Aplikasi Pemakaian Keramik
Ada banyak perbedaan yang signifikan antara karakteristik fisik logam dan keramik. Akibatnya, bahan-bahan ini digunakan dalam jenis aplikasi yang sangat berbeda dan, dalam hal ini, cenderung saling melengkapi dan juga polimer. Sebagian besar bahan keramik terdiri dari dalam skema klasifikasi aplikasi yang mencakup kelompok berikut: kaca, produk tanah liat struktural, whitewares, refraktori, abrasive, semen, keramik biomaterial, dan keramik canggih yang baru dikembangkan.
Kaca
Gelas adalah kelompok keramik yang sudah dikenal. Container, lensa, dan fiberglass mewakili aplikasi kaca. Seperti yang telah disebutkan, mereka adalah silikat nonkristalin yang mengandung oksida lainnya, terutama CaO, Na2O, K2O, dan Al2O3, yang mempengaruhi sifat kaca. Kaca soda-lime khas terdiri dari sekitar 70% berat SiO2, keseimbangannya adalah terutama Na2O (soda) dan CaO (kapur). Komposisi beberapa bahan kaca umum diberikan pada Tabel di bawah. Dua aset utama dari bahan ini adalah sifat optiknya transparan dan relatif mudah dibuat.
Produk Tanah Liat
Salah satu bahan baku keramik yang banyak digunakan adalah tanah liat. Bahan murah ini ditemukan secara alami dalam jumlah besar, sering digunakan sebagai ditambang tanpa peningkatan apa pun kualitas. Alasan lain untuk popularitasnya terletak pada kemudahan yang dapat digunakan produk tanah liat dibentuk; ketika dicampur dalam proporsi yang tepat, tanah liat dan air membentuk massa plastik yang sangat cocok untuk dibentuk. Potongan yang terbentuk dikeringkan untuk menghilangkan sebagian uap air, setelah itu dibakar pada suhu tinggi untuk meningkatkan kekuatan mekaniknya.
Refractory
Kelas keramik penting lainnya yang digunakan dalam tonase besar adalah keramik refractory/tahan api. Sifat yang menonjol dari bahan-bahan ini adalah kapasitas untuk menahan suhu tinggi tanpa meleleh atau membusuk dan kapasitas untuk tetap tidak reaktif dan lembam ketika terkena lingkungan yang parah (misalnya, cairan panas dan korosif). Tambahan, kemampuan refractory untuk menyediakan insulasi termal dan mendukung beban mekanis seringkali menjadi pertimbangan penting, serta ketahanan terhadap kejutan termal (fraktur yang disebabkan oleh perubahan suhu). Aplikasi umum keramik ini terdiri dari pelapis untuk tungku dan peleburan menghaluskan baja, aluminium, dan tembaga, serta logam lainnya; tungku yang digunakan untuk manufaktur kaca dan perlakuan panas metalurgi; tempat pembakaran semen; dan pembangkit listrik.
Semen
Beberapa bahan keramik yang sudah dikenal diklasifikasikan sebagai semen anorganik: semen, plester dari Paris, dan kapur, yang, sebagai sebuah kelompok, diproduksi dalam jumlah yang sangat besar. Ciri khas dari bahan-bahan ini adalah ketika dicampur dengan air, mereka membentuk pasta yang kemudian mengeras dan mengeras. Sifat ini sangat berguna dalam benda padat itu dan struktur kaku yang memiliki hampir semua bentuk dapat dibentuk dengan cepat. Juga, beberapa bahan-bahan ini bertindak sebagai fase ikatan yang secara kimia mengikat agregat partikulat menjadi satu struktur yang kohesif. Dalam keadaan ini, peran semen mirip dengan fase ikatan kaca yang terbentuk ketika produk tanah liat dan beberapa batu bata tahan api ditembakkan. Satu perbedaan penting adalah ikatan semen berkembang pada suhu kamar.
Keramik Biomaterial
Bahan keramik juga digunakan dalam sejumlah aplikasi biomedis. Sifat-sifat yang membuatnya diinginkan untuk digunakan sebagai biomaterial terdiri dari kelembaman kimia, kekerasan, keausan resistensi, dan koefisien gesekan yang rendah; kewajiban utama mereka adalah disposisi mereka untuk patah getas (yaitu, nilai ketangguhan patah rendah). Keramik itu biasanya digunakan untuk implan (yaitu, biokeramik) seperti bahan oksida kristal, gelas, dan keramik kaca.
>> KLIK DI SINI UNTUK MEMBACA ARTIKEL SEPUTAR MATERIAL TEKNIK LAINNYA!
Kontributor: Daris Arsyada
Sumber:
Callister, William D. Jr, dan Rethwisch, David G. 2018. Materials Science and Engineering An Introduction (10th ed). Amerika Serikat: John Wiley & Sons, Inc.
Sifat Mekanis Keramik
Sebelum Zaman Perunggu, perkakas dan bejana terbuat dari batu (keramik). Antara 3000 dan 4000 tahun yang lalu, logam mulai digunakan secara luas karena ketangguhan mereka yang berasal dari keuletan mereka. Dalam zaman sejarah itu, keramik cukup terbatas dalam penerapannya karena sifatnya yang getas. Meskipun banyak komposit baru dan keramik multifase lainnya dengan ketangguhan yang berguna sedang dikembangkan (sering meniru keramik komposit alami seperti kulit kerang), sebagian besar bahan keramik yang digunakan saat ini getas.
Patah Getas Keramik
Pada suhu kamar, baik keramik kristalin maupun nonkristalin hampir selalu retak sebelum deformasi plastis dapat terjadi sebagai respons terhadap beban tarik yang diterapkan. Topik patah getas dan mekanisme patah juga berhubungan dengan perpatahan bahan keramik; mereka akan ditinjau secara singkat di sini.
Proses patah getas terdiri dari pembentukan dan perambatan retak melalui penampang material dalam arah tegak lurus terhadap beban yang diterapkan. Pertumbuhan retak pada keramik kristal dapat berupa transgranular (yaitu, melalui butiran) atau intergranular (yaitu, di sepanjang batas butir); untuk fraktur transgranular, retakan merambat sepanjang bidang kristalografi (atau belahan) tertentu, bidang dengan kerapatan atom tinggi.
Kekuatan patah terukur dari sebagian besar bahan keramik jauh lebih rendah dari yang diprediksi oleh teori dari kekuatan ikatan antar atom. Hal ini dapat dijelaskan dengan kekurangan yang sangat kecil dan ada di mana-mana dalam materi yang berfungsi sebagai pemicu tegangan—menunjukkan pada dimana besarnya tegangan tarik yang diterapkan diperkuat dan tidak ada mekanisme seperti itu karena deformasi plastis ada untuk memperlambat atau mengalihkan retakan tersebut. Untuk fase tunggal (yaitu, monolitik) keramik, laju penguatan tegangan tergantung pada panjang retak dan jari-jari ujung kelengkungan, yang terbesar untuk panjang dan runcing kekurangan. Pemicu tegangan ini dapat berupa retakan permukaan atau interior kecil (retak mikro), internal pori-pori, inklusi, dan sudut butir, yang hampir tidak mungkin dihilangkan atau kontrol. Misalnya, bahkan kelembaban dan kontaminan di atmosfer dapat menyebabkan permukaan retakan pada serat kaca yang baru ditarik, sehingga mempengaruhi kekuatan secara merusak. Tegangan konsentrasi pada ujung cacat dapat menyebabkan retakan yang dapat merambat sampai akhirnya kegagalan.
Dalam beberapa keadaan, fraktur bahan keramik akan terjadi secara perlahan perambatan retak, ketika tegangan bersifat statis. Fenomena ini disebut kelelahan statis, atau tertunda patah; penggunaan istilah kelelahan agak menyesatkan karena fraktur dapat terjadi pada tidak adanya tegangan siklik. Jenis fraktur ini sangat sensitif terhadap kondisi lingkungan, khususnya ketika kelembaban hadir di atmosfer. Berkenaan dengan mekanisme, proses stres-korosi mungkin terjadi di ujung retakan. Yaitu, kombinasi dari tegangan tarik yang diterapkan dan kelembaban atmosfer di ujung retakan menyebabkan ikatan ionik putus; ini mengarah ke menajamkan dan memanjangkan retakan hingga akhirnya satu retakan tumbuh menjadi suatu ukuran mampu memperbanyak dengan cepat. Selanjutnya, durasi penerapan tegangan sebelum patah berkurang dengan meningkatnya tegangan. Akibatnya, saat menentukan kekuatan kelelahan statis, waktu penerapan tegangan juga harus ditetapkan. Kaca silikat sangat rentan terhadap jenis fraktur ini; itu juga telah diamati pada bahan keramik lainnya, seperti porselen, semen Portland, aluminium tinggi keramik, barium titanat, dan silikon nitrida.
Fractografi Keramik
Kadang-kadang diperlukan untuk memperoleh informasi mengenai penyebab fraktur keramik sehingga tindakan dapat diambil untuk mengurangi kemungkinan insiden di masa depan. Analisis kegagalan biasanya berfokus pada penentuan lokasi, jenis, dan sumber cacat awal retak. Sebuah studi fraktografi biasanya merupakan bagian dari analisis, yang melibatkan pemeriksaan jalur perambatan retak, serta karakteristik mikroskopis permukaan fraktur. Seringkali dapat dilakukan penyelidikan tentang jenis ini menggunakan peralatan sederhana dan murah—misalnya, kaca pembesar dan/atau mikroskop optik binokular stereo daya rendah yang dihubungkan ke sumber cahaya. Ketika perbesaran yang lebih tinggi diperlukan, mikroskop elektron digunakan.
Setelah nukleasi dan selama perambatan, retak dipercepat sampai kecepatan kritis tercapai; untuk kaca, nilai kritis ini kira-kira setengah dari kecepatan dari suara. Setelah mencapai kecepatan kritis ini, retakan dapat bercabang (atau bercabang), sebuah proses yang dapat diulang secara berturut-turut sampai retakan dihasilkan. Lokasi nukleasi sering dapat ditelusuri kembali ke titik di mana satu set retakan bertemu. Lebih-lebih lagi, tingkat percepatan retak meningkat dengan meningkatnya laju tegangan; sesuai, tingkat percabangan juga meningkat dengan meningkatnya tegangan. Misalnya dari pengalaman kita tahu bahwa ketika sebuah batu besar menghantam (dan mungkin memecahkan) sebuah jendela, lagi hasil percabangan retak [yaitu, semakin banyak retakan yang terbentuk (atau lebih banyak pecahan yang pecah diproduksi)] daripada dampak kerikil kecil.
>> KLIK DI SINI UNTUK MEMBACA ARTIKEL SEPUTAR MATERIAL TEKNIK LAINNYA!
Kontributor: Daris Arsyada
Sumber:
Callister, William D. Jr, dan Rethwisch, David G. 2018. Materials Science and Engineering An Introduction (10th ed). Amerika Serikat: John Wiley & Sons, Inc.
Paduan Non-Baja (Nonferrous Alloys)
Baja dan paduan besi lainnya digunakan dalam jumlah sangat besar karena memiliki berbagai sifat mekanik, dapat dibuat dengan relatif mudah, dan ekonomis untuk diproduksi. Namun, mereka memiliki beberapa batasan yang berbeda, terutama (1) massa jenis yang relatif tinggi, (2) konduktivitas listrik yang relatif rendah, dan (3) kerentanan yang melekat terhadap korosi di beberapa lingkungan umum. Jadi, bagi banyak orang aplikasi itu menguntungkan atau bahkan perlu menggunakan paduan lain yang memiliki lebih banyak kombinasi properti yang sesuai. Sistem paduan diklasifikasikan baik menurut logam dasar atau menurut beberapa karakteristik khusus yang dimiliki oleh sekelompok paduan.
Tembaga dan Paduannya
Tembaga dan paduan berbasis tembaga yang memiliki kombinasi sifat fisik yang diinginkan telah digunakan dalam berbagai aplikasi sejak jaman dahulu. Tembaga murni sangat lunak dan ulet sehingga sulit untuk dikerjakan; juga, ia memiliki kapasitas hampir tak terbatas pada pengerjaan dingin. Selain itu, tembaga sangat tahan terhadap korosi di beragam lingkungan termasuk atmosfer sekitar, air laut, dan beberapa bahan kimia industri. Sifat mekanik dan ketahanan korosi tembaga dapat ditingkatkan oleh paduan. Sebagian besar paduan tembaga tidak dapat dikeraskan atau diperkuat dengan perlakuan panas; akibatnya, pengerjaan dingin dan/atau paduan larutan padat harus digunakan untuk memperbaiki sifat mekanik ini.
Paduan tembaga yang paling umum adalah kuningan, di mana seng, sebagai pengotor pengganti, adalah elemen paduan yang dominan. Beberapa kuningan umum adalah kuningan, naval, dan kuningan kartrid; logam muntz; dan penyepuhan logam. Beberapa kegunaan umum untuk paduan kuningan adalah perhiasan, selongsong kartrid, radiator otomotif, alat musik, kemasan elektronik, dan koin.
Perunggu adalah paduan tembaga dan beberapa elemen lainnya, termasuk timah, aluminium, silikon, dan nikel. Paduan ini lebih kuat dari kuningan, namun mereka masih memiliki tingkat ketahanan korosi yang tinggi. Umumnya mereka digunakan ketika, selain ketahanan terhadap korosi, sifat tarik yang baik diperlukan. Paduan tembaga yang dapat diolah dengan panas yang paling umum adalah tembaga berilium. Mereka memiliki kombinasi sifat yang luar biasa: kekuatan tarik setinggi 1400 MPa (200.000 psi), sifat listrik dan korosi yang sangat baik, dan ketahanan aus ketika dilumasi dengan benar; mereka dapat dicor, dikerjakan panas, atau dikerjakan dingin. Tinggi kekuatan dicapai dengan perlakuan panas pengerasan presipitasi. Aplikasi penggunaan paduan ini adalah bantalan roda pendaratan pesawat jet dan busing, pegas, dan instrumen bedah dan gigi.
Aluminium dan Paduannya
Aluminium dan paduannya dicirikan oleh massa jenis yang relatif rendah (2,7 g/cm3 dibandingkan dengan 7,9 g/cm3 untuk baja), konduktivitas listrik dan termal yang tinggi, dan ketahanan terhadap korosi di beberapa lingkungan umum, termasuk atmosfer sekitar. Banyak dari paduan ini mudah dibentuk berdasarkan keuletan yang tinggi; ini dibuktikan oleh lembaran aluminium foil tipis di mana bahan yang relatif murni dapat digulung. Karena aluminium memiliki struktur kristal FCC, keuletannya dipertahankan bahkan pada suhu yang sangat rendah. Keterbatasan utama aluminium adalah lelehnya yang rendah suhu [660 ° C (1220 ° F)], yang membatasi suhu maksimum di mana ia bisa digunakan.
Kekuatan mekanik aluminium dapat ditingkatkan dengan kerja dingin dan dengan paduan; namun, kedua proses tersebut cenderung menurunkan ketahanan terhadap korosi. Unsur paduan utama terdiri dari tembaga, magnesium, silikon, mangan, dan seng. Paduan tidak tahan panas terdiri dari fase tunggal, di mana peningkatan kekuatan tercapai oleh penguatan larutan padat. Lainnya diberikan perlakuan panas (mampu menjadi pengendapan mengeras) sebagai hasil dari paduan. Dalam beberapa paduan ini, presipitasi pengerasan dikarenakan pengendapan dua elemen selain aluminium untuk membentuk intermetalik senyawa seperti MgZn2.
Magnesium dan Paduannya
Karakteristik magnesium yang paling menonjol adalah massa jenisnya, 1,7 g/cm3 , terendah dari semua logam struktural; oleh karena itu, paduannya digunakan di tempat yang ringan (misalnya, dalam komponen pesawat). Magnesium memiliki struktur kristal HCP, relatif lunak, dan memiliki modulus elastisitas rendah: 45 GPa (6,5 × 106 psi). Pada suhu kamar, magnesium dan paduannya sulit berubah bentuk; sebenarnya, hanya derajat kecil pekerjaan dingin dapat dikenakan tanpa anil. Akibatnya, sebagian besar fabrikasi menggunakan pengecoran atau pengerjaan panas pada suhu antara 200 ° C dan 350 °C (400 °F dan 650 °F). Magnesium, seperti aluminium, memiliki suhu leleh yang cukup rendah [651°C (1204°F)]. Secara kimia, paduan magnesium relatif tidak stabil dan terutama rentan terhadap korosi di lingkungan laut. Namun, ketahanan korosi atau oksidasi cukup baik dalam suasana normal; diyakini bahwa perilaku ini dikarenakan pengotor dan menjadi karakteristik yang melekat pada paduan Mg. Magnesium bubuk halus mudah terbakar saat dipanaskan di udara; akibatnya, perawatan harus dilakukan dalam keadaan ini.
Paduan ini juga diklasifikasikan menjadi cor atau tempa, dan beberapa di antaranya dapat diolah dengan panas. Aluminium, seng, mangan, dan beberapa tanah langka adalah elemen paduan utama. Skema penunjukan komposisi-temper mirip dengan untuk aluminium paduan juga digunakan. Paduan ini digunakan dalam pesawat dan peluru kendali serta di bagasi. Selanjutnya, dalam beberapa tahun terakhir permintaan untuk magnesium paduan telah meningkat secara dramatis di sejumlah industri yang berbeda. Untuk banyak aplikasi, paduan magnesium telah menggantikan plastik rekayasa yang massa jenisnya sepadan karena bahan magnesium lebih kaku, lebih dapat didaur ulang, dan lebih murah. Misalnya, magnesium digunakan dalam berbagai perangkat genggam (misalnya, gergaji mesin, powertools, pemotong pagar), mobil (misalnya, roda kemudi dan kolom, kursi frame, kotak transmisi), dan audio, video, komputer, dan komunikasi peralatan (misalnya, komputer laptop, camcorder, perangkat TV, telepon seluler).
Titanium dan Paduannya
Titanium dan paduannya adalah bahan rekayasa yang relatif baru yang memiliki sifat kombinasi luar biasa. Logam murni memiliki kerapatan yang relatif rendah (4.5 g/cm 3 ), titik leleh yang tinggi [1668 ° C (3035 ° F)], dan modulus elastisitas 107 GPa (15,5 × 10 psi). Paduan titanium sangat kuat: Kekuatan tarik pada suhu kamar setinggi 1400 MPa (200.000 psi) dapat dicapai, menghasilkan spesifikasi kekuatan yang luar biasa. Selain itu, paduannya sangat ulet dan mudah ditempa dan dikerjakan.
Keterbatasan utama titanium adalah reaktivitas kimianya dengan bahan lain pada suhu yang meningkat. Sifat ini mengharuskan pengembangan nonkonvensional pengilangan, teknik peleburan, dan pengecoran; akibatnya, paduan titanium cukup mahal. Terlepas dari reaktivitas ini pada suhu tinggi, ketahanan korosi titanium paduan pada suhu normal sangat tinggi; mereka hampir kebal terhadap udara, laut, dan berbagai lingkungan industri. Ketika ditanamkan ke dalam tubuh manusia, titanium paduan sangat biokompatibel, mereka sangat tidak reaktif ketika terkena cairan tubuh dan jaringan dan tidak melepaskan zat beracun. Selain itu, bahan-bahan ini memiliki massa jenis rendah dan karakteristik mekanik yang diinginkan. Sehingga, mereka digunakan ekstensif untuk implan gigi dan ortopedi (pinggul dan lutut).
Logam Tahan Panas (Refractory)
Logam yang memiliki suhu leleh yang sangat tinggi diklasifikasikan sebagai logam tahan panas. Golongan ini terdiri dari niobium (Nb), molibdenum (Mo), tungsten (W), dan tantalum (Ta). Suhu leleh berkisar antara 2468 ° C (4474 ° F) untuk niobium dan 3410 ° C (6170 ° F), suhu leleh tertinggi dari logam apa pun, untuk tungsten.
Ikatan antar atom dalam logam-logam ini sangat kuat, yang menyebabkan pelelehan suhu, dan, di samping itu, modulus elastisitas yang besar dan kekuatan dan kekerasan yang tinggi, pada suhu lingkungan maupun suhu tinggi. Aplikasi dari logam ini bervariasi. Misalnya, tantalum dan molibdenum dicampur dengan stainless steel untuk meningkatkan ketahanan korosinya. Paduan molibdenum digunakan untuk cetakan ekstrusi dan struktur bagian dalam kendaraan luar angkasa; filamen lampu pijar, tabung sinar-x, dan elektroda las menggunakan paduan tungsten. Tantalum kebal terhadap serangan kimia oleh hampir semua lingkungan pada suhu di bawah 150 ° C dan sering digunakan dalam aplikasi yang membutuhkan ketahanan korosi.
Superalloys (Paduan Super)
Superalloy memiliki kombinasi sifat superlatif. Sebagian besar digunakan di komponen turbin pesawat terbang, yang harus tahan terhadap paparan lingkungan yang sangat teroksidasi dan suhu tinggi untuk jangka waktu yang lama. Massa jenis merupakan pertimbangan penting karena tegangan sentrifugal berkurang dalam part yang berputar ketika massa jenis berkurang. Bahan ini diklasifikasikan menurut logam dominan dalam paduan, dari: yang ada tiga kelompok: besi-nikel, nikel, dan kobalt. Elemen paduan lainnya: termasuk logam tahan api (Nb, Mo, W, Ta), kromium, dan titanium. Lebih-lebih lagi, ini paduan juga dikategorikan sebagai tempa atau cor.
Logam Mulia
Logam mulia adalah kelompok delapan elemen yang memiliki beberapa fisik karakteristik yang sama. Mereka mahal (berharga) dan lebih unggul atau terkenal (mulia) dalam sifat-karakteristik lembut, ulet, dan tahan oksidasi. Logam mulia adalah perak, emas, platina, paladium, rodium, rutenium, iridium, dan osmium; tiga yang pertama adalah yang paling umum dan digunakan secara luas dalam perhiasan. Perak dan emas dapat diperkuat dengan paduan larutan padat dengan tembaga; perak murni adalah perak– paduan tembaga yang mengandung sekitar 7,5% berat Cu. Paduan perak dan emas adalah digunakan sebagai bahan restorasi gigi. Beberapa sirkuit kontak listrik terpadu adalah dari emas. Platina digunakan untuk peralatan laboratorium kimia, sebagai katalis (terutama dalam pembuatan bensin), dan termokopel untuk mengukur suhu tinggi.
>> KLIK DI SINI UNTUK MEMBACA ARTIKEL SEPUTAR MATERIAL TEKNIK LAINNYA!
Kontributor: Daris Arsyada
Sumber:
Callister, William D. Jr, dan Rethwisch, David G. 2018. Materials Science and Engineering An Introduction (10th ed). Amerika Serikat: John Wiley & Sons, Inc.
