Bab 2 Klasifikasi material dan Struktur

Material Padat

2.1 Pengertian Umum

Secara alamiah Bahan adalah suatu materi dari mana suatu benda itu dibentuk, benda itu bukan selalu dari satu macam bahan, tetapi dapat dari berbagai macam bahan yang dapat menjadi satu kesatuan sifat.

Secara umum bahan yang kita kenal, dan yang akan dibahas pada kuliah ini terklasifikasi sbb:

2.2 Perubahan Peranan Bahan di Masa Depan

2.3 Definisi Materials

1.Materials2.Materials Science3.Materials Engineering4.Metallic Materials5.Ferrous Metals dan Alloys6.Non-Ferrous Metals dan Alloys7.Ceramic Materials8.Polymeric Materials9.Composite Materials10. Electronic Materials

1. Materials

Adalah: suatu komposisi partikel yang sanggup membentuk satu-kesatuan, dimana dari padanya dapat dibentuk suatu benda yang memiliki sifat yang homogen

2. Material Science

Adalah:Ilmu pengetahuan yang membahas dan mempelajari sifat-sifat dasar suatu bahan, struktur dan data fisiknya.

3. Materials EngineeringAdalah: disiplin ilmu teknik bahan, terutama mempelajari dan membahas dasar-dasar ilmu terapan bahan yang digunakan untuk memberikan informasi dan petunjuk untuk membuat suatu produk.

4. Metallic MaterialsAdalah: Bahan yang memiliki sifat dan karakter tahan panas yang tinggi, penghantar panas dan listrik yang baik.Contoh: Besi, Baja, Aluminium, Tembaga, dst.

5. Ferrous Metals dan Alloys

Adalah: Bahan logam besi yang mengandung paduan unsur lain dalam prosentase yang tinggi.

6. Non Ferrous Metals dan Alloys

Adalah: Bahan yang logam dan logam paduan yang tidak mengandung besi dan apabila ada kandungan besi didalamnya tentunya dalam presentase yang sangat kecil sekali.

Contoh: Al, Cu, Zn, Ti, Ni, dll.

7. Ceramic MetalsAdalah: Bahan yang komposisinya terjadi atas bahan logam dan non logam. Bahan keramik biasanya bersifat keras tetapi rapuh serta memiliki sifat suhu cair yang sangat tinggi (≥ 4,000 ◦C)

8. Polymeric MaterialsAdalah: Bahan yang memiliki sifat utama berantai yang panjang (ikatan molekulernya panjang) atau memiliki jaringan yang berelemen dengan berat yang rendah.Contoh: Karbon, Hidrogen, Oksigen, Nitrogen, dst.Contoh: Polisthelen, Solvinil Chlorida (PVC).

9. Composite MaterialsAdalah: Bahan yang eksistensinya terjadi karena pencampuran dari 2 atau 3 macam bahan-bahan lain, yaitu dapat terjadi dari komposisi bahan logam, keramik dan polimer.Contoh: Fiber Glass, Epoxy Matrix, dll.

10. Elektronik MaterialsAdalah: Bahan yang khusus digunakan untuk komponen-komponen suku cadang dalam industri perlistrikan, terutama dalam bidang mikro elektronik.Contoh: Silikon, Fiber Optik, Calium Arsenida, Konduktor dan super conductor.

Epoxy MatrixCommon uses of fiberglass include high performance aircraft (gliders), boats, automobiles, baths, hot tubs, water tanks, roofing, pipes, cladding, casts, surfboards and external door skins.

2.4 Daftar Aplikasi Bahan Industri Dengan Sifat Umum

2.5 Struktur, Sifat Bahan dan Proses Bahan Industri

2.5.1 Struktur

Struktur dalam bahan Industri pengamatannya dari beberapa tingkatan, yang pertama atom, beberapa atom menjadi molekul, dari atom yang dikelilingi oleh elektron-elektronnya yang dapat membawa sifat dari bahan itu sendiri seperti contohnya: panas, magnet, listrik, optik juga dapat untuk data dari suatu bahan yang tahan akan korosi.

Ikatan atom suatu unsur bahan dapat mebedakan antara bahan metal, polymer keramik atau komposit. Dalam hal membahas struktur suatu bahan, akan berhubungan dengan :•Struktur Atom•Susunan Atom•Struktur Butiran•Struktur Fasa

Struktur kristal sangat mempengaruhi sifat-sifat mekanis bahan, seperti sifat logam (keuletan, kekuatan, kekerasa, tahanan kejut).

Struktur butiran terdapat pada sebagian besar golongan bahan logam, beberapa macam keramik, dan kadang-kadang polymer, (ukuran dan bentuk butiran memegang peranan utama sebagai faktor penentu sifat bahan.)

Struktur fasa sangat berperan dalam menentukan sifat bahan, bentuk kristal dapat berubah karena perubahan fasa (akibat adanya perubahan temperatur dan waktu)

2.5.2 Sifat Bahan

Sifat bahan dibagi menjadi 2, yaitu:1.Sifat Mekanis2.Sifat Fisik

1.Sifat MekanisSifat mekanis suatu bahan adalah sifat yang menyatakan bagaimana bahan itu bersikap terhadap gaya atau tekanan yang bekerja padanya. Sifat mekanis bahan yang paling umum diantaranya adalah: kekuatan, keuletan, kekerasan, regangan, dsb.Sifat-sifat yang penting dari sifat mekanis adalah: tahan gesekan, tahan benturan, tahan kejutan, dll.

2. Sifat FisikYang termasuk sifat fisik bahan adalah: listrik, magnet, optik, panas, lentur dan sifat kimia. Sifat fisik bahan tergantung dari 2 hal, yaitu:1.Struktur bahan2.Prosesnya

Perbedaan Sifat Mekanis dan Sifat Fisik Bahan

2.5.3 ProsesEngineering Proses, yaitu bahan industri yang terbuat dari bahan dasar yang diproses menjadi suatu produk industri.Berdasarkan jenis material engineering process diproses sebagai berikut:1.Logam-Pengecoran: cor pasir, permanen cor, cor langsung, cor presisi, cor sentrifugal.-Forming: Tempa, Gulung, Rol, Tekuk, Sintering.-Penyambungan: Las, solder, keling.-Machining: Potong, bubut, freis, asah-Powder metalurgy

2. Polymer-Cetakan: Cetak Injeksi, Cetak Tekan, Cetak transfer.-Forming: Pintal, Ekstrusi, Vakum Forming.

3. Keramik-Pengecoran: Cetak Beton, Cetak Luncur-Pamadatan: Ekstrusi, Press, Isostatik

4. Komposit-Pengecoran: Cor berbagai cara, cor infiltrasi-Forming: Pemadatan dan sintering-Penyambungan: Adesi, Ekplosi, Difusi

Sintering/Isostatic Process

Sintering/Isostatic Process

2.6 Pengaruh Lingkungan Terhadap Sifat Bahan Industri

Lingkungan yang dapat berpengaruh terhadap bahan dengan prosesnya terutama yang menyangkut tentang:1.Beban2.Temperatur3.Atmosfer4.Korosi5.Radiasi

1. Beban

Beban yang bekerja pada suatu bahan dapat merubah secara drastis sifat bahan, memang hal ini tergantung pada tipe bahannya dan bagaimana bentuknya (Contoh: perubahan kekuatan karena kelelahan)

2. Temperatur

Perubahan temperatur merupakan faktor yang paling dominan dalam menentukan sifat bahan

Grafik yang menggambarkan bagaimana suatu bahan akan mengalami perubahan kekuatannya akibat perubahan temperatur yang dialami oleh bahan itu.

3. AtmosferPada peristiwa fisika – kimia kita ketahui, bahwa sebagian besar bahan logam dan polymer akan bereaksi terhadap unsur-unsur atau gas-gas lain terutama oksigen, peristiwa ini sering terjadi pada saat temperatur tinggi.

4. KorosiBahan logam sering diserang oleh berbagai macam larutan pembawa sifat korosi, hal ini juga sering terjadi pada bahan polymer dan keramik, itu disebabkan oleh peristiwa kimia biasa ataupun peristiwa elektro – kimia.

5. KimiaRadiasi tinggi, seperti yang terjadi di dalam dapur/reaktor nuklir dapat mengubah drastis struktur didalam bahan industri apapun kerusakannya akan merubah sifat mekanis, fisik dan struktur didalamnya.

2.7. Struktur dan Energi Atom

Ada 4 tingkatan besar di dalam struktur:

1.Struktur Atom

2.Susunan Atom

3.Mikrostruktur

4.Makrostruktur

2.1 Struktur Kristal Material Engineering• Partikel adalah sebuah satuan dasar dari benda atau materi, partikel

merupakan satuan terkecil dari suatu materi• Jenis partikel ada tiga: Atom, molekul dan ion

• Atom adalah satuan terkecil dari suatu materi yang terdiri dari inti yang biasanya mengandung proton (muatan +), dan neutron (netral), dan kulit yang berisi muatan negatif yaitu elektron

• Elektron mengelilingi inti atom dalam orbitnya masing-masing• Atom mempunyai karakteristik tertentu yaitu jumlah proton

dan elektron adalah sama (netral), jika tidak sama disebut ion

• Ion adalah atom yang bermuatan listrik, ion yang bermuatan listrik disebut kation dan ion yang bermuatan negatif disebut anion

• Massa elektron 9,109 x 10-28 g dan bermuatan –1,602 x 10-19 C• Massa proton 1,673 x 10-24 g dan bermuatan 1,602 x 10-19 C• Massa neutron 1,675 x 10-24 g dan tidak bermuatan• Massa atom terpusat pada inti atom

• Setiap unsur kimia dibedakan oleh jumlah proton di dalam inti, atau nomor atom (Z)

• Nomor atom merupakan bilangan bulat dan mempunyai jangkauan dari 1 untuk hidrogen hingga 94 untuk plutonium

• Jumlah proton sama pada unsur tertentu, namun jumlah neutron (N) bisa bervariasi

• Masa atom (A) dapat dinyatakan sebagai jumlah masa proton dan neutron = Z + N

• Jumlah proton sama pada unsur tertentu, namun jumlah neutron (N) bisa bervariasi

• Ukuran atom sangat kecil sekali dibandingkan dengan molekul bahannya, maka diperlukan suatu unsur satuan yang disebut sebagai satuan massa atom (sma) yang berguna sebagai satuan dalam perhitungan dan definisikan sebagai1/12 massa atom karbon (C).Dalam 1 ram terdapat: 6,02 x 1023 sma, yang disebut sebagai bilangan avogadro.

• Berat atom dari unsur atau berat molekul dari senyawa bisa dijelaskan berdasarkan sma / atom (molekul) atau massa per mol material

• Bilangan Avogadro = satu mol zat terdiri dari 6.023 x 1023 atom atau molekul

• 1 sma / atom (molekul) = 1 g / mol

Molekul adalah gabungan dari beberapa atom unsur, bisa dua atau lebih. Artinya berbicara molekul maka yang dibayangkan adalah gabungan atom-atom (bukan satu atom), molekul adalah partikel terkecil dari suatu unsur senyawa.

Molekul ada dua, yaitu:•Molekul Unsur, gabungan atom unsur yang sama (O2, H2, O3)•Molekul Senyawa, gabungan atom unsur yang berbeda (H2O, CO2, C2H5)

Materi/zat secara umum dibagi menjadi 2 bagian yaitu Zat Tunggal dan Campuran

Unsur: •Adalah sekelompok atom yang memiliki jumlah proton yang sama pada intinya. Jumlah ini disebut sebagai nomor atom unsur. •Unsur didefinisikan juga sebagai Zat Tunggal yang sudah tidak bisa di bagi-bagi lagi menjadi bagian yang kecil. (contoh: H2O, terdiri dari dua unsur Hidrogen dan Oksigen)

Senyawa: •Adalah zat tunggal yang terdiri atas beberapa unsur yang saling kait mengait, senyawa dibentuk minimal 2 unsur yang berbeda.•Walaupun dibentuk dari unsur yang berbeda, senyawa tetap disebut zat tunggal, karena sifat-sifat unsur yang membentuknya tidak dapat di temukan pada senyawa, dengan kata lain senyawa adalah zat yang baru.•Contoh: H2O, menghasilkan zat baru yang sifatnya berbeda dengan unsur penyusunnya. Hidrogen gas yang sangat ringan dan mudah terbakar, oksigen adalah gas yang sangat diperlukan untuk pembakaran.

CampuranMateri/Zat yang tersusun dari beberapa zat yang lain jenis dan tidak tetap susunannya dari unsur dan senyawa, campuran merupakan materi yang terdiri dari dua atau lebih zat tunggal.

Jenis campuranCampuran homogen = larutan, adalah campuran dua zat atau lebih yang terdiri dari zat terlarut dan pelarut, ukuran partikel larutan sangat kecil (kurang dari 1 nm)Campuran heterogen (Suspensi), adalah campuran kasar dan bersifat heterogen, ukuran partikel lebih dari 100 nmCampuran yang keadannya antara suspensi dan larutan (Koloid), adalah campuran yang terdiri dari partikel terdispersi dan partikel pendispersi, ukuran partikel 1 nm – 100 nm.

Model atom Bohr

Daftar Periodik

Daftar Periodik adalah tampilan unsur-unsur kimia dalam bentuk tabel, unsur-unsur tersebut diatur berdasarkan struktur elektronnya sehingga sifat kimia unsur-unsur berubah-ubah secara teratur sepanjang tabel, setiap unsur didaftarkan berdasarkan nomor atom dan lambang unsurnya

Dari tabel periodik dapat diperoleh data-data tentang:

1.Mengetahui arti “Kolom” dan “Lajur”.

2.Nomor atom suatu unsur

3.Massa suatu atom

4.Valensi unsur

5.Golongan logam

6.Unsur metaloid

Metaloid adalah kelompok unsur kimia yang memiliki sifat antara logam dan non-logam. Metaloid sulit dibedakan dengan logam, perbedaan utamanya adalah bahwa umumnya metaloid adalah semikonduktor sedangkan logam adalah konduktor. Ada tujuh unsur yang dikelompokkan sebagai metaloid, yaitu boron (B), silikon(Si), germanium (Ge), arsen (As), antimon (Sb), telurium (Te), dan polonium (Po).

Tabel Periodik

Dari gambaran diatas terlihat, dengan penguasaan kimia maka akan dengan lebih mudah dapat menguasai lebih lanjut terhadap berbagai jenis bahan industri, yaitu:-Ke luar orbit-Energi terserap -Energi terpancar-Masuk orbit

Dimana perubahan energi terjadi = ΔE, dimana berlakuΔE = h . vC = λ . V

λ = Panjang gelombangh = 6,63 x 10ⁿ, dimana n = -34 (J/S) – Konstanta Planc

Energi LevelHukum Niels Bohr:

2.2 Ikatan AtomIkatan Atom pada material padatPada dasarnya dibagi 2 yaitu:1.Ikatan Primer2.Ikatan Sekunder

1.Ikatan PrimerProses-proses pemindahan seperti melepaskan elektron, menerima elektron baru dan membagi elektron, maka akan terjadi saling tarik-menarik ion yang terjadi antara ion positip dan ion negatip karena memiliki muatan yang berlainan.Untuk mengganggu ikatan tersebut diatas memerlukan energi kurang lebih sebesar, 500,000 J/Mol .Yang termasuk kedalam ikatan ini adalah:1.Ikatan Ion2.Ikatan Kovalen3.Ikatan Logam

Ikatan ionik•Umumnya ditemukan pada senyawa yang dibangun oleh unsur logam dan bukan logam

•Atom logam akan memberikan elektron valensinya ke atom-atom non logam, pada proses ini semua atom akan menjadi stabil dan bermuatan listrik (atom menjadi ion)

•Gaya ikat tarik menarik adalah coloumbik, yaitu ion positif dan negatif tarik menarik satu sama lain karena adanya muatan listrik

Ciri-cirinya

•Kecenderungannya bersifat memberi atau menerima elektron

•Gaya tarik menarik yang ditimbulkan merata keseluruh sistem

•Membentuk susunan atom yang teratur dalam jaringan stabil

•Ikatan ion sangat stabil

Ikatan Atom Ionik

2. Ikatan Kovalen

• Ikatan kovalen adalah ikatan yang melibatkan bersama pasangan elektron, ikatan kovalen terjadi antara dua atom yang sama-sama cenderung menangkap elektron untuk mencapai konfigurasi elektron seperti gas mulia (Ikatan kovalen terjadi jika dua atom yang berdekatan membagi elektronnya)

• Dua atom yang berikatan kovalen masing-masing akan menyumbangkan minimal satu elektron keikatan dan elektron yang dipakai bersama bisa dianggap dipunyai bersama oleh kedua atom.

• Jumlah ikatan kovalen yang mungkin untuk suatu atom ditentukan oleh jumlah elektron valensi

Ikatan Atom Kovalen

Ikatan Kovalen ada dua yaitu2.1 Ikatan Kovalen NormalIkatan yang mempunyai elektron yang berasal

dari kedua belah pihak.Contoh: HCl, Cl2, H2, CCl4, dll.

2.2 Ikatan Kovalen KoordinasiPasangan elektron yang dipergunakan hanya berasal dari satu pihak saja, tetapi tetap dimiliki oleh ke dua elemennya:

Contoh: NH4, NH3HCL3, H3O, dll.

3. Ikatan Logam

• Ikatan ini memiliki ikatan yang lebih rumit, ciri-cirinya adalah: tidak semudah seperti ikatan ion dan atau ikatan kovalen, elektron pembentuknya terdislokalisir

• Ikatan logam ditemukan pada logam dan paduannya (memiliki sifat kekerasan yang tinggi)

• Elektron valensi tidak terikat pada atom tertentu pada bahan padat tetapi bebas bergerak melewati keseluruhan logam (kabut elektron bergerak dengan bebas)

Ikatan Atom Logam

2. Ikatan SekunderDikelompokkan sebagai Ikatan Van Der Waals, sering terjadi pada gas-gas mulia seperti: He, Ne, Ar, Kr, Xe dll.

Ikatan Atom Hidrogen

Bilangan Koordinasi utk Ikatan Atom

Struktur Material Padat

Material Teknik

Kristal• Kristal didefinisikan sebagai material padat yang

mempunyai susunan atom atau molekul yang teratur, keteraturan tercermin pada permukaan kristal yang mengikuti pola-pola tertentu

• Material padat dimana atom-atomnya tersusun dalam susunan pola yang berulang (kontinyu) dan periodik pada pada arah 3 dimensi.

Daya ikat dalam kristal

Daya yang mengikat atom (atau ion, atau grup ion) dari bahan padat kristal adalah bersifat listrik

Ikatan kimia dari suatu kristal dibagi menjadi 4 macam yaitu: ionik, kovalen, logam dan van der waals.

Satuan sel kristal• Untuk mendeskripsikan kristal

akan lebih mudah jika didefinisikan sel satuan

• Satuan sel adalah susunan terkecil dari kristal, dilukiskan sebagai bola padat dimana setiap bola saling bersinggungan

• Parameter kisi struktur kristal– Panjang sisi a, b, c

– Sudut antara sumbu b

ac

x

y

z

Sistem Kristal• Dlihat dari geometri

sel satuan, kristal mempunyai tujuh sistem kristal dan 14 kisi kristal

Arah kristalografi

• Arah kristal dinyatakan sebagai vektor dalam [uvw]

• uvw merupakan bilangan bulat

• Himpunan arah <111> terdiri dari [111], [111], [111], [111], [111], [111], [111], [111]

[100] b

ac

x

[111]

[110]

z

y

Contoh menentukan arah kristal

• Prosedur menentukan arah kristal

x y z

Proyeksi a/2 b 0

Proyeksi (dlm a, b, c)

½ 1 0

Reduksi 1 2 0

Penentuan [120]

cy

b

a

x

Proyeksi pd sb y: b

z

Proyeksi pd sb x: a/2

Bidang Kristal

• Bidang kristalografi dituliskan dengan indeks Miller dinyatakan dalam format (hkl)

• hkl merupakan bilangan bulat

• Bidang-bidang yang paralel satu sama lain adalah ekivalen dan mempunyai indeks yang identik

b

ac

x

Bid (110) mengacu titik asal O

Bid. (110) ekivalen

z

y

b

ac

x

Bid (111) mengacu titik asal O

Bid. (111) ekivalen

z

y

Prosedur menentukan indeks Miller• Jika bidang melalui titik awal, buat bidang paralel di

dalam sel satuan dengan translasi, atau dengan membuat titik awal lain di sudut lain sel satuan

• Bidang yang dicari bisa berpotongan atau sejajar dengan sumbu. Panjang bidang yang berpotongan ditulis dalam satuan parameter kisi a, b dan c

• Ambil kebalikan dari angka-angka perpotongan tersebut. Bidang yang sejajar dengan sumbu dianggap berpotongan di tak berhingga sehingga kebalikannya adalah nol

• Indeks Miller adalah bilangan bulat, tulis (hkl)

Contoh Menentukan Indeks Miller Bidang Kristal

• Prosedur menentukan bidang kristal

x y z

Perpotongan ~a -b c/2

Perpotongan (dlm a, b dan c)

~ -1 ½

Resiprokal 0 -1 2

Penentuan (012)

cy

b

a

x

z

bid.(012)

z’

x’

Bilangan KoordinasiPada kenyataannya bahan itu merupakan suatu kelompok atom-atom yang terkoordinir, jadi bukan hanya merupakan hubungan dua atom, tetapi lebih merupakan sebagai Polystrom (Hubungan antara banyak atom).Contoh CH4, CH3CL.

Arah pertumbuhan kristal

Kristal Kubik Berpusat Ruang, BCC

• Struktur kristal dimana terdapat atom disetiap sudut kubus ditambah satu buah di dalam kubus

• Panjang sel satuan dirumuskan dengan: a=4R/√3

Kristal Kubik Berpusat Muka• Struktur kristal termasuk kristal

kubus dimana terdapat atom disetiap sudut kubus ditambah masing-masing satu buah disetiap permukaan/sisi kubu

• Panjang sisi kubis a dan jari-jari atom R adalah:

a = 2R √2• Fraksi volume bola padat di dalam

sel satuan (faktor penumpukan), FP adalah volume atom di dalam sel satuan dibagi volume total sel satuan

•

Kristal Heksagonal Tumpukan Padat (HCP)

• Permukaan atas dan bawah sel satuan terdiri dari enam atom yang membentuk heksagonal dan mengelilingi sebuah atom ditengah. Bidang lain mempunyai 3 atom tambahan terletak antara bidang atas dengan bawah

• Fkaktor penumpukan HCP = FCC

• Kerapatan atom

• ρ = ηA/Vc NA , dimana:

η = jumlah atom di dalam sel satuan

A = berat atom

Vc = volume sel satuan

NA = bilangan Avogadro