Download - 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
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 2
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
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 3
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
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 4
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
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 5
E. Penyemprotan (Spraying)
1. High velocity oxy-fuel spraying (HVOF) 2. Plasma Spraying 3. Wire arc spray 4. Cold Spraying 5. Warm Spraying
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 6
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.
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 7
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.
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 8
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
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 9
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.
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 10
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.
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 11
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.
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 12
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
Indikator keberhasilan:
Setelah mengikuti pembelajaran ini peserta diklat diharapkan mampu :
1. Memahami bentuk struktur atom dan ikatan dari logam. 2. Memahami susunan dasar dari kristal logam. 3. Memahami bentuk cacat pada struktur logam.
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 13
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
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 14
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).
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 15
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.
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 16
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.
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 17
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-
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 18
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
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 19
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.
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 20
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
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 21
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
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 22
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
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 23
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.
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 24
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
Jawablah / kerjakan soal latihan berikut:
1. Mengapa ikatan logam membentuk ikatannya dengan cara
terdelokalisasi? Gambarkan ikatannya! 2. Tuliskan struktur kristal logam dari :
- Aluminum - Nikel
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 25
- Perak - Titanium - Emas - Besi
3. Gambarkan dislokasi tepi dan ulir! 4. Apa yang disebut dengan daerah kembar?
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 26
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.
Indikator keberhasilan:
Setelah mengikuti pembelajaran ini peserta diklat diharapkan mampu :
1. Memahami sifat-sifat mekanik logam.
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 27
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,
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 28
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
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 29
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
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 30
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.
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 31
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
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 32
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.
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 33
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
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 34
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.
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 35
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
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 36
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.
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 37
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
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 38
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
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 39
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.
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 40
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.
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 41
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
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 42
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
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 43
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.
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 44
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.
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 45
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.
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 46
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
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 47
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.
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 48
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
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 49
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).
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 50
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-
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 51
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,
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 52
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.
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 53
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 54
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.
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 55
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
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 56
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
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 57
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
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 58
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.
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 59
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
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 60
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
Jawablah / kerjakan soal latihan berikut:
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?
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 61
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
Indikator keberhasilan:
Setelah mengikuti pembelajaran ini peserta diklat diharapkan mampu :
1. Mengetahui jenis-jenis umum dari diagram fasa. 2. Mengetahui bentuk-bentuk fasa yang terbentuk. 3. Mengetahui cara menghitung komposisi fasa.
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 62
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.
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 63
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 +
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 64
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.
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 65
- 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.
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 66
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
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 67
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
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 68
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.
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 69
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
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 70
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.
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 71
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
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 72
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.
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 73
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
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 74
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.
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 75
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
Jawablah / kerjakan soal latihan berikut:
1. Hitung komposisi dari tiap titik pada diagram dibawah ini!
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 76
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
Indikator keberhasilan:
Setelah mengikuti pembelajaran ini peserta diklat diharapkan mampu :
1. Mengetahui jenis-jenis beserta keuntungan dan kekurangan dari setiap jenis pengecoran logam.
2. Mengetahui kendala dalam pengecoran.
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 77
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.
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 78
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.
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 79
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
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 80
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
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 81
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.
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 82
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.
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 83
• 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-
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 84
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
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 85
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.
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 86
Gambar 6.7. Langkah-langkah dalam proses pengecoran investasi.
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 87
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.
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 88
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
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 89
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).
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 90
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
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 91
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
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 92
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.
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 93
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.
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 94
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
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 95
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.
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 96
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.
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 97
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
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 98
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
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 99
D. Latihan
Jawablah / kerjakan soal latihan berikut:
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?
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 100
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)
Indikator keberhasilan:
Setelah mengikuti pembelajaran ini peserta diklat diharapkan mampu :
1. Mengetahui jenis-jenis dan metoda pelapisan logam yang ada.
2. Mengetahui perbedaan dasar dari tiap-tiap pelapisan
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 101
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
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 102
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,
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 103
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).
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 104
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.
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 105
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
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 106
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
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 107
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
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 108
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.
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 109
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.
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 110
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.
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 111
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
Jawablah / kerjakan soal latihan berikut:
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!
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 112
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
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 113
pengukuaran UTTP di negara kita dapat lebih terjamin sehingga
masyarakat dapat lebih terjamin kebenaran hasil pengukuran yang
banyak digunakan dalam transaksi perdagangan.
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 114
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.
Bahan Ajar Teknologi Mekanik/Diklat Fungsional Penera Ahli Halaman 115
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.