BAHAN KONSTRUKSI & KOROSI. Bambang Sugiarto, MT. Jurusan Teknik Kimia UPN Veteran Jogyakarta 2008

Transkripsi

1 BAHAN KONSTRUKSI & KOROSI Bambang Sugiarto, MT Jurusan Teknik Kimia UPN Veteran Jogyakarta 2008

2 BAHAN / MATERI AJAR 1. Pendahuluan 2. Struktur Bahan Padat 3. Sifat Mekanik Bahan 4. Logam Dan Paduan 5. Pemrosesan Logam 6. Korosi Logam 7. Pengendalian Korosi 8. Bahan Polimer 9. Bahan Keramik 10. Bahan Komposit

3 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

4 SISTEM PENILAIAN Tugas Kuis (Test) 25% Ujian Tengah Smt 35% Ujian Akhir 40% Range Nilai: < 30 Nilai E 30 s/d 44,9 Nilai D 45 s/d 54,9 Nilai C 55 69,9 Nilai B >70 Nilai A

5 BUKU ACUAN Jacobs, J.A & Kilduff,, T.F. 1994, Engineering Materials Technology, Structure, Processing, Properties & Selection, 2 nd Ed.Printice Hall Engelwood Cliffs, New Jersey Van Vlack,, L, 1995, Ilmu dan Teknologi Bahan, 5 th Ed., Penerbit Erlangga-Jakarta. Fontana, M.G, Corrosion Engineering,, 3 th Edition, McGraw-Hill, Int.Edition Jones, D.A, 1992, Principles and Prevention of Corrosion,, Maxwell MacMillan Int s Editions, Canada

6 Deal?

7 Pengenalan Bahan Bahan konstruksi adalah bahan yang dengan sifat- sifatnya 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

8 SIKLUS BAHAN PENGGALIAN PROSES PENGGUNAAN PELAPUKAN PENGETAHUAN ILMIAH PENGETAHUAN EMPIRIS Ada kaitan erat antara struktur, sifat, proses, fungsi dan performans bahan. Material Science Ilmu Bahan Struktur bahan Properties/sifat 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 Cara Penanganan Cara Pengolahan/pemrosesan Penggunaan KELANGKAAN BAHAN DAN ENERGI RECOVERY BAHAN (METAL) 1/20 ENERGI YANG DIPERLUKAN.

9

10 Tabel 1. Jenis Bahan Teknik

11

12

13 KEBAIKAN Relatif lebih kaku (stiff) Umumnya konduktor Modulitas tinggi KEBURUKAN Kerusakan karena Lelah Umumnya terserang oleh korosi dan oksidasi

14 Polimer

15 KEBAIKAN Tegangan dpt mencapai tinggi Elastisitas tinggi (flexible) Koef. Friksi rendah Tahan korosi Mudah dibentuk KEBURUKAN Perubahan sifat thd suhu Titik lebur rendah Relatif sulit di daur ulang Modulitas rendah Dapat di warnai

16

17

18 Keramik & Gelas

19 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)

20 STRUKTUR BAHAN PADAT -Suhu -Lingkungan korosif dan radiasi Struktur Sifat Bahan (berubah) Makroskopik Atomik

21 Struktur Zat Padat Struktur kristalin Struktur Amorf

22 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

23 SISTEM KRISTAL Bentuk sel satuan dan letak atom di dalamnya dibedakan menjadi 7 sistem kristal yaitu spt dlm tabel sbb: Kubik Sistem Tetragonal Sumbu (axes) Sudut sumbu (axial angles) a = b = c α = β = γ = 90 o a = b c α = β = γ = 90 o Ortorombik a b c α = β = γ = 90 o Monoklin a b c α - γ - 90 o β Triklinik a b c α β γ 90 o Hexagonal Rombohedral a = a c α = β =90 o ; γ = 120 o a = b = c α = β = γ 90 o

24 Sistem kristal kubik terdiri dari 3 bentuk yaitu: Kubik sederhana, Kubik pemusatan ruang (kpr=bcc) dan Kubik pemusatan sisi (kps=fcc). Sistem kpr 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)

25 Dalam Sistem kpr, terdapat hubungan antara konstanta kisi (a) dgn jari-jari atom (R). ( ) a kpr logam = 4R 3 Dengan konsep bola keras, maka tumpukan atom (FT) pada sistem kpr dapat diperhitungkan sbb: Faktor Tumpukan = Volume Volume Sel Atom Satuan

26 Karena dlm sistem kpr terdapat 2 atom, maka: Faktor Tumpukan ( FT ) = 2 ( 4 ) 3 πr a 3 3 = 2 ( 4 ) 3 πr ( 4R ) = 0,68 Logam dgn sistem kpr: Besi (suhu ruang), Krom dan Emas Sistem kps tiap atom logam di ttk sudut memp.. 1 atom pd pusat bidang permukaan dan tdk memp.. atom pusat.

27

28 Dlm Sistem kps, terdapat 4 atom dlm setiap sel satuan (1/8 x 8 + ½ x 6). Hubungan antara konstanta kisi (a) dgn jari- jari atom (R). ( ) a kps log am = 4R 2 Faktor tumpukan atom (FT) pada sistem kps adalah : 0.74

29 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)

30 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 2 = 0,3615 nm Berat jenis = (Massa/sel( satuan)/(volume/sel satuan) = (atom/sel satuan)(gram/atom)/(konstanta kisi) 3 = 4(63,5/0,602x10 24 )/(0,3615x10-9 m ) 3 = 8,93 Mg/m 3 (= 8,93 g/cm 3 ) (8,92 g/cm 3 )

31 BIDANG KRISTAL Tumpukan bidang-bidang kristal yang dibentuk oleh atom-atom akan mempengaruhi sifat bahan padat (solid mat s 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.

32

33

34

35

36 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)

37 Contoh: Suatu bhn logam (Pb) yg memp. Struktur kps dgn Jari- jari atom adalah 0,1750 nm, Hitunglah jumlah atom setiap mm 2 pd bidang (100) dan bidang (111). Jawab: ( ) 4R a kps Pb 2 kps = = = 0, 495 Pb ( a ) 4R 2 4 ( 0,1750) 1,414 nm (100) 2 atom Atom = = 8,2x10 2 mm ( 0,495x10 nm) mm 12 atom

38 Bidang (111) Gbr Mempunyai 3 atom dengan masing-masing 1/6 bagian per luas segitiga yang gelap (1/2 bh) 3 atom Atom 6 = = 4,7x10 2 mm ( 6 ) 2 2 0,1750x10 nm mm 12 atom

39 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)

40 Ketidaksempurnaan Kristal Hal ini dapat disebabkan oleh letak atom-atomnya atomnya atau karena adanya impuritis. Penyimpangan ini dapat berupa cacat titik (point defect), cacat garis (line defect) dan cacat permukaan (area defect). Cacat titik cacat ini yg paling sederhana, dan merupakan kekosongan (seolah-olah ada atom yg hilang)

41 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.

42 Cacat garis,, yang paling banyak dijumpai adalah dislokasi. Dislokasi adalah barisan atom-atom linier dimana terjadi beberapa ketidaksempurnaan pada ikatan antar atom- atom. 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.

43 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.

44 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 sendiri.

45 a. Batas Butir b. Pembentukan butir

46 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 atom- atom 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.

47 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 elemen dlm grup V (Nitrogen), maka maksimum bil.koordinasinya adalah 3

48 Polimorfi & Alotropi Polimorfi dua atau lebih memp.komposisi bahan yg sama ragam kristal yg Alotropi polimorfi yg dapat kembali ke struktur semula oleh pengaruh suhu (contoh: besi bila dipanaskan pd suhu > 910 o C, strukturnya berubah dari kpr 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.

49 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 C atau molekul fullerene dengan 60 atom karbon yang berbentuk seperti bola soccer, terdiri dari 20 heksagon dan 12 pentagon.