Diktat Pemilihan Bahan Dan Proses, by Godlief

PEMI

 ILIHAN   BAHHAN

 DAN PRROS

D

Oleh 

ES

iktat

:

GODLIEF HERYSON

Jurusan Teknik MesinFakultas Teknik

Universitas Nusa CendanaKupang

Daftar Isi 

Topik  hal KATA PENGANTAR JURUSAN  i    KATA PENGANTAR PENULIS  ii    1. PENGANTAR  MATERIAL  TEKNIK  1   Pendahuluan,  Sejarah  Perkembangan,  Sifat‐sifat  Material 

Teknik, Klasifikasi Material Teknik, Logam Besi,Logam Bukan Besi, Karakterisasi Material, Konsep Struktur.  

2. KEGAGALAN  MATERIAL  20   Pendahuluan,  Kegagalan  Akibat  Beban  Statis,  Kegagalan 

Akibat  Beban  fatik,  Stress‐Life,  Diagram  S‐N,  Faktor‐faktor Modifikasi, Temperatur,  Lingkungan Kerja, Kasus Kegagalan Material. 

3. LOGAM DAN PADUAN  45   Pendahuluan,  Baja  Tahan  Karat,  Pengaruh  Unsur  Paduan 

pada Baja Tahan Karat Austenitik, Pengaruh Perlakuan Panas pada Baja Tahan Karat.  

4. POLIMER  54   Pendahuluan,  Struktur  Polimer,  Berat  Molekul  Polimer, 

Bahan  Tambahan,  Proses  Pencampuran  Polimer,  Faktor‐faktor Pemilihan, Sifat Mekanik, Aplikasi Polimer  

5. KERAMIK  74      6. KOMPOSIT  80   Sejarah  Komposit,  Komposit  dan  Paduan,  Konsep  Dasar, 

Klasifikasi Komposit, Komposit Partikel, Komposit Serat (KS), Komposit  Struktur/Laminat  (KSL),  Phasa  Pembentuk Komposit, Perilaku Umum dan Unsur Komposit 

KATA PENGANTAR 

  Puji syukur kehadirat Allah SWT dengan rahmatnya penulis diberi kesehatan dan 

waktu  sehingga  terselesainya  penulisan Diktat  tentang material  teknik    yang    kiranya 

menjadi bahan ajar untuk mata kuliah Pemilihan Bahan dan Proses dan  juga Material 

Teknik. 

  Diktat ini berisi uraian‐uraian yang mudah difahami dengan contoh contoh yang 

simpel dan mudah untuk dimengerti mengenai  jenis‐jenis material, cara‐cara pemilihan 

material  yang  sesuai  dengan  fungsinya  sehingga  pemanfaatannya maksimal. Diktat  ini 

juga mebahas cara fabrikasi material‐material tersebut.  

  Atas  terselesainya Diktat  ini  penulis mengucapkan  terima  kasih  kepada  Bapak 

Zulmiardi,  ST. MT.,  selaku  Ketua  Jurusan  Teknik  atas  dukungan  dan  arahannya  untuk 

meningkatkan mutu penulisan buku  ini. Demikian  juga kepada Bapak Zulfikar, ST. MT., 

dan Maya yang  telah banyak membantu dalam proses editing diktat  ini. Sebagai karya 

manusia sudah tentu beberapa kekurang akan ditemui pada diktat ini. Untuk itu, penulis 

mohon saran‐saran dari rekan‐rekan dosen demi kesempurnaan penulisan ini. Wassalam   

Penulis. 

Godlief Heryson   

KATA SAMBUTAN

Dalam rangka peningkatan mutu Perguruan Tinggi sesuai dengan Misi Visi Pendidikan

Nasional salah satunya adalah penerapan Kurikulum Berbasis kompentensi dimana diharapkan

mutu lulusan akan lebih berdaya guna dan memenuhi keinginan stake holders. Untuk ini

membutuhkan bacaan-bacaan yang beri bahan-bahan kuliah yang bermanfaat dan sesuai dengan

perkembangan ilmu pengetahuan terbaru (up to date) sehingga mahasiswa tidak ketinggalan dalam

wawasan keilmuan yang mereka pelajari. Dalam ilmu material teknik, ada suatu kecenderungan

perkembangan ke depan bahan konvensional mulai ditinggalkan dan sebagai gantinya bahan non

konvensional seperti polimer dan komposit sangat mejnanjikan karena keunggulannya.

Dengan adanya Diktat yang berjudul Pemilihan Bahan dan Proses ini kami dari Jurusan

Teknik Mesin sangat mendukung dan kiranya dapat dimanfaatkan oleh mahasiswa di Jurusan

Teknik Mesin Unimal, khususnya yang mengambil mata kuliah Pemilihan Bahan dan Proses

khususnya dan yang mengikuti mata kuliah yang berhubungan dengan Material Teknik umumnya.

Demikian kata sambutan dari kami semoga bermanfaat adanya

Penyusun Godlief Heryson Adoe

1 

1PENGANTAR

MATERIAL TEKNIK

Pendahuluan 

Pemilihan  dan  penggunaan  suatu  bahan  dalam  dunia  keteknikan,  terlebih  dahulu 

dilakukan  analisis  terhadap bahan  tersebut. Proses pemilihan membutuhkan  informasi 

tentang  sifat‐sifat  bahan  tersebut.  Pengetahuan  mengenai  jenis‐jenis  dan  sifat‐sifat 

bahan merupakan  pengetahuan  dasar  yang  harus  dimiliki  bagi  seorang  perencana  di 

bidang  teknik mesin. Dengan pengetahuan  ini, perencana  akan dapat memperlakukan 

bahan‐bahan yang digunakan sesuai dengan kondisi yang dipersyaratkan sehingga dapat 

menghindari  penggunaan  yang  berbahaya.  Selain  itu,  perencana  juga  dapat 

merekomendasikan  bahan  alternatif  jika memang  dibutuhkan  atau  untuk  peningkatan 

kekuatan misalnya. 

Seorang  perencana  di  bidang  teknik mesin  dituntut  untuk mampu memilih  bahan 

yang  paling  sesuai  untuk  suatu  kebutuhan  yang  khusus.  Selain  itu  seorang  perencana 

teknik mesin  juga harus mempertimbangkan pula aspek‐aspek di  luar aspek  teknologi, 

misalnya aspek  ekonomi. 

2 

Sejarah Perkembangan Bahan 

Sejarah  perkembangan  bahan  sama  halnya  dengan  sejarah  peradaban  manusia. 

Sejarah  perkembangan  bahan  dapat  dibagi  3  era  yaitu  era  zaman  batu,  era  zaman 

perunggu dan era zaman besi. Setiap era tersebut  melambangkan bahan‐bahan populer 

yang digunakan di masing‐masing zaman tersebut. 

Kemampuan  pemanfaatan  api manandai  perobahan  era/zaman  tersebut.  Semakin 

tinggi  suhu  dari  pemanfaatan  api  semakin maju  teknik  pengolahan  bahan  tersebut  . 

Untuk saat ini dan kedepan adalah era komposit dan polimer. 

Sifat­sifat Material Teknik/Bahan 

Sifat‐sifat material  teknik dapat dikatagorikan kedalam beberapa kelompok, yaitu  ; 

sifat mekanis, sifat fisis, dan sifat kimia. Sifat‐sifat mekanis merupakan sifat teknik yang 

paling  penting.  

Sifat mekanis  Sifat mekanis sangat penting diketahui dalam merancang suatu peralatan atau mesin 

atau dalam perhitungan konstruksi.  Informasi mengenai  spesifikasi bahan  teknik dapat 

dilakukan  dengan  uji  tarik  dengan  menggunakan  alat  uji  tarik  (tensile  test  machine) 

seperti diperlihatkan pada gambar 1.1.  

 Informasi  yang diperoleh dari uji  tarik adalah  kekuatan  tarik  (Mpa), perpanjangan 

(mm  atau  %),  reduksi  penampang  (mm),  modulus  elastis/kekuatan  (Mpa),  modulus  

(Mpa),  keuletan  bahan/impak  (J/m).  Sementara  itu,  kekerasan  dan  tahan  gores  dapat 

3 

diuji dengan alat uji kekerasan brinnel hardness test, rockwell hardness test, atau vicker 

hardness test. 

Pengujian Tarik dilakukan dengan pemberian beban aksial secara berangsur‐angsur 

dan kontinu sampai spesimen material  yang di uji putus. Pengukuran besaran tegangan 

(σ)  dan  regangan  (ε)  diperoleh  dalam  diagram  HOOK  (gbr.1.3).  Kurva  Tegangan  vs 

Regangan  menunjukkan  hubungan  antara  tegangan  akibat  tarikan  dengan  terjadinya 

regangan pada spesimen uji. 

Gambar 1.1   Alat uji tarik dan contoh spesimen uji tarik  (ASTM M 40) 

Kurva  tegangan‐regangan menunjukkan  hubungan  antara  tegangan  akibat  tarikan 

dengan terjadinya regangan pada spesimen uji.  

4 

Gambar 1.2  Kurva tegangan regangan 

Pada  umunya,  bahan‐bahan  yang  kaku  akan menunjukkan  kurva  seperti  gambar 

Alignment dimana daerah plastis  tidak  jelas.   Sedangkan kurva untuk baja  logam akan 

diperoleh  seperti  pada  gambar  B  dimana  daerah  plastis  tampak.  Dari  titik  0  ke  1 

merupakan  daerah  elastis,  dimana  terjadi  pemanjangan  bila  tegangan  diberikan  dan 

aakan kembali ke keadaan semula bila tegangan dihilangkan. Dari titik 1 ke 2 merupakan 

daerah  plastis,  dimana  perpanjnagn  batang  tidak  kembali  ke  keadaan  semula  bila 

tegangan  dihilangkan.  Namun,  batang  akan  memendek  dari  panjang  ketika  ada 

pembenahan/tarikan dan diameter akan mengecil. Kurva dari titik 2 ke 3, perpanjangan 

terjadi  dengan  cepat  dan  pemanjangan  akan  terus  terjadi  serta  pengecilan  diameter 

secara  drastis  walaupun  tegangan  dikurangkan.  Bila  beban  ditiadakan,  panjang 

batang/spesimen  akan  tetap. Dan  jika pembebanan diteruskan maka batang  akhirnya 

akan patah.  

Diantara sifat mekanis yang terpenting adalah tegangan tarik (σ), modulus elastis (E) 

dan  regangan/  pemanjangan  (ε).  Ketiga  sifat  ini  dapat  ditentukan  dengan  persamaan 

dibawah ini.  

2 

ε

1 

σε

ε 

σ

5 

  )(1

MPaAP

=σ   )(MPaEεσ

=   %100

0

01 XL

LL −=ε  

Sifat Fisis  Sifat‐sifat yang dikatagorikan sifat fisis diantaranya berat jenis, titik lebur, titik didih, 

titik  beku,  kalor  lebur,  kalor  beku,  perubahan  volume,  bentuk  dan  panjang  terhadap 

perubahan temperatur. 

Sifat Kimia  Sifat  kimia meliputi  reaksi  antara  logam  dengan  oksigen  di  udara  (pengkaratan), 

kadar bahan beracun, kemungkinan bereaksi dengan garam, asam dan basa. 

Klasifikasi Material Teknik (Bahan Struktur): 

Secara  garis besar  , material  teknik dapat diklasifikasikan pada   4  kategori,  yaitu  : 

logam, polimer, keramik dan komposit seperti diperlihatkan pada gambar 1.3. Sedangkan 

secara  lebih  rinci,  material  teknik  dapat  diklasifikasikan  seperti  diperlihatkan  pada 

gambar 1.3. 

Gambar. 1.3. Klasifikasi bahan struktur 

BAHAN STRUKTUR

LOGAM POLIMER KERAMIKS KOMPOSIT

Konvensional Rekayasa Teknologi

6 

Gambar. 1.4. Klasifikasi Material Teknik 

Logam Besi  (Ferrous) 

Besi dan baja   adalah  logam  terbanyak yang digunakan dalam bidang  teknik, yaitu 

95%  produksi  logam  dunia. Untuk  penggunaan  tertentu,  besi  dan  baja    adalah    satu‐

satunya  logam yang memenuhi persyaratan  teknis maupun ekonomi.   Dalam beberapa 

bidang  tertentu,   besi dan baja mulai mendapat persaingan dari  logam bukan besi dan 

bahan bukan logam Khususnya bahan komposit. 

Termoplastik:  Poliertilen  (PE), Polipropilen  (PP),  Polistiren  (PS),  Polivinil Klorida  (PVC),  Poliamida  (PA),  Poli‐karbonat  (PCO),  Poliester/  Polietilen treftalat (PET). 

Termoset:  Resin:  Fenol,  Epoksi, Melamin. Poliester tak Jenuh, Poliuretan. 

Elastomer:       Karet Alam 

Logam Murni Timah putih, seng timah hitam, nikel tembaga, wolfram

dll.

Logam Murni Aluminium, perunggu, beryllium.

PADUAN Kuningan, Patri

perunggu

PADUAN Anti corotal,

alumna, avional

Baja Tuang

Besi Tuang

Paduan Besi

Batu

Minyak

Kaca

Polimer/Bahan Sintetis Bahan Alami Logam Besi Bukan Besi

Bukan Logam Logam

Material Teknik

Termoplastisti

Termoseting

Elastomers

Logam Ringan Logam Mulia Logam Ringan

7 

Penggolongan  logam  besi  tergantung  komposisikimia  penyususunnya,  khususnya 

kadar  karbon.  Kadar  karbon  yang  dimiliki  oleh  suatu  logam mempengaruhi  sifat‐sifat 

mekanis/fisis besi tersebut. Jenis‐jenis besi menurut prosentase kadar carbon diberikan 

di bawah ini. 

Pembuatan baja  diperkenalkan Sir Henry Bessemer (Inggris)  pada tahun  1800.atau 

terkenal dengan dapur Bessenger.   

Pembuatan besi mampu  tempa   diperkenalkan Wiliam Kelly  (Amerika) pada    tahun  

1800, bahan utamanya adalah besi dengan paduannya. Diolah melalui proses peleburan 

pada  tanur  tinggi    dengan menambahkan  kokas  dan  gamping  (batu  kapur)  sehingga 

diperoleh hasil akhir berupa besi kasar. 

Bijih  besi  yang  paling  banyak  digunakan  adalah  jenis  hematif  (Fe2O3)  yang  banyak 

ditambang di Cina. Jenis hematif mempunyai  kadar besinya yang tinggi sedangkan kadar 

kotorannya relatif rendah. 

Gambar 1.5    tungku oxigem (oxygen furnace) yang dipakai untuk poduksi baja.   

8 

Logam Bukan Besi 

Logan bukan besi diproduksi mencapai   20% dari  logam produk  industri. Umumnya, 

logam  bukan  besi  lemah.  Oleh  karena  itu,  pencampuran  dengan  logam  lain  dan 

membentuk paduan perlu dilakukan untuk meningkatkan kekuatannya.  

Paduan (alloy) Paduan  (alloy)  adalah  komposisi  lebih  dari  satu  elemen  .  Ilmu  teknik  paduan 

(engineering alloy) meliputi  cast‐irons dan baja, paduan  aluminium  (alluminium  alloy), 

paduan magnesium  (magnesium alloy), paduan  titanium  (titanium alloy), paduan nikel 

(nickel  alloy),paduan  seng  (zinc  alloys)  dan  paduan  tembaga  (copper  alloys).  Sebagai 

contoh adalah kuningan menrupakan paduan dari kuningan dan tembaga.  

Sifat Secara umum,  logam bukan besi memiliki sifat tahan korosi, daya hantar  listrik baik 

dan  mudah  dibentuk.  Biasanya,  kemmapuan  tahan  korosi  ini  semakin  baik  dengan 

semakin  berat massa  jenisnya,  kecuali  aluminium.  Pada  permukaan  terbentuk  lapisan 

oksida yang akan melindungi  logam dari korosi selanjutnya. Logam bukan besi memiliki 

warna sehingga menambah estetik, seperti perak, kuning, abu‐abu dll. 

Pengolahan Logam bukan besi  tidak ditemukan sebagai  logam murni di alam bebas  tapi  terikat 

sebagai  oksida  dengan  kotoran‐kotoran  dan  membentuk  bijih‐bijih.    Untuk  itu  perlu 

dilakukan pengolahan yang meliputi beberapa  tahap, yaitu  tahap penghalusan mineral, 

tahap pencucian, tahap pemisahan antara logam dan kotoran serta  tahap peleburan. 

9 

Proses peleburan dilakukan pada    tanur  tinggi atau dapur  reverberasi. Pada dapur 

jenis  ini,  bahan  bakar  kokas  dicampur  dengan  bijih  untuk  mempercepat  proses 

pembakaran  dan  pencampuran  dengan  fluks  dapat  meningkatkan  kemurnian  logam 

serta mengurangi viskositas terak. Ukuran kokas dan bijih lebih besar dari 1 cm dan tidak 

akan terbawa keluar oleh hembusan udara.  

Karakterisasi Material  

Perbedaan  karakterisasi  terhadap  suatu  material  sangat  dipengaruhi  oleh  latar 

keilmuan  dari  pengguna.  Konsep  ini  bagi  seorang  ilmuan  yang  berfikir material  dalam 

konteks atom‐atom (mikroskopik) berbeda halnya dengan  seorang insinyur proses yang 

cenderung  memikirkan  sifat‐sifat,  proses  dan  jaminan  mutu  dari  material  tersebut. 

Berbeda  pula  dengan  definisi  dari  seorang  insinyur  mesin  yang  lebih  terfokus  pada 

distribusi tegangan dan perpindahan panas. Definsi yang diambil dari ASM‐International 

Materials  Characterization  Handbook  adalah  sebagai  berikut  “  Karakterissasi 

menjelaskan  tentang  komposisi  dan  struktur  termasuk  kerusakan  dari  suatu material 

yang  penting  suatu  perlakukan  khusus, mempelajari  sifat‐sifat,  atau menggunakannya 

dan untuk memenuhi reproduksi material.  

Suatu  komponen  penting  dari  metodologi  teknik  material  adalah  pengetahuan 

struktur material.  Struktur    khas dapat dilihat dengan menggunakan  suatu miskroskop 

optic    atau  mikroskrop  elektro  baik  transmission  electron  microscope  (TEM)  atau 

scanning  electron microscope  (SEM).  Transmission  electron microscope  (TEM)  adalah 

miskroskop elektro yang pencitraan oleh elektron‐elektron yang melalui suatu specimen 

yang  tipis

pengempu

Gambar y

1.6.  

Prinsip

sumber ca

electron 

terbuat  d

hampa  (va

molekul u

s  sedangkan 

ulan elektro‐e

ang diperole

p pengoperas

ahaya (light s

(electron  gu

dari  optical‐g

acuum  colum

dara dan aka

scanning  ele

elektro yang 

h dari pencit

Gam

sian miskrosk

source) untuk

un),sedangkan

grade  glass. 

mn)  karena e

n mudah dise

Gambar

ectron micro

dipancarkan

raan miskros

mbar 1.6 Hasil 

kop optic sam

k suatu miskro

n  untuk  ele

Miskroskop 

lektro‐elektro

erap.   

r 1.7  Hasil SEM

scope  (SEM)

n dari permuk

skop elektron

SEM Dendrit

ma halnya den

oskop electro

ktromagnetik

electron  me

on mudah be

M pada sebu

  adalah  pen

kaan materia

 dapat  diliha

te 

ngan SEM ata

on adalah seb

k  adalah  len

embutuhkan 

erinteraksi de

ah IC 

citraan  deng

al yang diama

at pada gamb

au TEM, kecu

buah penemb

nsa  yang  tid

sebuah  rua

engan molek

10

gan 

ati. 

bar 

uali 

bak 

dak 

ang 

kul‐

 Gamb

sebuah  in

tersebut, 

yang terbe

 Gm

bar  1.7,  sebu

ntegrated  cir

kita dapat m

entuk. Gamba

Gam

mabar 1.9  Fo

uan mikrogra

rcuit.  Warna 

melihat denga

ar 1.8, juga m

mbar 1.8. Pena

oto Pelapisan

f  scanning  e

putih  menu

an normal pe

memperlihatk

ampang jalur 

 TiC pada gra

lectron  dari 

unjukkan  jalu

ermukaan  silic

an penampan

metal denga

phite dengan

suatu wilaya

ur  metalisasi.

con wafer da

ng jalur meta

n SEM pada I

n menggunak

h  peraltan  d

.  Pada  gamb

an  jalur kone

l pada suatu 

C 

an SEM 

11

ari 

bar 

ksi 

IC.  

12 

Konsep Struktur 

Struktur  suatu material dapat dibagi menjadi empat  tingkatan, yaitu  struktur atom 

(atomic structure), susunan atom (atomic arrangement), mikrostruktur (microstructure), 

dan makrosruktur (macrostructure). 

Gambar 1.10 koordinat polihedra pada IC 

Meskipun penekanan utama bagi  insinyur material untuk memahami dan mengatur 

mikrostruktur  dan  makro‐struktur  berbagai  material,  namun  pengetahuan  tentang 

struktur‐struktur atom dan kristal terlebih dahulu harus dipahami.  

Struktur atom mempengaruhi bentuk  ikatan yang  terbentuk  sesama atom. Dengan 

bentuk  ikatan  atom,  kita  dapat  mengkatagorikan  material  tersebut  sebagai  logam, 

keramik, dan polimer dan kita dapat mendapatkan gambaran beberapa hal penting dari 

sifat‐sifat makanik dan fisik dalam ketiga kelas tersebut. 

This first  image shows the coordination polyhedra for a superconductor material as 

shown on  the  fig. 1.10.  It  represents  the basic  repeat unit  that, when aggregated with 

13 

about 10^20 similar units, will create a monolith of the superconductor somewhat less in 

size than one cubic centimeter. The crystalline unit cell is one aspect of structure that the 

materials  engineer  must  understand  to  produce  functional  superconductor  devices. 

However, there are other aspects of a material's structure that too must be considered. 

The purpose of this web page is to introduce the reader to the concept of structure. 

Let us begin our discussion of structure by  first considering  the crystal structure of 

perovskites. Perovskites are a large family of crystalline ceramics that derive their name 

from a specific mineral known as perovskite.  

Fig. 1.11 amethyst 

They are the most abundant minerals on earth and have been of continuing interest 

to  geologists  for  the  clues  they  hold  to  the  planet's  history.  The  parent  material, 

perovskite, was first described in the 1830's by the geoologist Gustav Rose, who named it 

after the famous Russian mineralogist Count Lev Aleksevich von Perovski. Currently, the 

most  intensely  studied  perovskites  are  those  that  superconduct  at  liquid  nitrogen 

temperatures.  Superconducting  perovskites were  first  discovered  by  IBM  researchers 

Bednorz  and  Mueller  who  were  examining  the  electrical  properties  of  a  family  of 

14 

materials  in  the  Ba‐La‐Cu‐O  system.  The  coordination  polyhedra  is  only  one  way  to 

represent a crystalline unit cell. Another way  is  to use a ball and stick model, with  the 

balls representing atoms and the sticks, bonds between the atoms. Two representations 

of this are illustrated below. 

First,  let  us  consider  a  basic  unit  cell,  a  cubic  crystal  system,  as  seen  in  three 

dimensions. Those of us who  lack 3‐dimensional depth perception can sometimes gain 

3D information by moving our heads slightly from left to right while looking at an object. 

Similarly,  all  of us  can  project  a  3‐dimensional  cube onto  a  2‐dimensional  screen  and 

then rotate  it to provide  information on  its 3D nature. In other words, we can use a 2D 

perspective  projection  extrapolated  to  a  3D  impression.  To  the  left,  you  see  a  GIF 

animation of a unit cell of a three‐dimensional (3D) crystal.  

So,  the unit  cell  is  the basic  repeat‐unit  for describing a  crystal. What  is a  crystal? 

Well most of us have seen mineral crystals. For example, consider amethyst. Amethyst is 

the purple variety of quartz and is a popular gemstone. If it were not for its widespread 

availability, amethyst would be very expensive. The name  "amethyst"  comes  from  the 

Greek and means "not drunken." This was maybe due  to a belief  that amethyst would 

ward off the effects of alcohol, but most  likely the Greeks were referring to the almost 

wine‐like color of some stones that they may have encountered. Its color is unparalleled, 

and even other, more expensive purple gemstones are often compared to  its color and 

beauty. 

The  amethyst  crystals,  above‐left,  are  large  and  well  defined.  Recall:  there  are 

billions and billions and billions of unit‐cells that make up these individual crystals. Let us 

15 

now take a look at fluorite crystals which are smaller, more regular crystals, aggregated 

as a group. Fluorite  is a mineral with a veritable bouquet of brilliant colors. Fluorite  is 

well known and prized for its glassy luster and rich variety of colors.. 

Now,  let  us  move  from  aggregate  fluorite  crystals  to  aggregate  galena  crystals. 

Galena  is  PbS,  or  lead‐sulfide.  This  fine  specimen  of  the mineral  Galena  consists  of 

hundreds of intergrown crystals. Most of these are tiny, not measuring more than 0.1" (3 

mm)  in  diameter,  but  at  least  20  of  them  exceed  0.3"  (8 mm)  in  all  dimensions.  The 

crystals  shown  are  of  octahedral  form with  their  tips  often  truncated  by  small  cube‐

oriented faces. They have the standard dark‐gray color, dull metallic  luster, and opacity 

of Galena,  and  are  dusted with  a  thin  layer  of  superfine  pyrite  (Fe‐S)  or  chalcopyrite 

(Fe/Cu‐S), giving some of the crystals a dull golden appearance. 

With  the  introduction  above,  the  reader  may  appreciate  that  there  are  must 

necessarily be defects associated with crystals. Defects too define structure. For example, 

consider  the boundaries between  individual  crystals  (or grains).  Since  these  crystalline 

aggregates grow together with  'random' orientation, grain‐boundaries necessarily exist: 

and  they  are  defects  as  the  atomic  order  along  them  is  disrupted  from  that  within 

individual grains. These planar structures certainly must have something to do with, for 

example, how the aggregate will break apart  if struck by a hammer blow. Note too the 

reference  to  a  dull  golden  appearance  of  the  galena  specimen.  The  source  of  this 

discoloration is impurity particles. Iron sulfide and iron/copper sulfide grow on (and then 

into)  the  lead‐sulfide  crystals.  These  sulfides  have  different  color  properties  than  the 

lead‐sulfide.  It  is  indeed  impurities  and  imperfections  in  the  crystal  structure  of  the 

16 

amethyst and fluorite crystals,  introduced above, that give those crystals color. Note  in 

the  case of  the  amethyst  the non‐uniformity of  color,  and  thus  the non‐uniformity of 

chemical content! All of these concepts relate to the structure and associated defects of 

the materials being discussed. 

Fig. 1.12 view inside a perovskite material 

Now I share with you a few micro‐structural images. The first will be a look "inside" a 

perovskite  material:  lanthanum  aluminate.  Let's  not  concern  ourselves  with  the 

magnification. You can assume dimensions to be  in the order of tens of microns. What 

you will see is a non‐perfect, but beautiful state of matter. In one of the superconducting 

perovskites, the degree of defect (such as that shown on the left) would determine how 

well  the crystal would work as a superconductor. The structure determines properties. 

Enjoy the beauty and many natural wonders in the reference source,  

For a second look at defect structure, consider fig. 1.13 that is the image on the right 

from  the  NASA  Science  Academy  web  pages  .  Here,  we  are  looking  at  rather  high 

magnification at a Group II‐VI semiconductor compound, possibly ZnS. The color electron 

photomicrograph shows such common structural defects as a grain boundary  (A),  twin 

17 

boundaries  (B),  and  triangular‐shaped  dislocation  etch  pits  (C).  These  defects  were 

revealed by chemical etching of a wafer cut from a crystal of a II‐VI semiconducting alloy, 

which was produced by directional solidification. Dislocations are another type of defect 

(line‐defect) common to crystalline solids, and very, very important to their properties. 

Fig. 1.13 defect structure 

Reflect  again  on  the  poly‐crystalline  structure  of  the  galena  aggregate  previously 

introduced.  This  is  essentially  a  three  dimensional  view  of  how metals  and  alloys  are 

structured. The sole difference is the scale of the grain‐array. Commercial alloys are fine‐

grained,  with  grains  (ie,  crystals)  typically  0.075  mm  or  so,  in  diameter.  Perhaps 

comparison of the galena aggregate to fig. 1.15 will convince you that grain‐boundaries 

play a role in the behavior of metals and alloys. Shown is the fracture surface of a high‐

strength  alloy which  failed  by  hydrogen  embrittlement.  This mode  of  failure  is  highly 

dependent  on  the  size,  orientation  and  chemical  make‐up  of  the  grain  boundaries. 

Please note the similarity of the galena specimen and this  failure specimen, which was 

18 

subject  to  inter‐granular  (ie,  along‐the‐grain‐boundary)  fracture.  The  individual 

polyhedra facets define the grains.  

Fig. 1.14 galena aggregate 

Metallography is a means to evaluate the grain‐structure of materials. Shown on the 

right  is a color photo‐micrograph  (a  two‐dimensional section  through a poly‐crystalline 

array)  of  a  common  alloy  or  metal  (brass  or  nickel,  for  example).  To  the  trained 

metallurgist  or  materials  engineer,  the  structure  represents  a  face‐centered‐cubic 

material that has been worked and then "recrystallized" during an annealing treatment. 

The metal or alloy  is  in a soft, ductile state. I know you may not know what all of these 

terms  mean.  I  am  trying  to  illustrate  the  link  between  structure,  properties  and 

processing.  I  am  trying  to  illustrate  the perspective of  the materials engineer  and  the 

importance of the structure concept. This  image  is the work of George Vander Voort of 

the International Metallographic Society.  

19 

Fig. 1.15 color photo‐micrograph 

To  reinforce  the  importance  of  grain  structure  to  properties,  please  consider  the 

photo‐micrograph below. Again, failure along grain boundaries of an engineering alloy is 

featured. The alloy  is stainless steel  (why  is  it called "stainless" steel.... do you know?). 

The  failure  mode  is  caustic  stress  corrosion  cracking.  Here,  in  a  micrograph  of  the 

stainless steel, one can see how failure is proceding along the grain‐boundaries from the 

free‐surface of the component (top edge). Besides grain boundaries, what other defects 

do you see in this photomicrograph?  

20

2KEGAGALAN

MATERIAL  

Pendahuluan 

Suatu material    dinyatakan  gagal  apabila  tidak  berkemampuan  untuk memenuhi 

fungsi utama dari perencanaan yang dikehendaki. Faktor utama penyebab suatu bahan 

mengalami  kegagalan  adalah beban maksimum  yang bekerja melebihi  tegangan patah 

bahan.  Namun,  tidak  semua  bahan  gagal  dengan  cara  yang  sama.  Faktor  kekuatan, 

kemuluran  dan  kerapuhan mempengaruhi mekanikal  gagal  suatu  bahan.  Faktor‐faktor 

yang mempengaruhi kegagalan sangat  tergantung pada sifat dasar dan keadaan bahan 

tersebut  ,  jenis  pembebanan  yang  dikenakan,  kadar  pembebanan  yang  dialami, 

temperature  dan  keadaan  lingkungan,  pengaruh  tumpuan  beban,  ketidaksempurnaan 

permukaan, atau cacat bahan. 

Kegagalan Akibat Beban Statis. 

Kegagalan  akibat  beban  static  disebabkan  mulur  atau  rapuh  atau  dipengaruhi 

modulus kekenyalan. 

21

Kegagalan Akibat Beban Fatik. 

Gagal  lelah atau fatik adalah kegagalan yang terjadi pada kondisi beban maksimum 

yang lebih kecil dari kemampuan beban, namun terjadi karena berulang ulang dan  terus 

menerus sehingga terjadi penambahan mikro retak. 

Fatik yang  terjadi pada  logam  telah dipelajari  sejak  lebih dari 150  tahun yang  lalu. 

Salah  satu peneliti awal  tapi bukan yang pertama adalah August Wohler. Dalam kurun 

waktu sejak tahun 1850 sampai dengan tahun 1875 berbagai percobaan telah dijalankan 

guna mendapatkan  sebuah  tegangan  alternative  yang  aman  sehingga  kegagalan  tidak  

akan  terjadi.  Hampir  seratusan  tahun  para  peneliti  telah  menampilkan  secara 

eksperimental  efek  dari  beberapa  variable  yang  mempengaruhi  panjangnya  usia 

kekuatan fatik logam. 

Fatik  logam merupakan  sebuah  proses  yang mengakibatkan  kegagalan  premature 

atau kerusakan dari sebuah komponen yang dikenai beban berulang. Fatik logam adalah 

sebuah  proses  metalurgi  yang  rumit  dan  sulit  digambarkan  secara  akurat  dan  sulit 

dimodelkan  pada  tingkatan  mikroskopi.  Meskipun  kompleks,  pengamatan  kerusakan 

fatik  dalam  desain  komponen  dan  struktur  harus  dilaksanakan.  Akibatnya  metoda‐

metoda analisa fatik pun mulai tumbuh berkembang. 

Stress – Life 

Metoda S‐N merupakan  sebuah pendekatan yang pertama  sekali digunakan dalam 

upaya memahami  dan menghitung  kelelahan  pada  logam. Metoda  ini  telah menjadi 

metoda standar untuk desain fatik selama kurun waktu hamper 100 tahun. Pendekatan 

22

dengan metoda  S‐N masih  banyak  digunakan  dalam  aplikasi  desain  dimana  tegangan 

yang berlangsung menjadi faktor utama dengan batas elastis material dan resultan usia 

pakai sangat panjang seperti pada poros transmisi, roda gigi, kopling dan sebagainya. 

Metoda  Stess‐life  tidak  dapat  digunakan  untuk  aplikasi‐aplikasi  putaran  rendah 

dimana regangan yang terjadi memiliki sebuah komponen plastis yang signifikan. Untuk 

kasus ini pendekatan yang berbasis kepada regangan lebih sesuai untuk digunakan. Garis 

pemisah  antara  fatik  putaran  rendah  dengan  fatik  putaran  tinggi  adalah  bergantung 

kepada material, namun biasanya berkisar antara 10 sampai dengan 105 putaran. 

Diagram S­N 

Dasar dari metoda  Stress  –  Life  ini  adalah diagram  S‐N  atau disebut  juga diagram 

Wohler  yang  menggambarkan  tegangan  –  tegangan  alternatif  (S)  terhadap  jumlah 

putaran  hingga  patah  (N).  Prosedur  yang  paling  umum  untuk mendapatkan  data  S‐N 

adalah  melalui  pengujian  Rotating  Banding  dan  Axial  Tension.  Data  hasil  uji  S‐N  ini 

biasanya ditampilkan dalam grafik  log dengan garis aktual S‐N merepresentasikan data 

rata‐rata.  Beberapa  material,  terutama  logam  BCC  (Body  Centered  Cubic)  memiliki 

batasan  endurance  atau  batas  fatik  (Se)  dimana  batasan  tersebut merupakan  batasan 

tegangan  dimana  material  memiliki  usia  pakai  tak  terhingga.  Untuk  kebutuhan 

engineering,  usia  pakai  tak  berhingga  biasanya  diperhitungkan  hingga  putaran  1  juta. 

Batas  endurance  dipengaruhi  oleh  elemen‐elemen  penyusunnya,  seperti  karbon  atau 

nitrogen  didalam  besi  dengan  dislokasi  pin.  Hal  ini  mencegah  mekanisme  slip  yang 

memicu pembentukan mikrocrack. Bila endurance  limit berkurang, maka hal – hal yang 

harus diperhatikan sebagai penyebabnya adalah : 

23

1. Terjadinya beban berlebih secara periodik (periodic overloads) dimana terjadinya 

dislokasi  unpin. 

2. Lingkungan  kerja  yang  korosif  (corrosive  environments)  yang  mengakibatkan 

terjadinya interakasi fatik korosi. 

3. Temperatur  yang  tinggi  (high  temperature)  yang  mengakibatkan  terjadinya 

dislokasi yang berpindah‐pindah. 

Adalah  penting  untuk  dicatat  bahwa  efek  dari  beban  berlebih  secara  periodik 

tersebut diatas memiliki hubungan dengan tingkat kemulusan spesimen yang diuji. Untuk 

komponen bertakik memiliki perilaku yang sangat berbeda yang diakibatkan oleh adanya 

residual stress (tegangan sisa) yang ditimbulkan oleh beban berlebih. 

Kebanyakan material  paduan  non‐logam  tidak memiliki  endurance  limit  dan  garis 

kurva S‐N nya memiliki kemiringan yang kontinu. Batas endurance semu atau kekuatan 

fatik  dari  material  ini  dianggap  sama  dengan  harga  tegangan  dimana  usia  pakainya 

berkisar 5 x 108 putaran. 

Hubungan endurance limit terhadap hardness (kekerasan) yaitu: 

    Se (Ksi)  ≈ 0.25   x   BHN    ; untuk  BHN ≤ 400      

    Se  ≈ 100 Ksi               ; untuk  BHN > 400 

Hubungan endurance limit terhadap ultimate strength: 

    Se   ≈  0,5 x   Su  ; untuk Su  ≤  200 Ksi 

    Se   ≈  100 Ksi    ; untuk Su  >  200 Ksi 

24

Tegangan  bolak‐balik  yang  di  hubungkan  dengan  usia  pakai  1000  putaran  (S1000) 

dapat  di  estimasi  0,9  x  Sut.  Garis  yang menghubungkan  titik  ini  dan  endurance  limit 

adalah merupakan estimasi yang digunakan untuk garis desain S‐N bila  tidak ada data 

titik aktual yang tersedia untuk material tersebut. 

Guna melakukan pendekatan secara grafik sebuah hubungan power dapat digunakan 

untuk memperkirakan kurva S‐N untuk baja: 

    S = 10cNb   ( untuk 103 < N < 106) 

Dimana eksponen c dan b pada persamaan diatas ditentukan dengan menggunakan 

dua titik yang telah ditentukan dalam gambar 1.5.  

Persamaan untuk menentukan usia pakai yang berkaitan dengan alternating  stress 

adalah: 

    N= 10 –c/b S 1/b   (untuk  103 < N < 106) 

Dicatat bahwa jika S1000 dan Se ditentukan: 

    S1000   ≈ 0,9 Su dan Se   ≈  0,5 Su 

Maka kurva SN di definisikan sebagai: 

    S = 1.62 Su N‐0.085 

25

Ada‐ hal‐hal penting  yang harus diperhatikan mengenai  kurva  S‐N  ini, diantaranya 

yaitu: 

1. Hubungan  empiris  yang  disajikan  sebagaimana  diatas  hanyalah  merupakan 

estimasi  saja  dan  tergantung  pada  tingkatan  keperluan  dari  analisa  fatik. 

Sehingga data‐data dari hasil uji aktual diperlukan. 

2. Konsep  yang  paling  berguna  dari metoda  S‐N  ini  adalah  endurance  limit  yang 

telah digunakan untuk menghitung usia pakai  tak berhingga atau perancangan 

untuk tegangan aman. 

3. Secara  umum,  pendekatan  dengan  metoda  S‐N  seharusnya  tidak  digunakan 

untuk mengestimasi usia pakai di bawah 1000 putaran. 

Faktor­Faktor Modifikasi 

Selama beberapa  tahun manfaat dari pengujian  fatik kebanyakannya adalah untuk 

memperoleh sebuah pemahaman empiris dari efek‐efek beberapa faktor terhadap base 

line kurva S‐N untuk material besi paduan dalam usia pakai menengah hingga usia pakai 

lama. 

Variabel‐variabel yang diinvestigasi adalah : 

1. Ukuran (size) 

2. Jenis pembebanan (Type of loading) 

3. Kehalusan pemukaan (surface finish) 

26

4. Perlakuan terhadap pemukaan 

5. temperatur 

6. Lingkungan kerja (environment) 

Efek Ukuran  Kegagalan fatik pada material bergantung kepada  interaksi antara sebuah tegangan 

yang besar dengan sebuah   cacat/ retak kecil yang kritis. Pada dasarnya, fatik di control 

oleh link terlemaj dari material, dengan kemungkinan dari peningkatan sebuah link yang 

lemah dengan volume material. Hal ini berbeda dengan sifat‐sifat dari  iamati dari hasil‐

hasil  uji  fatik  dari  suatu  material  yang  memakai  specimen  berdiameter  variasi.  Efek 

ukuran  telah  dihubungkan  dengan  lapisan  tipis  dari  permukaan material  dikenai  95% 

atau lebih dari tegangan permukaan maksimum. 

Tabel 2.1 Pengaruh ukuran terhadap endurance limit                                        . 

Diameter  Endurance limit (Ksi) 

0.3 

1.5 

6.75 

33.0 

27.6 

 17.3 

Ada hubungan empiris terhadap data efek ukuran yang paling konservatif adalah 

       Csize  =   1.0          ; jika   d    ≤  0.3 in 

      0.869 d (‐0.097)       ; jika 0.3 in  ≤ d  ≤ 10  in 

      Csize =  1.0    ; jika d ≤  8mm 

      1.189 d (‐0.097)    ; jika 8 mm ≤  d  ≤ 250mm 

27

dimana d adalah diameter komponen. Beberapa hal lain yang perlu dipertimbangkan 

jika kita memperhitungkan tentang efek ukuran  adalah:  

1. Efek kelihatan (muncul) nampak sekali pada usia pakai yang sangat lama. 

2. efek ukuran akan bernilai kecil jika diameter komponennya diatas 2 in, walaupun 

melalui uji bending atau torsi. 

3. Berdasarkan  problem  proses  yang  inheren  pada  komponen  yang  besar, maka 

tidak  ada  kesempatan  untuk  munculnya  residual  stress  dan  variasi  variable 

metalurgi yang dapat mempengaruhi kekuatan fatik. 

Efek Beban Perbandingan endurance  limit untuk  sebuah material yang diperoleh dari uji aksial 

dan uji rotating bending berkisar antara 0.6 hingga 0.9. Data ini termasuk beberapa error 

akibat dari eksentisitas beban aksial. Perkiraan konservatifnya adalah: 

    Se (axial)     ≈ 0.70 Se (bending) 

Perbandingan  endurance  limit  yang  diperoleh  dari  uji  rotating  bending  dan  uji  torsi 

memiliki range dari 0.5 sampai dengan 0.6. Perkiraan yang logis  adalah sbb: 

    Te (torsion)    ≈ 0.577 Se (bending) 

Finishing Permukaan Garis‐garis,  lubang‐lubang kecil dan bekas–bekas pabrikasi pada permukaan sebuah 

material  dapat  menambahkan  konsentrasi  tegangan  terhadap  salah  satu  komponen 

28

geometri  yang  sudah  ada. Material  yang memiliki  butiran  halus  yang  seragam  seperti 

baja  berkekuatan  tinggi  lebih  dapat  dipengaruhi  oleh  efek  permukaan  yang  kasar  jika 

dibandingkan dengan material berbutir kasar seperti besi tuang. 

  Faktor  koreksi  untuk  penyelesaian  permukaan  ditampilkan  dalam  grafik  yang 

memakai sebuah gambaran kualitatif dari surface finish seperti polished atau machined. 

Beberapa hal penting mengenai efek dari surface finish adalah: 

1. Kondisi dari permukaan lebih penting diperhitungkan bagi baja‐baja bekekuatan 

tinggi. 

2. Residual  surface  stress  yang  ditimbulkan  oleh  pekerjaan  machining  dapat 

menjadi penting. Sebagai contoh tegangan tarik residual yang terkadang timbul 

oleh beberapa pekerjaan gerinda. 

3. Untuk usia pakai yang singkat, dimana terjadi domonasi propagasi retak, kondisi 

surface finish membawa efek yang kecil terhadap fatiguelife. 

4. Ketidak  teraturan  penempatan  permukaan  seperti  tanda  stamp  dapat 

menimbulkan konsentrasi tegangan dengan efektif dan tidak dapat diabaikan. 

Perlakuan Permukaan Ketika  retak  fatik  kerap  sekali muncul  pada  sebuah  permukaan  bebas,  beberapa 

perlakuan permukaan dapat memberikan efek  terhadap  fatigue  life.Diantara perlakuan 

permukaan yang dapat dikatagorikan menjadi plating,  thermal, dan mechanical. Ketiga 

perlakuan permukaan tersebut memiliki efek fatigue life dikarenakan residual stresses. 

29

Plating Proses  plating  dengan  memakai  unsur  chrome  dan  nickel  pada  baja  dapat 

menyebabkan  pengurangan  hingga  60%  endurance  limit.  Hal  ini  dikarenakan  oleh 

tegangan tarik residual stress yang dibangkitkan oleh proses plating itu sendiri. Tindakan‐

tindakan berikut yang dapat mengatasi permasalahan residual stress yaitu: 

1. Lapisan dengan nitride sebelum dilakukan plating. 

2. Shoot peen part sebelum atau sesudah plating. 

3. Annealing atau bake part setelah plating. 

Ada  beberapa  factor  yang  terjadi  dalam  proses  plating  yang  dapat memberi  efek 

terhadap fatigue life, terutama untuk chrome dan nickel plating sbb: 

1. Ada pengurangan yang besar  terhadap kekuatan  fatik  seiring dengan kekuatan 

luluh material yang diplating meningkat. 

2. Pengurangan kekuatan fatik yang diakibatkan oleh proses plating lebih besar lagi 

pada usia pakai yang lebih panjang. 

3. pengurangan kekuatan fatik lebih besar ketika ketebalan plating meningkat. 

4. ketika  fatik  terjadi  di  dalam  lingkungan  yang  korosif, maka  ketahanan  korosi 

ekstra  yang  ditimbulkan  oleh  proses  plating  akan  lebih  banyak  ketimbang 

pengurangan kekuatan fatik dilingkungan yang non korosif. 

30

Thermal (panas) Proses difusi seperti carburizing dan nitriding sangat menguntungkan bagi kekuatan 

fatik. Proses‐proses ini memiliki efek kombinasi dari peningkatan kekuatan material pada 

permukaan  sebaik mungkin  sebaik  akibat  penambahan  volumetric  yang menghasilkan 

tegangan‐tegangan permukaan tekan residu. 

Nyala  api  dan  pengerasan  induksi mengakibatkan  sebuah  fase  transformasi,  yang 

mengakibatkan  ekspansi  volumetrik.  Jika  proses  ini  dilakukan  pada  permukaan, maka 

akan  menghasilkan  sebuah  tegangan  residual  compressive  yang  menguntungkan 

kekuatan fatik. 

Hot  rolling  dan  forging  dapat mengakibatkan  surface  decarburization.  Kehilangan 

atom‐atom  karbon  dari  permukaan material mengakibatkan  proses  tersebut memiliki 

kekuatan yang  lebih rendah dan  juga dapat menghasilkan  tegangan  tarik residu. Kedua 

faktor  tersebut  sangat  detrimental  terhadap  kekuatan  fatik.  Efek  dari  decarburization 

pada berbagai baja paduan berkekuatan tinggi dengan bentuk bertakik dan tidak bertakik 

dapat dilihat dalam table 1.4. 

  Tabel 2.2  Efek Decarburization terhadap Endurance Limit 

Steel  Su  Smooth  Notched  Smooth  Notched 

AISI  2340 

AISI  2340 

AISI  4140 

AISI  4140 

250 

138 

237 

140 

122 

83 

104 

83 

69 

43 

66 

40 

35 

44 

31 

32 

25 

25 

22 

19 

31

Harus  dicatat  pula  bahwa  beberapa  proses manufacture.  Seperti  pengelasan,  gerinda, 

flame cutting dapat men‐setup detrimental residual zensile stress. 

Mechanical Ada  beberapa  metode  yang  digunakan  pada  pengerjaan  dingin  (cold  work) 

permukaan sebuah komponen untuk menghasilkan sebuah  residual compressive stress. 

Dua  proses  yang  penting  yaitu  cold  rolling  dan  shot  peening.  Selama  memproduksi 

compressive  residual  stress, metode  ini  juga  dapat mengeraskan  permukaan material. 

Peningkatan  yang besar  terhadap  fatigue  life  terjadi dikarenakan oleh adanya  residual 

compressive stress. 

Cold  rolling  melibatkan  pressing  stell  rollers  pada  permukaan  komponen  yang 

biasanya diputar dengan mesin bubut. Metoda  ini digunakan pada bagian‐bagian yang 

lebar dan dapat menghasilkan sebuah lapisan residual stress yang dalam. 

Shot peening merupakan  salah  satu metode penting dalam memproduksi  residual 

compressive  stress.  Prosedur  ini  involves  blasting  permukaan  dari  sebuah  komponen 

dengan baja untuk kecepatan  tinggi atau glass beads. Hal  ini menjadikan bagian dalam 

material berada dalam kondisi residual  tension dan bagian kulit material berada dalam 

residual  compression.  Lapisan  residual  compressive  stress memiliki  ketebalan  ±  1mm 

dengan sebuah nilai maksimum kira‐kira satu setengah kali kekuatan luluh material. 

Beberapa  hal  penting  mengenai  pengerjaan  dingin  berkaitan  dengan  tegangan‐

tegangan residual compressive yaitu: 

32

1. Cold rolling dan shot peening memiliki efek yang besar pada usia pakai yang lama 

(panjang).  Pada  usia  pakai  yang  sangat  singkat  tidak  terdapat  peningkatan 

fatigue  strengthnya.  Pada  usia  pakai  yang  pendek  tingkatan  tegangan  harus 

cukup tinggi agar timbul uselding yang menghilangkan residual stress. 

2. Beberapa  situasi  dapat  menimbulkan/  membangkitkan  tegangan  sisa  dalam 

rangka  relaksasi  atau  fade‐out.  Situasi  tersebut  seperti  high  temperature  dan 

overstressing. Kira‐kira untuk baja situasi tersebut berlangsung jika temperature 

mencapai 5000 F dan untuk alumunium 2500 F. 

3. Baja‐baja  yang  kekuatan  luluhnya dibawah 80 Ksi  jarang  sekali di  lakukan  cold 

working atau shot peening. Hal ini disebabkan oleh titik luluh yang rendah sangat 

mudah untuk menimbulkan regangan plastis yang wipe out residual stress. 

4. Sebuah tegangan sisa tekan pada permukaan memiliki efek yang besar terhadap 

fatigue  life ketika tegangan tersebut berlangsung pada daerah dimana terdapat 

stress gradient, umumnya pada daerah sekitar takikan. 

5. Untuk melakukan  overpeen  sebuah  permukaan  adalah  sangat mungkin  untuk 

dilakukan. Biasanya  terdapat  level optimum untuk peening  sebuah  komponen, 

dan peening lebih lanjut akan mulai menurunkan fatigue strengthnya. 

33

Temperatur 

Ada sebuah tendensi untuk endurance  limit baja untuk meningkat pada temperatur 

yang  rendah.  Akan  tetapi,  pertimbangan  penting  dalam  perancangan  adalah  bahwa 

beberapa material mengajarkan pengalaman yaitu 

Akan tetapi, yang menjadi pertimbangan penting dalam perancangan adalah bahwa 

beberapa  material  telah  memberikan  pengalaman  mengenai  pengurangan  yang 

signifikan dalam fracture toughness pada temperature yang rendah. 

Pada  temperature  yang  tinggi,  endurance  limit  baja menghilang  dikarenakan  oleh 

bergeraknya  dislokasi.  Pada  temperature  diatas  kira‐kira  satu  setengah  titik  leleh 

(melting point) dari material  tersebut,  creep menjadi hal yang penting. Dalam batasan 

ini, pendekatan dengan metoda stress‐life tidak dapat digunakan lagi. Perlu juga di catat 

bahwa temperature yang tinggi dapat mengakibatkan terjadinya annealing yang mampu 

menghilangkan residual compressive stress yang berguna. 

Lingkungan Kerja 

Ketika beban fatik ambil bagian didalam sebuah lingkungan yang korosif penghasilan 

efek‐efek  detrimental  akan  lebih  signifikan  dibanding  dengan  perkiraan  yang 

memperhitungkan fatik dan korosi secara terpisah. 

Interaksi  antara  fatik  dan  korosi  yang  disebut  juga  dengan  corrosion  fatigue, 

melibatkan mekanisme kegagalan yang unik dan sangat kompleks. Pengkajian dibanding 

ini masih sangat banyak pada tahapan riset dan masih sangat sedikit teori yang berguna 

dan data yang berjumlah banyak yang tersedia. 

34

Mekanisme dasar  fatik‐korosi pada  tahapan awal dapat dijelaskan  sebagai berikut: 

sebuah  lingkungan  yang  korosif  menyerang  permukaan  dari  sebuah  logam  dan 

menghasilkan  sebuah  lapisan  oxide‐film.  Biasanya,  oxide‐film  ini  akan  membentuk 

lapisan  pelindung  dan  mencegah  korosi  yang  lebih  lanjut  terhadap  logam  tersebut. 

Namun,  beban  bersiklus  (Cyclic  loading)mengakibatkan  terjadinya  lokalisasi  retak  dari 

lapisan  ini  dan  selanjutnya  lingkungan  yang  korosif  dapat  menyentuh  langsung 

permukaan  logam yang terkoak  itu. Pada saat yang sama, korosi mengakibatkan pitting 

yang  terlokalisasi pada permukaan, dan pit‐pit  ini dapat dikatakan  sebagai konsentrasi 

tegangan.  Mekanisme  fatik‐korosi  selama  tahapan  propagasi  retak  merupakan 

permasalahan yang sangat rumit dan tidak mudah untuk dipahami. 

Salah satu kesulitan‐kesulitan utama dalam mencoba untuk menghitung fatik‐korosi 

adalah  angka  besar  dari  variable‐variable  yang  terlibat  dalam  pengujian. 

Mempertimbangkan  fatik‐korosi  dari  kombinasi  yang  penting  dari  baja  di  dalam 

air.Beberpa  variable  yang  harus  diperhitungkan  adalah  elemen‐elemen  alloy  didalam 

baja,  unsur  kimia  air,  temperature  derajat  aerasi,  kecepatan  aliran,  dan  kadar 

garam.Salah satu trend adalah fatik‐korosi akan  lebih  jelek bila  logam dispray dari pada 

logam  tersebut  di  fully  immersed.Variabel  lain  yang  paling  penting  yaitu  frekuensi 

pembebanan. Uji  fatik  yang  dilakukan  dilingkungan  yang  non  korosif  dapat  dijalankan 

pada hampir semua frekuensi dan data yang serupa akan diperoleh. Sementara itu data 

fatik  korosi  sangat dipengaruhi oleh  frekuensi pembebanan. Pengujian‐pengujian pada 

frekuensi yang  rendah memberi peluang  terjadinya korosi dan menghasilkan usia  fatik 

yang lebih pendek. 

35

Ada beberapa  trend umum  yang dapat diamati didalam  fatik  korosi. Gambar 1.25 

menampilkan kurva S‐N secara umum untuk baja dalam 4 (empat) lingkungan kerja yang 

berbeda.  Kurva‐kurva  yang  diperoleh  dari  udara  ruangan  dan  kondisi  vakum 

menunjukkan  bahwa  meskipun  kelembaban  dan  oksigen  dari  udara  ruangan  dapat 

menurunkan kekuatan fatik sedikit saja. 

Kurva presoak   diambil dalam kondisi  lingkungan  kerja yang korosif dan kemudian 

pengujian  fatik  berlangsung  dalam  udara  ruangan.  Penurunan  sifat‐sifat  fatik  untuk 

kurva‐kurva  ini disebabkan oleh permukaan yang kasar yang diakibatkan oleh corrosion 

pithing.  Kurva  fatik  korosi  berada  dibawah  kurva  dari  udara  air.  Trend  lainnya  yaitu 

bahwa  fatik  korosi  dapat menghilangkan  prilaku  endurance  limit  dari  beberapa  jenis 

baja. 

Ada  beberapa  perlakuan  terhadap  permukaan  material  yang  bisa  meningkatkan 

ketahanan fatik‐korosi.  Surface coating seperti painting, plating dengan chrome, nickel, 

cadmium  atau  zinc,  dapat  digunakan.  Harus  di  catat  bahwa  nickel  plating  dapat 

mengakibatkan  penurunan  kekuatan  fatik  diudara  namun  didalam  lingkungan  yang 

corrosive  nickel  plating  dapat  meningkatkan  kekuatan  fatiknya.  Keuntungan  dalam 

menggunakan metal lunak sebagai zat untuk coating adalah intact akan cenderung untuk 

terjadi  ketika  retak  telah  terbentuk  pada  base  metal.  Satu  masalah  dengan  surface 

coating  yaitu  bahwa  retak  fatik  dapat  dimulai  dari  lapisan  coating  yang  retak meski 

sangat kecil. 

Perlakuan  terhadap  permukaan  yang  menghasilkan  tegangan‐tegangan  tekan 

permukaan  residu  (nitriding,  shot  peening,  cold  rolling  dsb)  dapat  pula  digunakan 

36

perlakuan‐perlakuan  seperti  ini  dapat  menyebabkan  terjadinya  tegangan  tarik 

maksimum dibawah permukaan tersebut. Kebalikannya, tegangan‐tegangan sebenarnya 

dan  tegangan  tarik permukaan residu sangat detrimental dan dapat menimbulkan  fatik 

korosi. 

Kasus Kegagalan Material  

  Analisa kegagalan (failure analysis) adalah tindakan preventif (pencegahan) yang 

penting dilakukan  terhadap  semua pemakaian material  teknik.  Insinyur material  sering 

memegang  peranan  penting  dalam  analisis  kegagalan  ketika  suatu  komponen  atau 

produk yang rusak dalam masa perbaikan, selama perakitan atau selama proses produksi 

. Dalam beberapa kasus, satu hal yang harus ditentukan adalah penyebab‐penyebab dari 

kegagalan tersebut sehingga dapat direncanakan  langkah‐langkah pencegahan kedepan 

dan/atau  untuk  meningkatkan  performansi  dari  peralatan,  komponen  atau  struktur 

tersebut.  

Gambar 2.1  Kecelakaan pesawat di pantai Miami Florida 

37

Salah  satu  contoh  aplikasi  analisis  kegagalan  yang  paling  tampak  adalah  analisis 

kegagalan pada industris dirgantara. Pada 19 Desember 2005, sebuah pesawat Grumman 

G73T  Turbo  jatuh  ke  laut  dekat  pantai Miami  Florida.  Ledakan  diikuti  kebakaran  dan 

sayap  sisi  kanan  terlepas  terlebih  dahulu  sebelum  pesawat  jatuh  ke  laut.    Penelitian 

terhadap  rongsokan  pesawat menunjukkan  adanya  fatigue  cracks  pada  bagian  sayap 

kanan.  Penyebab  dari  kecelakaan  masih  dalam  investigasi.  Akan  tetapi,  Kegagalan 

struktur yang diawali oleh fatik dicurigai sebagai penyebabnya.  

Gambar 2.2 Kecelakaan pesawat di Lond Island July 17. 1996 

Suatu jalur pipa gas ruptured ke jalan tol pada semptember 1993.   A natural gas pipeline 

in Venezuela ruptured next to a major highway in September, 1993. The subsequent gas 

jet ignition resulted in an inferno that killed at least 50 people. Within hours of the initial 

contact,  Failure  Analysis  Association  (a  commercial  firm  engineers  with  expertise  in 

materials,  combustion,  and  pipeline  failure mechanisms  arrived  in  Venezuela  to  start 

investigating.  Such  rapid  response  is  essential  for  examining  conditions  as  close  as 

possible to the time of the incident.  

38

Gambar 2.3.  Pipa gas alam cair yang rusak di Venuezela. 

Shown below is the Heverill Fire Department aerial ladder failure. Structural failure 

of a ladder is not at all an uncommon event. Failure can result, for example, from poor 

design, use of inferior material or fabrication methods, or from a phenomenon called 

fatigue.  

                           Gambar 2.4.  Kerusakan pada tangga pemadam kebakaran 

Fatik  adalah  suatu  mode  kegagalan  yang  terjadi  pada  material  struktur  dan 

digerakkan oleh pembebanan yang berulang. 

39

Dalam analisis kegagalan  struktur, pengujian mekanikal  sering dibutuhkan. Sebagai 

contoh, coba perhatikan kegagalan fatik pada kegagalan dari pegas yang digunakan pada 

pintu. Untuk memprediksi masa pakai dari suatu pegas, salah satu yang harus diketahui 

adalah beban yang akan diterapkan pada pegas tersebut selama pemakaian dipintu, dan 

berapa  banyak  beban  ini  diberikan  dalam  setahun.  Metode  analitik  dan  metode 

pemodelan  komputer menfokuskan  dan menprediksi  waktu  dan  siklus  hingga  terjadi 

kegagalan. Model‐model dikembangkan dan dikonfirmasikan dengan data empirical dari 

pengujian  fatik  yang  dilakukan  terhadap  kedua  spesimen  tarik  uniaxial  dan  springs 

aktual.  Sistem utama dari pengujian material struktur ditunjukkan di bawah ini.  Sebuah 

perangkat portable Instron Model 8511 telah dkembangkan untuk menprediksi fatik dan 

didesain untuk gaya (pembebanan) yang rendah, aplikasi fatik siklik (berulang‐ulang) dan 

untuk pengujian tarik/kompresi di tunjukkan.  

Gambar 2.5 Alat pengujian fatik 

40

Gambar 2.6 artificial hips, and stainless steel rods 

Sistem  tersebut  telah  dilaporkan  digunakan  oleh  Laboratorium  Bio‐Mekanik 

Orthopedi di Sekolah Medkal Harvard untuk pengujian hips tiruan dan stainless steel rods 

yang digunakan untuk memperbaiki scoliosis.  

   Kemungkinan kegagalan dari  suatu  struktur yang disbabkan  fatik  telah dibahas di 

atas, lalu bagaimana dengan kegagalan yang disebabkan oleh selain fatik. Ada beberapa 

penyebab  kegagalan  selain  fatik, diantarannya metallic‐embrittlement mode. Keagalan 

ini  dapat  dinalisi  dengan  fractography.  Fractography  merupakan  tinjauan  mikroskopi 

sederhana dari permukaan fracture surface. Namun, sebelum advent scanning (SEM) dan 

transmission (TEM) electron microscopes, fractography was lrather difficult to perform.  

Fig. 2.8  is a detailed  inspection [at approximately 5000X] of a fracture surface using 

SEM.  The  presence  of  a  series  of marks  approximately  parallel  to  the  crack  front  are 

revealed. The marks are called fatigue striations and are characteristic of the growth of a 

fatigue crack in a ductile material. This confirms crack growth by the fatigue process.  

Now l

look‐see 

componen

loading.  N

characteri

origins are

Now r

what inve

Fig. 2

et's step bac

at  the  "ma

nt.  The  subje

Note  the  int

istic is due to

e a common f

recall the cras

stigators fou

Fig. 2.

2.8 viewed ins

k from the st

cro"  feature

ect  is  the  fat

teresting  mu

o the presenc

feature of a fa

sh of the Gru

nd on a rear 

.7 fatigue fail

spection of a 

riations on a 

es  of  the  fra

igue  failure o

ulti‐step  char

ce of many cr

atigue failure

umman G73T 

spar of the w

ure of a slind

fracture surfa

typical fatigu

acture  plane

of  a  splinded

racteristic  of

rack origins a

e.  

Turbo Malla

wing structure

ed  

ace using SEM

ue fracture su

e  of  a  typic

d  solid‐shaft 

f  the  fractur

long the splin

rd mentioned

e; the wing th

M. 

urface to have

cal  engineeri

under  torsion

re  profile.  T

nes. Multi‐cra

d above? This

hat separated

41

e a 

ing 

nal 

his 

ack 

s is 

d in 

42

flight. Notive the tale‐tale fatigue characteristics? Follow‐on SEM fractography is needed 

to confirm the fatigue crack‐growth mode. 

Inspection of Non‐Metallic Components 

Mari  kita  perhatikan  suatu  komponen  bukan  logam  yang  insinyur material musti 

dipersiapkan  untuk menganalisi  untuk  optimasi  performansi.  Lebih  lajut,  kebanyakan 

jenis sil  (seal) dinamik  telah digunakan pada saat  ini adalah sil oli  (oil seal) atau  rotary 

shaft seal. While its initial cost is minimal, its impact on maintenance time and labor can 

be significant. An early seal failure will throw even the best program off schedule. On the 

web pages  (or  screens) of Chicago‐Rawhide were  examples of  the most  common  seal 

failures  found  when  investigating  field  problems.  However,  Chicago‐Rawhide  was 

recently  bought‐out  by  SKF  of  Stockholm,  Sweden,  and  the  excellent  failure  analysis 

pages  have  been  dropped. Use  an  Internet  search  engine with  'seal  failure'  +  'failure 

analysis' to pursue this topic.  

Fig. 2.10 failure analysis to  seal 

43

The  first  image  conveys  an  important  message  of  any  failure  analysis.  Examine 

carefully, by eye and with low power lenses (5X to 10X), any failure or fracture to begin 

the failure analysis procedure. 

The  second  image  illustrates  one  particular  failure  mechanism.  When  operating 

speeds  increase,  seal  lip  temperatures may  soar. One  indication of high heat  is a dry, 

brittle  lip. Flexing  the  lip may  reveal  fine axial cracks around  the entire circumference. 

Another  indicator  is a  thin band of  carbonized oil along  the  seal  lip  that  results when 

heat causes the lubricant to break‐down. These are clues to look for in examining failed 

seals. Remember  too  to  look  at other  seals of  similar  life  in  similar  situations  to  gain 

more  knowledge  about  a  particular  failure mode;  and  to  learn  something  about  the 

extent of the problem! 

Failure  Analysis  of  Devices  [also  termed  'Reliability  Physics'] 

Now,  let  us  switch  gears  to  solid  state  device  failure  analysis  methods.  Electronic, 

magnetic  and  optic  devices  too,  can  fail.  The  cause  of  failure must  be  ascertained  to 

improve  reliability  and  to  correct  errant process  steps. Here  are  examples which may 

give you the idea of reliability physics or device failure analysis. 

The  application  of  Scanning‐Probe Microscopy  (SPM)  in  the  failure  analysis  of  a 

finished and packaged integrated circuit is illustrated in this chapter. 

In the failure analysis of devices, it is often necessary to remove over‐layers, such as 

the passivation (glass‐like) layer that is used to protect the device from moisture andbad 

actor, mobile‐ion species. One must do this in such a way as to maintain the integrity of 

44

the under‐lying defect or contaminant information. One device used to remove passive‐

films is the plasma etcher.  

Suatu paket mikro‐elektronik dihasilkan dari teknologi IC dicetak pada papan sirkuit. 

Satu  imej  kemungkinan  berbagai  kemungkinan  kegagalan.  Beberapa  analitikal,  teknik 

inspeksi tidak merusak tersedia untuk untuk mengalisis kegagalan mikro‐elektronik dan 

termasuk  CSAM  yang  mana  C‐mode  Scanning  Acoustic  Microscopy  (C‐SAM).  Non‐

destructive  failure  analys  terhadap    IC  packages  menggunakan  C‐SAM  dapat 

menidentifikasi critical defects (cacat kritik) dalam tiga dimensi paket tersebut. Scanning 

Infrared Microscopy  (SIR) dapat mengukur temperatur yang dibangkitkan  Ics  Impedansi 

termal  tanpa bersentuhan dengan permukaan paket  Ic  tersebut dan  lainnya yang  lebih 

berguna. Peralatan non‐destructive  tool  to  the  failure analyst. Below  is a C‐SAM  image 

showing delamination (red regions) in a micro‐electronics package. 

Fig. 2.10 delimation in  Ic 

45

3LOGAM DAN

PADUAN

Pendahuluan 

Dalam  pandangan  orang  awam,  struktur  baja  merupakan  suatu  material  teknik 

utama  dalam  praktek  keteknikan  moderen.  Material  konstruksi  yang  serbaguna  ini 

mempunyai beberapa karakteristik, atau keunggulan sebagai  logam, yaitu : (1) kuat dan 

dapat  dibentuk  ke  dalam  bentuk  yang  praktis.  (2)  Derformabilitas  atau  kelembutan 

merupakan  suatu  aset  yang  penting  dalam  pembebanan  yield  mendadak.  yang 

menjengkelkan.  (3)  Suatu  permukaan  baja  yang  baru  saja  potong  mempunyai  suatu 

karakteristik  kilauan  logam,  dan  (4)  suatu  batang‐baja  bisa  digabungkan  karakteristik 

utama dengan  logam  lainnya. Meskipun  struktur baja merupakan  suatu  contoh umum 

dan  utama  dari  penggunaan  logam  pada  keteknikan,  namun  tidak  sedikit  juga  yang 

memproduksi logam‐logam lainnya seperti emas, platina dan timah. 

Fig. 3.1 native silver and galena

46

Suatu  paduan  adalah  suatu  logam  paduan  yang  terdiri  lebih  dari  satu  elemen 

pembentuk.  Paduan‐pauan  teknik  termasuk  besi  cor  dan  besi‐besi,  paduan‐paduan 

aluminium, paduan‐paduan magnesium, paduan‐paduan titanium, paduan nikel, paduan 

seng, dan paduan tembaga.  

Jarang apakah kita temukan unsur‐unsur yang metalik di `  yang cuma‐cuma'' status. 

Sebagai  contoh,  mempertimbangkan  perak  yang  asli.  Perak  telah  ditambang  untuk 

beribu‐ribu  tahun  dan  telah  selalu  populer  di  barang  barang  perhiasan  dan  untuk 

pembuatan  uang  logam. Hanya    di masa  ratus  lalu  tahun  bagaimanapun, mempunyai 

permintaan  untuk  perak  sehingga  besar..  Alasan  untuk  permintaan  ini  adalah 

penggunaan  dari  perak  di  industri  fotografi,  yang  mengambil  keuntungan  dari 

kereaktifan  perak  untuk  ringan..  Silver  yang  asli  adalah  jarang  dan  banyak  perak 

diproduksi  dari mineral  bearing/tegas‐perak  seperti  prousite,  pyrargyrite,  galena,  dan 

lain  lain  Specimens  dari Native  Silver  [yang]  [yang]  [yang]  pada  umumnya  terdiri  atas 

kawat yang dibengkokkan dan dijalin; terjalin bersama‐sama, membuat suatu kecurigaan 

membangkitkan  semangat  mineralogical.  Url  sumber  acuan  adalah  seorang  penyalur 

yang komersil tentang spesimen mineral. Gambaran mempunyai Copyright © 1995,1996 

oleh Amethyst Galleries, Inc.. 

Logam‐logam  dibuat  dari  suatu  bijih‐bijih  yang  bukan  dari  unsur  dari  alam  secara 

alami.   Bijih‐bijih  tersebut  sering berupa  suatu  kombinasi dari  unsur‐unsur  logam dan 

unsur bukan  logam. Sebagai contoh Galena (PbS), merupakan suatu mineral umum dan 

populer  untuk  batu  karang.  Struktur  Galena  serupa  dengan  halit  NaCl.  Dua  mineral 

mempunyai  yang  sama  kristal membentuk,  perpecahan  dan  simetri.  Beberapa Galena 

47

mengandung  perak  hingga  1%.  Galena  dengan  jumlah  yang  besar    diproses  untuk 

memproduksi bijih perak.  

Baja Tahan Karat 

Baja tahan karat merupakan baja paduan (alloy steel) yang sengaja dikembangkan, 

terutama untuk memenuhi kebutuhan akan material teknik yang mempunyai kombinasi 

sifat mekanik  dan  sifat  tahan  korosi  yang  baik.  Baja  tipe  ini mempunyai  karekteristik 

umum  yaitu mengandung  komponen  utama  khromium  (Cr)  lebih  dari  11,5%.  Apabila 

kadar  Cr  yang  dipadukan  ke  dalam  Fe  lebih  dari  12  –  13 % maka  proses  korosi  akan 

dihambat, karena bersama oksigen dari udara akan membentuk lapisan stabil atau pasif 

(Cr2O3).  Selain  komponen  paduan  Cr,  pada  baja  tahan  karat  juga  ditambahkan 

komponen  paduan  lain,  seperti  Ni,  Mo,  Ti,  Cu  dan  sebagainya.  Berdasarkan 

mikrostruktur,  sifat mekanik dan ketahanan korosinya baja tahan karat ini dikategorikan 

menjadi 4 golongan, yaitu :

• baja tahan karat martensitik

• baja tahan karat ferristik

• baja tahan karat pengerasan presipitasi

• baja tahan karat austenitik

Baja Tahan Karat Martensitik (Martensitic Stainless Steel) Baja tahan karat martensitik mengandung 11,5 – 18% Cr dan 0,15 – 1,2% C serta Ni 

dalam  jumlah  tertentu.  Baja  jenis  ini  dapat  dikeraskan  dengan  perlakuan  panas. Oleh 

kerana  itu  baja  ini mempunyai  kekuatan  yang  tinggi  serta  ketahanan  panasnya  juga 

tinggi, tetapi ketahanan korosinya rendah. 

48

Baja Tahan Karat Ferritik (Ferritic Stainless Steel) Baja tahan karat ferritik mengandung 10,,5 – 27% Cr; 0,09 – 0,2% C serta 1,5% Mn. 

Baja  ini  mempunyai  ketangguhan  relatif  rendah  pada  temperatur    yang  rendah/ 

temperatur kamar, tidak dapat diadakan perlakuan panas, serta mengalami pengkasaran 

butir  pada  pemanasan  lebih. Mikrostruktur  ferrit  dari  baja  ini  terdapat  dalam  semua 

daerah  temperatur,  oleh  karena  itu  tidak  ada  perubahan  fasa  selama 

pemanasan/pendinginan. 

Baja Tahan Karat Pengerasan Presipitasi (Precipitation Hardening Stainless Steel) Baja  tahan  karat  ini  mengalami  pengerasan  akibat  adanya  perlakuan  panas. 

Menurut struktur matriksnya baja paduan  ini digolongkan menjadi tipe austenitik, semi 

austenitik dan martensitik. Matriks pada baja tahan karat tipe  ini pada saat pengerasan 

presipitasi adalah martensit.  

Pada tipe austenitik, martensit terbentuk dengan  jalan transformasi plastis setelah 

perlakuan pelarutan  atau dengan pendinginan dibawah  temperatur  kamar.  Sedangkan 

pada tipe semi austenitik dan martensitik, martensit terbentuk oleh pendinginan setelah 

perlakuan pelarutan. 

Baja Tahan Karat Austenitik Baja tahan karat austenitik adalah baja yang paling banyak digunakan diantara jenis‐

jenis baja  tahan karat  lainnya. Hal  ini dikarenakan  fabrikasi yang mudah,  sifat mekanik 

yang  baik  dan  yang  terpenting  adalah mempunyai  sifat  ketahanan  korosi  yang  tinggi. 

Tabel dilembar  lampiran  I akan memperlihatkan komposisi kimia dari baja  tahan karat 

austenitik. 

49

Sifat  –sifat  yang  merupakan  kelebihan  dari  baja  tahan  karat  austenitik  ini 

ditimbulkan oleh komposisi dari sejumlah unsur yang dipunyai baja tsb, seperti : 16‐26% 

Cr, 0,03 – 0,25% C, dan 6 – 22% Ni. 

Disamping unsur‐unsur tsb, terdapat pula unsur paduan lain seperti : Mo, Mn, Ti, Ta 

yang tentu ditambahkan untuk memperbaiki sifat baja ini. 

Tipe yang terkenal dari baja tahan karat inimadalah tipe 18‐8 (304). Tipe ini hampir 

selama  50  tahun  telah digunakan  sebagai material  tahan  korosi.  Tipe  18‐8  dapat  juga 

disebut sebagai bahan dasar, karena kadar Cr yang dikandungnya dibatasi hanya sampai 

dengan penambahan maksimal 18% Cr – 8% Ni. Untuk memperbaiki  sifat dari baja  ini 

maka perlu dilakukan modifikasi  terhadap komposisinya  sehingga akan dihasilkan  tipe‐

tipe lain yang memiliki sifat‐sifat tertentu. 

Kelemahan utama dari baja  tahan karat  ini adalah  tidak  tahan  terhadap perlakuan 

panas pada selang temperatur 4500 – 8500C, dimana pada kondisi pemanasan  ini akan 

membuat  baja menjadi  sensitif  terhadap  serangan  korosi  apabila  baja  tahan  karat  ini 

berada pada media korosif. 

Pengaruh Unsur Paduan pada Baja Tahan Karat Austenitik 

Khomium (Cr) Khromium adalah salah satu elemen pokok dalam pembentukan  lapisan pasif pada 

baja  tahan  karat.  Elemen  lain  bisa  berpengaruh  pada  efektifitas  khrom  dalam 

membentuk  dan  menjaga  film,  walau  elemen  atau  unsur  tersebut  tidak  dapat 

membentuk  lapisan  film sendiri. Kadar khrom dalam baja tahan karat austenitik adalah 

16 – 26%) 

50

Pembatasan kadar khrom ini disebabkan karena khrom yang tinggi bisa menurunkan 

sifat mekanik, kemampuan  las serta kemampuan untuk diaplikasikan pada  tempertatur 

tertentu.  Karena  itu  untuk  meningkatkan  ketahanan  korosi  dari  baja  tahan  karat 

austenitik  ini  dilakukan  dengan  penambahan  elemen  lain  pad  kadar  khrom  tetap 

(konstan). 

Khromium mempunyai  struktur  yang  sama dengan  Fe  yaitu  fasa α  (BCC), dimana 

struktur  ini  akan  bertambah  luas  dengan  bertambahnya  kadar  khrom.  Hal  ini  tidak 

diinginkan karena akan mempersempit daerah γ dalam baja tahan karat austenitik. 

Untuk meningkatkan  kestabilan  γ  pada  baja  tahan  karat  ini, maka  ditambahkan 

unsur Ni.  

Nikel (Ni) Dalam baja tahan karat austenitik, pebgaruh unsur nikel adalah sebagai stabilisator 

austenit  (γ),  dimana  unsur  nikel  ditambahkan  kedalam  baja  tahan  karat  ini  untuk 

mengimbangi pengaruh dari unsur khrom. 

Ni yang memiliki atruktur FCC,  sama seperti  struktur yang dimiliki  fasa auntenit γ, 

pada baja tahan karat  ini dapat mempertinggi sifat mekanik dan farikasi. Di samping  itu 

untuk ketahanan korosi, nikel sangat efektif dalam membantu proses repasivasi. 

Dari  gambar  tersebut  dapat  dilihat  bahwa  fasa  delta  ferit  (δ)  terbentuk  pada 

temperatur yang tinggi. Pada temperatur yang lebih rendah terbentuk struktur dua fasa 

δ  +  γ. Dengan perkatan  lain dapatlah  dikatakan bahwa Ni merupakan  stabilisator dari 

fasa γ, sehingga adanya Ni akan memperluas fasa γ (austenit). 

51

Carbon (C) Kehadiran  unsur  C  dalam  baja  tahan  karat  austenitik merupakan  impuritis  yang 

ditinggalkan  oleh  proses  pembuatan,  biasanya  dinyatakan  pada  kadar  tertinggi  untuk 

suatu tipe baja. 

Misalnya  tipe  304  mempunyai  kadar  karbon  maksimum  0,08%;  tipe  304 

Lmempunyai kadar C maksimum sampai dengan 0,03% dan sebagainya. 

Dalam  baja  tahan  karat  austenitik,  C  (karbon0 mempunyai  2  (dua)  fungsi  utama, 

yaitu  sebagai  stabilisator  fasa  γ  yang  kuat  sehingga  dengan  berat  dasar  yang  sma, 

diperkirakan  akan  30  kali  lebih  efektif  daripada  Ni.  Pengaruh  lainnya  adalah  dapat 

membentuk  struktur  karbida  khrom  apabila  baja  tahan  karat  austenitik    didinginkan 

perlahan dari temperatur tinggi melewati tempertur sensitiasi 4500– 8500oC. 

Presipitasi  karbida  khrom  cenderung  terjadi  pada  batas  butir,  akibatnya  daerah 

sekitar kekurangan kadar Cr dari batas minimal untuk  terjadinya passivasi. Hal  ini akan 

memperlemah baja tahan karat austenitik terhadap korosi antar butir. 

Molibdenum (Mo) Walaupun elemen  ini merupakan stabilisator fasa karena mempunyai struktur BCC, 

tetapi  dalam  baja  tahan  karat  austenitik  sengaja  ditambahkan  terutama  untuk 

meningkatkan  ketahanan  baja  terhadap  korosi  lubang,  selain  itu  untuk mempertinggi 

kekuatan mekanis pada temperatur tinggi. 

Mangan (Mn) Dalam  baja  tahan  karat  austenitik, mangan  dapat menggantikan  fungsi  dari  nikel 

sebagai stabilisator austenit, walaupun efektifitasnya separuh dari nikel tetapi harganya 

jauh lebih murah dari pada nikel. 

52

Selain itu juga dapat menambahkan daerah passivasi, karena dengan bertambahnya 

kadar Mn maka potensial korosinya semakin kecil. 

Unsur Pembentuk Karbida (Ti, No, Ta) Unsur‐unsur  tersebut  ditambahkan  untuk  mencegah  presipitasi  karbida  khrom, 

sehingga kadar Cr dalam baja dapat dipertahankan pada batas minimal untuk terjadinya 

passivasi. 

Hal ini terjadi oleh karena sebelum membentuk karbida dengan Cr, (karbon) C akan 

berpresipitasi dengan unsur‐unsur  tersebut pada  temperatur yang  lebih  tinggi. Karbida 

ini tidak bersifat negatif, karena tidak menimbulkan aksi galvanik pada batas butir. 

Nitrogen (N) Dalam  paduan  Fe‐Cr‐Ni  yang  nyata,  selain  karbon,  juga  tergandung  nitrogen  (N). 

Seperti halnya C  (karbon), N dalam baja  tahan  karat austenitik merupakan  stabilisator 

fasa austenit, juga dapat meningkatkan daerah range potensial passivasi. 

Pengaruh Laku­Panas pada Austenitic Stainless Steel  

Dalam  industri metalurgi,  proses  perlakuan  panas  sering  dilibatkan  dalam  usaha 

untuk meningkatkan mutu dari baja  yang dihasilkan. Kecepatan pendinginan dari baja 

yang  telah mengalami perlakuan panas  tersebut mempunyai pengaruh besar  terhadap 

struktur‐mikronya.  Sebagai  contoh  kasus: Adanya  pendinginan  lambat  dari  baja  tahan 

karat austenitik melewati temperatur sensitif 4500– 8500oC, akan menyebabkan baja ini 

akan  lemah terhadap korosi  intergranular dalam  lingkungan korosif, hal  ini yang dikenal 

sebagai kelemahan sensitasi dari baja tahan karat austenitik. 

53

Kelemahan  sensitasi  terjadi  oleh  karena  terjadinya  pengurangan  kadar  Cr  hingga 

jauh  di  bawah  kadar  untuk  terjadinya  passivasi,  membentuk  karbida  khrom  yang 

cenderung mengendap pada batas butir.  

Logam  induk mengandung  kadar  Cr  sekitar  18%  sedang  endapan  karbida  dapat 

mengandung 70‐95% berat Cr.  Selama proses perlakuan panas  sensitasi, difusi Cr dari 

matriks  kedaerah  kurang  Cr  pada  batas  butir  terlalu  lambat  untuk  mengisi  kembali 

kekurngan Cr tersebut. Jika kadar Cr berkurang hingga di bawah 12%, maka lapisan pasif 

tidak akan terbentuk dan baja tahan karat ini akan terkorosi lebih cepat. 

Karbida  yang  akan  terbentuk  dalam  baja  tahan  karat  austenitik  ini  adalah M23C6 

pengendapannya  sejajar  dengan  orientasi  austenit.  Apabila  dalam  baja  tahan  karat 

austenitik  terdapat  elemen‐elemen  pembentuk  karbida,  maka  karbida  M23C6  akan 

selalu  dijumpai  dalam  kombinasi  dengan  karbida  lainnya,  tetapi  pada  dasarnya 

kandungan  dalam  M23C6  adalah  karbida  Cr  sehingga  penulisannya  sering  digunakan 

sebagai Cr23C6 dan  jika ada elemen pembentuk karbida, dapat  juga ditulis sebagai (Cr, 

Fe)23C6 atau (Cr, Fe, Mo)23C6. 

54

4POLIMER

Pendahuluan 

Kata   polimer dapat berarti  "banyak komponen”  .Material polimer boleh dianggap 

sesuatu yang terdiri dari beberapa bagian yang diikat secara kimiawi atau stuan‐satuan 

yang  saling mengikat membentuk  suatu  padat  (solid).  Dua material  polimer  industry 

penting  adalah plastic dan  elastomers.  Plastik merupakan  salah  satu  keluarga polimer 

yang  sangat  banyak  digunakan  dewasa  ini.  Sulit  dibayangkan,  dunia  dalam  kehidupan 

moderen  saat  ini  tanpa  kehadiran  bahan  yang  dikenal  dengan  plastik. Hampir  semua 

keperluan hidup sehari‐hari mulai dari keperluan dapur, hingga kepada peralatan canggih 

dan saintifik banyak menggunakan material jenis ini. 

Dewasa  ini teknologi pengolahan bahan sudah sedemikian maju, sehingga berbagai 

jenis  plastik  dapat  dihasilkan,  sesuai  dengan  keperluan  penggunaannya.  Dengan 

demikian penggunaan bahan  teknologi dengan  sendirinya  telah banyak beralih kepada 

penggunaan plastic sebagai pengganti material teknik logam maupun bukan logam. 

Hal  ini  disebabkan  plastik  menawarkan  berbagai  kelebihan  yang  merupakan 

gabungan cirri‐ciri yang terdapat pada bahan‐bahan lainnya, diantaranya : ringan, mulur, 

tahan  karat,  mudah  diproses,  mudah  diberi  warna,  tembus  cahaya  dll.  Meskipun

55

 demikian  tentunya plastik  juga memiliki berbagai  kelemahan,  sehingga mengandalkan 

kelebihan‐kelebihannya hanya pada penggunaan sebagai material teknik yang terbatas. 

Akan tetapi perkembangan kemajuan teknologi pemprosesan bahan dewasa ini telah 

menghasilkan  bahan  handal  yang  dikenal  dengan  komposit  sebagai  hasil  rekayasa 

teknologi pengolahan bahan, menjadikan penggunaan plastic semakin meluas.  Berbagai 

komposit bermatrikskan plastik banyak dikembangkan dan digunakan  sebagai material 

teknik dengan menghasilkan kemampuan sifat‐sifat bahannya cukup meningkat. 

Plastik dan Polimer Berbeda Perkataan  plastik  dan  polimer  umumnya  dianggap  sama,  namun  sebenarnya 

berbeda. Plastik adalah bahan polimer yang  telah mengalami pemprosesan yang  telah 

mengalami  pemprosesan  dan  pencampuran  dengan  unsur‐unsur  lain  sebagai  bahan 

tambahan.  Sedangkan  polimer  merupakan  bahan  asli  yang  dihasilkan  dari  proses 

polimerisasi  yang  terdiri  daripada molekul  panjang  seperti  rantai makromolekul  yang 

dibentuk  dari  rantai  atom  yang  terikat  oleh  ikatan  kovalen.  Nama  polimer  biasanya 

diambil sebagai nama keluarga bahan  (monomer) dengan penambahan perkataan poli. 

Contoh  : Polipropilena dan Polistirena   adalah monomer Propilena dan Stirena. Polimer 

asli jarang digunakan dalam keadaan biasa. 

Polimer berasal dari kata poly dan mer. Poly berarti banyak, mer berarti komponen. 

Polimer  berarti  ”banyak  komponen”  yang  membentuk  molekul  rantai  panjang  ilmu 

polimer merupakan bidang kajian yang agak baru dan berkembang dengan pesat dalam 

30‐40 tahun belakangan ini. 

56

Polimer merupakan  bahan  padat  yang  umumnya  terdiri  daripada  senyawa  karbon 

dengan  hidrogen  dan  oksigen  dengan  rangkaian  molekul  panjang  yang  mengandung 

rantai atom yang terikat oleh ikatan kovalen atau juga disebut proses polimerisasi. 

Polimerisasi Polimerisasi adalah proses pembentukan molekul besar dari pada molekul‐molekul 

kecil.  Proses  Aglomerasi    merupakan  proses  terbentuknya  struktur  Agregat  dan 

Aglomerat. 

Mekanisme polimerasi dapat dikatagorikan menjadi tiga macam, yaitu :  

1. Ikatan polimer, yaitu ikatan antara monomer satu dengan yang lain sejenis, seperti 

etilena dan polictilena.  

2. Kopolimerasi, yaitu  ikatan antara monomer satu dengan  lain yang berlainan  jenis, 

seperti butadiena dengan Stirena (sejenis karet tiruan). 

3. Polimerasi  kondensasi  ,  yaitu  ikatan  molekul‐molekul  monomer  dari  rangkaian 

reaksi kimia yang  menghasilkan molekul‐molekul yang ringkas, seperti air. 

Polimer asli maupun tiruan terdiri dari pada rantaian molekul panjang dimana berat 

molekulnya    10.000  –  10.000.000  g/mol.  Atom  bahan  polimer menyatu  dalam  rantai 

molekul yang panjang diikat oleh gaya yang  lemah  (ikatan van der waals/vdW). Proses 

pembentukan (polimerisasi) terjadi karena molekul kecil diikat kovalen dan membentuk 

molekul besar (proses aglomerasi) selanjutnya  terbentuk agregat dan aglomerat. 

Polimerisasi  terdiri  molekul‐molekul  monomer  bereaksi  sesama  sendiri  secara 

kimiawi dan membentuk rantai linear ataupun jaringan tiga dimensi rantai polimer. 

Ciri utama hasil polimerisasi : 

57

• Ikatan kimia menjadi kuat dan terarah disepanjang rantai polimer. 

• Ikatan kimia lemah (vdW sekunder), pada sisinya dapat terjadi ikatan hidogen. 

• Ukuran bertambah besar maka titik cair atau titik lembut bertambah tinggi sehingga 

polimer bertamabh keras dan kuat. 

Struktur Polimer 

Penyususun dari suatu blok plastik adalah molekul polimer yang merupakan  ikatan 

kovalen , seperti diperlihatkan pada gambar 4.1.  

Gambar 4.1. Molekul Polimer 

Molekul Polimer memiliki kemampuan mengkristal dan bergantung kepada jenis dan 

mikrostruktur molekul polimer.  Polimer dapat  dibedakan dengan bahan padat  lainnya 

karena polimer  separuh mengkristal.  Pengkristalan polimer merupakan proses penting 

dari  segi  teknologi.  Kebanyakan  polimer  termoplastik  mengkristal  jika  polimer  lebur 

didinginkan di bawah suhu lebur. 

Pembentukan  kristal‐kristal  memberikan  pengaruh  terhadap  sifat‐sifat  polimer. 

Proses pengkristalan polimer : G – H   TS, dimana nilai S tnggi maka G rendah. G adalah 

grafnsi, H adalah entalpi, T adalah Temperatur termodinamika dan S adalah entropi.   

58

Untuk memahami sifat polimer kita harus meninjau konsep strukturnya. Struktur dan 

sifat bahan  selalu berkaitan. Bentuk  struktur geometri polimer dapat dibedakan dalam 

beberapa jenis, diantaranya :. 

1. Struktur  Linear  , yaitu  struktur polimer yang  ringkas  sekali dan  struktur  ini  jarang 

terjadi. Struktur ini dibentuk oleh ikatan dua atau lebih antara : 

a. Monomer‐monomer sejenis (gambar 4.2.a) 

b. Monomer‐monomer berlainan  jenis  yang membentuk  kopolimer  acak  atau 

teratur. (gambar 4.2.b dan 4.2.c) 

2. Struktural tak linear. 

a. Rantai bercabang (gambar 4.2.d) 

b. Rantai terpaut silang (gambar 4.2.e) 

3. Struktur gabungan rantai lurus dengan tak beraturan. 

4. Struktur rantai terpaut silang (jaringan). 

59

‐ A – A – A – A – A ‐         ‐ A – B – B ‐ A – A – B – A ‐→ Amorfus 

     ( a)    (b) 

      ‐ A – B – A – B – A – B –  

          (c) 

  A  A              A 

  A  A              A 

      ‐  A –  A  –  A  –  A  –  A  –  A  –  A  ‐  A 

     A                                 A 

  A                                 A    A –  A  –  A  –  A  –  A  –  A  –  A  ‐  A  

‐  A –  A  – A – A – A – A –   A  ‐  A –                       A             A 

  A                                                ‐  A –  A  –  A  –  A  –  A  –  A  –  A  ‐  A  

  A                                                 A              A                        A 

                          (d)  A               A                        A 

                                                               (e) 

  Gambar 4.2. struktur rantai polimer 

60

Berat Molekul Polimer 

Seperti  yang  telah  dibahas  sebelumnya,  rantai  molekul  tumbuh  selama  proses 

polimerisasi memiliki  panjang  atau  ukuran  yang  berlainan,  namun masih  dalam  sutau 

range ukuran rata‐rata tertentu. Dari ukuruan molekul polimer tersebut ditentukan nilai 

rata‐rata  molekul.  Perlu  diperhatikan,  bahwa  proses  polimerisasi  berlangsung  secara 

tidak merata, reaksi yang tidak sama akibat pengaruh keadaan lingkungan.  

Ada dua kaedah utama yang berkenaan dengan berat molekul, yaitu : 

1. Bilangan  rata‐rata  ukuran  molekul  ,  diperlukan  untuk  menentukan  derajat 

polimerisasi (DP). 

2. Derajat  polimerisasi  (DP),  yaitu  bilangan  rata‐rata  unit  monomer  dalam  suatu 

rantaian molekul polimer. Derajat Polimerasasi dapat ditentukan dengan persamaan 

berikut. 

DP = M / m   

Dimana :   M = rata‐rata berat molekul polimer       

  m = rata‐rata berat monomer. 

Contoh : (‐ CH2 – CH2‐)n dimana n adalah rata‐rata berat molekul polimer. 

Klasifikasi Polimer 

Polimer dapat digolongkan pada dua jenis, yaitu : 

1. Biopolimer  (polimer biologis)  ,  golongan  ini dapat ditemui pada  segala  kehidupan 

dan berbagai bahan pangan.   

61

2. Polimer sintetis (bukan biologis), polimer golongan ini dihasilkan dari reaksi kimia.  

Unsur‐unsur penyusun polimer organik adalah unsur‐unsur C, H, N dan O.  

Gambar  4.3 Klasifikasi material sintesis polimer 

Gambar  4.3  memperlihatkan  klasifikasi  material  sintesis  polimer  yang  dapat 

diklasifikasikan menjadi tiga jenis, yaitu : a. Termoset, b. Termoplastik, c. Elastomer. 

Polimer Termoset. Polimerisasi  polimer  termoset  dihasilkan  oleh  reaksi  kimia  yang  melibatkan  dua 

tahap, yaitu ; 

1. Prapolimer,  pembentukan  rantai  molekul  yang  sangat  panjang,  sama  seperti 

termoplastik.  

2. Pencetakan,  pada  tahap  ini    panas  dan  tekanan  diberikan.  Rantai molekul  yang 

panjang diikat melalui  ikatan yang kuat agar bahan  tidak menjadi  lembut kembali. 

Bila panas berikut diberikan maka bahan akan hangus dan rusak.   

MATERIAL SINTESIS POLIMER

TERMOSET TERMOPLASTIK ELASTOMER

MATERIAL BUKAN LOGAM

MATERIAL ALAM

62

Polimer  termoset  jika  dipanaskan  akan mengalami  perubahan  kimia  dan  fasa  dari 

plastik padat menjadi  suatu bahan yang keras dan kaku. Sebelum dipanaskan, polimer 

termoset  memiliki  struktur  rantai  linear  atau  bercabang  panjang.  Namun,  setelah 

dipanaskan  struktur  molekul  paut  silang/  jalinan  di  antara  rantaian  polimer  yang 

berdekatan. Proses jalinan ini berlansung kekal.  

Polimer  termoset    lembut  jika  dipanaskan  pertama  kali  dan  mengeras  jika 

didinginkan.   Namun,  termoset  tidak akan  lembut bila diberikan panas berikutnya dan 

umumnya  menjadi  lebih  keras,  lebih  kuat  dan  lebih  rapuh  dibandingkan  dengan 

termoplastik  dan  hanya  sekali  pakai.  Contoh  dari  jenis  ini  adalah  epoxy,  phenoloc, 

polyester dan lain‐lain.  

Polimer Termoplastik Polimerisasi polimer termoplastik pembentukan rantai molekul yang panjang dengan 

ikatan  gaya  Van  der Waals  yang  lemah.  Struktur  rantai molekul  seperti  helai  benang 

kusut  yang  terserak  secara  tak  beraturan.  JIka  dipanaskan  ikatan  antara  molekul 

melemah  sehngga bahan menjadi lembut dan lentur. 

Struktur Polimer termoplastik lembut jika dipanaskan dan mengeras jika didinginkan. 

Dan tetap  lembut kembali jika dipanaskan kembali. Proses  ini dapat berulang‐ulang dan 

polimer  jenis  ini dapat didaur ulang. Contoh polimer  jenis  ini adalah Poliprolilena  (PP), 

Polietilena (PE), Polistirena (PS), Poliamida (PA), Poliester dll. 

Elastomer (Plastik Karet). Kebanyakan  bahan  padat  yang  dihasilkan  yang  melalui  ikatan  ion,  logam  atau 

kovalen, mempunyai  batas  pemanjangan  elastis  yang  kecil.  Jika  batas  elastic  tersebut 

dilewati  akan memasuki  daerah  plastis  dimana  ikatan  antara  atom  akan  terputus  dan

63

bahan akan mengalami pemanjangan yang permanen (tidak kembali kekeadaan semula).  

Elastomer  sebagai  bahagian  bahan  organic  merupakan  pengecualian,  karena  ia 

mempunyai tingkat kekenyalan yang jauh lebih besar. 

Elastomer merupakan salah satu jenis polimer yang terdiri dari rantai molekul. Rantai 

molekul  pembentuk  polimer  jenis  ini  bersimpul  dan  terpintal  secara  tak  beraturan 

sehingga mampu mengalami ubah bentuk yang besar. Tingakta kekenyalan yang besar ini 

menjadikan  elastomer  dapat  menngalami  perubahan  dimensi  hingga  Sembilan  atau 

sepuluh  kali  dari  dimensi  awal  dan  dapat  kembali  ke  dimensi  semula  jika  beban 

dihilangkan. Ranati molekul elastoler berheliks (seperti spiral) jiak beban dihilangkan). 

Karet  dapat  dibagi  menjadi  dua  jenis  yaitu  :  karet  asli  dan  karet  tiruan.  Dalam 

keadaan alami, karet tidak dapat kembali kekeadaan semula sepenuhnya setelah terjadi 

perubahan bentuk yang besar. Molekul‐molekulnya  telah bergerak secara menggelusur 

ke  belakang  dan melewati  satu  sama  lain.  Agar mampu  kembali  kekeadaan  semula, 

molekul diikat bersama melalui proses pemulihan,  yaitui molekul membentuk pemaut 

silang‐silang  seperti  pada  termoset  (karet  tiruan)  yang  jika  beban  dihilangkan  akna 

kembali kekeadaan  semula.   Saat  ini, elastomer yang banyak digunakan  sebagai bahan 

teknik  adalah termoplastik karet. Contoh elastomer adalah Polipropilena Natural Rubber 

(PPNR), Poliuretan, Stirenik, Poliester, Polibutadiena dan Butadiena‐Stirena. 

Bahan Tambahan 

Pembuatan  material  polimer  membutuhkan  beberapa  bahan  tambahan  untuk 

keperluan tertentu, diantaranya :  

64

1. Zat Penggabung.  

Zat  ini  digunakan  untuk memperbaiki  sifat  ikatan  plastik  terhadap  bahan‐bahan 

pengisi   bukan organik,  seperti  serat  kaca, partikle  kaca, dan  lain‐lain. Contoh  zat 

penggabung adalah Silena dan Titanata. 

2. Komponen Pengisi.  

Penggunaan  komponen  pengisi  untuk  memperbaiki  ciri‐ciri  bahan.  Komponen 

pengisi  dapat  berupa  serat‐serat  pendek  atau  kepingan  bahan  bukan  logam. 

Penggunaan  polimer  yang  lebih  murah  sebagai  komponen  pengisi  juga  dapat 

dilakukan untuk menurunkan harga bahan.  

3. Pelincir 

Tujuan  penggunaan  pelincir  untuk  mengurangi  kekentalan  plastik  lebur  serta 

memperbaiki ciri pembentukan. 

4. Pewarna 

Penggunaan zat pewarna untuk memberikan warna plastik yang sesuai dan menarik.  

5. Bahan Pemplastik 

Bahan  pemplastik memilki  berat molekul  rendah  sehingga mampu mengubah  ciri 

dan sifat kemampuan bentuk plastik. 

6. Penstabil 

Penstabil  ini  berfungsi  untuk mencegah  kerusakan  dengan menigkatkan  stabilitas 

bahan terhadap pengaruh keadaan sekitar. 

7. Komponen Penguat 

Komponen  ini  akan meningkatkan  kekuatan  dan  kekakuan  polimer,  seperti  serat 

kaca, serat karbon dan lain‐lain.  

65

Proses Pencampuran Polimer 

Selain  penggunaan  bahan‐bahan  tambahan  yang  telah  disebutkan  di  atas  untuk 

mendapatkan sifat mekanik yang diinginkan. Pencampuran juga dapat dilakukan dengan 

bahan polimer yang berbeda. Contoh  : PE dengan PP pada PE/PP untuk meningkatkan 

sifat  mekanik  bahan.  Perbedaan  viskositas  dan  fraksi  volume  proses  aglomerasi. 

Fenomena lain yang mungkin terjadi adalah terbentuk phasa seperti serat.  

Proses Aglomerasi Pada  proses  pencampuran  dua  atau  lebih  bahan‐bahan  yang  tidak  homogen 

(diskontinu)  dan  berbeda  fraksi  volume  akan  menghasilkan  bahan  baru  yang  tidak 

homogen  dengan  phasa  terserak  (Callister  1994).  Serakan  komponen  pengisi  pada 

komponen utama (komponen minor pada komponen mayor). Serakan komponen pengisi 

ini akibat proses aglomerasi yaitu  : proses pengempalan‐pengumpalan molekul polimer 

membentuk struktur agregat dan aglomerat (struktur agregat yang mengumpal). Serakan 

partikel  pengisi  harus  terserak merata  pada  bahan  utama  dapat  diperoleh  bila  hasil 

pencampurannya baik yang merupakan sebagai hasil kesempurnaan proses pengadonan 

bahan. 

Fenomena  aglomerasi  dapat  diamati melalui  pengamatan  pada mikrostruktur  dari 

struktur  morfologi  pada  permukaan  patah  bahan  akibat  terjadinya  mekanisme 

kegagalan. Pengamatan dilakukan dengan pembesaran yang cukup mencapai   1000 s/d 

2000x (1K – 2K). 

Mikrograf struktur morfologi permukaan patah memperlihatkan serakan komponen 

pengisi pada komponen utama  melakukan pengamatan dengan SEM. Ketika mekanisme 

66

kegagalan  terjadi  struktur agregat dan aglomerat akan  tercabut dari komponen utama 

dan meninggalkan  bekas  berupa  lobang‐lobang.  Struktur  agregat  dan  aglomerat  yang 

berbentuk pencampuran yang dilakukan dengan lebih dari dua komponen yang berbeda 

fraksi volume sebagai phasa terserak yang berwujud dalam bentuk unsur‐unsur masing‐

masing.  

Sifat mekanik bahan berbilang phasa dipengaruhi keadaaan phasa terserak, yaitu : 

a. Ukuran phasa terserak 

b. Pemerataan sebaran 

c. Perbedaan fraksi volume 

d. Suhu pemerosesan. 

Ada beberapa hal yang mempengaruhi keadaan phasa terserak, diantaranya : 

a. Fraksi folume komponen yang diadon 

b. Kesempurnaan proses pengadonan. 

Phasa seperti serat  

Fenomena  lain  yang mungkin  terjadi  pada  proses  pengadonan  polimer  yang  tidak 

homogen  adalah wujud morphologi  baru  seperti  serat  (fibrilar).  Serat  yang  terbentuk, 

bukan  serat  yang  berfungsi  sebagai  phasa  penguat  kepada  matriks  (pada  bahan 

komposit) melainkan bahan komponen utama yang mengalami pemanjangan di dalam 

aliran  (perubahan  morphologi)  yang  keluar  dari  komponen  utama  akibat  perbedaan 

fraksi volume antara komponen utama dengan komponen pengisi. 

67

Serat tersebut mempengaruhi kekuatan impak bahan dan menghambat perambatan 

mikroretak  yang  terjadi  akibat  impak  sehingga meningkatkan  kekuatan  impak  bahan. 

Serat tersebut cenderung tidak mempengaruhi sifat mekanik lainnya. 

Faktor­faktor Pemilihan 

Sebelum pemilihan terlebih dahulu harus mengetahui tujuan dan fungsi bahan yang 

direncanakan  serta  kondisi  keadaan pengaruh  sekitar  serta mengetahui  prilaku umum 

bahan. Faktor‐faktor yang diperhatikan dalam pemilihan adalah : 

a. Sifat mekanik, yang penting meliputi : kekuatan, kekakuan dan pemanjangan. 

b. Kekukuhan, keliatan, pengaruh temperature terhadap sifat bahan. 

c. Pengaruh karat dan tingkat kerusakan. 

d. Rintangan keausan dan sifat geseran. 

e. Sifat‐sifat khusus, seperti pengaruh panas, listrik, optik dan sifat kemagnitan. 

f. Percetakan atau kaedah‐kaedah pembuatan lainnya 

g. Harga bahan dan biaya pembuatan  

Kerusakan pada bahan polimer disebabkan oleh dua cara : 

a. Penurunan grade, makromolekul atau rangkaian molekul terpecah menjadi molekul‐

molekul kecil sehingga kehilangan sifat keplastikan. 

b. Pengoksidasian, polimer bereaksi dengan oksigen dalam atmosphir dan terjadi paut 

silang yang mengakibatkan polimer menjadi keras dan rapuh. 

68

Sifat Mekanik 

Sifat mekanik polimer merupakan hal penting yang harus diketahui untuk pemilihan 

bahan  di  bidang  teknik.  Pada  awalnya,  sifat  mekanik  polimer  diabaikan.  Dengan 

kemajuan teknologi pemrosesan bahan plastik, kini plastik yang dihasilkan telah mampu 

digunakan  sebagai material  teknik yang mempunyai kemampuan  tahan  tegangan yang 

tinggi. 

Sifat  mekanik  polimer  memiliki  kekhasan  dengan  kelakukan  viskoelastik  (tidak 

sepenuhnya elastis). Pemelaran dan  relaksasi mudah  terjadi. Pada pengujian  tarik,  laju 

tarikan  mempengaruhi.  Sifat  mekanik  dipengaruhi  oleh  temperatur.  Olehkarena  itu 

diperlukan  pengetahuan  yang  cukup  tentang  prihal  batasan  temperatur  setiap  bahan 

polimer  sebelum  penggunaan  bahan  polimer.  Sifat  mekanik  polimer  unik  tidak  bisa 

diberikan oleh material teknik lainnya seperti logam.  

Kekuatan dan Kekakuan Kekuatan  tarik  merupakan  sifat  dasar  dari  bahan  yang  menjelaskan  hubungan 

tegangan dan regangan melalui diagram Hooke.  

2 

ε

1 

σ

1 2

3

ε 

σ

(a)                                                                              (b) Gambar 4.4 Kurva tegangan‐regangan 

69

Gambar  4.4.a  perubahan  antara  daerah  elastis  dengan  plastik  tidak  terlihat  jelas, 

sedangkan pada gambar terlihat jelas (2). 

Gambar 4.5  Tingkat keserasian pencampuran 2 bahan polimer berbeda fraksi volume 

Kekuatan bahan polimer dapat ditingkatkan dengan  teknologi pemerosesan bahan. 

Komponen pengisi (pencampuran 2 bahan yang berbeda fraksi volume), bahan penserasi 

menserasikan 2  fraksi volum yang berbeda menghasilkan kelebihan homogen. 

a. Pencampuran tanpa zat penserasi. Kekuatan bahan campuran (3) mendekati batas 

bawah  (2) perhitungan mikromekanik menunjukkan  ikatan antara muka campuran 

lemah. 

b. Pencampuran  dengan  menggunakan  zat  perserasi  pada  persentase  tertentu. 

Kekuatan bahan  campuran  (3) meningkat mendekati  ke batas atas  (1) dan  ikatan 

antara muka campuran semakin baik (kuat). 

c. Pencampuran  dengan  peningkatan  persentase  zat  perserasi  pada  persentase 

tertentu. Kekuatan bahan campuran  (3) semakin meningkat dan semakin dekat ke 

batas atas (1) maka ikatan antara muka campuran semakin baik (kuat). 

1 

3 

2 

1

3

2

1 

3 

2

(a)  (b) (c) 

70

Kekuatan bahan dapat diperoleh melalui: 

a. Mikromekanik. Perhitungan matematis  terhadap sifat unsur‐unsur pembentuk. 

b. Makromekanik. Hasil pengujian kekuatan bahan melalui uji tarik. 

 Gambar 4.6 Peralatan uji tarik 

Hasil  pengujian  harus  berada  diantara  batas  atas  dan  batas  bawah  perhitungan 

miromekanik.  Bila  hasil  yang  peroleh  berada  di  bawah  perhitungan, maka  percobaan 

tersebut    gagal.    Tetapi  sebaliknya,  semakin  mendekat  batas  atas  perhitungan 

mikromekanik  (3)  semakin  baik.  Batas  atas merupakan  kekuatan  berdasarkan  unsur‐

unsur  pembentuk  yang  sangat  kuat.  Sedangkan  batas  bawah  merupakan  kekuatan 

sangat lemah akibat pencampuran tidak homogen. 

Proses  aglomerasi  pada  proses  pencampuran  menentukan  kekuatan  bahan. 

Pengujian kekerasan permukaan bahan dilakukan  tidak sampai merusak total benda uji 

71

tapi  hanya  dilakukan  penekanan/penusukan  (penetrasi)  pada  permukaan  benda  uji. 

Semakin  tinggi  kekerasan  suatu  bahan  maka  semakin  tinggi  ketahanan  aus  bahan 

tersebut. 

Pengujian kekerasan dapat dilakukan dengan beberapa metode pengujian, diantaranya :  

a. Uji Rockwel, pengujian penusukan dan diukur kedalam tusukan.  

b. Uji  Brinell,  pengujian  penusukan  dengan  bola  kemudian  diukur    diameter 

penusukan 

c. Uji Vickers, pengujian dengan penusukan kemudian diukur diagonal penusukan. 

d. Uji Sekeleroskop, Jatuhan kepermukaan benda uji pada pantulan jatuhan. 

e. Uji rayapan dan uji lelah. 

Hubungan  kekerasan  dengan  sifat  mekanik  meningkat  dengan  semakin  keras. 

Kekerasan bahan penting menentukan tingkat kemampuan menahan keausan. 

Pengamatan Makro dan Mikro Pengamatan makro adalah pengamatan yang dilakukan secara kasat mata atau pada 

pembesaran rendah permukaan patah. Pengamatan makro dapat menentukan beberapa 

sifat bahan. 

Pengamatan  mikro  adalah  pengamatan  stuktur  mikro  secara  terperinci  dengan  

menggunakan  peralatan  dengan  pembesaran    3000X  atau  lebih  dengan  bantuan 

mikroskop optik, mikroskop elektron dan  lain‐lain. Dengan pengamatan  ini,  kita dapat 

mengetahui  mekanisme  kegagalan  yang  terjadi  proses  kegagalan,  mikroretak, 

kesempurnaan proses pencampuran. 

72

Alplikasi Polimer 

Dalam kehidupan sehari, kita dengan sadar telah menggunakan berbagai bentuk 

menarik yang terbuat dari polimer.   

Gambar 4.7. Berbagai produk dari plastik 

Pengembangan  polimer  konduktif  elektrikal  telah  memungkinkan  penggunaan 

polimer  pada  sebagai  material  semikonduktor.  Sebagai  contoh,  polimer‐polimer 

semikonduktif  pertukaran  antara  dua  elektroda  telah  dapat  membangkitkan  cahaya 

dalam beberapa warna, seperti diperlihatkan pada gambar 4.8.  

Gambar  4.8.    Material Polimer dan lembaran LCD 

73

Gambar  di  atas menunjukkan material‐material  polimer  dan  produk  yaitu  sebuah 

pelat glass dilapisi dengan  lapisan  tipis  film polimer  (bawah) dan  tiga display operating 

dari dua warna‐warna berbeda (dibagian tengah). Teknologi ini memimpin OLED (organic 

light‐emitting  diode),    display  panel  flat dalam hal  lebih  ringan,  konsumsi  energi  yang 

relatif rendah, dan fleksibel.  

Ceram

compound

are either

term cera

that  desir

temperatu

Ceram

what  adv

performan

and some 

mic  materials

ds between m

r totally  ionic

mic comes fr

rable  propert

ure heat treat

mic materials 

antages  it  o

nce. Below a

of the intern

s  are  inorg

metallic and n

c or predomin

om the Greek

ties  of  these

tment proces

are importan

ffers  in  term

re  three gif's

nal automotiv

ganic,  nonm

nonmetallic e

nantly  ionic b

k word keram

e  materials  a

ss called firing

nt in today's s

ms  of  fuel  ec

s  showing a 

ve component

Fig. 5.1 Ceram

etallic  mate

lements for w

but having so

mikos, which m

are  normally

g. 

society. Cons

conomy,  effi

montage of 

ts made from

mic  Blade

KER

erials.  Most 

which the inte

ome covalent

means burnt 

y  achieved  th

ider the cera

ciency,  weig

a prototype 

m ceramics.  

5RAMIK

ceramics  a

eratomic bon

t character. T

stuff, indicati

hrough  a  hig

mic engine a

ht  savings  a

ceramic engi

74

5K

are 

nds 

The 

ing 

gh‐

nd 

nd 

ine 

75 

Fig. 5.2 Ceramic rotors commercial production material : sintered silicon nitride 

For more  information  about  ceramic materials  for  gas‐turbine  engines,  read  the 

feature article in the Mechanical Engineering Magazine, "Ceramics for Turbine Engines", 

September  '97. What  about  fabricating  a  ceramic  turbine  in  the millimeter  range  for 

some very, very small engine of the future? The future is not that far off! To the left you 

see  a  radial  inflow  turbine wheel manufactured  from  silicon  using  deep  reactive  ion 

etching. This  turbine wheel made at MIT measures  just 4 millimeters  in diameter.  It  is 

part  of  a  new  technology  for  producing  micro‐electromechanical  systems,  termed 

MEMS. The entire device, complete with an integrated electric generator, is expected to 

weigh  in  at  just  1  gram.  According  to  the  MIT  researchers,  a  prototype  silicon 

microturbine  produced  using  semiconductor‐type  microfabrication  methods  may  be 

operating by the turn of the century. If that initial effort meets success, the researchers 

plan  to  use  similar  lithographic  techniques  to  construct  another  radial  inflow  turbine 

engine  from  silicon  carbide,  a  refractory  ceramic material.  For more  about  the MIT 

76 

research,  read  this  article  in  the Mechanical  Engineering  Online magazine.  For more 

information about micro‐machining, visit the following web pages at Sandia Laboratories. 

Quartz  envelopes make  light  bulbs  and  other  lamps  possible.  Some  of  the  lamp 

applications  are  shown  in  the GE  product montage. Quartz  tubing  is  fabricated  from 

beach sand, and  the sand  is produced  into a quartz  ingot. A  rather  large  ingot used  to 

produce  furnace  quartzware,  is  also  shown.  GE  produces  quartz  products  in  great 

quantity.  

Fig. 5.3 Quartz envelopes, light lamp, quartz tubing fabricated from beach sand 

77 

You may think that copper is a good conductor of electricity. It is pretty good, really. 

But do you realize that a ceramic can be a better conductor of electricity than copper!? 

This  is  true  of  the  recently  discovered,  high‐temperature  superconducting  ceramic 

materials.  At100  degrees  Kelvin  and  below,  these  materials  offer  no    resistance  to 

conduction  of  electrons.  In  addition,  these  materials  reject  magnetic  flux  lines  (the 

Meissner  effect)  so  that  a  magnet  can  be  suspended  in  the  space  above  the 

superconductor. This is shown in Fig. 5.4. In Japan, a high‐speed, levitated train is being 

developed based on the principle illustrated in the photo. In the United States, research 

at  Purdue  University  is  focused  on  superconductivity  and  other  ceramic  material's 

performance. 

Fig. 5.4 high‐temperature superconducting ceramic materials 

The representation of inorganic crystals, silicate and aluminate aggregates, and other 

elements and compounds, is often made with coordination polyhedra. Each vertex of the 

polyhedra corresponds to a ligand position. In the image below, the crystal structure of a 

78 

high‐temperature  superconductor  material  is  represented.  Visit  the  web  pages  of 

Professor Woodward at Ohio State  to get a better  idea of  the  coordination polyhedra 

description of crystals. 

Fig. 5.5 coordination polyhedra 

Some of you may be  interested  in knowing more about crystal structure and of the 

role crystallography plays in the field of materials engineering. Please visit the Structure 

web pages in this series. 

Graphites  are  refractory,  lightweight  and  corrosion  resistant  materials.  These 

properties are critical for many applications, such as dies for continuous casting, rocket 

nozzles,  and  heat  exchangers  for  the  chemical  industry. However,  the  relatively  poor 

resistance of graphites  to wear and oxidation  limits  their use. The addition of  titanium 

carbide  (TiC)  coatings,  which  possess  excellent  resistance  to  wear,  oxidation  and 

79 

corrosion,  as  well  as  having  other  desirable  properties,  greatly  extends  the  use  of 

graphites. Here we see TiC coated parts from Solar Atmospheres, Inc. in fig. 5.6. 

Fig. 5.6 TiC coated parts 

80 

6KOMPOSIT

Sejarah Komposit 

Kajian  yang  dilakukan  Ashby  (1987)  menunjukkan  Komposit  alam  seperti  kayu 

berserat,  jerami,  telah di  temui  sejak  ribuan  tahun  sebelum masehi. Komposit buatan 

manusia di mulai dengan pembuatan bata berserat jerami, kertas, namun perkembangan 

selanjutnya  adalah  sangat  lambat  jika  dibandingkan  dengan  bahan  struktur  lainnya 

seperti Logam, Polimer dan Seramiks. 

Memasuki abad ke 20 komposit mulai berkembang dengan penemuan Plastik   yang 

diperkuat  Serat  Kaca,  Serat  Karbon,  Serat  Kevlar  R,  Komposit  Matriks  Logam  dan 

Komposit Seramik. Ashby memperkirakan hingga abad 21, kedudukan Komposit masih 

akan berkembang, menduduki  tahap ke dua setelah Polimer dalam penggunaan bahan 

struktur  (Gbr. 1.5.) Prakiraan Ashby diperkuat oleh pengamatan ”The New York Times” 

(1990),  yang  memprediksi  sehingga  tahun  2000  perkembangan  penggunaan  bahan 

Komposit  akan  terus meningkat dan meluas hingga 10  kali  lipat daripada penggunaan 

komposit pada tahun 1989 ketika prediksi dibuat (Gibson 1994). 

Penggunaan  ”Komposit  Termaju”  (advanced  composites)  tahun  1989  :  80%  untuk 

kegunaan pesawat angkasa  luar, 15 % kegunaan parawisata dan 5 % keperluan  industri 

lainyya.  Pengunaan  ”Komposit  Dasar”  (basic  composite)  yang  terbagi  pada  delapan 

sektor, penggunaan terbesar di sektor otomotif dan pengangkutan yang mencapai 26 %.

80 

Composites: materials, usually man‐made, that are a three‐dimensional combination 

of  at  least  two  chemically  distinct materials,  with  a  distinct  interface  separating  the 

components,  created  to  obtain  properties  that  cannot  be  achieved  by  any  of  the 

components acting alone. 

Composites are combinations of two materials  in which one of the materials, called 

the reinforcing phase, is in the form of fibers, sheets, or particles, and is embedded in the 

other materials called the matrix phase. The reinforcing material and the matrix material 

can be metal, ceramic, or polymer. Typically,  reinforcing materials are  strong with  low 

densities while  the matrix  is  usually  a  ductile,  or  tough, material.  If  the  composite  is 

designed and  fabricated  correctly,  it  combines  the  strength of  the  reinforcement with 

the  toughness  of  the  matrix  to  achieve  a  combination  of  desirable  properties  not 

available  in any single conventional material. The downside  is that such composites are 

often more expensive than conventional materials. Examples of some current application 

of composites  include the diesel piston, brake‐shoes and pads, tires and the Beechcraft 

aircraft in which 100% of the structural components are composites. 

Recreational equipment is heavily dependent on materials technology. For example, 

consider a snowboard. Snowboards are fabricated  from advanced composite materials. 

An example is in fig. 6.1. The Rooster snowboard (vintage 1998) is a free‐riding, twin‐tip 

board with a cap and a full wrap around edge. These boards are stiff and torsionally rigid 

so one  can  rail  them  at  high  speed  and  launch  and  land  the hugest  airs.  Look  at  the 

intricate design shown in the sectional view.  

Fig. 6.

Shown

fibers inco

strengthe

mold,  die

processing

Aircraft.  

1 Snowboard

n  in  fig. 6.2 

orporated in a

ned by  the  r

e  or  other  t

g. Shown are

Fig. 6.2 pr

ds are fabricat

are  various  s

a polymeric r

reinforcemen

tooling  that 

 aerospace a

roducts are fa

ted from adv

structural  com

resin matrix. W

t. The  shape

controls  th

pplications, l

abricated from

anced compo

mposite mem

When the res

e of  the  finish

he  geometry 

ike the Space

m advanced c

osite materia

mbers.  They 

sin cures to a 

hed part  is d

of  the  com

e Boom and 

composite ma

ls 

consist of  gla

hard state, it

dependent on

mposite  duri

a High Veloc

aterial 

81

ass 

t is 

n  a 

ing 

city 

A stru

influence 

conductiv

In Fig.

shaft. The

the micro

alternative

Queenslan

understan

cellular  a

interesting

uctural compo

the basic ten

ity, and therm

. 6.3 is a scan

e graphite rein

ograph  shows

e SEM site. T

nd, Australia,

nding of  the 

nd  macromo

g scanning ele

F

osite often b

nsile and com

mal expansion

nning electron

nforced golf c

s  an  area wh

The Centre  fo

 is an interdis

structure  an

olecular  scal

ectron micros

Fig. 6.3  image

egins with  la

pressive stre

n of the final 

n micrograph

club shaft has

here  damage 

or Microscop

sciplinary res

d  compositio

es.  Its  'Nan

scopic image

e a graphite c

ay‐up of prep

ngth and stiff

pre‐preg mat

h (SEM) of a g

s been cross 

occurred wh

y and Microa

earch and se

on of  all mat

oworld'  web

s.  

composite go

preg. The cho

fness, electric

terial.  

graphite com

sectioned an

hile  sectionin

analysis at  th

rvice facility d

terials  at  ato

b  pages  offe

olf by SEM 

oice of  fiber w

cal and therm

posite golf cl

d polished, a

ng.  Consider 

he University 

dedicated to 

mic, molecul

er  a  gallery 

82

will 

mal 

ub 

nd 

an 

of 

an 

ar, 

of 

83 

To  illustrate  one  aspect  of  the  interest  of  the materials  engineer  in  composites, 

consider the following. A micrograph of a vacuum processed, void‐free glass‐fiber/epoxy 

composite  is  illustrated  in  fig.  6.4  (a).  In  fig.  6.4  (b),  a  special  probe  is  being  used  to 

determine how much force it takes to get the fiber to 'slip away' from the matrix under a 

compressive  load.  From  load  versus  deflection  information,  one  can  quantify  the 

structural integrity of the composite; or assess the quality of the processing steps used in 

the manufacture of the composite. 

                (a) 

                                           (b) 

Fig. 6.4 (a) void‐free glass‐fiber/epoxy composite (b) a special probe 

The composite of the USC research image, illustrated above, is an aluminum alloy 

composite reinforced with aluminum oxide fibers ~ 12µm in diameter. This is termed a 

metal‐matrix composite..  

The  strength  of  the  resin/fiber  composite  depends  primarily  on  the  amount, 

arrangement  and  type  of  fiber  (or  particle)  reinforcement  in  the  resin.  Typically,  the 

higher  the  reinforcement content,  the greater  the strength.  In some cases, glass  fibers 

are combined with other fibers, such as carbon or aramid, to create a "hybrid" composite 

that  comb

composite

performan

A mou

advanced 

also is an 

[rubber!], 

pounds an

The  i

necessary

left.  This 

central  IC 

board). Th

of the pac

compleme

the  system

bines  the  pro

e  is  often  fo

nce paramete

untain bike is 

material's te

integration o

etc). It is, thu

nd still meet t

Fig 6.5 Th

ntegration  o

 requirement

is  a  compos

(Integrated 

he package ha

ckage. Anothe

entary mater

m?  Certainly

operties  of m

ormulated  w

ers. 

another piec

chnology. Th

f a number o

us, a composi

the rigors of t

he sport bycyc

of  ceramic,  m

t to the fabric

site  system w

Chip) and  the

as been de‐ca

er example o

rials,  is shown

y  this  is  not 

more  than  on

ith  fillers  an

ce of recreatio

e mountain b

f other struct

ite system. Th

the sport..  

cle is manufa

metallic,  plas

cation of the 

whose  functio

e other  item

apped (ie, a h

f a generalize

n on  the  righ

an  example

ne  reinforcin

nd  additives 

onal equipme

bike utilizes co

tural materia

hese bikes ca

ctured from c

stic  and  sem

micro‐electro

on  is  to  prov

s on,  for exa

hole made in 

ed, composite

ht, below. Ca

e  of  a  compo

g material.  I

that  change

ent that is de

omposite ma

ls (ie, metals,

n weigh less t

composite ma

miconductor 

onics package

vide  interfac

mple, a PCB 

the top) to re

e system, usi

n you guess 

osite  materia

n  addition,  t

e  processing 

pendent on 

terials; but it 

, elastomers 

than 16 

aterial 

materials  is

e, shown belo

e  between  t

(printed circ

eveal the insi

ng a number

the  function 

al.  It  has  be

84

the 

or 

s  a 

ow, 

the 

uit 

ide 

 of 

of 

een 

85 

included  to emphasize  the point  that many classes of materials are  frequently used  in 

combination  to  make  engineering  devices,  components  or  structures  to  best  serve 

society.  

Fig. 6.6 Application of Composite System in Ic Technology 

Komposit dan Paduan 

Dalam  ilmu  logam, material  dasar  (base material)  dapat  diindifikasi  sifat‐sifatnya 

untuk  suatu  tujuan  tertentu dengan mengkombinasikan material  logam dasar  tersebut 

dengan material  lain. Maka Komposit  lahir  sebagai material baru dan  juga merupakan 

hasil  kombinasi  beberapa material  dasar.  Komposit  dan  paduan memiliki  keserupaan 

yaitu sama‐sama terbentuk dari kombinasi 2 atau  lebih material dasar, tetapi komposit 

merupakan  material  kombinasi  yang  tidak  dapat  dicapai  dari  cara‐cara  seperti 

pembuatan  paduan.  Pada  umumnya  sifat‐sifat  yang  diinginkan  dari  suatu  komposit 

adalah  sifat mekanik  komposit  itu. Meskipun  secara  struktur  kelas  kristalnya berbeda, 

namun kombinasi tersebut akan memberikan sifat mekanik yang lain. 

Komposite merupakan dua atau  lebih bahan yang digabung atau dicampur  secara 

”Makroskopik”. Kata kunci makroskopik membedakan antara Kopmposit dengan paduan 

yang penggabungan unsur‐unsurnya secara ”Mikroskopik”. Meskipun banyak bahan yang 

86 

mempunyai  dua  atau  lebih  konstituent  (penyusun),  tetapi  bahan‐bahan  tersebut 

biasanya  tidak  dianggap  sebagai  komposit  jika  satuan  struktur  ysng  terbentuk  lebih 

cenderung  pada  tingkat mikroskopik  daripada  tingkat makroskopik. Dengan  demikian, 

paduan‐paduan  logam dan  campuran‐campuran polimer biasanya  tidak diklasifikasikan 

sebagai komposit (Gibson 1994). 

PADUAN/ ALOY  KOMPOSIT 

sifat‐sifat  unsur  pembentuknya  tidak terlihat secara nyata 

Sifat‐sifat  unsur  pembentuknya  masih terlihat dengan dalam struktur baru. 

Struktur paduan 

Struktur komposit 

Keunggulan  bahan  Komposit  adalah  terbentuknya  struktur  baru  yang merupakan 

penggabungan  sifat‐sifat  unggul  dari  masing‐masing  unsur  pembentuknya.  Komposit 

digunakan   Komposit mempunyai sifat‐sifat yang diinginkan yang tidak dapat diperoleh 

dari bahan‐bahan pebyusun (asal) jika bekerja sendiri‐sendiri (Gibson 1994). 

(Struktur  beton  bertulang  salah  satu  contoh  seharian  yang  banyak  digunakan 

sebagai penyangga bangunan. Semen atau konkret berfungsi sebagai matriks, besi beton 

sebagai penguat (tulangan). 

Misalnya, pada paduan dikenal pearlit yaitu susunan lapisan selang‐seling antara α ‐ 

Fe yang bersifat lunak dengan Fe3C Cementite yang bersifat keras. Kombinasi α ‐ Fe dan 

Fe3C akan memberikan sifat mekanik dengan ductility dan kekuatan yang sangat tinggi. 

Hal  yang  sama  juga  terjadi  pada  komposit  yang  terbuat  dari  polimer  dan  serat  akan 

menghasilkan material yang keras dan kuat dibandingkan material dasarnya (polimer.) 

A  B  A + B +  =  A  B  C+ + = 

87 

Konsep Dasar 

Komposit adalah material multiphase. Namun kebanyakan komposit tersusun dari 2 

phasa, dimana salah satu phasa penyusunnya disebut dengan nama MATRIK yang secara 

kontinue mengisolasi fasa lainnya yang dikenal dengan nama ”fasa sebaran (penguata)”. 

                Gambar 6.7  Gabungan makroskopis fasa‐fasa pembentuk komposit. 

Komposit  terdiri  dari  dua  atau  lebih  bahan‐bahan  yang  terpisah,  dikmbinasikan 

dalam  berbagai  komponen  logam,  polimer  dan  seramiks.  Matriks  berfungsi  sebagai 

pelindung,  penyokong  dan  pengikat  phasa  penguat.  Penggabungan  unsur‐unsur 

komposit terjadi secara ”Makroskopik” yaitu penggabungan sifat‐sifat unggul dari unsur‐

unsur pembentuk dimana unsur‐unsur pembentuk masih  terlihat nyata dan merbentuk 

struktur baru. 

Paduan  logam,  campuran  polimer  tidak  dikategorikan  sebagai  komposit  tetapi 

cenderung  sebagai  pancampuran  secara  ”Makroskopik”  (Gibson  1994)  ”Makroskopik” 

Unsur‐unsur pembentuk tidak terlihat lagi. 

Komposit  di  kenal  sebagai  bahan  teknologi  dan  bukanlah  bahan  struktur 

konvensional, melainkan bahan struktur  diperoleh sebagai  hasil teknologi pemerosesan 

bahan. Kemajuan teknologi pemerosesan bahan dewasa ini telah menghasilkan rekayasa 

bahan teknik yang dikenal sebagai ”Bahan Komposit”. 

MATRIKS PENGUAT KOMPOSIT +

88 

Sifat‐sifat  dari  komposit  sangat  tergantung  kepada  sifat‐sifat  dari  fasa‐fasa 

pembentuknya,  jumlah  relatif masing‐masing  fasa,  bentuk  dari  fasa,  ukuran  fasa  dan 

distribusi  ukuran  dari  fasa‐fasa  dan  sebarannya.  Penemuan  teknologi  bahan  Komposit 

memungkinkan penggunaan bahan industri disesuaikan dengan keperluan yang semakin 

menantang dalam bidang teknik. 

Bahan Komposit merupakan bahan  teknologi  yang mempunyai potensi  yang  tinggi 

yaitu dapat memberikan gabungan sifat‐sifat yang berbeda‐beda pada penggunaan yang 

tidak  akan  diperoleh  melalui  penggunaan  logam,  polimer  dan  keramiks  (Kusy  1986) 

khususnya tentang sifat kekuatan spesifik serta kekakuan spesifik (Schwartz 1984). 

Klasifikasi Komposit 

Material komposit dapat diklasifikasikan sebagai berikut : 

Gambar 6.8 Klasifikasi/skema struktur komposit (Callister 1994). 

Large-particle

Composites

Particle - reinforced Fiber-reinforced Structural

Dispersion-strengthened

Continuous (aligned)

Continuous (short)

Laminates Sanwidch panels

Aligned Randomly

89 

Komposit Partikel 

Komposit  Partikel  yang  diperkuat  oleh  partikel.  Partikel  penguat  terdiri  dari    satu 

atau  lebih dan terserak dalam/ diikat oleh mantriks yang berbeda phasa. Partikel bukan 

serat  yang tidak mempunyai ukuran panjang.  

Dari segi ukuran, partikel dapat diklasifikasikan menjadi 2 kelompok, yaitu :  

• Partikel Besar 

• Partikel Kecil 

Komposit Partikel: 

• Partikel Logam  → Dalam Matriks logam 

• Partikel Logam  → Dalam matriks bukan logam (polimer, keramik) 

• Partikel polimer  → Dalam matriks polimer 

• Partikel keramik  → Dalam matriks polimer 

Partikel Besar (> 1μm)  

Interaksi  antara  matriks‐partikel  tidak  bisa  dibicarakan  pada  tingkat  atom  atau 

molekul,  tetapi  lebih  kepada  mekanika  rangkaian  kesatuan  (Callister  1994).  Partikel 

cenderung memelihara  pergerakan  rantai molekul  phasa matriks.  Phasa  partikel  lebih 

keras dan  lebih kaku daripada phasa matriks. Partikel merubah atau memperbaiki sifat‐

sifat  bahan.  Kekuatan  ikatan  antaramuka  partikel‐matriks  (menyerupai  komposit 

diperkuat serat ,semacam 1/d)  menetukan tingkat penguatan atas sifat mekanik. Contoh 

: Concrete (campuran semen dengan kerikil).  

90 

Gambar 6.9 komposit dengan partikel besar 

Partikel Kecil (0,01­0,1 μm) 

Interaksi antara matriks‐partikel bisa dibicakaran pada  tingkat ataom atau molekul. 

Partikel  kecil  menahan  pergerakan  dislokasi  sehingga  menguatkan  komposit.  Ukuran 

partikel  kecil  (fasa  terserak) mencapai  0,01~0,1  µm  (Callister  1994).  Penguatan  relatif 

akan terjadi bila phasa terserak (partikel) tersebar secara merata pada matriks (Callister 

1994). Komposit partikel kecil  lebih kuat dan kaku dibandingkn komposit partikel besar. 

Untuk  penguatan  komposit  hanya  diperlukan  partikel  dalam  jumlah  kecil  (  beberapa 

persen  saja). Komposit partikel dalam bentuk phasa  terserak dapat berupa  logam dan 

bukan logam dan bahan oksida.  

Gambar 6.10 komposit dengan partikel kecil 

Komposit  jenis  ini  tidak  lembut  dan  proses  penuaan  seperti  pada  paduan  terjadi 

penuan  mendadak.  Sebagai  contoh  :  kekuatan  paduan  nikel  pada  suhu  tinggi  bisa 

ditingkatkan dengan penambahan 3% Th02 (thoria) sebagai serakan partikel yang dikenal 

sebagai Thoria‐serakan nikel (TD).  

91 

Komposit  partikel  kecil  lebih  tahan  terhadap  aus  namun  lebih  lemah  berbanding 

komposit  serat.  Berbeda  halnya  dengan  komposit matriks  keramik.  Komposit  keramit 

menyimpang dari keadaan umum komposit, yaitu keramik bahan yang keras dan getas 

(matriks  biasanya  bahan  lunak,  liat). Dengan mekanisme  penguatan  tertentu.  Partikel 

sebagai  phasa  terserak  dalam  matriks  keramik  berfungsi  mencegah  perambatan 

mikroretak yang terjadi. 

Komposit matriks logam pada umumnya diperkuat oleh partikel logam.  Hal ini dapat 

meningkatkan kekuatan logam dan ketahanan terhadap temperatur yang tinggi. Matriks 

dari  logam  lunak  Aluminium,  tembaga,  perak,  magnesium  dan  titanium  terdiri  dari 

partikel logam penguat dari logam keras (tungsten, chromium, moly bdenum, titanium). 

Kesulitan  dalam  pembuatan menyebabkan  harga masih  tinggi  untuk  komposit  logam. 

sebagai contoh: dawai filamen Tungstun diperkuat serakan Toria dan serbuk aluminium 

tersinter  (10%  serakan  alumina).  Kekuatan  tarik  pada  temperatur  kamar  390  Mpa 

berbanding 90 Mpa Aluminium asli yang telah disepuh. 

Bahan  komposit  keramik  dan  logam/metal  banyak  digunakan  untuk  High  Speed 

cutting  toll  (pahat  potong  kecepatan  tinggi),  pipa  proteksi  termokopel  serta  piranti‐

piranti  lainnya yang memerlukan  suhu  tinggi dan  tahan aus  (abrasi). Komposit  ini  juag 

sulit dalam pembuatannya sehingga harganya masih cukup tinggi.  

Hukum pencampuran banyak diaplikasikan pada komposit diperkuat partikel. Bilamana 

pada alloy  terjadi suatu proses  ikatan kimia, maka pada komposit hanya  terjadi proses 

ikatan  adheli.  Komposit‐komposit  dengan  partikel  besar  menggunakan  ketiga  jenis 

material : metal, polimer dan keramik sebagai matriknya. 

92 

Hukum Pencampuran (Rule of Mixtures) 

Hukum  pencampuran  banyak  diaplikasikan  pada  komposit  diperkuat  partikel. 

Bilamana pada alloy terjadi suatu proses ikatan kimia, maka pada komposit hanya terjadi 

proses  ikatan  adheli.  Komposit‐komposit  dengan  partikel  besar  menggunakan  ketiga 

jenis material : metal, polimer dan keramik sebagai matriknya. 

Bila komposite (C) tersusun dari 2 material yaitu M sebagai matriks   dan P sebagao 

penguat  maka  secara  teoritis  sifat‐sifat  hasil  pencampuran  kedua  material  tersebut 

memiliki  sifat  diantara  sifat  dari  masing‐masing  material  yang  bercampur.  Modulus 

elastis E dari komposity akan mengikuti Hukum Pencampuran ini yaitu : 

Ek = Em 9m  +  Ep 9p   ...................(1). → Batas atas/upper bond 

Dimana  E Modulus Young. 9 = fraksi volume 

Ek = Em . Ep  ...................(2)   → Batas bawah/lower bond 

Ep Vm + Em Vp 

Nilai terukur E sebagai modulus young komposit adalah di daerah antara upper bond dan 

lower bond. 

Contoh : CERMET (atau komposit keramik – metal) misalnya Fe3C (sementit) karbida 

tersusun  oleh  partikel  sangat  keras,  seperti  W‐C  atau  T1‐C  dalam  matriks  logam  Co 

maupun nikel. 

93 

Komposit Serat (KS) 

Komposit serat merupakan komposit yang diperkuat serat. Phasa penguat berbentuk 

serat  dalam/dan  diikat  oleh  matriks.  Diameter  serat  antara  0,01~10  µm    dengan 

perbandingan panjang dan diameter (L/d) lebih besar dari 103 (John 1992). Berdasarkan 

ukuran  panjang  serat,  serat  dapat  dikatagorikan menjadi  dua  kelompok,  yaitu  :  serat 

panjang atau kontiniu dan serat pendek.  

Ukuran  serat menentukan  kemampuan bahan  komposit menerima  gaya  atau gaya 

luar. Semakin panjang ukuran serat maka semakin efisien dalam menerima gaya searah 

serat. Dan  semakin  panjang  serat maka menghilangkan  kemungkinan  retak  sepanjang 

batas  pertemuan  (antaramuka)  serat  dengan matriks  sehingga  serat mencegah  cacat 

pemukaan.  Campuran  yang  telah  dikenal  dan  paling  banyak  digunakan  dalam  bidang 

teknik, yaitu campuran bahan serat (kuat, keras dan rapuh) dengan matriks (mulur dan 

lembut). 

Efisien  dalam  menerima  beban  merupakan  keunggulan  bahan  kkomposit  serat. 

Beban  dilimpahkan  kepada  serat  oleh  matriks.  Jika  ada  serat  putus  beban  tersebut 

dipindahkan  kembali  kepada  matriks,  untuk  selanjutnya  akan  kembali 

dialihkan/didistribusikan keserat yang lain. Namun, sifat mekanik tidak hanya tergantung 

kepada  sifat  daripada  serat,  tetapi  juga  tergantung  pada  arah  serat  terhadap  beban, 

penyebaran serat (serat pendek)   Terhadap phasa matriks.  

Tujuan  utama  yang  ingin  didapat  dari  komposit  ini  adalah  didapat material  yang 

berkekuatan tinggi, kaku akan tetapi ringan (low density). Sifat mekanik dari material ini 

tidak tergantung hanya pada sifat‐sifat seratnya saja tetapi juga bagaimana matriks pada 

94 

komposit memindahkan  sebagian  tegangan beban  kepada  seratnya  (fasa  sebarannya). 

Hal ini sangat ditentukan oleh ikatan antar‐muka (interface) antara serat dan matriksnya. 

Disisni terdapat panjang kritis serat sebagai fungsi kekuatan dan kekakuan efektif. 

Panjang kritis  serat  (lC)  tentunya  tergantung pada diameter  serat  (d) dan kekuatan 

tariknya  (σf)  serta  kuat  ikatan  antara  serat  dan  matriks  (tC)  dalam  suatu  material 

komposit, yang dinyatakan dalam suatu persamaan sbb: 

Berdasarkan hal  ini, serat dengan ukuran panjang 1>>>  lC  (misalnya 1‐15  lC) disebut 

dengan nama  serat kontinue. Sedangkan  serat dengan 1 <  lC disebut  serat discontinue 

(serat pendek). 

Bila  1  <<<  lC  dapat  dipandang  sebagai  partikel  yang  kompositnya  disebut  sebagai 

komposit‐partikular. Matriks dengan serat saling bekerjasama di dalam mengatasi gaya‐

gaya yang bekerja pada komposit. Gaya yang diterima matriks akan diteruskan kepada 

serat  secara  merata,  jika  ada  serat  yang  putus.  Gaya  pada  serat  yang  putus  akan 

dikembalikan kepada matris dan selanjutnya didistribusikan kepada serat‐serat lain. 

95 

Gambar 6. 11 komposit diperkuatn serat 

Fungsi Serat 

Serat  berfungsi  sebagai  unsur  penguat  kepada  matriks.  (Ikatan  antamuka  antara 

serat  dengan  matriks  sangat  menentukan  kekuatan  Komposit).  Biasanya  matriks 

mempunyai  kerapatan/  densitas,  kekukuhan  dan  kekuatan  yang  jauh  lebih  rendah 

daripada  serat. Namun gabungan matriks dengan  serat bisa mempunyai kekuatan dan 

ketegaran yang tinggi, tetapi masih mempunyai kerapatan yang rendah.  

Kemajuan di bidang  teknologi dewasa  ini → Banyak mengarah kepada penggunaan 

Komposit  dengan  fasa  penguat  serat.  Sebagai  contoh  keunggulan  bahan  Komposit 

berbanding bahna/unsur pembentuknya adalah  :  retak Plastik 8,688 Mpa, kaca 0,0276 

Mpa. Gabungan keduanya dalam bentuk struktur baru komposit ”plastik diperkuat serat 

kaca”  (glass  fibre  reiforced plastic/GFRP). Menghasilkan  kekuatan  retak berlipat ganda 

Komposit  diperkuat  Serat

Serat Dawai Serat Halus 

Dimensi: D=0,1‐0,3 μm,  l=2‐3mm, Kekuatan : Sangat kuat dan sempurna, Contoh :Graphit, silicon karbida, silicon nitride, Al oksida Harga :Mahal 

Dimensi : D=6‐10 μm,  L/D  > 103 Kekuatan : Kuat  Contoh : Kaca, Graphit, silicon karbida karbon, boron Al.oksida, polimer aramid Kevlar, nilon 

Dimensi : D > 10 μm,   Kekuatan : Kurang kuat  Contoh : Baja, molybdenum, wolfram 

96 

yaitu  6.895  Mpa.  (Plueddemann  1974).  Kekuatan  dan  sifat  menyeluruh  dapat 

ditingkatkan dengan memasukkan fasa terdispersi (terserak) kedalam matriks. 

Orientasi Serat 

Kekuatan dari komposit yang diperkuat serat dipengaruhi orientasi serat, fraksi serat, 

distribusi serat serta jenis seratnya  Orientasi serat sebagai berikut : 

Gambar 6.12 klasifikasi orientasi serat 

Orientasi  serat  merupakan  faktor  penentu  kekuatan  komposit  diperkuat  serat. 

Kekuatan tangguh komposit Serat adalah kemampuan menahan beban searah orientasi 

sedangkan  kekatuan  lemah  merupakan  kemampuan  menahan  beban  tegak  lurus 

orientasi serat. Kekuatan tangguh merupakan nilai batas atas sedangkan kekuatan lemah 

merupakan atas bawah. 

Gambar 6.13 Pengaruh serat putus terhadap tegangan matrik dan serat 

Matriks akan berfungsi sebagai pengikat serat yang menyokong dan melindungi serat 

(penguat),  serta  akan mendistribusikan  beban  yang  di  alami  secara merata  di  antara 

ORIENTASI SERAT Orientasi Serat

Serat Paralel dan satu arah Serat Random

Serat 

Matriks 

97 

serat‐serat.  Fungsi  penting  selanjutnya  apabila  ada  serat  yang  putus,  beban  serat 

tersebut  akan  dipindahkan  kembali  kepada  matriks  untuk  selanjutnya  akan 

didistribusikan  kepada  serat‐serat  yang  lain  (gbr.  6.12).  Sehingga  beban  tetap 

terdistrubusi  secara merata  pada  struktur  komposit.  Fenomena  ini  telah menjadikan 

salah satu dari keunggulan bahan Komposit tersebut. 

Ada beberapa macam model orientasi pada model, yaitu : 

• Kontiniu dan searah ; serat panjang (gambar 6.14 a), 

• Tidak kontinu da searah ; serat pendek (gambar 6.14 b), 

• Tidak kontiniu dan acak/tidak beraturan , serat pendek (gambar 6.14c). 

Gambar 6.14 orientasi serat dalam matriks 

Dari ketiga orientasi  serat di atas, orientasi  (a) memberikan  kekuatan paling  tinggi 

jika ditarik pada arah panjang serat. Komposit ini mempunyai sifat mekanik yang berbeda 

pada arah melintang dan tegak (anisotropik). 

Untuk  serat panjang, umumnya  tersusun  lurus dalam matriks dan dapat diarahkan 

sesuai arah pembebanan yang diterima. Hal  ini menjadikan   sangat kuat, namun  lemah 

terhadap pembebanan  arah  tegak  lurus  serat.    Sebagai  contoh  : Besi dalam  concrete, 

(a)  (b) (c)

98 

serat dalam polimer. Untuk serat pendek, serakan  lurus beraturan atau dalam keadaan 

acak/arah tidak beraturan. 

Komposit Serat Kontinue dan Terarah. 

Misalkan stress diberikan pada arah memanjang (longitudinal) dimana ikatan antara 

serat dan matriks seperti gambar 6.12 Sehingga deformasi pada matriks dan serat adalah 

sama  (ISO‐STRAIN)  maka  dalam  hal  ini  dapat  dianggap  matrik  pada  komposit  akan 

memindahkan  sebagian  tegangan  beban  kepada  fasa  sebarannya  (fibrousnya)  yaitu 

isostrain yang terjadi. 

Fk  = F m + Fs 

Gambar 6.15 Gaya pada searah serat 

Dengan perkataan lain, beban yang dialami oleh komposit adalah sama dengan jumlah 

beban yang dialami oleh matrik dan seratnya. 

Bila  τ = F/A,  maka  

σk . Ak  = σm . Am + σs . As , 

dimana   A = luas penampang masing‐masing, atau dapat juga ditulis : 

 . . . .

Maka  : Am  / Ak dan As  / Ak adalah  fraksi  luas, masing‐masing untuk matriks dan  serat. 

Sehingga dalam hal ini, bila panjang komposit, matrik dan serat adalah sama, maka Am / 

99 

Ak tentunya sama dengan  fraksi volume dari matris (δm) dan Af / Ac sama dengan fraksi 

volume dari serat (δf) dengan kata lain : Am / Ak = ( δm ) dan As / Ak  = (δs) 

Kekuatan Komposit Serat 

Tujuan  utama  yang  ingin  didapat  dari  komposit  ini  adalah  didapat material  yang 

berkekuatan tinggi, kaku akan tetapi ringan (low density). Sifat mekanik dari material ini 

tidak tergantung hanya pada sifat‐sifat seratnya saja tetapi juga bagaimana matriks pada 

komposit memindahkan  sebagian  tegangan beban  kepada  seratnya  (fasa  sebarannya). 

Hal ini sangat ditentukan oleh ikatan antar‐muka (interface) antara serat dan matriksnya. 

Disisni terdapat panjang kritis serat sebagai fungsi kekuatan dan kekakuan efektif. 

Panjang kritis  serat  (lC)  tentunya  tergantung pada diameter  serat  (d) dan kekuatan 

tariknya  (σf)  serta  kuat  ikatan  antara  serat  dan  matriks  (tC)  dalam  suatu  material 

komposit, yang dinyatakan dalam suatu persamaan sbb: 

LC =  σf . d  yang berlaku untuk 1 ~ (20 s/d 150) Φ 

Gambar 6.16 Profil stress position 

L=lc σ

σ

lc/2

100 

Berdasarkan hal ini, serat dengan ukuran panjang 1>>> lC (misalnya 1‐15 lC) disebut 

dengan nama serat kontinue. Sedangkan serat dengan 1 <  lC disebut serat discontinue 

(serat pendek). 

Bila  1  <<<  lC  dapat  dipandang  sebagai  partikel  yang  kompositnya  disebut  sebagai 

komposit‐partikular. Matriks dengan serat saling bekerjasama di dalam mengatasi gaya‐

gaya yang bekerja pada komposit. Gaya yang diterima matriks akan diteruskan kepada 

serat  secara  merata,  jika  ada  serat  yang  putus.  Gaya  pada  serat  yang  putus  akan 

dikembalikan kepada matris dan selanjutnya didistribusikan kepada serat‐serat lain.  

Penguat serat sangat efektif bila : 

• I/d yang besar dengan perbandingan lebih besar 103 (John 192). 

• Serat lebih kuat dan kaku daripada bulk. Rentang diameter 6‐10 μm (John 1992). 

• Penempatan orientasi serat dapat disesuaikan dengn keperluan pada penggunaan. 

Kajian Griffith (1920) membuktikan semakin tipis sebuah batang atau serat, semakin 

kuat. 

Gambar 6.17 hubungan kekuatan tegangan terhadap tebal 

Tebal serat, in 

Kekuatan

 Tegangan, lb/in2 

                   X10

000 

101 

Kesimpulan Griffith adalah: 

• Diameter  yang  sangat  kecil,  kekuatan  serat mencapai  kekuatan  Kohensif  teoritis 

antara lapisan‐lapisan batas atom. 

• Diameter besar, kekuatan serat menurun mendekati kekauatan bulk kaca. 

Ada beberapa kerugian penggunaan penguat dalam bentuk serat, diantaranya  : 

• Tidak dapat mendukung beban tekan longitudinal. 

• Sifat mekanik transversal tidak begitu baik 

• Tanpa matriks, tidak bisa digunakan sebagai bahan struktur. 

Komposit Struktur/Laminat (KSL) 

Komposit laminat meruapakan susunan beberapa lamina di mana arah utama bahan 

ditujukan kepada berbagai arah dalam  lamina tersebut. Komposit  jenis  in paling kurang 

disusun dari dua susunan lembaran bahan (lamina) berlainan dan berdekatan  (Gbr.6.16).  

Gambar 6.18 Susunan lamina 

Komposit  yang  terbentuk  dari  susunan  lamina  mendapatkan  sifat‐sifat  unggul 

masing‐masing bahan pembentuk (lamina).  

102 

Lamina 

Lamina merupakan  susunan  rata  atau  lengkung  serat  satu  arah  atau  serat  terjalin 

dalam matriks.  Laminat dapat  terdiri dari beberapa  susunan  lamina. Arah utama  serat 

dalam lamina dapat diarahkan ke berbagai arah untuk mendapatkan kekuatan komposit 

pada berbagai arah yang dikehendaki.  

Komposit  struktur  laminat  terdiri  atas  susunan  phasa  penguat  &  matriks  dalam 

bentuk  lamina.  Susunan  laminat  bisa  dalam  arah  searah  dan  tegak  lurus/dalam  arah 

tidak  beraturan.  Struktur  laminat  merupakan  penguat  dalam  bentuk  lamina/  lapisan 

diantara matriks. 

Struktur  susunan panel merupakan penguat dalam bentuk panel  tersusun diantara 

matriks (dapat berlapis‐lapis). Rasio kekakuan bengkok yang sangat tinggi terhadat serat 

banyak  digunakan  dalm  struktur  aerospace  (angkasa  luar).  Fleksibel  dalam  disain, 

memiliki  konfigurasi  yang menarik.  Penguatan  tidak  hanya  pada  struktur,  tetapi  juga 

bahannya. 

Phasa Pembentuk Komposit 

Phasa pembentuk komposit merupakan phasa penguat dan phasa matrik  (berbeda 

phasa). Phasa penguat adalah partikel, serat dan laminat. 

Partikel Penguat  

 Partikel  bahan  keras  dan  rapuh  dikelilingi  oleh  matriks  yang  lembut  dan  mulur. 

Struktur menyerupai  logam dan paduan, namun pada komposit, perubahan phasa tidak 

terjadi  untuk  mendapatkan  partikel.  Agar  efektif  terjadi  penguatan,  maka  diameter 

partikel  antara  0,01~0,1  µm  dan  disebut  juga  phasa  terserak.  Pada  ondisi  ini  dapat 

103 

meningkatkan  kekuatan  komposit partikel.  Sedangkan untuk diameter > 0,1 µm phasa 

terserak, ada kemungkinan penurunan kekuatan terjadi pada komposit partikel. 

Serat Penguat 

Serat merupakan  jenis  penguatan  yang  paling  banyak  digunakan  sebagai  penguat 

dalam  konstruksi  bahan  komposit  sebagai  bahan  struktur.  Serat  memiliki  berbagai 

kelebihan dibandingkan penguatan partkel, diantaranya lebih kuat, kaku dan kukuh. 

Agar efektif terjadinya penguatan maka diameter antara  0,01~10 µm (John ’92) dan 

perbandingan panjang terhadap diameter >103. Arah serat harus sesuai terhadap beban. 

Penguatan serat pada komposit akan semakin besar  jika ukuran serat semakin panjang 

diikat dalam matriks. 

Serat terdiri dari serat Kaca, Karbon, polimer, aramid, Baron, Kevlar®, Karbida Silikon, 

Graphat, serat ash (bambu, jeram). Komposit dasar telah banyak digunakan Serat Kaca‐E, 

Karbon.  Komposit maju merupakan  komposit  yang  sering  digunakan,  seperti  Karbon, 

Polimer Aramid, Kaca‐S, Boron, Kevlar® Karbida Silikon, Graphit. 

Secara umum paling banyak d gunakan Serat Kaca‐E : 

• Tidak mahal, mudah diperoleh 

• Modulus kekenyalannya lebih tinggi dari matriks polimer 

• Mudah dibuat menjadi serat kekuatan tnggi dalam phasa cair. 

• Komposit matriks polimer diperkuat kaca   tahan karat 

• Banyak cara yang bisa dilakukan dalam proses pembuatan komposit plastik diperkuat 

kaca. 

Serat kaca –S mempunyai sifat mekanik yang lebih baik dari kaca‐E dan harga sangat 

mahal. Sehingga jarang digunakan untuk keperluan yang bersifat tidak khusus. 

104 

Laminat & Panel Penguat 

Penguat  secara  prinsip  berbentuk  laminat  yaitu  susunan  lamina  atau  dapat  juga 

berbentuk  panel  susunan  berlapis‐lapis.  Susunan  lamina  atau  panel  yang  berbeda 

merupakan  gabungan  sifat‐sifat  unggul  masing‐masing.  Lamina  dapat  disusun  dalam 

beragai  arah  untuk memperoleh  kekuatan,  keringanan,  tahan  gores,  penahan  panas, 

penhan akustik, permukaanyang menarik.  

Phasa Matriks 

Matriks merupakan  phasa  kedua  yang  berfungsi  untuk melindungi  dan mengikat 

penguat  bersama‐sama  dalam  sebuah  unit  struktur  sehingga  akan  saling menyokong 

dalam meningkatkan kemampaun atau  sifat mekanik komposit. 

Pada komposit diperkuat  serat  , matriks berfungsi  sebagai pendistribusian  transfer 

beban  yang  dialami  bahan  komposit  kepada  serat.  Jika  ada  serat  yang  putus, maka 

matriks akan mengalihkan beban pada serat putus kepada serat lain. 

Komponen Pengisi 

  Komponen  pengisi  dicampur  dengan  bahan  matriks  komposit  sewaktu  proses 

fabrikasi  bahan  matriks.  Pada  umumnya,  komponen  pengisi  dilakukan  tidak  dengan 

tujuan  untuk  meningkatkan  sifat  mekanik  bahan.  Tetapi,  cenderung  untuk  merobah 

karakteristik bahan, dan mengurangkan biaya keseluruhan bahan. Seperti partikel kaca 

untuk mengurangi berat, karbon hitam untuk perlindungan  terhadap  radiasi sinar ultra 

violet, tanah  liat/mika untuk menurunkan harga dan alumina trihydrate untuk menekan 

nyala dan asap. 

105 

Ada beberapa faktor yang harus diperhatikan: 

• Derajat keserasian yaitu antara komponen pengisi (minor) dengan komponen utama 

(mayor). Semakin serasi antara keduanya maka akan semakin baik hasilnya (Vaccaro 

et.al 1997). 

• Kawasan permukaan, distribusi partikel atau serakan yang merata, penyerapan atau 

reaksi  dengan  permukaan  pengisi  dan  ukuran  serta  permukaan  partikel  (Ferrigno 

1987) 

• Komposisi, tegangan antaramuka, pemerosesan dan perbandingan kelikatan (Tjong 

1997). 

Pada  proses  penggunaan  komponen  pengisi  umumnya  terjadi  proses  Aglomerasi 

akibat  ketidak  serasian  kedua  komponen  yang  digabungkan  (mayor & minor).    Proses 

Aglomerasi yaitu proses  terbentuknya  struktur agregat dan aglomerat. Ukuran partikel 

pengisi  yang  kecil  serta  luas  permukaan  yang  kecil menjadikan  ikatan  hidrogen  pada 

permukaan hidrofilik pengisi. Sehingga bergabungnya beberapa struktur agregat pengisi 

yang terbentuk yang disebut Aglomerat. Pada proses Aglomerasi,   partikel pengisi (fasa 

terserak) memiliki diameter   0,01~10 µm  adalah    skala mikro,  sedangkan  skala makro 

untuk partikel mesar  besar > 100 µm seperti  semen dengan batu kerikil dan skala meso 

merupakan phasa terserak dengan diameter 10~100 µm (Li et.al ,1994). 

106 

Zat Penggabung/ Penyerasi 

Zat Penggabung berfungsi untuk meningkatkan derajat  ikatan antara muka penguat 

dengan  matriks  dan  antaramuka  komponen  utama  dengan  komponen  pengisi  pada 

phasa matriks.  

Ikatan  antar‐muka  serat  dengan matriks  umumnya  sukar  dibentuk.  Ada  beberapa 

faktor  yang menyebabkan hal ini terjadi, diantaranya : 

• Pembasahan matriks polimer atas permukaan serat kurang baik 

• Terdapatnya lapisan batas antaramuka oleh pengotor (pelumas, antistatik) 

• Adanya difusi lembapan (multilapis air) 

Ada  beberapa  zat  penggabung  yang  penggunaannya  dapat  meningkatkan  kekuatan 

mekanik dan ketahanan kimia, diantaranya : 

• Silena digunakan sebagai zat penggabung pada komposit berserat gelas. 

• Vinil dan alil digunakan sebagai zat penggabung pada komposit poliester 

• Amino digunakan sebagai zat penggabung pada komposit epoksida 

Perilaku Umum dan Unsur Komposit 

Penggabungan  secara  Makroskopik  akan  melahirkan  tegangan  geser  antar 

permukaan antara fasa‐fasa yang digabungkan,  utamanya pada komposit yang diperkuat 

serat. Beban gaya geser dipikul oleh  ikatan kimia dan bukan oleh  ikatan mekanis. Pada 

penguatan dengan  serat yang  tidak kontiniu  tegangan geser antar permukaan menjadi 

faktor penting. Untuk serat putus, tegangan dalam menjadi nol pada titik putus. Beban 

diteruskan dalam matriks melalui tegangan geser.  

107 

Hal yang harus diperhatikan ketika transfer beban menjadi : 

• Ikatan  antaramuka  fasa  penguat  dan  fasa  matriks  harus  cukup  baik  untuk 

mendukung tegangan geser yang terjadi. 

• Peningkatan penguatan efektif bila penguatan kontiniu, atau  I/d harus besar (rasio 

aspek/ perbandingan panjang  serat dengan diameter  serat)  sehingga beban dapat  

diteruskan melintasi titik perpatahan potensial. 

• Fasa penguat harus memiliki modulus elastisitas (modulus Young) yang  lebih tinggi 

daripada matriks. 

• Regangan yang terjadi pada kedua matriks dan penguat harus sama. 

Persamaan yang berlaku adalah : 

  dan  σσ

EE   

Dimana E adalah modulus elastisitas, σ adalah tegangan dan ε adalah regangan.  

Sebagai  contoh  Komposit  A1/St  (Kawat  almunium  diperkuat  serat  baja.  Ketika 

mengalami  beban  tarik,  kedua  logam  tersebut mengalami  deformasi  secara  bersama‐

sama. Missal: regangan  (ε) = 0,001, modulus elastisitas baja  (Ebj) = 205.000 Mpa, Eal = 

70.000 Mpa, maka tegangan yang dialami baja (σbj) = 0,001 x 205.000 =  205 MPa,  (σa1) 

= 0,001 x 70.000 =  70 MPa.. 

108 

DAFTAR PUSTAKA 

Ashby, M. F. 1987. ”Technology of the 1990s: Advanced materials and predictive design”. 

Philosophical Transactiona of Tha Royal Society of London, A 22: 393 407. 

Ferigno, T. H. 1987. Principles of filler selection and use. Dlm. Katz H.S. & Milewski J.V. 

(peny.). Handbook of Fillers  for Plastics, hlm 8 61. New York  : Van Norstrand Reinhold 

Comp. 

Gibson, R.F. 1994 Principles of composite material mechanics. New York : Mc Graw – Hill. 

Griffith  A.  A.,  1920.  The  phenomena  of  repture  and  flow  in  solid.  Philosophical 

Transactions of the Royal Society, 221 a,  163 – 198. 

John,  V.  1992.  Introduction  to  engineering materials.  London  :  The Macmillan  Press 

Lmtd. 

Jones R.M. 1975. Mechanics of composite material. New York : Hemisphere Pub. Corp. 

Judge  &  John  F.1969.  Composite  materials  :  The  coming  revolutioan.    Airplane 

management and marketing : 85 91 

Kaga,  H.  1997.  Vacum  effect  on  the mechanish  of  composite  particle  formatioan  in 

physical preparation. Powder Technology,  143 149. 

Kamaruzzaman Sopian, Rozli Zulkifli, Jafar Sahari & Othman, M.J., 1998, AMPT ’98 : 247 

Kusy,  R.  P.  1986.  Metal‐filled  polymers.  Dlm.  Bhattacharya  S.K.  (edt).  Metal‐filled 

polymers properties and applications,  1142. New York: Marcel Dekker Inc. 

Plueddemann. E.P. 1974.  Interface  in polymer matrix composites. Dlm Broutman L.J. & 

Krock R.H (pnyt). Composite Materials, 6, hlm. xiii xv. New York: Academic Press. 

109 

Sadagopan,  D.  &  Pichumani,  R.  1998.  Property‐based  optimal  design  of  composite 

materials and their internal architectures. J. Compo‐sites Materials, 32 (19): 1714 1752 

Schwartz, M. M. 1984. Composite material handbook,  New York : Mc Graw Hill. 

Sulaiman  Kamil,  Bambang  Kismono  Hadi.  1990.  Prilaku  aerostruktur  dengan  bahan 

komposit.  Bandung : PAU ITB,. 

Tjong, S., C. 1977. The falling weight impact properties of malic anhyride compatibilized 

polypropylene – polymide blends.  J. of Materials Sci., 32 : 4613 4617