BAB I
PENGANTAR
Dalam bab pendahuluan ini, kita secara singkat membahas sifat
ilmu dan teknik material. Setelah mendefinisikan atau menjelaskan
apa ilmu material dan teknik, kami mengklasifikasikan bahan
rekayasa sesuai dengan sifat dan berbagai kategori aplikasi.
Kemudian kita membahas berbagai tingkat struktur internal bahan.
Akhirnya, kami menekankan pentingnya hubungan struktur-properti
dalam bahan, menguraikan pendekatan umum dari bab-bab
berikutnya.1.1 Material Sains dan teknikUngkapan 'ilmu material dan
rekayasa' membutuhkan beberapa penjelasan untuk pemula. 'Material'
kata di sini tidak merujuk kepada semua materi di alam semesta.
Jika begitu, itu akan mencakup semua ilmu fisik dan ilmu kehidupan
dari astronomi untuk ahli ilmu hewan Dengan memasukkan kata 'benda
mati' dalam definisi, kita dapat mengecualikan ilmu kehidupan dari
lingkup kami. Lanjut, kita bisa membatasi definisi hanya peduli
berguna bagi umat manusia. Bahkan di sini, kisaran terlalu luas
untuk tujuan insinyur. Sebagai contoh, kita bisa daftar sejumlah
besar hal-hal yang berguna bagi manusia, seperti makanan,
obat-obatan, bahan peledak, bahan kimia, air, baja, plastik dan
beton, hanya beberapa yang berkualitas sebagai bahan rekayasa. Kami
kemudian harus lebih spesifik dan menentukan bahan sebagai bagian
dari keadaan benda mati, yang berguna untuk insinyur dalam praktek
profesi nya. Dalam arti saat ini dipahami istilah, bahan ini hanya
mengacu pada bahan padat, meskipun ada kemungkinan untuk mengutip
sejumlah contoh bahan cair dan gas seperti asam sulfat dan uap,
yang berguna untuk insinyur.
'Ilmu Pengetahuan' kata dalam kalimat mengacu pada ilmu fisika,
khususnya kimia dan fisika. Seperti kita membatasi diri terutama
untuk bahan padat dalam ilmu material, subjek berhubungan dengan
kimia dalam keadaan padat dan fisika dalam keadaan padat. Kata
'ahli teknik' menunjukkan bahwa kegunaan rekayasa dari materi yang
diteliti selalu diingat, terlepas dari apakah hukum dasar ilmu
pengetahuan dapat diterapkan secara ketat atau tidak. Dimana dasar
hukum tidak dapat diterapkan, material seorang insiyur tidak
menyerah ,penting baginya dari sudut pandang praktis. Dia
menggunakan pendekatan terbaik mungkin, mengembangkan aturan
empiris, dan memperhitungkan informasi tersedia untuk situasi yang
tidak diketahui. Dalam hal ini, ilmu material dan teknik sangat
menarik dari ilmu-ilmu teknik seperti metalurgi, keramik, dan ilmu
polimer. Ini, dengan waktu yang didapatkan sendiri, telah
berkembang interaksi dengan dasar ilmu pengetahuan pada bidang
kimia dan fisika.
1.2 Klasifikasi bahan/material Teknika Setelah mendefinisikan
batas-batas bahan yang datang di bawah lingkup kita, kita dapat
mengelompokkan mereka dalam tiga kelompok besar sesuai dengan sifat
mereka:i. Logam dan paduanii. Keramik dan gelasiii. Polimer
organik
Logam adalah obyek yang sering kita dengar dengan karakteristik
penampilan, merupakan daerah yang mampu mengubah bentuk mereka
secara permanen, dan memiliki daya konduksi panas dan listrik yang
baik. Suatu paduan adalah kombinasi dari lebih dari satu logam.
Keramik dan gelas adalah zat anorganik bukan logam, yang rapuh dan
memiliki baik termal dan sifat isolasi listrik. Polimer organik
relatif lembam dan bercahaya, dan umumnya memiliki tingkat
kekenyalan tinggi. Gambar 1.1 berisi contoh yang khas dari
masing-masing tiga kelompok bahan. Selain itu, contoh bahan yang
terletak di antara dua kelompok juga ditampilkan.
Gambar 1.1 tiga kelompok utama material/bahan Teknika
Cara alternatif bahan mengelompokkan adalah menurut tiga bidang
utama di mana mereka digunakan:
i. Strukturii. Mesiniii. Perlengkapan
Struktur (tidak harus bingung dengan struktur internal suatu
material) mengacu pada objek tanpa bagian yang bergerak didirikan
oleh para insinyur, seperti bendungan beton, tungku peleburan baja,
jembatan gantung dan menara kilang minyak. Mesin bubut termasuk
turbin, uap dan gas, mesin, motor listrik dan generator. Perangkat
adalah tambahan terbaru untuk bahan Teknika dan mengacu pada
pembaharuan seperti transistor, sel fotolistrik, alat pengukur
tekanan piezoelektrik, magnet keramik dan laser.Selalu, dalam
setiap kategori aplikasi, kita menemukan bahan-bahan dari semua
tiga kelompok yang dijelaskan di atas. Untuk memberikan beberapa
contoh, struktur pesawat terbang dibangun dari paduan aluminium dan
plastik, sebuah tungku peleburan baja dibangun oksida yang keras
dan struktur baja; helm terbuat dari plastik kaca yang diperkuat.
Kesamaannya, kami memiliki semikonduktor logam-oksida. Diagram blok
pada gambar 1.2 menggambarkan interaksi ini antara kelompok
material dan kategori aplikasi.
Gambar 1.2 Setiap kategori aplikasi Teknika membutuhkan bahan
dari salah satu atau semua dari tiga kelompok bahan/material.1.3
Tingkat Struktur
Struktur internal dari bahan, biasanya disebut struktur, dapat
dipelajari pada berbagai tingkat pengamatan. Pembesaran dan
resolusi bantuan fisik yang digunakan adalah ukuran tingkat
pengamatan. Semakin tinggi pembesaran, halus adalah tingkat.
Rincian yang diungkapkan pada tingkat tertentu pengamatan umumnya
berbeda dengan rincian diungkapkan pada beberapa tingkat lainnya.
Henry Sorby adalah salah satu orang pertama yang menyadari hal ini,
ketika ia menulis pada tahun 1886:Meskipun saya telah mempelajari
struktur mikroskopis dari besi dan baja selama bertahun-tahun, itu
tidak sampai musim gugur terakhir yang saya bekerja apa yang banyak
disebut kekuatan tinggi. Hal ini sebagian karena saya tidak melihat
bagaimana hal ini bisa memuaskan yang dilakukan dan sebagian karena
tampaknya bagi saya tidak perlu. Saya telah menemukan bahwa dalam
hampir setiap kasus kekuatan (perbesaran) dari 50 linear
menunjukkan pada skala yang lebih kecil sebanyak satu dari 200, dan
ini membuat saya menyimpulkan bahwa saya telah melihat struktur
utama. Sekarang hasilnya diketahui, mudah untuk melihat bahwa
penalaran saya adalah keliru, karena kekuatan 650 linier
memungkinkan kita untuk melihat struktur yang lebih tua hampir
seluruhnya baru.Kita sekarang telah datang di sepanjang jalan sejak
zaman Sorby itu, pembesaran dengan resolusi pencocokan satu juta
kali linier sekarang umum. Tergantung pada tingkat, kita dapat
mengklasifikasikan struktur bahan
sebagai:MacrostructureMikroSubstrukturStruktur ElektronikStruktur
nuklirStruktur makro, material diperiksa dengan mata telanjang atau
di bawah perbesaran rendah. Simetri internal pengaturan atom dalam
bahan kristal mungkin mencerminkan di luar dari dari kristal
seperti kuarsa. Individu kristal besar dari bahan kristal dapat
terlihat dengan mata telanjang, seperti di kuningan gagang pintu
oleh polishing konstan dan etsa aksi tangan manusia dan
keringat.Mikro umumnya mengacu pada struktur seperti yang diamati
di bawah mikroskop optik, lihat Gambar 1.3. Mikroskop ini dapat
memperbesar struktur sampai sekitar 1500 kali linear, tanpa
kehilangan resolusi detail struktur.
Gambar 1.3 loncatan kristalan dalam Fe2NiO4, perbesaran 900 kali
linearBatas perbesaran dari mata manusia adalah sekitar 0,1 mm (10
-4 m), yaitu, mata dapat membedakan dua baris sebagai baris yang
terpisah, hanya ketika jarak mereka pemisahan lebih dari 0,1 mm.
Mikroskop optik dapat menyelesaikan rincian ke batas sekitar 0,1mm
(10-4 m ).
Substruktur mengacu pada struktur yang diperoleh dengan
menggunakan mikroskop dengan perbesaran yang lebih tinggi dan
resolusi dari mikroskop optik. Dalam sebuah mikroskop elektron,
perbesaran 1000 000 kali linear adalah mungkin. Berdasarkan panjang
gelombang yang lebih kecil dari elektron dibandingkan dengan cahaya
tampak, daya juga meningkat sejalan sehingga banyak rincian halus
muncul dalam mikroskop elektron. Kita dapat memperoleh banyak
informasi tambahan mengenai partikel yang sangat halus atau
ketidaksempurnaan kristal seperti terlepas .
Gambar 1.4 Substruktur dari paduan Ni-Fe-Cr menunjukkan
melengkung garis yang tersambung yang diperbesar 30.000 kali dalam
mikroskop elektron.Gambar 1.4 Menunjukkan sambungan dicitrakan
dalam mikroskop elektron transmisi. Di sini, elektron melewati foil
tipis spesimen dan efek difraksi terkait menghasilkan gambar. Pola
difraksi elektron diperoleh bersama dengan foto substruktur sangat
membantu dalam memahami proses yang terjadi dalam materi seperti
skala menit.Dalam mikroskop elektron scanning, berkas elektron
dipindai di seluruh permukaan bahan percobaan. Elektron kembali
tersebar di setiap titik dikumpulkan dan ditampilkan pada tingkat
pemindaian yang sama pada tabung sinar katoda. Hasilnya dalam
gambar, seperti gambar televisi, dari fitur permukaan bahan
percobaan. Gambar ini memiliki kedalaman yang sangat besar sehingga
bahkan permukaan retak tanpa polishing apapun dapat dicitrakan
(lihat gambar 12. Ie. berkisar perbesaran dari 10 x 50.000 x
sampai)
Dalam elektron pemeriksa analisa mikro, sinar elektron
membombardir permukaan bahan percobaan. Sinar X yang memiliki
panjang gelombang karakteristik elemen dalam bahan percobaan yang
memancar. Menggunakan standar yang sesuai, menyajikan elemen dalam
spesimen dapat diidentifikasi dan konsentrasi mereka ditentukan
dari intensitas sinar-X. Jadi teknik ini memungkinkan analisis
microchemical pada titik-titik sekecil 1m.
Lainnya ada juga mikroskop modern adalah mikroskop ion . Ini
menghasilkan gambar atom individu (gambar 1.5) dan
ketidaksempurnaan dalam pengaturan atom.Struktur kristal
memberitahu kita rincian susunan atom dalam kristal.
Hal ini biasanya cukup untuk menggambarkan susunan beberapa atom
dalam apa yang disebut sel satuan. Kristal terdiri dari jumlah yang
sangat besar unit sel membentuk pola yang berulang secara teratur
dalam ruang. Teknik utama yang digunakan untuk menentukan struktur
kristal adalah tabung sinar-X.Struktur elektronik padat biasanya
mengacu pada elektron di orbital terluar atom individu yang
merupakan zat padat. Teknik spektroskopi sangat berguna dalam
menentukan struktur elektronik.
Struktur nuklir dipelajari oleh teknik spektroskopi nuklir
seperti resonansi magnetik nuklir (NMR) dan studi Mssbauer.
1.4 Hubungan Struktur-Properti dalam bahanSampai saat ini, telah
praktek dalam kursus pada material Teknika untuk daftar komposisi,
pengobatan, sifat dan penggunaan banyak bahan sebanyak mungkin.
Jumlah dan berbagai bahan teknik dan aplikasi telah meningkat pesat
dalam beberapa tahun terakhir. Sekarang kami memiliki lebih dari
seribu jenis baja saja, masing-masing dengan komposisi tertentu,
sejarah termal dan mekanik. Oleh karena itu, adalah mustahil untuk
menggambarkan jumlah yang memadai bahan rekayasa dalam satu
program. Selain itu, pengetahuan kita tentang struktur internal
bahan dan bagaimana struktur ini berkorelasi dengan sifat cepat
telah maju dalam beberapa dekade terakhir. Jadi, itu lebih menarik
dan sesuai untuk mempelajari beberapa faktor kunci yang menentukan
hubungan struktur-properti daripada pergi untuk account sepenuhnya
deskriptif sejumlah besar bahan. Pendekatan ini diadopsi dalam buku
ini. Pembahasan properti struktur tergantung biasanya diikuti oleh
aplikasi khas.Tingkat struktur yang dari kepentingan terbesar dalam
ilmu material dan rekayasa struktur mikro, substruktur, dan
struktur kristal. The kimia, mekanik, listrik dan sifat magnetik
termasuk sifat enginnering paling penting. Kami pertama kali
mengembangkan konsep-konsep dasar yang berkaitan dengan struktur
tingkat. Ini termasuk konsep-konsep dalam keseimbangan dan kinetik,
geometri kristal, susunan atom dalam sel satuan bahan kristal,
ketidaksempurnaan substructural dalam kristal dan struktur mikro
fase tunggal dan bahan multi-fase. Kami kemudian mendiskusikan
bagaimana perubahan dalam struktur yang dibawa dan bagaimana mereka
dapat dikendalikan untuk keuntungan terbaik. Padat difusi dan
kontrol transformasi fasa dengan perlakuan panas adalah topik utama
di sini. Dalam paruh kedua buku ini, korosi antara sifat-sifat
kimia, deformasi elastis dan plastik antara sifat-sifat mekanik dan
beberapa sifat listrik dan magnetik dibahas dengan berbagai contoh
bahan rekayasa khas. Komposisi kotor material adalah penting dalam
menentukan strukturnya. Namun, untuk komposisi bruto yang
diberikan, perubahan radikal dalam struktur dan sifat dapat dibawa
oleh perubahan halus dalam konsentrasi dan