BAB I

PENGANTAR

Dalam bab pendahuluan ini, kita secara singkat membahas sifat ilmu dan teknik material. Setelah mendefinisikan atau menjelaskan apa ilmu material dan teknik, kami mengklasifikasikan bahan rekayasa sesuai dengan sifat dan berbagai kategori aplikasi. Kemudian kita membahas berbagai tingkat struktur internal bahan. Akhirnya, kami menekankan pentingnya hubungan struktur-properti dalam bahan, menguraikan pendekatan umum dari bab-bab berikutnya.1.1 Material Sains dan teknikUngkapan 'ilmu material dan rekayasa' membutuhkan beberapa penjelasan untuk pemula. 'Material' kata di sini tidak merujuk kepada semua materi di alam semesta. Jika begitu, itu akan mencakup semua ilmu fisik dan ilmu kehidupan dari astronomi untuk ahli ilmu hewan Dengan memasukkan kata 'benda mati' dalam definisi, kita dapat mengecualikan ilmu kehidupan dari lingkup kami. Lanjut, kita bisa membatasi definisi hanya peduli berguna bagi umat manusia. Bahkan di sini, kisaran terlalu luas untuk tujuan insinyur. Sebagai contoh, kita bisa daftar sejumlah besar hal-hal yang berguna bagi manusia, seperti makanan, obat-obatan, bahan peledak, bahan kimia, air, baja, plastik dan beton, hanya beberapa yang berkualitas sebagai bahan rekayasa. Kami kemudian harus lebih spesifik dan menentukan bahan sebagai bagian dari keadaan benda mati, yang berguna untuk insinyur dalam praktek profesi nya. Dalam arti saat ini dipahami istilah, bahan ini hanya mengacu pada bahan padat, meskipun ada kemungkinan untuk mengutip sejumlah contoh bahan cair dan gas seperti asam sulfat dan uap, yang berguna untuk insinyur.

'Ilmu Pengetahuan' kata dalam kalimat mengacu pada ilmu fisika, khususnya kimia dan fisika. Seperti kita membatasi diri terutama untuk bahan padat dalam ilmu material, subjek berhubungan dengan kimia dalam keadaan padat dan fisika dalam keadaan padat. Kata 'ahli teknik' menunjukkan bahwa kegunaan rekayasa dari materi yang diteliti selalu diingat, terlepas dari apakah hukum dasar ilmu pengetahuan dapat diterapkan secara ketat atau tidak. Dimana dasar hukum tidak dapat diterapkan, material seorang insiyur tidak menyerah ,penting baginya dari sudut pandang praktis. Dia menggunakan pendekatan terbaik mungkin, mengembangkan aturan empiris, dan memperhitungkan informasi tersedia untuk situasi yang tidak diketahui. Dalam hal ini, ilmu material dan teknik sangat menarik dari ilmu-ilmu teknik seperti metalurgi, keramik, dan ilmu polimer. Ini, dengan waktu yang didapatkan sendiri, telah berkembang interaksi dengan dasar ilmu pengetahuan pada bidang kimia dan fisika.

1.2 Klasifikasi bahan/material Teknika Setelah mendefinisikan batas-batas bahan yang datang di bawah lingkup kita, kita dapat mengelompokkan mereka dalam tiga kelompok besar sesuai dengan sifat mereka:i. Logam dan paduanii. Keramik dan gelasiii. Polimer organik

Logam adalah obyek yang sering kita dengar dengan karakteristik penampilan, merupakan daerah yang mampu mengubah bentuk mereka secara permanen, dan memiliki daya konduksi panas dan listrik yang baik. Suatu paduan adalah kombinasi dari lebih dari satu logam. Keramik dan gelas adalah zat anorganik bukan logam, yang rapuh dan memiliki baik termal dan sifat isolasi listrik. Polimer organik relatif lembam dan bercahaya, dan umumnya memiliki tingkat kekenyalan tinggi. Gambar 1.1 berisi contoh yang khas dari masing-masing tiga kelompok bahan. Selain itu, contoh bahan yang terletak di antara dua kelompok juga ditampilkan.

Gambar 1.1 tiga kelompok utama material/bahan Teknika

Cara alternatif bahan mengelompokkan adalah menurut tiga bidang utama di mana mereka digunakan:

i. Strukturii. Mesiniii. Perlengkapan

Struktur (tidak harus bingung dengan struktur internal suatu material) mengacu pada objek tanpa bagian yang bergerak didirikan oleh para insinyur, seperti bendungan beton, tungku peleburan baja, jembatan gantung dan menara kilang minyak. Mesin bubut termasuk turbin, uap dan gas, mesin, motor listrik dan generator. Perangkat adalah tambahan terbaru untuk bahan Teknika dan mengacu pada pembaharuan seperti transistor, sel fotolistrik, alat pengukur tekanan piezoelektrik, magnet keramik dan laser.Selalu, dalam setiap kategori aplikasi, kita menemukan bahan-bahan dari semua tiga kelompok yang dijelaskan di atas. Untuk memberikan beberapa contoh, struktur pesawat terbang dibangun dari paduan aluminium dan plastik, sebuah tungku peleburan baja dibangun oksida yang keras dan struktur baja; helm terbuat dari plastik kaca yang diperkuat. Kesamaannya, kami memiliki semikonduktor logam-oksida. Diagram blok pada gambar 1.2 menggambarkan interaksi ini antara kelompok material dan kategori aplikasi.

Gambar 1.2 Setiap kategori aplikasi Teknika membutuhkan bahan dari salah satu atau semua dari tiga kelompok bahan/material.1.3 Tingkat Struktur

Struktur internal dari bahan, biasanya disebut struktur, dapat dipelajari pada berbagai tingkat pengamatan. Pembesaran dan resolusi bantuan fisik yang digunakan adalah ukuran tingkat pengamatan. Semakin tinggi pembesaran, halus adalah tingkat. Rincian yang diungkapkan pada tingkat tertentu pengamatan umumnya berbeda dengan rincian diungkapkan pada beberapa tingkat lainnya. Henry Sorby adalah salah satu orang pertama yang menyadari hal ini, ketika ia menulis pada tahun 1886:Meskipun saya telah mempelajari struktur mikroskopis dari besi dan baja selama bertahun-tahun, itu tidak sampai musim gugur terakhir yang saya bekerja apa yang banyak disebut kekuatan tinggi. Hal ini sebagian karena saya tidak melihat bagaimana hal ini bisa memuaskan yang dilakukan dan sebagian karena tampaknya bagi saya tidak perlu. Saya telah menemukan bahwa dalam hampir setiap kasus kekuatan (perbesaran) dari 50 linear menunjukkan pada skala yang lebih kecil sebanyak satu dari 200, dan ini membuat saya menyimpulkan bahwa saya telah melihat struktur utama. Sekarang hasilnya diketahui, mudah untuk melihat bahwa penalaran saya adalah keliru, karena kekuatan 650 linier memungkinkan kita untuk melihat struktur yang lebih tua hampir seluruhnya baru.Kita sekarang telah datang di sepanjang jalan sejak zaman Sorby itu, pembesaran dengan resolusi pencocokan satu juta kali linier sekarang umum. Tergantung pada tingkat, kita dapat mengklasifikasikan struktur bahan sebagai:MacrostructureMikroSubstrukturStruktur ElektronikStruktur nuklirStruktur makro, material diperiksa dengan mata telanjang atau di bawah perbesaran rendah. Simetri internal pengaturan atom dalam bahan kristal mungkin mencerminkan di luar dari dari kristal seperti kuarsa. Individu kristal besar dari bahan kristal dapat terlihat dengan mata telanjang, seperti di kuningan gagang pintu oleh polishing konstan dan etsa aksi tangan manusia dan keringat.Mikro umumnya mengacu pada struktur seperti yang diamati di bawah mikroskop optik, lihat Gambar 1.3. Mikroskop ini dapat memperbesar struktur sampai sekitar 1500 kali linear, tanpa kehilangan resolusi detail struktur.

Gambar 1.3 loncatan kristalan dalam Fe2NiO4, perbesaran 900 kali linearBatas perbesaran dari mata manusia adalah sekitar 0,1 mm (10 -4 m), yaitu, mata dapat membedakan dua baris sebagai baris yang terpisah, hanya ketika jarak mereka pemisahan lebih dari 0,1 mm. Mikroskop optik dapat menyelesaikan rincian ke batas sekitar 0,1mm (10-4 m ).

Substruktur mengacu pada struktur yang diperoleh dengan menggunakan mikroskop dengan perbesaran yang lebih tinggi dan resolusi dari mikroskop optik. Dalam sebuah mikroskop elektron, perbesaran 1000 000 kali linear adalah mungkin. Berdasarkan panjang gelombang yang lebih kecil dari elektron dibandingkan dengan cahaya tampak, daya juga meningkat sejalan sehingga banyak rincian halus muncul dalam mikroskop elektron. Kita dapat memperoleh banyak informasi tambahan mengenai partikel yang sangat halus atau ketidaksempurnaan kristal seperti terlepas .

Gambar 1.4 Substruktur dari paduan Ni-Fe-Cr menunjukkan melengkung garis yang tersambung yang diperbesar 30.000 kali dalam mikroskop elektron.Gambar 1.4 Menunjukkan sambungan dicitrakan dalam mikroskop elektron transmisi. Di sini, elektron melewati foil tipis spesimen dan efek difraksi terkait menghasilkan gambar. Pola difraksi elektron diperoleh bersama dengan foto substruktur sangat membantu dalam memahami proses yang terjadi dalam materi seperti skala menit.Dalam mikroskop elektron scanning, berkas elektron dipindai di seluruh permukaan bahan percobaan. Elektron kembali tersebar di setiap titik dikumpulkan dan ditampilkan pada tingkat pemindaian yang sama pada tabung sinar katoda. Hasilnya dalam gambar, seperti gambar televisi, dari fitur permukaan bahan percobaan. Gambar ini memiliki kedalaman yang sangat besar sehingga bahkan permukaan retak tanpa polishing apapun dapat dicitrakan (lihat gambar 12. Ie. berkisar perbesaran dari 10 x 50.000 x sampai)

Dalam elektron pemeriksa analisa mikro, sinar elektron membombardir permukaan bahan percobaan. Sinar X yang memiliki panjang gelombang karakteristik elemen dalam bahan percobaan yang memancar. Menggunakan standar yang sesuai, menyajikan elemen dalam spesimen dapat diidentifikasi dan konsentrasi mereka ditentukan dari intensitas sinar-X. Jadi teknik ini memungkinkan analisis microchemical pada titik-titik sekecil 1m.

Lainnya ada juga mikroskop modern adalah mikroskop ion . Ini menghasilkan gambar atom individu (gambar 1.5) dan ketidaksempurnaan dalam pengaturan atom.Struktur kristal memberitahu kita rincian susunan atom dalam kristal.

Hal ini biasanya cukup untuk menggambarkan susunan beberapa atom dalam apa yang disebut sel satuan. Kristal terdiri dari jumlah yang sangat besar unit sel membentuk pola yang berulang secara teratur dalam ruang. Teknik utama yang digunakan untuk menentukan struktur kristal adalah tabung sinar-X.Struktur elektronik padat biasanya mengacu pada elektron di orbital terluar atom individu yang merupakan zat padat. Teknik spektroskopi sangat berguna dalam menentukan struktur elektronik.

Struktur nuklir dipelajari oleh teknik spektroskopi nuklir seperti resonansi magnetik nuklir (NMR) dan studi Mssbauer.

1.4 Hubungan Struktur-Properti dalam bahanSampai saat ini, telah praktek dalam kursus pada material Teknika untuk daftar komposisi, pengobatan, sifat dan penggunaan banyak bahan sebanyak mungkin. Jumlah dan berbagai bahan teknik dan aplikasi telah meningkat pesat dalam beberapa tahun terakhir. Sekarang kami memiliki lebih dari seribu jenis baja saja, masing-masing dengan komposisi tertentu, sejarah termal dan mekanik. Oleh karena itu, adalah mustahil untuk menggambarkan jumlah yang memadai bahan rekayasa dalam satu program. Selain itu, pengetahuan kita tentang struktur internal bahan dan bagaimana struktur ini berkorelasi dengan sifat cepat telah maju dalam beberapa dekade terakhir. Jadi, itu lebih menarik dan sesuai untuk mempelajari beberapa faktor kunci yang menentukan hubungan struktur-properti daripada pergi untuk account sepenuhnya deskriptif sejumlah besar bahan. Pendekatan ini diadopsi dalam buku ini. Pembahasan properti struktur tergantung biasanya diikuti oleh aplikasi khas.Tingkat struktur yang dari kepentingan terbesar dalam ilmu material dan rekayasa struktur mikro, substruktur, dan struktur kristal. The kimia, mekanik, listrik dan sifat magnetik termasuk sifat enginnering paling penting. Kami pertama kali mengembangkan konsep-konsep dasar yang berkaitan dengan struktur tingkat. Ini termasuk konsep-konsep dalam keseimbangan dan kinetik, geometri kristal, susunan atom dalam sel satuan bahan kristal, ketidaksempurnaan substructural dalam kristal dan struktur mikro fase tunggal dan bahan multi-fase. Kami kemudian mendiskusikan bagaimana perubahan dalam struktur yang dibawa dan bagaimana mereka dapat dikendalikan untuk keuntungan terbaik. Padat difusi dan kontrol transformasi fasa dengan perlakuan panas adalah topik utama di sini. Dalam paruh kedua buku ini, korosi antara sifat-sifat kimia, deformasi elastis dan plastik antara sifat-sifat mekanik dan beberapa sifat listrik dan magnetik dibahas dengan berbagai contoh bahan rekayasa khas. Komposisi kotor material adalah penting dalam menentukan strukturnya. Namun, untuk komposisi bruto yang diberikan, perubahan radikal dalam struktur dan sifat dapat dibawa oleh perubahan halus dalam konsentrasi dan