Sifat Bahan Teknik:Umum, Fisik dan Mekanik

Pada artikel ini akan dibahas tentang :1. Sifat Umum Bahan Teknik 2. Sifat Fisika Bahan Teknik 3. Sifat Mekanik.

Umum Sifat Bahan Teknik:

Para ekonom yang terutama peduli dengan industri yang membuat bahan rekayasa tertarik untuk menemukan cara di mana bahan rekayasa dapat digunakan atau diterapkan dengan cara ekonomi terbaik. Ekonom harus memiliki pengetahuan tentang properti dan proses pembuatan berbagai bahan teknik.

Jasa ahli ekonomi semacam itu dapat sangat berguna dalam membuat pilihan bahan rekayasa di bawah kondisi tertentu atau dalam memutuskan jalur pembuatan bahan rekayasa dari bahan baku lokal yang tersedia.

Bidang aplikasi bahan rekayasa tertentu diatur oleh karakteristik dan berbagai sifat bahan rekayasa tersebut.

Properti tersebut dapat diklasifikasikan ke dalam berbagai kategori sebagai berikut:

(1) Sifat Kimia:

Sifat kimia bahan menunjukkan kecenderungan bahan untuk bergabung dengan zat lain, reaktivitasnya, kelarutan dan efeknya seperti korosi, komposisi kimia, keasaman, alkalinitas, dll. Korosi adalah salah satu Masalah serius yang dihadapi oleh para insinyur dalam memilih bahan rekayasa, disebabkan karena sifat kimia logam.

Dalam logam, elektron valensi terikat secara longgar pada atomnya dan dapat dengan mudah dilepaskan selama reaksi kimia. Jadi, ketika logam terpapar di atmosfer dan bersentuhan dengan gas seperti oksigen, klorin, dll., reaksi kimia terjadi. Ketika besi bereaksi dengan oksigen, oksida besi terbentuk yang berwarna merah dan logam besi dilapisi dengannya. Ini disebut korosi.

(2) Sifat Listrik:

Sifat ini menandakan kemampuan material untuk menahan aliran arus listrik dan termasuk konduktivitas, kekuatan dielektrik, dan resistivitas.

(3) Sifat Magnetik:

Studi tentang sifat magnetik bahan seperti permeabilitas, histeresis dan gaya koersif diperlukan ketika akan digunakan untuk generator, transformator, dll.

(4) Sifat Mekanik:

Karakteristik yang mengatur perilaku material ketika gaya eksternal diterapkan termasuk dalam properti ini. Beberapa sifat mekanik yang penting adalah elastisitas, kekerasan, plastisitas, kekuatan, dll.

(5) Properti Optik:

Bila bahan akan digunakan untuk pekerjaan optik, pengetahuan tentang sifat optiknya seperti warna, transmisi cahaya, indeks bias, reflektifitas, dll. diperlukan. Ketika cahaya menyerang bahan apapun, ia berinteraksi dengan atom-atomnya dan menyebabkan berbagai jenis efek. Cahaya dapat dipantulkan, dibiaskan, dihamburkan atau diserap. Studi tentang cahaya dalam bahan dan bagaimana menggunakan perilaku ini untuk mengontrol berbagai efek cahaya disebut optik.

(6) Properti Fisik:

Ini diperlukan untuk mengevaluasi kondisi material tanpa gaya eksternal apa pun yang bekerja padanya dan ini termasuk kerapatan curah, daya tahan, porositas, dll.

(7) Properti Termal:

Pengetahuan tentang sifat termal material seperti panas spesifik, ekspansi termal, dan konduktivitas sangat membantu dalam mengetahui respons material terhadap perubahan termal. Dengan demikian bahan yang cocok dapat dipilih untuk menahan fluktuasi dan suhu tinggi.

(8) Properti Teknologi:

Sifat logam dan paduan yang mempengaruhi pemrosesan atau penerapannya disebut sifat teknologi. Castability, machinability, weldability dan workability adalah beberapa sifat teknologi yang signifikan dari logam dan paduan.

Dari semua sifat tersebut, sifat fisik dan sifat mekanik sangat penting bagi seorang insinyur konstruksi.

Properti Fisik dari Bahan Teknik:

Istilah berikut sehubungan dengan sifat fisik bahan teknik didefinisikan dan dijelaskan:

(1) Kepadatan massal

(2) Ketahanan kimia

(3) Koefisien pelunakan

(4) Kepadatan

(5) Indeks kepadatan

(6) Daya Tahan

(7) Tahan api

(8) Tahan beku

(9) Higroskopisitas

(10) Porositas

(11) Sifat tahan api

(12) Ketahanan spalling

(13) Panas spesifik

(14) Kapasitas termal

(15) Konduktivitas termal

(16) Penyerapan air

(17) Permeabilitas air

(18) Ketahanan cuaca.

(1) Kepadatan Massal:

Istilah kerapatan curah digunakan untuk mengartikan massa unit volume material dalam keadaan alaminya, yaitu termasuk pori-pori dan rongga. Hal ini diperoleh dengan mencari perbandingan massa benda uji dengan volume benda uji dalam keadaan alaminya.

Sifat teknis bahan seperti kekuatan, panas, konduktivitas, dll. sangat dipengaruhi oleh kerapatan curahnya dan karenanya efisiensi kinerja bahan akan bergantung pada kerapatan massanya.

Untuk sebagian besar bahan, massa jenis lebih kecil dari massa jenisnya kecuali untuk bahan padat, cairan, dan bahan yang diperoleh dari massa cair.

Tabel 1-1 menunjukkan kepadatan massal beberapa bahan bangunan penting.

(2) Ketahanan Kimia:

Kemampuan material untuk menahan aksi asam, alkali, gas, dan larutan garam dikenal sebagai ketahanan kimianya.

Properti ini diperiksa dengan cermat saat memilih bahan untuk pipa saluran pembuangan, instalasi teknik hidrolik, fasilitas sanitasi, dll.

(3) Koefisien Pelunakan:

Perbandingan kuat tekan bahan yang jenuh dengan air dengan yang dalam keadaan kering dikenal sebagai koefisien pelunakan. Bahan seperti kaca dan logam tidak terpengaruh oleh adanya air dan koefisien pelunakannya adalah satu. Di sisi lain, bahan seperti tanah liat dengan mudah kehilangan kekuatannya ketika direndam dalam air dan karenanya, koefisien pelunakannya adalah nol.

Bahan yang memiliki koefisien pelunakan sama dengan 0,8 atau lebih disebut sebagai bahan tahan air. Disarankan untuk menghindari penggunaan bahan dengan koefisien pelunakan kurang dari 0,8 untuk situasi yang kemungkinan besar akan terpapar secara permanen pada aksi kelembaban.

(4) Kepadatan:

Istilah kerapatan suatu bahan didefinisikan sebagai massa suatu satuan volume bahan homogen. Itu diperoleh dengan mengerjakan rasio massa bahan dengan volume bahan dalam keadaan homogen. Sifat fisik suatu bahan sangat dipengaruhi oleh densitasnya.

(5) Indeks Kepadatan:

Rasio massa jenis bahan terhadap kerapatannya dikenal sebagai indeks kerapatan dan dengan demikian menunjukkan sejauh mana volumenya diisi dengan materi padat.

Karena praktis tidak ada zat padat di alam, indeks kepadatan sebagian besar bahan bangunan kurang dari satu.

(6) Daya tahan:

Sifat material untuk menahan aksi gabungan faktor atmosfer dan faktor lainnya dikenal sebagai daya tahannya.

Biaya pengoperasian atau pemeliharaan bangunan secara alami akan bergantung pada daya tahan bahan penyusunnya.

(7) Tahan Api:

Istilah tahan api digunakan untuk mengartikan kemampuan material untuk menahan aksi suhu tinggi tanpa kehilangan kapasitas dukung bebannya, yaitu tanpa kehilangan kekuatan atau deformasi bentuk yang substansial.

Sifat bahan ini sangat penting jika terjadi kebakaran dan karena operasi pemadaman kebakaran biasanya disertai dengan air, sifat bahan ini diuji dengan tindakan gabungan suhu dan air. Bahan harus cukup tahan api untuk memberikan keamanan dan stabilitas jika terjadi kebakaran.

(8) Tahan Beku:

Kemampuan bahan jenuh air untuk menahan pembekuan dan pencairan berulang tanpa penurunan kekuatan mekanik yang berarti atau tanda-tanda kegagalan yang terlihat dikenal sebagai ketahanan beku. Ketahanan beku suatu material tergantung pada kepadatan material dan tingkat kejenuhannya dengan air.

Secara umum, bahan padat tahan beku. Bahan berpori yang pori-porinya tertutup atau diisi dengan air hingga kurang dari 90% volumenya tahan beku.

(9) Higroskopisitas:

Sifat bahan untuk menyerap uap air dari udara dikenal sebagai higroskopisitas dan itu diatur oleh sifat zat yang terlibat, jumlah pori-pori, suhu udara, kelembaban relatif, dll. Air -zat penahan atau hidrofilik mudah larut dalam air.

(10) Porositas:

Istilah porositas digunakan untuk menunjukkan sejauh mana volume suatu material ditempati oleh pori-pori. Ini dinyatakan sebagai rasio volume pori-pori dengan spesimen. Porositas suatu material menunjukkan berbagai sifat seperti kekuatan, kerapatan curah, penyerapan air, konduktivitas termal, daya tahan, dll, dan karenanya harus dipelajari dan dianalisis dengan cermat.

(11) Sifat tahan api:

Kemampuan material untuk menahan aksi suhu tinggi yang berkepanjangan tanpa meleleh atau kehilangan bentuk dikenal sebagai refraktorinya.

(12) Ketahanan Spalling:

Kemampuan suatu material untuk bertahan dalam sejumlah siklus tertentu dari variasi suhu yang tajam tanpa gagal dikenal sebagai ketahanan spalling dan itu terutama bergantung pada koefisien ekspansi linier dari konstituennya.

(13) Panas Spesifik:

Istilah kalor jenis didefinisikan sebagai jumlah kalor, yang dinyatakan dalam kilokalori, yang diperlukan untuk memanaskan 1 N bahan sebesar 1°C. Panas spesifik suatu material harus dipertimbangkan ketika akumulasi panas harus diperhitungkan.

Panas jenis baja, batu, dan kayu adalah sebagai berikut:

Baja – 0,046 x 10 ³ J/N °C

Batu – 0,075 hingga 0,09 x 10 ³ J/N °C

Kayu – 0,239 hingga 0,27 x 10 ³ J/T °C.

(14) Kapasitas Termal:

Sifat suatu bahan untuk menyerap panas dikenal sebagai kapasitas termalnya dan hal itu diselesaikan dengan persamaan berikut –

T =H / M (T₂ – T₁ )

Di mana, T =Kapasitas termal dalam J/N °C

H =Jumlah kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu bahan dari T₁ ke T₂ dalam J M =Massa bahan dalam N

T₁ =Suhu bahan sebelum dipanaskan dalam °C

T₂ =Suhu bahan setelah dipanaskan dalam °C.

(15) Konduktivitas Termal:

Konduktivitas termal suatu bahan adalah jumlah panas dalam kilokalori yang akan mengalir melalui satuan luas bahan dengan satuan tebal dalam satuan waktu bila perbedaan suhu pada permukaannya juga satu. Satuan konduktivitas termal adalah J per m hr °C dan biasanya dilambangkan dengan K. Konduktivitas termal suatu material bergantung pada densitas, porositas, kadar air, dan suhunya.

Istilah resistivitas termal suatu material digunakan untuk mengartikan kebalikan dari konduktivitas termalnya. Tahanan termal suatu material sama dengan resistivitas termal dikalikan dengan ketebalannya.

(16) Penyerapan Air:

Kemampuan suatu bahan untuk menyerap dan menahan air dikenal sebagai penyerapan airnya. Bahan kering sepenuhnya direndam dalam air dan kemudian penyerapan air dihitung baik sebagai persentase berat atau persentase volume bahan kering. Ini terutama tergantung pada volume, ukuran dan bentuk pori-pori, yang ada dalam material.

(17) Permeabilitas Air:

Kapasitas suatu bahan untuk memungkinkan air melewatinya di bawah tekanan dikenal sebagai permeabilitas airnya dan digambarkan sebagai jumlah air yang akan melewati bahan dalam satu jam pada tekanan konstan , luas penampang benda uji adalah 1 cm. Bahan padat seperti kaca, baja, dll. tahan air atau kedap air.

(18) Ketahanan Cuaca:

Istilah ketahanan terhadap cuaca digunakan untuk menyatakan kemampuan suatu bahan untuk menahan kondisi basah dan kering yang bergantian tanpa mempengaruhi bentuk dan kekuatan mekaniknya secara serius. Dengan demikian, menunjukkan perilaku bahan saat terkena perubahan kondisi kelembaban.

Sifat Mekanik Bahan Teknik:

Sifat mekanik bahan seperti kekakuan, keuletan, dan kekuatannya sangat penting dalam menentukan fabrikasi dan kemungkinan aplikasi praktisnya.

Bahan bangunan menunjukkan berbagai sifat mekanik mulai dari kekerasan berlian hingga keuletan tembaga murni dan sifat elastis yang menakjubkan dari karet. Dengan cara yang sama, banyak bahan berperilaku sangat berbeda ketika ditekankan dengan cara yang berbeda. Misalnya, besi tuang, semen dan batu bata jauh lebih kuat dalam gaya tekan sedangkan kayu dan baja lebih kuat dalam gaya tarik.

Istilah berikut sehubungan dengan sifat mekanik umum bahan bangunan didefinisikan dan dijelaskan:

(1) Abrasi

(2) Menyeramkan

(3) Elastisitas

(4) Kelelahan

(5) Kekerasan

(6) Kekuatan benturan

(7) Plastisitas dan kerapuhan

(8) Kekuatan

(9) Pakai.

(5) Kekerasan

(1) Abrasi:

Ketahanan material terhadap abrasi diketahui dengan membagi perbedaan berat benda uji sebelum dan sesudah abrasi dengan luas abrasi.

(2) Menyeramkan:

Dalam banyak aplikasi, bahan bangunan diperlukan untuk menopang beban tetap untuk waktu yang lama. Dalam kondisi seperti itu, material dapat terus berubah bentuk sampai kegunaannya sangat berkurang. Deformasi struktur yang bergantung pada waktu seperti itu dapat tumbuh besar dan bahkan dapat mengakibatkan patah akhir tanpa peningkatan beban. Jika deformasi berlanjut bahkan ketika bebannya konstan, deformasi tambahan seperti itu dikenal sebagai creep.

Sebagian besar bahan bangunan merayap sampai batas tertentu pada semua suhu. Namun logam rekayasa seperti baja, aluminium dan tembaga merayap sangat sedikit pada suhu kamar. Temperatur yang tinggi menyebabkan creep cepat yang sering disertai dengan perubahan mikrostruktur. Fenomena creep penting dalam polimer pada suhu kamar, dalam paduan aluminium pada 100 ° C dan baja di atas 300 ° C.

(3) Elastisitas:

Ketika suatu beban diterapkan pada suatu material, terjadi perubahan dalam bentuk dan dimensinya. Istilah elastisitas digunakan untuk menunjukkan kemampuan suatu bahan untuk mengembalikan bentuk dan dimensi awalnya setelah beban dihilangkan.

Perbedaan antara dua istilah berikut harus diperhatikan:

(i) Deformasi Elastis:

Deformasi dikatakan elastik jika benda padat mengalami deformasi saat diberi beban tetapi kembali ke posisi semula saat diturunkan. Perubahan tekanan atau penerapan beban menghasilkan deformasi elastis. Istilah deformasi ideal digunakan untuk mengartikan deformasi yang terjadi seketika pada penerapan gaya dan menghilang sepenuhnya pada penghilangan gaya.

Deformasi seperti itu mematuhi hukum Hooke dan regangan elastis logam berbanding lurus dengan gaya yang diberikan. Deformasi ideal terjadi dengan gaya deformasi yang relatif lebih kecil yang dapat menjaga tegangan kerja dalam batas elastis.

(ii) Deformasi Plastik:

Suatu deformasi dikatakan plastis bila padatan mempertahankan penuh atau sebagian perubahan bentuknya setelah beban dihilangkan. Deformasi plastis diamati ketika tegangan melebihi batas elastis dan lajunya dikendalikan oleh laju regangan, tegangan yang diterapkan, dan suhu. Ini dapat terjadi di bawah tegangan tarik, tekan dan puntir. Ini sengaja dilakukan dalam proses seperti penggulungan, penempaan, dll. Untuk membuat produk yang bermanfaat.

(4) Kelelahan:

Bila bahan mengalami tegangan yang berulang atau berfluktuasi, mereka akan gagal pada tegangan yang jauh lebih rendah daripada yang diperlukan untuk menyebabkan patah di bawah beban tetap.

Perilaku ini disebut kelelahan dan dibedakan oleh tiga fitur berikut:

(i) Meningkatnya ketidakpastian dalam kekuatan dan masa pakai;

(ii) Hilangnya keuletan; dan

(iii) Kehilangan kekuatan.

Berikut adalah alasan kegagalan kelelahan:

(i) Lingkungan korosi yang mengakibatkan pengurangan kekuatan lelah;

(ii) Titik konsentrasi tegangan;

(iii) Ketidaksempurnaan permukaan seperti tanda pemesinan dan ketidakteraturan permukaan; dan

(iv) Suhu, kekuatan lelah menjadi tinggi pada suhu rendah dan menurun secara bertahap dengan kenaikan suhu.

(5) Kekerasan:

Kemampuan material untuk menahan penetrasi oleh benda yang lebih keras dikenal sebagai kekerasannya. Ini adalah faktor utama dalam menentukan kemampuan kerja dan penggunaan material untuk lantai dan permukaan jalan. Kekerasan bukanlah sifat dasar. Tapi itu adalah efek gabungan dari sifat tekan, elastis dan plastis relatif terhadap mode penetrasi, bentuk penetrator, dll.

Kekerasan memiliki hubungan yang cukup konstan dengan kekuatan tarik bahan tertentu. Oleh karena itu dapat digunakan sebagai uji non-destruktif praktis untuk mendapatkan gambaran kasar tentang kekuatan tarik material dan keadaan logam di dekat permukaan.

Kekerasan bahan batu dapat ditentukan dengan bantuan skala kekerasan Mohs. Ini adalah daftar sepuluh bahan yang disusun dalam urutan peningkatan kekerasan. Kekerasan suatu bahan terletak di antara kekerasan dua bahan yaitu yang satu tergores dan yang lain tergores oleh bahan yang akan diuji.

Tabel 1-2 menunjukkan skala kekerasan Mohs.

(6) Kekuatan Dampak:

Kekuatan impak suatu material adalah jumlah kerja yang diperlukan untuk menyebabkan kegagalan per satuan volumenya. Dengan demikian, ini menunjukkan ketangguhan suatu material dan material diuji dalam mesin uji impak untuk menentukan kekuatan impaknya.

Kekuatan impak adalah karakteristik kompleks yang memperhitungkan ketangguhan dan kekuatan material.

Ini bervariasi dengan faktor-faktor berikut:

(i) Jika dimensi spesimen meningkat, ada juga peningkatan kekuatan impak.

(ii) Jika ketajaman takik meningkat, kekuatan benturan yang diperlukan untuk menyebabkan kegagalan berkurang.

(iii) Sudut takik juga meningkatkan kekuatan benturan setelah nilai tertentu.

(iv) Kekuatan tumbukan juga dipengaruhi sampai batas tertentu oleh kecepatan tumbukan.

(v) Suhu benda uji yang diuji memberikan indikasi tentang jenis patahan yang mungkin terjadi yaitu transisi ulet, getas atau ulet ke getas.

(7) Plastisitas dan Kerapuhan:

Istilah plastisitas suatu material didefinisikan sebagai kemampuannya untuk mengubah bentuknya di bawah beban tanpa retak dan untuk mempertahankan bentuknya setelah pemindahan beban.

Bahan secara garis besar dapat dibagi menjadi dua kelompok, yaitu bahan plastik dan bahan getas. Baja, tembaga, aspal panas, dll adalah bahan plastik. Bahan getas runtuh tiba-tiba di bawah tekanan tanpa deformasi yang cukup sebelum kegagalan. Bahan batuan, bahan keramik, kaca, besi tuang, beton, dan beberapa bahan lainnya rapuh dan memiliki ketahanan yang buruk terhadap tekukan, benturan, dan tegangan.

(8) Kekuatan:

Kemampuan material untuk menahan kegagalan di bawah aksi tegangan yang disebabkan oleh beban dikenal sebagai kekuatannya. Beban yang umumnya dialami material adalah tekan, tarik, dan tekuk. Kekuatan yang sesuai diperoleh dengan membagi beban ultimit dengan luas penampang benda uji.

Tekanan pada bahan bangunan tidak boleh melebihi persentase tertentu dari kekuatan pamungkasnya. Dengan demikian, margin keamanan diberikan dan istilah faktor keamanan digunakan untuk menunjukkan rasio tegangan ultimit terhadap tegangan aman. Misalnya, jika faktor keamanannya adalah dua, tegangan yang digunakan untuk tujuan desain akan menjadi setengah dari tegangan ultimit.

Nilai faktor keselamatan ditentukan oleh standar desain dan dibingkai dengan mempertimbangkan berbagai faktor seperti sifat pekerjaan, kualitas material, kondisi layanan, pertimbangan ekonomi, dll.

(9) Pakai:

Kegagalan material di bawah tindakan gabungan abrasi dan benturan dikenal sebagai keausannya. Ketahanan aus biasanya dinyatakan sebagai persentase kehilangan berat dan sangat penting dalam menentukan kesesuaian material untuk penggunaan permukaan jalan, pemberat rel kereta api, dll.