|
Pengenalan Bahan :
Beberapa sifat Tertentu
1. P e n d a h u l
u a n
Seorang ahli teknik mengubah bahan dan energi menjadi produk yang berguna. Dalam usahanya ia akan memilih bahan dengan sifat optimum. Oleh karena itu dalam bab ini akan diperkenalkan beberapa sifat umum yang perlu diketahui. Adapun sifat-sifat lain akan di bahas pada bab lain.
Kaitan antara
sifat-sifat dan struktur internya merupakan tema pokok bab ini antara lain;
sifat mekanik, thermal, listrik dan sifat-sifat lainnya yang dikemukakan disini
merupakan landasan untuk pembahasan hubungan antara sifat struktur dan
lain-lain. Disini akan diberikan pula uraian singkat mengenai penyajian data,
variasinya dan ketelitian perhitungan.
1.1. Struktur sifat pengolajan
Setiap sarjana ilmu terapan
dan ahli teknik baik insinyur mesin, sipil, elektro dan lain-lain selalu
berhubungan dengan bahan. Produk dapat berupa jembatan, komputer, trafo,
pesawat tv, baterey, semi konduktor, chip, kendaraan bermotor, pesawat terbang,
dituntut untuk mempunyai pengetahuan yang mendalam mengenai sifat-sifat bahan
yang digunakannya.
Dalam menentukan pilihan
atas bahan yang akan dipakai, perancang harus memperhatikan sifat-sifat seperti
: kekuatan, konduktivitas listrik, daya hantar panas, berat jenis dan sebagainya.
Selanjutnya seorang ahli
harus memperhatikan sifat bahan selama selama proses pembentukannya dan
perilaku selama penggunaan, (mampu bentuk, mempu mesin, stabilitas listrik,
ketahanan kimia dan sifat radiasi merupakan hal yang sangat penting). Sebagai contoh.
Baja yang digunakan untuk roda gigi transmissi harus mudah dibentuk, kemudia
harus dapat memiliki sifat tangguh setelah mengalami proses pekerjaan lanjutan
sehingga tahan dalam pemakaian. Spatbor harus
dibuat dari logam yang mudah dibentuk akan tetapi memiliki ketahanan
terhadap deformasi impak. Pengawatan listrik harus tahan suhu yang berbeda dan
semikonduktor harus memiliki karaktristik arus dan tegangan tetap untuk jangka
waktu yang lama.
Perkembangan dan
penemuan bahan-bahan yang baru sangat mempengaruhi desain, sebagai contoh dapat
dikemukakan transistor, tanpa trersedianya bahan yang sesuai barang ini tidak
dapat dibuat.
Struktur intern dan
sifat-sifat. Merupakan
kewajiban yang berat bagi seorang insinyur atau ahli tehnik untuk menguasai
pengetahuan menyeleruh mengenai beribu-ribu jenis bahan yang terdapat
dipasaran. Demikian pula sangatlah sulit untuk mengetahui dan mengikuti setiap
perkembangan baru, namun demikian kita dituntut untuk mengetahui dasar-dasar
ilmu pengetahuan yang menentukan sifat-sifat bahan. Prinsip utamnya adalah
setiap bahan berkaitan erat sekali dengan struktur intern bahan itu sendiri. Sebagai contoh seorang tukang servis televisi harus tahu
semua komponen televisi. Adapun struktur intern yang dimaksud disini adalah
mencakup atom-atom dan susunannya didalam kristal, molekul dan struktur mikro.
Pembentukan
sifat-sifat. Bahan perlu
diproses untuk memenuhi persyaratan yang telah ditatapkan dalam disain produk.
Proses pembentukan yang paling sederhana adalah merubah bentuk melalui
pemotongan dengan mesin atau penempaan. Pada umumnya proses meliputi beberapa
proses lainnya disamping pengubahan bentuk melalui pemotongan mesin atau deformasi plastik.
Sering pula terjadi bahwa proses pembentukan merubah sifat bahan. Contoh
sebagai akibat dari dari proses pembentukan kawat melalui penarikan, kawat akan
bertambah keras dan kuat, hal ini disebabkan terjadinya proses deformasi selama
penarikan kawat berlangsung.
Proses thermal juga
berpengaruh atas struktur dalam bahan. Proses thermal ini meliputi proses pelukanakan (anil),
pencelupan dari suhu tinggi (quench), dan sejumlah laku panas. Tujuan kita
memahami jenis perubahan struktur yang terjadi adalah agar kita sebagai ahli
tehnik dapat menggariskan langkah proses yang sesuai.
Prilaku selama
penggunaan. Bahan yang telah
dibentuk akan memiliki seperangkat sifat-sifat seperti, kekuatan, kekerasan,
daya hantar listrik, warnah dan sebagainya yang memang diperlukan untuk
persyaratan disain. Produk ini akan tetap memiliki sifat-sifat tersebut,
asalkan tidak ada perubahan struktur akibat pemggunaanya, sebagai contoh mengapa karet akan
bertambah keras bila digunakan dalam waktu yang cukup lama, karena dipengaruhi
penyinaran cahaya dan pengaruh cuaca, mengapa aluminium tidak dapat digunakan
dalam pesawat ruang angkasa, mengapa suatu ligam akan mengalami kelelahan
selama pembebanan siklus, mengapa maknit akan kehilangan polaritasnya dalam
medan frekuensi radio dan mengapa suatu semikonduktor dapat rusak karena karena
pengaruh radiasi nuklir. Ringkasnya seorang ahli tehnik harus pula mengetahui
pengaruh pemakaian produk atas struktur intern disamping persyaratan lainnya
dan mengkaitkan sifat-sifat bahan.
1.2. Sifat-sifat mekanik
Deformasi terjadi bila
bahan mengalami gaya. Regangan (starain), e adalah besar
deformasi persatuan panjang, dan tegangan (stress), s, adalah
gaya persatuan luas.
Selama deformasi, bahan
menyerap energi sebagai akibat adanya gaya yang bekerja sepanjang jarak
deformasi. Kekuatan (strength) adalah ukuran besar gaya yang diperlukan
untuk mematahkan atau merusak suatu bahan. Keuletan (ductility)
dikaitkan dengan besarnya regangan permanen sebelum terjadi perpatahan.
Ketangguhan (toughness) dikaitkan dengan jumlah energi yang diserap oleh
bahan sampai terjadi perpatahan.
Tabel
1
Sifat
mekanik bahan
|
Sifat
atau Karakteristik
|
Lambang
|
Definisi
|
Satuan
( SI)
|
|
Tegangan
|
S
|
Gaya/Satuan luas (F/A)
|
Pascal (N/m2)
|
|
Regangan
|
e
|
Fraksi Deformasi (DL/L)
|
|
|
Modulus Elastisitas
|
E
|
Tegangan/regangan elastik
Tegangan pada waktu gagal
|
Pascal
|
|
Kekuatan Luluh
|
Sy
|
Ketahanan terhadap
deformasi plasyik mula
|
Pascal
|
|
Kekuatan Tarik
|
St
|
Kekuatan maksimum
(berdasarkan ukuran mula)
|
Pascal
|
|
Keuletan
|
|
Besarnya deformasi plastik sampai bahan patah
|
|
|
Perpanjang
|
ef
|
(Lf
– Lo)/o
|
|
|
Ketangguhan
|
|
Energi yang diperlukan sehingga terjadi patah
|
|
|
Kekerasan
|
|
Ketahanan terhadap
deformasi plastik
|
|
Deformasi.
Regangan awal berbanding lurus dengan besarnya tegangan, disamping itu iapun
mampu balik (reversible). Setelah
tegangan ditiadakan, regangannya lenyap. Regangan linier yang mampu balik ini
disebut regangan elastik. Modulus Elastis (Modulus
Young) adalah perbandingan antara
tegangan s dan regangan mampu balik e :
1.1
Satua metrik modulus
Young E adalah pascal (biasanya megapascal, Mpa), sedangkan satuan
Britanianya adalah psi, pond/inci persegi.
Gambar
1.1. Diagram tegangan-regangan (a) bahan tidak ulet, (b) Bahan ulet dengan
titik luluh, (c) Bahan ulet tanpa titik luluh, (d) Kurva tegangan sesungguhnya,
regangan ulet tanpa titik luluh.
Pada tegangan yang lebih tinggi terjadi
pergeseran tetap dari atom-atom dalam suatu bahan disamping regangan elastik.
Regangan tetap ini tidak mampu balik pada saat regangan ditiadakan, regangan
ini disebut dengan regangan plastik (regangan ini diperlukan pada proses
pengerjaan bahan antara lain pengerolan plat aluminium menjadi plat tipis atau
lembaran).
Regangan elastik,
yang merupakan satu-satunya gejala deformasi dibawah kekuatan luluh, akan terus
naik dengan naiknya tegangan sampai terjadi deformasi plastik.
Keuletan.
Atau besarnya regangan plastik sampai terjadi perpatahan ef, dapat
dinyatakan dalam prosentasi perpanjangan (percent elongation). Regangan ini tidak berdimensi, (Lf – Lo)/Lo
atau 
DL/Lo. Berdasarkan pengalaman ternyata deformasi plastik pada
umumnya terjadi didaerah yang susut.
DL/Lo. Berdasarkan pengalaman ternyata deformasi plastik pada
umumnya terjadi didaerah yang susut.
Ukuran keuletan lainnya
adalah susut penampang, (Ao – Af)/Ao
pada titik patah.
Kekuatan (dan
kekerasan). Ketahanan suatu
bahan terhadap deformasi plastik disebut kekuatan luluh (yield strength, Sy),
nilai besaran ini adalah besar gaya pada saat luluh dibagi luas penampang.
Kekuatan luluh didefinisikan sebagai tegangan yang diperlukan untuk
menghasilkan regangan plastik sebesar 0,2%.
Kekuatan tarik. Kekuatan tarik suatu bahan ditetapkan dengan membagi gaya maksimum dengan luas penampang mula.
Kekerasan
(hardness). Didefinisikan sebagai ketahanan bahan
terhadap penetrasi pada permukaan. Terdapat
hubungan antara kekerasan bahan, hali ini dapat dilihat pada gambar 2. Ada 2
cara yang paling populer digunakan untuk menentukan tingkat kekerasan suatu
bahan antara lain dengan menggunakan Bilangan Kekerasan Brinnel (BKB) dan
Kekerasan Rock Well (R).
Ketangguhan. Ini adalah suatu ukuran energi yang diperlukan untuk
mematahkan suatu bahan. Energi yang merupakan hasil kali gaya dan jarak,
dinyatakan dalam Joule. Suatu bahan ulet dengan kekuatan yang sama
dengan bahan rapuh (getas) akan memerlukan energi perpatahan yang lebih
besar dan mempunyai sifat tangguh yang lebih baik. Ada dua cara yang biasa
digunakan untuk melakukan pengujian ketangguhan yaitu dengan standar Charpy
dan Izod.
1.3. Karakteristik termal
Kapasitas kalor (heat
capacity). Perlu dibedakan antara suhu dengan kandungan kalor suatu bahan.
Suhu atau temperatur adalah level aktivitas thermal sedang kandungan kalor
adalah energi thermal. Kedua hal tersebut berkaitan erat dengan kapasitas
kalor.
Bila tidak adak
perubahan isi maka kapasitas kalor sama dengan perubahan kandungan kalorr
perderajat C. Dalam tabel teknik sering kali dijumpai panas jenis sebagai
pengganti kapasitas kalor. Panas jenis (specific heat) suatu bahan
adalah perbandingan antara kapasitas kalor dari bahan tersebut dengan kapasitas
kalor air. Diketahui kapasitas air sama dengan 1 kal/g.oC
(=4,184 Joule/g.oC=1 Btu/lb.oF).
Nilai panas transformasi
untuk berbagai bahan perlu diketahui. Yang banyak digunakan adalah panas
peleburan (heat of fusion) dan panas penguapan (heat of vaporisation)
yaitu kalor yang diperlukan untuk mencairkan atau menguapkan suatu bahan.
Keduanya melibatkan perubahan struktur atom atau molekul yang mengakibatkan
adanya perubahan kapasitas panas atau energi thermal bahan.
Muai panas (thermal
expansion). Pemuaian yang sering
dialami oleh bahan yang dipanaskan yang ditimbukan oleh peningkatan getaran
thermal atom-atom. Pendekatan pertama menghasilkan hubungan antara pertambahan
penjang DL/L yang
sebanding dengan naiknya suhu DT.
1.2
Ternyata; bahwa umumnya 
- Koefisien muai linier naik sedikit dengan naiknya suhu (gambar 1.2). Biasanya
data muai panas berlaku pada temperatur 20oC.
- Koefisien muai linier naik sedikit dengan naiknya suhu (gambar 1.2). Biasanya
data muai panas berlaku pada temperatur 20oC.
Koefisien muai volume (av) mempunyai hubungan yang serupa seperti pada persamaan 2
dengan perubahan volume DV/V dan
kenaikan suhu DT. Nilai
(av)
adalah tiga kali nila (aT).
Gambar 1.2. Sifat
thermal dan suhu
Daya
hantar panas (thermal conductivity). Alih panas melalui bahan
padat biasanya terjadi oleh konduksi. Koefisien daya hantar panas k
adalah konstanta yang menghubungkan aliran panas (heat flux) Q, dengan
gradien suhu adalah :
1.3
Disamping itu koefisien daya hantar panas
juga tergantung pada suhu akan tetapi berlaianan dengan koefidien muai panas.
Koefisien ini akan berkurang nilainya dengan naiknya suhu. Perubahan susunan
atom yang mengiringi pencairan dan pengaturan kembali atom-atom yang terjadi
karena perubahan suhu akan menghasilkan diskontinuitas pada nilai daya hantar
panas.
Satuan daya hantar panas, k adalah
J/(mm2.s)/oC/mm), atau W/mm2./(oC/mm).
1-4. Pengaruh medan listrik
Daya hantar dan tahanan
listrik logam dan semikonduktor dapat menghantarkan muatan listrik bila
ditempatkan dalam medan listrik. Daya hantars tergantung dari jumlah pembawa muatan n, besar
muatan q, dan mobilitas m dari pembawa
muatan. Konduktivitas adalah kebalikan daripada tahan jenis r :
1.4
dan satuannya adalah :
ohm-1 m-1 = (Pembawa/m3)(Coul/Pembawa)
{m/s / volt/m)
Pada logam dan semi
konduktor dimana elektron merupakan pembawa muatan-muatan perpembawa adalah 0,16x10-18
Coul, atau 0,16x10-18 amp.sec. Mobilitas dapat dianggap
sebagai kerapatan rata-rata atau kecepatan gerak v pembawa yang
ditimbulkan oleh adanya medan listrik x, masing-masing satuan (m/s) dan (volt/m).
1.5
Mobilitas lazim
dinyatakan dalam m2/volt.det (akan dibahas lebih terinci pada bab
semikonduktor).
Tahanan jenis r adalah sifat bahan, oleh karena itu tidak tergantung
pada bentuk. Untuk bentuk yang uniform, tahanan dapat ditulis dalam bentuk :
1.6
dimana L adalah
panjang dan A adalah luas penampang. Dengan mengetahui R, ahli
tehnik dapat menggunakan persamaan dasar fisika untuk menghitung arus I dalam
ampere dan daya P dalam Watt yaitu : I = E/R ; P = E x I = I2
x R = E2/R= Joule/sec.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar