BAB I PENDAHULUAN 1. Material adalah sesuatu yang disusun/dibuatoleh bahan. Material digunakan untuk transportasi hingga makanan Ilmu material/bahan merupakan pengetahuan dasar tentang struktur, sifatsifat dan pengolahan bahan. Jenis Material •LogamKuat, ulet, mudah dibentuk dan bersifat penghantar panas dan listrik yang baik •Keramik Keras, getas dan penghantar panas dan listrik yang buruk •Polimer kerapatan rendah, penghantar panas dan listrik buruk dan mudah dibentuk •Komposit merupakan ganbungan dari dua bahan atau lebih yang masing-masing sifat tetap.
Pengetahuan Material Teknik Dasar Didalam industri manufaktur tidak akan lepas dengan satu bidang ilmu teknik yang berhubungan dengan material. Secara umum material teknik diklasifikasikan menjadi 2 golongan yakni : 1. Metal (logam) 2. Non Metal (bukan logam)
Metal (logam) Jika ditinjau dari sudut pandang susunan unsur dasar, metal (logam) dibagi menjadi 2, yakni : 1.1 Logam murni (hanya terdiri satu jenis atom saja), contoh : besi (Fe) murni, tembaga (Cu) murni 1.2 Logam paduan atau metal alloy (terdiri dari dua atau lebih jenis atom) Logam paduan dibedakan menjadi 3 jenis : a. Larut padat interstisi (menyisip), yaitu : suatu paduan yang terjadi bila atom yang larut mempunyai diameter yang jauh lebih kecil daripada yang dilaruti, contoh : Pada baja Carbon yang mengalami Nitriding dimana atom Fe (yang dilaruti) mempunyai diameter atom lebih besar bila dibandingkan dengan atom N (yang larut) dengan diameter lebih kecil sehingga menyisip diantara atom Fe. b. Larut Padat Subtitusi (menggantikan posisi yang dilaruti), yaitu : suatu paduan yang terjadi terutama bila diameter atom yang larut hampir sama dengan diameter atom yang dilaruti, contoh : Pada paduan alumunium (diameter atom Al dan diameter atom
1
Cu hampir sama), pada stainless steel (diameter atom Fe dan diameter atom Cr hampir sama), dll.
c. Senyawa, yaitu : suatu paduan yang terjadi karena adanya ikatan atom yang sangat kuat, contoh : NaCl (Senyawa garam). Metal juga dapat diklasifikasikan menjadi jenis, yakni : a. Ferrous (besi) b. Non Ferrous (bukan besi), contoh : Al dan paduannya, Ni dan paduannya, dll.
Ferrous (besi) a. Wrought Iron (besi tempa) Fasa besi tempa berupa ferit (alpha), didalamnya terdapat sisa terak yang masih terperangkap. Terak tersebut banyak mengandung silikat (silikon oksida), bentuknya menyerupai fiber (cukup kuat). Sifat dari besi tempa ini Ulet dan cukup kuat. Contoh komposisi dari besi tempa : - Carbon : 0.06% - Mangaan : 0.045% - Silicon : 0.101% - Phospor : 0.068% - Sulfur (belerang) : 0.009% - Terak (dalan berat) : 1.97% Besi tempa digunakan pada bangunan kereta api, bangunan kapal laut, industri minyak, tujuan arsitektur, perlengkapan pertanian, dll. Umumnya, pembuatan dari besi tempa ini menggunakan dapur puddle (dapur aduk) b. Steel (Baja) Baja (Steel) digolongkan menjadi 2, yakni : 2.1 Carbon steel (baja karbon) Baja karbon dapat digolongkan menjadi 3 macam, yakni : -Baja karbon rendah [Kadar Carbon antara 0,1% hingga 0,20%] -Baja Karbon sedang [Kadar Carbon antara 0,25% hingga 0,55%] -Baja Karbon tinggi [Kadar Carbon antara 0,55% hingga 1,75%] Pembagian baja karbon yang lain yakni : baja hipoeutektoid [Kadar Carbon Kurang dari 0,8%], baja eutektoid [Kadar Carbon 0,8%] dan baja hipereutektoid [Kadar Carbon lebih dari 0,8%]. Fasa-fasa padat yang ada didalam baja : 2
a) Ferit (alpha) : merupakan sel satuan (susunan atom-atom yang paling kecil dan teratur) berupa Body Centered Cubic (BCC=kubus pusat badan), Ferit ini mempunyai sifat : magnetis, agak ulet, agak kuat, dll. b) Autenit : merupakan sel satuan yang berupa Face Centered Cubic (FCC =kubus pusat muka), Austenit ini mempunyai sifat : Non magnetis, ulet, dll. c) Sementid (besi karbida) : merupakan sel satuan yang berupa orthorombik, Semented ini mempunyai sifat : keras dan getas. d) Perlit : merupakan campuran fasa ferit dan sementid sehingga mempunyai sifat Kuat. e) Delta : merupakan sel satuan yang berupa Body Centered Cubic (BCC=kubus pusat badan). 2.2 Alloy steel (baja paduan) Sebenarnya perbedaan mendasar dari baja karbon dengan baja paduan terletak pada dominasi atas unsur dalam suatu baja. Jika yang mendominasi sifat fisik dan mekanik adalah prosentase atau kadar karbon maka dapat disebut sebagai baja karbon sedang bila yang mendominasi sifat fisik dan mekanik adalah paduan (selain unsur karbon) maka dapat disebut sebagai baja paduan. Baja paduan dapat diklasifikasikan menjadi : a. Baja paduan rendah, yaitu : bila jumlah unsur tambahan selain karbon lebih kecil dari 8%, misalnya : suatu baja terdiri atas 1,35%C; 0,35%Si; 0,5%Mn; 0,03%P; 0,03%S; 0,75%Cr; 4,5%W [Dalam hal ini 6,06%<8%]> b. Baja paduan tinggi, yaitu : bila jumlah unsur tambahan selain karban lebih dari atau sama dengan 8%, misalnya : baja HSS (High Speed Steel) atau SKH 53 (JIS) atau M3-1 (AISI) mempunyai kandungan unsur : 1,25%C; 4,5%Cr; 6,2%Mo; 6,7%W; 3,3%V. Tujuan utama dari penambahan unsur paduan sebenarnya untuk memperbaiki sifatsifatnya seperti : kekuatan tarik, kekuatan impak, ketahanan korosi, ketahanan panas, dll. Pada baja HSS (contoh diatas) mempunyai sifat keras, ulet, tahan temperatur tinggi, dll. 2.3 Cast iron (besi cor) Umumnya besi cor akan mengandung unsur Fe dan C [3,5% - 4,3%]. Besi cor, diklasifikasikan menjadi : a. Besi cor putih (white cast iron) Besi cor putih mempunyai fasa sementid+perlit sehingga mempunyai sifat keras dan getas. b. Besi cor kelabu (grey cast iron) Unsur penyusun dari besi cor kelabu yakni : Fe + C + Silikon (Si). Adanya penambahan unsur Si (Silikon) bertujuan untuk mengurai Sementid menjadi Fe (ferit atau perlit) dan C (grafit). Bentuk grafitnya berupa serpih sehingga secara sederhana dapat dikatakan bahwa fasa besi cor kelabu berupa ferit/perlit + grafit 3
serpih dengan sifat : agak getas yang dikarenakan ujung-ujung grafit berbentuk serpih tajam, akibatnya konsentrasi tegangan tinggi sehingga mudah patah. Contoh penggunaan besi cor kelabu pada konstruksi mesin jahit, blok mesin, lampu hias, mesin bubut, pagar, dll. Keistimawaan besi cor kelabu terhadap baja yakni : mampu meredam getaran. c. Besi cor bergrafit bulat (ductile cast iron atau noduler cast iron) Unsur penyusun dari besi cor bergrafit bulat yakni : Fe + C + Si + Mg / Ce. Penambahan Mg atau Ce bertujuan untuk “melunakan” grafit menjadi bulat sehingga konsentrasi tegangan sedikit sekali (besi cor bersifat ulet). Contoh penggunaan besi cor bergrafir bulat pada kontruksi penjepit rel kereta api, batang torak kompresor, dll. d. Besi cor mampu tempa (malleable cast iron) Untuk membuat besi cor mampu tempa dapat dibuat dengan memanaskan besi cor putih hingga mencapai suhu 700 Derajat Celcius selama 30 Jam. Hal ini bertujuan agar sementid terturai menjadi Fe (ferit) dan C (grafit). Grafit yang dihasilkan berbentuk pipih. Contoh penggunaan besi cor mampu tempa pada spare part yang berukuran kecil-kecil.
Non Metal Dikategorikan menjadi 3 jenis yakni : Polimer, Komposit dan keramik. Keramik merupakan senyawa-senyawa dari karbida dan oksida logam atau oksida metaloid (Si). Perbedaan logam dengan polimer yakni bahwa logam mempunyai butir-butir (kristal-kristal) sedang polimer terdiri dari mer-mer (molekul-molekul) yang berikatan satu dengan lainnya. Butir (kristal) adalah kumpulan atom-atom yang mempunyai orientasi atau arah yang sama.
4
BAB II PEMBAHASAN A. Klasifikasi Material Teknik: Secara garis besar material teknik dapat diklasifikasikan menjadi : 1.
Material logam
2.
Material non logam
Berdasarkan pada komposisi kimia, logam dan paduannya dapat dibagi menjadi dua golongan yaitu: 1.
Logam besi / ferrous
2.
Logam non besi / non ferrous
Logam-logam besi merupakan logam dan paduan yang mengandung besi (Fe) sebagai unsur utamanya.
Logam-logam non besi merupakan meterial yang mengandung sedikit atau sama sekali tanpa besi. Dalam dunia teknik mesin, logam (terutama logam besi / baja) merupakan material yang paling banyak dipakai, tetapi material-material lain juga tidak dapat diabaikan. Material non logam sering digunakan karena meterial tersebut mempunyai sifat yang khas yang tidak dimiliki oleh material logam.
Material non logam dapat dibedakan menjadi beberapa golongan, yaitu: 1.
Keramik
2.
Plastik (polimer)
3.
Komposit
a. Keramik Material keramik merupakan material yang terbentuk dari hasil senyawa (compound) antara satu atau lebih unsur-unsur logam (termasuk Si dan Ge) dengan satu atau lebih unsurunsur non logam. material jenis keramik semakin banyak digunakan, mulai berbagai abrasive, pahat potong, batu tahan api, kaca, dan lain-lain, bahkan teknologi roket dan penerbangan luar angkasa sangat memerlukan keramik.
5
SIFAT MEKANIK KERAMIK Keramik biasanya material yang kuat, dan keras dan juga tahan korosi. Sifat-sifat ini bersama dengan kerapatan yang rendah dan juga titik lelehnya yang tinggi, membuat keramik merupakan material struktural yang menarik. Aplikasi struktural keramik maju termasuk komponen untuk mesin mobil dan struktur pesawat. Misalnya, TiC mempunyai kekerasan 4 kali kekerasan baja. Jadi, kawat baja dalam struktur pesawat dapat diganti dengan kawat TiC yang mampu menahan beban yang sama hanya dengan diameter separuhnya dan 31 persen berat. Semen dan tanah liat adalah contoh yang lain, keduanya dapat dibentuk ketika basah namun ketika kering akan menghasilkan objek yang lebih keras dan lebih kuat. Material yang sangat kuat seperti alumina (Al2O3) dan silikon karbida (SiC) digunakan sebagai abrasif untuk grinding dan polishing. Keterbatasan utama keramik adalah kerapuhannya, yakni kecenderungan untuk patah tiba-tiba dengan deformasi plastik yang sedikit. Ini merupakan masalah khusus bila bahan ini digunakan untuk aplikasi struktural. Dalam logam, elektron-elektron yang terdelokalisasi memungkinkan atom-atomnya berubah-ubah tetangganya tanpa semua ikatan dalam strukturnya putus. Hal inilah yang memungkinkan logam terdeformasi di bawah pengaruh tekanan. Tapi, dalam keramik, karena kombinasi ikatan ion dan kovalen, partikel-partikelnya tidak mudah bergeser. Keramiknya dengan mudah putus bila gaya yang terlalu besar diterapkan. Faktur rapuh terjadi bila pembentukan dan propagasi keretakan yang cepat. Dalam padatan kristalin, retakan tumbuh melalui butiran (trans granular) dan sepanjang bidang cleavage (keretakan) dalam kristalnya. Permukaan tempat putus yang dihasilkan mungkin memiliki tekstur yang penuh butiran atau kasar. Material yang amorf tidak memiliki butiran dan bidang kristal yang teratur, sehingga permukaan putus kemungkinan besar mulus penampakannya. Kekuatan tekan penting untuk keramik yang digunakan untuk struktur seperti bangunan. Kekuatan tekan keramik biasanya lebih besar dari kekuatan tariknya. Untuk memperbaiki sifat ini biasanya keramik di-pretekan dalam keadaan tertekan. Sifat Hantaran Listrik. Sifat listrik bahan keramik sangat bervariasi. Keramik dikenal sangat baik sebagai isolator. Beberapa isolator keramik (seperti BaTiO3) dapat dipolarisasi dan digunakan sebagai kapasitor.
6
Keramik lain menghantarkan elektron bila energi ambangnya dicapai, dan oleh karena itu disebut semikonduktor. Tahun 1986, keramik jenis baru, yakni superkonduktor temperatur kritis tinggi ditemukan. Bahan jenis ini di bawah suhu kritisnya memiliki hambatan = 0. Akhirnya, keramik yang disebut sebagai piezoelektrik dapat menghasilkan respons listrik akibat tekanan mekanik atau sebaliknya. Sering pula digunakan bahan yang disebut dielektrik. Bahan ini adalah isolator yang dapat dipolarisasi pada tingkat molekular. Material semacam ini digunakan untuk menyimpan muatan listrik. Kekuatan dielektrik bahan adalah kemampuan bahan tersebut untuk menyimpan elektron pada tegangan tinggi. Bila kapasitor dalam keadaan bermuatan penuh, hampir tidak ada arus yang lewat. Namun dengan tegangan tinggi dapat mengeksitasi elektron dari pita valensi ke pita konduksi. Bila hal ini terjadi arus mengalir dalam kapasitor, dan mungkin disertai dengan kerusakan material karena meleleh, terbakar atau menguap. Medan listrik yang diperlukan untuk menghasilkan kerusakan itu disebut kekuatan dielektrik. Beberapa keramik mempunyai kekuatan dielektrik yang sangat besar.Porselain misalnya sampai 160 kV/cm. Sebagian besar hantaran listrik dalam padatan dilakukan oleh elektron. Di logam, elektron penghantar dihamburkan oleh vibrasi termal meningkat dengan kenaikan suhu, maka hambatan logam meningkat pula dengan kenaikan suhu. Sebaliknya, elektron valensi dalam keramik tidak berada di pita konduksi, sehingga sebagian besar keramik adalah isolator. Namun, konduktivitas keramik dapat ditingkatkan dengan memberikan ketakmurnian. Energi termal juga akan mempromosikan elektron ke pita konduksi, sehingga dalam keramik, konduktivitas meningkat (hambatan menurun) dengan kenaikan suhu. Beberapa keramik memiliki sifat piezoelektrik, atau kelistrikan tekan. Sifat ini merupakan bagian bahan "canggih" yang sering digunakan sebagai sensor. Dalam bahan piezoelektrik, penerapan gaya atau tekanan dipermukaannya akan menginduksi polarisasi dan akan terjadi medan listrik, jadi bahan tersebut mengubah tekanan mekanis menjadi tegangan listrik. Bahan piezoelektrik digunakan untuk tranduser, yang ditemui pada mikrofon, dan sebagainya. Dalam bahan keramik, muatan listrik dapat juga dihantarkan oleh ion-ion. Sifat ini dapat diubah-ubah dengan merubah komposisi, dan merupakan dasar banyak aplikasi komersial, dari sensor zat kimia sampai generator daya listrik skala besar. Salah satu teknologi yang paling prominen adalah sel bahan bakar. Kemampuan penghantaran ion didasarkan kemampuan keramik tertentu untuk memungkinkan anion oksigen bergerak, 7
sementara pada waktu yang sama tetap berupa isolator. Zirkonia, ZrO2, yang distabilkan dengan kalsia (CaO), adalah contoh padatan ionik. Serbuk Keramik Silikat Efek Domino pada Pemrosesan Keramik Sesuai dengan sifat alami keramik, bahan baku keramik yang digunakan untuk produksi mempunyai banyak kendala yang mempengaruhi pada sifat akhir benda jadi dibandingkan dengan kelompok bahan lain misal logam atau polimer. Hal ini dikarenakan tidak terdapat tahapan penghalusan lanjut untuk keramik, tidak seperti logam (peleburan – pembekuan – deformasi plastik). Pada dasarnya, “apa yang masuk – itulah yang keluar”. Semua ketidak-sempurnaan pada bahan baku diperbanyak kedalam pembesaran ketidak-sempurnaan dalam produk yang disinter. Efek domino ini menekankan ketergantungan dari sifat akhir produk keramik dalam karakteristik semua tahapan pemrosesan, dan secara umum dalam karakteristik bahan baku, secara harfiah bila terdapat kesalahan dalam satu tahap pemrosesan keramik maka akan mempengaruhi secara nyata hasil akhir keramiknya.
Mineralogi Keramik Keramik secara tradisional berdasar pada mineral oksida, atau mineral-mineral lain dimana dapat berubah menjadi oksida-oksida luluh, seperti hidroksida, karbonat, sulfida, halida, phospatat dll. Mineral-mineral ini merupakan gabungan dari sebagian besar unsur yang ada dipermukaan bumi ini. Bagaimanapun juga, berkenaan dengan keunggulan oksigen dalam kerak bumi, hampir setengah unsur yang telah dikenali terjadi secara normal sebagai oksida, biasanya oksida kompleks seperti silikat. Struktur silikat meliputi sejumlah besar unsur-unsur dalam tabel periodik. Jadi, kita dapat secara nyata mengatakan bahwa “ separo dari dunia ini adalah keramik…”Deret unsur-unsur relatif besar dimana sering terdapat dalam keramik meliputi: O, Al, Si, Ca, Mg, Ti, Na, K. Hal ini menarik untuk dicatat, bahwa beberapa keramik penting menunjukkan konsentrasi yang agak tinggi pada air laut. Sungguh, sebagian besar MgO dengan kemurnian tinggi (suatu bahan tahan api yang penting) sekarang ini disediakan dari air laut. Bagaimanapun juga, sebagian besar mineral penting dalam keramik berasal dari transformasi batu beku dari perapian (igneous rock), seperti halnya granit atau basal dimana kristal terbentuk dari magma (siapa tahu lumpur lapindo merupakan bahan baku keramik maju yang tersedia…). Batu-batu ini adalah silikat kompleks, dimana komposisi dapat menggambarkan kandungan dari oksida biner sederhana seperti silika, alumina, alkali dll.
8
Silika, oksida yang relatif besar di Bumi (62% berat dari kerak kontinental Bumi) adalah dasar dari klasifikasi ini. Batu dengan proporsi SiO2 yang tinggi (dan biasanya mengandung alumina yang tingi, dimana merupakan komponen kedua terbesar di kerak Bumi, mengandung 16% berat) dikenal dengan nama asidik (acidic), dan dengan silika rendah (dan biasanya mengandung magnesia yang tinggi {[3,1% dari kerak bumi] dan/atau kalsia [5,7% dari kerak bumi]): didefinisikan sebagai dasar Alumina agak tidak umum dalam batuan dasar, dan sebaliknya: magnesia adalah tidak umum dalam batuan asidik. Hal ini sangat menguntungkan untuk produksi bahan tahan api khususnya: kontaminasi silang dari batuan dasar dan asidik akan menyebabkan kehilangan ketahanan api yang signifikan, yaitu secara signifikan menurunkan titik lebur yang mengkontaminasi bahan. Kristalisasi dari batuan beku dari perapian menjadikan formasi dari silikat dan mineral-mineral lain penting dalam pemrosesan keramik. Istimewanya, hal ini dipercaya dimana kerusakan dari beberapa silikat, diikuti dengan sedimentasi, membentuk formasi mineral tanah liat.Bahan baku dasar untuk keramik tradisional termasuk lempung, silika SiO2, dan Fledspars (K, Na) AlSi3O8, dan beberapa industri kimiawi lain. Tidak ada mineral-mineral yang digunakan dalam pemrosesan tradisional keramik dapat diperlakukan sebagai “komposisi tetap”. Yaitu, mereka tidak mempunyai komposisi yang diberikan oleh formula kimia. Sebagai contoh, kandungan silika pada lepung Kaolin secara umum bervariasi pada 45% berat sampai 50% berat, dan alumina 35 % berat sampai 40% berat. Keseimbangan dipengaruhi oleh komponen yang mudah menguap (air dan organiks), dari 10% berat sampai 15% berat. Jumlah ini dapat dibandingkan dengan formula kimiawi ideal dari mineralmineral silikat terpilih berikut: Mineral Formula Kimia Ideal Kaolinit Al2(Si2O5)(OH)4 Halosit Al2(Si2O5)(OH)4 2H2O Piropillit Al2(Si2O5)2(OH)2 Monmorilonit (Al1,67 Na0,33 Mg0,33)(Si2O5)2(OH)2 Mika Al2K(Si1.5Al0,5)2 (OH)2 Ilit Al2-xMgxK-1-x-y(Si1,5-yAl0.5+YO5)2(OH)2
Pemrosesan Mineral Teknik modern dan keramik unggul membutuhkan serbuk kemurnian tinggi dimana akan sangat menguntungkan dan mempunyai karakteristik tertentu (keuntungan dijabarkan dalam seluruh proses penggilingan (milling) dan klasifikasi prosedur serbuk keramik). Salah 9
satu kemungkinan klasifikasi dari bahan baku keramik berhubungan dengan teknik pemrosesan maju/unggul yaitu: Mineral mentah (crude minerals): tanah liat (gerabah, ubin, bola, bentonit), serpihan, bauksit mentah, kianit mentah. Mineral Industri: bola lempung dimurnikan, kaolin, bentonit dimurnikan, piropilit, talek, feldspar, nepelin syenit, wolastonit, spodumen, pasir kaca, batu api tembikar (potter’s flint), kianit, bauksit, sirkon, rutil, bijih krom, kaolin kalsinasi, dolomit, dan banyak lagi yang lain Industri Kimia: alumina kalsinasi (dari proses Bayer), magnesia kalsinasi (dari air laut), alumina fusi, magnesia fusi, silikon karbida (proses Acheson), abu soda, barium karbonat, titania, titaniat kalsinasi, oksida besi, ferit kalsinasi, sirkonia kalsinasi stabil, pigmen sirkonia, pigmen sirkon kalsinasi. Operasi peremukan dan penggerindaan awal pada deposit mineral ditujukan membebaskan komponen yang tidak dikehendaki (ketidak-murnian, organik) dengan menempatkan dan/atau pemisahan magnetik, dan pengumpulan partikel-halus mineral murni (misal lempung) dengan pengambangan (floating). Secara alami, lempung hasil proses mempunyai variasi yang lebar dalam komposisi dan ukuran partikel, tergantung pada lokasi dan pemrosesan mineral. Sebagai contoh, salah satu pencemar yang paling tidak dikehendaki dalam kaolin adalah oksida besi, dimana akan secara efektif menghitamkan barang yang putih. Kaolin Georgia kualitas tinggi dikenal akan kemurniannya (rendah besi) dan sifat perapian putih bagus. Bola lempung pada umumnya lebih banyak mengandung bahan organik (menunjukkan “hilangnya” permulaan dalam diagram komposisional) dan lebih plastik
b. POLIMER Plastik (polimer) adalah material hasil rekayasa manusia, merupakan rantai molekul yang sangat panjang dan banyak molekul MER yang saling mengikat. Pemakaian plastik juga sangat luas, mulai peralatan rumah tangga, interior mobil, kabinet radio/televisi, sampai konstruksi mesin. Istilah polimer digunakan untuk menggambarkan bentuk molekul raksasa atau rantai yang sangat panjang yang terdiri atas unit-unit terkecil yang berulangulang atau mer atau meros sebagai blok-blok penyusunnya. Molekul-molekul (tunggal) penyusun polimer dikenal dengan istilah monomer.
10
Polimer Polyethylene, misalnya, adalah salah satu jenis bahan polimer dengan rantai linear sangat panjang yang tersusun atas unit-unit terkecil (mer) yang berulang-ulang yang berasal dari monomer molekul ethylene. Perhatikan bahwa monomer memiliki ikatan kovalen tak jenuh (ikatan ganda) sedangkan pada mer ikatan tersebut menjadi aktif atau ikatan kovalen terbuka dengan elektron tak berpasangan. Bahan organik alam mulai dikenal dan digunakan sejak tahun 1866, yaitu dengan digunakannya polimer cellulose. Bahan organik buatan mulai dikenal tahun 1906 dengan ditemukannya polimer Phenol Formal dehide atau Bakelite, mengabadikan nama penemunya L.H. Baekeland. Bakelite, hingga saat ini masih digunakan untuk berbagai keperluan. Para mahasiswa metalurgi atau metallographist profesional misalnya menggunakan bakelit untuk memegang (mounting) spesimen metalografi dari sampel logam yang akan dilihat struktur mikronya di bawah mikroskop optik reflektif. Istilah plastik, yang sering digunakan oleh masyarakat awam untuk menyebut sebagian besar bahan polimer, mulai digunakan pada tahun 1909. Istilah tersebut berasal dari kata Plastikos yang berarti mudah dibentuk dan dicetak. Teknologi modern plastik baru dimulai tahun 1920-an, yaitu dengan mulai digunakannya polimer yang berasal dari produk derivatif minyak bumi, seperti misalnya Polyethylene. Salah satu jenis plastik yang sering kita jumpai adalah LDPE (Low Density Poly Ethylene) yang banyak digunakan sebagai plastik pembungkus yang lunak dan sangat mudah dibentuk. Di samping pembagian di atas, yaitu natural polymer yang berasal dari alam (misalnya cellulose) dan synthetic polymer yang merupakan hasil rekayasa manusia (misalnya bakelite dan plyethylene), polimer umumnya dikelompokkan berdasarkan perilaku mekanik dan struktur rantai atau molekulnya. Polimer thermoplastik, misalnya polyethylene, adalah jenis polimer yang memiliki sifat-sifat thermoplastik yang disebabkan oleh struktur rantainya yang linear (linear), bercabang (branched) atau sedikit bersambung (cross linked). Polimer dari jenis ini akan bersifat lunak dan viskos (viscous) pada saat dipanasikan dan menjadi keras dan kaku (rigid) pada saat didinginkan secara berulang-ulang. Sementara itu, polimer thermoset (termosetting), misalnya bakelite, hanya melebur pada saat pertama kali dipanaskan dan selanjutnya mengeras secara permanen pada saat didinginkan. Polimer jenis ini bersifat lebih keras dan kaku (rigid) karena strukturnya molekulnya yang membentuk jejaring tiga dimensi yang saling berhubungan (network). Polimer jenis elastomer, misalnya karet alam, memiliki daerah elastis non linear yang sangat besar yang disebabkan oleh adanya sambungan-sambungan antar 11
rantai (cross links) yang berfungsi sebagai ’pengingat bentuk’ (shape memory) sehingga karet dapat kembali ke bentuknya semula, pada saat beban eksternal dihilangkan.
Proses Pembentukan Polimer (Polimerisasi) Proses pembentukan rantai molekul raksasa polimer dari unit-unit molekul terkecilnya (mer atau meros) melibatkan reaksi yang kompleks. Prosespolimerisasi tersebut yang secara umum dapat dikelompokkan menjadi dua jenis reaksi, yaitu: (1) polimerisasi adisi (Addition), dan (2) polimerisasi kondensasi (Condensation). Reaksi adisi, seperti yang terjadi pada proses pembentukan makro molekul polyethylene dari molekul-molekul ethylene, berlangsung secara cepat tanpa produk samping (by-product) sehingga sering disebut pula sebagai Pertumbuhan Rantai (Chain Growth). Sementara itu, polimerisasi kondensasi, seperti yang misalnya pada pembentukan bakelit dari dua buah mer berbeda, berlangsung tahap demi tahap (Step Growth) dengan menghasilkan produk samping, misalnya molekul air yang dikondensasikan keluar.
Contoh polimerisasi dengan reaksi adisi adalah proses pembentukan Polyethylene (PE). Proses pembentukan polimer berlangsung dalam 3 tahap, yaitu: (1) inisiasi (2) adisi atau pertumbuhan rantai, dan (3) terminasi. Untukmemulai proses polimerisasi ethylene, ditambahkan H2O2 sehingga terjadi pemutusan ikatan kovalen antar oksigen dalam molekul Hidrogen Peroksida dan ikatan kovalen antar karbon dalam molekul Ethylene. Polimerisasi dimulai dengan terbentuknya dua kelompok inisiator (OH) dan mer. Satu dari dua kelompok OH selanjutnya akan bergabung dengan mer ethylene mengawali terbentuknya rantai molekul polimer. Selanjutnya akan terjadi pertumbuhan rantai yang berlangsung sangat cepat membentuk rantai molekul raksasa linear. Terminasi dari pertumbuhan rantai dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu (1) dengan bergabungnya OH ke ujung rantai molekul, dan (2) bergabungnya dua rantai molekul. Panjang dari rantai polimer dapat dikendalikan dengan cara mengendalikan jumlah inisiator. 12
Secara, umum, jika jumlah inisiator yang diberikan sedikit, maka jumlah OH yang tersedia untuk menghentikan reaksi semakin sedikit pula. Yang perlu dicatat adalah bahwa di reaksi adisi ini tidak menghasilkan produk sampingan (by product). Contoh dari polimerasi kondensasi adalah proses pembentukan Bakelit yang telah kita kenal sebelumnya. Nama kondensasi diberikan karena pada proses polimerisasi ini dikondensasikan molekul air sebagai produk sampingan (by product)-nya. Bakelit, produk utama dari reaksi ini, terbentuk dari dua jenis molekul mer, yaitu Phenol dan Formal Dehide. Tidak seperti halnya pada polimerisasi adisi, reaksi berlangsung lebih lambat, tahap demi tahap, sehingga sering pula disebut sebagai reaksi pertumbuhan tahap demi tahap (step growth reaction). Rantai molekul yang terbentuk dalam proses polimerisasi bakelit ini lebih rigid, karena membentuk jejaring tiga dimensi (three dimensional network) yang kompleks. Berat Molekul dan Derajat Polimerisasi Panjang rata-rata dari rantai polimer dapat dilihat dari berat molekul (molecular weight) polimer. Berat molekul dari polimer pada dasarnya adalah penjumlahan dari berat molekul-molekul mer-nya. Jadi semakin tinggi berat molekul dari suatu polimer tertentu, semakin besar panjang rata-rata dari rantai polimernya. Mengingat polimerasasi adalah peristiwa yang terjadi secara acak, maka berat molekul biasanya ditentukan secara statistik dalam bentuk rata-rata berat molekul atau distribusi berat molekulnya. Suatu polimer thermoplastik misalnya, memiliki distribusi berat molekul sebagaimana terlihat dalam gambar berikut ini. Distribusi berat molekul tersebut terjadi karena proses polimerisasi terjadi secara acak (random) sehingga thermoplastik tersebut terdiri atas banyak rantai-rantai polimer yang berbeda-beda panjangnya. Dari distribusi tersebut dapat ditentukan rata-rata berat molekul dari thermoplastik tersebut. Derajat polimerisasi (DP) dari suatu polimer adalah rasio atau perbandingan berat molekul polimer dengan berat molekul mer-nya. Suatu polyethylene (PE) dengan berat molekul 28.000 g misalnya, memiliki derajat polimerisasi 1000 karena berat molekul dari mer-nya (C2H4) adalah 28 (12x2 + 1x4). DP menggambarkan ukuran molekul dari suatu polimer berdasarkan atas jumlahdari monomer penyusunnya Berat molekul rata-rata atau derajat polimerisasi dari suatu polimer thermoplastik sangat berpengaruh terhadap keadaan dan sifat-sifatnya. Viskositas dan kekuatan polimer misalnya akan meningkat dengan meningkatnya berat molekul atau derajat polimerisasinya. Sebagai ilustrasi, kita dapat membandingkan 13
keadaan dari monomer ethylene pada derajat polimerisasi yang berbeda-beda. Perbedaan dari sifat-sifat tersebut dapat dijelaskan oleh fakta bahwa semakin panjang rantai molekul suatu polimer, semakin besar energi yang diperlukan untuk mengatasi ikatan sekundernya. Ikatan-ikatan dalam Polimer Ikatan-ikatan dalam polimer dapat dikelompokkan menjadi dua kelompok, yaitu ikatan primer dan ikatan sekunder. Ikatan primer dari suatu polimer adalah ikatan kovalen, yaitu ikatan antar atom dengan cara memakai elektron secara bersama-sama, sebagaimana diilustrasikan dalam gambar. Ikatan-ikatansekunder yang penting di dalam polimer misalnya adalah ikatan Van der Waals, ikatan Hidrogen, dan ikatan Ionik. Ikatan primer kovalen termasuk ikatan antar atom yang sangat kuat, jauh lebih kuat jika dibandingkan dengan ikatan-ikatan sekunder, 10 hingga 100 kalinya. Kekuatan ikatan primer ganda antar atomkarbon di dalam ethylene (C=C), misalnya besarnya adalah 721 kJ/(g.mol) sedangkan ikatan antar atom karbon dan hidrogen (C-H) adalah 436 kJ/(g.mol).
Strukur Rantai Molekul Polimer Arsitektur polimer sangat berpengaruh terhadap sifat-sifat dan perilakunya secara umum. Secara umum, polimer dapat dikelompokkan menjadi empat jenis berdasarkan struktur molekulnya, yaitu: (1) polimer linear (linear polymer) (2) polimer bercabang (branched polymer) (3) polimer berkait (cross-linked polymer)dan (4) polimer berjejaring (network polymer). Polyethy linear adalah contoh dari jenis polimer dengan struktur rantai linear dan bercabang. Struktur rantai tersebut menyebabkan polyethylene berperilaku termoplastik, yaitu dapat dibentuk menjadi suatu bentuk tertentu dan dikembalikan ke bentuk semula. Struktur rantai molekul berkait adalah struktur rantai yang khas dari karet yang memiliki daerah elastis non-linear yang sangat besar. Cross-link atau kaitan antar rantai dalam hal ini berfungsi sebagai ‘pengingat bentuk’ (shape memory) dari karet. Bakelite salah satu contoh polimer yang telah kita bahas sebelumnya memiliki struktur rantai molekul berjejaring 3 dimensi yang kompleks. Struktur rantai ini sangat rigid sehingga polimer dengan struktur rantai ini akan berperilaku termoset, yaitu menjadi rigid secara permanen pada saat pertama kali didinginkan. Secara umum, perilaku mekanik dari berbagai jenis polimer dapat dijelaskan dari ikatanikatan atom dan struktur rantai molekulnya. 14
Derajat Kekristalan Polimer Tidak seperti halnya logam, polimer pada umumnya bersifat amorphous, tidak bersifat kristalin atau memiliki keteraturan dalam rentang cukup panjang.Namun, polimer dapat mdirekayasa sehingga strukturnya memiliki daerah kristalin, baik pada proses sintesis maupun deformasi. Besarnya daerah kristalin dalam polimer dinyatakan sebagai derajat kekristalan polimer. Derajat kekristalan polimer misalnya dapat direkayasa dengan mengendalikan laju solidifikasi dan struktur rantai, walaupun sangat sulit untuk mendapatkan derajat kekristalan 100% sebagaimana halnya pada logam. Polimer dengan struktur rantai bercabang misalnya akan memiliki derajat kekristalan yang lebih rendah jika dibandingkan dengan struktur tanpa cabang. Sifat-sifat mekanik dan fisik dari polimer sangat dipengaruhi oleh derajat kekri jrestalannya. Sifat-sifat mekanik yang dipengaruhi oleh derajat kekristalan misalnya adalah kekakuan (stiffness), kekerasan (hardness), dan keuletan (ductility). Sedangkan sifat-sifat fisik yang berhubungan dengan derajat kekristalan misalnya adalah sifat-sifat optik dan kerapatan (density) dari polimer.
c. KOMPOSIT Komposit merupakan material hasil kombinasi dari dua material atau lebih, yang sifatnya sangat berbeda dengan sifat masing-masing material asalnya. Komposit selain dibuat dari hasil rekayasa manusia, juga dapat terjadi secara alamiah, misalnya kayu, yang terdiri dari serat selulose yang berada dalam matriks lignin. Komposit saat ini banyak dipakai dalam konstruksi pesawat terbang, karena mempunyai sifat ringan, kuat dan non magnetik. B. Sifat – Sifat Material Secara garis besar material mempunyai sifat-sifat yang mencirikannya, pada bidang teknik mesin umumnya sifat tersebut dibagi menjadi tiga sifat. Sifat –sifat itu akan mendasari dalam pemilihan material, sifat tersebut adalah:
Sifat mekanik
Sifat fisik
Sifat teknologi
Dibawah ini akan dijelaskan secara terperinci tentang sifat-sifat material tersebut 1. Sifat Mekanik Sifat mekanik material, merupakan salah satu faktor terpenting yang mendasari pemilihan bahan dalam suatu perancangan. Sifat mekanik dapat diartikan sebagai respon atau
15
perilaku material terhadap pembebanan yang diberikan, dapat berupa gaya, torsi atau gabungan keduanya. Dalam prakteknya pembebanan pada material terbagi dua yaitu beban statik dan beban dinamik. Perbedaan antara keduanya hanya pada fungsi waktu dimana beban statik tidak dipengaruhi oleh fungsi waktu sedangkan beban dinamik dipengaruhi oleh fungsi waktu. Untuk mendapatkan sifat mekanik material, biasanya dilakukan pengujian mekanik. Pengujian mekanik pada dasarnya bersifat merusak (destructive test), dari pengujian tersebut akan dihasilkan kurva atau data yang mencirikan keadaan dari material tersebut. Setiap material yang diuji dibuat dalam bentuk sampel kecil atau spesimen. Spesimen pengujian dapat mewakili seluruh material apabila berasal dari jenis, komposisi dan perlakuan yang sama. Pengujian yang tepat hanya
didapatkan pada material uji yang
memenuhi aspek ketepatan pengukuran, kemampuan mesin, kualitas atau jumlah cacat pada material dan ketelitian dalam membuat spesimen. Sifat mekanik tersebut meliputi antara lain: kekuatan tarik, ketangguhan, kelenturan, keuletan, kekerasan, ketahanan aus, kekuatan impak, kekuatan mulur, kekeuatan leleh dan sebagainya. Sifar-sifat mekanik material yang perlu diperhatikan: 1. Kekuatan (strength) Merupakan kemampuan suatu material untuk menerima tegangan tanpa menyebabkan material menjadi patah. Berdasarkan pada jenis beban yang bekerja, kekuatan dibagi dalam beberapa macam yaitu kekuatan tarik, kekuatan geser, kekuatan tekan, kekuatan torsi, dan kekuatan lengkung.
2. Kekakuan (stiffness) Adalah kemampuan suatu material untuk menerima tegangan/beban tanpa mengakibatkan terjadinya deformasi atau difleksi.
3. Kekenyalan (elasticity) Didefinisikan
sebagai
kemampuan
meterial
untuk
menerima
tegangan
tanpa
mengakibatkan terjadinya perubahan bentuk yang permanen setelah tegangan dihilangkan, atau dengan kata lain kemampuan material untuk kembali ke bentuk dan ukuran semula setelah mengalami deformasi (perubahan bentuk).
16
4. Plastisitas (plasticity) Adalah kemampuan material untuk mengalami deformasi plastik (perubahan bentuk secara permanen) tanpa mengalami kerusakan. Material yang mempunyai plastisitas tinggi dikatakan sebagai material yang ulet (ductile), sedangkan material yang mempunyai plastisitas rendah dikatakan sebagai material yang getas (brittle).
5. Keuletan (ductility) Adalah sutu sifat material yang digambarkan seprti kabel dengan aplikasi kekuatan tarik. Material ductile ini harus kuat dan lentur. Keuletan biasanya diukur dengan suatu periode tertentu, persentase keregangan. Sifat ini biasanya digunakan dalam bidan perteknikan, dan bahan yang memiliki sifat ini antara lain besi lunak, tembaga, aluminium, nikel, dll.
6. Ketangguhan (toughness) Merupakan kemampuan material untuk menyerap sejumlah energi tanpa mengakibatkan terjadinya kerusakan.
7. Kegetasan (brittleness) Adalah suatu sifat bahan yang mempunyai sifat berlawanan dengan keuletan. Kerapuhan ini merupakan suatu sifat pecah dari suatu material dengan sedikit pergeseran permanent. Material yang rapuh ini juga menjadi sasaran pada beban regang, tanpa memberi keregangan yang terlalu besar. Contoh bahan yang memiliki sifat kerapuhan ini yaitu besi cor.
8. Kelelahan (fatigue) Merupakan kecenderungan dari logam untuk menjadi patah bila menerima beban bolakbalik (dynamic load) yang besarnya masih jauh di bawah batas kekakuan elastiknya.
9. Melar (creep) Merupakan kecenderungan suatu logam untuk mengalami deformasi plastik bila pembebanan yang besarnya relatif tetap dilakukan dalam waktu yang lama pada suhu yang tinggi.
10. Kekerasan (hardness)
17
Merupakan ketahanan material terhadap penekanan atau indentasi / penetrasi. Sifat ini berkaitan dengan sifat tahan aus (wear resistance) yaitu ketahanan material terhadap penggoresan atau pengikisan.
Load Didefinisikan sebagai kekuatan eksternal yang mendukung bagian dari sutau mesin. Beban ini terdiri dari 3 tipe, yaitu: Beban tetap (steady load), dikatakan beban tetap apabila beban dalam keadaan diam dimana benda tersebut tidak dapat erubah arah. Beban gerak (variying load), apabila beban dapat dipindahkan secara kontiyu. Beban kejut (shock load), apabila bebam digunakan dan dipindahkan secara tiba-tiba.
Tegangan Saat gaya atau beban dari system eksternal terjadi pada benda kerja, gaya internal aka muncul dari dalam benda kerja baik searah ataupun berlawanan arah sebagai reaksi atas gaya eksternal tersebut. Stress adalah besarnya gaya internal yangtimbul per satuan luas area pada benda kerja.
Regangan Adalah gaya yang diberikan pada suatu benda dengan memberikan tegangan tarik sehingga benda tersebut juga mengalami perubahan bentuk.
Tensile Stress / Tegangan Tarik Adalah suatu sifat bahan hubungan tegangan-regangan pada tarikan memberikan nilai yang cukup berubah tergantung pada laju tegangan temperature dll. Umumpnya kekuatan tarik lebih rendah daripada umpannya seperti baja, duralumin dll.
Compressive Stress / Tegangan Tekan Compressive in terjadi bila suatu benda kerj ayang menjadi sasaran aksial yang sama ata berlawanan, dimana tekanan ini disebabakan pada setiap sisi dari benda kerja dan inilah yang disebut dengan compressive stress. Pertimbangan lain akan menunjukkan bahwa dengan adanya tegangan beban, akan ada penurunan penjang benda kerja dimana perbandingan pengurangan panjang dengan panjang asli suatu benda kerja dikenal sebagai tegangan regangan. 18
Shear Stress / Tegangan Geser Ketika benda kerja menjadi sasaran dua kekuatan yang sama atau berlawanan, bergerak secara tangensial dengan sisi yang berlawanan, dimana ini disebabkan pada setiap sisi dari benda kerja dan inilah yang disebut shear stress. Dan yang berhubungan dengan regangan dikenal shear strain, yang diukur dengan sudut deformasi yang berdekatan dengan shear stress
Modulus Young Hukum Hook menyatakan bahwa ketika benda kerja pada sutu bahan yang elastis maka tegangan akan seimbang dengan regangan. Dimana E adalah konstanta maka dapat dikatakan modulus young, dan satuan yang digunakan adalah kg/cm3 atau N/mm2.
E
Bearing Stress / Tegangan Dukung Pembatasan compressive stress pada area antara 2 bagian dikenal sebagai bearing stress. Bearing stress ini dapat digunakan dalam mendesign penyambungan paku. Distribusi dari bearing stress ini tidak selalu sama tetapi bergantung pada bentuk permukaan benda kerja dan sifat-sifat fisik dari dua material tersebur. Sedangkan distribusi tekanan akan sama. Bila pendistribusian stress sulit untuk ditentikan oleh karena itu bearing stress biasanya dikalkuasikan dengan membagi beban pada beberap area.
Bending Stress / Tegangan Tekuk Dalam kegiatan perteknikan, bagian-bagian atau anggota structural mungkin menjadi sasaran pada beban static atau dinamis yang disebut sebagai bending stress. Sedikit pertimbangan akan menujukkan karena adanya moment bending, kabel pada bagian atas benda kerja akan diperpendek karena akompresi terebut.
2. Sifat Fisik Sifat penting yang kedua dalam pemilihan material adalah sifat fisik. Sifat fisik adalah kelakuan atau sifat-sifat material yang bukan disebabkan oleh pembebanan seperti pengaruh pemanasan, pendinginan dan pengaruh arus listrik yang lebih mengarah pada struktur material. Sifat fisik material antara lain : temperatur cair, konduktivitas panas dan panas spesifik. 19
Struktur material sangat erat hubungannya dengan sifat mekanik. Sifat mekanik dapat diatur dengan serangkaian proses perlakukan fisik. Dengan adanya perlakuan fisik akan membawa penyempurnaan dan pengembangan material bahkan penemuan material baru.
3. Sifat Teknologi Selanjutnya sifat yang sangat berperan dalam pemilihan material adalah sifat teknologi yaitu kemampuan material untuk dibentuk atau diproses. Produk dengan kekuatan tinggi dapat dibuat dibuat dengan proses pembentukan, misalnya dengan pengerolan atau penempaan. Produk dengan bentuk yang rumit dapat dibuat dengan proses pengecoran. Sifat-sifat teknologi diantaranya sifat mampu las, sifat mampu cor, sifat mampu mesin dan sifat mampu bentuk. Sifat material terdiri dari sifat mekanik yang merupakan sifat material terhadap pengaruh yang berasal dari luar serta sifat-sifat fisik yang ditentukan oleh komposisi yang dikandung oleh material itu sendiri.
Pengaruh Lingkungan Terhadap Perilaku Material Hubungan antara struktur, sifat dan prosses juga dipengaruhi oleh lingkungan sekitar,di mana material tersebut diperlakukan. Beberapa kategori yang disebut sebagai lingkungan adalah; suhu, korosi dan radiasi. Suhu. Perubahan suhu secara drastis dapat mengubah sifat-sifat dari material (gambar 1-12). Kekuatan dari sebagian besar material akan turun bila suhu dinaikkan. Selanjutnya suatu kondisi yang sangat buruk dapat secara tiba – tiba terjadi pada material bila ditempatkan pada temperatur yang melebihi titik kritisnya. Material yang telah diperkuat dengan mendapatkan suatu perlakuan panas atau pada sebuah teknik pembentukan bisa saja secara mendadak kehilangan kekuatannya bila dipanaskan lanjut. Temperatur yang sangat rendah pun dapat menyebabkan material baja menjadi rapuh walaupun hanya diberikan beban yang ringan. Temperatur tinggi pun dapat menyebabkan perubahan struktur pada keramik dan menyebabkan material polimer mencair atau menjadi hangus.
20
Saat ini teknologi untuk membuat material menjadi semakin tahan terhadap pengaruh panas semakin marak seiring dengan tuntutan pasar seperti pada pesawat ataupun kendaraan luar angkasa (gambar 1-13). Pada aplikasi pesawat terbang, pengaruh peningkatan suhu permukaan yang diakibatkan oleh gesekan permukaan dengan udara sangatlah kentara dan sebagai tambahan atas kondisi ini adalah mesin akan beroperasi dengan effisien (hemat BBM) pada suhu yang tinggi. Untuk menjawab tantangan agar mendapatkan kecepatan yang tinggi dengan menggunakan bahan bakar yang hemat maka penemuan terhadap material yang tahan panas terhadap suhu permukaan dan suhu mesin secara bertahap ditemukan. Korosi. Sebagian besar metal dan polimer bereaksi terhadap oksigen atau gas lainnya terutama pada temperatur tinggi. Metal dan keramik dapat hancur pada kondisi 21
ini, sedangkan material polimer akan menjadi getas atau rapuh (gambar 1-14). Material juga bisa diserang oleh berbagai macam cairan yang korosif. Metal bisa mendapatkan serangan korosi secara seragam atau secara selektif dalam bentuk munculnya celah atau lubang yang mengkibatkan kegagalan prematur (gambar 1-15). Saat ini telah banyak dikembangkan teknologi pelapis yang dapat melindungi material dari pengaruh korosi.
Radiasi. Radiasi energi tinggi, seperti neutron yang dihasilkan pada reaktor nuklir, dapat mempengaruhi struktur internal dari seluruh material serta dapat menghasilkan kehilangan kekuatan, kegetasan, ataupun perubahan yang kritis dari sifat – sifat fisis.
22
Selain itu juga dimensi dari suatu material juga dapat berubah seperti terjadinya pembengkakan atau bahkan terjadinya retak.
Pemilihan Material Pemilihan material untuk berbagai macam aplikasi pada awalnya sangat tergantung kepada suatu proses yang dinamakan pemilihan material. Pemilihan ini biasanya didasari oleh beberapa persyaratan yang harus dilewati, diantaranya : 1. Material tersebut harus mampu memenuhi persyaratan fisik dan mekanik. 2. Material tersebut mudah untuk dibentuk ataupun dipabrikasi. 3. Material yang dapat diproses tersebut haruslah memiliki nilai ekonomis. C. PROSES PENGOLAHAN LOGAM Secara umum logam bisa dibedakan atas dua yaitu : logam-logam besi (ferous) dan logam-logam bukan besi (non feorus). Sesuai dengan namanya logam-logam besi adalah logam atau paduan yang mengandung besi sebagai unsur utamanya, sedangkan logam-logam bukan besi adalah logam yang tidak atau sedikit sekali mengandung besi. Logam-logam besi terdiri atas : 23
- besi tuang (cast iron) - baja karbon (carbon steel) - baja paduan (alloy steel) - baja spesial (specialty steel) Keempat kelompok besi diatas terbagi lagi atas pengelompokan yang lebih kecil yang diperlihatkan pada tabel 1. Untuk logam bukan besi contohnya adalah logam dan paduan seperti : aluminium, tembaga, timah, emas, magnesium dsb. Dalam penggunaannya pada bidang teknik diharuskan memilih bahan logam yang sesuai dengan keperluan aplikasi dalam hal kekuatan, kekerasan, kekuatan lelah, ketahan korosi dan sebagainya sehingga dalam pemakaiannya akan memberikan hasil yang paling optimal. Sifat-sifat yang diperlukan di dalam aplikasi sangat dipengaruhi oleh struktur bahan tersebut, sedangkan struktur yang terbentuk dipengaruhi oleh komposisi kimia, teknik/proses pembuatan serta proses perlakuan panas yang diberikan kepada logam tersebut. Secara skematik hubungan antara struktur, sifat mekanik dan kualitas yang diberikan logam diperlihatkan pada gambar 1. Pada produk rekayasa, selain pengaruh faktor-faktor diatas, kualitasnya juga dipengaruhi oleh faktor desain (perencanaan) dan kondisi pengoperasian. Pada dewasa ini penggunaan logam yang paling banyak masih didominasi oleh logam besi dan paduannya terutama di bidang permesinan. Logam aluminium dan paduannya juga mengalami penggunaan yang meningkat akhir-akir ini karena beberapa sifat-sifatnya yang disukai yang salah satunya adalah bobotnya yang ringan. Tabel 1: Pembagian Paduan Besi dan Baja Menurut Komposisinya. ______________________________________________________________________ No.
Paduan besi dan Baja
Komposisi kimia (dalam %)
____________________________________________________________________ 1
Besi tuang
2-4 %C, 1-3 %Si, 0,80 %Mn (maks) 0,10 %P (maks), 0,05% S (maks).
- Besi tuang kelabu
Disamping terdapat perbedaan yang kecil
- Besi tuang putih
dari segi komposisi, perbedaan sifat -sifat
24
- Besi tuang noduler
besi tuang ditentukan oleh struktur mikro karena proses pembuatan atau karena proses perlakuan panas.
- Besi tuang paduan
Unsur-unsur pemadu : Cr, Ni, Mo, Al atau logam-logam lainnya.
2.
3.
Baja karbon : - Baja karbon rendah
0,08-0,35 %C
| 0,25-1,50 %Mn
- Baja karbon sedang
0,35-0,50 %C plus
| 0,25-0,30 %Si
- Baja karbon
0,04 %P (maks)
| 0,05 %S (maks)
Baja paduan : - Baja paduan rendah
- Seperti pada baja karbon rendah +unsur-unsur pemadu kurang dari 4 % seperti : Cr, Ni, Mo, Cu, Al, Ti, V, Nb,B, W dll.
- Baja paduan medium
- Seperti pada baja paduan rendah tetapi jumlah unsur-unsur pemadu diatas 4%.
4.
Baja Spesial : - Baja stainless :
a. Feritik (12-30 %Cr dan kadar karbon rendah) b. Martensitik (12-17 %Cr dan 0,1-1,0 % C) c. Austenitik (17-25 %Cr dan 8-20% Ni) d. Duplek (23-30 %Cr, 2,5-7 %Ni, plus Ti dan Mo) e.Presipitasi (seperti pada austenitik, plus elemen pemadu seperti : Cu, Ti, Al, Mo, Nb atau N)
25
- Baja perkakas
General purpose steels Die steels High speed steels (0,85-1,25 %C, 1,5020 %W, 4-9,5 %Mo, 3-4,5 %Cr, 1-4%V, 5-12
Co)
D. KARAKTERISTIK LOGAM
Sebelum mempelajari dasar-dasar fisik logam, kita terlebih dahulu harus mempunyai gambaran yang jelas tentang golongan kualitas keadaan logam. Sering terbayang oleh kita bahwa logam adalah sesuatu yang mempunyai kilauan tinggi, konduktivitas listrik serta panas yang baik, dapat ditempa, dan ulet. Diantara sesama logam sendiri variasi perbedaan sifat teryata sangat besar. Untuk mengambarkan perbedaan mencolok antara perilaku logam yang satu dengan yang lain orang cukup membandingkan masing-masing dengan ulet serta mudahnya timbal (lead) ditempa pada suhu kamar, serta kekerasan dan kerapuhan tungsten pada suhu sama. Sifat yang paling sering dianggap mencirikan logam adalah konduktivitas listrik atau konduktivitas termalnya yang tinggi. Sebagai contoh, logam konduktor listrik yang paling baik adalah tembaga sedangkan yang paling buruk adalah timbal, padahal kehambatan (resituvity) timbal hanya dua belas kali kehambatan tembaga. Sangat besarnya perbedaan konduktivitas antara logam dan non logam adalah karena pada logam yang mengalami beda potensial elektron-elektron dapat bergerak bebas, sementara pada bahan non logam tidak demikian. Jadi dapat disimpulkan bahwa karakteristik dasar logam harus dipelajari dari struktur elektronnya, atau dengan kata lain pengkajian material teknik harus dimulai dari pemahaman struktur atom-atom yang membentuknya.
E. ATOM
Dalam gambaran sederhana oleh Rutherford, atom terbentuk atas inti bermuatan positif pembawa sebagian besar massa atom, dengan elektron-elektron yang bergerak mengitarinya. Ruterford mengatakan bahwa elektron-elektron mengitari inti dalam orbit melingkar sehingga gaya sentrifugal semua elektron tepat sama dengan gaya tarik elektrostatik antara inti yang bermuatan positif dan elektronelektron yang bemuatan negatif. Guna
menghindari
kesulitan
dalam
pemahaman
akibat
adanya
hokum
elektrodinamika yang disini menyatakan bahwa elektronelektron yang berevolusi harus terus26
menerus melepaskan energi berupa radiasi elektromagnetik, maka Bohr dalam tahun 1913 terpaksa menyimpulkan bahwa dari semua orbit yang mungkin, hanya orbit-orbit tertentu saja yang boleh ditempati oleh electron. Orbit-orbit khusus itu diandaikan mempunyai sifat luar biasa, yakni bahwa bila sebuah elektron berada dalam salah satu orbit tersebut, radiasi tak akan terjadi.Kumpulan orbit-orbit stabil tadi dicirikan menurut kritiria yang menyatakan bahwa momentum sudut elektron-elektron dalam orbit dihitung mengunakan rumus nh
h konstanta
Planck dan n bilangan bulat (n = 1, 2, 3, …). Dengan cara ini Bohr berhasil memberikan penjelasan yang memuaskan tentang spektrum garis atom hydrogen, sekaligus membangun batu pijakan untuk teori atom modern. Ketika selanjutnya teori atom dikembangkan oleh de Broglie, Schodinger dan Heienberg, orang yang menyadari bahwa hukum-hukum klasik tentang dinamika partikel tidak dapat diterapkan terhadap partikel-partikel dasar (fundamental particles). Dalam dinamika klasik, sudah menjadi prasyarat bahwa posisi dan momentum suatu partikel diketahui secara tepat, namun dalam dinamika atom bila posisi partikel secara pasti, maka besaran yang lain (momentum) tidak dapat ditentukan. Dalam kenyataan, ketidak pastian tentang posisi dan momentum partikel kecil harus kita akui, akan tetapi hasil kali derajat ketidakpastian masing-masing besaran tadi dapat kita hubungkan dengan nilai konstanta Planck (h = 6.6256 x 10-34 Js). Di alam makroskopik ketiddakpastian ini terlalu kecil untuk dapat diukur, namun bila kita melakukan sesuatu terhadap gerak elektron yang mengelilingi inti atom, penerapan prinsip ketidakpastian (Uncertainty Principle-istilah yang diperkenalkan oleh Heisenberg) penting sekali. Akibat menganut Prinsip Ketidakpastian ini, kita tak boleh lagi membayangkan elektron sebagai sesuatu yang bergerak dalam orbit tetap mengelilingi inti. Kita harus memandang gerak elektron sebagai fungsi gelombang. Dengan fungsi ini kita hanya mungkin mendapatkan elkctron yang energinya tertentu saja diruang disekitar inti. Situasi menjadi lebih rumit bila kita memperhitungkan kenyataan bahwa elektron bukan hanya bergerak mengitari inti, namun juga berpusing pada porosnya sendiri. Sebagai konsekuensi, untuk menyatakan gerak elkctron disebuah atom kita tidak lagi mengunakan integer tunggal n, seperti pada teori Borh. Sekarang kita harus menyatakan keadaan elektron mengunakan empat buah bilangan. Bilangan-bilangan yang dikenal sebagai bilangan-bilangan kuantum ini adalah n, l, m dan s, dimana n merupakan bilangan kkuatum pertama (principal quantum number), l 27
bilangan kuantum orbit (orbital quantum number), m bilangan kuantum dalam (inner quantum number) dan s bilangan kuantum spin (spin quantum number). Prinsip dasar lain teori kuantum modern untuk atom adalah Prinsip Pengecualian Pauli (Pauli Exclusion Principle) yang yang menyatakan bahwa dalam sebuah atom tidak ada dua elektron yang bias memiliki perangkat bilangan kuantum persis sama. Jika kita ingin memahami cara membuat Tabel Periodik menurut struktur elektronik atom-atom berbagai unsure, kita harus memperhatikan kebermaknaan keempat bilangan kuantum tadi, sekaligus batasan harga-harga numeric yang dapat dimiliki masing-masing. Bilangan kuantum yang paling penting adalah bilangan kuantum utama, karena inilah yang paling berperan dalam penentuan energi elektron. Bilangan kuantum utama dapat memiliki harga bilangan bulat mulai dari n = 1, yang menyatakan energi paling rendah. Elektron dengan n = 1 paling stabil, dan kestabilan berkurang dengan naiknya harga n. Elektron yang bilangan kuantum utamanya n dapat mempunyai bilangan kuantum orbital bernilai bulat antara 0 dan (n - 1). Jadi jika n = 1, l harus 0, sementara bila n = 2, l = 0 atau 1, dan bila n = 3, l = 0, 1, atau 2. bilangan kuantum orbital menyatakan momentum sudut elektron ketika mengitari inti, dan ini mnentukan sesuatu yang dalam mekanika nonkuantum disebut bentuk orbit. Untuk suatu harga n, elektron dengan l paling rendah akan mempunyai energi paling rendah, sehingga semakin tinggi harga l makin besar ula energinya. Dua bilangan kuantum yang lain, yaitu m dan s berturut-turut menyatakan orientasi orbit elektron diseputar inti dan orientasi arah spin elektron. Untuk suatu harga l, sebuah elektron boleh mempunyai bilangan kuantum dalam m bernilai bulat dari +l sampai –l, termasuk 0. jadi untuk l = 2, m bisa mempunyai harga-harga +2, +1, 0, -1, dan –2. Elektro-elektron dengan harga-harga n dan l yang sama tetapi berbeda dalam harga-harga m mempunyai energi yang sama besar, asalkan tidak dipengaruhi suatu medan magnet. Bila ada medan magnet, energi elektron-elektron dengan harga-harga m berbeda akan berubah sedikit, seperti yang tampak dari terpisahnya garis-garis spektrum pada efek Zeeman. Untuk sebuah electron yang mempunyai harga-harga n, l dan m sama besar, bilangan kuantum spin sn bahwa harga tesebut bukan bilangan bulat untuk sementara ini tidak perlu dirisaukan; yang perlu kita ingat hanyalah bahwa dua elektron dalam sebuah atom dapat mempunyai harga-harga n, l dan m yang sama, serta bahwa kedua elektron tadi akan berpusing dengan arah berlawanan. Hanya dibawah pengaruh medan magnet saja energi dua elektron dengan spin berlawanan akan berbeda. 28
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 yangmassanya 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 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.
IKATAN ATOM PADA BAHAN PADAT GAYA DAN ENERGI IKAT Ketika atom didekatkan dari suatu jarak yang tak terbatas. Pada jarak jauh, interaksi bisa diabaikan, tetapi ketika atom saling mendekati, masing-masing memberikan gaya ke yang lainnya. Gaya ini ada dua macam, tarik atau tolak, dan besarnya merupakan fungsi jarak 29
antar atom. Sumber gaya tarik FA tergantung pada jenis ikatan yang ada antara dua atom. Besarnya berubah dengan jarak, seperti yang digambarkan secara skematis pada Gambar 2.8a. Akhirnya, kulit elektron terluar dari kedua atom mulai tumpang tindih, dan gaya tolak yang kuat FR mulai timbul. Gaya netto FN antar dua atom adalah jumlah kedua komponen tarik dan tolak, yaitu : F F F N A R = + yang juga merupakan fungsi jarak antar atom sebagaimana di plot pada Gambar 2.8a.Jika FA dan FR sama besar, tidak ada gaya netto, sehingga: F F A R + = 0 Kemudian kondisi kesetimbangan muncul. Pusat kedua atom tetap terpisah pada jarak keseimbangan ro seperti ditunjukkan gambar 2.8a. Pada sebagian besar atom, ro kira-kira 0,3 nm (3Å). Ketika sudah berada pada posisi ini, kedua atom akan melawan semua usaha untuk memisahkannya dengan gaya tarik, atau untuk mendorongnya dengan gaya tolak. Kadangkadang lebih menyenangkan untuk menggunakan energi potensial antara dua atom daripada gaya. Secara matematik, energi (E) dan gaya (F)dihubungkan dengan : E = ʃ F dr
30
Atau untuk sistem atom E F dr N N r
F dr
F dr A
r R r E
EAR
dimana EN, EA dan ER masing-masing adalah energi netto, energi tarik dan energi tolak bagi dua atom yang terisolasi dan berdekatan. Gambar 2.8b menggambarkan energi potensial tarik, tolak dan energi potensial netto sebagai fungsi jarak antar atom untuk dua atom. Untuk kurva netto, yaitu jumlah kedua energi, mempunyai energi potensial dititik minimum. Pada posisi ini spasi kesetimbangan yang sama, ro, bersesuaian dengan jarak atom pada kurva energi potensial minimum. Energi Ikat untuk kedua atom ini, Eo, bersesuaian dengan energi pada titik minimum ini (juga diperlihatkan pada gambar 2.8b), dimana menyatakan energi yang diperlukan untuk memisahkan kedua atom ini kejarak yang tak terbatas. Besar energi ikat ini dan bentuk energi vs kurva jarak antar atom berbeda dari satu material ke material lainnya, kedua variabel ini bergantung kepada jenis ikatan atom. Zat padat dibentuk dengan energi ikat yang besar, sedangkan energi ikat yang kecil lebih disukai oleh gas, kondisi cair berlaku bagi energi yang besarnya menengah. Pada umumnya untuk material padat, temperatur leleh dan sifat ikatannya mencerminkan besarnya energi ikat . TATANAMA KEADAAN ELEKTRON DI SEBUAH ATOM Sebelum membahas cara membuat susunan berkala unsur-unsur menurut strktur elektronika atom-atomnya, kita perlu menjabarkan dahulu system tatanama (nomeklatur) yang memungkinkan dijelaskanya keadaan elektron-elektron dalam sebuah atom. Karena energi sebuah elektron hanya ditentukan harga-harga bilangan kuantum utama dan orbital, maka kedua bilangan kuantum ini saja yang perlu diperhatikan dalam nomenklatur kita. Bilangan kuantum utama ditampilkan atau diekspresikan sebagaimana adanya, namun bilangan kuantum orbital dinyatakan dengan huruf. Huruf-huruf ini, yang diturunkan dari kebiasaan diawal perkembangan spektroskopi, adalah s, p, d, f yang berturut-turut menyatakan bilangan-bilangan kuantum orbital l berharga 0, 1, 2 dan 3. (s = sharp, p = principal, d = diffusi, f = fundamental). Bila bilangan kuantum utama n = 1 maka l harus sama dengan nol, dan elektron dalam keadaan demikian dinyatakan dengan simbol 1s. disini bilanga kuantum dalam tidak 31
boleh memiliki harga yang lain dari m = 0, namun harga bilangan kuantum spin-nya (s) boleh 2 + 1 atau 2 − 1 . Jadi, dapat disimpulkan bahwa dalam sebuah atom hanya dua elektron yang boleh memiliki keadaan 1s, dan elektron-elektron itupun berpusing dalam arah berlawanan. Dengan kata lain bila n =1, hanya s keadaan yang terjadi dan keadaan-keadaan itu hanya dapat dimiliki oleh dua buah elektron. Begitu kedua keadaan 1s terisi penuh, keadaan energi paling rendah berikutnya harus memiliki harga n = 2. Disini l boleh mempunyai harga 0 atau 1, dan karena itu elektron-elektron bias dalam keadaan entah 2s atau 2p. Energi sebuah keadaan 2s lebih rendah dari energi dalam keadaan 2p, oleh sebab itu keadaan 2s akan terisi lebih dahulu. Di sini pun, hanya dua electron bias berada dalam keadaan 2s, dan untuk keadaan-keadan s ini selalu demikian, tidak peduli berapapun harga bilangan kuantum utamanya. Electron-elektron dalam keadaan p dapat memiliki harga-harga m = +1, 0, -1, dan elektron-elektron yang memiliki masing-masing dari harga tersebut dapat memilikidua harga bilangan kuantum spin. Ini memungkinkan adanya enam buah elektron dalam setiap. Tidak ada lagi elektron yang dapat ditambahkan ke dalam keadaan n = 2 sesudah keadaan-keadaan 2s dan 2p-nya terisi. Elektron-elektron berikutnya harus menempati keadaan denga n = 3 yang energinya lebih tinggi. Disini muncul kemungkinan adanya l berharga 0, 1 dan 2, sehingga disampuing keadaan-keadaan s dan p, keadaan-keadaan dengan d dengan l = 2 kini bias terjadi. Bila l = 2, m bias memilki harga-harga +2, +1, 0, -1, -2 dan masing-masing dapat ditempati dua elektron dengan spin berlawanan, sehingga total keadaan d mungkin adalah 10. Akhirnya bila n = 4, l bias mempunyai harga dari 0 hingga 4, dan bila l = 4, dapat dibuktikan bahwa kita akan mendapatkan 14 keadaan 4f. TABEL PERIODIK Atom paling sederhana adalah atom hidrogen, yang mempunyai proton tunggal sebagai intinya, dan karena itu hanya sebuah elektron yang dapat mengitarinya supaya atom itu tetap netral. Bila atom hydrogen ini bebas, yaitu dalam keadaan energi paling rendah, elektronnya akan berada dalam keadaan 1s. Untuk helium, yang intinya terdiri atas dua proton dan dua neutron, massa atomnya akan empat kali lebih besar dari hidrogen, tetapi karena muatan inti (nuclear charge) sematamata hanya ditentukan oleh banyaknya proton, maka hanya dua elektron yang berkitar di orbitnya. Kedua elektron ini kakn mempunyai energi paling rendah bila masing-masing menempati keadaan 1s. atom berikutnya, lithium, yang mempunyai tiga muatan inti, hanya dapat menempatkan dua elektronnya dalam keadaan 1s, sedangkan elektron ketiga harus masuk ke keadaan 2s yang energinya sedikit lebih tinggi. Begitu seperangkat keadaan untuk kuantum utama tertentu terisi, elektronelektron dalam keadaan demikian disebut membentuk selapis kulit yang rapat, dan dalam mekanika kuantum 32
begitu suatu kulit terisi, energi dari kulit tersebut turun ke harga yang demikian rendahnya sehingga elektron-elektron bias berada dalam keadaan mantap sekali. Oleh sebab itu, lithium mempunyai dua elektron yang terikatsekali ke intinya dan sebuah electron di keadaan 2s yang sangat kurang terikat. Elektron ini, yang sering disebut electron valensi, dapat dilepaskan dengan mudah, dan karena itu lithium dapat membentuk ion dengan muatan positif satu, dan bervalensi satu. Elektron 2s yang terletek disebelah luar ini denga demikian tergolong bebas. Berilium mempunyai muatan inti empat, karena itu elektron-elektronnya akan menempati keadaan-keadaan 1s dan 2s, sementara keenam keadaan 2p dengan energi lebih tinggi tetap kosong. Dalam enam atom berikutnya, yang bermuatan inti dari lima hingga sepuluh, keadaan 2p ini akan cepat terisi, dan pada usur dengan muatan sepuluh (neon) semua keadaan tersedia yang memiliki bilangan kuantum utam 1 dan 2 terisi sehingga atom itu memiliki dua lapis kulit yang rapat. Seperti dalam kasus helium, elektron-elektron berada dalam keadaan energi rendah dan dari sini tidak dapat dipindahkan dengan mudah. Akibatnya, seperti helium, neon tidak mudah membentuk ion dan karena itu tidak dapat berperan serta dalam reaksi-reaksi kimia. Dalam susunan berkala unsur-unsur, tiap kali sebuah atom mendapatka cukup elektron untuk merapatkan kulitnya, unsur yang terbentuk bersifat nonreaktif, dan unsurunsur ini disebut gas mulia (inert gases). Tabel 2.2 Tabel Periodik Unsur
Dengan mekanisme yang sama, atom-atom dengan muatan inti atau nomor atom antara sebelas dan delapan belas akan membentuk kulit ketiga yang memiliki n = 3 dengan mengisi keadaan-keadaan 3s dahulu, kemudian 3p. bukan tidak mungkin orang berpikir bahwa sesudah argon yang bernomor atom Z = 18, atom-atom akan mempunyai electron keadaan 3d. ternyata yang terjadi bukan demikian karena kebetulan saja energi elektron di keadaan 4s lebih endah dibandingkan keadaan 3d. akibatnya, pada kalium (potassium) yang 33
mempunyai Z = 19 elektron-elektron berenergi tinggi keadaan s, dan unsure ini memiliki sifat kimia lebih menyerupai natrium(sodium) dan litium yang juga mempunyai elektron-elektron tunggal di keadaan s. Kalsium dengan Z = 20 memiliki dua elektron di keadaan 4s yang dengan demikian terisi penuh, sehingga scandium yang mungkin diharapkan memiliki elektron berenergi paling tinggi di keadaan 4p, ternyata menemukan bahwa energi elektron lebih rendah bila ditempatkan di keadaan 3d yang sampai kini dibiarkan kosong karena energinya lebih tinggi dibandingkan keadaan 4s. Sesudah skandium, unsur-unsur berikutnya meneruskan proses pengisian keadaan 3d, yang menjadi penuh pada unsur seng (Zn). Bagaimanapun, proses pengisian keadaan 3d ini ternyata tidak sederhana. Dalam atom-tom bebas, diketahui bahwa ketika keadaan 3d diisi, elektron-elektron mula-mula menempati lima keadaan yang sesuai dengan kelima harga bilangan kuantum dalam m dan elektron-elektron tadi semuanya mempunyai bilangan spin sama (kaidah Hund). Apabila kelima keadaan itu telah terisi, energi elektron-elektron turun sehingga dari segi energi bagi khrom lebih menguntungkan andaikata sebuah elektron yang seharusnya menempati keadaan 4s digunakan untuk melengkapi kelima keadaan 3d. Itu sebabnya khrom hanya mempunyai sebuah elektron 4s dan lima elektron 3d. Proses serupa terjadi pada pada tembaga. Di sini sebuah dari elektron-elektron 4s digunakan untuk melengkapi kesepuluh keadaan 3d, yang dengan demikian merapatkan kulit ketiga dan mendapatkan reduksi energi elektron yang lumayan untuk kulit ini. Unsur-unsur dari scandium hinga tembaga, yang keadaan-keadaan 3d-nya terisi dengan cepat, doikenal sebagai unsur-unsur trnsisi. Pada tujuh unsur sesudah tembaga proses pengisian keadaan 4s dan 4p tidak begitu lancar, dan kripton, yang keadaankeadaan 4s serta 4p-nya terisi penuh, termasuk kelompok gas mulia. Pada kelompok unsur berikutnya, dari rubidium hingga xenon, terjadi proses pengisian seperti terdahulu, yaitu 5s dahulu, baru kemudian 4d dan akhirnya 5p. Keadaan 4f untuk sementara belum terisi karena mempersyaratkan energi lebih tinggi ketimbang keadaan-keadaan 5s, 4d, 5p dan 6s. Baru sesudah lanthanium, dari segi energi sudah pada tempatnya mengisi keempat belas keadaan 4f. Kelompok unsur yang dalam tabel periodik terletak antara lanthanium dan hafnium ini dikenal sebagai unsur tanah jarang. Setelah keadaan-keadaan 4f terisi, unsur-unsur berikutnya hingga gas mulia radon, mulai mengisi keadaan 5d dan akhirnya 6p. Unsur-unsur yang tersisa, lagilagi mengisi keadan s terlebih dahulu, yaitu keadaan-keadaan 7s dan proses selanjutnya sama dengan pada kelompok logam sebelumnya. Bagaimanapun, dari Material Teknik unsur-unsur diatas untuk saat ini hanya enam unsur yang betul-betul terdapat di alam, yang lainnya belum ditetapkan apakah termasuk kelompok unsur tanah jarang atau tidak. 34
Dengan cara ini kita dapat membuat skema untuk menjelaskan unsur-unsur seperti tampak pada tabel 2.2. Di sini angka dibawah simbol kimia tiap unsur menyatakan nomor atom. Baris horizontal menyatakan periode, sementara kolom vertikal menyatakan kelompok atau grup. Di sini jelas bahwa tiap periode diakhiri dengan sebuah unsur gas mulia, yang semua keadaan elektronya untuk harga bilangan kuantum utama tertentu telah terisi, dan bahwa unsur-unsur di suatu kelompok mana pun memiliki elektron di kulit luar dalam konfigirasi yang sama.
PERILAKU KIMIA DAN IKATAN LOGAM Perilaku kimia unsur-unsur dapat dijelaskan menurut tingkat stabilitas yang timbul ketika kulit-kulit elektron terisi. Pada gas mulia yang kondisi mantapnya terdapat pada setiap atom, sulit sekali memindahkan sebuah elektron dari kulit terluar yang berisi untuk menghasilkan ion bermuatan positif. Demikian pula, sulit sekali menambahkan sebuah elektron ke kulit terluar yang terisai penuh untuk menghasilkan ion bermuatan negatif. Oleh sebab itu, gas mulia, yang tidak mudah diubah menjadi ion, tidak dapat membentuk senyawa kimia. Unsur-unsur yang mempunyai sedikit elektron di luar kulit terluar dapat dengan mudah melepaskan elektron-elektron tersebut untuk membentuk ion positif (kation). Di pihak lain, unsur-unsur yang mempunyai cukup banyak elektron di luar kulit terluar dengan mudah mau menerima beberapa elektron lagi untuk membentuk kulit baru, dan dengan demikian membentuk ion negatif (anion). Sebagai contoh, lithium, natrium, dan kalium yang mempunyai sebuah elektron paling luar (elektron valensi) di keadaan s, bila melepaskan elektron itu akan membentuk ion bermuatan positif satu. Unsur-unsur disebut unsur-unsur univalent (bervalensi satu). Sebaliknya, khlor, brom dan iodium masing-masing kekurangan sebuah electron untuk membentuk kulit terluar terbaru, dan bila kekurangan tersebut terpenuhi, ion-ion bermuatan negatif satu yang terjadi akan mantap sekali. Afinitas kimia antara natrium dan khlor dengan demikian dapat dijelaskan secara mudah sebagai pemberian electron terluar dari atom natrium kepada atom khlor, yang akibat kejadian tersebut keduanya sama-sama memiliki struktur electron dengan kulit luar terisi penuh, dan kedua ion bermuatan berlawanan yang terbentuk akan saling rangkul akibat gaya tarik elektrostatik. Ini juga menjelaskan terjadinya ikatan ion atau ikatan ikatan heteropolar. Unsur-unsur dibagian kiri Tabel Periodik cenderung membentuk ion positif, dan mempunyai valensi yang makin ke kanan makin besar, mulai dari grup I. Dengan demikian pula, unsur-unsur di sebelah kanan cenderung membentuk ion negatif, dan dalam hal ini, valensi menigkat dari kanan ke kiri. Situasi yang menarik terjadi pada unsur-unsur yang kulit 35
terluarnya hanya terisi separuh, misalnya karbon, yang menurut teori dapat membentuk ikatan ion-ion bervalensi empat entah bermuatan positif atau negatif. Pada kenyataannya unsur-unsur semacam itu, meskipun kadangkadang membentuk ikatan dengan unsur lain, lebih sering membentuk jenis ikatan lain yang disebut ikatan kovalen atau ikatan homopolar. Dalam ikatan jenis ini atomatom yang bersebelahan secara bersama mengunakan elektron valensi mereka sedemikian rupa sehingga tiap atom seolah-olah memiliki kulit terluar penuh meskipun tidak purna waktu. Dalam ikatan kovalen, atom-atom lebih suka memberika sebuah elektron saja untuk dipakai bersama dengan tetangga masing-masing, separti tampak dalam banyaknya ikatan kovalen yang dibentuk oleh unsur sama dengan (8 – N) di mana N adalah banyaknya elektron diluar kulit terluar yang penuh. Ciri penting lain pada ikatan kovalen adalah bahwa elektron-elektron yang dipakai bersama berada dalam keadaan-keadaan s dan p. Jadi karbon, yang mempunyai empat buah electron terluar, dapat membentuk ikatan kovalen dengan empat atom karbon lain. Dalam intan, yang pada hakikatnya adalah karbon padat, tiap karbon dikelilingi empat atom lain yang secara simetrik terletak di sudut-sudut sebuah tetrahedron beraturan. Dengan cara ini kita dapat menyusun jaringan atomatom karbon tiga dimensi. Zat padat yang ikatannya ionik atau kovalen, mempunyai elektron-elektron yang tidak dapat bermigrasi dengan bebas meskipun berada di bawah pengaruh suatu gaya gerak listrik (e.m.f), karena itu bersifat isolator. Seperti telah kita ketahui, karakteristik atom paling penting adalah kemampuannya menghantarkan listrik, dan karena itu tidak boleh berikatan ionik atau kovalen. Semua unsur yang jelas menunjukan karakteristik logam dikelompokan di bagian selah kiri Tabel Periodik seperti pada table 2.2. Semua atom unsur logam mempunyai elektron di luar kulit penuh dalam jumlah yang sedikit. Ini berlaku untuk semua unsur di subkelompok I, II dan III, untuk unsur-unsur di ketiga kelompok transisi, dan untuk unsurunsur tanah jarang. Pada logam, elektron-elektron terluar pada dasarnya bergerak dengan bebas di seluruh bahan, karena itu kita membayangkan logam sebagai susunan ion bermuatan positif yang berembesi awan elektron. ikatan di dalamnya terutama disebabka oleh tarik-menarik antara ion-ion positif dan elektronelektron bebas. Salah satu akibat paling penting dari bentuk ikatan ini adalah bahwa gaya ikat (bonding force) tidak mengikuti arah yang tertentu dan karena itu ion-ion akan mengelompok menurut bentuk geometric yang paling ekonomis. Bagaimanapun, perlu diingat bahwa apabila dua ion saling mendekati, di antara keduanya juga terjadi gaya tolak menolak, dan gaya ini membatasi derajat keekonomisan dalam 36
pengelompokannya, sehingga sesunguhnya ion-ion logam dapat dipandang sebagai bola-bola yang keras. Ini pula sebabnya masalah struktur kristal logam sangat dapat dipandang sebagai masalah pengepakan sejumlah bola berukuran sama. SUSUNAN ATOM DALAM LOGAM Ion logam sangat kecil dan diameternya hanya beberapa kaliu 10-10 mm, atau kurang dari nanometer. Dengan demikian satu millimeter kubik logam diperkirakan mengandung 1022. Di atas telah dibahas bahwa ion-ion dalam logam padat tidak tersusun secara acak, namun seolah-olah dipak secara beraturan. Pada kebanyakan logam, ion-ion mengelompok sedemikian rupa sehingga volume yang dibutuhkan sedikit mungkin. Pada semua logam, termasuk yang ion-ionnya agak renggang, penataan ion-ion ternyata mengikuti mengikuti suatu pola tertentu, dan karena struktur logam dicirikan menurut satuan (unit) pola sederhana yang disebut sel struktur, yang kalau diulang-ulang secara beraturan di seluruh bagian badan logam akan menentukan posisi semua ion dalam kristal logam bersangkutan. Kita mengenal dua cara penataan bola-bola berukuran sama yang memungkinkan volume minimum. Kedua cara itu adalah penataan kubus pusat sisi atau face-centerd cubic arragement (f.c.c) dan penataan heksagonal susunan rapat atau closed-paccked hexagonal arragement (c.p.h). Sel-sel struktur pada kedua cara penataan diatas dapat dilihat dalam Gambar 2.2(a) dan 2.2(b). Sel struktur lain lagi yang tampak pada Gambar 2.2(c) adalah cara pengepakan. Cara pengepakan bola ini dikenal sebagai penataan kubus pusat ruang atau body-centered cubic arragement (b.c.c).
37
Gambar 2.2 Susunan atom dalam (a) struktur kubik pusat muka, (b) struktur closedpackedheksagonal, dan (c) struktur body-centred cubic Untuk menetapkan secara lengkap struktur suatu logam, kita perlu mempelajari struktur kristal dan ukuran (dimensi) sel strukturnya. Banyaknya besaran yang dibutuhkan untuk menentukan suatu sel struktur bergantung pada derajat keteraturan geometrik yang ditunjukan oleh sel. Jadi, dalam sel-sel struktur kubus kita hanya perlu mengukur panjang salah satu rusuk, sementara pada sel heksagonal kita perlu mengetahui panjang a dan c seperti dalam Gambar 2.2(b). bagaimanapun, jika struktur yang ideal adalah susunan rapat, kedua 38
besaran a dan c harus memiliki perbandingan c/a = 1,633. Dalam struktur logam, perbandingan c/a, yang sering disebut nisbah menyumbu (axial ratio), tidak pernah tepat 1,633, dan karena itu struktur logam tidak betul-betul tersusun secara rapat; untuk seng misalnya, c/a = 1,86 dan untuk titanium, c/a = 1,58. Besaran yang menunjukan ukuran sel struktur itu disebut parameter kisi (lattice parameter). Pengetahuan tentang penetapan kisi memungkinkan kita menghitung jari-jari atom (r) logam berdasrkan asumsi bahw atom-atom itu berbentuk bola dan masingmasing salling kontak. Perlu di ketahui bahwa dalam struktur kubus pusat sisi (f.c.c) r = (a 2)/ 4 , dan dalam struktur kubus pusat ruang (b.c.c) r = (a 3)/ 4, denga a parameter kisi. Karena besaran-besaran a dan r sangat kecil, sudah menjadi kelaziman untuk mengukurnya dalam nanometer (10-9 m). Sebuah konsep yang penting sehubungan denga struktur kristal ini adalah bilangan koordinasi, yang didefinisikan sebagai banyaknya atom berjarak terdekat sama dari sebuah atom mana pun dalam struktur kristal. Jadi, dalam struktur kubus pusat ruang seperti pada Gambar 2.2(c), dengan mudah dapat dilihat bahwa atom di pusat kubus dikekilingi oleh delapan buah atom yang berjarak sama yang terletak di sudut-sudut kubus, dan bilangan koordinasi disini adalah 8. Lain halnya dengan Gambar 2.2(a), mungkin anda tidak langsung menyadari bahwa bilangan koordinasi di struktur kubus pusat sisi seperti ini adalah 12. Agaknya cara yang paling mudah untuk membayangkan ini adlah denga menempatkan dua sel kubus pusat sisi berdampingan dan memperhatikan atom-atom disekeliling atom yang menjadi pusat sisi bersama. Pada struktur heksagonal susunan rapat dengan perbandingan ideal c/a = 1,633, bilangan koordinasi juga 12 seperti yang mudah terlihat bila kita menumpukan dua sel dan memilih atom di pusat bidang bersama sebagai titik acuan. Bidang ini sering disebut bidang basal. Bidang dengan susunan atom paling padat dalam struktur heksagonal susunan rapat yang paling ideal adalah bidang basal, dan mamiliki tatanan atom yang sama seperti pada bidang paling padat dalam struktur kubus pusat sisi*. Baik struktur heksagoanl susunan rapat maupun kubus pusat sisi merupakan dua metode pengepakan bola yangsama bagusnya; perbedaan di antara keduanya hanyalah pada cara penumpukan bidang susunan rapat masing-masing. Gambar 2.3 memperlihatkan cara atomatom dalam suatu bidang susunan rapat.
39
Gambar 2.3 Susunan atom dalam bidang close-packed, (b) posisi dua bidang close-packed, dan (c) stacking bidang seksutif Ketika menumpukan atau mengandengkan bidang atom yang kedua, bidang atom pertama mungkin ditempatkan entah dengan posisi B atau C, yang betul-betul merupakan kedudukan setara. Bagaimanapun, begitu atom pertama ditempatkan di salah satu dari duakedudukan, semua atom lain di bidang kedua harus berada di kedudukan serupa. Ini tidak lain karena kedudukan-kedudukan bersebelahan untuk tipe-tipe B dan C terlalu dekat untuk ditempati keduanya dalam lapisan yang sama. Sampai di sini kita belum menjumpai perbedaan antara struktur heksagonal susunan rapat dan kubus pusat sisi. Perbedaan baru timbul ketika lapisan ketiga diletakan. Dalam peletakan lapisan ketiga, dengan mengandaikan bahwa kedudukankedudukan tipe B telah digunakan untuk membentuk lapisan kedua, seperti dalam Gambar 2.3, atomatom dapat menempati kedudukan- kedudukan A atau C. kalau kedudukan A yang dipilih, maka atom-atom di lapisan ketiga akan langsung di atas lapisan pertama, dan struktur yang terbentuk adalah heksagonal susunan rapat, sedangkan jika kedudukan C yang dipilih, kejadiannya tidak demikian dan struktur yang berbentuk adalah kubus pusat sisi. Jadi, struktur heksagonal susunan rapat terdiri atas lapisan-lapisan atom tersusun rapat yang ditumpuk dengan urutan ABABAB atau ACACAC. Struktur kubus pusat sisi memiliki cara penumpukan dengan urutan ABCABCABC sehingga atom-atom di lapisan keempat terletak langsung di atas atom-atom lapisan pertama. Tabel 2.3 Struktur kristal beberapa logam biasa pada suhu ruang
40
Tabel 2.3. memperlihatkan struktur kristal yang dianut oleh sejumlah logamlogam pada temperatur kamar. Beberapa logam ternyata menganut lebih dari satu struktur kristal, yang masing-masing hanya stabil pada temperatur tertentu. Contoh paling baik untuk gejala yang disebut polimorfisme ini adalah seperti yang ditunjukan oleh besi, yang berstruktur kubus pusat ruang pada temperatur-temperatur di bawah 910o C serta di atas 1400o C, namun berstruktur kubus pusat sisi bila di antara 910o C dan 1400o C. contoh lain yang umum antara lain adalah titanium dan zirconium yang berubah dari kubus susunan rapat ke kubus pusat ruang berturut-turut pada temperatur 882o C dan 815o C. timah putih berubah dari struktur kubus (kelabu) menjadi tetragonal (putih) pada suhu 13,2o C. uranium dan plutonium juga menganut beberapa struktur kristal. Plutonium, khususnya, tergolong kompleks karena memiliki enam struktur kristal di antara suhu kamar dan titik leburnya pada 640o C.
ELEKTRON-ELEKTRON DALAM KRISTAL LOGAM Kalau kita membayangkan atom-atom dikumpulkan dan ditata membentuk struktur kristal, maka ketika jarak antara atom-atom terdekat mendekati jarak antar atom yang khas pada logam, elektron-elektron terluar tidak lagi mengacu ke atomnya masing-masing. Begitu electron-elektron terluar tidak lagi terikat ke atomnya masing-masing melainkan bergerak bebas di seluruh logam, maka menurut Prinsip Kekecualian Pauli, elektron-elektron tadi tidak 41
dapat memprtahankan perangkat bilangan kuantum yang sama seperti masih merupakan bagian dari atom-atom. Akibatnya, elektron-elektron bebas tidak lagi bisa memiliki lebih dari dua elektron dengan spin berlawanan untuk suatu energi tertentu. Energi-energi elektron bebas itu didistribusikan ke suatu rentang yang terus meningkat sejalan proses pembentukan logam oleh atom-atom. Jika atom-atom dimaksudkan untuk membentuk struktur logam yang mantap, energi purata (mean energi) elektron-elektron bebas harus lebih rendah disbanding energi tingkat elektron ketika atom-atom masih bebas. Gambar 2.4 memperlihatkan pelebaran tingkat atomatik sejak atom-atom masih mulai berhimpun dengan yang lain, serta penurunan energi elektron-elektron sebagai akibatnya. Besar penurunan energi purata elektron-elektron terluar inilah yang menentuka kemantapan logam. Dalam hal ini, yang disebut jarak keseimbangan (equilibrium spacing) antara atomatom dalam suatu logam adalah jarak yang apabila dikurangi lagi akan menyebabkan bertambahnya gaya tolak-menolak ion-ion positif yang saling didekatkan itu, sehingga gaya tolak-menolak tadi akan lebih besar dibanding penurunan energi elektron purata yang disebabkannya. Gambar 2.4 Perluasan tingkatan energi atomik dalam logam.
Dalam struktur metalik, elektron-elektron bebas dengan demikian harus dianggap menempati serangkaian tingkat energi distrik (unik) dengan selang yang sangat rapat. Tiap tingkat energi atomik yang mengurai menjadi sebuah pita memiliki banyak tingkat energi yang sama dengan banyaknya N atom dalam sepotong logam. Seperti yang dinyatakan 42
sebelum ini, suatu tingkat energi tidak boleh ditempati oleh lebih dari dua elektron dengan spin berlawanan. Oleh sebab itu, setiap pita paling banyak hanya dapat memiliki 2N elektron. jelaslah, dalam keadaan energi paling rendah suatu logam, semua tingkat energi rendah telah terisi. Sela energi antara tingkat-tingkat yang berturuttan tidak tetap melainkan mengecil sejalan dengan naiknya tingkat energi. Dari segi kerapatan keadaan elektron N (E) ini biasanya dinyatakan sebagai fungsi energi E. Besaran N(E)De menginformasikan banyaknya tingkat energi dalam suatu ionterval energi dE yang sangat kecil, dan untuk elektron bebas besaran ini membentuk fungsi parabola energi seperti yang tampak dalam Gambar 2.5. Karena setiap tempat hanya dapat ditempati dua electron, energi electron yang menempati suatu tingkat energi rendah tidak dapat diperbesar kecuali bila diberi tambahan energi yang cukup untuk melompat ke tingkat kosong di bagian pita sebelah atas. Lebar energi pita-pita umumnya sekitar 5 atau 6 elektron volt*, karena ini cukup besar energi yang dibutuhkan oleh logam untuk mengeksitasikan elektronnya yang berada di tingkat bawah. Energi sebesar itu tidak tersedia pada temperatur normal, dan hanya elektron dengan energi mendekati yang terdapat pada bagian atas pita (disebut tingkat atau permukaan Fermi) dapat dieksitasikan sehingga karena itu hanya sedkit elektron bebas pada logam yang dapat ambil bagian dalam proses-proses thermal. Energi pada tingkat Fermi EF bergantung pada banyaknya electron N per unit volume V, dapat dihitung denga rumus (h2/8m) x (3Nπ V)2/3.
43
Gambar 2.5 (a) Kepadatan tingkatan energi terhadap energi; (b) Pengisian tingkatan energi oleh electron pada temperatur mutlak nol. Pada temperatur tertentu beberapa electron tereksitasi secara termal ke tingkat yang lebih tinggi daripada yang berhubungan dengan Emaks, seperti diperlihatkan pada kurva patah pada (a) Elektron pada suatu pita metalik harus dianggap bergerak terus-menerus dalam struktur dengan energi yang ditentukan oleh tingkat pada pita yang didudukinya. Dalam mekanika kuantum gerak elektron ini dapat dipandang sebagai gelombang dengan panjang gelombang yang ditentukan oleh energi elektron bersangkutan menurut rumus de Broglie. λ = h /mv (2.1) dengan h konstanta Planck, m massa dan v kecepatan elektron yang sedang bergerak. Makin besar energi electron, makin tinggi momentum mv-nya, dan karena itu makin kecil panjang gelombang pada fungsi gelombang terhadap geraknya. Karena gerak electron yang mempunyai aspek miring gelombang ini, elektron-elektron yang bergerak dapat menimbulkan efek difraksi seperti pada gelombang optik. Lebih dari itu, tatanan atom-atom yang beraturan pada kisi logam dapat bertindak sebagai kisi difraksi tiga dimensi, sebab atom-atom di situ bermuatan positif dan karena ituberinteraksi dengan elektron-elektron bergarak. Pada panjang gelombang terntentu, yang ditentukan oleh jarak atom-atom pada kisi metalik, elektron-elektron akan mengalami efek difraksi yang kuat. Ini menyebabkan elektron-elektron dengan energi sesuai panjang gelombang tersebut tidak mampu bergerak bebas di dalam struktur. Akibatnya, dalam pita-pita elektron, tingkat-tingkat energi tertentu tidak dapat ditempati dan karena ini terjadi sela-sela energi yang menyebabkan spektrumspektrum energi dalam suatu pits tidak kontinu. Interaksi elektron-elektron bergerak denga ion-ion logam yang terdiri terdistribusi pada suatu kisi bergantung pada panjang gelombang elektron-elektron serta jarak antar ion dalam arah gerak elektron. Karena jarak antar ion bergantung pada arah kisi, panjang gelombang elektron-elektron yang mengalami difraksi oleh ion-ion juga akan bergantung pada arah kisi tersebut. Energi kinetik sebuah electron bergeak merupakan fungsi panjang gelombang yang hubungannya adalah sebagai berikut E = h2 / 2mv2 (2.2) dan karena kita berkepentingan dengan energi-energi electron, lebih baik bila efekefek interaksi dibahas menurut kebalikan panjang gelombang. Besaran yang berbanding tebalik dengan panjang gelombang ini disebut bilangan gelombang dan diberi notasi k.
44
Gambar 2.6 Gambaran skematik zona Brillouin dalam logam, (a) direproduksi dari Extractive and Physical Metallurgy of Plutonium, seizin American Institute of Metallurgical Engeneerrs Dalam mengambarkan interaksi-interaksi elektron kisi orang lazim mengunakan diagram vektor. Di situ arah vektor menyatakan arah lintasan elektron bergerak dan harga (magnitude) vektor menyatakan bilangan gelombang elektron. Vector-vektor ini mengambarkan elektron-elektron berenergi yang, karena efek difraksi, tidak dapat menembus kisi, dan karena itu membentuk permukaan tiga dimensi yang disebut zona Brillouin. Gambar 2.6(a) memperlihatkan zona Brillouin untuk sebuah kisi kubus pusat sisi. Daerah ini terbentuk dari bidang-bidang datar yang sesungguhnya sejajar dengan bidang-bidang pada kisi yang terpisah paling jauh, dalam hal ini bidang {111} dan {200}. Inilah cirri umum untuk zona Brillouin yang berlaku untuk semua kisi. Untuk suatu arah dalam kisi, kita dapat menganggap bentu energi elektron sebagai fungsi bilangan gelombang. Hubungan antara kedua besaran tadi nila mengunakan persamaan 2.2 adalah E = h2k 2 / 2m (2.3) yang bias membentuk hubugan parabolic seperti tampak dalam Gambar 2.6(b). akibat adanya zona Brillouin di harga k tertentu, tergantung arah kisinya, maka ada suatu rentang harga energi yang tidak dapat diambil oleh elektron. Ini menghasilkan distorsi berbentuk kurva E-k di sekitar harga kritis k yang pada gilirannya menyebabkan adanya serangkaian sela energi (energi gap), yang tidak dapat ditempat oleh elektron. Efek ini dalam kurva E-k tampak berupa sebuah garis menerus (Gambar 2.6(b)). Adanya distorsi pada kurva E-k, akibat adanya zona Brillouin, direfleksikan denga kurva kerapatan keadaan vs energi berlawanan berbentuk parabola, tetapi bentuknya tidak demikian bila ada interaksi akibat zona Brillouin, seperti pada Gambar 2.7(a). Garis putus45
putus menyatakan kurva N(E)-E untuk elektron-elektron bebas ketika efek zona Brillouin tidak ada dan garis penuh digunakan untuk kurva yang dipengaruhi zona Brillouin. Total banyaknya elektron yang dibutuhkan untuk mengisi daerah elektron yang dibatasi oleh garis penuh dalam Gambar 2.7(a) adalah 2N, dengan N total banyaknya atom dalam logam. Jadi, zona Brillouin akan terisi bila tiap atom dalam logam menyumbangkan dua buah elektron ke pita energi. Jika atom-atom logam menyumbangkan lebih dari dua elektron per atom, elektronelektron lebihan itu harus ditempatkan ke zona kedua atau yang lebih tinggi. Dalam Gambar 2.7(a) kedua zona tadi dipisahkan oleh sebuah sela energi, namun pada logam sesungguhnya tidak harus demikian, jadi dua zona bias saja saling tumpangtindih sehingga pada kurva N(E)-E msela energi seperti itu tidak tampak. Keadaan tumpangtindih timbulk karena energi di daerah terlarang bervariasi terhadap arah kisi dan seringkali tingkat energi dibagian atas zona pertama memiliki harga lebih tinggi untuk suatu arah disbanding tingkat energi paling rendah di bagian bawah jurva N(E)-E, yang mengambarkan jumlah tingkat-tingkat energi di semua arah dengan demikian tertutup rapat. (Gambar2.7(b)).
Gambar 2.7 Gambaran skematik zona Brillouin
46
LOGAM DAN ISOLATOR Ketika suatu bahan mengalami medan magnet, agar penghantaran listrik dimungkinkan, elektron-elektron di bagian atas pita harus mampu meningkatkan energi sehingga aliran aliran elektron dalam arah potensial, yang pada hakekatnya adalah arus listrik, bias terjadi. Apabila sela energi antara dua zona seperti dalam Gambar 2.7(a) memang ada, dan bila zona rendah sudah cukup elektronnya, maka mungkin saja elektron di situ meningkatkan energi dengan cara melompat ke tingkat yang kosong, asalkan ada medan listrik dan kekuatan medan itu cukup besar untuk membuat elektron di bagian atas pita yang isi mampu melompati sela energi. Dengan demikian, konduksi pada logam terjadi karena banyak elektron per atom tidak cukup untuk mengisi pita energi sampai ke kedudukan sela energi. Pada tembaga misalnya, elektron-elektron valensi 4s hanya mengisi separuh dari pita s terluar. Pada logam lain, misalnya Mg, pita valensi tumpang-tindih dengan pita energi lebih tiggi dan elektron-elektron dekat tingkat Fermi dengan demikian bebas untuk pindah ke keadaan kosong di pita lebih tinggi. Bilamana pita valensi terisi penuh sementara pita yang setingkat lebih tinggi, yaitu yang terpisah oleh sela energi, betul-betul kosong, maka bahan bersangkutan bias tergolong isolator atau semikonduktor. Kalau sela itu beberapa electron volt, misalnya 7 eV pada intan, diperlukan medan listrik luar biasa tinggi untuk memindahkan elektron ke pita lebih tinggi dan bahan bersangkutan isolator. Kalau sela kecil, misalnya 1 – 2 eV seperti pada silikon, maka energi thermal mungkin sudah memadai untuk mengeksitasikan beberapa elektron ke pita lebih tinggi serta menciptakan tempat-tempat kosong dalam pita valensi; dalam hal ini bahan tergolong semikonduktor. Pada umumnya, pita energi paling rendah yang tidak terisi elektron secara penuh disebut pita konduksi, sedangkan pita yang berisi elektron-elektron valensi disebut pita valensi. Pada konduktor pita valensi juga bertindak sebagai pita konduksi. Keadaan electron untuk contoh-contoh bahan degan valensi berbeda-beda dapat dilihat dalam Gambar 2.7(c). Meskipun semua logam boleh dikatakan tergolong penghantar listrik yang baik, ternyata masing-masing menunjukan kehambatan (resistivity) yang beragam. Penyebab keragaman ini bermacam-macam. Kehambatan logam ditentukan oleh kerapatan keadaan elektron-elektron paling kuat di bagian atas pita, dan bentuk kurva N(E)-E di situ. Kehambatan juga bergantung pada derajat penyebab elektron-elektron oleh ion-ion logam yang bergetar kaena panas, dan oleh atom-atom takmurnian (impurity atom) atau cacat-catat pada logam.
47
IKATAN PRIMER a. Ikatan Ion Biasanya 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 atau mempunyai konfigurasi gas mulia dan bermuatan listrik, yaitu atom-atom ini menjadi ion. Sodium klorida (NaCl) adalah material ion klasik. Atom sodium bisa mendapatkan stuktur elektron neon (dan muatan positif tunggal) dengan menyerahkan satu elektron valensi 3s ke atom klorin. Setelah penyerahan elektron ini, ion klorin akan bermuatan negatif dan dengan konfigurasi elektron menyerupai argon, Pada sodium klorida, semua sodium dan klorin berada dalam bentuk ion. Jenis ikatan ini digambarkan secara skematik pada Gambar 2.9.
Gaya ikat tarik menarik adalah coloumbik; yaitu ion positif dan negatif tarik menarik satu sama lain karena adanya muatan listrik netto. Untuk dua ion yang terisolasi, energi tarik EA adalah fungsi jarak atom sesuai dengan : EA= A/ r dan dengan analogi yang sama, energi tolak adalah : ER B / r n Pada perumusan diatas, A, B dan n adalah konstanta yang harganya tergantung pada masingmasing sistem ion. Harga n kira-kira 8. Material ion mempunyai karakteristik keras dan rapuh, secara listrik dan termal adalah isolator. b. Ikatan Kovalen Pada ikatan kovalen, konfigurasi elektron stabil diperoleh dengan membagi elektron antara atom yang berdekatan. Dua atom yang berikatan kovalen masing-masing akan menyumbangkan minimal satu elektron keikatan, dan elektron yang dipakai bersama bisa di 48
anggap dipunyai bersama oleh kedua atom. Ikatan kovalen digambarkan secara skematik pada Gambar 2.10 untuk molekul metana (CH4). Atom karbon mempunyai empat elektron valensi, sedangkan setiap atom hidrogen mempunyai sebuah elektron valensi. Setiap atom hidrogen bisa mendapatkan konfigurasi elektron helium (dua elektron valensi 1s) ketika atom karbon membaginya dengan satu elektron. Karbon sekarang mempunyai empat tambahan elektron, satu dari setiap hidrogen sehingga total elektron valensi menjadi delapan, dan struktur elektronnya adalah neon. Jumlah ikatan kovalen yang mungkin untuk suatu atom ditentukan oleh jumlah elektron valensi. Untuk elektron valensi N’, sebuah atom bisa berikatan kovalen paling banyak 8-N’ dengan atom lainnya. Contohnnya: N’ = 7 pada klorin, dan 8-N’ = 1, artinya satu atom Cl bisa berikatan hanya dengan satu atom lainnya seperti Cl2. Dengan cara yang sama untuk atom karbon N’ = 4, dan setiap atom karbon mempunyai 8 - 4 yaitu empat elektron untuk dibagi. Intan adalah struktur yang berinteraksi secara tiga dimensi dimana setiap atom karbon berikatan kovalen dengan atom karbon lainnya. Susunan intan ini diperlihatkan pada Gambar 13.15. Ikatan kovalen bisa sangat kuat seperti pada intan, dimana intan sangat sangat keras dan mempunyai temperatur leleh yang sangat tinggi yaitu >3550°C (6400 °F ), atau ikatan kovalen bisa sangat lemah seperti pada bismut, dimana akan meleleh pada 270°C (518°F). Material polimer bercirikan ikatan ini, dimana struktur molekul dasar yang dipunyai rantai karbon yang panjang diikat bersamasama secara kovalen dengan dua dari empat ikatan yang tersedia untuk setiap atomnya. Adalah mungkin ikatan antar atom mempunyai ikatan yang sebagian berikatan ion dan sebagian lain berikatan kovalen, dan kenyatannya sangat sedikit senyawa yang menunjukan murni mempunyai ikatan ion atau ikatan kovalensaja. c. Ikatan Logam Ikatan logam, jenis ikatan primer terakhir, ditemukan pada logam dan paduannya. Material logam mempunyai satu, dua atau paling banyak tiga elektron valensi. Dengan model ini, elektron valensi tidak terikat kepada atom tertentu pada bahan padat namun lebih kurang ia akan bebas hanyut/bergerak melewati keseluruhan logam. Elektron ini bisa dianggap dimiliki oleh logam secara keseluruhan, atau membentuk “lautan elektron” atau “awan elektron. Gambar 2.11 memperlihatkan ilustrasi skematik ikatan logam.
49
Ikatan ini bisa lemah atau kuat, jangkauan energinya antara 68 kJ/mol (0,7 ev/atom) untuk raksa hingga 850 kJ/mol (8.8 ev/atom) untuk wolfram. Temperatur leleh masing-masing berturut-turut adalah –39 dan 3410 0C (–38 dan 61700F).
IKATAN SEKUNDER ATAU IKATAN VAN DER WAALS Ikatan sekunder, van der Waals atau fisik adalah lemah jika dibandingkan dengan ikatan primer atau kimia; energi ikat biasanya dalam kisaran 10 kJ/mol (0,1 ev/atom). Ikatan sekunder timbul antara semua atom atau molekul, tapi keberadaannya tidak jelas jika salah satu dari ketiga jenis ikatan primer ada. Ikatan sekunder dibuktikan oleh gas mulia, yang mempunyai struktur elektron yang stabil, dan juga diantara molekul yang strukturnya berikatan kovalen. Gaya ikatan sekunder timbul dari dipol atom atau molekul. Pada dasarnya sebuah dipol listrik timbul jika ada jarak pisah antara bagian positif dan negatif dari sebuah atom atau molekul. Ikatan di hasilkan dari gaya tarik-menarik coulombik antara ujung positif sebuah dipol dan bagian negatif dari dipol yang berdekatan, sebagaimana ditunjukan pada Gambar 2.12. Interaksi dipol terjadi antara dipol-dipol terimbas, antara dipol terimbas dengan molekul polar (yang mempunyai dipol permanen), dan antara molekul-molekul polar. Ikatan hidrogen, jenis khusus dari ikatan sekunder, ditemukan pada beberapa molekul dimana hidrogen sebagai salah satu komponen. Mekanisme ikatan ini akan dibicarakan secara singkat berikut ini.
50
a. Ikatan Dipol Terimbas yang Berfluktuasi Sebuah dipol bisa dihasilkan atau diimbaskan ke sebuah atom atau molekul yang simetris secara listrik, yaitu distribusi ruang keseluruhan elektron simetris terhadap inti bermuatan positif, sebagaimana diperlihatkan Gambar 2.13a. Semua atom mengalami gerak vibrasi konstan, yang akan menyebabkan distorsi seketika dan berumur pendek, terhadap simetri listrik pada beberap atom atau molekul, dan menimbulkan dipol listrik kecil.
Salah satu dipol ini pada gilirannya bisa menimbulkan sebuah pergerakan pada distribusi elektron dari molekul atau atom yang berdekatan, yang membuat atom atau molekul kedua ini menjadi dipol yang kemudian dengan lemah ditarik atau diikat ke atom atau molekul yang pertama; ini adalah satu jenis ikatan van der Waals. Gaya-gaya tarik ini bisa timbul diantara sejumlah besar atom atau molekul, dimana gaya-gaya ini bersifat sementara dan berfluktuasi terhadap waktu. Proses pencairan dan, dalam bebarapa hal, proses pembekuan dari gas mulia dan molekul lain yang simetris dan netral secara listrik seperti H2 dan Cl2 dipercaya disebabkan oleh ikatan jenis ini. Temperatur leleh dan didih adalah sangat rendah pada material dimana ikatan dipol terimbas dominan, dan dari semua ikatan antar molekul yang mungkin terjadi, ikatan ini paling lemah. b. Ikatan Antara Dipol Molekul Polar dan Dipol Terimbas
51
Momen dipol permanen timbul pada beberapa molekul karena susunan yang tidak simetris dari daerah yang bermuatan positif dan negatif; molekul ini disebut molekul polar. Gambar 2.14 adalah penggambaran skematik dari molekul hidrogen klorida; momen dipol permanen timbul dari muatan netto dari muatan positif dan negatif yang masing-masing berkaitan dengan ujung-ujung hidrogen dan klorin dari molekul HCl.
Molekul polar bisa juga mengimbaskan dipol pada molekul non polar didekatnya, dan sebuah ikatan akan terbentuk sebagai hasil gaya tarik menarik antara dua molekul ini. Lebih jauh, besar ikatan ini akan lebih besar dari pada dipol terimbas yang berfluktuasi. c. Ikatan Dipol Permanen Gaya van der Waals juga akan timbul diantara molekul polar yang berdekatan. Energi ikat yang terkait lebih besar secara signifikan dari pada energi ikat yang ada pada dipol terimbas. Jenis ikatan sekunder yang paling kuat, ikatan hidrogen, adalah kasus khusus dari ikatan molekul polar. Ikatan ini terjadi antara molekul dimana hidrogen berikatan kovalen dengan fluorin (sebagai HF), dengan oksigen (sebagai H2O), dan dengan nitrogen (sebagai NH3). Untuk setiap ikatan H-F, H-O atau H-N, elektron hidrogen tunggal dibagi bersama dengan atom lainnya. Maka, ujung hidrogen dari ikatan pada dasarnya adalah proton terbuka yang bermuatan positif, yang tak terlindungi oleh elektron. Ujung molekul yang bermuatan positif sangat tinggi ini mempunyai gaya tarik yang kuat terhadap ujung negatif dari molekul yang berdekatan, seperti ditunjukan pada Gambar 2.15 untuk HF. Besar ikatan hidrogen umumnya lebih besar dari ikatan sekunder jenis lainnya, dan bisa mencapai 51 kJ/mol (0,52 ev/molekul.
52
F. MOLEKUL Molekul bisa didefinisikan sebagai sebuah kelompok atom yang terikat bersama-sama oleh ikatan primer yang kuat. Dalam konteks ini, keseluruhan spesimen padat yang terikat dengan ikatan logam dan ion bisa dianggap sebagai molekul tunggal. Pada cairan terkondensasi dan bahan padat, ikatan antar molekulnya adalah ikatan sekunder lemah. Konsekuensinya, material molekul mempunyai temperatur leleh dan didih yang rendah. Sebagian besar dari mereka yang mempunyai molekul kecil yang dibentuk oleh beberapa atom adalah gas pada temperatur dan tekanan biasa atau ambien. Disisi lain, banyak polimer modern, merupakan material molekul yang dibangun oleh molekul yang sangat besar, berada pada kondisi padat; beberapa dari sifat-sifat mereka sangat bergantung kuat atas keberadaan ikatan sekunder van der Waals dan hidrogen.
KRISTAL Material kristal adalah material padat dimana atom-atomnya tersusun dalam susunan yang berulang dan periodik pada dimensi yang besar yaitu atomatom berada pada kondisi “keteraturan jarak panjang”. Untuk material non-kristal atau amorfus, keteraturan atom jarak panjang tidak muncul.
SEL SATUAN Ketika menerangkan struktur kristal, atom (atau ion) dilukiskan sebagai bola padat dan model ini disebut dengan model bola keras atom dimana setiap bola akan menyinggung bola terdekat. Susunan atom pada kristal padat memperlihatkan bahwa sekelompok kecil atom membentuk pola yang berulang. Karena itu dalam menerangkan struktur kristal, lebih mudah untuk membagi struktur ke dalam kesatuan kecil yang berulang yang disebut sel satuan. Sel satuan pada sebagian besar struktur kristal berbentuk jajaran genjang atau prisma yang mempunyai tiga set permukaan yang sejajar (gambar 3.1c), dimana dalam hal ini sebuah kubus.
53
Sel satuan bisa kadang-kadang digambarkan dengan model sel satuan bola diperkecil seperti terlihat pada gambar 3.1b. SISTEM KRISTAL Jika dilihat dari geometri sel satuan, ditemukan bahwa kristal mempunyai tujuh kombinasi geometri yang berbeda seperti diperlihatkan pada tabel 3.2.
54
Pada sebagian besar logam, struktur kristal yang dijumpai adalah: kubus pusat sisi, FCC (face-centered cubic), kubus pusat ruang, BCC (bodycentered cubic) dan tumpukan padat heksagonal, HCP (hexagonal closepacked).
55
Beberapa logam, dan juga non-logam, bisa mempunyai lebih dari satu struktur kristal, fenomena ini disebut polimorfisme. Jika kondisi ini dijumpai pada bahan padat elemental maka disebut alotropi. KUBUS PUSAT SISI, FCC 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. Gambar 3.1 memperlihatkan kristal jenis ini. Panjang sisi kubus a dan jari-jari atom R dihubungkan dengan persamaan: a R√ 2 Fraksi volume bola padat di dalam sel satuan atau disebut faktor penumpukan atom, FP dirumuskan: FP = volume atom didalam sel satuan/volume total sel satuan Untuk struktur FCC, Faktor Penumpukan Atom adalah 0,74. Logam umumnya mempunyai faktor penumpukan atom yang relatif besar untukmemaksimalkan efek pembungkusan oleh elektron bebas. KUBUS PUSAT RUANG, BCC Struktur kristal ini mempunyai atom di setiap sudut kubus ditambahsebuah atom didalam kubus, seperti yang ditunjukkan gambar 3.2.Panjang sel satuan dirumuskan dengan: a R/√3 Faktor Penumpukan Atom kristal ini adalah 0,68.
TUMPUKAN PADAT HEKSAGONAL, HCP Gambar 3.3 memperlihatkan sel satuan jenis ini. Sel satuan jenis ini adalah jenis sel satuan heksagonal. Permukaan atas dan bawah sel satuan terdiri dari enam atom yang membentuk heksagonal yang teratur danmengelilingi sebuah atom ditengah-tengahnya. Bidang lain yang mempunyai tigam atom tambahan pada sel satuan terletak antara bidang atas dengan bidang 56
bawah. Enam atom ekivalen dipunyai oleh setiap sel satuan ini.
Struktur Logam Dengan makin tingginya pemanfaatan material logam dalam kehidupan sehari – hari terutama dunia industri, maka untuk memenuhi tuntutan. Suatu material logam perlu suatu pengujian – pengujian terhadap material tersebut, sehingga di ketahui sifat – sifat fisik maupun mekanik suatu material. Dengan mengetahui sifat – sifat material maka kita dapat menentukan sifat – sifat mana yang harus dipetahankan ataupun di hilangkan sesuai dengan fungsi material itu sendiri salah satu pengujian yang dapat di lakukan adalah metallographic examination test.
Meskipun dimungkinkan untuk menghasilkan logam tanpa struktur kristal bahan yang kini di gunakan dalam bidang rekayasa adalah logam kristalin. Akan tetapi struktur kristal bahan ini tidak continue dan mengandung diskontunitas yang disebut batas butir. 57
larutan sabun kita kocok merupakan model tiga dimensi dari kristal dengan batas butirnya. Butir kristal tak sepenuhnya berbentuk polihedial tetapi dapat mempunyai bentuk yang berbeda, tergantung pada riwayat termal dan mekanik bahan utuh. Terjadinya berbagai struktur di bahas pada bab – bab berikutnya sifat mekanik turut ditentukan oleh ukuran butir makin halus butir, makin keras bahan dan kekuatan luluh ketangguhan bahan juga makin tinggi. Kualitas suatu material sangat ditentukan oleh komposisi kimia dan mikrostrukturnya. Mikro struktur merupakan struktur logam dalam reduksi mikroskopik (1 – 100 μm). Dalam mikro struktur terdiri dari beberapa konstituen seperti fasa butir kristal, cacat kristal segresi. Berikut ini gambar struktur mikrostruktur. Pada baja ada berbagai macam fasa yang mungkin terbentuk akibat suatu proses heat treatment. Diman setiap fasa yang terbentuk memiliki sifat – sifat khusus. Ferit mempunyai sel satuan kubus pusat badan atau Body Centered Cubus (BCC). Menunjukkan molar yang jelas dan menjadi getas pada temperatur rendah. Austenit mempunyai sel satuan kubus pusat muka atau Fase Centered Cubus (FCC). Menunjukkan titik molar yang jelas tanpa kegetasan pada keadaan dingin. Akan tetapi kalau berupa fasa menstabil bias berubah menjadi α1 pada temperature rendah dengan pengerjaan matensit adalah fasa larutan padat lewat jenuh dari carbon. Dalam sel satuan tetragonal pusat badan atau Body Centered Tetragonal (BET) makin tinggi derajat kelewat jenuhan carbon makin besar perbandingan satuan sumbu sel satuannya matensit tersebut, bainit mempunyai sifat – sifat antara lain martensit dan ferit. Sesuai dengan keaneka ragaman strukturnya maka dapat diperoleh berbagai sifat baja termasuk kekuatan dan keuletan, faktor – faktor yang menentukan sifat – sifat mekanik adalah macam fasa adalah unsur paduan dalam fasa banyak fasa ukuran dan bentuk senyawa untuk mendapatkan sifat–sifat mekanik yang didinginkan perlu mendapat struktur yang cocok dengan komponen kimia dan perlakuan panas yang tepat.
G. MENGENAL MACAM-MACAM BAHAN TEKNIK (ENGINEERING MATERIAL) Alam disekitar kita terdiri dari berbagai jenis bahan (material) dan merupakan sumber potensial yang dapat dimanfaatkan untuk memenuhi kebutuhan hidup manusia. Jauh sebelum revolusi industri manusia telah merasakan manfaat material dan menyadari bahwa pemanfaatan material mampu mengubah peradaban manusia, oleh karena itu material (bahan) menjadi sangat penting artinya dan senantiasa berkembang sesuai dengan perkembangan 58
peradaban, Ilmu Pengetahuan serta Teknologi manusia itu sendiri. Untuk itulah maka berbagai sumber daya alam dieksplorasi dan diolah secara besar - besaran. Teknologi informasi berpengaruh besar terhadap Perkembangan Ilmu Pengetahuan dan Teknologi secara global dan menjadikan persaingan ekonomi yang sangat ketat, sementara ketersediaan sumber daya alam akan bahan (material) menjadi sangat terbatas, tentu saja hal ini menuntut inovasi dan efisiensi pemanfaatan bahan alam secara optimal. Bahan - bahan Teknik (Materrials for Engineering) dan cara pemilihannya Yang dimaksud dengan bahan - bahan teknik ialah bahan (material) yang dapat digunakankan baik secara langsung maupun melalui proses pengolahan dan berfungsi sebagai bahan baku suatu produk yang bermanfaat. Keragaman kebutuhan manusia akan suatu produk baik kualitas maupun kuantitasnya maka diperlukan pula keragaman dari bahan-bahan Teknik itu sendiri sebagai bahan bakunya, kendati semua material diperoleh dari alam namun untuk mempermudah dalam pemilihannya maka bahan teknik ini dikelompokkan berdasarkan pemakaiannya baik sebagai prduk jadi maupun sebagai bahan baku, dimana bahan-bahan digunakan secara langsung dan dipilih sesuai dengan sifat dan karakteristik alami dari bahan tersebut, bahan ini yang kita sebut sebagai bahan alam, namun ada juga bahan yang diolah terlebih dahulu agar memiliki sifat dan karakteristik secara spesifik atau menyerupai sifat dan karakteristik bahan-bahan alam tertentu sehingga memenuhi syarat kebutuhan sifat dan karakterristik suatu produk yang diinginkan dan bahan dari kelompok ini yang kita sebut sebagai bahan tiruan atau syntetic material.
A. Bahan alam Bahan alam merupakan bahan baku prorduk yang diperoleh dan digunakan secara langsung dari bahan alam, oleh karena itu produk akhir yang menggunakan bahan baku ini akan memiliki sifat yang sama dengan bahan asalnya, yang termasuk dalam kelompok ini antara lain kayu, batu, karet, kulit, keramik, Celulosa dan lain-lain. B. Bahan-bahan tiruan (syntetic materials) Bahan-bahan tiruan (syntetic materials) biasanya diperoleh dari senyawa kimia dengan komposisi berbagai unsur akan diperoleh suatu sifat tertentu secara spesifik atau sifat yang menyerupai sifat bahan alam. Bahan ini dikenal sebagai bahan plastic (Plastics Materrials), yakni suatu bahan yang pertama kali dibuat oleh Leo Baekeland seorang Belgia tahun 1907 59
dan dipatenkan dengan nama Baklite. Molekul yan kita sebut sebagai “Polymer” yang berarti, Materials Plastics yang terbentuk dari ikatan rantai atom-atom serta terdiri atas “beberapa Unit” ikatan rantai atom-atom tersebut. oleh karena itu proses pengikatan dengan molekul-molekul kecil ini dikenal sebagai “Polymerization”. Contoh dari bahan jenis ini ialah Polythene yakni Polymer yang terdiri atas 1200 atom Carbon pada setiap 2 atom Hydrogen sehingga memiliki tegangan serta keuletan yang tinggi.dan pada beberapa jenis plastic memiliki regangan yang besar yang dakibatkan oleh rantai ikatan yang panjang. 1. Thermoplastics Thermoplastics dapat mencair melalui proses pemanasan dan dapat diubah bentuknya melalui pencetakan sebagaimana yang dilakukan pada bahan seperti Polythene, Polystyrene, Poly Vinyl Cloride (PVC), Nylon, Perspex, Propylene dan lain-lain 2. Thermosetting Thermosetting memiliki perbedaan dengan thermoplastics dimana pemanasan akan hanya dapat melakukan perubahan formasi rantai molekul secara kimiawi dalam bentuk ikatan melintang tiga dimensi. Gaya tarik antara rantai Molekul dapat terbentuk oleh pergeseran tempat molekul dalam pemisahan diri akibat larutan dari bahan tersebut. Tempat plastisizer memberikan pengaruh terhadap sifat polymer. Contohnya penambahan kapur barus pada Cellulose nitrate yang menghasilkan suatu zat yang perdagangan diketahui sebagai celluloid dan dapat dicetak melalui pemanasan. Sifat-sifat mekanik dari bahan-bahan plastic dapat diperbaiki dengan penguatan oleh bahan tambah (filler material), serat fibre, serbuk gergaji, sampah kertas, majun dan lain-lain dapat meningkatkan tegangannya, serat asbes dapat meningkatkan ketahanan panasnya dan untuk resistensi arus listrik dapat digunakan mica. Bahan pelapis digunakan lembaran platic (Plastic-impregnated paper) dengan lapisan Cotton untuk pemakaian pada penguatan panel. Atau lapisan kayu untuk memperbaiki performanya. Serat penguat plastic (Fibre-reinforced) dicoba untuk meningkatkan tegangan dari keadaan rapuh dan lembek. Fibre-glass telah digunakan sejak beberapa tahun yang lalu sebagai bahan pembuat body perahu, body kendaraan dan lainlain. Penambahan unsur Carbon menjadikannya sebagai bahan composite yang ringan namun memiliki tegangan yang tinggi. 3. Karet sintetis (Synthetic-rubbers) Karet alam diproduksi dari cairan latex atau getah pohon karet polymer yang panjang dengan rantai molekul yang berserakan, Karet alam memiliki kedua sifat yakni elastic dan thermoplastic, deformasi permanent dapat terjadi apabila diregang secara perlahan dengan peningkatan temperature. Charles Goodyer (1839) mengolahnya dengan mencampurkan latek dengan sulphur dan menghasilkan karet dengan sifat yang lebih kenyal dan elastic lembut serta tahan terhadap temperature tinggi dan dikembangkan menjadi faberik Vulcanizing sebagai mana yang kita kenal saat ini sebagai faberik ban (manufacture of tyre). The American60
developed syntetic rubber, GR-S, yang merupakan polymer hasil pencampuran antara Butadiene dengan styrene, bahan ini memiliki sifat dan karakteristik yang sama dengan karet alam dengan harga yang lebih murah juga digunakan di paberik ban (manufacture of tyre), alas kaki (foot wear),pipa karet (hosepipe) sabuk konveyer serta isolasi kabel. Neoprene ialah jenis lain dari karet syntetis yang memiliki sifat sama dengan karet alam dengan sifatnya yang sangat tahan terhadap minyak nabati dan oli mineral serta tahan terhadap temperature tinggi. Neoprene merupakan bahan yang relative mahal, pemakaiannya adalah sebagai bahan pipa, sabuk konveyer serta lapisan kabel. Butyl-rubber merupakan copolymer dari isobutylene dan isoprene, bahan ini sangat stabil terhadap bahan kimia dan temperratur tinggi, harganya sedikit lebih murah dari karet alam namun kurang tahan, kendati demikian karret ini tidak tembus udara dan gas dan digunakan sebagai bahan innertube, tubeless tyre, air bag peralatan olah raga, cetakan diapragma juga digunakan sebagai bahan hose, lapisan tangki serta sabuk konveyor (Conveyor belts). Bahan-bahan Logam Non-Ferro (Non-Ferrous Metals) Logam Non-Ferro (Non-Ferrous Metal) ialah jenis logam yang secara kimiawi tidak memiliki unsur besi atau Ferro (Fe), oleh karena itu logam jenis ini disebut sebagai logam bukan Besi (non Ferro). Beberapa dari jenis logam ini telah disebutkan dimana termasuk logam yang banyak dan umum digunakan baik secara murni maupun sebagai unsur paduan. Pada uraian berikut akan kita lihat logam dari jenis non Ferro ini secara lebih luas lagi, karena semakin berkembangnya ilmu pengetahuan dan teknologi terutama dalam pengolahan bahan logam, menjadikan semua jenis logam digunakan secara luas dengan berbagai alasan, mutu produk yang semakin ditingkatkan, kebutuhan berbagai peralatan pendukung teknologi serta keterbatasan dari ketersediaan bahan-bahan yang secara umum digunakan dan lainlain. Logam non Ferro ini terdapat dalam berbagai jenis dan masingmasing memiliki sifat dan karakteristik yang berbeda secara spesifik antara logam yang satu dengan logam yang lainnya, demikian pula F. Sifat dan berbagai karakteristik dari beberapa logam non Ferro.
1. Lead, Timbal, Timah hitam, Plumbum (Pb) Timah hitam sangat sangat lunak, lembek tetapi ulet, memiliki warna putih terang yang sangat jelas terlihat pada patahan atau pecahannya. Timah Hitam memiliki berat jenis (ρ) yang sangat tinggi yaitu =11,3 kg/dm3 dengan titik cair 3270C, digunakan sebagai isolator anti radiasi Nuclear. Timah hitam diperoleh dari senyawa Plumbum-Sulphur (PbS)
61
yang disebut “Gelena” dengankadar yang sangat kecil. Proses pemurniannya dilakukan dengan memanaskannya didalam dapur tinggi, proses pencairan untuk menghilangkan oxides serta unsur lainnya. Selain untuk pemakaian sebagai isolator radiasi, Timah hitam digunakan juga sebagai bahan pelapis pada bantalan luncur, bahan timah pateri serta sebagai unsur paduan dengan baja atau logam Non Ferro lainnya yang menghasilkan logam dengan sifat Free Cutting atau yang disebut sebagai baja Otomat. 2. Titanium (Ti) Titanium (Ti) memiliki warna putih kelabu, sifatnya yang kuat seperti baja dan stabil hingga temperature 4000C, tahan korosi dan memiliki berat jenis (ρ) = 4,5 kg/dm3. Titanium (Ti) digunakan sebagai unsur pemurni pada baja serta sebagai bahan paduan dengan Aluminium dan logam lainnya. Titanium (Ti) memiliki titik cair 16600C dan kekuatan tarik 470 N/mm2 serta densitas 56 %. Titanium (Ti) tidak termasuk logam baru walaupun pengembangannya baru dilakukan pada tahun 1949, karena sebenarnya Titanium (Ti) telah terdeteksi sejak tahun 1789 dalam bentuk Oxide Silicon, karena pengaruh oxygen maka pada saat itu tidak memungkinkan untuk dilakukan extraction, dimana Titanium (Ti) merupakan bagian penting dari Oxygen, namun pada akhirnya ditemukan metoda pemurnian Titanium (Ti) ini melalui pemanasan dengan Carbon dan Clorine, kemudian dengan Magnesium dan denganSodium pada suhu pemanasan antara 8000C hingga 9000C yang menghasilkan Titanium Tetraclorite sebagai produk awal dari Titanium (Ti) yang selanjutnya menggunakan Magnesiumcloride atau Sodiumcloride. Proses pencairan dan penuangan Titanium (Ti) kedalam bentuk Ingot memerlukan teknik tersendiri karena proses pemanasan pada Titanium dapat mengikat oxides dari dapur pemanas itu sendiri dimana Titanium cair berhubungan dengan udara (Oxygen) yang merupakan komponen dari proses pencairan tersebut. Titanium cair mengikat electrode yang merupakan larutan Titanium kasar, sedangkan electrode itu sendiri tergantung pada bagian atas dari dapur pemanas, dalam keadaan yang demikian ini gas argon dihembuskan untuk memvacumkan ruangan serta cairan, bersamaan dengan itu dialirkan pula air pendingin. Dengan demikian serbuk Titanium akan terkumpul dibagian dasar dari dapur pemanas tersebut, selanjutnya setelah membentuk ingot diproses lagi melalui proses tempa (Forging), rolling, drawing atau extrusing. Dapur pemanas ini biasanya berkapasitas sampai 2 Ton. 3. Nickel, Nickolium (Ni) 62
Nickel, Nickolium merupakan unsur penting yang terdapat pada endapan terak bumi yang biasanya tercamppur dengan bijih tembaga. Oleh kerena itu diperlukan proses pemisahan dan pemurnian dari berbagai unsur yang akan merugikan sifat Nickel tersebut. Dalam beberapa hal Nickel memiliki kesamaan dengan bijih logam yang lain seperti juga besi selalu memiliki sifat-sifat yang buruk seperti titik cair yang rendah kekuatan dan kekerasannya juga rendah, tetapi juga memiliki keunggulan sebagaimana pada Nickel ini ialah ketahanannya terhadap berbagai pengaruh korosi dan dapat mempertahankan sifatnya pada temepratur tinggi. Oleh karena itu Nickel banyak digunakan sebagai pelapis dasar sebelum pelapisan dengan Chromium, dimana Nickel dapat memberikan perlindungan terhadap berbagi pengaruh gangguan korosi pada baja atau logamlogam lainnya. Bijih Nickel mengandung 2,5 % Nickel yang bercampur bersama-sama unsur lain yang sebagian besar terdiri atas besi dan silica serta hampir 4 % Tembaga dan sedikit Cobalt, Selenium, Tellurium, Silver, Platinum dan Aurum. Sedangkan Tembaga, besi dan Nicel berada pada bijih itu sebagai Sulfida. Setelah proses penambangan bijih itu dipecah dan dilakukan pemisahan dari berbagai unsur yang mengandung batuan yang mengapung. Kemudian sulfide Nickel dan Sulfide Tembaga dipisahkan melalui proses pengapungan. Proses berikutnya ialah pemanggangan Sulfide Nicel untuk menggerakan Sulphur, selanjutnya dituangkan kedalam bejana, untuk selnjutnya dilakukan pemurnian melalui proses oxidasi sebagaimana dalam proses Bessemer dalam pemurnian baja. Dari proses ini akan diperoleh 48 % Nickel dan 27 % Tembaga. Selanjutnya dipanaskan bersama Sodium Sulfat dengan pemanasan kokas untuk memperoleh larutan Tembaga Nickel dan Sulfide Besi, kemudian dituangkan kedalam ladle untuk dilakukan pemadatan, Selama pendinginan Tembaga dan Sodium mengapung keatas dan ketika terjadi pemadatan Nickel dan Tembaga akan terpisah oleh tiupan atau pemukulan. Proses pemurnian lajut dilakukan dengan electrolisa dengan terlebih dahulu disinter sehingga berbentuk Briket, atau dapat juga dengan proses ‘carbonil’ jika tresedia cukup daya listrik dimana serbuk Nickel dipanggang untuk menhilangkan sisasisa Sulphur dan Besi kemudian direduksi oleh Hydrogen. Dengan demikian maka oxide logam akan keluar dan membentuk uap, akan terbang dan membentuk gas Nickel carbonil yang kemudian mencair karena pengaruk Carbonmonoxide serta akan mengalir melalui kulit endapan Nickel. Pemakaian Nickel Secara komersial Nickel banyak digunakan secara murni terutama untuk peralatanperalatan yang menuntut ketahanan korosi yang tinggi, seperti peralatan dalam industri 63
makanan , industri kimia, obat-obatan serta peralatan kesehatan, industri petroleum dan lainlain. Nickel dapat dibentuk melalui proses panas maupun dingin, memiliki sifat mampu tempa, mampu mesin dengan pemotong HSS. Dapat dikerjakan dengan Cupping, Drawing, Spining, Swaging, Bending, dan Forming. Penyambungan dapat dilakukan dengan pengelasan, penyolderan, Brazing dan Welding. 4. Timah putih, Tin, Stannum (Sn) Timah putih, Tin, Stannum (Sn) ialah logam yang berwarna putih mengkilap, sangat lembek dengan titik cair yang rendah yakni 2320C. Logam ini memiliki sifat ketahanan korosi yang tinggi sehingga bnayak digunakan sebagai bahan pelapis pada plat baja, digunakan sebagai kemasan pada berbagai produk makanan karena Timah putih ini sangat tahan terhadap asam buah dan Juice. Fungsi kegunaan yang lain ialah sebagai bahan pelapis pada bantalan luncur serta sebagai unsur paduan pada bahan-bahan yang memiliki titik cair rendah. Timah putih, Tin, Stannum (Sn) paling banyak digunakan sebagai timah pateri serta paduan pada logam-logam bantalan seperti Bronzes dan gunmetal atau ditambahkan sedikit pada paduan Tembaga Seng (Kuningan, Brasses) untuk memperoleh ketahanan korosi. Timah putih, Tin, Stannum (Sn) diproses dari bijih timah (Tinstone), extracsinya dilakukan melalui pencairan dengan temperature tinggi sehingga timah dapat mengalir keluar dari berbagai unsur pengikatnya. 5. Seng, Zincum (Zn) Seng, Zincum (Zn) ialah logam yang berwarna putih kebiruan memiliki titik cair 4190C, sangat lunak dan lembek tetapi akan menjadi rapuh ketika dilakukan pembentukan dengan temperature pengerjaan antara 1000C sampai 1500C tetapi sampai temperature ini masih baik dan mudah untuk dikerjakan. Seng memiliki sifat tahan terhadap korosi sehingga banyak digunakan dalam pelapisan plat baja sebagai pelindung baja tersebut dari pengaruh gangguan korosi, selain itu Seng juga digunakan sebagai unsur paduan dan sebagai bahan dasar paduan logam yang dibentuk melalui pengecoran. Sekalipun Seng merupakan bahan yang lembek akan tetapi peranannya sangat penting sekali sebagai salah satu bahan Teknik yang memilki berbagai keunggulan, baik digunakan sebagai bahan pelapis pada baja yang tahan terhadap korosi, misalnya untuk atap bangunan, dinding serta container yang juga harus tahan terhadap pengaruh air dan udara serta serangga dan binatang. Seng juga merupakan unsur paduan untuk bahan pengecoran. Bahan baku Seng
64
adalah Sulfida Carbonate, biasanya berada berdekatan dengan Lead atau Timah Hitam atau kadang-kadang juga dengan Silver. Konsentrat biasanya dilakukan dengan Grafitasi atau pengapungan. Proses produksi awal dilakukan dengan mengurangi kadar Asam sulfat yang terkandung pada Oxide Seng melalui penggarangan. Langkah selanjutnya ialah menggunakan satu Thermal untuk menghasilkan penguapan serta kondensat, dari proses ini akan diperolah 1 hingga 2 % Lead yang diketahui sebagai Spelter atau Seng kasar dengan 99,99 % yang akan diproses lanjut dengan cara elektrolisa serta proses penggarangan, dan melalui proses ini bijih Seng akan melarut didalam Asam Sulphuric sesuai dengan kebutuhannya. Proses berikutnya ialah penggarangan agar unsur Carbon bercampur didalam Briket sebelum pemanasan melalui pengolperasian didalam retor Vertical secara Continyu. 6. Manganese (Mn) Manganese (Mn) logam yang memiliki titik cair 12600C Unsur Manganese (Mn) ini diperoleh melalui proses reduksi pada bijih Manganese sebagaimana proses yang dilakukan dalam pembuatan baja. Manganese digunakan pada hampir semua jenis baja dan besi tuang sebagai unsur paduan kendati tidak menghasilkan pengaruh yang signifikan dalam memperbaiki sifat baja tetapi tidak berpengaruh buruk karena didalam baja memiliki kandungan unsur Sulphur. Disamping itu Manganese (Mn) merupakan unsur paduan pada Aluminium, Magnesium ,Titanium dan Kuningan. 7. Chromium (Cr) Chromium ialah logam berwarna kelabu, sangat keras dengan titik cair yang tinggi yakni 18900C , Chromium diperoleh dari unsur Chromite, yaitu senyawa FeO.Cr2. Unsur Chromite (Fe2 Cr2 06 ) serta Crocoisite (PbCrO4). Chromium memiliki sifat yang keras serta tahan terhadap korosi jika digunakan sebagai unsur paduan pada baja dan besi tuang dan dengan penambahan unsur Nickel maka akan diperoleh sifat baja yang keras dan tahan panas (Heat resistance-Alloy). 8. Aluminium (Al) Aluminium ialah logam yang berwarna putih terang dan sangat mengkilap dengan titik cair 6600C sangat tahan terhadap pengaruh Atmosphere juga bersifat electrical dan Thermal Conductor dengan koefisien yang sangat tinggi. Chromium bersifat non magnetic. Secara komersial Aluminium memiliki tingkat kemurnianhingga 99,9 % , dan Aluminium non paduan kekuatan tariknya ialah 60 N/mm2 dan dikembangkan melelui proses pengerjaan dingin dapat ditingkatkan sesuai dengan kebutuhannya hingga 140 N/mm2.
65
Uraian lebih luas tentang Aluminum dapat dilihat pada uraian tentang Aluminium dan paduannya. 9. Tembaga, Copper, Cuprum (Cu) Tembaga ialah salah satu logam penting sebagai bahan Teknik yang pemakaiannya sangat luas baik digunakan dalam keadaan murni maupun dalam bentuk paduan. Tembaga memilki kekuatan Tarik 150 N/mm2 sebagai Tembaga Cor dan dengan proses pengerjaan dingin kekuatan tarik Tembaga dapat ditingkatkan hingga 390 N/mm2 demikian pula dengan angka kekerasannya dimana Tembaga Cor memiliki angka kekerasan 45 HB dan meningkat hingga 90 HB melalui proses pengerjaan dingin, dengan demikian juga akan diperoleh sifat Tembaga yang ulet serta dapat dipertahankan walaupun dilakukan proses perlakuan panas misalnya dengan Tempering (Lihat Heat treatment). Sifat listrik dan sebagai penghantar panas yang baik dari Tembaga (Electrical and Thermal Conductor) Tembaga dan menduduki urutan kedua setelah Silver namun untuk ini Tembaga dipersyaratkan memiliki kemurnian hingga 99,9 %. Salah satu sifat yang baik dari tembaga ini juga adalah ketahanannya terhadap korosi atmospheric bahkan jenis korosi yang lainnya . Tembaga mudah dibentuk dan disambung melalui penyolderan (Soldering), Brazing dan pengelasan (Welding). Untuk membahas lebih jauh tentang Tembaga ini dapat dilihat pada uraian tentang Tembaga dan paduannya. 10. Magnesium (Mg) Magnesium ialah logam yang berwarna putih perak dan sangat mengkilap dengan titik cair 6510C yang dapat digunakan sebagai bahan paduan ringan, sifat dan karakteristiknya sama dengan Aluminium. Perbedaan titik cairnya sangat kecil tetapi sedikit berbeda dengan Aluminium terutama pada permukaannya yang mudah keropos bila terjadi oxidasi dengan udara. Oxid film yang melapisi permukaan Magnesium hanya cukup melindunginya dari pengaruh udara kering, sedangkan udara lembab dengan kandungan unsur garam kekuatan oxid dari Magnesium akan menurun, oleh kerana itu perlindungan dengan cat atau lac (pernis) merupakan metoda dalam melidungi Magnesiumdari pengaruh korosi kelembaban udara.
11. Antimony, Stibium (Sb) Antimony, Stibium (Sb) ialah logam yang berwarna putih kelabu terang, Antimony, Stibium memiliki titik cair 6300C, Logam ini diperoleh dari mineral Stibnite (Sb2S3), Tetrahednite (Cu3SbS3) dan Famantinite (Cu3SbS4) dan dari kedua bahan mineral inilah 66
Antimony, Stibium (Sb) dibuat melalui penguapan, akan tetapi karena tidak mencukupi maka terpaksa dilakukan extracsi pada Stibinite. Antimony, Stibium (Sb) digunakan dalam pemenuhan kebutuhan bahan yang digunakan pada temperature rendah, sebagai logam-logam bantalan yang dipadu dengan lead (timah hitam) dan akan mempengaruhi kekerasan dari Timah hitam itu sendiri. 12. Bismuth (Bi) Bismuth ialah logam berwarna putih kelabu kemilau, sifat Bismuth sangat keras dan rapuh dan tidak dapat ditemnpa. Titik Cairnya 2710C dan keadaannya relative murni. Bismuth diperoleh dari campuran berbagai unsur dalam kondisi alami. Proses Pemisahannya dilakukan dengan pembersihan terlebih dahulu dimana Bismuth ini terdapat dalam keadaan kurang bersih, sehingga diperlukan berbagai perlakuan. 13. Boron (B) Boron (B) memiliki titik cair 23000C dan Boron-Carbide sangat keras dan tahan terhadap pengaruh kimia. Proses pemurnian Boron termasuk sangat sulit akan tetapi kerap kali Boron ditemukan dalam keadaan murni sehingga disebut sebagai logam Murni atau logam langka (rare-metal). Boron tidak digunakan sebagai element akan tetapiu Boron digunakan sebagai bahan pembuatan Dies, Nozle untuk Injection moulding, perlatan cetakan pasir Sand Blasting Gauge, pivot serta permukaan bearing. Boron dibuat dlkam bentuk bubukan sehingga pembentukannya dilakukan dengan proses Sintering. 14. Cadmium (Cd) Cadmium (Cd) ialah logam yang berwarna putih kebiruan sifatnya sangat lunak dan lembek dengan titik cair hanya 3210C, sebagai bahan dasar dari Cadmium ini ialah endapan Seng. Endapan pekat dari Cadmium terdapat dibagian tertentu dari instalasi pengolahan Seng (Zn), Cadmium digunakan dalam paduan yang memiliki titik cair rendah serta bahan tambah pada Tembaga. Yang penting dalam pemakaian Cadmium ini ialah sebagai lapisan pelkindung pada Baja atau Kuningan (Brasses). 15. Cerium (Ce) Cerium (Ce) disebut sebagai logam langka (rare earth-metal), memiliki titik cair 6400C dapat ditambahkan kedalam besi tuang untuk pembuatan electrode, pembuatan busur listrik atau sebagai bahan batu pemantik (lighter flints). 16. Cobalt (Co) Cobalt (Co) ialah LOgam yang brwarna putih silver ini memilki titik cair 14900C dan bersifat magnetic tinggi. Cobalt diperoleh bersama unsur Nickel serta element-element mineral tertentu dan dipisahkan selama proses pemurnian pada unsur Nickel. 67
17. Iridium (Ir) Iridium (Ir) ini disebut sebagai baja putih ini adalah logam dari kelompok Platinum yang memiliki titik cair 24540C sebagai bahan paduan dengan unsur Platinum-Alloy yang kuat dank eras serta meningkatkan titik cairnya. 18. Germanium (Ge) Germanium (Ge) merupakan logam dengan sifat kelistrikan yang spesifik sehingga digunakan sebagai komponen adalam Teknik Kelistrikan. 19. Mercury, Hydragirum (Hg) Mercury, Hydragirum (Hg) ialah salah satu jenis logam murni yang diperoleh dalam skala kecil dengan logam murni lainnya serta Sulphide (HgS) yang dapat dilakukan extraksi melalui pemanasan sederhana yang kemudian diproses secara destilasi, jika perlu dilakukan penegrjaan lanjut untuk menghilangkan kadar Seng dan Cadmium. Mercury digunakan dalam Thermometer dan Barrometer serta saklar atau electrical Switches. 20. Molybdenum (Mo) Molybdenum (Mo) ialah Logam yang berwarna putih Silver dengan titik Cair 26200C. Terdapat dalam bentuk Sulphide serta berbagai Oxid pada berbagai jenis Logam. Molybdenum (Mo) digunakan sebagai unsur paduan pada baja dan Besi Tuang (Cast Iron). 21. Platinum (Pt) Platinum (Pt) adalah salah satu jenis logam berat yang berwarna putih kelabu dan sangat mengkilap dengan titik cair 17730C dan memiliki sifat yang mudah dibentuk, ulet dan tidak mengandung Oxide atau tar dalam udara bebas. Platinum (Pt) sangat cocok digunakan dalam paduan dengan Iridium yang dapat meningkatkan kekerasannya. Platinum (Pt) terdapat dalam paduan logam mulia serta endapan Tembaga-Nickel. Platinum (Pt) dapat pula diperoleh melalui proses extraksi pada mas (gold) dan Nickel. 22. Palladium (Pd) Palladium (Pd) termasuk dalam kelompok Platinum yakni logam yang berwarna putih dan sangat ulet, mudah dibentuk dan tahan terhadap oxidasi. Palladium (Pd) memiliki titik cair 15550 C. Palladium (Pd) sering dipadukan dengan Silver yang dapat menggantikan Platinum dalam pembuatan Contact Point dan akan memiliki sifat kekerasan yang tinggi dengan ketahanan korosi yang berbeda dengan Silver. 23. Rhodium (Rh) Rhodium (Rh) juga merupakan salah satu dari logam dalam kelompok Platinum, Rhodium (Rh) memiliki titik cair 19850C sangat tahan terhadap berbagai bentuk pengaruh 68
asam. Digunakan sebagai bahan pelapis logam lain serta sebagai unsur paduan pada Platinum dalam pembuatan kawat tahanan (Resisitor) pada Thermocouple. 24. Silver, Argentum (Ag) Silver, Argentum (Ag) adalah salah satu logam mulia yang memiliki titik cair 9600C terdapat dalam skala kecil dan terpadu pada Tembaga dan mas. Silver memiliki conduktifitas listrik yang paling tinggi disbanding dengan logam lainnya dan digunakan dalam kontak listrik juga dalam “Siver solders” serta bahan pelapis logam lain. 25. Selenium (Se) Selenium (Se) memiliki titik cair 2200 C dan dapat diperoleh melalui proses extraksi dari logam lain termasuk pada Tembaga. Sifat yang lain dari Selenium ialah memiliki sifat hantaran listrik yang baik dan menjadi alternative pilihan dalam pemakaian ringan serta digunakan pula dalam photoscell serta digunakan sebagai unsur paduan pada Tembaga untuk meningkatkan sifat mampu mesin dari tembaga tersebut. 26. Tantalum (Ta) Tantalum (Ta) logam yang berwarna putih dan dapat dibentuk melalui proses pengerjaan dingin. Proses pengerjaan panas dapat meningkatkan angka kekerasannya secara drastic. Tantalum (Ta) memiliki titik cair 32070C dan digunakan dalam perkakas Cementite Carbide dan sebagai tambahan unsur paduan pada logam non-Ferro. 27. Tellurium (Te) Tellurium (Te) memiliki titik cair 4520C sedikit ditambahkan pada Timah Hitam akan meningkatkan kekerasannya, dan jika ditambahkan pada Tembaga akan memberikan sifat free-Cutting. 28. Thorium (Th) Thorium (Th) sangat lunak seperti timah hitam (Lead) dan dapat mencair pada temperature 18270C. Thorium (Th) digunakan sebagai unsur paduan pada Tungsten dalam pembuatan kawat filament serta digunakan pula dalam paduan Magnesium untuk menghasilkan sifat Creep resistance.
29. Tungten, Wolfram (W) Tungten, Wolfram (W) memiliki titik cair 34100C berwarna kelabu, sangat keras dan rapuh pada temperature ruangan, tetapi ulet dan liat pada Temperatur tinggi. Bahan dasar dari Tungten, Wolfram (W) ini ialah Oxide mineral dan diperoleh melalui proses reduksi. Tungten, Wolfram (W) digunakan sebagai bahan pembuatan filament, untuk kwat radio dan lampu serta digunakan pula sebagai unsur paduan pada alat potong (Tool Steel) yakni sebagai 69
bahan High Speed Steel (HSS) atau baja kecepatan tinggi, baja Magnet serta dibentuk melalui proses sintering untuk bahan perkakas. 30. Vanadium (V) Vanadium (V) akan mencair pada Temperatur diatas 19000C, logam yang berwarna putih ini sangat keras, jika ditambahkan pada baja sebagai unsur paduan akan menambah kekenyalan dari baja tersebut. 31. Beryllium (Be) Beryllium (Be) Logam yang berwarna kelabu ini memiliki sifat yang sangat keras dengan titik cair 12850C tetapi lebih ringan dari pada Aluminium. Beryllium memiliki sifat yang rendah dalam peredaman Neutronnya pada arah memotong sehingga tidak bereaksi terhadap berbagai bentuk dan derajat Neutron yang dilaluinya. Beryllium (Be) merupakan logam yang memiliki sifat thermal konduktor serta tegangan yang baik dan stabil pada Temperatur tinggi namun keuletannya rendah. Oleh karena itu proses metallurgy bubukan (Powder metallurgy) bukan metoda yang baik dalam pembentukan dengan bahan Beryllium ini. dengan putaran yang sangat rendah sebagaimana pemotongan pada Aluminium. Proses fabrikasi Zirconium harus dilakukan secara hati-hati terhadap kemungkinan terjadinya kontaminasi dengan oxygen, Nitrogen serta Hydrogen akibat pemanasan. Zirconium kadang-kadang digunakan sebagai unsur paduan padan Magnesium dalam memenuhi kebutuhan dalam Teknologi Nuclear dimana Zirconium dapat meredam unsur Neutron secara melintang dengan kekuatan tarik yang stabil didalam suhu runagan, tahan terhadap korosi air , uap serta berbagai media pendingin. Pemakaian Zirconium juga sebagai unsur paduan dengan bahan-bahan lain seperti timah putih (Tin), Besi, Chromium, Nickel, Tembaga dan Molybdenum. 34. Niobium (Nb) Niobium ialah logam yang sangat ulet (ductile) dan lunak dengan kekuatan tarik 280 N/mm2 dan titik cairnya 24690C. Keuletan dari sifat Niobium ini ialah karena pengaruh Oxygen dan Carbon, pengerjaan panas serta udara. Niobium yang dibentuk menjadi plat tipis dapat dilas dengan resistance-Welding, sedangkan untuk bahan yang tebal diatas 0,5 mm harus dilas dengan Argon-arc atau Argon-arc Spot welding. Niobium digunakan dan dikembangkan pemakaiannya untuk memenuhi kebutuhan bahan dlam Teknologi Nuclear serta bahan pembuatan Turbine gas.
70
LOGAM PADUAN Baja merupakan besi dengan kadar karbon kurang dari 2 %. Baja dapat dibentuk menjadi berbagai macam bentuk sesuai dengan keperluan. Secara garis besar ada 2 jenis baja, yaitu : a. Baja karbon b. Baja Paduan a. Baja Karbon Baja karbon disebut juga plain karbon steel, mengandung terutama unsure karbon dan sedikit silicon, belerang dan pospor. Berdasarkan kandungan karbonnya, baja karbon dibagi menjadi - baja dengan kadar karbon rendah ( < 0,2 % C) - Baja dengan kadar karbon sedang ( 0,1%-0,5 % C) - Baja dengan kadar karbon tinggi ( >0,5 % C) Kadar karbon yang terdapat di dalam baja akan mempengaruhi kuat tarik, kekerasan dan keuletan baja. Semakin tinggi kadar karbonnya, maka kuat tarik dan kekerasan baja semakin meningkat tetapi keuletannya cenderung turun. Penggunaan baja di bidang teknik sipil pada umumnya berupa baja konstruksi atau baja profil, baja tulangan untuk beton dengan kadar karbon 0,10% - 0,50 %. Selain itu baja karbon juga digunakan untuk baja/kawat pra tekan dengan kadar karbon s/d 0,90 %. Pada bidang teknik sipil sifat yang paling penting adalah kuat tarik dari baja itu sendiri. b. Baja Paduan Baja dikatakan di padu jika komposisi unsurunsur paduannya secara khusus , bukan baja karbon biasa yang terdiri dari unsure silisium dan mangan. Baja paduan semakin banyak di gunakan.Unsur yang paling banyak di gunakan untuk baja paduan , yaitu : Cr, Mn, Si, Ni, W, Mo, Ti, Al, Cu, Nb, Zr. 6.3.
H. KLASIFIKASI BAJA Baja paduan dapat di klasifikasikan sesuai dengan :
Komposisi
Struktur
Penggunaan
Komposisi Berdasarkan komposisi baja paduan di bagi menjadi : Baja tiga komponen : terdiri satu unsure pemandu dalam penambahan Fe dan C. Baja empat komponen : terdiri dari dua unsure pemandu dst. Struktur Baja di klasifikasikan berdasarkan : Baja pearlit 71
Baja martensit Baja austensit Baja ferrit Baja karbit / ledeburit
Baja pearlit (sorbit dan trostit), di dapat jika unsur-unsur paduan relative kecil maximum 5 %, baja ini mampu di mesin, sifat mekaniknya meningkat oleh heat treatmen (hardening &tempering) Baja martensit, unsure pemandunya lebih dari 5 % sangat keras dan sukar di mesin. Baja autensit, terdiri dari 10 – 30 % unsure pemadu tertentu (Mi, Mn, atau Co) misalnya : baja tahan karat (stainlees steel), non magnetic dan baja tahan panas (heat resistant steel). Baja ferrit, terdiri dari sejumlah besar unsure pemadu (Cr, W atau Si) tetapi karbonnya rendah. Tidak dapat di keraskan. Baja karbit (ledeburit), terdiri sejumlah karbon dan unsure- unsur pembentuk karbit (Cr, W, Mn, Ti, Zr) Penggunaan Berdasarkan penggunaan dan sifat-sifatnya, baja paduan diklasifikasikan :
Baja konstruksi (structural steel)
Baja perkakas (tool steel)
Baja dengan sifat fisik khusus
Baja konstruksi, di bedakan lagi menjadi yiga golongan tergantung persentase unsure pemadunya, yaitu :
Baja paduan rendah (maximum 2 %)
Baja paduan menengah (2 – 5 %)
Baja paduan tinggi ( lebih dari 5 %) Setelah di heat treatmen baja jenis ini sifat – sifat mekaniknya lebih baik dari baja
karbon biasa. Baja perkakas, di pakai untuk alat pemotong, komposisinya tergantung bahan dan tebal benda yang di potong / di sayat pada kecepatan potong, suhu kerja. Baja paduan rendah, kekerasannya tidak berubah hingga pada suhu 250 c. Baja paduan tinggi, kekerasannya tidak berubah hingga pada suhu 600 c. Baja dengan sifat – sifat fisik khusus, dapat di bedakan sebagai berikut :
Baja tahan karat : 0,1 – 0,45 % C ; 12 – 14 % Cr.
Baja tahan panas :12 – 14 % Cr tahan hinggga suhu 750 – 800 c 15 – 17 % Cr tahan hingga suhu 850 – 1000 c 72
Baja tahan pakai pada suhu tinggi . 23 % Cr, 18 – 21 % Ni, 2 – 3 % Si 13 % - 15 % Cr, 13 – 15 % Ni 2 % - 5 % W, 0,25
0,4
% Mo, 0,4 – 0,5 % C
SIFAT-SIFAT FISIK DAN MEKANIS BAJA Sifat baja pada umumnya terdiri dari sifat fisik dan sifat mekanis. Sifat fisik meliputi : berat, berat jenis, daya hantar panas dan konduktivitas listrik. Baja dapat berubah sifatnya karena adanya pengaruh beban dan panas. Sifat mekanis Sifat mekanis suatu bahan adalah kemampuan bahan tersebut memberikan perlawanan apabila diberikan beban pada bahan tersebut. Atau dapat dikatakan sifat mekanis adalah kekuatan bahan didalam memikul beban yang berasal dari luar. Sifat mekanis pada baja meliputi : a. Kekuatan. Sifat penting pada baja adalah kuat tarik. Pada saat baja diberi beban, maka baja akan cenderung mengalami deformasi/perubahan bentuk. Perubahan bentuk ini akan menimbulkan regangan/strain, yaitu sebesar terjadinya deformasi tiap satuan panjangnya Akibat regangan tersebut, didalam baja terjadi tegangan/stress sebesar, , dimana P = beban yang membebani baja, A = luas penampang baja. Pada waktu baja diberi beban, maka terjadi regangan. Pada waktu terjadi regangan awal, dimana baja belum sampai berubah bentuknya dan bila beban yang menyababkan regangan tadi dilepas, maka baja akan kembali ke bentuk semula. Regangan ini disebut dengan regangan elastis karena sifat bahan masih elastis. Perbandingan antara tegangan dengan regangan dalam keadaan elastis disebut dengan “Modulus Elastisitas/Modulus Young” ( ). Ada 3 jenis tegangan yang terjadi pada baja, yaitu : AP E - tegangan , dimana baja masih dalam keadaan elastis - tegangan leleh, dimana baja mulai rusak/leleh - tegangan plastis, tegangan maksimum baja, dimana baja mencapai kekuatan maksimum. b. Keuletan (ductility), Kemampuan baja untuk berdeformasi sebelum baja putus. Keuletan ini berhubungan dengan besarnya regangan/strain yang permanen sebelum baja putus.
73
Keuletan ini juga berhubungan dengan sifat dapat dikerjakan pada baja. Cara ujinya berupa uji tarik. c. Kekerasan, adalah ketahanan baja terhadap besarnya gaya yang dapat menembus permukaan baja. Cara ujinya dengan kekerasan Brinell, Rockwell, ultrasonic, dll d. Ketangguhan (toughness), adalah hubungan antara jumlah energi yang dapat diserap oleh baja sampai baja tersebut putus. Semakin kecil energi yang diserap oleh baja, maka baja tersebut makin rapuh dan makin kecil ketangguhannya. Cara ujinya dengan cara memeberi pukulan mendadak.
Macam - Macam Paduan Dari Logam Non - Ferro (Non - Ferrous Alloys) Tembaga dan Paduannya Tembaga digunakan secara luas sebagai salah satu bahan teknik, baik dalam keadaan murni maupun paduan. Tembaga memiliki kekuatan tarik hingga 150 N/mm2 dalam bentuk tembaga tuangan dan dapat ditingkatkan hingga 390 N/mm2 melalui proses pengerjaan dingin dan untuk jenis tuangan aangka kekerasanya hanya mencapai 45 HB namun dapat ditingkatkan menjadi 90 HB melalui pengerjaan dingin, dimana dengan proses pengerjaan dingin ini akan mereduksi keuletan, walaupun demikian keuletannya dapat ditingkatkan melalui proses annealing (lihat proses perlakuan panas) dapat menurunkan angka kekerasan serta tegangannya atau yang disebut proses “temperature” dimana dapat dicapai melalui pengendalian jarak pengerjaan setelah annealing. Tembaga memiliki sifat thermal dan electrical conduktifitas nomor dua setelah Silver. Tembaga yang digunakan sebagai penghantar listrik banyak digunakan dalam keadaan tingkat kemurnian yang tinggi hingga 99,9 %. Sifat lain dari tembaga ialah sifat ketahanannya terhadap korosi atmospheric serta berbagai serangan media korosi lainnya. Tembaga sangat mudah disambung melalui proses penyoderan, Brazing serta pengelasan. Tembaga termasuk dalam golongan logam berat dimana memiliki berat jenis 8,9 kg/m3 dengan titik cair 10830C. Pembuatan tembaga Unsur dasar tembaga diperoleh dalam bentuk bijih tembaga dengan kadar yang rendah dengan rata-rata kurang dari 4%. Proses pemecahan dan pembubukan dilakukan untuk memisahkan unsur tembaga dari butiran-butiran pengikat melalui pengapungan serta untuk menghilangkan butiran-butiran yang tidak berguna Butiran-butiran yang mengandung unsur tembaga dipanasakan didalam dapur pemanas untuk melepaskan ikatannya 74
dengan unsur batuan serta persenyawaan dengan unsur sulphide besi. Unsur ini kemudian diolah didalam converter untuk pemisahan besi dan sulphur. Proses pemurnian api (Firerefining) Dari proses tersebut diatas akan dihasilkan tembaga untuk dilakukan proses pemurnian api (Fire-refining) dimana tembaga yang dalalm keadaan tidak murni dicairkan dan dilakukan proses oksidasi untuk melepaskan berbagai unsur lainnya yang terkandung didalam Tembaga tersebut. Selanjutnya dengan menggunakan batang kayu yang ditekankan kedalam larutan untuk menggerakkan oxygen oleh pembakaran dan selanjutnya dituangkan kedalam cetakan dan menghasilkan tembaga dalam bentuk batangan. Electrolytic refining Electrolytic refining yaitu proses pemurnian dengan cara elektrolit yang akan menghasilkan tembaga murni, prosesnya ialah tembaga yang berbentuk batangan yakni tembaga yang akan dimurnikan berfungsi sebagai anoda digantungkan didalam cairan panas asam sulphuric dan cooper sulphate dan dihubungkan melalui plat tembaga murni sebagai katoda, dengan demikian unsur tembaga ini akan mngendap pada cathode dan unsurunsur lainnya akan mengendap pada kubangan dari larutan elektrolite. Kadar Tembaga Kadar Tembaga ialah derajat kemurnian tembaga yang berhubungan dengan proses pembuatan serta fungsi pemakaiannya, yang meliputi Cathode Copper Kadar Tembaga diperoleh dari proses electrolisa (electrolytic refining) yang digunakan sebagai raw material untuk penghantar arus listrik serta tembaga paduan dan bahan tuangan. Electrolytic Tough High Conductivity Copper Tembaga ini ialah dimana Cathode copper dicairkan dan dituangkan kedalam cetakan dengan bentuk yang sesuai dengan kebutuhan pekerjaan, kadar oxygen atau Pitch harus dikendalikan secarahati - hati karena dapat mengakibatkan timbulnya efek yang merugikan terhadap sifat kemurniannya.Fire refined Tough Pitch High Condictivity Copper Conduktifitas Tembaga ini lebih baik dari pada electrolytic Tough Pitch Copper, akan tetapi tingkat kemurniannya lebih rendah dimana sebagian kecil dari unsur-unsur lain tidak sapat dihilangkan melalui proses ini.
I. Sifat & Penggunaan Unsur Logam dan Nonlogam a. LOGAM Dalam kimia, sebuah logam (bahasa Yunani: Metallon) adalah sebuah unsur kimia yang siap membentuk ion (kation). Logam adalah salah satu dari tiga kelompok unsur yang dibedakan oleh sifat ionisasi dan ikatan, bersama dengan metaloid dan nonlogam.
75
Pengelompokan dikemukakan oleh Lavoisier, namun masih sangat sederhana, sebab antara unsur-unsur logam sendiri masih terdapat banyak perbedaan. Dalam tabel periodik, garis diagonal yang membedakan unsur logam dari nonlogam. Unsur dalam garis ini adalah metaloid, kadangkala disebut semi-logam. Unsur-unsur yang termasuk metaloid adalah Boron (B), Silikon (Si), Germanium (Ge), Arsen (As), Antimon (Sb), Telurium (Te), Polonium (Po). Logam sendiri terbagi menjadi beberapa kelompok, yaitu: 1.
Alkali : Lithium (Li), Natrium (Na), Potassium (K), Rubidium (Rb), Cesium (Cs),
Francium (Fr). 2.
Logam Alkali Tanah : Beryllium (Be), Magnesium (Mg), Calcium (Ca), Strontium (Sr),
Barium (Ba), Radium (Ra). 3.
Logam Transisi : Lantanida dan Aktinida.
4.
Logam Lainnya : Aluminium (Al), Gallium (Ga), Indium (In), Thallium (Tl), Ununtrium
(Uut), Tin (Sn), Lead (Pb), Ununquadium (Uuq), Bismuth (Bi), Ununpentium (Uup), Ununhexium (Uuh). Beberapa logam terkenal adalah aluminium, tembaga, emas, timah, perak, titanium, uranium, dan zink.
B.
NONLOGAM Nonlogam adalah kelompok unsur kimia yang bersifat elektronegatif, yaitu lebih
mudah menarik elektron valensi dari atom lain dari pada melepaskannya. Unsur-unsur yang termasuk dalam nonlogam adalah: 1.
Halogen : Fluorine (F), Chlorine (Cl), Bromine (Br), Iodine (I), Astatine (At),
Ununseptium (Uus). 2.
Gas mulia : Helium (H), Neon (Ne), Argon (Ar), Krypton (Kr), Xenon (Xe), Radon (Rn),
Ununoctium (Uuo). 3.
Nonlogam lainnya : Hidrogen (H), Carbon (C), Nitrogen (N), Phosphorus (F), Oxygen
(O), Sulfur (B), Selenium (Se). Sebagian besar nonlogam ditemukan pada bagian atas tabel periodik, kecuali hidrogen yang terletak pada bagian kiri atas bersama logam alkali. Walaupun hanya terdiri dari 20 unsur, dibandingkan dengan lebih dari 80 lebih jenis logam, nonlogam merupakan penyusun sebagian besar isi bumi, terutama lapisan luarnya.
76
Pada tabel periodik, unsur-unsur di daerah perbatasan antara logam dan nonlogam mempunyai sifat ganda. Misalnya unsur Boron (B) dan Silikon (Si) merupakan unsur nonlogam yang memilki beberapa sifat logam yang disebut unsur metaloid.
b. SIFAT FISIS LOGAM Pada umumnya unsur logam mempunyai sifat fisis, antara lain: 1.
Logam akan memantulkan sinar yang datang dengan panjang gelombang dan frekuensi
yang sama sehingga logam terlihat lebih mengkilat. Contohnya, emas (Au), perak (Ag), besi (Fe), dan seng (Zn). 2.
Logam dapat menghantarkan panas ketika dikenai sinar matahari, sehingga logam akan
sangat panas (terbakar). Energi panas diteruskan oleh elektron sebagai akibat dari penambahan energi kinetik. Hal ini menyebabkan elektron bergerak lebih cepat. Energi panas ditransferkan melintasi logam yang diam melalui elektron yang bergerak. 3.
Logam juga dapat menghantarkan listrik karena elektronnya terdelokalisasi bebas
bergerak di seluruh bagian struktur atom. Tembaga (Cu) sering dipakai dalam pembuatan kawat penghantar lisrik. 4.
Meabilitas, yaitu kemampuan logam untuk ditempa atau diubah menjadi bentuk
lembaran. Sifat ini digunakan oleh pandai besi untuk membuat sepatu kuda dari batangan logam. Gulungan baja (besi) penggiling menggunakan sifat ini saat mereka mengulung batangan baja menjadi lembaran tipis untuk pembuatan alat-alat rumah tangga. Hal ini karena kemampuan atom-atom logam untuk menggelimpang antara atom yang satu dengan atom yang lain menjadi posisi yang baru tanpa memutuskan ikatan logam. 5.
Duktilitas yaitu kemampuan logam dirubah menjadi kawat dengan sifatnya yang mudah
meregang jika ditarik. Tembaga (Cu) dapat digunakan sebagai bahan baku pembuatan kawat. 6.
Semua logam merupakan padatan pada suhu kamar dengan pengecualian raksa atau
merkuri (Hg) yang berupa cairan pada suhu kamar. 7.
Semua logam bersifat keras, kecuali natrium (Na) dan kalium (Ca), yang lunak dan
dapat dipotong dengan pisau. 8.
Umumnya logam memiliki kepadatan yang tinggi sehingga terasa berat jika dibawa.
9.
Logam juga dapat menimbulkan suara yang nyaring jika dipukul, sehingga dapat
digunakan dalam pembuatan bel atau lonceng. 10. Logam dapat ditarik magnet, sehingga logam disebut diamagnetik, misalnya besi (Fe).
77
c. SIFAT FISIS NONLOGAM Pada umumnya unsur nonlogam mempunyai sifat fisis, antara lain: 1.
Nonlogam tidak dapat memantulkan sinar yang datang sehingga nonlogam tidak terlihat
mengkilat. 2.
Nonlogam tidak dapat menghantarkan panas dan listrik sehingga disebut sebagai
isolator. 3.
Nonlogam sangat rapuh sehingga tidak dapat ditarik menjadi kabel atau ditempa
menjadi lembaran. 4.
Densitas atau kepadatannya pun relatif rendah sehingga terasa ringan jika dibawa dan
tidak bersifat diamagnetik (dapat ditarik magnet). 5.
Nonlogam berupa padatan, cairan dan gas pada suhu kamar. Contohnya padatan Carbon
(C), cairan Bromin (Br) dan gas Hidrogen (H).
c. SIFAT KIMIA LOGAM Sifat-sifat kimia logam antara lain: 1..
Logam memiliki energi ionisasi yang rendah, oleh karena itu logam cenderung
melepaskan elektronnya dengan mudah. Logam cenderung melepaskan elektron daripada menangkap elektron untuk membentuk kation. Logam berikatan dengan lainnya untuk Na+
mencapai stabil. Contohnya, 2.
Mg2+
Al3+ .
Umumnya logam cenderung memiliki titik leleh titik didih yang tinggi karena kekuatan
ikatan logam. Kekuatan ikatan berbeda antara logam yang satu dengan logam yang lain tergantung pada jumlah elektron yang terdelokalisasi pada lautan elektron, dan pada susunan atom-atomnya.Sifat titik leleh menunjukkan kekerasan logam, titik leleh yang tinggi artinya logamnya keras, sedangkan titik leleh rendah artinya logamnya lemah. Semua logam memiliki titik leleh yang tinggi, kecuali merkuri (Hg), cerium (Ce), galium (Ga), timah (Sn) dan timbal (Pb). 3.
Logam memiliki 1 sampai 3 elektron dalam kulit terluar dari atom-atomnya.
4.
Kebanyakan logam oksida yang larut dalam air bereaksi untuk membentuk logam
hidroksida. Contonya: logam oksida
5.
+
air
Na2O (s)
+
H2O (l)
CaO (s)
+
H2O (l)
logam hidroksida 2NaOH (aq) Ca(OH)2 (aq)
Logam oksida bereaksi dengan asam membentuk garam dan air. Contohnya: 78
logam oksida +
asam
garam
+
air
MgO (s)
+
2HCl (aq)
MgCl 2 (aq) +
H2O (l)
NiO (s)
+
H2SO4 (aq)
NiSO4 (aq) +
H2O (l)
d. SIFAT KIMIA NONLOGAM Sifat-sifat kimia yang dimiliki unsur nonlogam antara lain: 1.
Jika dilihat dari konfigurasi elektronnya, unsur-unsur nonlogam cenderung
menangkap elektron
karena
anion. Contohnya, 2.
Cl
memiliki -
2-
energi
ionisasi
yang
besar
untuk
membentuk
3-
O
N .
Umumnya unsur nonlogam memiliki titik leleh dan titik didih yang relatif rendah jika
dibandingkan dengan unsur logam. 3.
Nonlogam memiliki 4 sampai 8 elektron dalam kulit terluar dari atom-atomnya.
4.
Nonlogam yang bereaksi dengan logam akan membentuk garam. nonlogam + 3Br 2 (l)
5.
+
logam
garam
2Al (s)
2AlBr 3 (s)
Kebanyakan nonlogam oksida yang larut dalam air akan bereaksi membentuk
asam. Contohnya:
6.
nonlogam oksida
+
air
asam
CO2 (g)
+
H2O (l)
H2CO3 (aq)
Nonlogam dapat bereaksi dengan basa membentuk garam dan air. nonlogam oksida + CO 2 (g)
basa
garam
+ 2NaOH (aq)
+
Na2CO3 (aq) +
air H2O (l)
e. PENGGUNAAN LOGAM Umumnya,
logam
bermanfaat
bagi
manusia,
karena
penggunaannya
di
bidang industri, pertanian, dan kedokteran. Contohnya, merkuri yang digunakan dalam proses klor alkali. Proses klor alkali merupakan proses elektrolisis yang berperan penting dalam industri manufaktur dan pemurnian zat kimia. Beberapa zat kimia yang dapat diperoleh dengan proses elektrolisis adalah natrium (Na), kalsium (Ca), magnesium (Mg), aluminium (Al),
tembaga, seng, perak, hidrogen, klor, fluor, natrium
hidroksida, kalium
dikromat,
dan kalium permanganat. Proses elektrolisis larutan natrium klorida tersebut merupakan proses
klor
alkali.
Elektrolisis
larutan
NaCl
menghasilkan natrium
hidroksida di
katode (kutub positif) dan gas klor di anode (kutub negatif). 79
Pada industri angkasa luar dan profesi kedokteran dibutuhkan bahan yang kuat, tahan karat, dan bersifat noniritin, seperti aloi titanium. Sebagian jenis logam merupakan unsur penting karena dibutuhkan dalam berbagai fungsi biokimiawi. Pada zaman dahulu, logam tertentu,
seperti tembaga, besi,
dan timah digunakan
untuk
membuat
peralatan,
perlengkapan mesin, dan senjata. Secara umum logam mulia berarti logam-logam termasuk paduannya yang biasa dijadikan perhiasan, antara lain emas, perak, perunggu dan platina. Logam-logam tersebut memiliki warna yang bagus, tahan karat, lunak dan terdapat dalam jumlah yang sedikit di alam, sehingga harganya mahal. Emas dan perak memiliki sifat penghantar listrik yang sangat baik sehingga banyak dipakai untuk melapisi konektor-konektor pada perangkat elektronik. Kemampuan logam untuk meregang apabila ditarik disebut duktilitas. Kemampuan logam meregang dan menghantarkan listrik dimanfaatkan untuk membuat kawat atau kabel, contohnya tembaga. Kemampuan logam berubah bentuk jika ditempa disebut maleabilitas. Kemampuan logam berubah bentuk jika ditempa dimanfaatkan untuk membuat berbagai macam jenis barang, misalnya golok, pisau, cangkul, dan lain-lain. Sebagai konduktor panas yang baik, logam juga digunakan untuk membuat panci. Logam bersifat kuat sehingga dapat digunakan untuk membangun rangka bangunan dan jembatan. Logam juga dapat menimbulkan suara dering yang nyaring jika dipukul, maka logam juga dapat digunakan dalam pembuatan bel. Logam berat adalah logam dengan massa jenis lima atau lebih, dengan nomor atom 22 sampai dengan 92. Namun logam berat dianggap berbahaya bagi kesehatan apabila terakumulasi secara berlebihan di dalam tubuh manusia. Beberapa logam tersebut di antaranya bersifat membangkitkan kanker (karsinogen). Demikian pula dengan bahan pangan dengan kandungan logam berat tinggi dianggap tidak layak konsumsi. Kasus-kasus
pencemaran
lingkungan
menyebabkan
banyak
bahan
pangan
mengandung logam berat berlebihan. Kasus yang populer adalah sindrom Minamata, sebagai akibat akumulasi raksa (Hg) dalam tubuh ikan konsumsi. Di Indonesia, pernah dilaporkan bahwa ikan-ikan di Teluk Jakarta juga memiliki kandungan raksa (Hg) yang tinggi. Udang dari tambak Sidoarjo pun pernah ditolak oleh importir dari Jepang karena dinilai memiliki kandungan Kadmium (Cd) dan Timbal (Pb) yang melebihi ambang batas. Diduga logam-logam ini merupakan dampak buangan limbah industri di sekitarnya. Kakao dari Indonesia juga pernah ditolak pada lelang internasional karena dinilai memiliki kandungan Cd di atas ambang batas yang diizinkan. Cd diduga berasal dari pupuk TSP yang diberikan pada tanaman di perkebunan. 80
f.
PENGGUNAAN NONLOGAM Belerang merupakan endapan gas belerang yang membatu. Terbentuknya belerang
karena aktifitas vulkanisme. Belerang (Su) ini banyak digunakan di berbagai macam industri, misalnya pupuk, kertas, cat, plastik, bahan sintetis, pengolahan minyak bumi, industri karet dan ban, industri gula pasir, aki, industri kimia, bahan peledak, pertenunan, film dan fotografi, industri logam dan besi baja, bahan korek api, obat-obatan dan lain-lain. Belerang atau sulfur ini banyak tersebar didaerah Pegunungan, dan Dataran Tinggi, Fosfat merupakan bahan endapan dari kotoran kelelawar dan burung. Fosfat terdapat di daerah karst terutama di dalam gua-gua. Pemanfaatannya digunakan untuk bahan utama pupuk fosfat. Contoh dari carbon (C) adalah intan atau berlian. Intan dalam tingkatan kekerasan batuan, merupakan batuan yang mempunyai tingkatan kekerasan paling tinggi, sehingga intan bisa digunakan untuk mengiris kaca dan marmer. Intan berasal dari endapan tumbuhan jenis pakis-pakisan yang telah mengalami proses yang sangat panjang dan lama. Pemanfaatan utama intan ialah digunakan sebagai perhiasan.
Karbon monoksida (CO) lebih dikenal karena sifatnya yang beracun daripada kegunaannya. Gas ini dapat berikatan dengan haemoglobin dalam darah sehingga menghalangi fungsi utama darah sebagai pengangkut oksigen. Gas CO tidak berwarna, tidak berbau, dan tidak berasa. CO di udara berasal dari pembakaran tak sempurna dalam mesin kendaraan bermotor dan industri. Beberapa penggunaan CO adalah sebagai reduktor pada pengolahan logam, sebagai bahan baku untuk membuat methanol dan merupakan komponen berbagai jenis bahan bakar gas. Gas CO2 tidak beracun, tetapi jika kadarnya terlalu besar (10-20%) dapat membuat pingsan dan merusak sistem pernapasan. CO2 terbentuk pada pembakaran bahan bakar yang mengandung karbon seperti batu bara, minyak bumi, gas alam dan kayu. Gas ini juga dihasilkan pada pernapasan makhluk hidup. Karbon dioksida komersial diperoleh dari pembakaran residu penyulingan minyak bumi. Dalam jumlah besar juga diperoleh sebagai hasil samping produksi urea dan pembuatan alkohol dari proses peragian. Beberapa penggunaan komersial karbon dioksida adalah karbon dioksida padat yang disebut es kering
81
digunakan sebagai pendingin, untuk memadamkan kebakaran dan untuk membuat minuman ringan.
BAB III KESIMPULAN Kelebihan logam(Material) sebagai bahan konstuksi adalah memiliki kuat tarik tinggi, dapat di rubah – rubah bentuknya, mudah di sambung / di las. Empat tahap pengerjaan untuk menghasilkan logam yaitu : penggalian bijih logam, penyiapan bijih, untuk diambil logam dari bijih, Ektraksi atau mengeluarkan / memisahkan logam dari bijih, Pemurnian dan pengolahan logam. Kadar karbon yang terdapat di dalam baja akan mempengaruhi kuat tarik, kekerasan dan keuletan baja. Semakin tinggi kadar karbonnya, maka kuat tarik dan kekerasan baja semakin meningkat tetapi keuletannya cenderung turun. Penggunaan baja di bidang teknik sipil pada umumnya berupa baja konstruksi atau baja profil, baja tulangan untuk beton dengan kadar karbon 0,10% - 0,50 %. Selain itu baja karbon juga digunakan untuk baja/kawat pra tekan dengan kadar karbon s/d 0,90 %. Sifat fisik baja meliputi : berat, berat jenis, daya hantar panas dan konduktivitas listrik. Sifat mekanis pada baja meliputi : Kekuatan, Keuletan (ductility), Kekerasan, Ketangguhan (toughness).
82
