MODUL 6 Sifat Fisis Material Cara material berinteraksi dan merespon terhadap berbagai bentuk energi merupakan perhatian utama ilmuwan dan ditinjau dari segi rekayasa, merupakan dasar untuk desain dan inovasi. Energi yang bekerja pada material dapat berasal dari medan gays (gravitasi, listrik, magnetik), radiasi elektromagnetik (papas, cahaya, sinar-X), partikel energi-tinggi, dan sebagainya. Respon material, lazim disebut sebagai sifat fisika, dikendalikan oleh susunan struktural atom/ion/ molekul dalam material. Pokok bahasan mengenai hubungan struktur/sifat yang telah dibahas dalam bab sebelumnya dikembangkan lebih lanjut. Perhatian khusus diberikan pada difusi atom/ion dalam material karena pentingnya perilaku termal pada proses manufaktur demikian pula untuk pemakaian. Dalam telaah yang singkat ini, mulai dari kerapatan hingga superkonduktivitas, akan dibahas sifat fisika material yang paling penting. Sifat fisis adalah cara material dalam merespon berbagai bentuk energi dari luar seperti medan gaya (gravitasi, listrik, magnetik), radiasi elektromagnetik (panas, cahaya, sinar-X), partikel energi tinggi dsb. 6.1 Kerapatan Kerapatan adalah massa persatuan volume material, bertambah secara teratur dengan bertambahnya nomor atomik pada setiap sub kelompok. Kebalikan kerapatan adalah volume spesifik v, sedangkan hasil kali dengan massa atomik relatif disebut volume atomik. Pada proses perpaduan, kerapatan logam berubah. Hal ini terjadi karena massa atom terlarut berbeda dengan massa atom terlarut. Kerapatan logam lebih tinggi dari keramik, karena keramik mengandung atom ringan seperti O, C, dan N. Kerapatan jelas bergantung pada massa atom ukuran serta cara penumpukannya. Logam berwu padat karena terdiri dari atom yang berat dan memlpenumpukan padat; keramik memiliki kerapatan y-.i lebih rendah dibandingkan logam karena mengandL atom ringan, balk C, N, atau 0; polimer meml. kerapatan rendah karena terdiri dari untaian au ringan. Gambar 6.1 memperlihatkan sebaran n. kerapatanberbagai kelompok material. "Daftar Si Material", yang dikembangkan Ashby, sangat bergs_ - untuk pemilihan material dalam desain rekayasa. http://www.mercubuana.ac.id

(digunakan lambang C P untuk panas spesifik pada tekanan tetap) mengendalikan kenaikan temperatur, dT, oleh penambahan sejumlah panas, dQ, pada satu gram material jadi dQ Cp dT. Panas spesifik logam berasal dari gerak vibrasi ion. Namun demikian, sebagian kecil panas spesifik dihasilkan oleh pergerakan elektron bebas; faktor ini menjadi penting pada temperatur tinggi, khususnya pada logam transisi dengan elektron di kulit-tak- lengkap. Teori klasik mengenai panas spesifik mengasumsikan bahwa atom dapat berosilasi dalam salah satu dari tiga arch. jadi, kristal terdiri dari N atom dapat bergetar dengan 3N mode normal independen, masing-masing dengan frekuensi karakteristiknya. Selanjutnya, energi rata-rata setiap mode normal adalah kT, sehingga energi termal vibrasi total dari logam adalah E = 3Ak T PadaKapasitas panas menentukan jumlah panas yang diperlukan untuk proses metalurgi seperti pengecoran, pengelasan dan perlakukan panas. Panas spesifik logam berasal dari gerak vibrasi ion, namun sebagian kecil panas spesifik dihasilkan oleh pergerakan elektron bebas; faktor ini menjadi penting pada temperatur tinggi , khususnya pada logam transisi dengan elektron di kulit tak rangkap. Dulong dan Petit adalah orang-orang pertama yang menunjukkan bahwa nilai panas spesifik material umumnya mendekati 3R, apabila diukur pac temperatur yang cukup tinggi Berta dilakukan korek, untuk volume tetap, di mana R adalah konstan-, gas. Namun, deviasi dari nilai panas atomik "klasil. terjadi pada temperatur rendah, seperti terlihat pac Gambar 6.3a. Deviasi ini dapat dijelaskan denga- teori kuantum, karena energi vibrasi harus dikuantif. kasi menjadi kelipatan hv, di mana h adalah konstan: Planck dan v adalah frekuensi karakteristik moc vibrasi normal. 6.3 Difusi Untuk memahami perilaku material, khususnya pada temperatur tinggi diperlukan pemahaman mengenai difusi. Beberapa contoh mencakup proses komersial penting adalah anil, perlakuan- panas, pengerasan aging pada paduan, sinter, pengerasan permukaan, oksidasi, dan creep. Selain proses difusi khusus, seperti batas-butir dan difusi melalui saluran dislokasi, seringkali dibedakan antara difusi pada logam murni, paduan homogen dan http://www.mercubuana.ac.id

Pada paduan, masalah tidak sesederhana itu dan diketahui bahwa energi difusi-diri lebih kecil dibandingkan logam murni. Pengamatan ini mengacu pada dugaan bahwa dalam paduan, kekosongan cenderung berasosiasi dengan atom terlarut; pengikatan kekosongan pada atom pengotor meningkatkan konsentrasi kekosongan-efektif dekat atom tersebut, sehingga laju lompatan rata-rata atom terlarut meningkat dengan pesat. Pengikatan ini membantu atom terlarut yang sedang bergerak dalam kisi, tetapi sebaliknya, kecepatan migrasi kekosongan berkurang karena diperlambat di sekitar atom terlarut. Gejala pengikatan merupakan dasar penting bagi semua kajian kinetika karena mobilitas kekosongan dalam kisi ke sumuran kekosongan dikendalikan oleh kemampuannya untuk melepaskan diri dari atom pengotor yang mengikatnya. Faktor yang mempengaruhi difusi Dua faktor terpenting yang mempengaruhi koefisien difusi D adalah remperatur dan komposisi. Karena suku aktivasi termal, laju difusi bertambah dengan meningkatnya temperatur. Karena variasi koefisien difusi dengan konsentrasi, penelitian menyangkut difusi-diri dilakukan pada logam murni untuk mendapatkan hasil penelitian yang dapat diandalkan mengenai efek variabel lain. Difusi adalah sifat peka-struktur, sehingga D bertambah besar dengan meningkatnya ketidakteraturan kisi. Umumnya, hal ini ditentukan dengan eksperimen. Pada logam yang dikuens dari temperatur tinggi, konsentrasi kelebihan kekosongan ~109 menyebabkan peningkatan difusi pada temperatur-rendah karena. Batas butir dan dislokasi juga berperan penting dan menghasilkan peningkatan difusi. Difusi berlangsung lebih cepat dalam keadaan pengerjaan-dingin dibandingkan dengan keadaan anil, meskipun rekristalisasi dapat terjadi dan cenderung mengurangi efek ini. Peningkatan transportasi material melalui saluran dislokasi terjadi pada aluminium dengan void yang dihubungkan oleh dislokasi dengan permukaan bebas. Aluminium mengalami anil dengan laju lebih tinggi dibandingkan apabila void terisolasi. Karena ikatan yang kuat antara atom, tekanan hampir tidak berperan atau tidak mempunyai efek. Akan tetapi, pada tekanan sangat tinggi, logam lunak (seperti natrium) mengalami peningkatan energi difusi diri. Laju difusi juga meningkat dengan berkurangnya kerapatan penumpukan atomik. Sebagai contoh, difusi-diri pada besi atau talium fcc lebih lambat daripada pada besi atau talium bcc apabila http://www.mercubuana.ac.id