………………………….….. 11

BAB III. STRUKTUR, IKATAN DAN CACAT PADA LOGAM

A. Struktur Atom dan Ikatan Logam ……………..…….. 12

B. Struktur Kristal Logam ……………………….………. 13

C. Cacat Kristal …………………………………………… 19

D. Rangkuman ……………………………………………. 23

E. Latihan ……………………………………...…………. 24

v

BAB IV. SIFAT MEKANIK LOGAM

A. Pendahuluan ……..................................................... 26

B. Konsep Tegangan dan Regangan............................ 28

C. Pengujian Tegangan ................................................ 30

1. Uji Tekan .............................................................. 32

2. Uji Geser dan Torsi .............................................. 33

D. Deformasi Elastis ..................................................... 34

E. Deformasi Plastis .................................................... 37

F. Sifat Tarik ................................................................. 38

1. Batas Luluh dan Kekuatan Luluh ......................... 38

2. Kekuatan Tarik .................................................... 40

G. Keuletan .................................................................... 41

H. Ketahanan ................................................................. 45

I. Ketangguhan ............................................................. 46

J. Pemulihan Elastis Setelah Deformasi Plastis ............ 47

K. Kekerasan ................................................................. 48

1. Pengujian Kekerasan Rockwell ............................ 50

2. Pengujian Kekerasan Brinell ............................... 54

3. Pengujian Kekerasan Indentasi

Mikro Knoop dan Vickers ……………....…………. 55

4. Konversi Kekerasan ............................................. 56

L. Hubungan Antara Kekerasan dan Kekuatan Tarik ..... 58

M. Rangkuman ................................................................ 58

N. Latihan ........................................................................ 60

BAB V. DIAGRAM FASA

A. Komponen Fasa ......................................................... 61

B. Jenis-jenis Diagram Fasa ........................................... 62

1. Diagram Tekanan –Suhu ...................................... 62

2. Diagram Fasa Biner Isomorf ………….…………… 63

vi

3. Diagram Fasa Biner Eutektik …………….………... 69

C. Penggunaan Diagram Fasa ........................................ 74

D. Rangkuman ................................................................ 75

E. Latihan ........................................................................ 75

BAB VI. DASAR-DASAR PENGECORAN LOGAM

A. Metoda Pengecoran ................................................... 76

1. Pengecoran dengan Cetakan Pasir ……………… 77

2. Pengecoran dengan Cetakan Pelindung ………... 80

3. Pengecoran dengan pola sekali pakai

(dengan pelapis busa) …………………………..… 82

4. Pegecoran dengan cetakan plester ………..……. 83

5. Pengecoran dengan cetakan keramik ………..…. 84

6. Pengecoran investasi ……………………….. 85

7. Pengecoran dengan cara vakum………………..… 85

8. Pengecoran denga Cetakan Tetap ………… 88

9. Pengecoran dengan cetakan permanen ………..... 88

10. Pengecoran dengan cara sentrifugal …………….. 90

B. Desain dan Kualitas Pengecoran ................................ 91

1. Bagian sudut dan ketebalan …………………….… 91

2. Bentuk Draft dan Taper ………………………... 94

3. Penyusutan …………………………………………. 95

4. Garis Pemisah ………………………………...……. 96

C. Rangkuman ................................................................. 97

D. Latihan ........................................................................ 99

BAB VII. TEKNIK PELAPISAN LOGAM

A. Pendahuluan .............................................................. 100

B. Deposisi uap secara kimia

(Chemical vapor deposition) ……………..……………. 101

C. Deposisi uap secara fisik

vii

(Physical vapor deposition) ………………………..…. 104

D. Teknik secara kimia dan elektrokimia ……………...… 105

1. Anodizing ……………………………………..……..… 105

2. Ion Beam Mixing ……………………………………. 107

3. Pickling …………………………………………..…… 106

4. Plating ……………………………………………..…. 106

5. Sol-Gel ……………………………………………….. 107

E. Penyemprotan (Spraying) …………………………..… 108

1. High velocity oxy-fuel spraying (HVOF)………….. 108 2. Plasma Spraying …………………………………… 108 3. Wire arc spray ………………………………….…… 109 4. Cold Spraying ………………………………….…… 110 5. Warm Spraying …………………………………….. 111

F. Rangkuman .................................................................. 111

G. Latihan ......................................................................... 111

BAB VIII. PENUTUP

A. Kesimpulan .................................................................. 112

B. Tindak Lanjut ............................................................... 112

DAFTAR PUSTAKA ................................................. ……… 114

BIO DATA PENULIS ................................................. ……… 115

Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 1

BAB I PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Metrologi adalah ilmu tentang sifat-sifat ukur atau pengetahuan

pengukuran. Metrologi memiliki cakupan ilmu yang sangat luas

yang berasal dari berbagai disiplin ilmu dan salah satunya adalah

teknologi mekanik. Teknologi mekanik berperan dalam pengujian,

produksi, proteksi dan kontrol produksi dari UTTP. Peran teknologi

mekanik sebagai pendukung sangatlah penting karena teknologi

mekanik merupakan dasar dari pengawasan dan kontrol kualitas

dari UTTP yang akan dibuat dan dipasarkan. Seorang penera ahli

harus memiliki pengetahuan mengenai teknologi mekanik karena

penera ahli bukan nantinya bukan hanya dapat memberikan

bimbingan dengan baik terhadap produsen dan usaha reparasi

UTTP tetapi juga dapat mengembangkan UTTP melalui rekayasa

sifat-sifat dari material.

B. Deskripsi Singkat

Mata diklat ini membahas tentang dasar-dasar teknologi mekanik

meliputi pengetahuan tentang jenis dan sifat mekanik material,

teknik pengecoran dan perlindungan logam, pengetahuan tentang

tata cara penggunaan peralatan dan mesin serta teknik pengerjaan

logam.

C. Manfaat Modul Bagi Peserta

Melalui modul ini peserta diklat sebagai calon fungsional penera

ahli dapat lebih memahami hal-hal pokok tentang konsep dasar


sifat mekanik material, teknik pengecoran dan perlindungan logam,

pengetahuan tentang tata cara penggunaan peralatan dan mesin

serta teknik pengerjaan logam sehingga diharapkan akan dapat

memberikan bantuan bimbingan dan konsultasi yang baik terhadap

produsen dan usaha reparasi UTTP.

D. Tujuan Pembelajaran

1. Kompetensi Dasar Setelah mengikuti mata diklat ini diharapkan peserta diklat

mampu menjelaskan tentang prinsip dasar teknologi mekanik

sehingga dapat memberikan bimbingan dengan baik terhadap

produsen dan usaha reparasi UTTP.

2. Indikator Keberhasilan Peserta diklat memahami serta mengenal jenis dan sifat

mekanik material, memahami teknik pengecoran dan

perlindungan logam, memahami teknik penggunaan peralatan

perkakas dan mesin, memahami teknik pengerjaan logam serta

mampu melakukan pengujian, mendemonstrasikan

penggunaan peralatan dan mesin.

E. Materi Pokok dan Sub Materi Pokok 1. Unsur, Senyawa dan Campuran

A. Pendahuluan

B. Unsur

C. Senyawa

D. Campuran

2. Struktur, Ikatan dan Cacat pada Logam

A. Struktur atom dan ikatan logam

B. Struktur kristal logam

C. Cacat kristal


3. Sifat Mekanik Logam

A. Pendahuluan.

B. Konsep tegangan dan regangan

C. Pengujian tegangan

1. Uji tekan

2. Uji geser dan torsi

D. Deformasi elastis

E. Deformasi plastis

F. Sifat tarik

1. Batas luluh dan kekuatan luluh

2. Kekuatan tarik

G. Keuletan

H. Ketahanan

I. Ketangguhan

J. Pemulihan Elastis Setelah Deformasi Plastis

K. Kekerasan

1. Pengujian kekerasan Rockwell

2. Pengujian Kekerasan Brinell

3. Pengujian Kekerasan Indentasi Mikro Knoop dan

Vickers

4. Konversi Kekerasan

L. Hubungan Antara Kekerasan dan Kekuatan Tarik

4. Diagram Fasa

A. Komponen dan Fasa

B. Jenis-jenis Diagram Fasa

1. Diagram Tekanan – Suhu

2. Diagram Fasa Biner Isomorf

3. Diagram Fasa Biner Eutektik

C. Penggunaan Diagram Fasa


5. Dasar-dasar Pengecoran Logam

A. Metoda Pengecoran

1. Pengecoran dengan Cetakan Pasir

2. Pengecoran dengan Cetakan Pelindung

3. Pengecoran dengan pola sekali pakai(dengan

pelapis busa)

4. Pegecoran dengan cetakan plester

5. Pengecoran dengan cetakan keramik

6. Pengecoran investasi

7. Pengecoran dengan cara vakum

8. Pengecoran denga Cetakan Tetap

9. Pengecoran dengan cetakan permanen

10. Pengecoran dengan cara sentrifugal

B. Desain dan Kualitas Pengecoran

1. Bagian sudut dan ketebalan

2. Bentuk Draft dan Taper

3. Penyusutan

4. Garis Pemisah

6. Teknik Pelapisan Logam

A. Pendahuluan

B. Deposisi uap secara kimia (Chemical vapor

deposition)

C. Deposisi uap secara fisik (Physical vapor deposition)

D. Teknik secara kimia dan elektrokimia

1. Anodizing

2. Ion Beam Mixing

3. Pickling

4. Plating

5. Sol-Gel


E. Penyemprotan (Spraying)

1. High velocity oxy-fuel spraying (HVOF) 2. Plasma Spraying 3. Wire arc spray 4. Cold Spraying 5. Warm Spraying


BAB II UNSUR, SENYAWA DAN CAMPURAN

A. Pendahuluan

Materi dialam dapat diklasifikasi dengan berbagai cara. Materi

secara umum dapat diklasifikasi berdasarkan wujudnya, yaitu:

1. Padatan, memiliki bentuk dan volume tetap

2. Cair, memiliki jumlah volume tetap tetapi dapat berubah-ubah

bentuknya.

3. Gas, memiliki bentuk dan volume yang berubah-ubah

Gambar 2.1. Klasifikasi material berdasarkan wujudnya

Materi juga bisa dibagi berdasarkan substansi yang menyusunnya,

yaitu :

a. Logam

b. Plastik

c. Komposit

Indikator keberhasilan:

Setelah mengikuti pembelajaran ini peserta diklat diharapkan mampu :

1. Memahami pengertian unsur, senyawa dan campuran.

2. Memahami definisi dari unsur, senyawa dan campuran.


d. Keramik

e. Kayu

Seiring dengan berkembangnya pengetahuan manusia maka

materi dapat dikombinasi untuk menghasilkan sesuatu materi baru

yang sifatnya dapat direkayasa sesuai dengan kebutuhan.

Gambar 2.2. Klasifikasi material

B. Unsur

Dalam kehidupan sehari-hari semua yang ada dialam ini dibuat

dengan menggabungkan beberapa unsur-unsur yang ada. Unsur

adalah substansi yang tidak dapat dipecah lagi menjadi sesuatu

yang lebih kecil dengan cara apapun.


Gambar 2.3. Kimia kayu saat dibakar

Hingga saat ini telah di temukan lebih dari seratus unsur yang

diperoleh di alam maupun unsur yang berasal dari eksperimen.

Gambar 2.4. Tabel periodik dari unsur-unsur di alam dan buatan

Unsur yang ada dialam dapat diklasifikasikan dengan berbagai

cara. Unsur dapat diklasifikasi berdasarkan sifatnya, yaitu logam

dan non-logam. Diklasifikasikan sebagai logam karena unsur

tersebut akan berbentuk padat pada suhu ruangan (kecuali

merkuri), ulet dan bersifat penghantar listrik yang baik. Sedangkan

unsur non-logam berbentuk padat, cair ataupun gas pada suhu


ruangan, bukan penghantar listrik yang baik dan padatannya

bersifat getas. Secara kimia unsur di klasifikasi dalam table periodik

dan disusun berdasarkan kesamaan sifatnya dan berdasarkan

jumlah protonnya.

C. Senyawa

Senyawa adalah zat yang terbentuk ketika dua atau lebih unsur

secara kimiawi bergabung. Contoh dari senyawa adalah air, garam,

dan gula. Ketika unsur-unsur saling bergabung, atom dari unsur-

unsur tersebut kehilangan sifatnya masing-masing dan memiliki

sifat yang berbeda dari unsur-unsur yang menyusunnya. Rumus

kimia digunakan untuk menunjukkan komposisi senyawa. Huruf,

angka, dan simbol yang digunakan untuk mewakili unsur dan

jumlah unsur dalam masing-masing senyawa.

Gambar 2.5. Contoh senyawa, pada bagian kiri adalah garam

(NaCl) dan bagian kanan adalah paku yang berkarat (Fe2O3)

D. Campuran

Dalam ilmu kimia, campuran adalah suatu sistem material yang

dibuat oleh dua atau lebih zat yang berbeda yang dicampur

bersama-sama tetapi bergabung secara kimia (tidak terjadi reaksi

kimia). Campuran mengacu pada kombinasi fisik dari dua atau lebih

zat yang berbeda sifatnya yang akan menghasilkan suatu bentuk

paduan, larutan, suspensi, dan koloid.


Campuran adalah suatu produk dari perpaduan secara mekanis

atau mencampur zat kimia seperti unsur-unsur dan senyawa, tanpa

merubah ikatan atau terjadi perubahan kimia, sehingga setiap

bahan-bahan yang dipakai untuk mencampur masih memiliki sifat

kimia awalnya. Meskipun demikian, walaupun tidak ada perubahan

kimia untuk unsur-unsur penyusunnya, sifat fisik campuran, seperti

titik leleh, mungkin berbeda dari komponen penyusunnya.

Beberapa campuran dapat dipisahkan menjadi komponen-

komponen mereka dengan cara fisik (secara mekanik atau termal).

Campuran dapat berupa campuran homogen atau heterogen.

Campuran homogen adalah jenis campuran di mana komposisinya

seragam. Campuran heterogen adalah jenis campuran di mana

komposisi dengan mudah dapat diidentifikasi, karena ada dua atau

lebih pada fasa ini. Udara adalah campuran homogen dari gas

nitrogen, oksigen, dan sejumlah kecil bahan yang lainnya. Garam,

gula, dan masih banyak zat lain yang dapat larut dalam air akan

membentuk campuran homogen.

E. Rangkuman

Materi dapat diklasifikasikan menjadi substansi murni dan

campuran. Substansi murni dapat dibagi kembali menjadi unsur

dan senyawa. Unsur adalah substansi yang tidak dapat dipecah

lagi menjadi sesuatu yang lebih kecil dengan cara apapun

sedangkan senyawa adalah zat yang terbentuk ketika dua atau

lebih unsur secara kimiawi bergabung. Substansi campuran adalah

suatu produk dari perpaduan secara mekanis atau mencampur zat

kimia seperti unsur-unsur dan senyawa, tanpa merubah ikatan atau

terjadi perubahan kimia.


F. Latihan

Jawablah / kerjakan soal latihan berikut:

1. Sebutkan definisi unsur dan campuran homogen!

2. Sebutkan definisi senyawa dan campuran heterogen!

3. Klasifikasikan contoh dibawah ini dalam kelompok unsur,

senyawa atau campuran:

Sodium, barium sulfat, kalium klorida, karat, alkohol, air, udara,

tanah, susu, oli, benzene, terpentin dan formalin.


BAB III STRUKTUR, IKATAN DAN CACAT

PADA LOGAM

A. Struktur Atom dan Ikatan Logam

Sebelumnya kita telah mengetahui cara-cara mengklasifikasi suatu

material. Pembahasan berikut hanya akan menekankan material

yang bersifat padatan (solid) dan pembahasan di utamakan untuk

logam. Logam banyak digunakan karena memiliki berbagai sifat

seperti kuat, lentur, titik leleh yang tinggi, konduktivitas panas dan

listrik yang baik dan tangguh. Sama seperti unsur-unsur, logam-

logam juga terdiri dari atom-atom. Kekuatan pada logam berasal

dari ikatan antar atom yang berikatan sangat kuat. Tetapi ikatan ini

juga membiarkan atom-atom dari logam untuk bergerak, sehingga

logam-logam dapat dibentuk menjadi lembaran atau kawat.

Gambar 3.1. Ikatan logam



1. Memahami bentuk struktur atom dan ikatan dari logam. 2. Memahami susunan dasar dari kristal logam. 3. Memahami bentuk cacat pada struktur logam.


Model diatas menunjukkan atom-atom terikat bersama ikatan yang

terdelokalisasi tetapi ikatan tersebut tetap kuat. Ikatan ini dapat

terjadi antar atom-atom logam yang memiliki elektronegativitas

yang tinggi dan tidak menarik elektron valensinya dengan kuat. Hal

ini mengakibatkan elektron terluar dapat dipakai oleh atom

disekitarnya, menghasilkan ion-ion positif (kation) yang dikelilingi

oleh lautan elektron atau lebih dikenal dengan “awan elektron”.

Berbeda dengan ikatan atom unsur lainnya yang ikatannya terjadi

antar satu atau dua atom, logam dikatakan tidak memiliki ikatan

yang sejati antar atomnya karena elektron-elektron valensi dari tiap-

tiap atom digunakan secara bersama oleh atom lainnya sehingga

ikatan logam lebih kuat dan seragam. Pada suhu diatas titik

lelehnya logam akan mencair dan jika didinginkan maka atom-

atomnya akan menyusun kembali akan kembali membentuk

padatan.

Logam memiliki struktur atom raksasa yang terikat dengan ikatan

logam. “Raksasa” disini menujukkan besarnya variabel yang terlibat

didalamnya dan bergantung pada ukuran logamnya. Kebanyakan

logam memiliki susunan atom yang padat dan berusaha memuat

sebanyak mungkin atom dalam volume yang tersedia.

Gambar 3.2. Susunan padat dari atom logam

B. Struktur Kristal Logam

Untuk membentuk ikatan logam yang sangat kuat, logam disusun

bersama-sama serapat mungkin. Ada beberapa cara penyusunan


dari atom-atomnya. Jika kita umpamakan atom-atom yang

menyusun logam adalah kelereng, kemudian kelereng-kelereng

tersebut kita susun dalam sebuah kotak. Kelereng-kelereng

tersebut akan menempati bagian bawah kotak dengan membentuk

barisan yang teratur dan rapi, demikian diikuti oleh barisan kedua

dan seterusnya. Lapisan kedua kelereng tidak dapat menempati

langsung ruang kosong tepat di atas kelereng lapisan pertama

sehingga deretan kelereng di lapisan ini bergerak ke dalam ruang

antara kelereng dari lapisan pertama. Lapisan kelereng pertama A

dan lapisan kedua B akan membentuk lapisan AB jika

digabungkan.

Gambar 3.3. Susunan lapisan A dan B menyusun diri dengan

mengisi ruang kosong semaksimal mungkin agar memiliki struktur

yang padat

Saat akan menyusun lapisan ke tiga juga harus tepat. Atom pada

lapis ke tiga akan bersarang di cekungan antara atom-atom di

lapisan kedua dengan dua cara. Jika kelereng baris ke tiga disusun

seperti pada baris pertama A, maka pengaturannya akan

digambarkan sebagai ABA. Jika disusun terus hingga menjadi

ABABAB maka susunan tersebut biasa disebut dengan susunan

hexagonal close packing (HCP).


Gambar 3.4. Susunan hexagonal close packing (HCP)

Jika baris atom dikemas dalam lapisan ketiga tidak berada dalam

bentuk lapisan A atau B, maka lapisan ketiga disebut C. Urutan

susunannya akan menjadi ABCABC, dan bentuk ini dikenal sebagai

kubik berpusat muka atau face-centered cubic (FCC). Pengaturan

seperti ini memberikan kemasan atom yang saling

berdekatansehingga hanya meninggalkan sekitar seperempat

ruang yang tersedia kosong.

Gambar 3.5. Susunan face-centered cubic (FCC)

Pengulangan susunan terkecil dari atom dalam kristal disebut sel

satuan. Dalam pengaturan FCC, ada delapan atom di sudut sel unit

dan satu atom berpusat di setiap wajah. Atom di wajah berbagi

dengan sel yang berdekatan. Unit sel FCC terdiri dari empat atom,

seperdelapan di delapan di sudut-sudut dan setengah di enam

bagian di wajah.


Gambar 3.6. Jumlah atom penyusun satu unit sel FCC

Susunan pengaturan ketiga yang umum pada logam adalah kubik

berpusat-badan atau body-centered cubic (BCC). Sel satuan BCC

memiliki atom pada masing-masing delapan sudut kubus plus satu

atom di pusat kubus. Karena setiap atom di sudut adalah atom

untuk sudut kubus lain, atom di setiap sudut sel satuan akan dibagi

di antara delapan sel unit.

Gambar 3.7. Susunan body-centered cubic (BCC)

Sel satuan BCC terdiri dari total bersih dari dua atom, sebuah yang

ada di pusat dan seperdelapan di delapan sudut-sudut.


Gambar 3.8. Jumlah atom penyusun satu unit sel BCC

Dibawah ini adalah bentuk beberapa kristal unsur logam pada suhu

kamar.

Tabel 3.1. Struktur kristal beberapa logam pada suhu kamar

Nama Unsur

Logam

Struktur

Kristal

Nama Unsur

Logam

Struktur

Kristal

Aluminum FCC Nikel FCC

Kadmium HCP Niobium BCC

Kromium BCC Platinum FCC

Kobalt HCP Perak FCC

Tembaga FCC Titanium HCP

Emas FCC Vanadium BCC

Besi BCC Seng HCP

Timah FCC Zirconium HCP

Magnesium HCP

Saat atom suatu logam cair mulai menyusun bersama untuk

membentuk kisi kristal pada titik bekunya, kelompok-kelompok dari

atom-atom ini akan membentuk suatu kristal kecil. Kristal kecil ini

akan bertambah ukurannya dengan bertambahnya atom terus-


menerus saat terjadi pendinginan.Padatan kristal yang dihasilkan

tidak menghasilkan satu kristal kristal saja tapi menghasilkan

banyak kristal-kristal kecil yang disebut butiran (grains).

Gambar 3.9. Pertumbuhan kristal menghasilkan butiran

Butiran-butiran kristal ini akan tumbuh sampai mereka menimpa

atau berlanggaran dengan kristal yang tumbuh berdekatan.

Antarmuka yang terbentuk antara butiran kristal disebut batas butir

(grain boundary). Suatu butiran kadang-kadang cukup besar untuk

terlihat di bawah mikroskop cahaya biasa atau bahkan dengan

kasat mata.

Gambar 3.9. Bentuk butiran logam pada pengamatan

dengan mikroskop pembesaran berbeda-beda


C. Cacat Kristal

Kristal pada logam tidaklah sempurna. Terkadang pada susunan

atom-atom, ikatan antar atom-atom dan pada permukaan kristalnya

terdapat cacat. Secara garis besar terdapat tiga jenis cacat kristal,

yaitu :

1. Cacat titik, terdapat ruang kosong yang biasa disebut dengan

lowong (vacancies), dimana sebuah atau lebih atom yang

hilang. Cacat ini paling sering terjadi terutama pada suhu tinggi

ketika atom sering berubah posisi secara acak dan atom-atom

akan tersebut meninggalkan kisi-kisi kosong. Proses difusi

hanya dapat terjadi karena adanya kekosongan tersebut.

Gambar 3.10. Cacat titik

2. Cacat garis, terdapat kumpulan atom yang tersusun dengan

tidak sebagaimana mestinya dan biasanya disebut dengan

dislokasi. Dislokasi didefinisikan sebagai cacat dimana dua

daerah dari kristal yang sempurna terganggu oleh suatu

susunan atom kristal yang tidak sejajar dengan susunan yang

sempurna tersebut.


Gambar 3.11. Cacat garis.

Dislokasi memiliki gerak analog dengan gerakan ulat. Ulat

tersebut harus mengerahkan kekuatan besar untuk

menggerakkan seluruh tubuhnya sekaligus, sehingga ulat akan

menggerakan sebagian kecil belakang tubuhnya ke depan yang

kemudian menciptakan punuk. Punuk kemudian bergerak ke

depan hingga akhirnya seluruh tubuh bergerak ke depan.

Ada dua jenis sederhana dari dislokasi, yaitu:

- Dislokasi tepi (Edge dislocation),

Gambar 3.12. Pergerakan dislokasi tepi.

Seperti yang ditunjukkan pada gambar di atas, dislokasi

bergerak sedikit pada suatu waktu. Dislokasi bergerak persatu


bidang kearah kanan dari posisi gambar (a) ke posisi pada

gambar (b) dan akhirnya gambar (c). Dalam proses tergelincir

dari satu bidang ke bidang lainnya, dislokasi tersebut akan

menjalar di seluruh kristal. Gerakan bidang dislokasi pada

akhirnya menyebabkan pergerakan seluruh bagian atas kristal

terhadap setengah bidang kristal di bawahnya. Namun, hanya

sebagian kecil dari ikatan yang putus pada waktu itu. Gerakan

dengan cara ini membutuhkan kekuatan yang jauh lebih kecil

dibandingkan memutuskan semua ikatan di tengah bidang

secara bersamaan.

‐ Dislokasi ulir (Screw dislocation),

Gambar 3.13. Pergerakan dislokasi ulir.

Dislokasi dengan cara ini sama dengan dislokasi tepi dimana

hanya dibutuhkan energi yang lebih kecil dibandingkan harus

memutuskan seluruh ikatan. Perbedaannya hanya terletak pada

pemutusan ikatannya dimana pada dislokasi tepi pemutusan

ikatan atom terjadi seiring dengan perpindahan atom-atom

tersebit ke bidang disebelahnya, sedangkan pada dislokasi ulir

atom-atom pada bidang geser akan bergeser kearah

dislokasinya tetapi pemutusan ikatan tidak terjadi secara


spontan saat perpindahan sehingga pergerakan pada dislokasi

ulir bersifat pararel terhadap arah tegangan. Pergerakan

dislokasi ulir dan tepi pada akhirnya akan sama.

3. Cacat planar, terjadi pada permukaaan homogen antar butir

material. Hal ini terjadi karena adanya gangguan pada susunan

urutan atom-atom. Akibat gangguan ini akan menghasilkan dua

jenis cacat kristal, yaitu: (1) salah tumpuk (stacking fault) dan (2)

daerah kembar (twin region). Perubahan pada urutan beberapa

atom akan menghasilkan salah tumpuk sedangkan perubahan

jarak atom pada beberapa bidang atom akan menghasilkan

wilayah kembar. Salah tumpuk terjadi karena adanya gangguan

susunan pada satu atau dua lapisan dalam urutan tumpukan

dari bidang atom. Salah susun dapat terjadi pada struktur kristal,

tetapi paling mudah untuk diamati bagaimana terjadinya pada

struktur yang padat. Sebagai contoh, diketahui dari

pembahasan sebelumnya bahwa struktur FCC memiliki struktur

yang berbeda dari struktur HCP hanya dari urutan

penumpukkannya. Baik HCP dan FCC, dua lapisan awalnya

memiliki urutan yang sama, yaitu AB. Jika lapisan ketiganya A

maka urutannya akan menjadi ABA yaitu struktur HCP, dan

susunannya menjadi ABABABAB. Namun jika atom lapisan

ketiga C maka urutannya akan menjadi ABC yaitu struktur FCC.

Jadi jika struktur HCP berubah menjadi ABABABCABAB, maka

telah terjadi salah susun. Demikian juga pada susunan FCC

dengan pola ABCABCABC. Salah susun dalam sebuah struktur

FCC akan muncul jika salah satu bidang C hilang, sehingga

susunannya akan menjadi ABCABCAB_ABCABC. Jika salah

susun tidak segera melakukan koreksi diri tetapi sampai

beberapa bidang atom, maka akan menghasilkan salah susun

kedua yang mirip dengan lapisan pertama. Misalnya jika pola


penumpukan ABABABAB tetapi berubah menjadi ABCABCABC

untuk jangka waktu tertentu sebelum beralih kembali ke

ABABABAB, hal itu menyebabkan terbentuknya salah susun

kembar (twin). Daerah yang digaris bawahi pada urutan

penumpukan yang terjadi ABCABCACBACBABCABC adalah

bidang kembar dan batas-batas kembarnya adalah bidang A.

Gambar 3.14. Cacat planar menghasilkan daerah kembar (twin).

D. Rangkuman

1. Ikatan logam terjadi karena atom-atom dari logam terikat

bersama dengan ikatan yang terdelokalisasi. Ikatan ini dapat

terjadi antar atom-atom logam yang memiliki elektronegativitas

yang tinggi dan tidak menarik elektron valensinya dengan kuat.

Hal ini mengakibatkan elektron terluar dapat dipakai oleh atom

disekitarnya, menghasilkan ion-ion positif (kation) yang

dikelilingi oleh lautan elektron atau lebih dikenal dengan “awan

elektron”.

2. Struktur umum kristal logam adalah hexagonal close packing

(HCP), face-centered cubic (FCC) dan body-centered cubic

(BCC). Strukturnya bergantung dari n susunan atom-atom pada

tiap lapisanya.


3. Jumlah atom pada unit sel FCC adalah 4 atom dan pada BCC

adalah 2 atom.

4. Pada kristal logam dapat terjadi cacat:

- Cacat titik

- Cacat garis

- Cacat planar

5. Cacat titik terjadi karena terdapat ruang kosong yang biasa

disebut dengan lowong (vacancies), dimana sebuah atau lebih

atom yang hilang.

6. Terdapat kumpulan atom yang tersusun dengan tidak

sebagaimana mestinya dan biasanya disebut dengan dislokasi.

Dislokasi didefinisikan sebagai cacat dimana dua daerah dari

kristal yang sempurna terganggu oleh suatu susunan atom

kristal yang tidak sejajar dengan susunan yang sempurna

tersebut. Ada dua jenis sederhana dari dislokasi, yaitu:

‐ Dislokasi tepi (Edge dislocation)

‐ Dislokasi ulir (Screw dislocation)

7. Cacat planar terjadi pada permukaaan homogen antar butir

material. Hal ini terjadi karena adanya gangguan pada susunan

urutan atom-atom. Cacat planar ada dua jenis yaitu:

‐ Salah tumpuk (stacking fault)

‐ Daerah kembar (twin region).

E. Latihan


1. Mengapa ikatan logam membentuk ikatannya dengan cara

terdelokalisasi? Gambarkan ikatannya! 2. Tuliskan struktur kristal logam dari :

- Aluminum - Nikel


- Perak - Titanium - Emas - Besi

3. Gambarkan dislokasi tepi dan ulir! 4. Apa yang disebut dengan daerah kembar?


BAB IV SIFAT MEKANIK LOGAM

A. Pendahuluan

Material adalah suatu substansi yang dapat dibuat dan dimodifikasi

komposisinya. Sejak peradaban manusia dimulai, material dan

energi secara bersama-sama digunakan oleh manusia untuk

meningkatkan taraf hidup. Material berada dimana-mana disekitar

kita. Beberapa material yang umum yang biasa dilihat sehari-hari

diantaranya kayu, beton, batu bata, plastik, kaca, aluminum,

tembaga ,kertas dan masih banyak jenis material yang ada

disekitar kita. Dengan semakin banyaknya penelitian yang

dilakukan, maka semakin pesat penemuan material baru saat ini.

Ini adalah suatu keahlian dasar yang wajib dimiliki oleh seorang

penera ahli untuk memahami bagaimana berbagai sifat mekanik

diukur dan sifat ini mewakili untuk apa, para penera ahli mungkin

diminta untuk merancang suatu struktur / komponen dari suatu alat

ukur dengan menggunakan material yang telah ditentukan yang

dan telah memperhatikan faktor tertentu sehingga tingkat deformasi

dan atau kegagalan suatu alat ukur tidak akan terjadi. Banyak

materi, ketika dalam pemakaian akan menjadi sasaran kekuatan

atau beban; contohnya pada pisau di timbangan meja yang terbuat

dari besi karbon yang didisain memiliki kekerasan tertentu dan pelat

baja yang digunakan dalam pembuatan tangki timbun dan tutsit.



1. Memahami sifat-sifat mekanik logam.


Dalam situasi seperti itu diperlukan untuk mengetahui karakteristik

material dan untuk merancang bagian per bagian bagian dari alat

tersebut dibuat sedemikian rupa sehingga apapun yang dihasilkan

deformasi dan pengaruh dari lingkungan yang terjadi tidak akan

berlebihan dan tidak akan mengubah karakteristik pengukuran dari

alat yang ditera.

Perilaku mekanik suatu material mencerminkan hubungan antara

respon atau deformasi ke beban yang diterapkan atau kekuatan

yang diberikan. Beberapa sifat mekanik yang penting adalah

kekuatan, kekerasan, keuletan, dan kekakuan. Sifat mekanis bahan

harus dipastikan dengan hati-hati dan dilakukan perancangan dan

pengujian dengan kondisi pemakaian.

Gambar 4.1. Pisau penunjuk dan bantalannya pada timbangan

meja.

Faktor-faktor yang harus dipertimbangkan termasuk sifat beban

yang akan diterima, lama pemakaian serta kondisi lingkungan. Hal

ini dimungkinkan untuk beban yang akan mengalami beban tarik,

tekan, atau geser, dan besarnya mungkin akan terus-menerus pada

waktu tertentu, atau mungkin beban yang diberikan berfluktuasi

terus menerus. Aplikasi waktu mungkin hanya sepersekian detik,


atau mungkin bisa berlangsung selama bertahun-tahun. Selain itu

pengaruh suhu pemakaian dapat menjadi faktor penentu lainnya.

Gambar 4.2. Korosi pada tangki silinder.

Sifat mekanik dari suatu bahan material akan penting bagi

beberapa pihak (misalnya, produsen dan konsumen dari suatu

bahan material, organisasi penelitian, lembaga pemerintah) yang

akan berbeda tingkat kepentingannya. Akibatnya, sangat penting

akan ada konsistensi dalam cara suatu tes dilakukan, dan dalam

interpretasi hasil dari suatu pengujian. Konsistensi ini dilakukan

dengan menggunakan teknik pengujian yang telah di standarkan.

Pengadaan dan publikasi standar ini sering dikoordinasikan oleh

masyarakat profesional. Di Amerika Serikat organisasi yang paling

aktif adalah American Society for Testing and Materials (ASTM).

Referensi dalam pengujian dan pemilihan material di Indonesia

sebagian masih menggunakan acuan dari ASTM.

B. Konsep Tegangan dan Regangan

Jika suatu benda mengalami sebuah beban statis atau terjadi

perubahan yang relatif lambat dengan waktu dan beban diberikan

secara seragam pada daerah melintang pada permukaan benda


uji, perilaku mekaniknya dapat diprediksi oleh tes tegangan-

regangan sederhana. Cara inilah yang paling sering dilakukan

untuk logam pada suhu kamar. Ada tiga cara utama di mana beban

dapat diterapkan: yaitu, ketegangan, kompresi, dan geser. Dalam

penerapan secara teknik, kebanyakan beban bersifat torsional

ketimbang gaya geser murni, jenis pembebanan ini diilustrasikan

pada gambar dibawah ini.

Gambar 4.3. (a) Skema ilustrasi bagaimana suatu beban tarik

menghasilkan perpanjangan (elongasi) dan tegangan linier positif.

Garis putus-putus menunjukkan mengambarkan bentuk awal

sebelum terjadinya deformasi, sedangkan garis tebal menunjukkan

keadaan setelah terdeformasi. (b) Skema ilustrasi bagaimana

suatu beban tekan menghasilkan kontraksi dan menghasilkan


tegangan linier negatif. (c) Representasi skematik dari tegangan

geser γ, dimana γ = tan θ. (d) Skema ilustrasi dari deformasi

torsional (dengan sudut puntir Φ) yang dihasilkan dari momen T

yang diberikan.

C. Pengujian Tegangan

Salah satu pengujian mekanis tegangan-regangan yang paling

umum dilakukan adalah pengujian tegangan. Akan kita lihat nanti

bagaimana uji tegangan dapat digunakan untuk menentukan

beberapa sifat mekanik dari bahan yang penting dalam desain

produk. Suatu specimen uji dideformasi hingga patah dengan

beban tarik yang meningkat secara bertahap yang diterapkan di

sepanjang sumbu uniaksial dari panjang spesimen. Sebuah

spesimen tarik dibuat seperti pada gambar 4.4. Biasanya, potongan

penampang dari spesimen uji dibuat berbentuk melingkar, tetapi

spesimen berbentuk persegi panjang juga bisa digunakan. Bentuk

“tulang anjing” ini dipilih karena pada saat terjadi deformasi selama

pengujian, deformasi akan terjadi pada wilayah tengah pusat yang

sempit (yang memiliki sayatan melintang seragam sepanjang

spesimen), dan juga untuk mengurangi kemungkinan patahan pada

ujung spesimen. Diameter standarnya adalah sekitar 12,8 mm,

sedangkan penurunan panjang bagian umumnya sekitar empat kali

diameter ini atau sekitar 60 mm.

Gambar 4.4. Spesimen uji standar bentuk sayatan melintang yang

melingkar.


Perubahan panjang gauge digunakan untuk perhitungan keuletan

material nilai standarnya adalah 50 mm.

Gambar 4.5. Skema alat uji beban tarik.

Spesimen dipasang pada penjepit pada alat uji tarik (Gambar 4.5).

Mesin uji tarik dirancang untuk membuat spesimen memanjang

dengan laju yang konstan, terus menerus dan sekaligus mengukur

secara terus menerus beban yang diterapkan sesaat (dengan load

cell) dan elongasi yang dihasilkan (menggunakan extensometer).

Sebuah tes tegangan-regangan biasanya memakan waktu untuk

melakukan dan pengujiannya bersifat merusak karena benda uji

akan secara permanen cacat dan biasanya retak. Pengujian ini

berdasarkan Standar ASTM E 8 dan 8M E.

Output dari uji tarik akan tercatat (biasanya pada komputer)

sebagai beban atau gaya terhadap elongasi. Karakteristik

deformasi – beban ini bergantung pada ukuran specimen uji.

Contohnya, akan dibutuhkan dua kali beban untuk menghasilkan

perpanjangan yang sama jika luas penampang specimen dibuat

dua kalinya. Untuk meminimalkan faktor geometri, beban dan

elongasi dinormalisasi dengan menggunakan parameter tegangan


dan regangan teknis masing-masing. Tegangan teknis didefinisikan

oleh hubungan

di mana F adalah beban seketika yang diterapkan ke spesimen

secara tegak lurus, dinyatakan dalam satuan newton (N), dan A0

adalah bidang yang belum mengalami beban (m2). Unit untuk

tegangan teknis (selanjutnya hanya disebut tegangan) adalah

megapascal, MPa (SI) (di mana 1 MPa = 106 N/m2). Regangan

teknis didefinisikan dengan

di mana l0 adalah panjang asli sebelum beban ditambahkan, dan li

adalah perubahan panjangnya. Kadang selisih l0 - li dinotasikan

dengan Δl. Regangan teknis (selanjutnya disebut regangan) tidak

berunit, tetapi kadang dinyatakan dalam meter per meter sering

digunakan, nilai dari regangan kenyataannya tidak bergantung dari

unit sistem. Kadang regangan dinyatakan sebagai persentase yang

mana nilai regangan dikalikan dengan 100.

1. Uji Tekan

Pengujian tegangan-regangan tekan dapat dilakukan jika gaya

yang diterapkan masuk dalam beban kerjanya. Uji tekan dilakukan

dengan cara yang sama dengan uji tarik, kecuali gaya yang

diberikan adalah gaya tekan dan spesimen mengalami kontak

sepanjang arah tegangan.


Gambar 4.6. Alat Uji Tekan.

Persamaan tekanan dan regangan digunakan untuk menghitung

tegangan tekan dan regangan tekan. Menurut konvensi, kekuatan

tekan diberi notasi negatif, dimana akan menghasilkan tegangan

negatif. Selain itu, karena l0 lebih besar dari li, regangan tekan yang

dihitung akan menghasilkan tegangan yang bernilai negatif. Uji tarik

lebih umum dilakukan karena lebih mudah untuk dilakukan dan

juga, untuk bahan yang paling banyak digunakan dalam aplikasi

struktural, hanya sedikit informasi tambahan yang diperoleh dari

hasil pengujian tekan.

2. Uji Geser dan Torsi

Untuk pengujian menggunakan beban geser murni seperti pada

gambar 4.1.c, tegangan geser (τ) dapat dicari dengan

menggunakan persamaan

Dimana F adalah beban atau gaya yang dikenakan sejajar dengan

bagian permukaan atas dan bawah masing-masing yang memiliki


wilayah seluas A0. Tegangan geser γ didefinisikan sebagai tangen

dari sudut regangan θ. Unit untuk tegangan dan regangan geser

sama seperti bentuk tarik mereka. Gaya torsi adalah variasi dari

gaya geser murni, dimana saat bagian struktural berkerut seperti

pada Gambar 4.3.d, gaya torsi akan menghasilkan gerak rotasi

terhadap sumbu longitudinal disalah satu ujung bagian relatif

terhadap ujung lainnya. Contoh dari gaya torsi dapat ditemukan

pada as mesin dan poros kardan, dan juga untuk alat bor.

Pengujian torsi biasanya dilakukan pada poros silinder yang padat

atau pada tabung. Tegangan geser τ adalah fungsi dari putaran

yang diberikan T, dimana regangan geser γ berhubungan dengan

putaran sudut yang terjadi Φ, seperti pada gambar 4.3.d.

D. Deformasi Elastis

Tingkat dimana suatu struktur terdeformasi atau meregang

bergantung pada besarnya suatu tekanan yang diakibatkan. Untuk

sebagian besar logam yang ditekan dan pada tingkat tegangan

yang relatif rendah, tegangan dan regangan sebanding satu

dengan lainnya melalui hubungan,

Ini dikenal sebagai hukum Hooke, dan konstanta proporsionalitas E

(GPa atau psi) adalah modulus elastisitas, atau modulus Young.

Untuk logam-logam tertentu nilainya berkisar antara 45 GPa untuk

magnesium, dan 407 GPa untuk tungsten. Nilai modulus elastisitas

untuk beberapa logam pada suhu kamar dapat dilihat pada Tabel

4.1.


Tabel 4.1. Modulus Geser, Elastis dan Rasio Poisson

untuk Beberapa Jenis Logam Paduan

Deformasi di mana tegangan dan regangan terjadi secara

proporsional disebut deformasi elastis. Pada diagram dibawah

terjadi hubungan linear antara tegangan (ordinat) terhadap

regangan (absis),

Gambar 4.7. Skema diagram tegangan – regangan menunjukkan

deformasi elastis linier saat siklus pembebanan dan pelepasan

beban.

Kemiringan dari slope diagram tegangan regangan dapat

digunakan untuk menunjukkan modulus elastisitas E. Pada diagram

diatas terlihat bahwa material tersebut bersifat kaku atau material

tersebut tahan terhadap deformasi elastis. Semakin besar


modulusnya, semakin kaku bahan tersebut, atau regangan elastis

yang terjadi lebih kecil elastis saat diberikan suatu tegangan

tertentu. Modulus elastisitas merupakan parameter penting dari

suatu desain yang digunakan untuk menghitung defleksi elastis

suatu material.

Deformasi elastis bersifat tidak permanen, yang berarti bahwa

ketika beban yang diterapkan dilepaskan, material akan kembali ke

bentuk awalnya. Seperti yang ditunjukkan dalam gambar 4.7, saat

spesimen uji di beri beban maka diagramnya akan bergerak sesuai

sepanjang garis lurus dan setelah beban dilepaskan, maka

diagramnya akan kembali berlawanan arah dari arah naiknya dan

kembali ke asal.

Ada beberapa material (misalnya, besi cor kelabu, beton, dan

polimer) memiliki bentuk kurva tegangan-regangan yang tidak linier,

sehingga untuk menentukan modulus elastisitasnya tidak dapat

ditentukan seperti pada gambar 4.7.

Untuk material dengan sifat nonlinier ini, modulus elastisitasnya

dapat diperoleh dengan menggunakan modulus tangen atau sekan.

Modulus tangent diambil sebagai kemiringan kurva tegangan-

regangan pada beberapa tingkat tegangan tertentu, sementara

modulus sekan merupakan kemiringan garis potong awal ke

beberapa titik dari kurva σ - Є seperti pada gambar 4.8.


Gambar 4.8. Skema diagram tegangan – regangan yang

menunjukan sifat elastisitas non-linier, dan cara mencari modulus

sekan dan tangennya.

E. Deformasi plastis

Untuk kebanyakan bahan logam, deformasi elastis pada saat

regangan hanya terjadi sekitar 0,005. Saat material terdeformasi

melewati titik ini, tegangan tidak lagi proporsional terhadap

regangan (hukum Hooke tidak dapat digunakan lagi disini), dan

terjadi perubahan permanen, atau deformasi palstis terjadi. Gambar

4.9.a menggambarkan skematis periaku tarik tegangan-regangan

untuk beberapa logam saat masuk ke wilayah plastis.

Transisi dari elastis ke plastik terjadi secara bertahap bagi sebagian

besar logam, beberapa terdapat hasil kurva yang melengkung pada

awal terjadinya deformasi plastik, yang meningkat lebih cepat

dengan meningkatnya tegangan. Dari perspektif atom, deformasi

plastik terjadi dengan memutuskan ikatan dengan atom tetangga

aslinya dan kemudian membentuk ikatan baru dengan atom

tetangga. Hal ini terjadi terus menerus pada saat tegangan

diberikan karena sejumlah besar atom atau molekul bergerak relatif


terhadap satu sama lain, dan pada saat tegangan dilepaskan

mereka tidak kembali ke posisi semula.

Gambar 4.9. a) Bentuk khas dari perilaku logam untuk

menunjukkan deformasi elastis dan plastis, batas proporsionalnya

P, dan kekuatan luluh ditentukan menggunakan metode offset

0,002 regangan. (b) Perwakilan dari perilaku tegangan-regangan

pada beberapa baja menunjukkan adanya fenomena titik luluh.

F. Sifat Tarik

1. Batas Luluh dan Kekuatan Luluh

Kebanyakan struktur dirancang untuk memastikan bahwa hanya

deformasi elastis yang akan terjadi ketika tegangan diterapkan.

Sebuah struktur atau komponen yang telah mengalami deformasi

plastis, atau mengalami perubahan permanen, tidak dapat

digunakan seperti fungsi awal yang diinginkan sebelum perubahan

tersebut terjadi. Oleh karena perlu diketahui pada tingkat tegangan

mana deformasi plastik dimulai, atau dimana fenomena batas luluh

terjadi. Untuk logam, transisi elastis – plastis terjadi secara


bertahap, titik luluh dapat ditentukan saat terjadi perubahan

linearitas dari kurva tegangan-regangan, batas ini kadang-kadang

disebut batas proporsional, seperti ditunjukkan oleh titik P pada

Gambar 4.9.a. Dalam kasus seperti ini posisi titik ini mungkin tidak

ditentukan dengan tepat. Sebagai konsekuensi, telah disepakati

konvensi dimana garis lurus dibangun sejajar dengan bagian elastis

dari kurva tegangan-regangan di beberapa regangan offset

tertentu, biasanya 0,002. Tegangan yang terletak pada

persimpangan garis pada kurva tegangan-regangan saat garis

tersebut melengkung pada wilayah plastis akan didefinisikan

sebagai kekuatan luluh. Ini ditunjukkan dalam Gambar 4.9.a dan

unit dari kekuatan luluh adalah MPa atau psi. Untuk material yang

memiliki wilayah elastis nonlinier (Gambar 4.8), penggunaan

metode regangan offset tidak mungkin dilakukan, digunakan

beberapa pengujian untuk mendefinisikan kekuatan luluh dengan

memberikan beberapa tegangan untuk menghasilkan beberapa

regangan (misalnya dengan menggunakan Є = 0.005).

Beberapa baja dan bahan lainnya menunjukkan perilaku tegangan-

regangan tarik sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 4.9.b.

Transisi elastis – plastis dapat terjadi secara tiba-tiba dan hal ini

biasa disebut sebagai fenomena batas luluh. Pada batas luluh atas,

deformasi plastik dimulai dengan penurunan aktual dari tegangan.

Deformasi lanjutannya hanya berfluktuasi sedikit dan nilainya

hampir konstan dengan nilai tegangan (disebut titik luluh bawah).

Tegangan kemudian akan meningkat dengan meningkatnya

regangan. Untuk logam yang menampilkan pengaruh ini, kekuatan

luluhnya diambil sebagai dari rata-rata tegangan yang berhubungan

dengan titik luluh bawah, karena nilainya terdefinisi dengan baik

dan relatif tidak sensitif terhadap pengujian. Sehingga tidak perlu

diterapkan metode regangan offset untuk material seperti ini.


Besarnya kekuatan luluh pada logam adalah menjadi ukuran

ketahanan terhadap terjadinya deformasi plastis. Kekuatan

luluhnya dapat berkisar dari 35 MPa (5000 psi) untuk aluminum

berkekuatan rendah hingga lebih dari 1400 MPa (200,000 psi)

untuk baja kekuatan tinggi.

2. Kekuatan Tarik

Setelah meluluh, tegangan diperlukan meningkatkan laju deformasi

plastis logam hingga titik maksimum M (Gambar 4.9), dan

kemudian menurun pada saat putus F. Kekuatan tarik (dalam MPa

atau psi) adalah tegangan maksimum pada kurva tegangan-

regangan teknis (Gambar 4.10). Ini sesuai dengan tegangan

maksimum yang dapat diterima oleh struktur material pada saat

tegang, jika stres ini terus diberikan maka akan terjadi fenomena

patah. Semua deformasi yang terjadi pada saat ini bersifat seragam

di seluruh wilayah spesimen tarik.

Namun saat tegangan maksimum dilewati, penyempitan kecil atau

terjadinya leher pada spesimen di beberapa titik, deformasi

selanjutnya terkonsentrasi di daerah ini, seperti yang ditunjukkan

pada gambar 4.10. Fenomena ini disebut "necking," dan patahan

akhirnya terjadi pada leher ini. Kekuatan untuk patah sesuai

dengan tegangan yang diberikan saat akan patah.


Gambar 4.10. Sifat teknis khas dari tegangan – regangan hingga

patah di titik F. Kekuatan tarik TS berada di titik M. Gambar dalam

lingkaran di kurva mewakili geometri saat spesimen terdeformasi

pada berbagai titik sepanjang kurva.

Kekuatan tarik dapat bervariasi, untuk aluminium antara 50 MPa

hingga setinggi 3000 MPa untuk baja kekuatan tinggi. Biasanya,

dalam perencanaan penggunaan logam, kekuatan yang digunakan

adalah kekuatan pada batas luluhnya. Ini karena pada saat

tegangan yang diberikan sesuai dengan kekuatan tariknya, sering

strukturnya telah mengalami begitu banyak deformasi plastic

sehingga hal itu tidak banyak lagi gunanya untuk digunakan

menahan beban selanjutnya, karena kekuatan patah nilainya lebih

kecil daripada kekuatan tariknya.

G. Keuletan

Keuletan merupakan sifat mekanik penting lainnya. Kekuatan ini

adalah ukuran derajat deformasi plastik yang telah dialami hingga

patah. Material yang mengalami sangat sedikit deformasi plastik


atau tidak sama sekali hingga patah disebut bersifat getas. Sifat

tegangan-regangan tarik untuk material ulet dang getas

diilustrasikan pada Gambar 4.11.

Gambar 4.11. Skema tegangan-regangan tarik untuk bahan getas

dan ulet hingga dibebani patah.

Keuletan dapat dinyatakan secara kuantitatif sebagai persen

perpanjangan atau persen pengurangan daerah. Persen

Perpanjangan %EL adalah persentase dari regangan plastis saat

patah,

dimana lf adalah panjang patahan dan l0 adalah panjang asli gauge

seperti di atas. Karena deformasi plastis terkonsentrasi di daerah

leher maka nilai %EL tergantung pada panjang gauge spesimen.

Semakin pendek l0, semakin besar fraksi perpanjangan total dari

leher dan akibatnya nilai %EL, semakin tinggi. Nilai l0 yang umum

adalah 50 mm. Persen pengurangan daerah %RA didefinisikan

menjadi


Dimana A0 adalah luas penampang sebelumnya dan Af merupakan

luas penampang dititik patah. Persen pengurangan area nilainya

tidak bergantung pada nilai l0 dan A0. Nilai %EL dan %RA setiap

material akan berbeda. Untuk logam kebanyakan memiliki keuletan

yang moderat pada suhu kamar, tetapi beberapa logam akan

menjadi getas pada saat suhu diturunkan.

Pengetahuan mengenai keuletan suatu material penting karena hal

ini dapat digunakan seorang desainer untuk memilih bahan sesuai

dengan deformasi plastisnya dan juga dapat digunakan untuk

menentukan tingkat deformasi yang diijinkan selama proses

fabrikasi.

Dalam mendesain, keuletan suatu bahan dapat kita jadikan acauan

batas deformasi lokal yang diijinkan terjadi dalam desain

perhitungan tegangan. Suatu bahan dianggap getas jika

regangannya kurang dari 5%. Dengan demikian, beberapa sifat

mekanik penting dari suatu logam dapat ditentukan dari pengujian

tarik tegangan-regangan. Tabel 4.2 menyajikan kekuatan luluh,

kekuatan tarik dan keuletan dari beberapa logam pada suhu kamar.

Sifat-sifat ini peka terhadap deformasi sebelumnya, kehadiran zat

pengotor dan atau setiap perlakuan panas yang telah dikenakan

pada logam tersebut.


Tabel 4.2. Sifat Khas Mekanis dari Beberapa Logam dan

Paduannya

dalam kondisi Anil

Paduan Logam Kekuatan Luluh

(MPa)

Kekuatan Tarik

(MPa)

Keuletan, %EL

(pada 50 mm)

Aluminum 35 (5) 90 (13) 40

Copper 69 (10) 200(29) 45

Brass (70Cu–30Zn) 75 (11) 300 (44) 68

Iron 130 (19) 262 (38) 45

Nickel 138 (20) 480 (70) 40

Steel (1020) 180 (26) 380 (55) 25

Titanium 450 (65) 520 (75) 25

Molybdenum 565 (82) 655 (95) 35

Modulus elastisitas adalah salah satu parameter mekanik yang

tidak sensitif terhadap perlakuan ini. Seperti dengan modulus

elastisitas, besaran baik kekuatan luluh dan tarik akan menurun

dengan meningkatnya suhu, kebalikkannya, keuletan akan

meningkat dengan meningkatnya suhu. Gambar 4.12 menunjukkan

bagaimana perilaku tegangan-regangan besi bervariasi dengan

suhu.


Gambar 4.12. Rekayasa perilaku tegangan-regangan untuk besi

pada tiga suhu.

H. Ketahanan

Ketahanan adalah kemampuan suatu material untuk menyerap

energi saat material tersebut terdeformasi secara elastis juga

energi pemulihan saat beban dilepaskan. Sifat-sifat yang terkait

disebut modulus ketahanan, Ur, merupakan energi regangan per

satuan volume yang diperlukan oleh suatu material untuk

mengalami tegangan dari saat keadaan beban dilepas hingga

keadaan luluh.


Gambar 4.13. Gambaran skematis bagaimana modulus ketahanan

(daerah berarsir) ditentukan dari perilaku tegangan-regangan tarik

dari suatu material.

I. Ketangguhan

Ketangguhan adalah istilah mekanik yang digunakan dalam

beberapa konteks, secara garis besar, ketangguhan adalah ukuran

kemampuan suatu material untuk menyerap energi hingga patah.

Bentuk geometri dari spesimen serta cara memberi beban menjadi

faktor penentu dalam menentukan ketangguhan. Untuk kondisi

pembebanan dinamis (laju regangan tinggi) dan ketika takikan ada

(atau titik konsentrasi tegangan), ketangguhan takik ditentukan

dengan uji impak. Untuk kondisi pembebanan statis (laju regangan

rendah), ketangguhan diperoleh dari hasil pengujian tegangan-

regangan tarik. Hal Ini ditunjukkan oleh daerah di bawah kurva σ-Є

sampai titik patah. Unit satuan untuk kekerasan sama seperti unit

ketahanan (yaitu, energi per satuan volume dari material). Agar

material lebih tangguh, material tersebut harus memiliki sifat kuat


dan ulet, biasanya material yang ulet lebih tangguh daripada

material yang bersifat getas. Hal ini ditunjukkan pada Gambar 4.11.

Dari gambar terlihat, meskipun material getas memiliki kekuatan

luluh dan tarik lebih tinggi, material getas memiliki ketangguhan

lebih rendah daripada material yang ulet. Hal ini disimpulkan

dengan membandingkan daerah ABC dan di gambar 4.11.

J. Pemulihan Elastis Setelah Deformasi Plastis

Setelah beban dilepaskan pada saat pengujian tegangan-

regangan, beberapa fraksi dari total deformasi pulih kembali

sebagai regangan elastis. Perilaku ini ditunjukkan pada gambar

4.14, plot skematis dari rekayasa tegangan-regangan. Selama

siklus pelepasan beban, arah lintasan pada kurva hampir lurus

dimulai dari dekat dari titik pelepasan beban (titik D) dan

kemiringannya dapat diidentikkan dengan modulus elastisitas, atau

sejajar dengan bagian elastis awal dari kurva. Besarnya regangan

elastis ini, yang diperoleh kembali selama pelepasan beban, sesuai

dengan pemulihan regangan, seperti yang ditunjukkan pada

gambar 4.14.


Gambar 4.14. Gambaran diagram tegangan-regangan tarik yang

menunjukkan fenomena pemulihan regangan elastis dan

pengerasan akibat regangan. Kekuatan luluh awal ditunjuk sebagai

σy0; σyi adalah luluh yang diperoleh beban dilepaskan pada titik D,

dan ketika pembebanan kembali.

Jika beban diberikan kembali, kurva akan pada bagian yang sama

dengan arah yang berlawanan dengan arah pelepasan; batas luluh

akan terjadi lagi pada tingkat pelepasan tegangan dimana

pelepasan beban dimulai. Pada saat tersebut akan terjadi juga

pemulihan regangan elastis yang berhubungan dengan saat patah.

K. Kekerasan

Sifat mekanik yang penting untuk dipelajari adalah kekerasan,

adalah ukuran resistansi bahan terhadap deformasi plastis lokal

(misalnya penyok kecil atau goresan). Uji kekerasan awalnya


digunakan untuk menguji mineral alam dengan menggores bahan

uji dengan bahan yang lebih keras. Pengindeksan secara kuantitatif

dengan cara penggoresan ini dikenal dengan skala Mohs, yang

berkisar antara 1 untuk bahan lembut seperti pada talek (talc)

hingga 10 untuk intan. Teknik pengujian kekerasan secara

kuantitatif telah dikembangkan selama bertahun-tahun dimana

digunakan indentor kecil yang diberi gaya tekan terhadap

permukaan material yang akan diuji, dengan kondisi pembebanan

dan jumlah pengujian yang terkontrol dengan aplikasi pengujian

yang dilakukan. Kedalaman atau ukuran yang dihasilkan dari

indentasi diukur karena hasil ini akan berhubungan dengan angka

kekerasan dimana semakin lembek bahan maka akan lebih besar

dan lebih dalam hasil indentasinya, dan indeks atau angka

kekerasannya akan lebih rendah. Pengukuran kekerasan bersifat

relatif (tidak absolut) dan hasilnya akan berbeda-beda dari setiap

teknik pengujian yang dilakukan.

Pengujian kekerasan lebih sering dilakukan daripada pengujian

mekanis lainnya karena beberapa alasan:

• Pengujian kekerasan lebih sederhana dan murah dari segi

biaya, tidak diperlukan disiapkan spesimen khusus dan alat

pengujian relatif murah.

• Pengujiannya bersifat tidak merusak, spesimen uji tidak

mengalami deformasi berlebihan atau patah. Deformasi yang

terjadi hanya berupa lubang kecil hasil indentasi.

• Sifat mekanik lainnya dapat diperkirakan dari data pengujian

kekerasan, seperti kekuatan tarik (lihat gambar 4.15).


Gambar 4.15. Hubungan antara kekerasan dan kekuatan tarik pada

baja, kuningan, dan besi tuang.

1. Pengujian kekerasan Rockwell

Pengujian Rockwell merupakan metode yang paling umum

digunakan untuk mengukur kekerasan karena cara ini sederhana

untuk dilakukan dan tidak memerlukan keahlian khusus. Beberapa

skala, kombinasi dari berbagai indenter dan beban yang berbeda

dapat digunakan, yang memungkinkan digunakan untuk pengujian

hampir semua paduan logam (serta beberapa polimer). Indenter-


indenternya berbentuk bulat serta bola baja yang dikeraskan,

memiliki diameter 1,588; 3,175; 6,350; dan 12,70 mm, dan indentor

kerucut intan (biasa disebut Brale) yang digunakan untuk bahan

paling keras.

Dengan cara ini, angka kekerasan ditentukan dari perbedaan

kedalaman penetrasi yang dihasilkan dari pengujian dari beban

awal (minor) diikuti oleh beban utama (mayor). Beban minor disini

bermanfaat meningkatkan akurasi pengujian. Atas dasar besarnya

beban baik beban mayor dan minor, maka pengujian Rockwell

dapat dibedakan menjadi dua jenis yaitu Rockwell dan superficial

Rockwell. Untuk Rockwell, beban minornya 10 kg, sedangkan

beban mayornya 60, 100, dan 150 kg. Setiap skala diwakili oleh

huruf abjad; beberapa indentor dengan bebannya dapat dilihat

pada Tabel 4.3 dan 4.4.a. Untuk pengujian superficial Rockwell, 3

kg adalah beban minor; 15, 30, dan 45 kg adalah beban mayornya.

Skala ini biasanya diidentifikasi dengan 15, 30 atau 45 (menurut

beban), diikuti oleh notasi N, T, W, X, atau Y, tergantung dari

indentor yang digunakan. Pengujian superficial umumnya dilakukan

pada spesimen tipis. Tabel 4.4.b menyajikan beberapa skala

superficial.

Ketika menetapkan angka Rockwell dan superficial Rockwell, baik

angka kekerasan dan simbol skala harus dituliskan. Skala ditulis

dengan simbol HR diikuti dengan skala identifikasi yang sesuai.

Skala Rockwell sering disebut juga dengan pemakaian subskrip,

misalnya Rc untuk skala Rockwell C. Contohnya, 80 HRB

menunjukkan kekerasan Rockwell adalah 80 pada skala B, dan 60

HR30W menunjukkan kekerasan superficial Rockwell adalah 60

pada skala 30W. Untuk setiap skala, kekerasan dapat bervariasi

hingga 130, namun nilai kekerasan dapat menjadi tidak akurat jika

naik di atas 100 atau turun di bawah 20 pada skala apapun,


mereka menjadi, karena skala-skalanya dapat saling tumpang

tindih, dalam situasi seperti maka harus ada penelitian untuk skala

lebih keras atau skala lebih lembek.

Ketidakakuratan juga terjadi jika benda uji terlalu tipis, jika indentasi

dibuat terlalu dekat dengan tepi spesimen, atau jika indentasi

dibuat terlalu dekat satu sama lain. Ketebalan spesimen harus

setidaknya sepuluh kali kedalaman indentasi, sedangkan daerah

sekitar harus dibuat untuk setidaknya tiga diameter indentasi antara

pusat satu indentasi dan tepi spesimen, atau ke pusat indentasi

kedua. Tidak direkomendasikan pengujian spesimen dengan cara

ditumpuk satu sama lainnya. Selain itu ketepatan dalam

pengukuran juga tergantung pada permukaan, untuk hasil yang

akurat diperlukan permukaan yang halus dan datar. Dengan

semakin modernnya peralatan membuat pengukuran kekerasan

dengan cara Rockwell semakin mudah, dan kekerasan dapat

dengan mudah diperoleh hanya beberapa detik. Perangkat

pengujian modern juga memasukkan variasi waktu pada saat

beban diberikan. Variabel ini juga harus diperhatikan dalam

menginterpretasikan data kekerasan.



Tabel 4.4.a. Skala Kekerasan Rockwell

Simbol Skala

Indenter Beban Mayor

( kg)

A Intan 60

B Bola 1,588 mm 100

C Intan 150

D Intan 100

E Bola 3,175 mm 100

F Bola 1,588 mm 60

G Bola 1,588 mm 150

H Bola 3,175 mm 60

K Bola 3,175 mm 150

Tabel 4.4.b. Skala Kekerasan Superficial Rockwell

Simbol Skala

Indenter Beban Mayor

(kg)

15N Intan 15

30N Intan 30

45N Intan 45

15T Bola 1,588 mm 15

30T Bola 1,588 mm 30

45T Bola 1,588 mm 45

15W Bola 3,175 mm 15

30W Bola 3,175 mm 30

45W Bola 3,175 mm 45

2. Pengujian Kekerasan Brinell

Dalam uji Brinell, seperti dalam pengukuran Rockwell, indentor

berupa bola keras ditekan ke permukaan logam yang akan diuji.


Diameter indentor bola baja yang dikeraskan (atau karbida

tungsten) adalah 10,00 mm. Beban standar berkisar antara 500

dan 3000 kg dengan kenaikan setiap 500 kg; selama pengujian,

beban dipertahankan konstan untuk waktu tertentu (antara 10 dan

30 s). Material yang keras akan membutuhkan lebih besar beban

yang diberikan. Angka kekerasan Brinell, HB atau kadang disebut

BHN (Brinell Hardness Number), merupakan fungsi dari beban dan

diameter indentasi yang dihasilkan. (lihat Tabel 4.3). Diameter ini

kemudian diukur dengan menggunakan mikroskop untuk melihat

diameternya dengan menggunakan skala ukuran panjang khusus.

Diameter terukur kemudian dikonversi menjadi angka HB dengan

menggunakan tabel, Hanya satu skala digunakan dengan teknik ini.

Telah ada teknik semi-otomatis untuk mengukur kekerasan Brinell.

Caranya adalah dengan menggunakan sistem pemindaian optik

yang terdiri dari sebuah kamera digital yang terpasang pada

pemindai fleksibel, yang memungkinkan posisi kamera di atas

indentasi. Data dari kamera ditransfer ke komputer yang kemudian

menganalisa hasil indentasi, menentukan hasil ukurannya, dan

kemudian menghitung angka kekerasan Brinell. Teknik ini

memerlukan persyaratan permukaan lebih ketat daripada untuk

pengukuran manual. Maksimum ketebalan spesimen serta posisi

indentasi (bergantung terhadap tepi spesimen) dan persyaratan

jarak indentasi minimum sama seperti untuk pengujian Rockwell.

Selain itu, hasil indentasi yang jelas diperlukan, cara ini

memerlukan permukaan datar yang halus di mana indentasi akan

dibuat.

3. Pengujian Kekerasan Indentasi Mikro Knoop dan Vickers

Dua pengujian kekerasan lainnya adalah teknik Knoop dan Vickers

(kadang-kadang juga disebut intan piramida). Untuk setiap

pengujian, indentor intan dengan geometri piramida ditekan ke


permukaan spesimen uji. Beban yang diberikan jauh lebih kecil

daripada Rockwell dan Brinell, berkisar antara 1 dan 1000 g. Hasil

pengujian diamati di bawah mikroskop dan diukur. Hasil ini

pengukuran inilah yang kemudian diubah menjadi angka kekerasan

(lihat tabel 4.3). Permukaan spesimen harus disiapkan dengan baik

saat pemotongan dan pemolesan untuk memperoleh hasil indentasi

yang jelas sehingga dapat terukur secara akurat. Angka kekerasan

Knoop dan Vickers dituliskan dengan notasi HK dan HV, dan skala

masing-masing untuk kedua cara pengujian iniyang kurang lebih

sama. Metode Knoop dan Vickers disebut sebagai metode

pengujian indentasi mikro yang didasarkan pada ukuran indentor.

Keduanya cocok digunakan untuk mengukur kekerasan daerah

spesimen yang kecil. Metode Knoop umumnya digunakan untuk

menguji bahan yang bersifat getas seperti keramik. Peralatan

pengujian kekerasan dengan cara indentasi mikro saat ini telah

digabungkan dengan peralatan penganalisa gambar yang

dipadukan dengan computer dan perangkat lunaknya. Perangkat

lunak ini berguna untuk mengontrol fungsi sistem yang penting

termasuk lokasi indentasi, jarak indentasi, perhitungan nilai-nilai

kekerasan, dan memplot data.

Masih banyak cara pengujian lain yang sering digunakan tetapi

tidak akan dibahas seperti penentuan kekerasan mikro dengan

ultrasonik, Scleroscope, durometer (untuk bahan plastik dan

elastomer) dan pengujian dengan cara digores.

4. Konversi Kekerasan Konversi kekerasaan dari satu skala ke skala lainnya sangat

diperlukan. Namun, karena kekerasan bukanlah sifat dari material

yang terdefinisi dengan jelas, dan karena perbedaan dari berbagai

teknik pengujian, skema konversi yang komprehensif belum ada.

Data konversi kekerasan ditentukan secara eksperimental dan


bergantung pada jenis dan karakteristik bahan. Data konversi yang

paling dapat diandalkan adalah data untuk baja, seperti pada

gambar 4.16 pada skala Knoop, Brinell, dua jenis Rockwell dan

Mohs. Detail mengenai tabel konversi untuk berbagai logam dan

paduan lainnya dapat dilihat pada ASTM Standar E 140, "Tabel

Standar Konversi Kekerasan untuk Logam".

Gambar 4.16. Perbandingan beberapa skala kekerasan


L. Hubungan Antara Kekerasan dan Kekuatan Tarik

Baik kekuatan tarik dan kekerasan merupakan indikator resistensi

logam untuk mengalami deformasi plastis. Jika dibandingkan

secara kasar seperti pada gambar 16. Pada besi cor, baja dan

kuningan terlihat bahwa kekuatan tarik merupakan fungsi dari HB

yang terjadi secara proporsional. Hubungan proporsionalitas

tersebut tidak berlaku untuk semua logam, seperti ditunjukkan

gambar 16. Aturan praktis untuk sebagian besar baja, HB dan

kekuatan tarik terkait memiliki hubungan

M. Rangkuman

1. Material adalah suatu substansi yang dapat dibuat dan di modifikasi

komposisinya. Jika suatu benda mengalami sebuah beban statis

atau terjadi perubahan yang relatif lambat dengan waktu dan beban

diberikan secara seragam pada daerah melintang pada permukaan

benda uji, perilaku mekaniknya dapat diprediksi oleh tes tegangan-

regangan sederhana.

2. Salah satu pengujian mekanis tegangan-regangan yang paling

umum dilakukan adalah pengujian tegangan. Suatu specimen uji

dideformasi hingga patah dengan beban tarik yang meningkat

secara bertahap yang diterapkan di sepanjang sumbu uniaksial dari

panjang spesimen. Pengujian tegangan-regangan tekan dapat

dilakukan juga dilakukan jika gaya yang diterapkan masuk dalam

beban kerjanya.

3. Gaya torsi adalah variasi dari gaya geser murni, dimana saat

bagian struktural berkerut maka gaya torsi akan menghasilkan

gerak rotasi terhadap sumbu longitudinal disalah satu ujung bagian

relatif terhadap ujung lainnya.


4. Tingkat dimana suatu struktur terdeformasi atau meregang

bergantung pada besarnya suatu tekanan yang diakibatkan.

Deformasi di mana tegangan dan regangan terjadi secara

proporsional disebut deformasi elastis. Deformasi elastis bersifat

tidak permanen, yang berarti bahwa ketika beban yang diterapkan

dilepaskan, material akan kembali ke bentuk awalnya. Dari

perspektif atom, deformasi plastik terjadi dengan memutuskan

ikatan dengan atom tetangga aslinya dan kemudian membentuk

ikatan baru dengan atom tetangga. Hal ini terjadi terus menerus

pada saat tegangan diberikan karena sejumlah besar atom atau

molekul bergerak relatif terhadap satu sama lain, dan pada saat

tegangan dilepaskan mereka tidak kembali ke posisi semula.

Transisi elastis – plastis dapat terjadi secara tiba-tiba dan hal ini

biasa disebut sebagai fenomena batas luluh. Pada batas luluh atas,

deformasi plastik dimulai dengan penurunan aktual dari tegangan.

5. Fenomena batas lulus terjadi pada awal deformasi plastik atau

permanen;

kekuatan luluh ditentukan dengan metode strain offset dari perilaku

regangan-tegangan yang menunjukkan tegangan di mana

deformasi plastik mulai terjadi. Kekuatan tarik berhubungan dengan

tegangan tarik maksimum yang dimiliki oleh spesimen, sedangkan

persen perpanjangan dan pengurangan luas daerah adalah ukuran

dari keuletan yaitu jumlah deformasi plastik yang telah terjadi pada

saat patah. Ketahanan adalah kemampuan bahan untuk menyerap

energi selama deformasi elastis; modulus ketahanan adalah luas

area di bawah kurva teknis tegangan-regangan hingga ke titik luluh.

6. Kekerasan adalah ukuran dari ketahanan dari suatu material

terhadap deformasi plastis lokal. Dalam beberapa teknik pengujian

kekerasan yang banyak digunakan (Rockwell, Brinell, Knoop, dan

Vickers) sebuah indentor kecil ditekan dan diberi gaya pada


permukaan material, dan angka indeksnya ditentukan

berdasarkan ukuran atau kedalaman hasil indentasi. Bagi

kebanyakan logam, kekerasan dan kekuatan tarik proporsional satu

sama lainnya.

N. Latihan


1. Sepotong tembaga panjang awalnya 305 mm ditarik dengan

tegangan tarik 276 Mpa. Jika deformasi yang terjadi sepenuhnya

elastis, berapa perpanjangan yang dihasilkan?

2. Sebuah spesimen silinder baja memiliki diameter asli 12,8 mm diuji

tarik hingga patah dan hasilnya ditemukan spesimen tersebut

memiliki kekuatan teknis hingga patah sebesar 460 MPa. Jika

diameter penampang di patahan 10,7 mm. Berapakah keuletan

yang berhubungan dengan persen pengurangan daerahnya?


BAB V DIAGRAM FASA

A. Komponen dan Fasa

Fasa dalam ilmu material yang berkaitan dengan struktur mikro

adalah daerah dari suatu struktur dan atau komposisi dari daerah

lainnya. Diagram fasa adalah visualisasi secara grafik dari fasa

suatu material dalam sistem material pada berbagai temperatur,

tekanan dan komposisi. Kebanyakan diagram fasa disusun

berdasarkan kondisi kesetimbangan dan digunakan oleh praktisi

teknis dan ilmuwan untuk mengerti dan memprediksi berbagai

aspek dan karakteristik dari suatu material. Beberapa informasi

penting yang diperoleh dari diagram fasa adalah:

1. Untuk menunjukkan suatu fasa pada komposisi dan temperature

tertentu dalam kondisi pendinginan lambat (setimbang)

2. Untuk mengindikasi kesetimbangan larutan padat dari suatu

unsur (atau paduan) terhadap unsur (atau paduan) lainnya

3. Untuk mengindikasi temperatur saat suatu paduan mengalami

pendinginan dalam kondisi setimbang akan mulai membeku dan

jarak temperatur dari proses pembekuan



1. Mengetahui jenis-jenis umum dari diagram fasa. 2. Mengetahui bentuk-bentuk fasa yang terbentuk. 3. Mengetahui cara menghitung komposisi fasa.


4. Untuk mengindikasi temperatur berbagai fasa saat mulai

melebur

B. Jenis-jenis Diagram Fasa

Ada berbagai jenis diagram fasa bergantung pada unsur paduan

yang digunakan. Unsur-unsur yang digunakan dalam pemaduan

akan menghasilkan bentuk khas dari diagram fasa paduannya

karena adanya perbedaan struktur atom dari tiap unsur paduannya

yang berubah dengan berubahnya komposisi dan temperatur.

Pemaduan unsur dapat dilakukan pada dua atau lebih unsur.

Pembahasan berikut hanya menjelaskan mengenai diagram fasa

sederhana biner isomorf dan eutektik.

1. Diagram Tekanan – Suhu

Diagram fasa yang paling sederhana adalah diagram tekanan-suhu

dari satu substansi sederhana seperti air. Sumbu-sumbu pada

diagram menunjukkan tekanan terhadap suhu. Diagram fasa

tersebut menunjukkan, dalam kapasitas tekanan-suhu, garis-garis

batas keseimbangan fasa antara tiga fasa yaitu padat gas dan cair.

Gambar dibawah ini menunjukkan contoh dari diagram tekanan-

suhu yang merangkum pengaruh suhu dan tekanan pada zat yang

berada dalam wadah tertutup. Setiap titik dalam diagram ini

merupakan kemungkinan kombinasi dari suhu dan tekanan yang

bisa terjadi pada sistem. Diagram dibagi menjadi tiga wilayah, yang

mewakili keadaan substansi saat padat, cair dan gas.


Gambar 5.1. Diagram Tekanan – Suhu untuk air.

Suhu rendah dan tekanan tinggi mendukung pembentukan

padatan. Gas, di sisi lain, paling mungkin ditemukan pada saat

suhu tinggi dan tekanan rendah. Cairan terletak diantara kondisi

ekstrem padatan dan gas. Ketika padatan dipanaskan pada

tekanan konstan, ia akan meleleh untuk membentuk suatu cairan,

yang akhirnya jika diterapkan terus kondisi tersebut akan

membentuk gas. Titik-titik sepanjang garis yang menghubungkan

titik A dan B pada diagram fasa dalam gambar di atas merupakan

kombinasi keseluruhan dari suhu dan tekanan di mana padat dan

gas berada dalam keadaan setimbang. Pada suhu dan tekanan ini,

tingkat laju menyublim padatan untuk membentuk gas adalah sama

dengan tingkat di mana gas berkondensasi membentuk padat.

2. Diagram Fasa Biner Isomorf

Diagram fasa biner isomorf adalah diagram dari dua unsur paduan

yang larut secara sempurna di larutan padatnya baik dalam

keadaan fasa cair maupun padat. Tipe diagram ini dapat di

identifikasi dengan melihat adanya tiga fasa yaitu cair (L), padat +

cair (α + L) dan padat (α). Terdapat garis yang memisahkan antar

fasa yaitu garis liquidus yang memisahkan cairan dari cairan +


padat dan garis solidus memisahkan padat dari cair + padat.

Contoh dari sistem isomorf adalah Cu-Ni karena Cu dan Ni memiliki

struktur kristal yang sama, FCC, keelektronegatifan yang sama dan

radius atom yang sama.

Gambar 5.2. Perubahan fasa pada paduan Cu-Ni

Pencairan pada sistem satu komponen terdefinisi dengan baik

pada suhu tertentu. Dalam multi-komponen sistem pencairan terjadi

sepanjang rentang suhu antara garis-garis solidus dan liquidus.

Fasa padat dan fasa cair berada pada kesetimbangan satu sama

lain dalam rentang suhu ini.

• Interpretasi dari Diagram Fasa Biner Isomorf

Untuk suhu dan komposisi tertentu kita dapat menggunakan

diagram fasa untuk menentukan:

- Fase yang ada

- Komposisi fasa

- Fraksi relatif dari fasa

Cara menentukan komposisi didaerah dengan dua fasa:

- Cari komposisi dan suhu di diagram.


- Tarik garis isotherm atau keseimbangan (tie-line) di wilayah dua

fasa.

- Catatan perpotongan dengan garis batas fasa. Komposisi

dibaca pada garis perpotongan.

Komposisinya mencakup fasa cair dan padat.

Menemukan jumlah fasa di wilayah dua fasa:

- Cari komposisi dan suhu di diagram.

- Tarik garis isotherm atau keseimbangan (tie-line) di wilayah dua

fasa.

- Fraksi fasa ditentukan dengan menghitung panjang dari garis

keseimbangan dari fasa lainnya dan kemudian membaginya

dengan panjang total dari garis keseimbangan.

Aturan pengukit menggunakan analogi mekanik untuk perhitungan

neraca massa. Garis keseimbangan di wilayah dua fasa analog

dengan keseimbang pengukit pada suatu titik tumpu.


Penurunan aturan tuas:

- Semua bahan harus berada dalam satu fasa dengan fasa yang

lain:

Wα + WL = 1

- Massa dari komponen yang ada dalam kedua fasa harus sama

dengan massa komponen dalam satu fasa + massa komponen

dalam fasa kedua:

WαCα + WLCL = C0

- Solusi dari persamaan ini memberi kita aturan pengukit:

WL = (Cα – C0) / (Cα- CL)

Wα = (C0 - CL) / (Cα- CL)

Berikut contoh perhitungan komposisi dan jumlah fasa:

C0 = 35 wt. %, CL = 31.5 wt. %, Cα = 42.5 wt. %

Fraksi Massa:

WL = S / (R+S) = (Cα – C0) / (Cα- CL) = 0.68


Wα = R / (R+S) = (C0 - CL) / (Cα- CL) = 0.32

Perkembangan struktur mikro pada paduan isomorf pada keadaan

setimbang dengan laju pendinginan sangat lambat dapat diamatai

seperti pada gambar 5.3.

Gambar 5.3. Perubahan komposisi dan fasa pada paduan Cu-Ni

dengan laju pendinginan sangat lambat (keadaan setimbang).

Proses pembekuan dalam fasa padat + cair terjadi secara bertahap

sepanjang garis liquidus. Komposisi dari fasa padat dan cair

berubah bertahap selama terjadinya pendinginan (seperti

ditentukan dengan metode garis keseimbangan). Inti dari fasa


padat terbentuk dan tumbuh dengan mengkonsumsi semua cairan

di garis solidus.

Berbeda dengan perkembangan struktur mikro pada paduan

isomorf yang mengalami pendinginan cepat (keadaan tidak

setimbang). Perubahan komposisi dalam suatu paduan

memerlukan proses difusi baik dalam fasa cair dan fasa padat.

Difusi dalam keadaan padat (solid state) berlangsung sangat

lambat. Lapisan baru yang mengeraskan di atas butir yang ada

memiliki komposisi yang setimbangan pada suhu itu, tetapi saat

mereka mulai menjadi padat maka komposisinya akan tidak

berubah. Sehingga akan terjadi perbedaan komposisi ditiap

lapisannya. Akibatnya metoda garis keseimbangan dalam

menentukan komposisi dari fasa padat tidak dapat dipakai dalam

kondisi seperti ini karena adanya perbedaan formasi dari lapisan

inti dengan lapisan selanjutnya.

Metode garis keseimbangan masih dapat digunakan untuk fasa

cair, dimana difusi terjadi dengan cepat dan kandungan rata-rata Ni

pada butiran padat lebih tinggi. Penerapan aturan pengukit

memberi kita proporsi yang lebih besar pada fasa cair dibandingkan

dengan saat pendinginan saat kesetimbangan pada suhu yang

sama. Garis solidus akan bergeser ke kanan (kearah Ni yang lebih

tinggi), pembekuan akan selesai pada T yang rendah dengan

menghasilkan bagian luar butir lebih kaya dengan komponen

bertitik leleh rendah (Cu). Hal ini dapat menjadikan paduan Cu-Ni

akan mengalami kegagalan mekanis awal karena pada saat

dipanaskan, batas butir akan melebur pertama, sehingga pada saat

diberi beban mekanik otomatis hanya mengandalkan kekuatan

butiran saja.


Gambar 5.4. Perubahan komposisi dan fasa pada paduan Cu-Ni

dengan laju pendinginan cepat (keadaan tidak setimbang)

3. Diagram Fasa Biner Eutektik

Diagram fasa biner eutektik adalah bagian penting dari ilmu

metalurgi karena diagram tersebut menunjukkan keadaan

kesetimbangan dari campuran, sehingga perhitungan dan perkiraan

temperatur terhadap komposisi fasa dapat diprediksi dan ditentukan

jumlah dari fasa yang terbentuk.

Dasar teori di balik diagram fasa didasarkan pada panas laten yang

terlibat saat suatu campuran didinginkan, dan fase berubah. Ini

berarti bahwa dengan memetakan grafik suhu terhadap waktu


untuk berbagai komposisi yang berbeda, harus memungkinkan

untuk melihat fasa apa yang terbentuk pada suhu tertentu.

Gambar 4.5. Diagram fasa biner eutektik.

Dimana L adalah singkatan untuk cairan, komponennya adalah A

dan B, serta α dan β adalah dua fasa padatan yang kaya akan

komponen A dan B. Garis antara fasa cairan dan fasa transisi

padat-cair (α dan L) disebut garis liquidus dan garis antara fasa

padatan dengan fasa padat-cair (α dan L) disebut garis solidus.

Garis antara fasa α dan fasa (α + β) disebut garis solvus,

merupakan fasa transisi padat ke padat.

• Interpretasi dari Diagram Fasa Biner Eutektik

Gambar di bawah menunjukkan diagram fasa dua komponen yang

paling sederhana. Komponen A dan B, fasa murni kristal A, kristal

murni B dan cairan dengan komposisi berkisar antara murni A dan

murni B. Komposisinya diplot di bagian bawah diagram. Komposisi

diagram dapat dinyatakan sebagai persentase dari A atau B

dengan jumlah totalnya dalam persentase 100 (100%). Komposisi

dapat juga dinyatakan dengan fraksi mol A atau B, di mana jumlah

maksimumnya adalah 1.


Suhu atau tekanan diplot pada sumbu vertikal. Untuk diagram

diatas, dianggap terjadi pada tekanan konstan, dan karena itu suhu

diplot pada sumbu vertikal. Kurva yang memisahkan bidang A +

Cair dari Cair dan B + Cair dari Cair disebut kurva liquidus. Garis

horizontal yang memisahkan bidang A + Cair dan B + Cair dari A +

B padatan, disebut sebagai garis solidus. Titik, E, dimana terjadi

perpotongan antara kurva likuidus dan garis solidus, disebut titik

eutektik. Pada titik eutektik dari sistem dua komponen, ketiga fasa,

yaitu cair, A dan B, semua berada dalam kesetimbangan. Jika

sistem diatas hanya berisi A, maka sistem diatas merupakan dan

fasa A hanya akan meleleh pada satu keadaan suhu yaitu suhu

leleh A murni, TmA. Jika sistem hanya berisi B, maka sistem itu

adalah sistem satu komponen dan B hanya meleleh pada suhu

leleh B murni, TmB.

Gambar 5.5. Interpretasi dari diagram fasa biner eutektik

Untuk semua komposisi antara A dan B, suhu saat mencair akan

menurun secara drastis, dan proses mencair akan terjadi pada

suhu eutektik, TE. Perhatikan bahwa untuk semua komposisi antara

A dan B pencairan juga terjadi pada rentang suhu antara solidus


dan likuidus. Hal ini berlaku untuk semua komposisi kecuali satu,

yaitu pada kondisi eutektik. Komposisi eutektik meleleh hanya pada

satu suhu, TE.

Sekarang kita akan mempertimbangkan proses kristalisasi cairan

dengan komposisi X pada Gambar diatas. Komposisi X akan

semua cair di atas suhu T1, karena terletak seluruhnya pada bidang

cair. Jika suhu diturunkan hingga T1, kristal A mulai terbentuk.

Penurunkan suhu lebih lanjut menyebabkan lebih banyak kristal A

yang terbentuk. Akibatnya, komposisi B akan lebih banyak dicairan

karena banyak kristal A yang terbentuk. Jadi, dengan menurunkan

suhu, komposisi cair akan berubah dari titik 1 ke titik 2 ke titik 3 ke

titik E saat suhu diturunkan dari T1 ke T2 ke T3 hingga TE. Pada

semua kondisi suhu antara T1 dan TE, dua fasa akan ada di sistem;

cair dan kristal A. Pada suhu eutektik, TE, kristal B akan mulai

terbentuk, sehingga terdapat tiga fasa, kristal A, kristal B dan cair.

Suhu harus tetap dijaga di TE sampai salah satu fasa habis. Jadi

ketika cairan mengkristal sepenuhnya, hanya akan ada padatan A

dan B murni yang tetap didalam campuran dan akan berada dalam

proporsi campuran aslinya, yaitu 80% A dan 20% B. Secara garis

besar kristalisasi dari komposisi X dapat ditulis:

T > T1 → cair seluruhnya

T1 - TE → cair + A

pada TE → cair + A + B

T < TE → A + B padatan seluruhnya

Jika kita ingin menghentikan proses kristalisasi setiap saat selama

kristalisasi dan mengamati seberapa banyak fasa yang terbentuk

dari setiap tahap ini kita dapat menggunakan contoh berikut untuk

menentukan apa yang kita inginkan.


Sebagai contoh ,pada suhu T2 jumlah kristal A dan cairan (dua fasa

yang ada pada suhu ini) dapat ditentukan dengan mengukur jarak a

dan b pada gambar diatas. Persentase kemudian akan ditentukan

oleh aturan pengukit (lever rule):

% kristal A = b/(a + b) x 100

% cairan = a/(a + b) x 100

Perhatikan bahwa karena jumlah kristal harus meningkat dengan

menurunnya suhu, jarak proporsional jarak antara garis vertikal

yang menandai komposisi awal dan likuidus akan meningkat saat

suhu turun. Jadi jarak yang digunakan untuk menghitung jumlah

padatan akan selalu diukur terhadap sisi cair dari komposisi awal.

Pada suhu T3, perhatikan bahwa harus lebih banyak kristal yang

terbentuk karena jarak proporsional d / (c + d) lebih besar dari

jarak proporsional b / (a + b). Jadi di T3 aturan tuas menghasilkan:

% kristal dari A = d/(d + c) x 100

% cairan = c/(c + d) x 100

Pada T3, perhatikan bahwa komposisi dari cairan ditunjukkan pada

titik 3, yaitu 53% A, komposisi padatan adalah murni A, dan

komposisi sistem ini masih 80% A dan 20% B. Proses peleburan

adalah kebalikan dari proses kristalisasi. Itu jika kita mulai dengan

komposisi X pada suhu di bawah TE akan terbentuk cairan pertama.

Suhu akan tetap konstan di TE sampai seluruh kristal B meleleh.

Komposisi cairan akan berubah sepanjang kurva liquidus dari E ke

titik 1 saat suhu hingga suhu T1 tercapai. Di atas T1 yang sistem

akan hanya berisi cairan dengan komposisi 80% A 20% B. Proses

peleburan secara singkat tercantum di bawah ini:

T < TE → seluruhnya padatan A + B

Pada TE → cairan + A + B

TE - T1 → cairan + A


T > T1 → seluruhnya cair

C. Penggunaan Diagram Fasa

Diagram Fase tidak hanya suatu konstruksi abstrak, diagram fasa

dapat diaplikasikan di dunia nyata, dalam hal menentukan

komposisi suatu paduan yang digunakan. Penggunaan eutektik

atau daerah sekitar eutektik yang umum adalah pada aplikasi

penyolderan dan pengelasan. Dalam perpipaan, solder digunakan

untuk menggabungkan pipa tembaga, menghasilkan penutup yang

kedap air. Selama bertahun-tahun paduan timbal-timah telah

digunakan, karena paduan ini memiliki titik lebur yang rendah,

terutama pada daerah eutektik.

Penggunaan lainnya adalah untuk menentukan komposisi paduan

dari Fe-C. Diagram ini paling banyak digunakan karena

penggunaan umum dari besi dan paduannya.

Gambar 5.6. Diagram fasa Fe-C.


D. Rangkuman

Diagram fasa adalah visualisasi secara grafik dari fasa suatu

material dalam sistem material pada berbagai temperatur, tekanan

dan komposisi. Unsur-unsur yang digunakan dalam pemaduan

akan menghasilkan bentuk khas dari diagram fasa paduannya

karena adanya perbedaan struktur atom dari tiap unsur paduannya

yang berubah dengan berubahnya komposisi dan temperatur.

E. Latihan


1. Hitung komposisi dari tiap titik pada diagram dibawah ini!


BAB VI DASAR-DASAR

PENGECORAN LOGAM

A. Metoda Pengecoran

Proses pengecoran logam (metal casting) dimulai dengan

membuat cetakan, yang merupakan bentuk 'terbalik' dari bagian

yang akan kita buat. Cetakan terbuat dari bahan yang tahan api,

misalnya, pasir. Logam yang akan dicetak dipanaskan dalam oven

hingga meleleh, kemudian logam cair tersebut dituang ke dalam

rongga cetakan. Cairan tersebut akan mengambil bentuk rongga,

yang merupakan bentuk yang kita ingin buat. Cetakan beserta

logam cair didalamnya didinginkan hingga membeku. Akhirnya,

bagian logam yang telah mengeras dikeluarkan dari cetakan.

Sejumlah besar komponen logam desain yang kita gunakan setiap

hari dibuat dengan cara di cor, hal ini karena:

• Pengecoran dapat menghasilkan bagian-bagian yang

geometrinya sangat kompleks seperti bagian dengan rongga

internal dan bagian berongga.

• dapat digunakan untuk membuat hasil cetakkan yang kecil

(dengan berat beberapa ratus gram) hingga hasil cetakkan



1. Mengetahui jenis-jenis beserta keuntungan dan kekurangan dari setiap jenis pengecoran logam.

2. Mengetahui kendala dalam pengecoran.


dengan ukuran yang sangat besar (dengan berat ribuan

kilogram).

• ekonomis, dengan sangat sedikit logam terbuang: logam sisa di

setiap pengecoran dapat dipakai kembali dengan

mencairkannya kembali.

• logam hasil cor bersifat isotropik, yaitu memiliki fisik atau sifat

mekanik yang sama.

Contohnya: pegangan pintu, kunci, casing luar atau penutup untuk

motor, pompa dan sebagainya, roda pada mobil. Pengecoran juga

banyak digunakan dalam industri mainan untuk membuat bagian-

bagian dari mainan, misalnya pada mainan mobil, pesawat dan

sebagainya.

1. Pengecoran dengan Cetakan Pasir

Pengecoran pasir menggunakan pasir alam atau sintetis (pasir

dari danau) yang sebagian besar merupakan pasir tahan api

yang disebut silika (SiO2). Ukuran butiran pasir harus cukup

kecil sehingga dapat dikemas dengan padat, namun ukuran

bijinya juga harus cukup besar untuk memungkinkan gas yang

terbentuk selama logam tuang untuk keluar melalui pori-porinya.

Cetakan berukuran lebih besar menggunakan pasir hijau

(campuran pasir, tanah liat dan air). Pasirnya dapat digunakan

kembali, dan kelebihan logam saat penuangan dapat dipotong

dan digunakan kembali.


Gambar 6.1. Alur kerja fabrikasi pengecoran dengan cetakan pasir

Gambar 6.2. Bagian-bagian dalam cetakan pasir

Cetakan pasir memiliki bagian-bagian berikut (lihat gambar 6.2 dan

6.3):

o Cetakan terdiri dari dua bagian, setengah bagian atas disebut

cope, dan bagian bawah disebut drag.


o Cairan mengalir ke dalam celah melalui dua bagian rongga

cetakan. Geometri rongga dibuat dengan menggunakan cetakan

kayu, yang disebut pola. Bentuk pola hampir sama dengan bentuk

bagian yang akan dibuat.

o Saluran berbentuk rongga, bagian atas saluran adalah

lubang/cangkir tuang (pouring cup), leher pipa berbentuk corong

adalah sprue - logam cair dituang ke dalam cangkir tuang, dan

mengalir melalui sprue. • Runner adalah saluran berongga

horisontal yang menghubungkan bagian bawah sprue ke rongga

cetakan. Daerah dimana setiap runner bergabung dengan rongga

disebut saluran (gate).

o Beberapa rongga ekstra dibuat berhubungan dengan permukaan

cetakan. Logam ditambahkan melalui rongga ini. Lobang ini disebut

riser. Mereka bertindak sebagai reservoir untuk menambah cairan

logam karena saat logam membeku di dalam rongga akan

menyusut dan logam tambahan dari riser mengalir kembali untuk

mengisi lubang kosong di bagian yang dingin.

o Vent adalah lubang sempit yang menghubungkan rongga ke udara

luar yang berguna untuk membuang gas dan udara di rongga.

o Banyak bagian dari pengecoran memiliki lubang interior (bagian

berongga), atau rongga lainnya dalam bentuk mereka yang tidak

berhubungan langsung dengan salah satu bagian dari cetakan.

Permukaan interior yang dihasilkan oleh sisipan disebut inti.

o Inti dibuat dengan memanggang pasir dengan zat pengikat

sehingga inti tersebut bisa mempertahankan bentuk mereka ketika

dilakukan pengecoran. Cetakan dipasang dengan menempatkan

inti ke dalam rongga drag, dan kemudian menempatkan cope di

atasnya, dan kemudian cetakan dikunci. Setelah pengecoran

selesai dilakukan, pasir dilepas dengan dikocok, dan inti ditarik


hingga lepas sehingga biasanya inti akan rusak setelah

pengecoran.

Gambar 6.3. Skema langkah-langkah proses pengecoran pasir

2. Pengecoran dengan Cetakan Pelindung

Pengecoran dengan cetakan pelindung memberikan hasil

permukaan yang lebih baik secara kualitas dan toleransi

pengerutan. Proses ini digambarkan sebagai berikut:

• Kedua bagian pola terbuat dari logam (misalnya aluminium atau

baja), pola tersebut dipanaskan antara 175 °C - 370 °C, dan


kemudian dilapisi dengan pelumas, misalnya cairan silikon

semprot.

• Setiap setengah bagian pola ditutupi dengan campuran pasir

dan resin termoset / binder epoksi dan dipanaskan. setengah

Zat pengikat menempel pada lapisan pasir dari pola,

membentuk pelindung. Proses ini dilakukan berulang hingga

didapatkan lapisan pelindung yang lebih tebal.

• Kedua cetakan dipasangkan dan dipanggang mengeraskan

lapisan pelindung tersebut.

• Polanya dilepas dan dua setengah dari lapisan pelindung

bergabung bersama dengan pasir cetakan. Kemudian logam

dituangkan ke dalam cetakan.

• Ketika logam membeku, pelindung akan dirusak untuk

mendapatkan hasil pengecoran.

Gambar 6.4. Cara pembuatan cetakan dengan pelindung.


Gambar 6.5. Pengecoran dengan lapisan pelindung.

3. Pengecoran dengan pola sekali pakai(dengan pelapis busa)

Pola yang digunakan dalam proses ini terbuat dari polystyrene

(bahan kemasan putih ringan yang digunakan untuk paking paket

elektronik di dalam kotak). Busa Polystyrene terdiri dari 95%

gelembung udara, dan bahan tersebut akan menguap dengan

sendirinya saat logam cair dituang di atasnya. Pola itu sendiri

dibuat dengan cara dicetak. Butiran polistiren dan pentana

diletakkan di dalam sebuah cetakan aluminium yang kemudian

dipanaskan. Butiran tersebut akan mengembang mengisi cetakan,

dan mengambil bentuk dari rongga. Pola tersebut kemudian

diangkat dan digunakan untuk proses pengecoran dengan cara

sebagai berikut:

• Pola dicelupkan dalam campuran bubur yang terdiri dari air dan

tanah liat (atau butir refraktori lainnya), yang kemudian

dikeringkan untuk mendapatkan lapisan keras di sekitar pola.

• Pola yang telah terlindungi ditempatkan dalam wadah pasir dan

kemudian logam cair dituang dari lubang di atasnya.


• Busa tersebut akan menguap saat logam mengisi lapisan

pelindung, setelah didinginkan dan membeku, hasil cor diambil

dengan merusak lapisan pelindung tadi.

Proses ini banyak digunakan karena sangat murah, dan hasil akhir

permukaannya baik dan dapat digunakan untuk bentuk geometri

yang kompleks. Dalam proses ini tidak ada runner, riser, gating

ataupun garis pemisah sehingga cara ini lebih sederhana. Proses

ini digunakan untuk pembuatan poros engkol untuk mesin, blok

mesin dari aluminium dan sebagainya.

Gambar 6.6. Pengecoran dengan cetakan sekali pakai.

4. Pegecoran dengan cetakan plester

Cetakan dibuat dengan pencampuran plester paris (CaSO4)

dengan tepung talek dan silika, bubuk putih yang halus, yang bila

dicampur dengan air akan seperti tanah liat dan bisa dibentuk

sekitar pola (bahan yang sama digunakan untuk membuat gips

untuk orang yang mengalami patah tulang). Gips dapat dibuat

menjadi cetakan yang permukaannya sangat bagus dan akurat

dalam hal dimensi. Namun cetakan ini relatif lembek dan tidak

cukup kuat digunakan pada suhu di atas 1200 °C, sehingga metode

hanya digunakan untuk membuat benda cor dari logam non-


ferrous, misalnya seng, tembaga, aluminium, dan magnesium.

Karena plester memiliki konduktivitas termal yang rendah,

pengecoran akan mengalami pendinginan perlahan, sehingga akan

memiliki bentuk butir lebih seragam (tidak terlalu melenting, dan

tegangan sisanya kecil).

5. Pengecoran dengan cetakan keramik

Mirip dengan pengecoran dengan cetakan plester, kecuali bahan

yang digunakan untuk cetakan adalah bahan keramik (misalnya

silika atau bubuk zirkon ZrSiO4). Keramik bersifat refraktori

(misalnya pot makanan yang digunakan di restoran Cina untuk

memasak hidangan daging dan sayur), dan juga memiliki kekuatan

lebih tinggi dibandingkan dengan plester. Cara membuat cetakan

dengan keramik adalah:

• Bubur keramik akan membentuk lapisan pelindung terhadap

pola.

• Pola ini kemudian dikeringkan dalam oven dengan suhu rendah,

dan setelah itu pola dapat diambil.

• Kemudian pola tersebut didukung dengan tanah liat untuk

menambah kekuatan cetakan. Kemudian pola tersebut

dipanggang dalam oven suhu tinggi untuk membakar zat-zat

yang mudah menguap.

• Logam dicor dengan cara yang sama seperti dalam pengecoran

dengan cetakan plester.

Proses ini dapat digunakan untuk membuat hasil cor dengan

kualitas yang sangat baik untuk logam baja atau bahkan baja tahan

karat. Cara ini digunakan untuk membuat onderdil kendaraan


bermotor seperti pisau impellor (untuk turbin, pompa, atau rotor

untuk perahu motor).

6. Pengecoran investasi

Cara ini adalah proses yang sudah ada sejak dahulu dan telah

digunakan sejak zaman kuno untuk membuat perhiasan. Cara ini

juga digunakan untuk membuat bagian-bagian yang kecil

(beberapa gram, meskipun dapat digunakan untuk bagian-bagian

dengan berat sampai beberapa kilogram). Langkah-langkah

pengecoran dengan proses ini ditunjukkan pada gambar 6.7 di

bawah ini.

Keuntungan dari proses ini adalah bahwa lilin cair yang digunakan

untuk membentuk cetakan dapat membuat detail yang sangat halus

sehingga proses tidak hanya memberikan toleransi dimensi yang

baik, tetapi juga penyelesaian permukaan yang sangat baik,

bahkan hampir semua tekstur permukaan dan logo dapat

direproduksi dengan tingkat detail yang sangat tinggi.

7. Pengecoran dengan cara vakum

Proses ini juga disebut sebagai pengecoran yang melawan

gravitasi. Prinsipnya sama seperti pengecoran investasi, kecuali

untuk langkah pengisian cetakan (langkah (e) di atas). Dalam hal

ini, material tersedot ke atas ke dalam cetakan dengan

menggunakan pompa vakum. Gambar 6.8 di bawah ini

menunjukkan ide dasarnya. Perhatikan bagaimana cetakan berada

dalam posisi terbalik dari proses pengecoran biasanya, dan turun

ke dalam wadah melalui lelehan.


Gambar 6.7. Langkah-langkah dalam proses pengecoran investasi.


Gambar 6.8. Pengecoran dengan cara vakum.

Satu keuntungan dari pengecoran dengan cara vakum adalah

dengan melepaskan tekanan pada waktu yang singkat setelah

cetakan diisi, kita dapat memasukkan kembali logam yang belum

mengalami pembekuan kembali ke dalam wadah. Hal ini

memungkinkan kita untuk membuat hasil coran berongga. Karena

sebagian besar panas dikeluarkan dari antara permukaan cetakan

dan logam, sehingga bagian logam yang paling dekat dengan

permukaan cetakan selalu membeku terlebih dahulu; bagian depan

yang telah padat akan berjalan ke dalam rongga. Jadi, jika cairan

dikeringkan keluar pada waktu yang sangat singkat setelah

pengisian, maka kita mendapatkan objek yang berdinding sangat

tipis dan berongga (lihat Gambar 6.9).

Gambar 6.9. Pengaliran – habis dari logam sebelum solidifikasi

terjadi akan menghasilkan pengecoran dengan rongga.


8. Pengecoran dengan Cetakan Tetap

Di sini, dua bagian dari cetakan terbuat dari logam, biasanya besi

cor, baja, atau paduan refraktori. Rongga, termasuk runner dan

sistem saluran disatukan dengan bagian cetakan. Untuk bagian

berongga, baik inti permanen (terbuat dari logam) atau yang terikat

dengan pasir dapat digunakan, tergantung apakah inti dapat

diekstraksi keluar dari hasil cor tanpa merusak hasil cor.

Permukaan cetakan dilapisi dengan tanah liat atau bahan refraktori

keras lainnya. Pelapisan ini akan meningkatkan waktu pakai

cetakan. Sebelum cetakan, permukaan ditutupi dengan semprotan

grafit atau silika, yang bertindak sebagai pelumas. Hal ini memiliki

dua tujuan, yaitu meningkatkan aliran logam cair, dan

memungkinkan hasil cor ditarik dari cetakan dengan lebih mudah.

Proses ini dapat diotomatisasi sehingga dapat menghasilkan

keluaran yang tinggi. Juga, menghasilkan toleransi dimensi dan

penyelesaian akhir dari permukaan yang sangat baik. Cara ini

biasanya digunakan untuk memproduksi piston yang digunakan

dalam mesin mobil, gigi kosong, kepala silinder, dan bagian lainnya

yang terbuat dari logam dengan titik lebur rendah, misalnya

tembaga, perunggu, aluminium, magnesium dan sebagainya.

9. Pengecoran dengan cetakan permanen

Pengecoran dengan cetakan permanen sangat umum digunakan

proses pengecoran. Cara ini digunakan untuk memproduksi

berbagai komponen peralatan rumah (misalnya pemanas nasi,

kompor, kipas angin, mesin cuci dan pengering, lemari es), motor,

mainan dan peralatan tangan. Hasil akhir permukaannya dan

toleransi dimensi dari pengecoran ini sangat baik bahkan hampir

tidak diperlukan perlakuan akhir. Cetakan permanen mahal, dan

memerlukan banyak waktu untuk membuatnya. Ada dua jenis


umum dari cetakan permanen yaitu pengecoran permanen dengan

ruang panas dan dingin.

Dalam proses ruang panas (digunakan untuk paduan seng,

magnesium) ruang bertekanan terhubung ke rongga cetakan diisi

secara permanen dalam logam cair. Siklus dasar operasinya

adalah sebagai berikut: (i) cetakan di tutup dan silinder leher angsa

diisi dengan logam cair, (ii) plunger mendorong cairan logam

melalui jalan leher angsa, nosel dan kemudian masuk ke rongga

cetakan. Kemudian logam dibiarkan di bawah tekanan sampai

membeku , (iii)cetakan dibuka, kemudian intinya, jika ada, ditarik,

hasil cor dibiarkan tetap di ejektor cetakan. Kemudian plunger

dikembalikan sehingga menarik logam cair kembali melalui nozzle

dan leher angsa, (iv) pin ejector mendorong hasil cor keluar dari

ejector cetakan. Saat plunger membuka lubang masuk, logam cair

kembali mengisi silinder leher angsa. Proses ruang panas

digunakan untuk logam yang (a) memiliki titik lebur yang rendah

dan (b) tidak berpadu dengan bahan cetakan permanen, yaitu baja.

Logam yang umum dicor dengan cara ini adalah timah, seng, dan

timah.

Dalam proses ruang dingin, logam cair dituangkan ke dalam ruang

dingin dalam setiap siklusnya. Siklus operasinya adalah (i) Cetakan

ditutup dan logam cair disendokkan ke silinder ruang dingin, (ii)

plunger mendorong logam cair ke rongga cetakan dan logam

tersebut diperlakukan di bawah tekanan tinggi sampai membeku,

(iii)cetakan akan terbuka dan plunger mengikutinya dengan

mendorong padatan hasil cor dari silinder, jika ada inti, mereka

ditarik keluar, (iv) pin ejector mendorong hasil cor keluar ejektor

cetakan dan kemudian plunger kembali ke posisi semula. Proses ini

digunakan untuk logam dengan titik lebur tinggi seperti Aluminium,

dan Tembaga (beserta paduannya).


Gambar 6.10. Pengecoran permanen dengan ruang panas.

Gambar 6.11. Pengecoran permanen dengan ruang dingin.

10. Pengecoran dengan cara sentrifugal

Pengecoran dengan cara sentrifugal menggunakan cetakan

permanen yang diputar terhadap sumbunya dengan kecepatan

antara 300-3000 rpm saat logam cair dituang. Gaya sentrifugal

menyebabkan logam terdorong ke arah luar dari dinding cetakan, di

mana logam cair akan membeku setelah pendinginan. Hasil cor


dari metode ini memiliki butiran mikro yang halus dan tahan

terhadap korosi atmosferik, sehingga metode ini banyak digunakan

untuk memproduksi pipa. Karena massa jenis logam lebih berat

dari massa jenis pengotornya, sebagian besar kotoran dan inklusi

akan berada lebih dekat dengan diameter dalam dan dapat

disingkirkan dengan dimesin. Permukaan sepanjang diameter

dalam juga jauh lebih buruk penyelesaiannya daripada permukaan

disepanjang permukaan luar.

Gambar 6.12. Skema pengecoran sentrifugal.

B. Desain dan Kualitas Pengecoran

Ada beberapa faktor yang mempengaruhi kualitas atau kinerja dari

pengecoran. Desain dan kualitas dari pengecoran didasarkan atas

analisa dan dasar ilmiah berdasarkan kekuatan dan sifat material.

1. Bagian sudut dan ketebalan

Banyak proses pengecoran menghasilkan cacat permukaan kecil

(misalnya lecet, bekas luka, scabs atau lubang), atau lubang kecil

atau zat pengotor di dalamnya (misalnya inklusi, tutup-dingin,

penyusutan rongga). Cacat ini adalah menjadi masalah jika bagian

tersebut digunakan pada berbagai variasi beban. Dalam kondisi

seperti itu, kemungkinan cacat akan bertindak seperti retak, yang


merambat di bawah tekanan berulang sehingga mengakibatkan

terjadi kegagalan lelah (fatigue). Kemungkinan lain adalah bahwa

lubang internal tersebut akan bertindak sebagai konsentrator

tegangan dan mengurangi kekuatan yang sebenarnya dari yang

diharapkan pada desain awalnya. Gambar 6.14 menunjukkan

variasi tegangan σ0 dengan adanya lubang untuk menggambarkan

masalah yang dialami.

Gambar 6.13. Beberapa jenis cacat dalam pengecoran.


Gambar 6.14. Konsentrasi tegangan dekat cacat elips.

Untuk menghindari masalah ini:

• Hindari membuat sudut yang tajam (sama seperti perilaku retak

dan menyebabkan konsentrasi tegangan).

• Perubahan bagian harus dicampur dengan baik menggunakan

fillet

• Perubahan yang cepat di daerah penampang harus dihindari,

jika tidak dapat dihindari, cetakan harus dirancang untuk

memastikan logam yang dapat mengalir ke seluruh wilayah dan

mekanisme disediakan untuk pendinginan seragam dan cepat

selama pembekuan. Hal ini dapat dicapai dengan menggunakan

chill atau tabung cairan didinginkan digabungkan dalam

cetakan.

Prinsip-prinsip ini diilustrasikan pada gambar di bawah.


Gambar 6.15. Penggunaan Chill.

Gambar 6.16. Contoh desain yang baik dan buruk

2. Bentuk Draft dan Taper

Dalam pengecoran sulit untuk melakukan pengecoran dengan

permukaan tegak lurus ke arah sepanjang bagian mana cetakan

akan keluar. Hal ini dapat menyebabkan hasil cor menempel di

dalam cetakan dan ejeksi kuat saat mengeluarkan hasil cor akan


menyebabkan kerusakan ke bagian hasil cor (dan cetakan, jika

cetakannya dapat digunakan kembali). Oleh karena itu semua

permukaan tersebut dimiringkan dengan sudut kecil antara 0,5 °

dan 2 ° sehingga memudahkan ejeksi. Sudut draft pada permukaan

bagian dalam dari bagian tersebut lebih tinggi, karena sebagian

juga cor menyusut sedikit terhadap inti selama pembekuan dan

pendinginan. Sebuah ilustrasi dari prinsip ini ditunjukkan pada

Gambar 6.17.

Gambar 6.17. Disain bentuk taper.

3. Penyusutan

Saat hasil cor mendinginkan, menyusut logam. Untuk logam cor

pada umumnya, toleransi susut 1% dirancang untuk semua dimensi

linier sehingga pada desain skala dinaikkan hingga sekitar 1%).

Saat solidifikasi terjadi dipermukaan pada batas antara bagian yang

telah membeku dengan logam cair, sepanjang permukaan cetakan

ke daerah bagian dalam dari coran, desainnya harus dipastikan

dengan tepat sehingga saat penyusutan terjadi hasil cor tidak akan

berlubang.


Gambar 6.18. Contoh desain yang baik dan buruk.

4. Garis Pemisah

Garis pemisah adalah batas pertemuan bagian cope, drag dan

hasil cor bertemu. Jika permukaan cope dan drag datar atau planar,

maka garis pemisahnya adalah garis penampang bagian luar dari

bidang itu. Kita dapat dengan mudah melihat garis pemisah untuk

banyak hasil pengecoran dan bagian cetakan yang biasa kita

gunakan. Secara konvensional garis pemisah haruslah planar jika

memungkinkan. Pasti akan ada sebagian kecil dari logam yang

"bocor" di daerah luar cetakan antara cope dan drag pada jenis

pengecoran apapun. Hal ini disebut "flash". Jika flash berada di

sepanjang permukaan luar, dapat dihilangkan dengan dihaluskan

atau dipotong. Cacat jenis ini lebih disukai jika terjadi di sepanjang

tepi hasil cor.


Gambar 6.19. Contoh garis pemisah.

C. Rangkuman

Tabel 6.1 merangkum berbagai jenis coran, keuntungan dan

kekurangan dari pemakaian jenis tersebut dan contohnya.

Tabel 6.1. Jenis pengecoran beserta keuntungan dan

kekurangannya

Proses Keuntungan Kerugian Contoh

Cetakan

pasir

Dapat digunakan

untuk banyak jenis

logam, ukuran, bentuk,

rendah biaya

Hasilnya tidak

bagus, toleransi

terlalu lebar

blok mesin,

kepala silinder

Cetakan

dengan

pelindung

Akurasi ukuran yang

lebih baik,

penyelesaiannya

rapih, tingkat produksi

yang lebih tinggi

ukurannya

terbatas

Batang

penghubung,

penutup gigi

pada mesin

Cetakan

dengan

Pola habis

Untuk beragam logam,

ukuran dan bentuk

Polanya memiliki

kekuatan yang

rendah

kepala silinder,

komponen rem


pakai

Cetakan

Plester

Untuk bentuk

kompleks, permukaan

akhirnya baik

logam non-

ferrous, tingkat

produksi rendah

prototipe dari

bagian mekanik

Cetakan

keramik

Untuk bentuk

kompleks, tingkat

akurasi yang tinggi,

hasil akhir yang baik

ukuran kecil impeller,

perkakas

cetakan injeksi

Cetakan

investasi

Untuk bentuk

kompleks, hasil baik

Untuk bentuk

kecil, mahal

perhiasan

Cetakan

tetap

Hasil baik, porositas

rendah, tingkat

produksi tinggi

Cetakan Mahal,

hanya untuk

bentuk

sederhana

roda gigi,

rumah gear

Cetakan

permanen

Keakuratan

dimensinya sangat

baik, tingkat produksi

tinggi

Cetakan mahal,

hanya untuk

bagian-bagian

yang kecil,

logam non-

ferrous

roda gigi yang

presisi,badan

kamera,

roda mobil

Cetakan

sentrifugal

Bagian silinder besar,

kualitas baik

Mahal, bentuk

terbatas

pipa, boiler,

asesoris roda


D. Latihan


1. Apa yang harus dilakukan untuk menghindari cacat permukaan

kecil (misalnya lecet, bekas luka, scabs atau lubang), atau lubang

kecil atau zat pengotor di dalamnya (misalnya inklusi, tutup-dingin,

penyusutan rongga)?

2. Mengapa pengecoran dengan permukaan tegak lurus sulit

dilakukan? Apa yang harus dilakukan untuk mememudahkan

pengecoran tersebut?


BAB VII TEKNIK PELAPISAN LOGAM

A. Pendahuluan

Pelapisan adalah cara upaya untuk menutup suatu permukaan

obyek dengan sesuatu, biasanya disebut sebagai substrat. Dalam

banyak kasus, pelapis digunakan untuk memperbaiki sifat

permukaan substrat, seperti penampilan, adhesi, mampu basah

(wetability), ketahanan korosi, ketahanan aus, dan tahan terhadap

goresan. Dalam kasus lain, khususnya dalam proses pencetakan

dan fabrikasi perangkat semikonduktor (dimana substrat yang

digunakan adalah wafer), lapisan membentuk suatu bagian penting

dari produk jadi. Tetapi cara-cara pelapisan yang umum dilakukan

untuk semikonduktor saat ini sudah banyak yang diaplikasikan ke

logam.

Proses pelapisan logam secara umum dapat dilakukan dengan

cara sebagai berikut:

- Deposisi uap secara kimia (Chemical vapor deposition) - Deposisi uap secara fisik (Physical vapor deposition)

- Teknik secara kimia dan elektrokimia

- Penyemprotan (Spraying)



1. Mengetahui jenis-jenis dan metoda pelapisan logam yang ada.

2. Mengetahui perbedaan dasar dari tiap-tiap pelapisan


B. Deposisi uap secara kimia (Chemical vapor deposition)

Deposisi uap secara kimia (CVD) adalah sebuah proses kimia yang

digunakan untuk menghasilkan material solid dengan kinerja tinggi

dan memiliki kemurnian tinggi. Proses ini sering digunakan dalam

industri semikonduktor untuk menghasilkan lapisan film tipis. Dalam

proses CVD tertentu, wafer (substrat) diekspos dengan lebih dari

satu prekursor yang bersifat mudah menguap (volatile), yang

kemudian bereaksi dan / atau terdekomposisi pada permukaan

substrat untuk menghasilkan deposit yang diinginkan. Seringkali

produk samping dari volatile juga dihasilkan, yang kemudian dapat

dikeluarkan oleh aliran gas melalui ruang tempat reaksi. Fabrikasi

mikro banyak menggunakan proses CVD untuk mendeposito

material dalam berbagai bentuk, termasuk: kristal tunggal,

polikristalin, amorf, dan epitaksial. Materialnya adalah: silikon, serat

karbon, seratnano karbon, filamen, nanotube karbon, SiO2, silikon-

germanium, tungsten, silikon karbida, silicon nitrida, silikon

oxidanitrida, titanium nitrida, dan berbagai high-k dielektrik. Proses

CVD juga digunakan untuk memproduksi berlian sintetis.

Sejumlah bentuk variasi dari CVD telah banyak digunakan secara

luas dan sering dirujuk dalam literatur. Proses ini berbeda

permulaannya dengan cara-cara yang umum pada reaksi kimia

(misalnya, proses aktivasi) dan kondisi proses. Berikut ini

beberapa jenis CVD:

- Diklasifikasi berdasarkan tekanan operasional:

• Atmospheric pressure CVD, (APCVD) - CVD yang

diproses pada tekanan atmosfir.

• Low-pressure CVD, (LPCVD) - Proses CVD pada

tekanan subatmospherik. Berkurangnya tekanan


cenderung mengurangi reaksi fasa-gas yang tidak

diinginkan dan meningkatkan keseragaman lapisan film

di seluruh wafer. Proses CVD paling modern adalah

LPCVD atau UHVCVD.

• Ultrahigh vacuum CVD, (UHVCVD) - Proses CVD pada

tekanan sangat rendah, biasanya di bawah 10-6 Pa (~ 10-

8 torr).

- Diklasifikasi berdasarkan karakteristik fisik uap:

• Aerosol assisted CVD (AACVD) - Proses CVD di mana

prekursor diangkut dengan substrat melalui cairan /

aerosol gas, yang dapat dihasilkan secara ultrasonik.

Teknik ini cocok untuk digunakan untuk precursor yang

non-volatile.

• Direct liquid injection CVD (DLICVD) - Proses CVD

dimana prekursor tersebut berada dalam bentuk cair

(larutan cair atau padat dalam pelarut yang stabil).

Larutan cair disuntikkan di ruang penguapan dengan

menggunakan injektor (biasanya digunakan injektor

mobil). Kemudian uap prekursor dipindahkan ke substrat

seperti dalam proses CVD biasa. Teknik ini cocok untuk

digunakan pada prekursor cair atau padat.

- Metoda plasma:

• Microwave plasma-assisted CVD (MPCVD).

• Plasma-Enhanced CVD (MPCVD) - proses CVD yang

menggunakan plasma untuk meningkatkan laju reaksi

kimia prekursor. Penggunaan PECVD memungkinkan

deposisi dilakukan pada temperatur yang lebih rendah,


yang kadang hal ini kritis dalam pembuatan

semikonduktor.

• Remote plasma-enhanced CVD (RPECVD) - Serupa

dengan PECVD kecuali bahwa substrat wafer tidak

secara langsung diposisikan di wilayah debit plasma.

Memindahkan wafer dari wilayah plasma memungkinkan

suhu pengolahan ada di suhu kamar.

- Atomic layer CVD (ALCVD) – Lapisan dengan zat yang berbeda

sehingga setiap lapisan memiliki zat pelapis atau film kristal

yang berbeda.

- Combustion Chemical Vapor Deposition (CCVD) - Proses

pembakaran pada lingkungan atmosfir (terbuka), berbasis

dengan cara pembakaran untuk mendeposito film tipis

berkualitas tinggi dan material nano.

- Hot wire CVD (HWCVD) - juga dikenal sebagai catalitic CVD

(Cat-CVD) atau hot filamen CVD (HFCVD). Menggunakan

filamen yang kemudian akan terdekomposisi dengan sumber

gas.

- Metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) - Proses

CVD berdasarkan prekursor metalorganik.

- Hybrid Physical-Chemical Vapor Deposition (HPCVD) - Proses

deposisi uap yang melibatkan dekomposisi kimia dari gas

prekursor dan padatan sumber penguapan.

- Rapid thermal CVD (RTCVD) - Proses CVD yang menggunakan

lampu pemanas atau metode lain untuk mempercepat panas

pada substrat wafer. Pemanasan dilakukan hanya pada substrat

daripada gas atau dinding kamar gas untuk mengurangi reaksi

fasa gas yang tidak diinginkan yang dapat menyebabkan

pembentukan partikel yang tidak diinginkan.

- Vapor phase epitaxy (VPE).


C. Deposisi uap secara fisik (Physical vapor deposition)

Deposisi uap secara fisik (PVD) adalah variasi lain dari deposisi

secara vakum dan adalah istilah umum yang digunakan untuk

menggambarkan salah satu dari berbagai metode untuk

mendeposito film tipis dengan cara kondensasi uap material ke

berbagai bentuk permukaan (misalnya, ke wafer semikonduktor).

Metode pelapisan hanya melibatkan proses fisik seperti proses

penguapan pada kondisi vakum disuhu tinggi atau ditembaki

dengan plasma dan tidak menggunakan reaksi kimia pada

permukaan yang akan dilapisi seperti dalam deposisi uap secara

kimia. Jenis-jenis dari PVD dengan urutan dari yang terbaru adalah:

- Cathodic Arc Deposition: di mana busur daya tinggi dipanaskan

pada material target untuk membakar habis sebagian material

sehingga menjadi uap yang sangat terionisasi.

- Electron beam physical vapor deposition: di mana material yang

akan dideposit dipanaskan dengan tekanan uap yang tinggi oleh

penembakan elektron dalam keadaan vakum tinggi.

- Evaporative deposition: di mana material yang akan dideposit

dipanaskan dengan tekanan uap yang tinggi dengan

pemanasan elektrik resistif dalam ruang hampa rendah.

- Pulsed laser deposition: di mana laser dengan daya tinggi

mengikis material target dan hingga menjadi uap.

- Sputter deposition: di mana lucutan pijar plasma (biasanya

terjadi lokal di sekitar "target" oleh magnet) menembaki material

hingga sebagian berubah menjadi uap.

PVD digunakan dalam proses manufaktur barang termasuk

perangkat semikonduktor, film PET aluminized untuk balon dan

tas makanan kecil, dan alat potong yang dilapisi untuk

pengerjaan logam.


D. Teknik secara kimia dan elektrokimia

Secara umum pelapisan dengan cara kimia dan elektrokimia dapat

dibagi menjadi:

1. Anodizing

Anodizing, atau penganodaan, adalah sebuah proses pasivasi

elektrolitik, digunakan untuk meningkatkan ketebalan lapisan

oksida alami pada permukaan logam. Proses ini disebut

"penganodaan" karena bagian yang harus diperlakukan sebagai

anoda pada elektroda dari sirkuit listrik. Penganodaan dapat

meningkatkan ketahanan terhadap korosi dan ketahanan aus,

dan menyediakan adhesi yang lebih baik untuk cat primer

dibandingkan pada logam tanpa pelapis. Lapisan film anodik

juga dapat digunakan untuk meningkatkan keindahan, baik

pada lapisan berpori tebal yang dapat menyerap pewarna atau

dengan lapisan transparan tipis yang menambah efek

interferensi untuk cahaya yang dipantulkan. Anodisasi juga

digunakan untuk mencegah lecet pada komponen berulir dan

untuk membuat lapisan film dielektrik untuk kapasitor elektrolitik.

Lapisan film anodik paling sering digunakan untuk melindungi

paduan aluminium, meskipun proses juga dapat digunakan

untuk titanium, seng, magnesium, niobium, dan tantalum.

Proses ini bukan pelindung yang baik untuk baja besi atau

karbon karena logam ini terkelupas ketika teroksidasi, yaitu

oksida besi (juga dikenal sebagai karat), secara terus-menerus

mengekspos logam dasar sehingga dapat terjadi korosi.

2. Ion Beam Mixing

Merupakan proses untuk mengadhesikan dua atau lebih

lapisan, terutama substrat dan lapisan permukaan yang


dideposit. Proses ini terjadi dengan menembaki lapisan

spesimen dengan sejumlah radiasi ion dalam rangka untuk

meningkatkan pencampuran pada antarmuka, dan umumnya

berfungsi sebagai upaya untuk mempersiapkan sambungan

listrik, khususnya antara paduan non-ekuilibrium atau metastabil

dan senyawa intermetalik. Peralatan implantasi ion dapat

digunakan sebagai alat Ion Beam Mixing.

3. Pickling

Pickling adalah perlakuan pada permukaan logam digunakan

untuk menghilangkan kotoran, seperti noda, kontaminan

anorganik, kerak atau karat dari logam besi, tembaga, dan

paduan aluminium. Larutan untuk pickling mengandung asam

kuat, digunakan untuk menghilangkan kotoran pada permukaan.

Larutan ini biasanya digunakan untuk membersihkan baja atau

kerak dalam berbagai proses pembuatan baja.

4. Plating

Plating atau penyepuhan adalah cara pelapisan permukaan di

mana logam dideposit pada permukaan konduktif. Penyepuhan

telah dilakukan selama ratusan tahun, tetapi cara ini masih

penting untuk teknologi modern. Penyepuhan digunakan untuk

menghias benda-benda, inhibisi korosi, meningkatkan mampu

soldernya, mengeraskan, meningkatkan daya tahan pakai,

mengurangi gesekan, meningkatkan adhesi cat, mengubah

konduktivitas, penahan radiasi dan untuk tujuan lain. Perhiasan

biasanya menggunakan cara penyepuhan untuk memberikan

efek akhir perak atau emas. Deposisi film tipis telah dapat

menyepuh benda sekecil atom, sehingga penyepuhan dapat


digunakan dalam nanoteknologi. Cara penyepuhan secara

umum ada dua yaitu:

- Penyepuhan dengan listrik luar (electroplating), adalah

proses penyepuhan dimana ion logam dalam suatu

larutan digerakkan oleh medan listrik untuk melapisi

elektroda. Prosesnya menggunakan arus listrik untuk

mengurangi kation dari material yang diinginkan berupa

larutan dan melapisi benda konduktif dengan lapisan tipis

dari material tersebut, seperti pada logam. Elektroplating

terutama digunakan untuk mendeposit bahan lapisan

untuk memberikan sifa-sifat yang diinginkan (misalnya,

abrasi dan ketahanan aus, perlindungan korosi,

pelumasan, kualitas estetika dan sebagainya) ke

permukaan yang biasanya tidak memiliki sifat-sifat

tersebut. Aplikasi lain menggunakan elektroplating adalah

untuk menambah ketebalan pada bagian-bagian

berukuran kecil.

- Penyepuhan dengan listrik dalam (electroless plating),

juga dikenal sebagai penyepuhan secara kimia atau auto-

katalitik, adalah metode pelapisan jenis non-galvani yang

melibatkan beberapa reaksi simultan dalam larutan

berair, yang terjadi tanpa menggunakan daya listrik

eksternal.

5. Sol-Gel

Proses sol-gel, juga dikenal sebagai deposisi larutan kimia,

adalah teknik basah-kimia yang banyak digunakan di bidang

ilmu material dan teknologi keramik. Metode tersebut digunakan

terutama untuk fabrikasi bahan (biasanya untuk oksida logam)

dimulai dari suatu larutan kimia (atau sol) yang bertindak


sebagai prekursor untuk jaringan terpadu (atau gel) baik untuk

partikel diskrit atau polimer jaringan. Prekursor yang biasa

dipakai adalah logam alkoksida dan klorida logam, yang

mengalami berbagai bentuk reaksi hidrolisis dan polikondensasi.

E. Penyemprotan (Spraying)

1. High velocity oxy-fuel spraying (HVOF)

Selama tahun 1980-an, kelas proses spray thermal yang biasa

disebut high velocity oxy-fuel spraying (HVOF) dikembangkan.

Campuran bahan bakar gas atau cair dan oksigen dimasukkan

ke dalam ruang pembakaran, di mana mereka dinyalakan dan

dibakar terus menerus. Gas panas yang dihasilkan mendekati 1

MPa mengalir melalui nosel divergen-konvergen dan mengalir

sepanjang bagian yang lurus. Bahan bakar yang digunakan

dapat berupa gas (hidrogen, metana, propana, propylene,

asetilena, gas alam, dan lain-lain) atau cairan (minyak tanah,

dan lain-lain). Kecepatan penyemprotan hampir j melebihi suara

(> 1000 m/s). Bahan baku bubuk kemudian disuntikkan ke

dalam aliran gas, sehingga bubuk tersebut keluar dengan

kecepatan sampai 800 m/s. Aliran gas panas dan bubuk

diarahkan permukaan yang akan dilapisi. Sebagian serbuk

meleleh di aliran udara keluar, dan terdeposit di atas substrat.

Lapisan yang dihasilkan memiliki porositas rendah dan kekuatan

ikatan yang tinggi.

2. Plasma Spraying

Dalam proses penyemprotan plasma, material yang akan

dideposit (material baku) - biasanya dalam bentuk bubuk,

kadang-kadang berbentuk suspensi, cair atau kawat –

dimasukkan ke dalam jet plasma, berasal dari obor plasma.


Dalam jet, dimana suhunya sekitar 10.000 K, bahan deposit

akan mencair dan terdorong menuju substrat. Di sana, tetesan

cair akan merata, dengan cepat membeku dan membentuk

deposit. Umumnya, deposit tetap melekat ke substrat sebagai

pelapis. Terdapat sejumlah besar parameter teknologi yang

mempengaruhi interaksi partikel dengan jet plasma dan substrat

dan sifat-sifat dari deposit. Parameter ini meliputi jenis bahan

baku, komposisi plasma gas dan laju alir, masukan energi, jarak

offset obor, pendinginan substrat dan lain-lain. Cara ini dapat

divariasi dengan menggunakan atmosfir vakum.

Gambar 7.1. Plasma spraying

3. Wire arc spray

Wire arc spray adalah salah satu bentuk penyemprotan termal

di mana dua kawat logam diumpankan secara terpisah ke pistol

semprot. Kabel ini kemudian diberi tegangan dan dihasilkan

busur diantara kabel tersebut. Panas dari busur ini mencairkan

kawat yang masuk, yang kemudian terbawa oleh dorongan jet

udara dari pistol. Bahan baku cair yang terbawa tadi kemudian

tersimpan ke substrat. Proses ini umumnya digunakan untuk

pelapisan berat logam.


Gambar 7.2. Wire arc spray

4. Cold Spraying

Pada 1990-an, penyemprotan dingin (sering disebut

penyemprotan gas dingin dinamis) telah diperkenalkan. Metode

ini awalnya dikembangkan di Rusia dengan pengamatan tidak

sengaja saat terjadi pembentukan lapisan dengan cepat ketika

bereksperimen dengan erosi partikel dari target yang terkena

aliran udara pada kecepatan tinggi didalam terowongan angin

yang penuh dengan serbuk halus. Dalam penyemprotan dingin,

partikel dipercepat hingga kecepatan yang sangat tinggi oleh

gas pembawa yang kemudian dipaksa untuk melalui nosel tipe

konvergen-divergen de Laval. Saat tumbukan, partikel padat

dengan energi kinetik yang cukup berubah bentuk secara plastis

dan terikat secara mekanis dengan substrat untuk membentuk

suatu lapisan. Kecepatan kritis yang diperlukan untuk

membentuk ikatan tergantung pada sifat bahan, ukuran bubuk

dan suhu. Logam lunak seperti Cu dan Al yang paling cocok

untuk dilakukan penyemprotan dingin, tetapi pelapisan dari

bahan lain (W, Ta, Ti, MCrAlY, WC-Co dan sebagainya)

dilaporkan telah dapat dilakukan juga.


5. Warm Spraying

Penyemprotan hangat (warm spraying) merupakan modifikasi

baru dari HVOF, di mana suhu pembakaran gas diturunkan

dengan cara mencampur nitrogen dengan gas pembakaran,

sehingga prosesnya menjadi mendekati penyemprotan dingin.

Gas yang dihasilkan banyak mengandung uap air, hidrokarbon

dan oksigen tidak bereaksi, dan lebih kotor daripada

penyemprotan dingin. Namun, efisiensi lapisannya lebih tinggi.

Di sisi lain, suhu yang lebih rendah pada penyemprotan hangat

mengurangi pencairan dan reaksi kimia dari serbuk umpan, jika

dibandingkan dengan HVOF. Karena kelebihan ini maka cara ini

dipakai untuk melapisi material seperti Ti, plastik, dan gelas

metalik, yang dengan cepat mengoksidasi atau rusak pada suhu

tinggi.

F. Rangkuman

Pelapisan pada logam digunakan untuk memperbaiki sifat

permukaan substrat, seperti penampilan, adhesi, mampu basah

(wetability), ketahanan korosi, ketahanan aus, dan tahan terhadap

goresan. Pelapisan logam dapat dipilih berdasarkan kebutuhan

pemakaiannya.

G. Latihan


1. Apa perbedaan dari cold spraying dan warm spraying?

2. Teknik pelapisan apa yang digunakan untuk memperoleh

lapisan permukaan yang keras?

3. Jelaskan aplikasi pelapisan dengan cara CVD dan PVD pada

logam!


BAB VIII PENUTUP

A. Kesimpulan Teknologi mekanik memegang peranan penting bagi pengetahuan

penera dalam mendukung pemerintah maupun pengusaha dalam

pencapaian tertib ukur karena dalam teknologi mekanik terdapat

pengetahuan diantaranya mengenai prinsip dasar dari bahan

material, sifat-sifat mekanik dari bahan terutama bahan logam,

struktu fasa dari logam, cara melakukan pengecoran yang baik dan

perlindungan pada logam.

Syarat-syarat teknis yang ada saat ini masih bersifat dinamis,

sehingga dengan adanya pengetahuan teknologi mekanik pada

penera diharapkan syarat-syarat tekniks yang ada semakin dapat

mengakomodir perkembangan pesat teknologi dan cara-cara

kalibrasi dan peneraan di Indonesia. Pengawasan dan penyuluhan

tentang persyaratan teknis sangatlah mutlak dilakukan oleh penera

kepada pengguna ataupun produsen/pembuat UTTP guna untuk

menjamin alat UTTP yang ada dan yang akan diproduksi atau yang

akan masuk ke Indonesia dapat memenuhi semua persayaratan

teknis sesuai dengan ketentuan peryaratan teknis yang berlaku.

B. Tindak lanjut

Penera setelah menerima pembelajaran ini hendaknya terus

menerus mencari dan menambah pengetahuan teknologi mekanik

agar dapat membimbing dan mengawasi produsen/pembuat alat

UTTP sehingga diharapkan kebenaran dan kepastian hasil


pengukuaran UTTP di negara kita dapat lebih terjamin sehingga

masyarakat dapat lebih terjamin kebenaran hasil pengukuran yang

banyak digunakan dalam transaksi perdagangan.


DAFTAR PUSTAKA

1. William F. Smith (1994), Principles of Material Science and Engineering, Singapore: McGraw-Hill.

2. William D. Callister Jr. (1997), Materials Science and Engineering an Introduction, Fourth Edition, Canada:, John Willey & Sons, Inc.

3. H.W. Hayden, W.G. Moffat and J. Wulff (1965), The Structure and Properties of Materials, Vol. III, Mechanical Behaviour, New York: John Willey & Sons, Inc.


BIODATA PENULIS

Victor Tulus Pangapoi Sidabutar, M.T., lahir di

Jakarta pada tanggal 18 Oktober 1977, lulus S-1

dari Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan

Alam, Jurusan Kimia, Institut Teknologi Bandung

pada tahun 2001 dan S-2 dari Fakultas Teknik

Mesin dan Dirgantara, Program studi Ilmu dan

Teknik Material, Institut Teknologi Bandung pada

tahun 2003. Pernah bekerja sebagai pengajar di beberapa sekolah

menengah berstandar Internasional baik di Jakarta dan Bandung dari

tahun 2007 hingga 2009. Pada tahun 2009 menjadi Pegawai Negeri Sipil

di Balai Diklat Metrologi Departemen Perdagangan Bandung sebagai

widyaiswara, pernah mengikuti Diklat Fungsional Penera tahun 2010,

Diklat TOT (Training of Trainer) Calon Widyaiswara tahun 2011 dan

pernah mengikuti berbagai inhouse training yang diadakan di Balai Diklat

Metrologi. Tahun 2011 diberi tugas mengajar di Diklat Fungsional Penera,

mata diklat yang diajarkan adalah Teknologi Mekanik.

Documents

Teknologi Mekanik untuk Penera Tingkat Ahli