SIFAT-SIFAT PADATAN PADA KONDISI KRIOGENIK BAB II SIFAT-SIFAT PADATAN PADA KONDISI KRIOGENIK Dalam hal membahas sifat logam (terutama) akan banyak pengaruhnya pada suhu rendah karena ianya mempunyai sifat elastis dan plastis dan jika mendapat gangguan akan mengalami dislokasi. Struktur Xtal mempunyai bidang kisi/ slip dan jumlah slip bcc < hcp < fcc. Xtal yang ada cacatnya ( intertisi,subsitusi, cacat titik) dan dengan adanya perubahan temperatur maka akan menghalangi dislokasi. Fcc mempunyai banyak kisi yang tidak fungsi suhu akan tahan terhadap dislokasi.jadi bahan fcc akan tahan terhadap suhu rendah dibandingkan bcc dan hcp .Contoh bcc adalah Fe,C,baja paduan rendah ,Mo,Niobium akan getas terhadap suhu rendah.Sedang hcp yang berada diantara bcc dan fcc akan lebih kuat dari bcc tapi lebih lemah dibanding fcc .

2.1 Sifat-Sifat Mekanis:pengetahuan mengenai bahan logam sangat penting karena menyangkut temperatur rendah baik secara fisik dan mekanik jadi jika tidak mempunyai data ,maka penting sekali mempunyai pengetahuan umum mengenai bahan pada suhu rendah.

Keterangan bahan 1.Aluminium: logam non ferro,yang dapat dikeraskan dengan cara dipanaskan dengan logam Cu,Si,dan Mg- tahan terhadap korosi (FCC) dan biasa disebut beryl dan selanjutnya diekstraksi supaya diperoleh beryllium.Bahan ini adalah alkali tanah yang beracun yg kegunaannya sebagai bahan penguat , tahan karat &fatiq dan tahan pecah yg titik leburnya 2600o C.Jika dipadu dengan Cu ,akan diperoleh bahan baja yang baik kekerasannya dan teganganya.Biasa dipakai untuk bahan mesin dan elektronik (FCC). 3.K Monel : bahan paduan Ni 16% dan 32 % Cu yang biasa dipakai sebagai wadah susu atau makanan. 4.Titanium : logam yang lebih keras dari baja,namun ringan ,tahan korosi,dan tangguh. 5.Stainless steel: baja tahan karat dan tahan pada suhu tinggi.Biasanya kadar C sekitar 0,8 -1,7 % . Carbon steel:Campuran Fe dan C dan logam pencampur lainnya. Kadar C sekitar 0,3 -0,8 % Ni-steel:baja dengan Ni 9 %.biasanya baja anti karat atau nirkarat. Teflon : Campuran triosite dan fibrin glu dan juga carbon yang merupakan bahan anti lengket. Jika dilihat dari grafik maka urutan kekuatan sebagai berikut :

suhu rendah : suhu tinggi : Ultimate Strength suhu rendah : suhu tinggi : (7) 2024 T4 Alumunium; (1) 305 Stainless Steel; (6) Berylium Copper; (2) K Monel (1) Titanium; (3) Titanium (2) 305 Stainless Steel; (4) 9% baja nikel (3)K Monel (5) tembaga berilium (5) C1020 Carbon Steel; (6) C1020 baja karbon (4) 9% Ni Steel; (7) 2024 –T4 Aluminium (8) Teflon. (8) Teflon (durham et. Al., “Cryogenic Materials Data Handbook.”) 0oK =-273 oC; 100oK =-173 oK; 300oK =7 oC

Yield Stress Keterangan : (1) 2024 T4 Alumunium; (2) Berylium Copper; (3) K Monel; (4) Titanium; (5) 304 Stainless Steel; (6) C1020 Carbon Steel; (7) 9% Ni Steel; (8) Teflon. (durham et. Al., “Cryogenic Materials Data Handbook.”) SUHU

Fatigue Strength Dengan diturunkannya temperatur bahan, perlu stress yang lebih besar untuk membuat retakan. Oleh karena itu, dari observasi bisa dilihat bahwa fatigue strength meningkat jika temperatur diturunkan. Untuk alumunium alloy, didapati bahwa ratio fatigue strength terhadap ultimate strength tetap sama jika temperatur diturunkan. Fakta ini bisa dijadikan dasar estimasi fatigue strength untuk bahan yang non besi (non ferrous) pada temperatur kriogenik, jika tidak ada data fatigue untuk temperatur rendah.

Impact Strength Transisi ductile-brittle terjadi pada beberapa bahan, seperti carbon steel, pada range dari temperatur ruang sampai temperatur 78 K / -195 C, yang hasilnya benar-benar terjadi penurunan ketangguhan yang tajam pada temperatur rendah. Sifat-sifat ketangguhan logam ditentukan secara dominan oleh struktur kisi-kisinya. Bentuk kisi FCC (face centered cubic) mempunyai bidang-bidang slip yang lebih banyak sehingga memungkinkan terjadinya deformasi plastik lebih rendah , dibandingkan dengan bentuk kisi BCC (body centered cubic).

Pengujian charpy impact Biasanya dipakai untuk menentukan kualitas bahan atau mengevaluasi ketangguhan relatif dari bahan teknik.Bahan dipatahkan dengan pendulum berat yang dijatuhkan pada jarak tertentu sehingga bahan yang menjadi retak,retak ini kemudian merambat dengan cepat dan akan terjadi perpatahan.Bahan uji didinginkan dengan nitrogen cair ,alkohol,dry ice dan es. Ternyata bahan dari hcp dan fcc akan lebih tahan terhadap impact sedang bcc cenderung bersifat getas. Mengapa?

Hardness Kekerasan logam diukur dengan tumbukan/pukulan (indentation) pada permukaan bahan penumbuk yang standar. Uji kekerasan yang sering digunakan yaitu misalnya (1) Brinell, menggunakan penumbuk berbentuk bola; (2) Vickers, menggunakan penumbuk berbentuk pyramid dari bahan diamond; (3) Rockwell, menggunakan penumbuk berbentuk bola atau pyramid dengan bahan bervariasi. Secara umum, kekerasan logam yang diukur dengan cara tersebut dan langsung berbanding lurus dengan ultimate strength logam yang bersangkutan. Oleh sebab itu kekerasan (hardness) akan meningkat jika temperatur turun. Pengukuran penetrasi (uji kekerasan) hampir bisa dikatakan sebagai miniatur uji tarik.

Ductility/ keuletan: Keuletan bahan biasanya diindikasikan dengan persentase perpanjangan hingga patah atau pengurangan penampang lintang dari suatu spesimen dalam suatu uji tarik. Perbedaan antara bahan yang getas (brittle) dan ulet (ductile) dilihat dari persentase perpanjangannya hingga patah. Jika persentase perpanjangannya melebihi 5%, maka bahan disebut ulet (ductile). Sedangkan bahan yang kurang dari 5% disebut getas (brittle). Jika ditinjau dari bidang slip /luncur, fcc lebih banyak slip dari bcc dan hcp sehingga mobilitas dislokasi makin besar akan mempengaruhi deformasi plastis sehingga bahan ulet. Dari suhu demikian juga makin tinggi suhu, fcc akan makin ulet dibandingkan dengan bcc dan hcp,karena bidang slip tidak tergantung pada suhu

Elasticity Moduli

Ada tiga kata yang sering digunakan untuk modulus elastisitas : (1) Modulus Young, E, yaitu laju perubahan tegangan tarik terhadap regangan pada temperatur konstan di daerah elastis; (2) Modulus Geser, G, laju perubahan tegangan geser terhadap regangan geser pada temperatur konstan di daerah elastis; (3) Bulk Modulus, B, yaitu laju perubahan tekanan (berhubungan dengan tegangan tiga dimensi yang seragam) terhadap regangan volumetric (perubahan volume tiap unit volume) pada temperatur konstan.

Karena temperatur turun, gaya antar molekul dan antar atom meningkat disebabkan oleh turunnya pengaruh gangguan vibrasi molekular atau atomik ( pengaruh luar ).Reaksi elastik adalah akibat dari aksi gaya antar atom dan antar molekul, ini yang menyebabkan modulus elastis menjadi naik jika temperatur diturunkan,karena masih mengikuti hukum Hooke.

2.2 Sifat Termal Thermal Conductivity Konduktivitas termal, Kt dari suatu bahan didefinisikan sebagai laju perpindahan panas per unit area dibagi dengan gradien temperatur yang menyebabkan panas tersebut berpindah.Mengapa?

Tiga mekanisme dasar yang berhubungan dengan perpindahan panas secara konduksi dalam suatu bahan : Gerakan elektron, sebagaimana yang ada pada konduktor logam. Perpindahan energi getaran kisi atau gerakan phonon, sebagaimana yang ada pada semua bahan. Gerakan molekuler, sebagaimana yang ada di organik padat dan gas. Di dalam cairan : mekanisme utama untuk perpindahan panas secara konduksi adalah transfer energi getaran secara molekuler. Di dalam gas : panas terkonduksi terutama dengan transfer energi transisional (untuk gas yang monoatomik). Untuk gas diatomik, energi ditransfer secara transisional dan rotasional.

Hubungan konduktivitas dengan sifat bahan : Dimana : ρ = densitas bahan cv = spesific heat pada volume konstan v = kecepatam partikel rata-rata Lambda = mean free path particle, atau jarak rata-rata partikel yang bergerak sebelum terdefleksi Spesific Heat : Solid, Liquid

QUIZ II KRIOGENIK Tutup Buku Sebutkan karakteristik oksigen, nitrogen, argon, dan neon pada kondisi cair! Dalam memilih bahan yang akan digunakan pada suhu kriogenik perlu diperhatikan sifat-sifat mekanik sebagai berikut : Keuletan Fatigue Strength Ultimate Strength Yield Strength Impact Strength Hardness

Jelaskan terminologi dari sifat-sifat tersebut! Hubungkan sifat mekanik di atas dengan temperatur rendah dan tinggi!