Memahami jenis dan karaktristik logam dan non-logam ini dipelajari agar peserta didik dapat memahami proses pengolahan bahan, jenis, dan karakteristik logam dan nonlogam.
PENDAHULUAN
Disekitar kita banyak sekali bahan yang sering kita jumpai, baik di dalam maupun di luar ruangan. Akan tetapi, tidak semua bahan dinamakan bahan teknik, artinya bahan yang sering digunakan pada bidang keteknikan.
Pada bagian buku ini mencoba menjelaskan dari proses bahan dasar sampai bahan jadi dan sifat karakteristik bahan itu sendiri lalu bagaimana perlakuanya terhadap bahan tersebut. Untuk itu marilah kita bahas tentang proses pengolahan bahan dan karakteristik bahan itu sendiri.
Gambar 1.1 Proses Pembuatan Besi
Sumber: https://blog.smsperkasa.com/2019/02/08/proses-pembuatan-besi-beton
A. Proses Pengolahan Bahan
Dalam proses pengolahan logam (ferro) di industri, biasanya dipilihlah bijihbijih besi yang masih berupa gumpalan tanah yang mengandung pasir besi dalam pertambangan. Lalu bijih-bijih besi tersebut diangkut ke industi untuk dilakukan pengolahan dan proses lebih lanjut.
Tahapan sebelum diproses kedalam dapur tinggi, bijih besi melalui proses pendahuluan, yaitu:
1. Mencuci (leaching).
2. Memecah (crushing).
3. Memisah (classification).
4. Memanggang (roasting)
Maksud perlakuan pendahuluan ini adalah setelah dicuci bersih dari kotoran yang melekat lalu dipecah-pecah menjadi bagian kecil yang sama besarnya dan mudah diangkut serta mudah pengerjaannya. Kemudian, dimasukkan ke dalam alat pemisah untuk memilah bijih besi yang banyak kandungan besinya. Proses selanjutnya dilakukan pemanggangan di dalam oven pemanas untuk mengurangi berat kadar belerang dalam bijih besi dan mengeluarkan kandungan zat asam arangnya.
Macam–macam jenis bijih besi dan yang terpenting adalah:
1. Jenis bijih besi coklat (2Fe2O3 + 3H2O), dengan kandungan berkisar 40%.
2. Jenis bijih merah yang juga disebut hematit (Fe2O3) dengan kandungan berkisar 50%.
3. Jenis bijih besi magnet berwarna hijau tua kehitaman, bersifat magnetis (Fe3O4) dengan kandungan berkisar 60%.
4. Jenis bijih besi kalsit atau spat yang juga disebut sferosiderit (FeCO3) dengan kandungan berkisar 40%
1. Proses Pengolahan Besi
Proses awal adalah mereduksi bijih besi menjadi logam besi. Sifat oksida besi sangat berbeda dengan sifat unsur besi. Untuk itu, zat asam yang ada di dalamnya perlu dikeluarkan. Proses pemisahan zat asam dari bijih besi dilakukan pada peleburan di dapur tinggi. Dapur tinggi dari puncaknya diberi muatan bijih besi, kokas, dan batu kapur. Kokas memberikan panas dan membantu pembakaran, dari bawah ditiupkan udara panas melalui pipa-pipa yang disebut dengan pipa tiup ke dalam dapur tinggi. Bagian-bagian bijih besi yang bukan logam bersenyawa dengan batu kapur kemudian menjadi buih logam atau terak.
Gambar 1.2 Proses Pengolahan Bijih Besi
Sumber: http://ariipka.blogspot.com/2016/04/pengolahan-besi.html
Selama pemberian panas yang merupakan proses terus menerus, besi yang mencair turun ke dasar dapur tinggi dengan membiarkan terak terapung di atasnya. Terdapat dua buah saluran dan berselang-selang, terak dialirkan melalui saluran atas dan besi cair melalui saluran bawah yang kemudian dialirkan kedalam cetakan-cetakan. Balok-balok besi yang diperoleh secara demikian disebut besi kasar. Besi kasar yang dihasilkan dapur tinggi dibagi menjadi 2 golongan, yaitu besi kasar kelabu dan besi kasar putih. Suhu kerja pada proses pengolahan besi ini 1320ºC – 1800ºC.
2. Proses Pengolahan Besi Tuang
Proses besi tuang dilakukan dengan melebur kembali besi kasar kelabu dengan besi tua dan baja, lalu membakarnya dengan kokas dan batu kapur dalam dapur tinggi yang lebih kecil sama seperti pada dapur tinggi, dapur ini juga diisi bahan bakar dan bahan tambahan. Proses pencairan dalam dapur dilakukan beberapa kali untuk memperbaiki mutu. Bahan tambahan yang dipakai biasanya kapur, kadang-kadang bahan tambahan lain. Hal ini dilakukan untuk memberikan sifat-sifat yang lebih baik kepada besi. Kalau menghendaki suhu cair rendah 1100ºC – 1200ºC, tetapi keras dan rapuh, cukup diambilkan besi kasar yang berasal dari bijih besi dengan kadar zat arang yang tinggi.
Bahan tambahan silisium dipergunakan untuk menambah kekuatan benda dan mempertinggi titik cair. Fosfor dapat memudahkan penuangan, tetapi membuat besi tuang menjadi rapuh. Bila besi tuang dipakai untuk mutu yang tinggi, maka harus ditambahkan nikel atau krom waktu terjadi proses peleburan. Besi tuang yang diberi bahan tambahan mangaan, warnanya menjadi kehitam-hitaman. Dapur besi tuang yang dikenal dengan nama dapur kubah tingginya bervariasi antara 3 – 10 m dengan suhu kerja 1320ºC – 1500ºC. Panas diperoleh dari kokas dan udara panas yang ditiupkan melalui pipa tiup untuk membantu pembakaran. Besi cair turun ked asar dapur kubah, disalurkan dan dialirkan kecetakan-cetakan. Cetakan-cetakan ini dibuat dari pasir khusus menurut bentuk model kayu yang diinginkan.
Gambar 1.3 Dapur Kubah Hasil Proses ini Dikenal Sebagai Tuangan
Sumber: https://gurupujaz.wordpress.com/2018/03/09/ilmu-pengetahuan-bahan/
3. Proses Pengolahan Baja
Pengerjaan dasar dalam pengolahan baja ialah peleburan bahan-bahan logam dan kemudian mengolahnya. Bahan bakunya untuk pengolahan baja terdiri atas:
a. Besi dapur tinggi (besi kasar).
b. Baja tua.
c. Bahan tambahan (batu kapur, silika, dan antrasit).
Pengolahan baja modern dialihkan ke metode busur nyala api atau metode oksigen basah (metode LD dan LDAC). Selama beberapa waktu, dapur tungku terbuka diterapkan secara luas dalam pengolahan baja di Inggris.
Proses Bessemer juga diterapkan di Inggris, tetapi lebih popular di Eropa. Walaupun masih dipergunakan, metode dapur tungku terbuka dan proses Bessemer makin lama makin menjadi kuno dengan diperkenalkannya dapur busur nyala api dan metode oksigen basah. Dapur busur nyala api mampu mengolah baja berkualitas tinggi dan baja campuran dari baja tua. Metode oksigen basah yang mula-mula dikembangkan di Linz dan Donawitz di Austria merupakan metode yang sederhana dan ekonomis untuk mengolah bermacam-macam besi kasar. Proses Kaldo yang diterapkan di Swedia merupakan metode dapur tungku terbuka, di mana oksigen ditiupkan pada terak daripada menambahkan oksida besi. Bejana diputar untuk membantu pemindahan panas.
Metode lain yang dikembangkan di Jerman ialah proses Rotor. Metode ini sama dengan proses Kaldo, tetapi sejumlah oksigen juga ditiupkan ke dalam cairan untuk membantu pengoksidasian yang cepat. Bejana dalam proses ini juga diputar untuk membantu pemindahan panas. Bila lapisan dapur rusak karena panas yang berlebihan, lapisan diperbaiki antara proses pembakaran dengan cara mengkondisikannya (Fettling). Cara memuat dapur dan proses peleburan diatur untuk mengurangi kerusakan lapisan, tetapi tetap diperlukan perbaikan pada setiap kerusakan. Perbaikan itu dilakukan dengan melempar dolomite, maknesit, atau dalam hal-hal tertentu pasir silika kebagian yang rusak. Suhu kerja pengolahan baja ini 1320ºC – 1500ºC.
4. Dapur Tungku Terbuka Basa
Dapur tungku terbuka basa atau converter martin in berbentuk seperti cawan lonjong dangkal yang dilapis dengan magnesit atau dolomite. Mulamula batu kapur, bijih besi, dan baja tua yang diisikan, dipanaskan kemudian besi kasar cair dimuatkan. Sumber panasnya ialah gas yang dipanaskan sebelumnya dan udara atau minyak bahan bakar dan udara. Nyala api langsung menyentuh permukaan cairan. Maksudnya ialah untuk menghilangkan kotoran-kotoran dari cairan, terutama karbon, sulfur, dan fosfor. Sulfur dan fosfor dihilangkan oleh terak dan karbon terbakar sebagai gas. Contoh cairan logam berulang kali diambil dari dapur dan diuji untuk menetapkan kadar karbon dalam cairan.
Gambar 1.4 Dapur Tungku Terbuka Basa
Sumber: https://gurupujaz.wordpress.com/2018/03/09/ilmu-pengetahuan-bahan/
Bila kadar karbon yang diperlukan tercapai, terak terbentuk dengan menambahkan oksida besi dan kapur pada cairan. Karena kita dapat membentuk terak pada setiap saat yang diinginkan, maka baja dengan batas kadar karbon yang luas dapat diproses. Sekalipun konvertor martin dibangun untuk pembuatan baja dari baja tua, ternyata oven juga berguna untuk pabrikasi baja dari besi kasar dan besi tua atau bijih. Nyala api yang menyapu memanaskan isi oven dan mengoksidasikan campuran tambahan. Dengan bahan imbuh campuran tambahan yang diosidasikan membentuk terak. Terak ini akan menutup hubungan lanjut dari isi oven dengan nyala api jika dalam cairan tidak ditambahkan besi tua atau bijih.
Pada akhir proses pengolahan dapat diberikan bahan tambahan lain pada cairan, baik kedalam dapur maupun pada waktu cairan disalurkan kedalam sendok penyerok. Hasil akhir konvertor martin disebut baja martin. Baja ini bermutu baik karena susunannya dapat ditentukan dengan teliti karena proses yang memakan waktu panjang. Oleh karena itu, baja ini berguna untuk pembuatan konstruksi dan bagian-bagian mesin (seperti baut, poros, poros engkol, batang penggerak, dan pasak).
5. Proses Bessemer
Konvertor Bessemer ialah bejana baja berbentuk buah labu yang dilapis dengan bahan tahan api. Konvertor ini dapat dimiringkan untuk memuat dan membongkar isinya. Pada proses konvertor bessemer ini tidak diterapkan pemanasan karena konvertor diisi dengan besi kasar yang sudah dalam keadaan cair. Setelah diisi, konvertor ditegakkan kembali dan hembusan udara dari alas dipaksakan menembus muatan cair itu. Hal ini dikenal sebagai tiupan.
Gambar 1.5 Konvertor Bessemer
Sumber: https://gurupujaz.wordpress.com/2018/03/09/ilmu-pengetahuan-bahan/
Setelah beberapa waktu lamanya, nyala api kelihatan pada mulut konvertor kemudian nyala api meningkat dengan cepat dan akhirnya padam. Hal ini menunjukkan bahwa semua karbon, mangan, dan silisium telah terbakar dari logam. Pada tingkatan ini cairan membutuhkan campuran bahan-bahan lainnya untuk memberikan sifat-sifat baja yang diinginkan. Oleh sebab itu, sejumlah karbon, mangan, dan silisium yang sesuai harus ditambahkan pada cairan. Ini dilakukan dengan menambah unsur-unsur di atas dalam jumlah yang diketahui. Biasanya dalam bentuk batu bara, ferro mangan, dan ferro silisium ke dalam sendok penyerok tempat baja dialirkan. Dengan cara pemanasan terlebih dahulu ini kita meningkatkan suhu oven.
6. Dapur Listrik Busur Cahaya
Dapur ini terdiri atas tungku baja berbentuk bulat yang dangkal dilapis dengan bahan tahan api. Tiga batang elektroda karbon yang dapat dinaikkan dan dan diturunkan, masuk ke dalam dapur melewati tutup dapur dan menyentuh logam yang akan dilebur.
Arus listrik dialirkan melalui elektrodaelektroda itu dan membentuk sirkuit dengan logam. Bila sirkuit tercapai, elektroda-elektroda dinaikkan, maka arus meloncati celah antara ujung-ujung elektroda dan logam. Bunga api yang menjembatani celah itu disebut busur cahaya. Panas yang dibangkitkan oleh busur cahaya menyebabkan logam menjadi cair. Proses ini dapat memproduksi sampai 20ton baja berkualitas tinggi.
Gambar 1.6 Dapur Listrik Busur Cahaya
Sumber: https://gurupujaz.wordpress.com/2018/03/09/ilmu-pengetahuan-bahan/
B. Jenis-Jenis Logam
Pada garis besarnya logam digolongkan menjadi dua, yaitu logam besi (ferro) dan logam nonferro. Logam besi terdiri dari baja, baja tuang, dan paduan besi. Untuk logam nonferro dikelompokkan menjadi dua, yaitu logam berat dan logam ringan. Logam berat murni terdiri dari tembaga, timah putih, seng, timah hitam, nikel, wolfram, dan lain-lain, sedangkan contoh logam berat paduan adalah kuningan,perunggu, dan patri. Logam ringan murni terdiri dari aluminium, perunggu, dan berylium. Contoh logam ringan paduan adalah anti corodal, alumna, dan avional.
1. Logam Ferro
Logam ferro yang dimaksud disini adalah logam besi. Logam besi dalam pemakaiannya terlampau lunak sehingga dipadukan dengan zat arang untuk mendapatkan sifat kekerasan. Adapun menurut pembagiannya logam ferro dibagi menjadi:
a. Besi Tuang
Komposisi: Campuran besi dan karbon, kadar karbon sekitar 4%.
Sifat: Rapuh, tidak dapat ditempa, baik untuk dituang, kuat dalam pemadatan, dan lemah dalam tegangan
Penggunaan: Alas mesin, meja datar, badan ragum, bagian-bagian mesin bubut, blok silinder, dan cincin torak.
b. Besi Tempa
Komposisi: 99% besi murni dengan sedikit kotoran.
Sifat: Dapat ditempa, liat, tidak dapat dituang, dan tetap seperti adonan bila dipanasi.
Penggunaan: Rantai jangkar, kait keran, dan landasan kerja plat.
c. Baja Lunak
Komposisi: Campuran besi dan karbon. Kadar karbon 0,1% - 0,3%.
Sifat: Dapat ditempa dan liat.
Penggunaan: Mur, baut, sekrup, pipa, dan keperluan umum dalam pembangunan.
d. Baja Karbon Sedang
Komposisi: Campuran besi dan karbon. Kadar karbon 0,4% - 0,6%.
Sifat: Lebih kenyal daripada keras.
Penggunaan: Benda kerja tempa berat, poros, dan rel baja.
e. Baja Karbon Tinggi
Komposisi: Campuran besi dan karbon. Kadar karbon 0,7% - 1,5%.
Sifat: Dapat ditempa, dapat disepuh keras dan dimudakan, danmudah ditempa.
Penggunaan: Kikir, pahat, gergaji, tap, stempel, alat-alat mesin bubut, dan sebagainya.
f. Baja Cepat Tinggi
Komposisi: Baja karbon tinggi ditambah nikel atau kobal, chrom atau
tungsten.
Sifat: Rapuh, tahan suhu tinggi tanpa kehilangan kerasnya, dapat disepuh keras dan dimudakan.
Penggunaan: Mesin bubut, alat-alat mesin, mesin bor dan sebagainya.
2. Logam Nonferro
Logam nonferro disebut juga dengan logam bukan besi karena tidak mempunyai kandungan besi (Fe). Menurut massa jenisnya logam nonferro dibedakan 3 macam, yaitu:
a. Logam Berat
Semua logam bukan besi yang mempunyai massa – jenis > 5 kg/dm3.
Contoh: Tembaga (Cu), Seng (Zn), Crom (Cr), Nikel (Ni), dll.
b. Logam Ringan
Semua logam bukan besi yang mempunyai massa – jenis < 5 kg/dm3.
Contoh: Aluminium (AI), Titanium (Ti), Magnesium (Mg), dan Berylium (Be).
c. Logam Mulia
Logam mulia tersebut dikategorikan juga termasuk logam berat, tetapi mempunyai sifat-sifat khusus seperti: Tahan terhadap bahan kimia, tahan terhadap korosi, dll.
Contoh: Emas (Au), Platina (Pt), Perak (Ag).
Dari logam nonferro berat, yang penting dalam paduan disebut tembaga, timah, dan timbal. Dalam paduan ini dapat digunakan logam-logam berat sebagai unsur paduan seperti seng, antimon, perak, emas dan cadmium. Logam nonferro berat nikel, molibden, dan wolfram merupakan elemen penting sebagai elemen paduan dalam baja. Logam nonferro ringan yang penting dalam paduannya disebut aluminium dan maknesium.
Sifat mekanik logam nonferro pada umumnya tidak baik, tetapi hal ini dapat diperbaiki dengan paduan, sedangkan pada umumnya logam nonferro tahan terhadap korosi, hal ini disebabkan kulit korosi yang kuat. Beberapa logam nonferro seperti tembaga dan aluminium mempunyai daya penghantar panas dan daya penghantar listrik yang baik. Yang termasuk jenis logam nonferro antara lain:
a. Tembaga
Warna: Coklat kemerah-merahan.
Sifat: Dapat ditempa, liat, penghantar panas dan listrik yang baik, kukuh.
Penggunaan: Suku bagian listrik, pemipaan, alat-alat dekorasi dan sebagainya.
b. Aluminium
Warna: Biru Putih
Sifat: Dapat ditempa, liat, bobot ringan, penghantar yang baik, baik untuk dituang.
Penggunaan: Alat-alat masak, reflector, industri mobil, industri pesawat terbang.
c. Timbel
Warna: Biru kelabu.
Sifat: Dapat ditempa, sangat liat, tahan korosi air dan asam, bobot sangat berat.
Penggunaan: Kabel, baterai, dan bubungan atap.
d. Timah
Warna: Bening keperak-perakan.
Sifat: Dapat ditempa, liat tahan korosi.
Penggunaan: Melapisi lembaran baja lunak (pelat timah), industri pengawetan.
3. Campuran Nonferro
Campuran nonferro ini merupakan campuran antara logam nonferro berat dengan logam nonferro ringan. Yang termasuk campuran nonferro antara lain:
a. Loyang
Komposisi: Tembaga 65%, seng 35%.
Sifat: Empuk, lunak.
Penggunaan: Batang, kawat, sekrup, paku keeling, tuangan.
b. Perunggu Fospor
Komposisi: Tembaga 90%, timah 9%, fosfor 1%.
Sifat: Kenyal, tahan korosi dengan baik.
Penggunaan: Bantalan mesin, pompa air.
c. Duralumin
Komposisi: Aluminium 95%, tembaga 4%, mangan 1%. Sifat: Dapat ditempa, liat, dapat dipukul dengan palu, dan direntang.
Bobot: Ringan, kukuh. Penggunaan: Pesawat terbang, suku bagian kendaraan, paku keling, mur, dan baut.
d. Pelat Timah
Lembaran tipis baja lunak dilapis timah pada kedua belah sisi dan pada semua tepinya. Harus berhati-hati benar dalam menangani dan menyimpan pelat timah. Lembaran pelat timah harus disimpan dengan kertas atau bahan lain yang sesuai di antara setiap pelat untuk mencegah lepasnya lapis timah karena sesuatu hal. Bila lapis timah hilang akan timbul karatan. Pelat timah harus diberi tanda dengan pensil tajam dan dipotong tepat menurut garis itu. Tepi potongan harus dilapis dengan pateri, juga untuk mencegah terjadinya karatan. Bila tepi potongan beradapada sambungan, maka pematerian tepi dilakukan pada waktu memateri sambungan. Pelat timah sama sekali tidak boleh dipukul dengan martil. Harus dipergunakan kayu keras atau martil kayu. Landasan pande timah atau potongan-potongan kayu keras yang sesuai bentuknya dapat dipergunakan sebagai sarana pembentuk.
C. Sifat-Sifat Logam
Untuk dapat menggunakan bahan teknik dengan tepat, maka bahan tersebut harus dapat dikenali dengan baik sifat-sifatnya yang mungkin akan dipilih untuk dipergunakannya. Sifat-sifat bahan tersebut tentunya sangat banyak macamnya.
1. Sifat-Sifat Umum Logam
Secara umum sifat-sifat bahan dapat diklasifikasikan sebagai berikut:
a. Sifat Kimia
Dengan sifat kimia diartikan sebagai sifat bahan yang mencakup antara lain kelarutan bahan tersebut terhadap larutan kimia, basa atau garam, dan pengoksidasiannya terhadap bahan tersebut. Salah satu contoh dari sifat kimia yang terpenting adalah: korosi.
b. Sifat Teknologi
Sifat teknologi adalah sifat suatu bahan yang timbul dalam proses pengolahannya. Sifat ini harus diketahui terlebih dahulu sebelum mengolah atau mengerjakan bahan tersebut. Sifat – sifat teknologi ini antara lain: Sifat mampu las (Weldability), sifat mampu dikerjakan dengan mesin (Machineability), sifat mampu cor (Castability), dan sifat mampu dikeraskan (Hardenability).
c. Sifat Fisika
Sifat fisika adalah perlakuan bahan karena mengalami peristiwa fisika, seperti adanya pengeruh panas, listrik, dan beban. Yang termasuk golongan sifat fisika ini adalah: sifat panas, sifat listrik, dan sifat mekanis.
d. Sifat Panas
Sifat-sifat yang timbul karena pengaruh panas, yaitu sifat-sifat karena proses pemanasan dan karena perubahan bentuk atau ukuran karena pengaruh panas (pemuaian/penyusutan). Pengaruh panas dapat juga merubah struktur bila kombinasi pemanasan dan pendinginan dilakukan pada kecepatan waktu tertentu. Hal ini banyak mempengaruhi atau dapat merubah sifat mekanis dari bahan tersebut. Proses ini dikenal dengan nama perlakuan panas atau “heat-treatment”.
e. Sifat Listrik
Sifat listrik dari bahan adalah penting karena sifat dari bahan inilah sekarang banyak digunakan untuk Televisi, Radio, dan Telepon. Sifat – sifat listrik dari bahan yang terpenting adalah ketahanan dari suatu bahan terhadap aliran listrik dan daya hantarnya dan tidak semua bahan mempunyai daya hantar listrik yang sama. Bahan bukan logam, seperti misalnya keramik dan plastik adalah penghantar listrik yang tidak baik. Oleh karena itu, bahan ini dipergunakan sebagai “Isolator”. Semua bahan logam dapat mengalirkan arus listrik, tetapi logam yang paling baik untuk penghantar listrik adalah aluminium dan tembaga. Oleh karena itulah, dalam teknik listrik bahan tersebut banyak dipergunakan sebagai konduktor, kabel, panel penghubung dan alat-alat listrik lainnya.
f. Sifat Mekanik
Sifat mekanik suatu bahan adalah kemampuan bahan untuk menahan beban-beban yang dikenakan kepadanya. Di mana beban-beban tersebut dapat berupa beban tarik, tekan, bengkok, geser, puntir, atau beban kombinasi.
2. Sifat-Sifat Mekanik Logam
Sifat–sifat mekanik logam seperti yang telah diuraikan pada sifat umum logam, di mana bahan logam harus mampu dikenakan beban kepadanya. Hal ini dilakukan untuk pengerjaan atau perlakukan lebih lanjut. Adapun sifatsifat mekanik yang terpenting antara lain:
a. Kekuatan (strenght) menyatakan kemampuan bahan untuk menerima tegangan tanpa menyebabkan bahan tersebut menjadi patah. Kekuatan ini ada beberapa macam dan ini tergantung pada beban yang bekerja antara lain dapat dilihat dari kekuatan tarik, kekuatan geser, kekuatan tekan, kekuatan puntir, dan kekuatan bengkok.
b. Kekerasan (hardness) dapat didefinisikan sebagai kemampuan bahan untuk tahan terhadap goresan, pengikisan (abrasi), dan penetrasi. Sifat ini berkaitan erat dengan sifat keausan (wear resistance). Di mana kekerasan ini juga mempunyai korelasi dengan kekuatan.
c. Kekenyalan (easticity) menyatakan kemampuan bahan untuk menerima tegangan tanpa mngakibatkan terjadinya perubahan bentuk yang permanen setelah tegangan dihilangkan. Bila suatu bahan mengalami tegangan maka akan terjadi perubahan bentuk. Bila tegangan yang bekerja besarnya tidak melewati suatu batas tertentu maka perubahan bentuk yang terjadi bersifat sementara, perubahan bentuk ini akan hilang bersama dengan hilangnya tekanan, maka sebagian bentuk itu tetap ada walaupun tegangan telah dihilangkan. Kekenyalan juga menyatakan seberapa banyak perubahan bentuk elastis yang dapat terjadi sebelum perubahan bentuk yang permanen mulai terjadi. Dengan kata lain kekenyalan manyatakan kemampuan bahan untuk kembali ke bentuk dan ukuran semula setelah menerima beban yang menimbulkan deformasi.
d. Kekakuan (stiffness) menyatakan kemampuan bahan untuk menerima tegangan atau beban tanpa mengakibatkan terjadinya perubahan bentuk (deformasi) atau defleksi. Di mana dalam beberapa hal kekakuan ini lebih penting dari pada kekuatan.
e. Plastisitas (plasticity) menyatakan kemampuan bahan untuk mengalami sejumlah deformasi plastis yang permanen tanpa mengakibatkan terjadinya kerusakan. Sifat ini sangat diperlukan bagi bahan yang akan diproses dengan berbagai proses pembentukan seperti, forging, rolling, extruding, dan sebagainya. Sifat ini sering juga disebut sebagai keuletan atau kekenyalan (ductility). Bahan yang mampu mengalami deformasi plastis yang cukup tinggi dikatakan sebagai bahan yang mempunyai keuletan atau kekenyalan tinggi, di mana bahan tersebut dikatakan ulet atau kenyal (ductile), sedangkan bahan yang tidak menunjukkan terjadinya deformasi plastis dikatakan sebagai bahan yang mempunyai keuletan yang rendah atau dikatakan getas atau rapuh (brittle).
f. Ketangguhan (toughness) menyatakan kemampuan bahan untuk menyerap sejumlah energi tanpa mengakibatkan terjadinya kerusakan. Juga dapat dikatakan sebagai ukuran banyaknya energi yang diperlukan untuk mematahkan suatu benda kerja pada suatu kondisi tertentu. Sifat ini dipengaruhi oleh banyak faktor sehingga sifat ini sulit untuk diukur.
g. Kelelahan (fatique) merupakan kecenderungan dari logam untuk patah bila menerima tegangan berulang-ulang (cyclis stress) yang besarnya masih jauh di bawah batas kekuatan elastisitasnya. Sebagian besar dari kerusakan yang terjadi pada komponen mesin disebabkan oleh kelelahan. Karenanya kelelahan merupakan sifat yang sangat penting, tetapi sifat ini juga sulit diukur karena sangat banyak faktor yang mempengaruhinya.
h. Keretakan (crack) merupakan kecenderungan suatu logam untuk mengalami deformasi plastik yang besarnya merupakan fungsi waktu, di mana pada saat bahan tersebut menerima beban yang besarnya relatif tetap. Berbagai sifat mekanik di atas juga dapat dibedakan menurut cara pembebanannya, yaitu sifat mekanik statik, sifat terhadap beban statik, yang besarnya tetap atau berubah dengan lambat, dan sifat mekanik dinamik, sifat mekanik terhadap beban yang berubah-rubah atau mengejut. Ini perlu dibedakan karena tingkah laku bahan mungkin berbeda terhadap cara pembebanan yang berbeda.
LEMBAR PRAKTIKUM
A. Lembar Kerja
Mengamati material bahan-bahan teknik dengan menggunakan bahan logam dan bahan nonlogam serta pengamatan terhadap proses pengolahan bahan bijih besi melalui tayangan atau gambar.
Dari hasil pengamatan siswa diharapkan dapat memahami pengetahuan bahan logam dan bahan nonlogam, proses pengolahan bijih besi menjadi besi, besi tuang dan baja, dan menggambarkan proses pengolahan bijih besi.
1. Mengamati
a. Amati dan pelajari material bahan logam dan nonlogam.
b. Amati dan pelajari proses pengolahan bijih besi menjadi besi, besi tuang, dan baja.
2. Menanya
a. Berdasarkan dari hasil pengamatan, buatlah kesimpulan (hipotesa).
b. Presentasikan serta diskusikan dengan teman atau guru Anda.
c. Jelaskan perbedaan bahan logam dan nonlogam.
d. Jelaskan proses pengolahan bijih besi.
3. Mengeksplorasi
a. Amati material bahan logam dan nonlogam.
b. Amati tayangan proses pengolahan bijih besi.
4. Mengasosiasi
a. Tuliskan dan buat tabel kelompok material bahan logam dan nonlogam.
b. Tuliskan proses pengolahan bijih besi menjadi besi, besi tuang, dan baja.
5. Mengomunikasikan
a. Buatlah laporan secara tertulis hasil pengamatan dan diskusikan serta presentasikan.
CAKRAWALA
Tahukah Kamu Sejarah Tentang Baja dan Baja Ringan Baja adalah logam campuran yang tediri dari besi (Fe) dan karbon (C). Jadi baja berbeda dengan besi (Fe), alumunium (Al), seng (Zn), tembagga (Cu), dan titanium (Ti) yang merupakan logam murni. Dalam senyawa antara besi dan karbon (unsur nonlogam) tersebut, besi menjadi unsur yang lebih dominan dibanding karbon. Kandungan kabon berkisar antara 0,2 – 2,1% dari berat baja, tergantung tingkatannya. Secara sederhana, fungsi karbon adalah meningkatkan kualitas baja, yaitu daya tariknya (tensile strength) dan tingkat kekerasannya (hardness). Selain karbon, sering juga ditambahkan unsur chrom (Cr), nikel (Ni), vanadium (V), molybdaen (Mo) untuk mendapatkan sifat lain sesuai aplikasi dilapangan seperti antikorosi, tahan panas, dan tahan temperatur tinggi.
Besi ditemukan digunakan pertama kali pada sekitar 1500 SM Tahun 1100 SM, Bangsa Hittites yang merahasiakan pembuatan tersebut selama 400 tahun dikuasai oleh bangsa asia barat. Pada tahun tersebut proses peleburan besi mulai diketahui secara luas. Tahun 1000 SM, Bangsa Yunani, Mesir, Jews, Roma, Carhaginians dan Asiria juga mempelajari peleburan dan menggunakan besi dalam kehidupannya. Tahun 800 SM, India berhasil membuat besi setelah diinvansi oleh Bangsa Arya. Tahun 700 – 600 SM, Cina belajar membuat besi. Tahun 400 – 500 SM, baja sudah ditemukan penggunaannya di Eropa. Tahun 250 SM, Bangsa India menemukan cara membuat baja. Tahun 1000 M, baja dengan campuran unsur lain ditemukan pertama kali pada kekaisaran fatim yang disebut dengan baja Damaskus. Tahun 1300 M, rahasia pembuatan baja Damaskus hilang.1700 M, baja kembali diteliti penggunaan dan pembuatannya di Eropa. Penggunaan logam sebagai bahan struktural diawali dengan besi tuang untuk bentang lengkungan (arch) sepanjang 100 ft (30 m) yang dibangun di Inggris pada tahun 1777 – 1779. Dalam kurun waktu 1780 – 1820, dibangun lagi sejumlah jembatan dari besi tuang, kebanyakan berbentuk lengkungan dengan balok – balok utama dari potongan – potongan besi tuang individual yang membentuk batang – batang atau kerangka (truss) konstruksi.
Besi tuang juga digunakan sebagai rantai penghubung pada jembatan – jembatan suspensi sampai sekitar tahun 1840. Setelah tahun 1840, besi tempa mulai mengganti besi tuang dengan contoh pertamanya yang penting adalah Brittania Bridge di atas selat Menai di Wales yang dibangun pada 1846 – 1850. Jembatan ini menggunakan gelagar –gelagar tubular yang membentang sepanjang 230 – 460 – 460 – 230 ft (70 – 140 – 140 – 70 m) dari pelat dan profil siku besi tempa. Proses canai (rolling) dari berbagai profil mulai berkembang pada saat besi tuang dan besi tempa telah semakin banyak digunakan. Batang – batang mulai dicanai pada skala industrial sekitar tahun 1780.
Perencanaan rel dimulai sekitar 1820 dan diperluas sampai pada bentuk – I menjelang tahun 1870-an. Perkembangan proses Bessemer (1855) dan pengenalan alur dasar pada konverter Bessemer (1870) serta tungku siemensmartin semakin memperluas penggunaan produk – produk besi sebagai bahan bangunan. Sejak tahun 1890, baja telah mengganti kedudukan besi tempa sebagai bahan bangunan logam yang utama. Dewasa ini (1990-an), baja telah memiliki tegangan leleh dari 24.000 sampai dengan 100.000 pounds per square inch, psi (165 sampai 690 MPa), dan telah tersedia untuk berbagai keperluan struktural.
Besi dan baja mempunyai kandungan unsur
utama yang sama yaitu Fe, hanya kadar karbonlah yang membedakan besi dan baja. Penggunaan besi dan baja dewasa ini sangat luas mulai dari perlatan yang sepele seperti jarum, peniti sampai dengan alat – alat dan mesin berat. Berikut ini disajikan klasifikasi baja:
1. Menurut komposisi kimianya:
Baja karbon (carbon steel), dibagi menjadi tiga yaitu;
a. Baja karbon rendah (low carbon steel) machine, machinery dan mild steel. 0,05 % – 0,30% C.
Sifatnya mudah ditempa dan mudah di mesin.
Penggunaannya:
0,05 % – 0,20 % C: automobile bodies, buildings, pipes, chains, rivets,
screws, nails.
0,20 % – 0,30 % C: gears, shafts, bolts, forgings, bridges, buildings.
b. Baja karbon menengah (medium carbon steel)
Kekuatan lebih tinggi daripada baja karbon rendah. Sifatnya sulit untuk dibengkokkan, dilas, dipotong. Penggunaan: 0,30 % – 0,40 % C: connecting rods, crank pins, axles. 0,40 % – 0,50 % C: car axles, crankshafts, rails, boilers, auger bits, screwdrivers. 0,50 % – 0,60 % C: hammers dan sledges.
c. Baja karbon tinggi (high carbon steel) tool steel
Sifatnya sulit dibengkokkan, dilas, dan dipotong.
Kandungan 0,60 % – 1,50 % C.
Penggunaan: screw drivers, blacksmiths hummers, tables knives, screws, hammers, vise jaws, knives, drills. tools for turning brass and wood, reamers, tools for turning hard metals, saws for cutting steel, wire drawing dies, fine cutters.
Baja paduan (alloy steel). Tujuan dilakukan penambahan unsur, yaitu:
a. Untuk menaikkan sifat mekanik baja (kekerasan, keliatan, kekuatan tarik dan sebagainya).
b. Untuk menaikkan sifat mekanik pada temperatur rendah.
c. Untuk meningkatkan daya tahan terhadap reaksi kimia (oksidasi dan reduksi) Untuk membuat sifat-sifat special.
Baja paduan yang diklasifikasikan menurut kadar karbonnya dibagi menjadi:
a. Low alloy steel, jika elemen paduannya ≤ 2,5 %.
b. Medium alloy steel, jika elemen paduannya 2,5 – 10 %.
c. High alloy steel, jika elemen paduannya > 10 %.
Baja Ringan
Baja ringan adalah baja canai dingin dengan kualitas tinggi yang bersifat ringan dan tipis namun kekuatannya tidak kalah dengan baja konvensional. Baja ringan memiliki tegangan tarik tinggi (G550). Baja G550 berarti baja memiliki kuat tarik 550 MPa (Mega Pascal). Baja ringan adalah baja High Tensile G-550 (Minimum Yeild Strength 5500 kg/m2) dengan standar bahan ASTM A792, JIS G3302, SGC 570. Untuk melindungi material baja mutu tinggi dari korosi, harus diberikan lapisan pelindung (coating) secara memadai. Berbagai metode untuk memberikan lapisan pelindung guna mencegah korosi pada baja mutu tinggi telah dikembangkan. Jenis coating pada baja ringan yang beredar dipasaran adalah Galvanized, Galvalume, atau sering juga disebut sebagai zincalume dan sebuah produsen mengeluarkan produk baja ringan dengan menambahkan magnesium yang kemudian dikenal dengan ZAM, dikembangkan sejak 1985, menggunakan lapisan pelindung yang terdiri dari: 96% zinc, 6% aluminium, dan 3% magnesium.
JELAJAH INTERNET
Kunjungilah Website Tentang Pengetahuan Logam. Jenis logam dan sifat logam sangat beragam yang ada di sekitar kita. Silahkan Anda kunjungi beberapa website yang menjadi referensi dalam pengetahuan tentang logam.
1. https://www.kompasiana.com/wildensyah/55008452a333119f6f511472/sejarah-baja-dan-baja-ringan
2. https://www.hestanto.web.id/pengetahuan-dasar-material/
3. http://staff.uny.ac.id/sites/default/files/pendidikan/Tiwan,%20Drs.,%20ST.,MT./1%20Kegiatan%20Belajar%201.pdf
4. http://bsd.pendidikan.id/data/2013/kelas_10smk/Kelas_10_SMK_Teknologi_Mekanik_1.pdf
RANGKUMAN
1. Bahan logam adalah bahan yang mempunyai sifat penghantar listrik dan panas yang baik, dapat dibentuk dengan proses panas dan dingin serta mempunyai tegangan tarik tinggi.
2. Bahan nonlogam adalah bahan yang mempunyai sifat tidak baik untuk penghantar listrik dan panas, sulit dibentuk, tegangan tarik rendah dan baik untuk bahan isolator.
3. Proses pendahuluan sebelum bijih diolah adalah penyucian, pemecahan, pembersihan, dan pemanggangan.
4. Besi tuang diproduksi dengan melebur kembali besi kasar kelabu dengan besi tua dan baja, lalu membakarnya dengan kokas dan batu kapur dalam dapur tinggi yang lebih kecil sama seperti pada dapur tinggi, dapur ini juga diisi bahan bakar dan bahan tambahan. Proses pencairan dalam dapur dilakukan beberapa kali untuk memperbaiki mutu.
5. Bahan bakunya untuk pengolahan baja terdiri atas besi dapur tinggi (besi kasar), baja tua dan bahan tambahan (batu kapur, silika, dan antrasit)
Diatas merupakan pembahasan memahami jenis dan karaktristik logam dan non-logam yang bisa dipelajari siswa atau peserta didik Teknik Pemesinan Kapal (TPK). Semoga bermanfaat.