Ilmu Logam


Pendahuluan

Apa itu ilmu logam ?

Ilmu Logam merupakan bagian dari ilmu bahan, Yang mana dalam ilmu bahan mempelajari tentang bahan/material dan aplikasinya di berbagai bidang ilmu dan teknik. dalam ilmu material dibagi menjadi 4 kategori - logam, polimer, keramik, dan komposit. 

Memahami berbagai jenis bahan, sifat-sifatnya, dan cara menggunakannya secara efektif adalah bagian penting dalam bidang teknik.

Apa yang dipelajari dalam ilmu Logam ? 

Dalam Mata kuliah ini akan berfokus dalam mengeksplorasi logam, Struktur mikronya, dan berbagai teknik seperti paduan dan perlakuan panas yang dapat digunakan untuk meningkatkan sifat-sifatnya.



Sekitar dua pertiga unsur dalam tabel periodik adalah logam, meskipun untuk keperluan teknik, kami hanya tertarik pada segelintir saja.

Besi mungkin yang paling penting dari semuanya, karena digunakan untuk membuat baja, material berkekuatan tinggi dengan beragam aplikasi teknik.

Aluminium umumnya digunakan karena paduannya memiliki rasio kekuatan terhadap berat yang tinggi.

Suhu lelehnya relatif rendah, sehingga lebih mudah diproses dan digunakan untuk pengecoran, serta harganya relatif murah.

Seperti Aluminium, Titanium memiliki sifat kekuatan terhadap berat yang sangat baik, meskipun lebih kuat lagi, menjadikannya pilihan populer untuk aplikasi lua/r angkasa.

Titik lelehnya yang tinggi membuatnya cocok untuk aplikasi pada suhu tinggi, namun membuat pemrosesan menjadi lebih sulit.

Ini juga jauh lebih mahal daripada Aluminium.

Logam penting lainnya termasuk Magnesium, Tembaga, dan Nikel.

Kunci untuk menggunakan logam-logam ini secara efektif terletak pada pemahaman bagaimana strukturnya pada tingkat atom.

Atom-atom logam murni tersusun rapat dan tersusun dalam kisi-kisi yang sangat teratur.

Karena strukturnya yang teratur ini, logam disebut bahan kristal, dan kisi-kisi tempat atom-atomnya tersusun disebut kisi kristal.

Tidak semua material memiliki struktur teratur seperti ini.

Misalnya pada kaca, atom-atomnya tersusun secara acak, sehingga merupakan bahan amorf, bukan bahan kristal.

Kita dapat membayangkan kisi kristal sebagai kumpulan unit identik yang berulang, yang kita sebut sel satuan.

Ada beberapa cara berbeda untuk menyatukan atom-atom logam, yang berarti ada beberapa jenis sel satuan yang berbeda.

Pada suhu kamar, atom tembaga misalnya berkumpul seperti yang ditunjukkan di sini, di mana terdapat sebuah atom di sudut setiap sel satuan dan satu di tengah setiap permukaan.

Kita dapat melihatnya dengan lebih baik jika kita memperkecil ukuran atom dan menampilkan ikatan di antara atom-atom tersebut.

Ini disebut struktur kubik berpusat muka, atau FCC.

Namun atom-atom besi lebih suka berkumpul bersama dalam suatu struktur di mana atom-atom di tengah setiap permukaan digantikan oleh satu atom di tengah-tengah sel satuan.

Ini adalah struktur kubik berpusat pada tubuh, atau BCC. Dan atom titanium lebih suka berkumpul dalam apa yang disebut struktur heksagonal.

Ini adalah tiga struktur kristal paling umum pada logam.

Baik struktur FCC maupun HCP memiliki faktor pengepakan sebesar 74%, yang berarti bahwa atom menempati 74% dari total volume sel satuan.

Struktur BCC sedikit kurang rapat, dengan faktor pengepakan 68%.

Keterikatan atom yang rapat merupakan salah satu alasan mengapa logam memiliki kepadatan yang jauh lebih tinggi dibandingkan kebanyakan bahan lainnya.

Pada kenyataannya kisi-kisi tidak sempurna seperti yang ditunjukkan di sini, namun mengandung banyak cacat, yang mana terdapat beberapa jenis yang berbeda.

Cacat kekosongan terjadi ketika sebuah atom hilang dari kisi.

Cacat interstisial terjadi ketika sebuah atom masuk ke dalam celah antara atom-atom yang ada dalam kisi.

Ini adalah cacat interstisial diri, karena atom ekstra berasal dari unsur yang sama dengan kisi, namun cacat interstisial juga dapat disebabkan oleh atom pengotor dari unsur yang berbeda. Dan kemudian kita mengalami cacat substitusi, di mana atom-atom tertentu dalam kisi digantikan seluruhnya oleh atom-atom pengotor.

Ini semua merupakan cacat titik, karena mempengaruhi satu lokasi di dalam kisi.

Kisi juga mengandung cacat linier, yang disebut dislokasi, dimana sejumlah atom bergeser dari posisi biasanya dalam kisi. Jenis dislokasi yang pertama adalah dislokasi tepi, dimana kisinya mengandung setengah bidang atom tambahan.

Mari kita perkecil ukuran atomnya sehingga kita dapat menunjukkan ikatan atomnya.

Ini adalah konfigurasi yang stabil, tetapi ketika suatu tekanan diterapkan pada kisi, ikatan atom putus dan terbentuk kembali, sehingga setengah bidang atom ekstra meluncur melalui kisi.

Jenis dislokasi lainnya adalah dislokasi ulir, yaitu seluruh blok atom bergeser tidak sejajar dengan struktur kisi yang sempurna.

Dinamakan demikian karena jika Anda mengikuti jalur atom di sekitar dislokasi, ia akan berputar ke bawah melalui kisi seperti ulir sekrup.

Sekali lagi ketika tegangan geser diterapkan, atom-atom disusun ulang menjadi konfigurasi stabil baru.

Kebanyakan dislokasi sebenarnya merupakan kombinasi dislokasi tepi dan dislokasi sekrup. Karena dislokasi bergerak melalui kisi melalui pemutusan dan pembentukan kembali ikatan atom, prosesnya tidak dapat diubah - dislokasi tidak kembali ke posisi semula ketika tegangan geser yang diterapkan dihilangkan.

Inilah mekanisme yang mendasari deformasi plastis pada logam - yang pada dasarnya merupakan pergerakan sejumlah besar dislokasi pada tingkat atom.

Deformasi elastis disebabkan oleh regangan ikatan atom.

Berbeda dengan gerak dislokasi, regangan ini akan berbalik arah sepenuhnya bila beban dihilangkan.

Grafik ini menunjukkan bagaimana kekuatan luluh suatu material berubah seiring dengan kepadatan dislokasi.

Bahan yang mengandung dislokasi dalam jumlah besar mempunyai kekuatan yang lebih baik, karena dislokasi dapat menjadi kusut, sehingga menghalangi satu sama lain untuk bergerak melalui kisi.

Pergerakan dislokasi melalui kisi juga dipengaruhi oleh bagaimana atom-atom berkumpul.

Dislokasi paling mudah bergerak sepanjang bidang yang jarak atomnya paling dekat satu sama lain, karena ikatan tersebut lebih mudah putus dan terbentuk kembali.

Ini berhubungan dengan bidang yang berbeda tergantung pada struktur sel satuan.

Pada kenyataannya, bahkan logam murni pun tidak dapat mempertahankan struktur kristal yang teratur dalam jarak yang jauh.

Mari kita perbesar beberapa logam cair dan lihat bagaimana logam tersebut mengeras.

Saat logam mendingin, atom-atom berkumpul dan struktur kisi mulai terbentuk di beberapa lokasi berbeda pada waktu yang bersamaan.

Masing-masing kisi ini memiliki orientasinya sendiri, dan saat logam mendingin, kisi-kisi tersebut terus membesar hingga logam tersebut benar-benar memadat.

Kita tidak mendapatkan satu kisi yang berkesinambungan, tetapi dengan beberapa kisi yang berorientasi ke arah berbeda.

Hal ini menciptakan apa yang kita sebut butiran di dalam struktur logam, dan bahan yang terbuat dari kumpulan butiran ini dikatakan polikristalin.

Butir-butir tersebut dipisahkan oleh batas butir.

Karena setiap butir memiliki bidang tertentu yang memudahkan terjadinya slip, keberadaan butir menghambat gerak dislokasi, sehingga bahan polikristalin cenderung lebih kuat daripada bahan yang terbuat dari kristal tunggal yang seragam.

Semakin kecil ukuran butir maka semakin kuat bahan tersebut.

Hal ini digambarkan dalam persamaan Hall-Petch.

Kita dapat menggunakan informasi ini untuk memperkuat logam secara sengaja, dengan mengontrol ukuran butiran yang terbentuk saat logam didinginkan.

Pengotor yang disebut inokulan dapat dengan sengaja ditambahkan ke logam cair sehingga nukleasi kristal terjadi di lebih banyak lokasi dibandingkan yang seharusnya, sehingga menyebabkan ukuran butir menjadi lebih kecil.

Cara lain yang dapat kita lakukan adalah dengan mengontrol seberapa cepat logam didinginkan.

Jika suatu logam didinginkan dengan sangat cepat, nukleasi terjadi di lebih banyak lokasi dan kristal tidak mempunyai banyak waktu untuk tumbuh, sehingga logam tersebut akan memiliki struktur butiran yang lebih halus, dan sebagai hasilnya akan menjadi lebih kuat.

Mengontrol ukuran butir untuk memperkuat suatu logam disebut penguatan batas butir. Ini hanyalah salah satu dari banyak teknik penguatan.

Kita juga dapat memperkuat logam dengan mendeformasinya secara plastis, menggunakan teknik seperti pengerolan dingin atau penempaan. Hal ini meningkatkan jumlah dislokasi, sehingga meningkatkan kekuatan material, sehingga mengurangi keuletannya. Ini disebut pengerasan kerja.

Salah satu kualitas logam yang sangat berguna adalah bahwa logam tersebut dapat dicampur dengan sejumlah kecil unsur logam dan non-logam lainnya untuk meningkatkan sifat logam dasar dengan cara tertentu. Logam yang dibuat dengan menggabungkan berbagai unsur dengan cara ini disebut paduan.

Kami biasanya membagi logam dan paduannya ke dalam kategori besi dan non-besi, bergantung pada apakah logam dasar paduan tersebut adalah besi atau tidak.

Kuningan misalnya merupakan paduan non-besi dari tembaga dan seng. Biasanya mengandung 65% tembaga dan 35% seng, meskipun unsur paduan lainnya terkadang ditambahkan.

Ini digunakan karena penampilannya yang menarik dan kemudahan pengerjaannya.

Paduan aluminium penting dalam bidang teknik dan sering digunakan karena sifat kekuatannya yang baik, dengan bobot yang ringan dan biaya yang wajar.

Unsur paduan yang umum adalah Tembaga, Mangan, Silikon, Seng dan Magnesium.

Paduan aluminium diklasifikasikan menurut apakah paduan tersebut dirancang untuk digunakan dalam pengecoran, atau untuk dikerjakan, dan ditetapkan menggunakan sistem penomoran tertentu.

Namun baja mungkin merupakan paduan teknik yang paling penting.

Besi murni terlalu lunak untuk digunakan untuk keperluan struktural, namun dapat dikombinasikan dengan sejumlah kecil karbon dan dalam beberapa kasus elemen lain untuk menghasilkan baja yang memiliki sifat yang sangat berguna. Baja dipisahkan menjadi beberapa kategori berbeda, bergantung pada jumlah karbon dan elemen paduan lainnya.

Baja rendah karbon atau “ringan” mengandung hingga 0,25% karbon.

Kekuatannya tidak terlalu tinggi, tetapi ulet dan biayanya relatif rendah. Baja karbon sedang mengandung antara 0,25 dan 0,6% karbon, dan baja karbon tinggi mengandung antara 0,6% dan 2% karbon.

Karena baja ini mengandung lebih banyak karbon, baja ini lebih kuat dan lebih mudah diperkuat menggunakan metode perlakuan panas yang berbeda seperti quenching dan tempering. Antara 2% dan 4% karbon kita memperoleh besi tuang. Ia memiliki fluiditas yang baik dan karbon tambahan menurunkan titik leleh paduan, Ia memiliki fluiditas yang baik dan tambahan karbon menurunkan titik leleh paduan, sehingga baik untuk pengecoran, meskipun cenderung rapuh.

Kita dapat menambahkan unsur tambahan pada campuran besi-karbon untuk mendapatkan sifat tertentu. Baja tahan karat misalnya mengandung kromium untuk memberikan ketahanan terhadap korosi, yang paling umum adalah baja tahan karat tipe 304, yang mengandung 18% Kromium dan 8% Nikel.

Paduan dibuat dengan melebur logam dasar dan berbagai elemen paduan secara bersamaan.

Mereka dapat bersifat substitusi atau interstisial, bergantung pada ukuran relatif atom.

Baja merupakan paduan interstisial, karena jari-jari atom karbon jauh lebih kecil dibandingkan jari-jari atom besi.

Kehadiran unsur paduan mendistorsi kisi kristal, yang cenderung menghambat gerak dislokasi, sehingga mempunyai efek penguatan. Hal ini disebut penguatan solusi solid. Namun unsur paduan tidak selalu dapat larut sepenuhnya ke dalam kisi logam dasar.

Jika suatu unsur paduan ditambahkan melampaui titik jenuh tertentu, unsur tersebut dapat terpisah dan menghasilkan fase homogen yang berbeda dalam struktur mikro logam yang memiliki komposisi berbeda.

Ada beberapa cara berbeda agar partikel penyusun fase kedua dapat dimasukkan ke dalam material dan, tidak mengherankan, hal ini dapat mempengaruhi sifat material secara signifikan.

Seperti batas butir, batas antar fase menghambat gerak dislokasi, dan meningkatkan kekuatan material.

Menggunakan perlakuan panas untuk secara sengaja menghasilkan fase partikel yang terdispersi secara seragam dengan tujuan memperkuat suatu material disebut pengerasan presipitasi.

Besi murni mengalami beberapa transformasi fasa dengan perubahan suhu. Di bawah 912 derajat celcius berbentuk BCC yang disebut ferit.

Di atas 912 derajat berubah dari BCC menjadi FCC, yang disebut austenit. Kemudian berubah kembali menjadi BCC pada 1394 derajat, dan titik lelehnya pada 1538 derajat, jadi di atas itu berbentuk cair.

Fasa padat yang berbeda disebut alotrop besi, dan untuk kemudahannya, masing-masing fasa diberi huruf Yunani. Kita dapat memperluas diagram ini untuk menunjukkan bagaimana fase dalam material berubah dengan adanya jumlah karbon yang berbeda.

Inilah yang disebut diagram fasa paduan besi-karbon. Karena sifat struktur BCC, ferit hanya dapat menampung sejumlah kecil karbon interstitial.

Ketika kelarutan ferit terlampaui, atom karbon tambahan harus pergi ke suatu tempat, sehingga fase baru yang disebut sementit terbentuk di samping ferit. Sementit adalah senyawa keras dan rapuh yang terdiri dari satu atom karbon untuk setiap tiga atom besi, yang setara dengan 6,7% berat karbon. Bahan ferit-sementit dua fase terlihat seperti ini. Cara pasti penggabungan kedua fase dalam material akan bergantung pada jumlah karbon dan faktor lain seperti seberapa cepat material didinginkan. Karena struktur FCC-nya, austenit dapat menampung karbon interstisial dalam jumlah yang jauh lebih besar dibandingkan struktur BCC ferit. Namun dengan cara yang sama, jika lebih banyak karbon ditambahkan kita memperoleh material dua fase dengan fase austenit dan sementit. Ada beberapa kemungkinan kombinasi fase lainnya tergantung pada suhu dan jumlah karbon yang ada. Kehadiran fase sementit dapat memberikan efek penguatan yang signifikan, yang merupakan salah satu alasan mengapa baja jauh lebih kuat daripada besi murni.

Jika Anda ingin mempelajari lebih lanjut, Anda dapat melihat versi diperpanjang dari video ini di Nebula, di mana saya telah membahas diagram fase dengan lebih detail, termasuk bagaimana dua teknik, metode garis ikat dan aturan tuas , dapat digunakan untuk mengetahui komposisi dan proporsi masing-masing fasa yang berbeda, dan bagaimana mungkin memperoleh fasa seperti martensit yang tidak muncul pada diagram fasa.