II. SIFAT UMUM BAHAN

II. SIFAT UMUM BAHAN 2.1. Sifat Kimia Perilaku/sifat dasar suatu bahan dipengaruhi oleh sifat pertikel dan interaksi diantara partikel penyusunnya, yang jika ditinjau lebih mendalam maka hal ini akan terkait pada sifat dan susunan serta interaksi atom dalam bahan tersebut. Sesungguhnya susunan dan perilaku kimiawi suatu atom amat kompleks, namun untuk keperluan memahami adanya keragaman sifat fisik dan mekanik antara satu benda dengan benda lainnya, setidaknya diperlukan pengetahuan tentang atom dan sifat dasarnya serta ikatan diantara atom, meskipun terbatas pada hal-hal yang pokok dan umum saja. 2.1.1. Atom dan Ikatan Atom Atom (atau atomos yang berarti tidak terbagi lagi) merupakan bagian terkecil benda yang masih menunjukkan sifat yang sama dengan sifat unsur yang dibentuknya. Atom terdiri dari bagian yang lebih kecil lagi (tetapi masing-masing tidak lagi menunjukkan sifat sebagaimana unsur yang dibentuknya) yaitu nukleus (inti) dan elektron-elektron yang mengelilingi nukleus. Tabel 2.1. Contoh Konvigurasi Elektron Beberapa Atom shell K shell L shell M N, .. dst

nukleus

elektron

Gambar 2.1. Contoh Sebaran Elektron Suatu Atom

Nama Atom H He Li C P Ca Br I Cs

Nomor Unsur 1 2 3 6 15 20 35 39 55

K 1 2 2 2 2 2 2 2 2

Sebaran Elektron Pada Kulit: L M N O P 1 4 8 5 8 8 2 8 18 7 8 18 8 3 8 18 18 8 1

Nukleus sendiri terdiri dari proton yang mempunyai muatan listrik positif sebesar 1,6x10-19 Coloumb (atau Amper detik) dan neutron yang tidak bermuatan listrik. Sedangkan elektron bermuatan listrik negatif sebesar 1,6x10-19 Coloumb, bergerak mengelilingi nukleus dalam lapisan-lapisan orbit/kulit/shell dengan pola sebaran tertentu pada setiap kulit, yaitu maksimum jumlah elektron pada kulit ke n adalah sebanyak 2n2 buah elektron. Identitas atom diekspresikan dengan simbol nama atom dan nomor atom serta nomor massanya. A ZX

Februari 10

X : lambang atom A : nomor massa = jumlah proton + jumlah neutron Z : nomor atom = jumlah proton

Tek Bahan Konstruksi - BAB~2final.doc

helmy ab 1

Elektron yang terletak pada kulit terluar disebut dengan Elektron Valensi. Jika atom bertemu dengan atom lain, atom dengan elektro valensi lebih kecil akan melepaskan elektronnya, sedangkan atom dengan elektro valensi yang lebih besar akan menarik elektron. Pelepasan elektron oleh atom bermuatan listrik (ion) akan meyebabkan atom tersebut bermuatan listrik positif (kation), sebaliknya penarikan elektron dari atom lain akan menyebabkan atom bermuatan listrik negatif (disebut anion). Atom bersifat stabil apabila kulit terluarnya terisi penuh, yaitu 8 (delapan) elektron sebagaimana atom-atom gas mulia kecuali atom He yang stabil meskipun dengan hanya dengan 2 (dua) elektron. Dikarenakan sifat atom-atom cenderung selalu berusaha untuk mencapai kestabilan, dengan jalan melepas atau menarik atau memakai elektron secara bersama untuk memenuhi jumlah elektron pada kulit terluarnya, maka terjadilah ikatan antara atom-atom. Jika atom-atom sejenis bersatu maka akan terbentuk molekul unsur, sebaliknya atom-atom tidak sejenis jika bersatu maka akan terbentuk molekul senyawa. Perilaku masingmasing atom dan sifat ikatan tersebut pada akhirnya menentukan sifat dan perilaku molekul yang dibentuknya. Beberapa jenis ikatan atom yang penting, beserta sifat-sifatnya, diantaranya sebagaimana akan dikemukakan berikut. 2.1.2. Ikatan Primer/ Ikatan Kohesi Kuat Kelompok ikatan primer ini merupakan jenis ikatan yang terkuat dan diantaranya adalah: a. Ikatan Ion Ikatan ion terjadi dengan adanya atom bervalensi lebih kecil melepaskan elektronnya dan atom lainnya yang bervalensi lebih besar menarik elektron tersebut. Bahan dengan atom berikatan seperti ini mempunyai sifat: - kuat dan getas dikarenakan slip antara lapisan ikatan sukar terjadi, - isolator akibat tidak adanya elektron bebas, - bening karena tidak ada kabut elektron yang memantulkan sinar, - dapat terjadi mass transfer dari ion ke elektroda dalam cairannya.

Na + Cl Æ NaCl +

-

Na Cl Gambar 2.2. Perpindahan elektron dalam ikatan ion

Februari 10


helmy ab 2

b. Ikatan Kovalen Ikatan kovalen terjadi dengan adanya penggunaan elektron secara bersama-sama oleh atom-atom.

H

H

Cl

Cl

Gambar 2.3. Penggunaan Bersama Elektron Dalam Ikatan Kovalen.

Bahan dengan atom berikatan seperti ini mempunyai sifat: - kebanyakan dalam bentuk gas, - ikatan diantara atom dalam molekul kuat, tetapi ikatan antar molekul lemah sehingga mudah digeserkan, dengan demikian zat padatnya juga lemah, - isolator akibat tidak adanya elektron bebas, - jika bahan merupakan satu kesatuan, maka akan bersifat sangat kuat, keras dan mempunyai titik lebur tinggi. c. Ikatan Logam Atom-atom logam umumnya berelektro valensi rendah (misalnya Li, Na dan K yang hanya mempunyai 1; Be, Mg, Ca, Fe dan Co yang mempunyai 2 elektron; B dan Al yang berelektro valensi 3). Ikatan logam terjadi akibat adanya perilaku atom-atom yang saling tarik dan menolak dengan kekuatan yang seimbang.

Gambar 2.4. Susunan Ion Pada Ikatan Logam.

Bahan dengan atom berikatan seperti ini mempunyai sifat: - dikarenakan atom-atomnya (ion) sejenis maka gaya ekternal mudah menggeserkan lapisan atom terhadap lapisan lainnya, sehingga slip mudah terjadi dan menjadikan bahan bersifat liat serta tidak sangat keras/kuat, - bahan berwarna (tidak bening) akibat adanya kabut elektron, - mudah menghantarkan listrik (konduktor) dan panas akibat gerak leluasa elektron bebas.

Februari 10


helmy ab 3

2.1.3. Ikatan Sekunder/ Ikatan Van der Waals/ Ikatan Kohesi Lemah Beberapa ikatan sekunder diantaranya adalah ikatan: - Dwi Kutub/ Polarisasi Molekuler, - Induksi Dwi Kutub, - Jembatan H, - Efek Sebar dan sebagainya. Ikatan-ikatan tersebut merupakan hubungan atom-atom yang lemah sehingga molekulmolekulnya mudah untuk dipisahkan.

He

Br He

H

a. Dwi Kutub.

b. Induksi Dwi Kutub.

H

H O

c. Jembatan H.

Gambar 2.5. Contoh Susunan Elektron Pada Ikatan Sekunder

2.1.4. Ikatan Pada Bahan Bangunan Jenis bahan bangunan dan ikatannya pada umumnya dapat digolongan sebagai: a. logam, yang bahan dasarnya tersusun dengan ikatan logam, b. polimer, yang tersusun dengan ikatan kovalen, c. keramik, yang dapat tersusun oleh ikatan logam dan atau ikatan kovalen, d. komposit/ paduan dari beberapa bahan, yang tersusun dengan ikatan logam dan atau ikatan kovalen. 2.2. Sifat Fisika Beberapa parameter-parameter yang berasal dari sifat fisik benda dapat dilihat dalam gambar dan istilah serta rumus-rumus di bawah ini. a. Volume, Berat dan Hubungannya Sifat fisik yang utama benda adalah berat (W) dan volume (V). Umumnya volume benda terdiri dari volume bagian padat dan volume tidak padat. Bagian tidak padat berasal dari volume rongga yang biasa disebut dengan pori-pori (void) baik yang terisi air (biasanya pada pori terbuka) dan yang tidak terisi air (biasanya pada pori tertutup). Demikian pula halnya berat benda umumnya merupakan berat bagian padat dan berat air yang mengisi sebagian atau seluruh pori-pori, sedangkan berat udara yang mengisi sisa ruang pori-pori dianggap kecil sekali (nol). Februari 10


helmy ab 4

Volume:

Berat:

Va Vw

Vv

Wa=0 Ww

udara air

V

zat padat

Vs

W Ws

Pori tertutup Pori terbuka Gambar 2.6. Komponen Berat dan Volume Benda Vv : volume pori Vov : volume pori terbuka

Vcv : volume pori tertutup Va : volume udara

Wa : berat udara ≈ 0 Ww : berat air

Vw : volume air

Vs : volume butir / padat

Ws : berat butir / padat

V : volume benda W : berat benda

Volume benda (V):

V = Vs + Vv = Vs + (Vov + Vcv ) = Vs + (Vw + Va )

Porositas benar (P):

V V + Vcv × 100% P = v × 100% = ov V V

Porositas tampak (Pt):

V Pt = ov × 100% V

Derajat kejenuhan (S):

V S = w × 100% Vv

Rapat massa/faktor mampat (d):

V d = s × 100% V

Berat benda (W):

W = Ws + Ww + Wa = Ws + Ww

Berat volume (γ):

γ=

Berat volume kering (γd):

γd =

Berat volume jenuh (γsat):

W γ sat = sat

Berat volume jenuh kering muka (γssd):

W +V ×γ γ ssd = s v w

Berat jenis/specific gravity (G):

G=

Ws Vs

Kadar air (w):

w=

W − Wd Ww W − Ws × 100% = × 100% = × 100% Wd Wd Ws

Februari 10

W V Ws V

Vsat

V

γw

=

Ws γ w Vs


helmy ab 5

K=

Daya serap air (K):

Wsat − Wd W − Ws × 100% = sat × 100% Wd Ws

b. Koefisien Pelunakan Koefisien pelunakan adalah perbandingkan kekuatan bahan pada saat jenuh air terhadap kekuatan bahan pada saat kering, dan merupakan indikator ketahanan bahan terhadap air. Umumnya jika koefisien ini bernilai >0,8 maka bahan dikatakan sebagai tahan air (water proof). c. Kadar Lengas Istilah ini lebih umum digunakan untuk menyatakan kadar air pada bahan kayu, yaitu perbandingan berat kandungan air terhadap berat kayu kering tungku dalam persen. d. Pelulusan (Permeability) Merupakan

parameter

yang

menyatakan kemampuan/kekedapan bahan untuk

melewatkan air/gas melalui satuan luas selapisan bahan. Dipengaruhi oleh porositas, ukuran pori, kadar air bahan, beda tekanan dan ketebalan bahan. e. Penghantaran Panas (Conductivity) dan Kapasitas Panas Pengahantaran panas adalah jumlah panas (kcal/mjamoC) yang dialirkan melalui 1 m tebal lapisan bahan seluas 1 m2 selama 1 jam pada setiap 1 oC. Kapasitas panas adalah kemampuan bahan untuk menyerap panas oleh setiap berat bahan untuk menaikkan setiap 1 oC temperatur bahan. f. Ketahanan Bakar dan Ketahanan Terhadap Api Ketahanan bakar adalah kemampuan bahan untuk tidak menyala atau sulit menyala atau mudah menyala ketika dibakar. Ketahanan terhadap api (fire proof) merupakan ketahan bahan untuk melebur pada suatu suhu, dikatagorikan sebagai tahan api tinggi jika tidak melebur pada suhu sampai pada 1580o C, tahan api sedang jika melebur pada suhu 1350o C~1580o C dan tahan api rendah jika melebur pada suhu di bawah 1350o C. g. Keawetan Keawetan bahan merupakan kemampuan untuk bertahan/tidak rusak akibat pengaruh kondisi lingkungan (suhu, kelembaban, zat asam atau zat lainnya atau juga rayap dan lainlain). Februari 10


helmy ab 6

2.3. Sifat Mekanik Sifat mekanika adalah respon suatu benda terhadap gangguan (umumnya berupa gaya) dari luar. Sifat mekanika yang umum dan penting dalam tinjauan teknik sipil dibagi dalam dua katagori, yaitu tegangan (stress) yang merupakan respon dalam bentuk gaya dalam dan deformasi yang merupakan respon berupa perubahan bentuk. 2.3.1. Tegangan a. Tegangan Aksial (Axial Stresses): tegangan pada suatu elemen struktur dengan arah tegangan sejajar dengan sumbu memanjang (aksial) elemen.

b P

R=P

P

h R bh

Gambar 2.7. Model Tegangan Aksial (Desak)

=

P A

=σ

b. Tegangan Lentur (Bending Stresses): tegangan pada elemen struktur yang muncul akibat adanya lenturan. M

M

bσ b

M

h

1 2

h

1 2

h

D M T

1 3

h

1 3

h

bσ Gambar 2.8. Model Tegangan Lentur

∑H = 0

→

D = T = 12 ( 12 h)(bσ ) = 14 bhσ

∑ M grs netral = 0 →

M − ( 13 h) D − ( 13 h)T = 0 →

M − ( 13 h)( 14 bhσ ) − ( 13 h)( 14 bhσ ) = 0

M − 16 bh 2σ = 0

σ=

→

M 1 bh 2 6

=

M S

Tegangan tersebut di atas merupakan tegangan lentur maksimum yang terjadi dan terletak pada serat terjauh (tepi), dengan M: momen luar dan S: modulus tampang. Februari 10


helmy ab 7

Tegangan pada serat sejauh y dari garis netral:

σ=

y 1h 2

×

M 1 bh 2 6

=

M 1 bh3 12

=

M y I

dengan I: momen inersia tampang. c. Tegangan Geser/Lintang (Shear Stresses): tegangan yang bekerja ⊥ sumbu memanjang elemen. Distribusi tegangan geser secara tepat tidak diketahui, tetapi umumnya tegangan terbesar berada pada garis netral kemudian mengecil dan akhirnya nol pada serat tampang terjauh. 1 2

V = 12 P

P

V

P

P 1 2

V P

τ= Gambar 2.9. Model Tegangan Geser

V A

d. Tegangan Geser Puntir (Torsional Stresses): tegangan yang muncul akibat terpuntirnya/ terputarnya elemen terhadap sumbu memanjangnya.

τ

T

T ×r = Ip

T

Gambar 2.10. Model Tegangan Puntir

2.3.2. Deformasi dan Regangan Suatu bahan akan mengalami perubahan bentuk (deformasi) akibat dikenai beban. Perubahan bentuk dapat bersifat menetap atau sementara, karenanya mekanisme deformasi dibedakan dalam: a. Deformasi elastis: merupakan jenis perubahan bentuk yang akan hilang (kembali ke bentuk semula) ketika beban ditiadakan. Ditinjau dari mekanisme ikatan atomnya, deformasi ini dapat terjadi dalam bentuk: - perpanjangan ikatan, - perlurusan ikatan, - pelurusan kumparan.

Februari 10


helmy ab 8

b. Deformasi plastis: merupakan jenis perubahan bentuk yang tetap ada meskipun sudah tidak dibebani. Termasuk dalam jenis deformasi ini adalah: - Plastis biasa: terjadi dengan mekanisme pergeseran (slip) antar lapisan menuruti bidang kristal. Material dengan slip yang mudah dikatakan sebagai bahan yang liat (ductile), sebaliknya jika sukar maka dikatakan getas (brittle), - Aliran kental (viscous flow): terjadi pada bahan dengan susunan atom yang tidak teratur atau teratur hanya pada jarak-jarak pendek. Mekanismenya merupakan gerakan berantai ikatan-ikatan yang tidak mampu lagi menahan tegangan, yang selanjutnya melimpahkan lagi tegangan tersebut ke ikatan lainnya, sehingga terjadi gerakan yang lambat tetapi kontinyu.

Gambar 2.11. Slip dan Viscous Flow

Jika besarnya deformasi benda dikaitkan dengan dimensi awal benda maka disebut dengan regangan (strain), diekspresikan dalam perbandingan perubahan dimensi terhadap dimensi awal dan menurut arahnya terbagi dalam jenis: a. Regangan aksial/ transversal/ lateral, b. Regangan Geser (Shear Strain), c. Regangan Rotasi (Rotational Strain) 1/2 Δl

P

d

−1/2 Δh

b

P

h

V

γ

h l

l

−1/2 Δb

Gambar 2.12. Contoh Regangan

Δl

Δb

Δh

Regangan lateral: ε y = Regangan transversal: εz = Regangan aksial: ε x = l b h Bahan yang mempunyai sifat regangan ke segala arah sama ( ε x = ε y = εz ) disebut sebagai bahan yang isotropik. Regangan geser: γ = Februari 10

V d = lbG h Tek Bahan Konstruksi - BAB~2final.doc

helmy ab 9

2.3.3. Hubungan Tegangan dan Regangan Secara Umum Hubungan antara tegangan dan regangan sering disajikan dalam bentuk grafik (diagram) dalam sumbu regangan dan tegangan. σ=

P A

σ=

P A

bilinear

linear

ε=

a) σ=

ΔL L

P A

ε=

ΔL L

ε=

ΔL L

b) σ=

P A

kurvatur

bilinear

ε=

c)

ΔL L

d)

Gambar 2.13. Bentuk-bentuk Umum Diagram Tegangan-Regangan

Dari hubungan inilah dapat diketahui perilaku mekanika yang dapat dijadikan sebagai parameter karakteristik yang berkaitan dengan kekuatan (menahan beban) dan ketahanan (menahan perubahan bentuk) suatu bahan. Beberapa bentuk umum grafik hubungan teganganregangan sebagaimana terlihat pada gambar 2.13. Diagram tegangan-regangan dibentuk dari sekumpulan data dari hasil pengujian laboratoris uji tarik atau uji desak. Umumnya diagram tegangan-regangan dari hasil pengujian pembebanan tarik benda uji baja memiliki bagian-bagian yang lebih lengkap, oleh karenanya untuk keperluan menjelaskan perilaku suatu bahan (berkenaan dengan interaksi antara tegangan dan regangannya) digunakan contoh diagram tegangan-regangan tarik baja. 2.3.4. Beberapa Sifat Mekanika Lainnya a.

Kekuatan (Strength): ukuran besarnya gaya yang dapat ditahan sampai saat bahan mengalami kerusakan.

b.

Ketangguhan (Toughness): besarnya energi yang dapat diserap oleh suatu benda sampai saat mengalami kerusakan.

Februari 10


helmy ab 10

c.

Kekerasan (Hardness): ketahanan benda terhadap penetrasi pada permukaannya, dipresentasikan dengan luasan daerah lekukan penetrasi (Bilangan Kekerasan Brinell/ BKB) atau kedalaman penetrasi (kekerasan Rockwell).

d.

Keuletan (Ductility): kemampuan suatu bahan untuk mengalami perubahan bentuk (secara bolak-balik) sambil mempertahankan sebagian kekuatannya.

e.

Relaksasi: peristiwa semakin berkurangnya (bertahap) tegangan intern bahan pada saat menerima peregangan secara tetap.

f.

Histeresa: peristiwa tertinggalnya respon regangan dari pada respon tegangan pada saat menerima pembebanan bolak-balik.

g.

Rayapan (Creep): peristiwa bertambahnya regangan plastis suatu bahan yang mengalami tegangan tetap yang besar dalam jangka waktu yang lama pada temperatur tertentu.

Februari 10


helmy ab 11

II. SIFAT UMUM BAHAN

Recommend Documents