MODUL PERKULIAHAN

PENGETAHUAN BAHAN TEKNIK

SIFAT-SIFAT FISIK BAHAN

FakultasProgram StudiTatap MukaKode MKDisusun Oleh

TeknikTeknik Industri05Selamet riadi, ST, MT

AbstractKompetensi

Sifat-sifat fisik, selain kekuatan, seringkali merupakan hal yang sangat penting dan harus dipenuhi oleh komponen-komponen manufaktur. Sifat fisik bahan menentukan perilaku bahan sebagai reaksi terhadap gaya fisik selain gaya mekanik. Sifat fisik bahan penting pd proses manufaktur karena sering mempengaruhi kinerja proses.Mahasiswa memahami sifat-sifat fisik material dengan baik.

BAB VSIFAT FISIK BAHAN

5.1. PendahuluanSifat-sifat fisik, selain kekuatan, seringkali merupakan hal yang sangat penting dan harus dipenuhi oleh komponen-komponen manufaktur. Sifat fisik bahan menentukan perilaku bahan sebagai reaksi terhadap gaya fisik selain gaya mekanik. Sifat fisik bahan penting pada proses manufaktur karena sering mempengaruhi kinerja proses. Contohnya, thermal properties benda kerja menentukan suhu potong pd proses pemesinan, shg berpengaruh pd umur pahat yg digunakan.Electrical properties bahan silicon dan bagaimana sifat ini berubah melalui berbagai proses kimia dan fisika adl dasar dari proses pembuatan semi konduktor.

5.2. DensitasKita tahu dari pengalaman sehari-hari bahwa berat komponen dari aluminium lebih ringan daripada komponen dari baja : berat jenis aluminium kira-kira sepertiga baja. Density (rapat masa) bahan adalah massa bahan per satuan volume. Simbolnya adalah , dansatuannya: g/cm3.lah gram atau megagram (Mg; metrik tone); dalam sistem konvensional Amerika Serilat, pound (lb). Untuk konversi secara cepat, 1 kg = 2,2 lb. Jadi, berat jenis dalam satuan Mg/m3 (gr/cm3) atau dalam sistem konvensional Amerika Serikat lb/in3. Satuan massa SI, Berat jenis unsur ditentukan oleh nomor atom dan faktor lain seperti atomic radius & atomic packing. Specific gravity adalah rasio berat jenis bahan relatif terhadap berat jenis air. Jika sebuah komponen aluminium memiliki kekuatan yang sama dengan baja, aluminium akan memiliki 3x rasio kekuatan-berat (atau kekuatan massa). Hal ini menjelaskan mengapa pesawat udara subsonic dibuat dengan sebagian besar paduan aluminium. Tetapi baja jauh lebih kuat dari paduan aluminium mana pun juga, dan kebanyakan komponen bertegangan tinggi akan terbuat dari baja (atau paduan titanium).lah dari timah, dan dinding dari timah atau pembalut dari timah digunakan oleh radiolog untuk melindungi dari radiasi sinar X. Karena itu, densitas menjadi salah satu faktor pemilihan bahan. Dalam contoh yang lain, densitas yang tinggi adalah suatu keuntungan. Sebagai contoh bobot pengimbang yang diletakkan pada pelek ban mobil ad lah dari timah, dan dinding dari timah atau pembalut dari timah digunakan oleh radiolog untuk melindungi dari radiasi sinar X. Karena itu, densitas menjadi salah satu faktor pemilihan bahan. Thermal expansion adalah istilah yang digunakan untuk menunjukkan pengaruh suhu terhadap berat jenis bahan. Jika suhu meningkat maka berat jenis bahan akan berkurang, dikarenakan bertambahnya volume bahan. Coefficient of thermal expansion (koefisienmuai) menyatakan besar penambahan panjang bahan per derajat kenaikan suhu(, C-1). Jika L1 dan L2 adalah panjang bahan pd suhu T1 dan T2, maka berlaku rumusberikut:L2L1= L1(T2T1)Melting point (titik leleh) Tm adalah suhu dimana bahan berubah dari padat menjadi cair. Freezing point (titik beku) adalah suhu dimana bahan berubah dari cair menjadi padat. Pada unsur berstruktur kristal seperti logam, titik leleh dan titik beku adalah sama. Heat of fusion adalah energi panas yang diperlukan untuk berubah dari padat ke cair. Kebanyakan logam paduan tidak memiliki titik leleh tunggal. Jika logam paduan dipanaskan, logam mulai meleleh pd suhu tertentu, disebut solidus, selanjutnya suhu terus bertambah hingga mencapai suhu dimana proses pelelehan berlangsung sempurna, disebut liquidus. Diantara kedua suhu ini paduan merupakan campuran antara kondisi padat dan cair. Paduan yang memiliki titik leleh/beku tunggal disebut eutectic alloys.Pada bahan non-crystalline (glasses), proses pelelehan berjalan secara perlahan dimulai dengan bahan menjadi bertambah lunak hingga meleleh seluruhnya.

5.3. Sifat-sifat ThermalSifat-sifat thermal seperti koefisien ekspansi termal (coefficient of thermal expansion / CTE) , kalor spesifik, dan kalor laten peleburan dan evaporasi adalah penting dalam beberapa proses manufacture dan situasi layanan, dan nilai-nilainya dapat ditemukan dalam buku-buku pegangan.Untuk tujuan kita yang paling penting adalah titik lebur. Dalam layanan, hal ini signifikan dengan rugi-rugi total kapasitas menahan beban, bahwa hal ini berpengaruh pada perilaku panas. Titik lebur juga akan menentukan besarnya tingkat kemudahan memproduksi sebuah cetakan.Ekspansi thermal menanggung signifikasi yang besar dalam struktur komposit, perbedaan besar dalam koefisien expansi thermal mengakibatkan tegangan yang tinggi dan kemungkinan kegagalan. Ekspansi thermal turun dengan meningkatnya kekuatan ikatan, karena itu ekspansi thermal paling tinggi pada polimer, agak rendah pada logam, dan paling rendah pada keramik. Ekspansi deferensial atau kontraksi pada sebuah benda akan menentukan tegangan yang mengakibatkan pembengkokan pada bahan yang ulet dan perpatahan pada bahan yang getas (kejutan thermal).Sama dengan sift-sifat thermal lainnya, konduktivitas termal adalah sifat bahan yang intrinsik, terlepas dari struktur, juga pada pergerakan beberapa bahan yang dipanaskan, seperti gas atau fluida yang lain (perpindahan kalor konveksi) dan pada radiasi. Tujuan manufaktur seringkali adalah menghasilkan struktur komposit dimana perpindahan kalor oleh peralatan ini didukung atau dihalangi.Specific heat C (J/kgC) adalah jumlah energi panas (kalor) r yang diperlukan oleh bahan per satuan berat agar suhu naik satu derajat. Energi yang dibutuhkan utuk memanaskan logam hingga suhu tertentu dapat dihitung dengan: H= CW(T2T1), dimana H= jumlah energi panas (J), C = specific heat (J/kgC), W= berat bahan(kg), T2& T1= suhu yang berubah(C). 1 Calory= 4.186 Joule.Volumetric specific heat adalah jumlah energi yang diperlukan per satuan berat bahan utuk menaikkan suhu satu derajat, didapatkan dengan mengalikan density dan specific heat: C. Conduction adalah proses pemindahan panas di dalam sebuah bahan dengan merambat dari molekul satu ke molekul lain, tanpa terjadinya pemindahan massa.Thermal conductivity adalah kemampuan bahan utuk memindahkan panas dengan cara ini, diukur dengan coefficient of thermal conductivity, k, (J/s.mm.C). Thermal diffusivity K adalah rasio antara thermal conductivity dan volumetric specific heat, sering digunakan pada heat transfer analysis. Tabel 5.1 berikut ini adalah sifat termal dari beberapa bahan teknik.

Tabel 5.1 sifat termal dari beberapa bahan teknik.

5.4. Mass DiffusionMass diffusion adalah perpindahan massa yaitu berupa atom atau molekul didalam sebuah bahan atau melewati batas antara dua bahan yang bersinggungan. Hal ini biasa terjadi pada bahan dalam kondisi cair dan gas, tetapi juga pada kondisi padat. Pada zat padat, gerakan atom difasilitasi oleh adanya imperfection pd strukturkristalnya (sptvacancies).Faktor yang mempengaruhi mass diffusion adalah:1. Suhu, semakin tinggi suhu maka mass diffusion semakin besar. 2. Gradien konsentrasi dc/dx, yaitu konsentrasi dari dua atom yang berbeda pada arah x. Mass difussion sering dinyatakan Ficksfirst law:Dimana Dm = jumlah bahan yang berpindah, D = koefisiendifusi, dc/dx gadien konsentrasi,A= luas bidang batas, dt= pertambahan waktu.Mass difussion digunakan pada berbagai proses berikut:1. Surface hardening treatments, termasuk carburizing dan nitriding.2. Pengelasan, diffusion welding, digunakan utuk menyatukan dua komponen dengan gaya tekan yang cukup besar sehingga terjadi difusi massa melewati batas bahan membentuk ikatan permanen.

5.5. Sifat-sifat ListrikArus listrik dapat terjadi karena adanya perpindahan pembawa muatan listrik (charge carriers) yaitu pertikel kecil yang bermuatan listrik; pada zat padat dilakukan oleh elektron, sedangkan pada larutan cair oleh ion positif dan ion negatif.Charge carriers dapat berpindah karena adanya tegangan listrik (voltage) dan hambatan listrik (yang nilainya ditentukan oleh karakter bahan, seperti struktur atom dan ikatan antar atom dan molekulnya). Hubungan ini dinyatakan oleh hukum Ohm:DimanaI= arus(A), E= voltage (V), R= hambatan listrik (). Hambatan listrik pada bahan yang uniform (mis. kawat) tergantung pd panjang L, luas penampangA, dan resistivity bahan.Resistivity adalah kemampuan bahan utuk menghambat arus listrik, dipengaruhi oleh suhu, pada logam akan meningkat jika suhu naik.Conductivity adalah kemampuan bahan untuk menghantarkan arus listrik, merupakan kebalikan dari resistivity (= 1/r).REI = LARrorALrR Resistivityof selected materialsa: To convert to ohm.in, multiply ohm.mby 39.4b: Value varies with alloy composition.MaterialResistivity, .maMaterialResistivity, .m Conductors10-610-8Conductors (contd.)Aluminum2.8 10-8Tin11.5 10-8Aluminum alloys4.0 10-8 bZinc6.0 10-8Cast iron65.0 10-8 bCarbon5000 10-8 (approximate)Copper1.7 10-8Semiconductors101105Gold2.4 10-8Silicon1.0 103Iron9.5 10-8Insulators10121015Lead20.6 10-8Natural rubber1.0 1012 (approximate)Magnesium4.3 10-8Polyethylene100 1012 (approximate)Nickel6.8 10-8Silver1.6 10-8Steel, low C17.0 10-8

Klasifikasi material berdasarkan sifat-sifat listrik :1. Logam adalah conductor listrik terbaik, karena memiliki ikatan logam.2. Keramik dan polimer, dimana elektron terikat kuat oleh ikatan covalent dan/atau ikatan ion, adalah conductor listrik yang buruk.3. Digunakan sebagai insulator karena memiliki resitivity tinggi.4. Insulator sering disebut juga dielectric, yang berarti non-konduktor arus searah (DC). Bahan ini dapat diletakkan diantara dua elektroda tanpa mengalirkan arus listrik. Tetapi jika tegangan listrik cukup tinggi, tiba-tiba arus besar akan terjadi, misalnya dalam bentuk busur (arc). Potensial listrik yang diperlukan untuk menimbulkan arus ini disebut dieletric strength.Superconductor adalah bahan dengan resistivity nol. Fenomena ini terlihat pada bahan logam tertentu dan keramik pada suhu sangat rendah (mendekatinol). Jika dapat dikembangkan bahan dengan sifat ini pada suhu mendekati normal, akan membawa implikasi besar pada aplikasi power transmission, electronic switching speeds, dan magnetic field.Semiconductor adalah bahan dengan resistivity diantara konductor dan insulator. Bahan semikonduktor dapat dibuat IC, dg mengubah bagian sangat kecil pada permukaannya sehingga bersifat konduktor pada bagian itu. Bahan semikonduktor yang banyak digunakan adalah silicon.

5.6. Sifat-sifat KimiaElectro chemistry adalah bidang ilmu pengetahuan yang membahas tentang hubungan antara tegangan listrik dan perubahan kimia, dan dengan konversi energi listrik dan kimia. Electrolysis adalah proses pemisahan larutan asam, basa, atau garam dalam air menjadi ion positif dan ion negatif. Larutan mengandung ion ini disebut electrolyte. Ionisasi terjadi jika arus listrik dialirkan dalam larutan, menggunakan elektroda bermuatan negatif (cathode) dan elektroda positif (anode). Ion negatif akan mengalir menuju katoda, dan ion positif menuju anoda. Rangkaian ini disebut dengan electrolytic cell. Contoh pemakaian proses elektrolisis pada industri adalah:1. Electro plating, proses untuk memberi lapisan tipis (mis.: chromium) pada permukaan logam (mis.: baja) untuk tujuan tertentu. Pada proses electro plating, benda kerja ditempatkan sebagai katoda sehigga ion positif dari logam pelapis akan menempel pada benda kerja.2. Electro chemical machining, proses pemindahan material benda kerja. Pada proses electro chemical machining, benda kerja sebagai anoda, dan pahat dengan bentuk tertentu sebagai katoda.Contoh proses elektrolisis pada larutan asam solfat (H2SO4)Electrodes yang digunakan adalah Platinum & Carbon.Proses yang terjadi : 2H++ 2e H2(gas)2SO4--4e + 2H2O 2H2SO4+ O2

Tegangan geser yg dibutuhkan lebih besar dibanding BCC. Tetapi, beberapa logam ini pd suhu tinggi mudah terjadi slip. Logam dg struktur ini (beryllium, magnesium, & zinc) umumnya getas (brittle) pd suhu ruang.Twinning adalah mekanisme deformasi plastik dimana atom-atom pada satu sisi sebuah bidang (disebut twinning plane) bergeser membentuk bayangan cermin (mirror image) dr atom-atom sisi yg lain. Deformasi ini sering terjadi pd logam HCP (magnesium, zinc) krn sulit terjadi slip. Twinning biasa terjadi pd logamHCP danBCC oleh deformasi plastik, dan logam FCC oleh prosesan nealing.Faktor selain struktur yg menyebabkan terjadi twinning adl kecepatan deformasi. Mekanisme slip memerlukan waktu lebih lama dibanding twinning yg dpt terjadi instant. Jika kecepatan deformasi tinggi, maka logam akan mengalami twining; contohnya pd baja karbon rendah yg mengalami twinning ketika kecepatan deformasi tinggi, dan slip ketika kecepatan deformasi sedang.

Daftar PustakaBegeman, Myron L., Manufacturing Processes, John Wiler & Sons, New York.Budinski, K.G. dan Budinski M.K., 2010, Engineering Materials, Properties and Selection, Pearson Prentice HallGeng, Hwaiyu, 2004, Manufacturing Engineering Handbook, McGraw-HillMaisiregar.blogspot.com: Schey.Jhon.A, 2009, Proses Manufaktur : Introduction to Manufacturing Process, Andi, Yogyakarta.Surdia, Tata dan Saito, Shinroku, 1992, Pengetahuan Bahan Teknik, Pradnya Paramita, JakartaWargadinata, Arijanto S., 2002, Pengetahuan Bahan, Penerbit Universitas TrisaktiWilliam,, J.C. (2003). Progress in Structural Materials for Aerospace Systems (edisi ke-51st). Acta Materialia.. hlm.5775-5799.Wirjosumarto, Harsono, tanpa tahun, Kekuatan dan Penguatan Logam, Laboratorium Teknik Metalurgi, Departemen Mesin, FTI, ITB, Bandung

20125Pengetahuan Bahan TeknikPusat Bahan Ajar dan eLearning

Selamet Riadi,ST,MThttp://www.mercubuana.ac.id