GARDJITO2005GARDJITO2006

GARDJITO2005

PENGETAHUAN BAHAN TEKNIK

Ini bahannya apa ya?!

Selamat Sore ...........!!!Semoga Tidak Mengantuk !!!

1. Sifat Mekanik(a)

2. Sifat Fisik(a)

3. Sifat Kimia(wi)

SIFAT UMUM BAHAN(GENERAL PROPERTIES OF

MATERIALS)

A. Sifat Mekanik(a):

Sifat mekanik suatu bahan menyangkut karakteristik dan perilaku bahan dalam hubungannya dengan beban-beban luar atau beban-beban mekanis (gaya, momen, kopel, dsb) yang bekerja padanya

P1P2

C M

P3

Tegangan (Stress)

Reaksi Internal

Deformasi (Deformation)

Uji Tarik Bahan

• Kekuatan (strength) adalah ukuran besarnya gaya yang diperlukan untuk mematahkan atau merusak suatu bahan. Kekuatan ini biasanya dinyatakan dalam bentuk tegangan (stress), yaitu gaya persatuan luas penampang atau bidang.

• Deformasi bahan dinyatakan dalam bentuk regangan (strain).

Bentuk spesimen untuk bahan kayu dan karet

Bentuk spesimen bahan logam

P = ------- A

- o ΔL

ε = ---------- = -------- o L

σ (tegangan normal)

ε (regangan)

Kurva Hubungan Tegangan dan Regangan

σB

σU

PY

O

B

U

EL PL

Keterangan:

P = batas proporsionalY = titik luluhU = titik puncakB = titik patahEL = daerah elastisPL = daearah plastisY = ketahanan terhadap

deformasi plastis awal (kekuatan luluh)

U = kekuatan puncakB = kekuatan patah

Hukum HOOKE:

σ = E ε

(hanya berlaku di daerah elastis),

dimana E adalah Modulus Elastisitas Young dan ε adalah nilai regangan

P LΔL = --------- A E

σY

(Contoh: Baja Karbon Rendah)

P = ------- A

ΔL ε = ----------

L

Keuletan (Ductility)

Keuletan (ductility) merupakan suatu sifat mekanik yang dikaitkan dengan besarnya regangan permanen (plastik) sebelum terjadinya perpatahan

f - o

= -------------- o

Ketangguhan (Toughness)

Ketangguhan (toughness) merupakan sifat mekanik yang dikaitkan dengan jumlah energi yang diserap oleh bahan sampai terjadi perpatahan

Hasil kali dari tegangan dan regangan ( x ε) merupakan energi per volume. Luasan dibawah kurva tegangan-regangan merupakan hasil energi yang dimaksud

Kekerasan (Hardness)

Skala:

Brinell

Indenter: Bulat

Rockwell

Indenter: Bentuk Intan (Diamnond)

Vickers

Indenter: Bentuk intan (Diamond)

PBHN = ------------------------------------ (2.6)(D/2)(D - D2 – d2 )

Sifat Mekanik Lainnya (karena beban dinamis):

Kelelahan (Fatigue): Reduksi kekuatan bahan akibat pembebanan yang bersifat variabel, vibrasi, dan siklus (Cycle) yang berulang

“Creep”: Reduksi kekuatan bahan akibat lingkungan suhu tinggi dan jangka waktu lama

Modulus Resiliens : Sifat kemampuan bahan untuk menyimpan dan melepaskan kembali energi akibat pembebanan (terjadi pantulan)

B. Sifat Fisik(a)Secara umum, sifat fisik suatu bahan adalah karakteristik atau perilaku bahan itu dalam hubungannya dengan pengaruh lingkungan luar yang bukan merupakan beban. Faktor-faktor lingkungan luar tersebut dapat berupa faktor termal dan faktor listrik

Sifat Termal:

Sifat-sifat termal suatu bahan berhubungan erat dengan energi panas atau termal. Karakteristik atau perilaku dari bahan secara fisik ditunjukkan oleh beberapa sifat seperti kapasitas panas, panas jenis, panas peleburan, panas penguapan, muai panas, dan konduktivitas panas.

Muai Panas

(/) = T Konduktivitas Panas

(T2 – T1)Jth = k ----------------

(x2 - x1)

Konduktans (C)

Resistan (R)

Tabel 2.1. Koefisien muai panjang beberapa jenis bahan pada 20 C

Bahan (10-6/C)

AluminiumKuninganTembagaBesiBatu bataGelas (jendela)BetonPolyethylenePolystyreneKaret (vulkaniser)

2220161299

13110 – 180

7281

Sumber: van Vlack, 1973.

Tabel 2.2. Konduktivitas panas beberapa jenis bahan pada 20 C

Bahan

k(joule.cm)/(cm2.sec. C)

AluminiumKuninganTembagaBesiBatu bataGelas (jendela)PolyethylenePolystyreneKaret

2.231.243.990.720.00620.00720.00340.00080.0013

Sumber: van Vlack, 1973.

• Sifat-sifat fisik yang dipengaruhi oleh medan listrik antara lain adalah sifat dielektrik, kapasitas, dan konduktivitas listrik.

• Sifat listrik yang berlawanan seperti halnya pada sifat termal adalah bahan yang memiliki konduktivitas listrik yang sangat rendah atau nol. Bahan semacam ini disebut bahan insulator listrik

• Antara sifat termal dan sifat listrik terdapat kaitan yang sangat erat, terutama pada bahan-bahan yang memiliki elektron bebas yang mudah berpindah dari satu atom ke atom lainnya

• Bahan sejenis ini apabila memiliki konduktivitas panas yang tinggi maka dapat dipastikan akan memiliki konduktivitas listrik yang tinggi pula

• Contohnya adalah logam tembaga, selain baik untuk digunakan dalam peralatan-peralatan yang berfungsi sebagai penukar panas (heat exchanger) juga baik digunakan sebagai konduktor (kabel) listrik

Sifat Listrik

e e

Sifat Fisik Lainnya:

• Berat Jenis

• Massa Jenis

• Kadar Air

• Permeabilitas

• Densitas

• Higroskopik, dll.

Konduktivitas Listrik:

= nq

pembawa coul cm/detik ohm-1 . cm-1 = ------------- ------------- -------------

cm3 pembawa volt/cm

Mobilitas

= / E

B. Sifat Kimia(wi)

• Sifat-sifat kimia suatu bahan lebih ditekankan pada karakteristik kimiawi di dalam bahan itu sendiri yang dapat dimanfaatkan untuk reaksi-reaksi kimia untuk pembuatan suatu produk tertentu.

• Contoh sifat kimiawi yang penting pada logam adalah sifat korosif atau karatan yang disebabkan adanya reaksi oksidasi

Materials MicroCharacterization Collaboratory

Figure 1: a) Measured SANS pattern of a Ni—10at.% Al—5at.% Mo single crystal (face-centered cubic) after ageing at 1073 K for 3 h. The incident beam was parallel to the <110> surface normal of the sample. The dotted lines represent lines of equal intensity as calculated for a cuboidal precipitate (Fig. 1b). b) Best-fitting cuboidal shape.

Figure 2: SANS patterns of Ni-rich Ni-Ti single crystals (face-centered cubic) homogenised at 1440 K and annealed in-situ for a) 46 min at 1240 K, b) 10 min at 1220 K, c) 43 min at 1200 K. The patterns were symmetrised to highlight the dominating features. The incident beam was parallel to the <110> surface normal of the sample, the horizontal axis is along <100>.

Organization of atoms in crystals

Order and Disorder

Materials and Devices

Microstructure Mechanical Behavior of Solids

The properties of any material are critically dependent upon its internal microstructure, which may consist of a 'simple' grain structure, or more complex, multiphase components

Biomaterials

Living systems are composed of natural materials, some with remarkable combinations of properties. This course analyses these natural materials and draws inspiration for the design of man-made materials

Materials under Extreme Conditions

This course looks at how materials behave under extremes of temperature, pressure and stress

                    

High technology applications demand highly engineered materials and devices. Predominantly lead (Pb) based, electroceramic materials pose several processing problems of both ceramic and device natures. The materials should be dense, single phase and possess high mechanical strength

Polymer foams and polymeric gels materials

The image shows a polymer glass that has been deformed into a craze at large strains

These images show shapes that a computer program found as the optimum structure for a composite material that conducts both heat and electricity

Strength-toughness balance of metallic materials. As strength (e.g., yield stress against plastic deformation) increases, toughness (fracture strength) decreases in general.n

nn

High strain rate superplasticity of an Fe-Cr-Ni-Mo dual-phase stainless steel. Grain refinement of ( + ) duplex structure up about 1µm has established a large elongation over 1000% even at high-strain rates in the order of 0.1 s-1

BAHAN (MATERIAL) ALAMIAH

BAHAN ALAMIAH AN-ORGANIK

BAHAN ALAMIAH ORGANIK

BAHAN BATUAN DAN PASIR

BAHAN KAYU DAN BITUMEN

Bahan bangunan untuk konstruksi yang langsung diambil (ditambang) dari alam dan langsung dapat digunakan tanpa atau sedikit melalui proses atau

pengolahan yang rumit

BAHAN BATUAN DAN PASIR

Batu Kapur (Lime stone):

• Batuan sedimen warna putih, umumnya digunakan untuk fondasi jalan (batu kapur hidrolik)

• Batu kapur non-hidrolik menjadi keras bila bereaksi dengan CO2; dibuat dengan pembakaran suu tinggi (900 – 1100 C) menjadi kapur aktif. Bila dicampur air menjadi bubur kapur dan digunakan sebagai semen bila dicampur dengan tumbukan bata merah

Batu Gunung/Batu Kali:

• Batu gunung/kali berwarna abu-abu kehitaman, banyak terdapa di sungai atau lereng gunung (batu pasangan bulat, kerikil bulat dan pasir)

• Batu gnung merupakan bongkahan besar; dengan proses “quarrying” dapat dipecah (direduksi ukurannya) menjadi batu pasangan, kerikil (agregat), belahan (split), dan pasir buatan

GARDJITO2005

Batu Pualam (Marmer):

Batu Granit

BAHAN KAYU DAN BITUMEN

Bahan Kayu:

• Bersifat ringan, kuat dan mudah dibentuk

• Struktur selulosa (polimer alamiah) dengan serat memanjang (grain)

• Berasal dari pohon dengan ribuan spesies dan diberi nama berdasarkan nama botani, nama daerah, dan nama dagang

• Berdasarkan tipe daun: kayu daun lebar (hardwood), hayu daun jarum (softwood), dan kayu palma (famili palmae)

• Bersifat unisotropik, yaiu kekuatan pada tiga arah sumbu(x,y,z) tidak sama

• Kestabilan dimensi, yaitu berdasarkan sifat higroskopiknya dapat mengembang atau menyusut tergantung RH lingkungan (HK tinggi KD rendah dan sebaliknya)

GARDJITO2005GARDJITO2005

GARDJITO2005

Tabel beberapa jenis kayu terpenting di Indonesia (contoh)

No. Suku Nama Botanis Nama Perdagangan

Kelas Kuat Kelas Awet

1. Anacardiaceae Koordersiodendren pinnatum Merr.

Bugis I-III III-IV

2. idem Gluta renghas L. Rengas II II

3. idem Campnosperma suriculata Hook, f.

Terentang III-IV V

4. Araucariaceae Agathis borneoensis Warb. Agathis (damar) III IV

5. Bombacaceae Ochroma spec. div. Balsa V V

6. Casuarinaceae Casuarina equisetifolia Forst.

Cemara I-II II-III

Tabel 3.2. Kelas keawetan kayu

Kelas Keawetan berdasarkan jenis tempat seperti keterangan diatas (dalam tahun)

(a) (b) (e) (d) (e) (f)

IIIIIIIVV

853singkat sekalisingkat sekali

201510

beberapa tahunsingkat sekali

tak terbatastak terbatastak terbatas10-20singkat sekali

tak terbatastak terbatastak terbatas

2020

tak terserangtak terserangagak cepatcepat sekalicepat sekali

tak terserangtak terserangtak terserangtak berbahayacepat sekali

Tabel 3.3. Kelas kekuatan kayu

KelasKuat

Berat JenisKering Udara

Kukuh Lentur Mutlak Kukuh Tekanan Mutlak

(dalam kg/cm2)

IIIIIIIVV

0,900,90 – 0,600,60 – 0,400,40 – 0,30

11001100 – 725725 – 500500 – 360

360

650650 – 425425 – 300300 - 215

215

a) tempat terlindung tanpa ada air sama sekali,

b) tanah yang lembab,c) tempat terlindung dan

masih ada kemungkinan udara lembab,

d) tempat terlindung dan terpelihara,

e) tempat yang mudah terserang rayap, dan

f) tempat yang mudah terserang serangga atau bubuk

Berdasarkan PKKI (Peraturan Konstruksi Kayu Indonesia):

Ukuran Penampang (cm) Kegunaan

 1 x 5

2 x 3 dan 3 x 44 x 6 dan 5 x 7

6 x 85 x 1010 x 106 x 12

8 x 12, 8 x 16, dan 8 x 182 x 20, 3 x 30, 3 ½ x 30, dan 3 x 40

LisLis dan rengKaso, rangka dindingKaki kuda-kuda, rangka dindingBalok pancang, rangka dinding, gordingTiang atau kolomKusen pintu/jendela, gordingBalok bubunganPapan lisplang, lantai

Tabel 3.4. Contoh ukuran-ukuran kayu di perdagangan umum

Bahan Bambu:

• Bahan bambu berasal dari tanaman bambu yang termasuk famili gramineae, sub-famili bambusoidea, dan suku bambuseae

• Di dunia ini ada ratusan sampai ribuan jenis atau spesies bambu yang masuk kedalam 80 genera

• Sekitar 200 spesies dari 20 genera terdapat di wilayah Asia Tenggara, termasuk Indonesia

Bahan Bitumen:

• Bahan bitumen atau yang biasa disebut aspal dapat merupakan bahan tambang asli atau dapat didistilasikan dari bahan minyak bumi

• Tambang aspal yang penting di Indonesia adalah di Pulau Buton. Produk aspal dari pulau ini dikenal dengan aspal buton atau lebih terkenal dengan “Buton Asphalt” yang disingkat menjadi “butas”

• Bahan aspal dicampur dengan pasir digunakan untuk pelapisan jalan, landasan pacu pesawat, pelataran parkir, untuk menstabilkan tanah, dan masih banyak kegunaan lain dalam bidang konstruksi

• Konstruksi jalan sekarang ini, terutama jalan raya atau jalan tol, menggunakan “hotmix” karena lebih praktis dan efisien di dalam pengerjaannya

BAHAN KERAMIKPengertian Umum:

• Kata keramik dapat diartikan sebagai bahan atau material (ceramics) dan juga bisa diartikan sebagai produk

• Asal kata keramik adalah dari bahasa Yunani keramos yang artinya tanah liat atau bahan lempung yang dibakar untuk pembuatan gerabah (pottery), dan keramikos yang artinya produk-produk atau barang keramik

Pengertian Teknis:

• Secara teknis, keramik adalah bahan atau material yang mengandung senyawa-senyawa dari unsur-unsur logam dan non-logam (senyawa dengan fasa logam dan non-logam, misalnya MgO, Al2O3, PbZrTiO3)

• Senayawa-senyawa tersebut dapat tersusun secara sederhana, misalnya terdiri dari hanya dua atom seperti MgO. Dapat juga senyawa-senyawa tersebut tersusun secara lebih kompleks, misalnya mika yang tersusun dari minimal lima tipe unsur yang berbeda

Sifat Umum Keramik:

1. Senyawa kermik lebih stabil dalam lingkungan termal dan kimiawi dibandingkam elemen atau unsurnya

2. Keras, tahan terhadap beban tekan tetapi kurang ulet (lebih bersifat getas) dan tidak tahan terhadap beban tarik/lentur bila dibandingkan dengan bahan logam dan polimer

3. Karakteristik dielektrik, semikonduktif, dan magnetik dari beberapa jenis bahan keramik sangat penting untuk aplikasi dalam bidang peralatan elektronika

4. Sebagian bahan keramik merupakan bahan insulator termal dan listrik (memiliki resistensi atau tahanan termal dan listrik) yang tinggi

5. Bahan keramik dalam bentuk PC (Portland Cement) memiliki sifat sebagai bahan pengikat hidrolik dengan aplikasi pada bahan mortar, plesteran dan beton

KERAMIK TRADISIONAL

Produk abrasif (ampelas)

Roda gurinda, kain dan kertas ampelas, nozzle untuk penyemburan pasir, penggilingan

Produk lempung Bata, tembikar (pottery), pipa air kotor

Konstruksi Bata, beton, ubin, plester, gelas

Gelas Botol, piranti laboratorium, kaca

Refraktori Bata, wadah peleburan logam (crucibles), cetakan (molds), semen

Perangkat keramik putih Barang pecah-belah, ubin, perpipaan (plumbing), enamel

Kategori dan Kegunaan Bahan Keramik

KERAMIK TEKNIK

Otomotif dan pesawat udara

Komponen turbin, heat shields and exchangers, komponen reentry, seals

Elektronika Semikonduktor, insulator, tranduser, laser, dielektrik, elemen pemanas

Suhu-tinggi Refractories, brazing fixtures, kilns (tanur)

Manufacturing Alat potong, komponen anti aus dan korosi, keramik gelas, magnit, serat optik

Medikal Piranti laboratorium, pengendali, prostetika, dental (gigi)

Nuklir Bahan bakar, pengendali

Struktur Bahan Keramik:

• Kristalin: struktur mikro merupakan susunan kristal dengan berbagai tipe, tetapi tidak banyak mengandung elektron bebas seperti pada struktur logam.

• Amorf: struktur mikro tidak beraturan seperti susunan kristal.

Struktur jarinngan kristal pada bahan keramik:A. 1-Dimensi (linier):

Contohnya adalah bahan asbes untuk atap.

B. 2-Dimensi:Contohnya adalah bahan mika dan bahan lempung.

C. 3-Dimensi:

Contohnya adalah BaTiO3 yang merupakan prototipe bahan kartrid pada piringan hitam perekam suara dan lebih kuat dan stabil pada tiga arah sb.X, sb.Y dan sb.Z

Contoh Bentuk Kristal:

Struktur AX: misalnya MgO

• Atom A terkoordinir dengan teratur dan baik dengan atom X sebagai tetangga

• Berbentuk kubus (kubikal) seperti pada kristal garam NaCl

• Dalam satu kristal, jumlah atom A dan atom X sama yang tersusun berdasarkan bilangan koordinasi (BK)

Tiga prototipe/struktur dasar:

• CaCl dengan BK=8, dengan susunan kubik pemusatan ruang (KPR)

• NaCl dengan BK=6, dengan susunan kubik pemusatan sisi (KPS)

• ZnS dengan BK=4, dengan susunan kubik pemusatan sisi (KPS)

Catatan: lihat introceramics dan week3

Struktur AmXp:

Atom A dan/atau atom X dapat lebih dari satu jumlahnya

Contoh:

• CaF2 (fluorit) → struktur dasar VO2 → terdapat pada reaktor bahan bakar nuklir

• Al2O3 (korundum), untuk pembuatan busi

Struktur Ganda AmBnXp:

Contoh:

• BaTiO3 → kartrid piringan hitam

• PbZrO3 ; PbTiO3 → piezoelektrik (resonator untuk kontrol frequensi)

• MFe2O4 → spinelfero/ferit, untuk bahan magnit bukan logam

Bahan Silikat: → SiO4, banyak terdapat pada berbagai keramik seperti bahan gelas, semen portland (portland cement / PC) sebagai bahan pengikat hidrolik.

Proses Pembentukan Bahan Keramik:

1. Pembentukan viskos → pencairan dan peniupan (bahan-bahan dari gelas) untuk peralatan laboratorium (mis: pyrex)

2. Proses sinter (aglomerasi partikel halus menjadi bentuk yang dikehendaki) disusul dengan pembakaran untuk mengikat partikel (mis: bahan isolator listrik, bagian dari busi, barang-barang kerajinan, dll)

3. Proses hidrasi pada semen portlanf (PC) dalam proses pembentukan bahan beton (concrete)

4. Pencetakan dan pembakaran (mis: bata merah, genting, dll)

Peralatan Semi Konduktor

• Fotokonduktor → alat pengindraan cahaya

• Termistor → untuk mencatat perubahan suhu

• Dioda → pemancar cahaya seperti pada LED (light emission diode)

• Fotomultiplier → pengganda cahaya yang lemah

• Transistor → pemancar/amplifier audio

BAHAN BETON(Semen PC + Pasir + Kerikil/Agregat + Air)

Portland Cement (PC):

• Bahan pengikat hidrolis yang terbuat dari bahan kapur dan gypsum baik dengan proses basah maupun proses kering

• Umumnya berwarna abu-abu, tapi juga dapat berwarna putih atau warna-warna lain sesuai kebutuhan

• Terdiri dari semen aluminat (ada unsur Al) dan silikat (unsur Si)

Pasir dan Kerikil (agregat):

• Bahan awet seperti kuarsa berupa batu gunung/kapur

• Kerikil bulat/pasir berasal dari dasar sungai atau ditambang dari lapisan bawah tanah

• Ukuran agregat sudah tertentu, ditentukan dengan analisis ayakan (screen)

• Contoh screen (US Series): No.1 (1”/25.4mm); No.2 (0.187”/4.75mm); No.100 (0.0059”/0.150mm)

Proses Hidrasi Semen:

→ Reaksi pencampuran semen dengan air, dimana air (H2O) diikat oleh semen sedemikian rupa sehingga terjadi proses pengerasan terhadap waktu.

Reaksi Hidrasi Semen:

A. CaAl2O6 + 6 H2O → Ca3Al2(OH)12 + (865 J/g)↑

B. Ca2SiO4 + x H2O → Ca2SiO4.xH2O + (260 J/g)↑

C. Ca3SiO5 + (x+1) H2O → Ca2SiO4.xH2O + Ca(OH)2 + (500 J/g)↑

Catatan: A = semen aluminatB = semen silikat rendahC = semen silikat tinggi

Kurva Hidrasi Semen:

100

80

60

40

20

0720540360180

A

B

C

Kua

t T

ekan

(M

Pa)

Waktu (Hari)

Contoh perbandingan volume campuran beton:

PC : Pasir : Kerikil

1 :2 : 3 → beton kedap air

1 : 3 : 5 → beton kurang/tidak kedap air

Perbandingan berat → nisbah air/semen (water/cement ratio)

→ Mempengaruhi proses hidrasi semen dan kekuatan awal beton terhadap waktu

→ Campuran/adukan harus bersifat plastis untuk memudahkan pengecoran (pencetakan beton ke dalam bekisting/cetakan)

→ Secara umum proses hidrasi dianggap selesai setelah 28 hari (kekuatan beton sudah stabil) dan cetakan beton sudah boleh dibuka

→ Namun, pada kasus khusus dengan perhitungan rancangan tertentu, cetakan beton boleh dibuka walaupun belum mencapai 28 hari

10

30

20

40

10

20

30

40

0.4 0.5 0.6 0.7 0.70.60.50.4

Kua

t T

ekan

(M

Pa)

Kua

t T

ekan

(M

Pa)

Rasio Air/SemenRasio Air/Semen

28 Hari7 Hari

Penyempurnaan Proses Hidrasi Semen (Conditioning):

→ pengkondisian beton dengan air untuk beberapa waktu dengan tujuan untuk menjamin bahwa jumlah air yang dibutuhkan untuk proses hidrasi sempurna mencukupi

→ dapat dilakukan dengan cara “flooding” (penggenangan air) pada lantai/pelat beton/plesteran dan “mist” (penyemprotan dengan pengabutan air) pada bagian konstruksi beton lainnya

→ ‘Entrained Cement’ adalah semen yang diberi bahan kimia tertentu agar menimbulkan gelembung udara agar beton berpori-pori kecil

Jenis semen PC menurut American Society for Testing Materials (ASTM):

Tipe I (multipurpose) → untuk bangunan umum tanpa syarat-syarat khusus

Tipe II dan Tipe V → pemakaian khusus dengan lingkungan yang mengandung asam (H2SO4)

Tipe III → untuk beton dengan kekuatan awal tinggi

Tipe IV → untuk beton dengan panas hidrasi rendah (pada konstruksi bendung/dam)