BAHAN KONSTRUKSI & KOROSI
Bambang Sugiarto, MT
Jurusan Teknik Kimia UPN ”Veteran” Jogyakarta 2008
BAHAN / MATERI AJAR 1. 2.
3. 4. 5.
Pendahuluan Struktur Bahan Padat Sifat Mekanik Bahan Logam Dan Paduan Pemrosesan Logam
6. Korosi Logam 7. Pengendalian Korosi 8. Bahan Polimer 9. Bahan Keramik 10. Bahan Komposit
PENDAHULUAN KONTRAK PERKULIAHAN
Presensi min.75% dari total tatap muka Terlambat lebih dari 15 menit tidak diizinkan mengikuti kuliah dan sebaliknya bila dosen terlambat lebih dari 15 menit berarti kuliah ditiadakan Selama proses belajar-mengajar HP harus dalam keadaan OFF Siap mengerjakan tugas dan diserahkan sesuai dengan waktu yang telah ditentukan
SISTEM PENILAIAN
Tugas Kuis (Test) Ujian Tengah Smt Ujian Akhir
Range Nilai: < 30 30 s/d 44,9 45 s/d 54,9 55 – 69,9 >70
25% 35% 40%
Nilai E Nilai D Nilai C Nilai B Nilai A
BUKU ACUAN
Jacobs, J.A & Kilduff, T.F. 1994, Engineering Materials Technology, Structure, Processing, Properties & Selection, 2nd Ed.Printice Hall Engelwood Cliffs, New Jersey Van Vlack, L, 1995, Ilmu dan Teknologi Bahan, 5th Ed., Penerbit Erlangga-Jakarta. Fontana, M.G, 1987. Corrosion Engineering, 3th Edition, McGraw-Hill, Int.Edition Jones, D.A, 1992, Principles and Prevention of Corrosion, Maxwell MacMillan Int’s Editions, Canada
Deal …?
Pengenalan Bahan
Bahan konstruksi adalah bahan yang dengan sifatsifatnya yang khas dimanfaatkan dalam pembuatan mesin, peralatan dan bangunan; termasuk didalamnya antara lain adalah logam, polimer, keramik, gelas, serat, batu, pasir, kayu dan komposit. Ilmu dan Teknologi bahan meliputi pengembangan dan penerapan pengetahuan tentang komposisi, struktur dan pemrosesan bahan sesuai sifat-sifat dan pemakaiannya
SIKLUS BAHAN … PENGGALIAN
PROSES
PENGETAHUAN ILMIAH
PENGGUNAAN
PELAPUKAN
PENGETAHUAN EMPIRIS
Ada kaitan erat antara struktur, sifat, proses, fungsi dan performans bahan. Material Science Ilmu Bahan Æ Struktur bahan Æ Properties/sifat Bahan
> Mekanis, mrp daya tahan thd gaya mekanik (kekerasan, keuletan, kekuatan, rayapan dsb), > Fisis, spt berat jenis, porositas, penghantaran dll > Listrik, spt daya hantar listrik > Kimia, mrp daya tahan thd zat-2 kimia & lingk, redoks
Æ Cara Penanganan Æ Cara Pengolahan/pemrosesan Æ Penggunaan
KELANGKAAN BAHAN DAN ENERGI Æ RECOVERY BAHAN (METAL) Æ 1/20 ENERGI
YANG DIPERLUKAN.
Tabel 1. Jenis Bahan Teknik
KEBAIKAN KEBURUKAN Relatif lebih kaku (stiff) Kerusakan karena Lelah Umumnya konduktor Umumnya terserang oleh korosi dan oksidasi Modulitas tinggi
…Polimer
KEBAIKAN
KEBURUKAN
Tegangan dpt mencapai Perubahan sifat thd suhu tinggi Elastisitas tinggi (flexible) Koef. Friksi rendah
Relatif sulit di daur ulang
Tahan korosi
Modulitas rendah
Mudah dibentuk Dapat di warnai
Titik lebur rendah
Keramik & Gelas
Pemilihan Bahan (Materials Selection)
Mempunyai stock yg cukup Harga bhn & biaya proses murah Kemampuan di Proses Kualitas & Unjuk kerja (Ketahanan mekanik dan efek korosi) Dapat di terima konsumen (berbahaya terhadap manusia & Lingkungan)
STRUKTUR BAHAN PADAT -Suhu -Lingkungan korosif dan radiasi
Struktur
Makroskopik
Sifat Bahan (berubah) Atomik
Struktur Zat Padat
Struktur kristalin
Struktur Amorf
SEL SATUAN Atom-atom di gambarkan sebagai bola dengan ukuran bervariasi yang menempati titik-titik dlm ruang dgn jarak tertentu
Konstanta kisi (a)
Sel Satuan
SISTEM KRISTAL Bentuk sel satuan dan letak atom di dalamnya dibedakan menjadi 7 sistem kristal yaitu spt dlm tabel sbb: Sumbu (axes)
Sudut sumbu (axial angles)
Kubik
a=b=c
Tetragonal
a=b≠c
Ortorombik
a≠b≠c
Monoklin
a≠b≠c
Triklinik
a≠b≠c
Hexagonal
a=a≠c
Rombohedral
a=b=c
α = β = γ = 90o α = β = γ = 90o α = β = γ = 90o α - γ - 90o ≠ β α ≠ β ≠ γ ≠ 90o α = β =90o ; γ = 120o α = β = γ ≠ 90o
Sistem
Sistem kristal kubik terdiri dari 3 bentuk yaitu: Kubik sederhana, Kubik pemusatan ruang (kpr=BCC) dan Kubik pemusatan sisi (kps=FCC).
Sistem kpr Æ tiap atom logam dikelilingi oleh 8 atom tetangga. Dan setiap sel satuan memp. 2 atom (1 atom di pusat, 8 x 1/8 pd ttk sudut)
Dalam Sistem kpr, terdapat hubungan antara konstanta kisi (a) dgn jari-jari atom (R).
(a )log am = 4R kpr
3
Dengan konsep bola keras, maka tumpukan atom (FT) pada sistem kpr dapat diperhitungkan sbb: Volume Atom Faktor Tumpukan = Volume Sel Satuan
Karena dlm sistem kpr terdapat 2 atom, maka: Faktor Tumpukan (FT ) =
(
2 4πR
=
(
)
3
3
a3
2 4πR
3
)
3 = 0,68 3
(4 R 3 )
Logam dgn sistem kpr: Besi (suhu ruang), Krom dan Emas Sistem kps Æ tiap atom logam di ttk sudut memp. 1 atom pd pusat bidang permukaan dan tdk memp. atom pusat.
Dlm Sistem kps, terdapat 4 atom dlm setiap sel satuan (1/8 x 8 + ½ x 6). Hubungan antara konstanta kisi (a) dgn jarijari atom (R).
4R (akps )log am = 2 Faktor tumpukan atom (FT) pada sistem kps adalah : 0.74
Sel Satuan Heksagonal Struktur hexagonal yg lebih padat disebut hexagonal tumpukan padat (htp). Ciri struktur htp terdptnya atom tepat di atas ataupun di bawah sela 3 atom. Contoh : Seng, Titanium dan Magnesium (memp.sel satuan htp)
Tembaga dgn struktur kps, memp. Jari-jari (R) atom 0,1278 nm hitunglah berat jenisnya? Bandingkan dgn nilai yg ada di lampiran B. Jawab: a = 4(0,1278)/√2 = 0,3615 nm Berat jenis = (Massa/sel satuan)/(Volume/sel satuan) = (atom/sel satuan)(gram/atom)/(konstanta kisi)3 = 4(63,5/0,602x1024)/(0,3615x10-9 m )3 = 8,93 Mg/m3 (= 8,93 g/cm3) ≈ (8,92 g/cm3)
BIDANG KRISTAL Tumpukan bidang-bidang kristal yang dibentuk oleh atom-atom akan mempengaruhi sifat bahan padat (solid mat’s properties). Apabila terdapat gaya luar (beban) tekan atau tarik yg ckp besar, maka atomnya bergerak dan terjadi slip. Derajat gerakan tsb memberikan indikasi pada keuletan (ductility) Untuk menunjukan bidang suatu sel satuan digunakan indek Miller seperti (hkl), sedangkan perpotongan negatif di tandai dgn grs di atasnya.
Pada sel satuan kps (FCC), bidang (111) mrpkan bidang dgn jmh atom terpadat yaitu 3 atom. Dan terlihat msh ada bid. yang kosong , bila dikenai beban (gaya) akan dapat mengalami slip, shg logam sejenis ini memp. Sifat ulet (ductile)
Contoh: Suatu bhn logam (Pb) yg memp. Struktur kps dgn Jarijari atom adalah 0,1750 nm, Hitunglah jumlah atom setiap mm2 pd bidang (100) dan bidang (111).
Jawab: 4(0,1750) = = = 0,495 nm 1,414 2
(a )Pb = 4R4R
(a )
kps
kps Pb
(100)
2
2 atom
Atom 12 atom = = x 8 , 2 10 2 2 −6 mm 2 mm 0,495 x10 nm
(
)
Bidang (111) Æ Gbr.3 - 7.7 Mempunyai 3 atom dengan masing-masing 1/6 bagian per luas segitiga yang gelap (1/2 bh) 3 Atom = 2 1 mm
2
(
6
atom −6
3 0,1750 x10 nm
)
2
= 4,7 x10
12
atom mm 2
ARAH KRISTAL (-) Untuk bhn anisotropik memp. Sifat tdk sama pada segala arah. Indek Miller dipakai untuk menunjukan arah kristal [u v w] dan titik hanya x,y,z seperti pada gbr. Sedangkan untuk arah negatif pada sumbu tertentu nilainya ditandai dengan koefisien negatif (grs. Datar di atas nilai sumbu tertentu)
Ketidaksempurnaan Kristal Hal ini dapat disebabkan oleh letak atom-atomnya atau karena adanya impuritis. Penyimpangan ini dapat berupa cacat titik (point defect), cacat garis (line defect) dan cacat permukaan (area defect). Cacat titik Æ cacat ini yg paling sederhana, dan merupakan kekosongan (seolah-olah ada atom yg hilang)
Cacat demikian merupakan akibat penumpukan atom yang salah waktu kristalisasi, atau dapat juga terjadi pada suhu tinggi dimana energi termal memungkinkan atom-atom melompat meninggalkan tempatnya. terdapat kekosongan tunggal, ganda maupun ganda tiga. Cacat titik berpengaruh pada properties zat padat kristalin, antara lain densitas, difusi, migrasi atom-atom dan konduktivitas. Cacat titik yang lain adalah cacat interstisi, yang merupakan akibat adanya atom ekstra lain pada ruang kosong diantara kisi kristal yang normal. atom impuritas bisa ada dengan sendirinya atau sengaja ditambahkan pada pembuatan alloy.
Cacat garis, yang paling banyak dijumpai adalah dislokasi.
Dislokasi adalah barisan atom-atom linier dimana terjadi beberapa ketidaksempurnaan pada ikatan antar atomatom. Dislokasi garis dapat digambarkan sebagai sisipan satu bidang atom tambahan dalam struktur kristal, diberi simbol ⊥ . Dislokasi ulir menyerupai spiral dengan garis cacat sepanjang sumbu ulir. Kedua jenis dislokasi garis terjadi karena ada ketimpangan dalam orientasi bagian-bagian yang berdekatan dalam kristal, sehingga ada suatu deretan atom tambahan ataupun kurang yang terjadi waktu kristalisasi atau akibat deformasi plastik.
Gambar diatas memperlihatkan pembentukan dislokasi akibat geseran. Pada gambar a), garis dislokasi D akan bergerak melalui kristal sampai pergeseran selesai. Pada gambar b) cacat yang terjadi adalah dislokasi ulir, dengan garis cacat sejajar dengan arah pergeseran. Gambar c) menunjukkan cacat linier yang merupakan dislokasi garis, garis cacat tegak lurus pada arah pergeseran.
Kesimpulan adalah cacat garis mempunyai hubungan dengan kekuatan bahan padat, karena menyebabkan interferensi timbal balik pada gerakan melalui suatu kristal yang mencegah bidang-bidang atom untuk selip sehingga memperkuat bahan. Adanya beberapa dislokasi menaikkan kekenyalan bahan padat kristalin. Cacat permukaan (area defects) merupakan ketidaksempurnaan jenis ketiga yang berbentuk batas butir. Pada saat kristal tumbuh, dihasilkan sistem sumbu dimana atom-atom membuat orientasi sendiri-sendiri.
a. Batas Butir
b. Pembentukan butir
Kristal-kristal dengan struktur kisi yang orientasinya berbeda saling mendekati, atom-atom akhir yang harus mengambil posisi dalam sebuah kristal akan sukar untuk menempati sisi yang normal pada kisi, sehinga terbentuk daerah transisi yang disebut batas butir. Sekumpulan kristal-kristal dengan orientasi yang sama disebut butir. Atom-atom pada batas butir mempunyai ketidakteraturan yang besar, sehingga mempunyai energi yang lebih besar daripada atomatom didalam kristal dan merupakan tumpukan atom yang kurang efisien. Faktor tersebut menjadi penyebab mengapa daerah batas butir lebih mudah terkikis. Atom-tom pada batas butir dapat menjadi sumber pembentukan kristal baru (polimorfi) bila kondisinya tepat, serta membantu difusi atom melalui zat padat. Juga mempengaruhi ketahanan terhadap gerakan dislokasi dan karena itu memodifikasi kekuatan dan kemampuan bahan untuk mengalami deformasi plastik. Pada suhu biasa, batas butir menghalangi pergeseran, oleh karena itu bahan dengan butir halus lebih kuat daripada bahan berbutir kasar.
BILANGAN KOORDINASI Bilangan yg menunjukkan jumlah tetangga terdekat oleh suatu atom. Untuk logam kpr, bilangan koordinasinya 8, logam kps dan htp bilangan koordinasinya 12. ( Lihat tabel 2-61,hal.61)
Tergantung pada Jumlah ikatan kovalen disekitar atom:
jumlah elektron valensi Æ elemen dlm grup V (Nitrogen), maka maksimum bil.koordinasinya adalah 3
Polimorfi & Alotropi Polimorfi Æ dua atau lebih memp.komposisi bahan yg sama
ragam
kristal
yg
Alotropi Æ polimorfi yg dapat kembali ke struktur semula oleh pengaruh suhu (contoh: besi bila dipanaskan pd suhu > 910oC, strukturnya berubah dari kpr Æ kps dan bila didinginkan akan kembali ke bentuk struktur kpr. Polimorfi karbon murni adalah grafit yang hitam dan merupakan bahan dengan kekuatan lemah, intan yang sangat keras dan fullerene (gambar 2.19). Perubahan polimorfi / alotropi menyebabkan perubahan sifat bahan.
Polimorfi karbon : a) struktur kubik, masing-masing karbon membentuk ikatan kovalen yang kuat dengan 4 atom karbon lain membentuk suatu tetrahedron. b) Struktur berlapis dalam grafit. Ikatan van der waals antar lapisan menyebabkan lapisan mudah terlepas. c) C-60 atau molekul fullerene dengan 60 atom karbon yang berbentuk seperti bola soccer, terdiri dari 20 heksagon dan 12 pentagon.
