BAHAN KONSTRUKSI BESI DAN BAJA JENIS MATERIAL Logam

BAHAN KONSTRUKSI BESI DAN BAJA

JENIS MATERIAL • Logam Kuat, ulet, mudah dibentuk dan bersifat penghantar panas dan listrik yang baik • Keramik Keras, getas dan penghantar panas dan listrik yang buruk • Polimer kerapatan rendah, penghantar panas dan listrik buruk dan mudah dibentuk • Komposit merupakan ganbungan dari dua bahan atau lebih yang masing-masing sifat tetap

LOGAM

KERAMIK

POLIMER

KOMPOSIT

1. SIFAT DASAR MEKANIK • Material dalam penggunaannya dikenakan gaya atau beban. • Karena itu perlu diketahui sifat dan karakter material agar deformasi yg terjadi tidak berlebihan dan tidak terjadi kerusakan atau patah • Karakter material tergantung pada: – Komposisi kimia – Struktur mikro – Sifat material: sifat mekanik, sifat fisik dan sifat kimia Gaya/beban Material

SIFAT MEKANIK • Kekuatan (strength): ukuran besar gaya yang diperlukan utk mematahkan atau merusak suatu bahan • Kekuatan luluh (yield strength): kekuatan bahan terhadap deformasi awal • Kekuatan tarik (tensile strength): kekuatan maksimun yang dapat menerima beban. • Keuletan (ductility): berhubungan dengan besar regangan sebelum perpatahan

SIFAT MEKANIK • Kekerasan (hardness): ketahanan bahan terhadap penetrasi pada permukaannya • Ketangguhan (toughness): jumlah energi yang mampu diserap bahan sampai terjadi perpatahan • Mulur/rayapan (creep) • Kelelahan (fatique): ketahanan bahan terhadap pembebanan dinamik • Patahan (failure)

KONSEP TEGANGAN (STRESS) DAN REGANGAN (STRAIN) F F • Pembebanan statik: – Tarik – Kompressi – Geser F F Beban tarik F Beban kompressi F Beban geser

MESIN UJI TARIK (TENSILE TEST)

UJI TARIK – SAMPEL BESI/BAJA Standar sampel untuk uji tarik 2¼’ ¾’ 0, 505’ 2’ R 3/8’ • Tegangan teknik, = F/Ao (N/m 2=Pa) • Regangan teknik, = (li-lo)/lo • Tegangan geser, = F/Ao

DEFORMASI ELASTIS • Pada pembebanan rendah dalam uji tarik, hubungan antara tegangan dan regangan linier Beban dihilangkan Teg. Modulus elastis Pembebanan Reg.

DEFORMASI ELASTIS • Hubungan tersebut masih dalam daerah deformasi elastis dan dinyatakan dengan ? • Hubungan di atas dikenal sebagai Hukum Hooke • Deformasi yang mempunyai hubungan tegangan dan regangan linier (proporsional) disebut sebagai deformasi elastis

Paduan Modulus elastis Modulus geser Ratio logam (104 MPa) Poisson Al 6, 9 2, 6 0, 33 Cu-Zn 10, 1 3, 7 0, 35 Cu 11, 0 4, 6 0, 35 Mg 4, 5 1, 7 0, 29 Ni 20, 7 7, 6 0, 31 Baja 20, 7 8, 3 0, 27 Ti 10, 7 4, 5 0, 36 W 40, 7 16, 0 0, 28

HUBUNGAN TEGANGAN-REGANGAN • Hubungan tegangan geser dan regangan geser dinyatakan dengan = G • Dengan = teg. geser = reg. geser G = modulus geser

SIFAT ELASTIS MATERIAL • Ketika uji tarik dilakukan pada suatu logam, perpanjangan pada arah beban, yg dinyatakan dlm regangan z mengakibatkan terjadinya regangan kompressi pada x sb-x dan y pada sb-y • Bila beban pada arah sb-z uniaxial, maka x = y. • Ratio regangan lateral & axial dikenal sebagai ratio Poisson Z z y Z x

= x/ y • Harga selalu positip, karena tanda x dan y berlawanan. • Hubungan modulus Young dengan modulus geser dinyatalan dengan E = 2 G (1 + ) • Biasanya <0, 5 dan untuk logam umumnya G = 0, 4 E

DEFORMASI PLASTIS ys • Untuk material logam, umumnya deformasi elastis terjadi < 0, 005 regangan • Regangan > 0, 005 terjadi deformasi plastis (deformasi permanen) Teg. 0, 002 Reg. Titik luluh atas ys Teg. Titik Luluh bawah Reg.

DEFORMASI PLASTIS • Ikatan atom atau molekul putus: atom atau molekul berpindah tdk kembali pada posisinya bila tegangan dihilangkan.

PERILAKU UJI TARIK • Titik luluh: transisi elastis & plastis • Kekuatan: kekuatan tarik = kekuatan maksimum • Dari kekuatan maksimum hingga titik terjadinya patah, diameter sampel uji tarik mengecil (necking)

KEULETAN (DUCTILITY) • Keuletan: derajat deformasi plastis hingga terjadinya patah • Keuletan dinyatakan dengan – Presentasi elongasi, %El. = (lf-lo)/lo x 100% – Presentasi reduksi area, %AR = (Ao-Af)/Ao x 100%

KETANGGUHAN (TOUGHNESS) B B’ Teg. A C Reg. C’ • Perbedaan antara kurva tegangan dan regangan hasil uji tarik utk material yang getas dan ulet • ABC : ketangguhan material getas • AB’C’ : ketangguhan material ulet

Au Kekuatan Keuletan luluh (MPa) tarik (MPa) %El. 130 45 Al 28 69 45 Cu 69 200 45 Fe 130 262 45 Ni 138 480 40 Ti 240 330 30 Mo 565 655 35 Logam

TEGANGAN DAN REGANGAN SEBENARNYA • Pada daerah necking, luas tampang lintang sampel uji material Teg. • Tegangan sebenarnya T = F/Ai • Regangan sebenarnya T = ln li/lo sebenarnya teknik Reg.

BILA VOLUME SAMPEL UJI TIDAK BERUBAH, MAKA AILI = AOLO • Hubungan tegangan teknik dengan tegangan sebenarnya T = (1 + ) • Hubungan regangan teknik dengan regangan sebenarnya T = ln (1+ )

UJI KEKERASAN (HARDNESS TEST)

UJI MULUR (CREEP TEST)

UJI KELELAHAN (FATIQUE TEST)

PATAHAN (FAILURE)

2. LOGAM BESI • Logam besi paling banyak digunakan dalam pekerjaan teknik • Logam yang sebagian terdiri dari atom besi disebut logam besi (ferrous metal), logam yang tidak berisi besi disebut logam non besi (non-ferrous metal) • Logam besi dibagi 6 macam: baja karbon, baja paduan, baja perkakas, baja tahan karat dan besi tuang. • Besi diperoleh dari biji besi, besi yang terdapat dalam biji besi dalam bentuk oksida besi (Fe 2 O 3). Biji besi tercampur dengan bahan lain seperti silika, alumina, mangaan, belerang, fosfor. • Biji besi yang diperoleh dari alam disebut besi gubal (pig iron) yang terdiri dari 90%-95% besi, 3%-4% karbon, sisanya belerang, mangaan, fosfor. • Besi gubal merupakan bahan dasar pembuatan besi tuang, besi tempa, dan baja. • Besi gubal bersifat lunak dan getas sehingga tidak dapat digunakan untuk bahan struktur

LOGAM BESI • • • Baja karbon Baja paduan Baja pekakas & dies Baja tahan karat Besi tuang

BAJA KARBON • Menurut kandungan C – Baja karbon rendah: C<0, 3%, utk baut, mur, lembaran, pelat, tabung, pipa, komponen mesin berkekuatan rendah – Baja karbon menengah: 0, 3%<C<0, 6%, utk roda gigi, axle, batang penghubung, crankshaft, rel, komponen utk mesin pengerjaan logam – Baja karbon tinggi: 0, 6%<C<1, 0%, utk mata pahat, kabel, kawat musik, pegas

KLASIFIKASI BAJA MENURUT AISI & SAE

BAJA SERI 1045 UTK YOKE BALL • 1045 termasuk seri 10 xx atau seri baja karbon • Angka 45 merupakan kandungan karbon = 45/100 % = 0, 45%

BAJA PADUAN (ALLOY STEEL) • Baja paduan rendah berkekuatan tinggi (high strength alloy steel) – C<0, 30% – Strukturmikro: butir besi- halus, fasa kedua martensit & besi- – Produknya: pelat, balok, profil • Baja fasa ganda (Dual- phase steel) – Strukturmikro: campuran besi- & martensit

BAJA TAHAN KARAT • Sifatnya tahan korosi, kekuatan & keuletan tinggi dan kandungan Cr tinggi • Kandungan lain : Ni, Mo, Cu, Ti, Si, Mg, Cb, Al, N dan S

JENIS BAJA TAHAN KARAT • Austenitik (seri 200 & 300) – Mengandung Cr, Ni dan Mg – Bersifat tidak magnit, tahan korosi – Utk peralatan dapur, fitting, konstruksi, peralatan transport, tungku, komponen penukar panas, linkungan kimia • Ferritik (seri 400) – Mengandung Cr tinggi, hingga 27% – Bersifat magnit, tahan korosi – Utk peralatan dapur.

JENIS BAJA TAHAN KARAT • Martemsitik (seri 400 & 500) – Mengandung 18%Cr, tdk ada Ni – Bersifat magnit, berkekuatan tinggi, keras, tahan patah dan ulet – Utk peralatan bedah, instrument katup dan pegas • Pengerasan presipitasi – Mengandung Cr, Ni, Cu, Al, Ti, & Mo – Bersifat tahan korosi, ulet & berkekuatan tinggi pada suhu tinggi – Utk komponen struktur pesawat & pesawat ruang angkasa

JENIS BAJA TAHAN KARAT • Struktur Duplek – Campuran austenit & ferrit – Utk komponen penukar panas & pembersih air

BESI COR (TUANG) • Dibuat dengan cara dituang/dicor dari bahan besi gubal • Besi gubal ini dilebur untuk memperoleh karbon yang diinginkan, kemudian dituang/dicor atau dicetak untuk mendapatkan bentuk yang diinginkan • Besi tuang berisi 2 -4% karbon dan mengandung a. b. e. d. Belerang (S), menyebabkan besi tuang keras dan getas, cepat mengeras dan menyebabkan cacat berupa pori-pori udara, kandungan belerang tdk boleh lebih dari 0, 1%. Fosfor (P), membuat besi mudah mencair dan bertambah getas, bila mengandung fosfor lebih dari 0, 3% besi tuang menjadi hilang kekerasannya dan tidak mudah dikerjakan, bila menginginkan besi yang halus dan tipis , kadar fosfornya 1 -1, 5%. Silikon (Si), bila kandungannya kurang dari 2, 5% menjadikan besi bersifat lebih mudah dituang. Silikon mengurangi besarnya susut pengerasan dan menjadikan besi bersifat lebih lunak, Mangaan (Mn), membuat besi tuang lebih keras dan getas. Kandungan mangaan tdk boleh lebih dari 0, 7 %.

BESI COR • Besi tuang disusun oleh besi, 2, 11 -4, 50% karbon dan 3, 5% silikon • Kandungan Si mendekomposisi Fe 3 C menjadi Fe dan C (garfit)

SIFAT BESI TUANG • • • Keras dan mudah melebur/mencair Getas, sehingga tidak dapat menahan benturan Temperatur leleh 1250 o Tidak berkarat Tidak dapat diberi muatan magnit Dapat dikeraskan dgn cara dipanasi kemudian didinginkan secara mendadak • Menyusut waktu pendinginan/waktu dituang • Kuat dalam menahan gaya tekan, lemah dalam menahan tarik kuat tekan sekitar 600 Mpa, kuat tarik 50 Mpa • Tidak dapat disambung dengan las dan paku keling, disambung dengan baut dan sekrup.

PEMAKAIAN BESI TUANG • • • Pipa yang menahan tekanan dari laur sangat tinggi Tutup lubang saluran drainasi dan alat saniter lain Bagian struk rangka yang menahan gaya tekan Bagian mesin, blok mesin Pintu gerbang, tiang lampu Sendi, rol jembatan

JENIS BESI COR • • Besi cor kelabu Besi cor nodular (ulet) Besi cor tuang putih Besi cor malleable

BESI COR KELABU • Disusun oleh serpihan C (grafit) yang tersebar pada besi- • Bersifat keras & getas

BESI COR NODULAR (ULET) • C (grafit)nya berbentuk bulat (nodular) tersebar pada besi-. • Nodular terbentuk karena besi cor kelabu ditambahkan sedikit unsur magnesium dan cesium • Keras & ulet

BESI COR PUTIH • Disusun oleh besi dan besi karbida (Fe 3 C) • Terbentuk melalui pendinginan cepat • Getas, tahan pakai & sangat keras

BESI COR MALLEABLE • Disusun oleh besi dan C (grafit) • Dibentuk dari besi cor putih yang dianil pada 800 -900 o. C dalam atmosphere CO & CO 2

3. BAJA UNTUK KONSTRUKSI • Terletak diantara sifat besi tuang dan besi tempa, besi tuang mengandung banyak karbon, besi tempa sedikit karbon, besi tuang kuat menahan tekan, besi tempa kuat menahan tarik, • Baja dapat dipakai untuk menahan tarik dan tekan • Baja merupakan paduan antara besi dan karbon, besi murni tanpa karbon tidak dapat kuat, akan tetapi bila dipadu karbon kekuatannya bertambah. • Bila besi dipadu karbon disebut BAJA, besi dipadu dengan logam lain disebut BAJA PADUAN (Steel alloy) • Baja dibagi 3 jenis sesuai kandungan karbonnya, • 1. Baja dengan sedikit karbon, baja lunak atau baja struktur, kandungan karbonsampai 0, 25% 2. Baja dengan karbon sedang , kadar karbon, 0, 25%-0, 7% • • 3. Baja dgn karbon banyak, kadar karbon 0, 7 -1, 5%

3. 1 FAKTOR YANG MEMPENGARUHI SIFAT BAJA 1. Kandungan Karbon Semakin banyak karbon baja semakin kuat dan keras, tetapi sifat daktalitasnya berkurang 2. Kandungan bahan lain a. Belerang (S) sampai 0, 1% kandungan belerang tidak mempengaruhi sifat baja, sifat dapat ditempa berkurang pada temperatur tinggi, kelebihan belerang meyebabkan baja kurang kuat dan daktalitasnya berkurang. b. Fosfor, menambah sifat cair baja saat leleh, kelebihan fosfor mengurangi kekuatan, daktalitas dan mengurangin ketahanan terhadap benturan b. Silikon, sampai 0, 2% silikon tidak berpengaruh thd sifat bajanya, jika berlebih kekuatan dan elastisitas naik, tanpa mengurangi sifat daktalitasnya. c. Mangaan , sampai 1% sedikit menaikan kekuatan baja, diatas 1, 5% baja menjadi sangat getas 3. Pemanasan Sifat baja dapat diubah sesuai dengan keinginan dengan cara pemanasan dan pendinginan yang terkontrol.

TABEL PEMAKAIAN BAJA Persen karbon Pemakaian 0, 05 -0, 10 -0, 20 Pipa-pipa, kawat, paku, badan mobil, plat tipis, tabung Paku keling, baut, pipa, tabung, kawat, bagian mesin yang hanya menahan gaya ringan Gir, plat ketel, bagian mesin, kawat pipa Gir, kunci, as Bagian mesin yang menahan beban berat, gir, as, kawat, per Rel, kunci mur, bagian lokomotif Per, palu Alat-alat (kunci), alat pembuat lubang, pisau untuk mesin potong dengan pemanasan Bor, gunting, as, per Per, bor, alat peruncing, as Alat-alat pertukangan kayu, gunting Bor, silet, pisau Silet, bagian pemecah batu, bor 0, 20 -0, 30 -0, 40 -0, 50 0, 60 -0, 70 -0, 80 -0, 90 -1, 00 -1, 10 -1, 20 -1, 30 -1, 40

3. 2 SIFAT MAGNIT BAJA Agar diperoleh sifat magnit yang baik, maka unsur dalam baja harus sbb; • Karbon, makin sedikit makin baik sifat magnitnya, sebaiknya maksimal 0, 1% • Silikon, memperburuk sifat magnitnya, sebaiknya seminimal mungkin • Belerang, makin banyak makin buruk sifat magnitnya • Fosfor, makin banyak makin buruk, kandungan belerang dan fosfor sebaiknya tidak lebih dari 0, 30% • Mangaan, kandungannya tdk boleh lebih dari 0, 3%

3. 3 PENGERJAAN BAJA • Pengerjaan mekanis pada baja diberikan untuk menaikan kualitasnya dengan cara memberikan gaya terhadap butir-butirnya sehingga jaraknya makin dekat. • Pengerjaan mekanis dapat berupa pengerjaan panas dan dingin – Pengerjaan panas, baja dipanaskan sampai di atas temperatur rekristalisasi kemudian dibentuk – Pengerjaan dingin, baja dibentuk pada temperatur kamar

• Drawing, dipakai pada pabrik kawat dan batang baja bulat. Baja dimasukan melalui lubang atau alat lain lalu ditarik sehingga berbentuk kawat, • Forging, Baja dipanasi sampai temperatur tertentu, diletakan diatas alas dan ditempa dengan palu berkali-kali. Hal ini memperbaiki ukuran butir baja dan memampatkan sehingga bj sedkit bertambah • Pressing, dikerjakan dengan alat pres. Baja yang akan dibentuk diletakan diatas cetakan, ditekan perlahan-lahan sampai baja mengisi penuh cetakan sehingga mencapai bentuk yang diinginkan, contoh plat baja tangki, silinder berlubang, body mobil, dsb • Rolling, dipakai alat rol khusus. Baja yang akan dibenruk dipijarkan lalu dipaksakan masuk melalui beberapa rol (roda gilas) yang mempunyai ukuran lubang berturut-turut dari besar ke kecil sampai mencapai ukuran baja yang diinginkan, pengerjaan dengan rol agar baja lebih mampat. Contoh baja tulangan beton, baja profil, rel, pelat, dsb • Extrusion, logam yang telah dipanaskan ditekan dengan tekanan besar agar melewati lubang. Contoh pipa, tabung, batang baja

SIFAT BAJA Baja Lunak Baja Keras • • • Berat jenis 7, 80 Temperatur leleh sekitar 1400 o. C Daktail (liat) Mudah dilas Dapat diberi muatan magnit Lebih keras dan kuat dari besi tempa Hampir dipakai pada semua struktur (kuda-kuda, kolom, balok, pelat buhul, baja tulangan) sehingga disebut baja struktur • • • Berat jenis 7, 9 Temperatur leleh 1300 o. C Dapat diberi muatan magnit permanen Dapat di las Lebih elastis dan kuat daripada baja lunak Mudah berkarat Kuat tarik dan geser hampir sama Dipakai pada bagian alat yang menerima beban kejut dan getaran seperti pangkal kunci/alat, baja prategang, baut mutu tinggi

4. PENCEGAHAN KOROSI • Tarring, permukaan baja dilapisi dengan gas batubara (coaltar) diproses dengan temperatur pnas dengan bantuan sikat, gas batu bara ini sedikit meresap dipermukaan baja • Electroplating, permukaan logam baja dilapisi dengan perak, copper, nikel dengan proses electrolysis • Galvanizing, baja yang telah dibersihkan permukaannya direndam dalam cairan seng sehingga permukaannya terlapisi seng • Metal spraying, Permukaan baja disemprot gas/cairan seng, alumunium atau timah • Dilapisi cat • Dimasukan dalam beton

5. KLASIFIKASI BAJA MENURUT STRUKTUR Baja dapat diklasifikasikan berdasarkan : • Baja pearlit • Baja martensit • Baja austensit • Baja ferrit • Baja karbit / ledeburit

• Baja pearlit (sorbit dan trostit), dihasilkan jika unsur-unsur paduan relatif kecil yaitu maximum 5 %, baja ini mampu digunakan di mesin, sifat mekaniknya meningkat oleh heat treatment (hardening & tempering) • Baja martensit, perpaduan dari unsur lebih dari 5% sangat keras dan sukar di mesin. Baja autensit, terdiri dari 10 – 30 % unsur paduan tertentu (Mi, Mn, atau Co) misalnya : baja tahan karat (stainless steel), non magnetic dan baja tahan panas (heat resistant steel).

• Baja ferrit, terdiri dari sejumlah besar unsur paduan (Cr, W atau Si) tetapi karbonnya rendah. Tidak dapat dikeraskan. • Baja karbit (ledeburit), terdiri sejumlah karbon dan unsur-unsur pembentuk karbit (Cr, W, Mn, Ti, Zr).