PENGETAHUAN BAHAN DAN KOROSI

PENGETAHUAN BAHAN DAN KOROSI Buku Ajar Tipe B Penulis: Dr. Arif Hidayat, S.T., M.T. Penerbit: 2017 KATALOG DALAM TERBITAN (KDT) PENGETAHUAN BAHAN DAN KOROSI Hidayat, Arif Pengetahuan Bahan dan Korosi / Arif Hidayat. --Yogyakarta: Universitas Islam Indonesia, 2017. x + 102 hlm. ; 16 x 23 cm ISBN 978-602-450-139-6 e-ISBN 978-602-450-140-2 Penulis: Dr. Arif Hidayat, S.T., M.T ©2017 Arif Hidayat Hak cipta dilindungi Undang-Undang. Dilarang memperbanyak atau memindahkan seluruh atau sebagian isi buku ini dalam bentuk apapun, baik secara elektronik ataupun mekanik termasuk memfotokopi, tanpa izin dari Penulis. Cetakan I Mei 2017 M / Sya’ban 1438 H Penerbit: Kampus Terpadu UII Jl. Kaliurang Km 14,5 Yogyakarta 55584 Tel. (0274) 898 444 Ext. 2301; Fax. (0274) 898 444 psw 2091 http://library.uii.ac.id; e-mail: [email protected] KATA PENGANTAR Puji syukur kami panjatkan ke hadirat Allah SWT karena atas rahmat dan karunia-Nya kami bisa menyelesaikan buku ajar untuk mata kuliah Pengetahuan Bahan dan Korosi yang merupakan mata kuliah wajib bagi mahasiswa Semester 3. Pada kesempatan ini penyusun menyampaikan terima kasih kepada; Rektor Universitas Islam Indonesia (UII); Kepala badan Perencana UII; Kepala Badan Pengembangan Akademik UII; Dekan FTI UII; Ketua Program Studi Teknik Kimia FTI UII; dan pihak-pihak lain yang membantu kelancaran penyusunan buku ajar ini. Mudah-mudahan bahan ajar ini dapat memberikan sedikit manfaat bagi para mahasiswa pada umumnya yang mengambil mata kuliah Pengetahuan Bahan dan Korosi. Akhir kata kami mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah membantu dalam menerbitan buku ini. Kritik dan saran sangat kami harapkanuntuk perbaikan buku ini di masa yang akan datang. Yogyakarta, 28 Mei 2017 Penulis iii iv Daftar Isi Kata Pengantar Daftar Isi Daftar Tabel Daftar Gambar BAB 1 Struktur dan Ikatan Atom 1.1 Atom 1.1.1 Teori Atom Dalton 1.1.2 Model Atom J.J. Thompson 1.1.3 Teori Atom Rutherford 1.1.4 Teori Atom Bohr 1.1.5 Teori Atom Mekanika Kuantum 1.2 Nomor Atom dan Nomor Massa 1.3 Ikatan Atom dalam Bahan Padatan 1.4 Ikatan Primer 1.4.1 Ikatan Ion 1.4.2 Ikatan Kovalen 1.4.3 Ikatan Logam 1.4.4 Ikatan Sekunder BAB 2 Sifat Bahan Padat 2.1 Sifat Mekanis Bahan 2.1.1 Kekuatan Bahan (strenght of materials) 2.1.2 Elastisitas Bahan (elasticity) 2.1.3 Kekerasan (hardness) 2.1.4 Keuletan Bahan (ductility) 2.1.5 Ketangguhan (toughness) 2.2 Sifat Fisik Bahan 2.2.1 Titik cair 2.2.2 Konduktivitas Termal / Panas 2.2.3 Panas / Kalor Jenis 2.2.4 Berat Jenis dan Massa Jenis BAB 3 Struktur Kristal 3.1 Kristal 3.2 Sistem Kristal 3.2.1 Kubik Sederhana (Simpel Cubic) 3.2.2 Kubik Pemusatan Sisi iii v viii ix 1 1 2 2 4 5 6 8 9 13 13 14 16 18 21 21 22 22 23 23 24 24 24 24 25 25 27 27 29 31 31 v 3.2.3 Kubik Pemusatan Ruang 3.2.4 Tumpukan Padat Heksagonal, HCP 3.3 Cacat Kristal 3.3.1 Ketidakmurnian dalam Bahan Padat 3.3.2 Larutan Padat dalam Logam 3.3.3 Larutan padat substitusi 3.3.4 Larutan padat interstisi 3.3.5 Larutan padat dalam senyawa 3.3.6 Ketidaksempurnaan dalam Kristal 3.3.7 Daerah batas butir dan besar butir. BAB 4 Deformasi dan Rekristalisasi 4.1 Deformasi 4.1.1 Deformasi Elastik 4.1.2 Deformasi Plastik 4.2 Rekristalisasi 4.3 Diagram Fase Fe-C BAB 5 Pengerjaan pada Logam 5.1 Quenching 5.2 Age Hardening 5.3 Stress Relieving 5.4 Normalizing 5.5 Soft Anneling 5.6 Full Hardening 5.7 Tempering 5.8 Spheroidizing 5.9 Martempering BAB 6 Jenis-jenis Bahan 6.1 Bahan Logam 6.1.1 Baja 6.1.2 Baja Ringan (Galvanum) 6.1.3 Perunggu 6.1.4 Kuningan 6.2 Bahan Serat 6.3 Bahan Karet 6.4 Bahan Tanah Liat dan Keramik 6.5 Bahan Gelas vi 32 32 33 33 34 34 36 37 38 42 45 45 46 46 46 49 55 55 56 57 58 59 60 60 61 62 83 65 65 66 67 67 67 69 71 72 6.6 Bahan Kayu 6.7 Plastik 6.7.1 Polyethylene Terephthalate 6.7.2 HDPE (High-Density Polyethylene) 6.7.3 PVC (Polyvinyl Chloride) 6.7.4 LDPE (Low-Density Polyethylene) 6.7.5 PP (Polypropylene) 6.7.6 Polystyrene 6.7.7 Bahan Plastik Lain (BPA, Polycarbonate, dan LEXAN) atau Kode 7 6.8 Biokomposit BAB 7 Korosi Referensi Glosari Indeks 74 75 75 75 75 76 76 76 77 77 83 91 93 97 vii Daftar Tabel Tabel 1.1 Tabel 2.1 viii Perbedaan ikatan ionik, kovalen, dan kovalen koordinasi 17 Perbedaan ikatanionik, kovalen, dan kovalen koordinasi 26 Daftar Gambar Gambar 1.1. Gambar 1.2. Gambar 1.3. Gambar 1.4. Gambar 1.5. Gambar 1.6. Gambar 1.7. Gambar 1.8. Gambar 1.9. Gambar 1.10. Gambar 1.11. Gambar 1.12. Gambar 1.13. Gambar 1.14. Gambar 3.1. Gambar 3.2. Gambar 3.3. Gambar 3.4. Gambar 3.5. Gambar 3.6. Gambar 3.7. Gambar 3.8. Gambar 3.9. Gambar 3.10. Gambar 3.11. Gambar 3.12. Gambar 3.13. Gambar 3.14. Gambar 3.15. Gambar 3.16. Gambar 4.1. Gambar 4.2. Gambar 4.3. Struktur Atom. 1 Model Atom Dalton 2 Model Atom J.J Thompson. 3 Model Atom Rutherford. 5 Model Atom Bohr. 6 Model Atom Mekanika Kuantum. 7 Penulisan Lambang Unsur. 8 Penulisan Lambang Unsur Kalsium (Ca). 9 a) Gaya repulsive, attractive dan Net sebagai fungsi dari jarak atom., b) Energi repulsive, attractive dan net sebagai fungsi jarak atom. 11 Skema Ikatan Atom Sodium Chloride (NaCl) 13 Skema Ikatan Kovalen pada Molekul Metana (CH4) 15 Skema Ikatan Logam. 17 Ikatan Hidrogen 19 Skema Ikatan Van der Waals. 20 Bentuk Kristal dan Amorf 28 Sel Satuan. 29 Sistem Kristal Dasar. 30 Kristal Kubik Sederhana. 31 Kristal Kubik Sederhana. 32 Kristal Kubik Kristal Body Centere Cubic (BCC). 32 Struktur Kristal Hexagonal Close Paced (HCP) 33 Larutan padat subsitusi acak 35 Larutan padat subsitusi tertata 36 Larutan padat interstisi 37 Larutan padat subsitusi dalam senyawa 38 Struktur Cacat 38 Cacat titik 39 Dislokasi 41 Pembentukan Dislokasi akibat geseran 41 Menghitung daerah batas butir 43 Kurva tegangan regangan suatu material 45 Perubahan butir setelah dianil 47 Perubahan struktur mikro dan sifat mekanik logam 48 ix Gambar 4.4. Gambar 4.5. Gambar 4.6. Gambar 5.1. Gambar 5.2. Gambar 5.3. Gambar 6.1. Gambar 6.2. Gambar 7.1. x Diagram fasa Fe-C Pengaruh Suhu Terhadap Perubahan Struktur Sel Satuan Aturan Kaidah Lengan Diagram Fase Magnesium-Aluminium Hubungan Suhu dan Waktu pada Proses Pengerjaan Logam Hubungan suhu dengan Fase Karbon pada Pengerjaan Logam Komposit yang bisa terurai secara biologis Penggunaan komposit serat alam untuk kendaraan Mercedes Proses Korosi 51 54 54 57 58 63 80 81 84 BAB 1 Struktur dan Ikatan Atom Capaian Pembelajaran Mahasiswa mengetahui tentang konsep tentang atom, teori atom dan jenis-jenis ikatan kimia 1.1 Atom Atom adalah satuan unit terkecil dari sebuah unsur yang memiliki sifatsifat dasar tertentu. Atom tersusun atas partikel-partikel penyusun atom atau partikel subatom yaitu neutron (n), proton (p), dan elektron (e). Neutron dan proton membentuk inti atom. Elektron menempati kulit-kulit atom yang ada di sekitar inti. Elektron-elektron tersebut mengelilingi inti dengan kecepatan tinggi membentuk awan elektron. Elektron dan proton merupakan partikel subatom yang mempunyai muatan berlawanan, sedangkan neutron tidak bermuatan. Elektron memiliki muatan negatif sedangkan proton memiliki muatan positif. Gambar 1.1. Struktur Atom. Pada atom netral, jumlah proton dan jumlah elektron sama banyaknya. Masing-masing partikel penyusun subatom tersebut mempunyai massa. Elektron mempunyai massa sangat kecil dibandingkan dengan massa Struktur dan Ikatan Atom 1 proton dan neutron. Oleh sebab itu massa atom akan terpusat pada inti atom saja. Para ilmuwan telah mempelajari atom sejak ratusan tahun lalu. Para ilmuwan tersebut mengemukakan teori-teori tentang atom. Berikut ini merupakan perkembangan teori atom. 1.1.1 Teori Atom Dalton Pada tahun 1808, John Dalton mengungkapkan tentang teori. Menurut Dalton atom berbentuk pejal dan merupakan bagian terkecil dari suatu zat. Atom berbentuk bola sederhana yang sangat kecil, tidak dapat dibelah, diciptakan ataupun dimusnahkan. Dalton juga menjelaskan bahwa unsur yang sama mengandung atom-atom yang sama. Atom sejenis memiliki sifat yang sama dalam segala hal, sedangkan atom yang berbeda memiliki sifat yang berbeda. Reaksi kimia terjadi karena adanya penggabungan dan pemisahan atom-atom. Bila atom-atom bergabung akan membentuk molekul. Bila atom-atom yang bergabung sama akan terbentuk molekul unsur, sedangkan bila atom-atom yang bergabung berbeda akan terbentuk molekul senyawa. Teori atom Dalton mampu menerangkan mengenai Hukum Kekekalan Massa (Hukum Lavoisier) dan Perbandingan Tetap (Hukum Proust). Gambar 1.2. Model Atom Dalton 1.1.2 Model Atom J.J. Thompson Untuk menjelaskan model atom, J.J Thompson melakukan percobaan dengan menggunakan tabung katoda. Dalam percobaannya Thompson 2 Pengetahuan Bahan dan Korosi menggunakan tabung katoda, apabila tabung katoda di beri tegangan tinggi maka akan terbentuk aliran yang berkilauan. Thompson menemukan bahwa aliran berkilauan tersebut dibelokkan ke arah plat kutub positif. Thompson menyatakan bahwa sinar katoda tersebut tak lain adalah aliran partikel bermuatan negatif yang disebut sebagai elektron. Apabila dilakukan penggantian katoda dengan menggunakan berbagai macam logam maka tetap menghasilkan jenis sinar yang sama. Berdasarkan hal ini maka Thompson menyatakan bahwa setiap atom pasti memiliki elektron, disebabkan atom bersifat netral maka dalam atom juga harus mengandung sejumlah muatan positif. Thompson juga mengukur massa partikel yang telah diidentifikasi dengan cara menentukan berapa banyak sinar katoda yang membelok ketika ia memberi variasi tegangan. Thompson menemukan bahwa massa partikel adalah 2000 kali lebih kecil dari massa atom terkecil, yakni atom hidrogen. Berdasarkan hal tersebut Thompson telah menemukan keberadaan partikel yang lebih kecil dari atom. Hal ini membantah klaim Dalton bahwa atom adalah partikel terkecil dari materi. Dari penemuan tersebut, Thompson juga menyimpulkan bahwa elektron adalah partikel dasar dalam atom. Thompson menyatakan bahwa atom terdiri dari awan bermuatan positif yang terdistribusi sedemikian rupa dengan muatan negatif tersebar secara random di dalamnya. Model atom ini kemudian disebut sebagai “plum pudding model” atau lebih dikenal sebagai model roti kismis. Gambar 1.3. Model Atom J.J Thompson. Struktur dan Ikatan Atom 3 Model atom Thompson dapat membuktikan adanya partikel lain yang bermuatan negatif dalam atom. Hal ini membuktikan bahwa atom bukan merupakan bagian terkecil dari suatu unsur. Namun atom ini ini tidak dapat menjelaskan susunan muatan positif dan negatif dalam bola atom tersebut. 1.1.3 Teori Atom Rutherford Rutherford bersama Hans Geiger dan Erners Masreden melakukan percobaan yang dikenal dengan hamburan sinar alfa (λ) terhadap lempeng tipis emas. Partikel alfa adalah partikel yang bermuatan positif dan bergerak lurus, berdaya tembus besar sehingga dapat menembus lembaran tipis kertas. Pada awalnya percobaan tersebut sebenarnya bertujuan untuk menguji pendapat Thompson, yakni apakah atom itu betul-betul merupakan bola pejal yang positif yang bila dikenai partikel alfa akan dipantulkan atau dibelokkan. Dari hasil percobaan didapatkan fakta bahwa apabila partikel alfa ditembakkan pada lempeng emas yang sangat tipis, maka sebagian besar partikel alfa diteruskan meskipun ada penyimpangan sudut kurang dari 1°. Namun percobaan juga diperoleh fakta bahwa satu diantara 20.000 partikel alfa akan membelok sudut 90° bahkan lebih. Berdasarkan gejala-gejala yang terjadi dapat disimpulkan bahwa atom bukan merupakan bola pejal, karena hampir semua partikel alfa diteruskan. Jika lempeng emas tersebut dianggap sebagai satu lapisan atom-atom emas, maka didalam atom emas terdapat partikel yang sangat kecil yang bermuatan positif. Partikel tersebut merupakan partikelyang menyusun suatu inti atom, berdasarkan fakta bahwa 1 dari 20.000 partikel alfa akan dibelokkan. Bila perbandingan 1:20.000 merupakan perbandingan diameter, maka didapatkan ukuran inti atom kira-kira 10.000 lebih kecil daripada ukuran atom keseluruhan. 4 Pengetahuan Bahan dan Korosi Glosari age hardening : teknik perlakuan panas yang digunakan untuk meningkatkan kekuatan luluh dari material yang lunak, diantaranya paduan dari aluminium, magnesium, nikel, titanium, baja dan baja tahan karat. alloy : merupakan campuran logam atau campuran logam dengan unsur lainnya yang terbentuk dari ikatan logam. Paduan dapat merupakan larutan padat unsur logam (fasa tunggal) atau campuran fase logam (dua atau lebih larutan). amorf : bentuk material padat atau kristal yang tidak beraturan annealing : perlakuan panas yang mengubah struktur mikro material yang menyebabkan perubahan sifat seperti kekuatan, kekerasan, dan keuletan anoda : elektroda, bisa berupa logam maupun penghantar listrik lain, pada sel elektrokimia yang terpolarisasi jika arus listrik mengalir ke dalamnya. austenite : larutan padat dari campuran karbon dan besi yang bersifat nonmagnetik dan stabil pada suhu tinggi biopolimer : bahan polimer yang berasal dari bahan alam body-centered cubic : sistem kristal dalam sebuah bentuk kubus di mana mempunyai 1 titik Glosari 93 lattice di pusat sel satuan ditambah 8 titik sudutnya cementite : larutan padat dari campuran karbon dan besi yang terbentuk pada temperatur di bawah 727 oC, mempunyai sifat kuat dan rapuh face-centered cubic : sistem kristal dalam sebuah bentuk kubus di mana terdapat sebuah atom di tiap-tiap pojok kubus dan satu ditengah di setiap sisi kubus. Disebut juga dengan kubus pemusatan sisi. faktor penumpukan atom : fraksi volum dari sel satuan yang ditempati oleh bola-bola padat dapat dihitung dari perbandingan volume atom dalam sel satuan dengan volume sel satuan. ferrite : besi murni dengan struktur kubus pemusatan ruang. hardening : perlakuan panas terhadap baja untuk meningkatkan kekerasan alami baja dengan cara pemanasan sampai suhu pengerasan dan kemudian didinginkan secara cepat dengan kecepatan pendinginan kritis. hardness : sifat mekanik suatu bahan yang berkaitan dengan kekerasan. ikatan kovalen : jenis ikatan kimia yang memiliki karakteristik berupa pasangan elektron yang saling terbagi (pemakaian bersama elektron) di antara atom-atom yang berikatan. 94 Pengetahuan Bahan dan Korosi ikatan logam : ikatan yang terjadi antara atomatom logam, baik atom-atom logam sejenis maupun yang berlainan. ion : atom atau sekumpulan atom yang bermuatan listrik. isolator : bahan yang tidak bisa atau sulit melakukan perpindahan muatan listrik. katoda : kutub elektroda dalam sel elektrokimia yang terpolarisasi jika kutub ini bermuatan positif (sehingga arus listrik akan mengalir keluar darinya, atau gerakan elektron akan masuk ke kutub ini). kisi : sebuah susunan atom yang teratur dan periodik di dalam ruang dikenal juga dengan lattice komposit : material yang tersusun atas campuran dua atau lebih material dengan sifat kimia dan fisika berbeda, dan menghasilkan sebuah material baru yang memiliki sifatsifat berbeda dengan materialmaterial pengusunnya. korosi : kerusakan atau degradasi logam akibat reaksi redoks antara suatu logam dengan berbagai zat di lingkungannya yang menghasilkan senyawa-senyawa yang tidak dikehendaki. Dalam bahasa seharihari, korosi disebut perkaratan. kristal : suatu padatan yang atom, molekul, atau ion penyusunnya terkemas secara teratur dan polanya berulang melebar secara tiga dimensi. Glosari 95 kuningan : paduan logam tembaga dan logam seng dengan kadar tembaga. matriks : bahan dasar pembentuk komposit yang mengikat bahan pengisi dengan tidak terjadi ikatan secara kimia. neutron : partikel yang menyusun atom dan tidak bermuatan (netral) dan memiliki massa 1.6749 × 10−27 kg. normalizing : proses perlakuan panas terhadap baja dengan tujuan mendapatkan struktur, butiran yang halus dan seragam untuk menghilangkan tegangan dalam akibat pengerjaan dengan mesin. Pasangan Elektron Bebas : pasangan elektron yang berikatan satu dengan yang lain dengan unsur pengikatnya. Pasangan Elektron Ikatan : pasangan elektron yang tidak saling mengikat, tidak memiliki teman, berdiri sendiri, dan belum stabil. perunggu : campuran tembaga dengan unsur kimia lain, biasanya dengan timah, walaupun bisa juga dengan unsurunsur lain seperti fosfor, mangan, alumunium, atau silikon. Perunggu bersifat keras dan digunakan secara luas dalam industri. polimer : molekul raksasa (makromolekul) yang merupakan gabungan dari molekul-molekul identik (monomer). proton : bagian dari inti suatu atom yang 96 Pengetahuan Bahan dan Korosi bermuatan positif. quenching : proses pendinginan cepat yang dilakukan pada logam yang telah dipanaskan diatas temperatur kritisnya. reinforcement : bahan penguat yang ada pada komposit yang bersifat nin elastis. sel satuan : susunan dari beberapa atom yang teratur dan mempunyai pola yang berulang. strain : perbandingan antara pertambahan panjang terhadap panjang mulamula. Disebut juga dengan regangan stress : perbandingan antara gaya yang bekerja pada benda dengan luas penampang benda. tempering : suatu teknik perlakuan panas untuk logam dan alloy. Glosari 97 Index A aerasi 87 age hardening 56 alloy 65 amorf 27 anneling 59 Atom 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 13, 14, 16, 17, 27, 31, 32, 40, 41, 42 austenite 51, 52, 61 B Baja 61, 65, 66 batas butir 42, 43, 47, 49, 52 biopolimer 78 Body-centered cubic 32 Bohr 5, 6, 7, 8 C cementite 52 D Dalton 2, 3 deformasi 23, 39, 40, 45, 46, 48, 56, 62 desitas 25 difusi 39, 42, 46, 55, 56, 87 dipol 16, 19 E elastisitas 23, 46, 68, 69 elektrokimia 83, 86, 89 elektron 1, 3, 5, 6, 7, 8, 9, 11, 13, 14, 16, 17, 19, 31, 34, 85, 87 elektronegatif 18 eutektik 50 F Face-centered cubic 31, 32 Indeks 99 faktor penumpukan atom 31 ferrite 51, 52, 61, 62 fiber 80 free energy 52 G galvanis 83 Galvanum 66 Gaya Coulomb 5 Gelas 72, 73 H hardening 56, 60, 61, 62 hardness 23 heksagonal 32 hidrogen 3, 9, 14, 18, 19, 20, 86, 87, 89 Hukum Ohm 86 I ikatan kovalen 14, 15, 16 Ikatan logam 16 ion 6, 13, 14, 15, 37, 39, 85, 86, 87, 89 isolator 14, 34, 72 K karet 23, 69, 70, 83 katoda 2, 3, 83, 86 kayu 66, 74, 78, 81 keramik 27, 34, 37, 71, 72, 73, 83 kisi 28, 29, 30, 34, 37, 40 komposit ix, 77, 78, 79, 80, 81 korosi 66, 67, 83, 85, 86, 88 Korosi 83, 84, 85, 86 korosif 88, 89 kovalen vii, 14, 15, 16, 17, 19, 20, 26 kristal Kristal 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 38, 39, 40, 41, 42, 46, 47, 55 100 Pengetahuan Bahan dan Korosi kubus pemusatan ruang 30 kubus pemusatan sisi 30 Kuningan 34, 49, 67 L lattice 29 Lattice parameter 29 logam 3, 13, 16, 17, 23, 24, 27, 30, 31, 34, 37, 39, 42, 46, 48, 49, 55, 56, 61, 65, 66, 67, 71, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90 M massa jenis 25 Matriks 77 mekanik 21, 22, 47, 48, 49, 56 mikroskop 42, 47 modulus Young 46 monotektik 50 N neutron 1, 2, 8, 9 normalizing 58, 59 nukleasi 42 O oksidasi 58, 84, 85, 88 oksidator 89 Orthorombic 52 P Pasangan Elektron Bebas 16 Pasangan Elektron Ikatannya 16 peritektik 50 Perunggu 67 plastik 39, 42, 46, 75, 76, 77, 78, 81, 83 Plastik 46, 75, 76, 77 plum pudding model 3 Polarisasi 86, 87 Indeks 101 poliester 79 polimer 15, 27, 68, 70, 74 polimorfisme 30 proton 1, 6, 8, 9 Q quenching 55, 57, 60, 61, 62 R reduksi 87 reinforcement 77 S sel satuan 28, 29, 30, 31, 32, 37, 40, 42, 46, 51, 52, 53 serat ix, 67, 68, 69, 77, 78, 79, 80, 81 strain 21, 22 stress 21, 22, 55 T tempering 56, 60, 61, 62 Thompson 2, 3, 4 U Unit sel 29 V Van Der Waals 19 102 Pengetahuan Bahan dan Korosi