STRUKTUR KRISTAL PADATAN 2.1 STRUKTUR ATOM

Setiap atom terdiri dari inti yang sangat kecil yang terdiri dari proton dan neutron, dan di kelilingi oleh elektron yang bergerak. Elektron dan proton mempunyai muatan

listrik yang besarnya 1,60 x 10-19 C dengan tanda negatif untuk elektron dan positif untuk proton sedangkan neutron tidak bermuatan listrik. Massa partikel-partikel subatom

ini sangat kecil: proton dan neutron mempunyai massa kira-kira sama yaitu 1,67 x 10-27

kg, dan lebih besar dari elektron yang massanya 9,11 x 10-31 kg.

Setiap unsur kimia dibedakan oleh jumlah proton di dalam inti, atau nomor atom (Z). Untuk atom yang bermuatan listrik netral atau atom yang lengkap, nomor atom adalah sama dengan jumlah elektron. Nomor atom merupakan bilangan bulat dan mempunyai jangkauan dari 1 untuk hidrogen hingga 94 untuk plutonium yang merupakan nomor atom yang paling tinggi untuk unsur yang terbentuk secara alami.

Massa atom (A) dari sebuah atom tertentu bisa dinyatakan sebagai jumlah massa proton dan neutron di dalam inti. Walaupun jumlah proton sama untuk semua atom pada sebuah unsur tertentu, namun jumlah neutron (N) bisa bervariasi. Karena itu atom dari sebuah unsur bisa mempunyai dua atau lebih massa atom yang disebut isotop. Berat atom berkaitan dengan berat rata-rata massa atom dari isotop yang terjadi secara alami. Satuan massa atom (sma) bisa digunakan untuk perhitungan berat atom. Suatu skala sudah ditentukan dimana 1 sma didefinisikan sebagai 1/12 massa atom dari isotop

karbon yang paling umum, karbon 12 (12C) (A = 12,00000). Dengan teori tersebut, massa proton dan neutron sedikit lebih besar dari satu, dan

A ≅ Z + N

Material kristal adalah material padat dimana atom-atomnya tersusun dalam susunan yang berulang dan periodik pada dimensi yang besar yaitu atom-atom berada pada kondisi “keteraturan jarak panjang”. Untuk material non-kristal atau amorfus, keteraturan atom jarak panjang tidak muncul.

SISTEM KRISTAL Jika dilihat dari geometri sel satuan, ditemukan bahwa kristal mempunyai tujuh kombinasi geometri yang berbeda seperti diperlihatkan pada tabel 3.2.

Pada sebagian besar logam, struktur kristal yang dijumpai adalah: kubus pusat sisi, FCC (face-centered cubic), kubus pusat ruang, BCC (body-centered cubic) dan tumpukan padat heksagonal, HCP (hexagonal close-packed).

Berat atom dari unsur atau berat molekul dari senyawa bisa dijelaskan berdasarkan sma per atom (molekul) atau massa per mol material. Satu mol zat terdiri dari 6,023 x

1023 atom atau molekul (bilangan Avogadro). Kedua teori berat atom ini dikaitkan dengan persamaan berikut:

1 sma/atom (molekul) = 1 g/mol

Sebagai contoh, berat atom besi adalah 55,85 sma/atom, atau 55,85 g/mol. Kadang-kadang penggunaan sma per atom atau molekul lebih disukai; pada kesempatan lain g/mol (atau kg/mol) juga digunakan; satuan yang terakhirlah yang akan digunakan pada buku ini.

Struktur Tembaga (Cu)

Struktur kristal ini termasuk kristal kubus dimana terdapat atom disetiap sudut kubus ditambah masing-masing satu buah atom di setiap permukaan/sisi kubus. Sifat ini banyak dijumpai pada logam seperti tembaga, aluminium, perak dan emas

Indeks miller, bidang kristal dan arah

Bidang kristal sebuah kristal di karakterisasi oleh indeks miller. Indeks miller didefenisikan sebagai bilangan bulat terkecil yang mempunyai rasio yang sama dalam inversinya terhadap titik potong bidang yang diberikan dengan sumbu dimana bidang itu berada. .

Indek MillerSuatu kristal mempunyai bidang-bidang atom yang mempengaruhisifat dan perilaku bahan. Kelompok bidang tergantung pada sistem kristal.Dua bidang atau lebih dapat tergolong dalam kelompok bidang yangsama. Indeks Miller adalah harga kebalikan dari parameter numerik yangdinyatakan dengan simbol (hkl). Pada Gambar 4, perpotongan bidangdengan sumbu dinyatakan dengan 2a, 2b, dan 3c sehingga parameternumeriknya adalah 2, 2, 3 dan indeks Miller dari bidang bawah adalah:(hkl) = h : k : l = ½ : ½ : 1/3.

(hkl) = (1/2 ½ 1/3 ) atau (3 3 2)

UJI TARIK TEMBAGA

1.5 Prinsip Pengujian Tarik

Sampel bentuk ukuran dan bentuk tertentu (dalam standart SII atau JIS atau ASTM )

diberikan beban tarik yang continue sampai bahan atau logam tersebut mengalami perpatahan.

Perpatahan beban tarik ini akan menimbulkan perubahan regangan. Hubungan antara

penambahan beban dengan perubahan regangan dapat digambarkan dalam suatu kurva yang

dikenal dengan kurva stress – strain.

1.6 Ruang Lingkup Pengujian Tarik

Pengujian ini memakai benda uji atau sampel dari bahan logam baik itu ferrous atau non

ferrous. Ukuran sampel telah disesuaikan dengan standar SII (dalam percobaan ini ), atau JIS

atau ASTM. Variable – variable yang mempengaruhi adalah besarnya beban tarik dan diameter

awal dari sampel. Sifat – sifat mekanis yang diharapkan didapat dari percobaan ini adalah

kekuatan luluh, tegangan maksimum, tegangan patah dan harga modulus young.

1.7 Teori literatur Pengujian Tarik

Setelah memahami tujuan yang telah diuraikan oleh pengujian tarik, ada beberapa sifat yang

dapat diketahui dari percobaan ini yaitu,

Batas proporsionalitas (Proportionality Limit)

Merupakan daerah batas dimana tegangan dan regangan mempunyai hubungan

proporsionalitas satu dengan lainnya. Setiap penambahan tegangan akan diikuti dengan

penambahan regangan secara proporsional dalam hubungan linier σ = Eε (bandingkan dengan

hubungan y = mx; dimana y mewakili tegangan; x mewakili regangan dan m mewakili slope

kemiringan dari modulus kekakuan).

Titik P pada Gambar 1.1 di bawah ini menunjukkan batas proporsionalitas dari kurva tegangan-

regangan.

Batas elastis (elastic limit)

Daerah elastis adalah daerah dimana bahan akan kembali kepada panjang semula bila

tegangan luar dihilangkan. Daerah proporsionalitas merupakan bahagian dari batas elastik ini.

Selanjutnya bila bahan terus diberikan tegangan (deformasi dari luar) maka batas elastis akan

Gambar 1.1. Kurva tegangan-regangan dari sebuah benda uji terbuat baja ulet

terlampaui pada akhirnya sehingga bahan tidak akan kembali kepada ukuran semula. Dengan

kata lain dapat didefinisikan bahwa batas elastis merupakan suatu titik dimana tegangan yang

diberikan akan menyebabkan terjadinya deformasi permanen (plastis) pertama kalinya.

Kebanyakan material teknik memiliki batas elastis yang hampir berimpitan dengan batas

proporsionalitasnya.

Titik luluh (yield point) dan kekuatan luluh (yield strength)

Titik ini merupakan suatu batas dimana material akan terus mengalami deformasi tanpa

adanya penambahan beban. Tegangan (stress) yang mengakibatkan bahan menunjukkan

mekanisme luluh ini disebut tegangan luluh (yield stress). Titik luluh ditunjukkan oleh titik Ypada

Gambar 1.1 di atas. Gejala luluh umumnya hanya ditunjukkan oleh logam-logam ulet dengan

struktur Kristal BCC dan FCC yang membentuk interstitial solid solution dari atom-atom carbon,

boron, hidrogen dan oksigen. Interaksi antara dislokasi dan atom-atom tersebut menyebabkan

baja ulet eperti mild steel menunjukkan titik luluh bawah (lower yield point) dan titik luluh atas

(upper yield point). Baja berkekuatan tinggi dan besi tuang yang getas umumnya tidak

memperlihatkan batas luluh yang jelas. Untuk menentukan kekuatan luluh material seperti ini

maka digunakan suatu metode yang dikenal sebagai Metode Offset. Dengan metode ini

kekuatan luluh (yield strength) ditentukan sebagai tegangan dimana bahan memperlihatkan

batas penyimpangan/deviasi tertentu dari proporsionalitas tegangan dan regangan . Pada

Gambar 1.2 di bawah ini garis offset OX ditarik paralel dengan OP, sehingga perpotongan XW

dan kurva tegangan-regangan memberikan titik Y sebagai kekuatan luluh. Umumnya garis offset

OX diambil 0.1 – 0.2% dari regangan total dimulai dari titik O.

Gambar 1.2. Kurva tegangan-regangan dari sebuah benda uji terbuat dari bahan getas

Kekuatan luluh atau titik luluh merupakan suatu gambaran kemampuan bahan menahan

deformasi permanen bila digunakan dalam penggunaan struktural yang melibatkan pembebanan

mekanik seperti tarik, tekan bending atau puntiran. Di sisi lain, batas luluh ini harus dicapai

ataupun dilewati bila bahan (logam) dipakai dalam proses manufaktur produk-produk logam

seperti proses rolling, drawing, stretching dan sebagainya. Dapat dikatakan bahwa titik luluh

adalah suatu tingkat tegangan yang:

• Tidak boleh dilewati dalam penggunaan struktural (in service)

• Harus dilewati dalam proses manufaktur logam (forming process).

Kekuatan tarik maksimum (ultimate tensile strength)

Merupakan tegangan maksiumum yang dapat ditanggung oleh material sebelum terjadinya

perpatahan (fracture). Nilai kekuatan tarik maksimum σ uts ditentukan dari beban maksium

Fmaks dibagi luas penampang awal Ao. (1.1) Pada bahan ulet tegangan maksimum ini

ditunjukkan oleh titik M (Gambar 1.1) dan selanjutnya bahan akan terus berdeformasi hingga

titik B. Bahan yang bersifat getas memberikan perilaku yang berbeda dimana tegangan

maksimum sekaligus tegangan perpatahan (titik B pada Gambar 1.2). Dalam kaitannya dengan

penggunaan structural maupun dalam proses forming bahan, kekuatan maksimum adalah batas

tegangan yang sama sekali tidak boleh dilewati.

Kekuatan Putus (breaking strength)

Kekuatan putus ditentukan dengan membagi beban pada saat benda uji putus (Fbreaking)

dengan luas penampang awal Ao. Untuk bahan yang bersifat ulet pada saat beban maksimum M

terlampaui dan bahan terus terdeformasi hingga titik putus B maka terjadi mekanisme penciutan

(necking) sebagai akibat adanya suatu deformasi yang terlokalisasi. Pada bahan ulet kekuatan

putus adalah lebih kecil daripada kekuatan maksimum sementara pada bahan getas kekuatan

putus adalah sama dengan kekuatan maksimumnya.

Keuletan (ductility)

Keuletan merupakan suatu sifat yang menggambarkan kemampuan logam menahan

deformasi hingga terjadinya perpatahan. Sifat ini , dalam beberapa tingkatan, harus dimiliki oleh

bahan bila ingin dibentuk (forming) melalui proses rolling, bending, stretching, drawing,

hammering, cutting dan sebagainya. Pengujian tarik memberikan dua metode pengukuran

keuletan bahan yaitu:

• Persentase perpanjangan (elongation)

Diukur sebagai penambahan panjang ukur setelah perpatahan terhadap panjang awalnya.

Elongasi, ε (%) = [(Lf-Lo)/Lo] x 100% (1.2) dimana Lf adalah panjang akhir dan Lo panjang awal

dari benda uji.

UTS = Fmaks/Ao

• Persentase pengurangan/reduksi penampang (Area Reduction)

Diukur sebagai pengurangan luas penampang (cross-section) setelah perpatahan

terhadap luas penampang awalnya. Reduksi penampang, R (%) = [(Ao-Af)/Ao] x 100% (1.3)

dimana Af adalah luas penampang akhir dan Ao luas penampang awal.

Modulus elastisitas (E)

Modulus elastisitas atau modulus Young merupakan ukuran kekakuan suatu material.

Semakin besar harga modulus ini maka semakin kecil regangan elastis yang terjadi pada suatu

tingkat pembebanan tertentu, atau dapat dikatakan material tersebut semakin kaku (stiff). Pada

grafik tegangan-regangan (Gambar 1.1 dan 1.2), modulus kekakuan tersebut dapat dihitung dari

slope kemiringan garis elastis yang linier, diberikan oleh:

E = σ/ε atau E = tan α (1.4)

dimana α adalah sudut yang dibentuk oleh daerah elastis kurva tegangan-regangan.

Modulus elastisitas suatu material ditentukan oleh energi ikat antar atom-atom, sehingga

besarnya nilai modulus ini tidak dapat dirubah oleh suatu proses tanpa merubah struktur bahan.

Sebagai contoh diberikan oleh Gambar 1.3 di bawah ini yang menunjukkan grafik tegangan-

regangan beberapa jenis baja:

Gambar 1.3. Grafik tegangan-

regangan beberapa baja yang

memperlihatkan kesamaan

modulus kekakuan

1.8 Prosedur Tarik

Sampel uji yang dibentuk sudah standar dilakukan pengukuran diameter awal (D0 ),

panjang ukur awal ( L0 ), panjang proporsional (Pd).

Kemudian batang uji diletakkan pada alat uji tarik

Pengaturan beban: untuk batang baja, beban maksimum yang diletakkan sebesar 100.000

N.

sedangkan untuk alumunium dan tembaga, beban maksimum yang digunakan sebesar

40.000 N.

Jarum skala di nolkan terlebih dahulu.

Pada waktu dilakukan penarikan diadakan pembacaan :

Setiap 100 N untuk baja

Setiap 500 N untuk setiap Al dan tembaga

Dilakukan penarikan samapai benda uji putus dan pertambahan panjang dibaca pada

jangka sorong sebagai pengganti extensiometer.

Dari data dibuat grafik stress – strain

Setelah putus batas uji disambung kembali inyuk pengukuran panjang dan diameter akhir.

STANDAR PEGUJIAN : UJI TARIK LOGAMALAT : TARNO GROCKI (JERMAN)

BAHAN UJI : TEMBAGA I

D = 10 mm Lo = 80 mmAo = 157 mm P = 155 mm

1/2P = 77.5 mm A = 78.5 mm2

No

F

(Newton)

∆L

(mm)

σ eng

(N/mm2)

σ true

(N/mm2)

ε eng

(mm2)

ε true

(mm2)

1 1000 114.1150731

312.8506231

30.00633512

80.00334632

8

2 1500 2 21.1726097 19.90815970.01267025

70.00968145

7

3 4400 362.1063217

960.8418717

90.01900538

50.01601658

5

4 9500 4134.093194

8130.425194

80.02534051

30.02235171

3

5 16500 5232.898706

7231.634256

70.03167564

10.02868684

1

6 27200 6383.929989

2382.665539

20.03801077 0.03502197

7 32400 7457.328369

5452.083469

50.04434589

80.04135709

8

8 33200 8 468.620428 467.3559780.05068102

60.04769222

6

9 34000 9479.912486

5478.648036

50.05701615

50.05402735

5

10 34500 10486.970023

1485.705573

10.06335128

30.06036248

3

11 34800 11491.204545

1489.940095

10.06968641

10.06669761

1

12 35000 12494.027559

7492.763109

70.07602153

90.07303273

9

13 35100 13 495.439067 494.174617 0.08235666 0.07936786

8 8

14 34800 14491.204545

1489.940095

10.08869179

60.08570299

6

15 33700 15475.677964

6468.832314

60.09502692

40.09203812

4

16 31800 16448.859325

7445.289425

70.10136205

30.09837325

3

17 29400 17414.983150

1413.718700

10.10769718

10.10470838

1

18 25600 18361.345872

2360.081422

20.11403230

90.11104350

9

19 21000 19296.416535

8295.152085

80.12036743

70.11737863

7

GRAFIK

0.0063351282863478

0.0190053848590434

0.031675641431739

0.0443458980044346

0.0570161545771302

0.0696864111498258

0.0823566677225214

0.0950269242952171

0.107697180867913

0.1203674374406080

100

200

300

400

500

600

σ eng