Panduan Komprehensif Bahan Teknik: Sifat Umum, Fisik, dan Mekanis

Sifat Umum Bahan Teknik

Ahli ekonomi terutama yang terkait dengan industri yang memproduksi bahan teknik tertarik untuk menemukan cara bagaimana bahan teknik dapat digunakan atau diterapkan dengan cara ekonomis terbaik. Ahli ekonomi harus memiliki pengetahuan kerja tentang sifat dan proses pembuatan berbagai bahan teknik.

Jasa dari ahli ekonomi ini dapat sangat berguna dalam membuat pilihan bahan teknik di bawah kondisi tertentu atau dalam menentukan garis pembuatan bahan teknik dari bahan baku lokal yang tersedia.

Bidang aplikasi dari suatu bahan teknik tertentu ditentukan oleh karakteristik dan berbagai sifat dari bahan teknik tersebut.

Sifat-sifat ini dapat diklasifikasikan ke dalam berbagai kategori sebagai berikut:

1. Sifat Kimia: Sifat kimia materi menunjukkan kecenderungan materi untuk bereaksi dengan zat lain, reaktivitasnya, kelerengannya, dan efek seperti korosi, komposisi kimia, keasaman, kekerapan, dll. Korosi adalah salah satu masalah serius yang dihadapi insinyur dalam memilih bahan teknik, disebabkan oleh sifat kimia logam.
2. Sifat Listrik: Sifat ini menunjukkan kemampuan materi untuk menahan aliran arus listrik dan mencakup konduktivitas, kekuatan dielektrik, dan resistensi.
3. Sifat Magnetis: Studi sifat magnetis materi seperti permeabilitas, histeresis, dan gaya kekeruhan diperlukan ketika akan digunakan untuk generator, transformator, dll.
4. Sifat Mekanis: Karakteristik yang mengatur perilaku materi ketika gaya eksternal diterapkan termasuk dalam sifat ini. Beberapa sifat mekanis penting adalah elastisitas, kekerasan, plastisitas, kekuatan, dll.
5. Sifat Optik: Ketika materi akan digunakan untuk pekerjaan optik, pengetahuan tentang sifat optiknya seperti warna, transmisi cahaya, indeks bias, refleksivitas, dll. diperlukan. Ketika cahaya mengenai materi apa pun, ia berinteraksi dengan atomnya dan menyebabkan berbagai jenis efek. Cahaya dapat dipantulkan, dibias, diserap, atau diserap. Studi tentang cahaya dalam materi dan cara menggunakan perilaku ini untuk mengontrol berbagai efek cahaya disebut optika.
6. Sifat Fisik: Ini diperlukan untuk mengevaluasi kondisi materi tanpa adanya gaya eksternal yang bekerja padanya dan mencakup densitas massa, ketahanan, porositas, dll.
7. Sifat Termal: Pengetahuan tentang sifat termal materi seperti kalor spesial, ekspansi termal, dan konduktivitas membantu dalam mengetahui respons materi terhadap perubahan termal. Dengan demikian bahan yang sesuai dapat dipilih untuk menahan suhu yang fluctuasi dan tinggi.
8. Sifat Teknologis: Sifat logam dan legam yang memiliki dampak pada pemrosesan atau aplikasinya disebut sifat teknologis. Cetakability, machinability, weldability, dan workability adalah beberapa sifat teknologis signifikan dari logam dan legam.

Dari semua sifat ini, sifat fisik dan mekanis sangat penting bagi insinyur konstruksi.

Sifat Fisik Bahan Teknik

Berikut adalah istilah-istilah terkait sifat fisik bahan teknik yang didefinisikan dan dijelaskan:

1. Densitas massa
2. Resistensi kimia
3. Koefisien pelunak
4. Densitas
5. Indeks densitas
6. Ketahanan
7. Resistensi api
8. Resistensi vor
9. Hygroscopicity
10. Porositas
11. Refractoriness
12. Resistensi spalling
13. Kalor spesifik
14. Kapasitas termal
15. Konduktivitas termal
16. Serapan air
17. Permeabilitas air
18. Resistensi cuaca.

(1) Densitas Massa: Istilah densitas massa digunakan untuk berarti massa dari satuan volume materi dalam keadaan alami, yaitu termasuk pori dan celah. Ini diperoleh dengan menemukan rasio massa spesimen terhadap volume spesimen dalam keadaan alami.

Sifat teknis materi seperti kekuatan, panas, konduktivitas, dll. sangat dipengaruhi oleh densitas massa dan oleh karena itu efisiensi kinerja materi akan bergantung pada densitas massanya.

Untuk sebagian besar materi, densitas massa lebih kecil dari densitasnya kecuali untuk materi padat, cairan, dan materi yang dihasilkan dari massa cair.

Tabel 1-1 menunjukkan densitas massa dari beberapa bahan bangunan penting.

(2) Resistensi Kimia: Kemampuan materi untuk menahan tindakan asam, alkali, gas, dan larutan garam dikenal sebagai resistensi kimianya. Properti ini diperiksa dengan hati-hati saat memilih bahan untuk pipa saluran, instalasi teknik hidraulik, fasilitas sanitasi, dll.

(3) Koefisien Pelunak: Rasio kekuatan tekan materi yang terserap air terhadap kekuatan tekan dalam keadaan kering dikenal sebagai koefisien pelunak. Bahan seperti kaca dan logam tidak terpapar oleh kehadiran air dan koefisien pelunaknya adalah satu. Di sisi lain, bahan seperti tanah liat kehilangan kekuatannya dengan mudah ketika direndam dalam air dan oleh karena itu koefisien pelunaknya adalah nol.

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

(4) Densitas: Istilah densitas dari suatu materi didefinisikan sebagai massa dari satuan volume materi homogen. Ini diperoleh dengan bekerja rasio massa materi terhadap volume materi dalam keadaan homogen. Sifat fisik dari suatu materi sangat dipengaruhi oleh densitasnya.

(5) Indeks Densitas: Rasio densitas massa dari suatu materi terhadap densitasnya dikenal sebagai indeks densitasnya dan dengan demikian menunjukkan tingkat volume yang diisi oleh materi padat.

Karena tidak ada zat padat dalam alam, indeks densitas sebagian besar bahan bangunan kurang dari satu.

(6) Ketahanan: Properti dari suatu materi untuk menahan tindakan gabungan dari faktor atmosfer dan lainnya dikenal sebagai ketahanannya. Biaya operasi atau pemeliharaan sebuah bangunan akan tentu bergantung pada ketahanan bahan yang menyusunnya.

(7) Resistensi Api: Istilah resistensi api digunakan untuk berarti kemampuan suatu materi untuk menahan tindakan suhu tinggi tanpa kehilangan kapasitas penahan beban, yaitu, tanpa kehilangan kekuatan yang substansial atau deformasi bentuk.

Properti ini dari suatu materi sangat penting dalam kasus kebakaran dan karena operasi pemadam kebakaran biasanya disertai dengan air, properti ini dari suatu materi diuji dengan tindakan gabungan dari suhu tinggi dan air. Materi harus cukup tahan api untuk memberikan keamanan dan stabilitas dalam kasus kebakaran.

(8) Resistensi Vor: Kemampuan materi yang terserap air untuk menahan pembekukan dan peluluhan berulang tanpa penurunan kekuatan mekanis yang signifikan atau tanda kegagalan yang terlihat dikenal sebagai resistensi vor. Resistensi vor dari suatu materi bergantung pada densitas materi dan tingkat kesenjangan airnya.

Secara umum, bahan padat tahan vor. Bahan pori yang porinya tertutup atau terisi air kurang dari 90% dari volumenya tahan vor.

(9) Hygroscopicity: Properti dari suatu materi untuk menyerap uap air dari udara dikenal sebagai hygroscopicity dan diatur oleh sifat zat yang terlibat, jumlah pori, suhu udara, kelembaban relatif, dll. Zat yang menyimpan air atau hidrofilik dengan mudah larut dalam air.

(10) Porositas: Istilah porositas digunakan untuk menunjukkan tingkat volume materi yang ditempati oleh pori. Ini diekspresikan sebagai rasio volume pori terhadap spesimen. Porositas dari suatu materi menunjukkan berbagai properti seperti kekuatan, densitas massa, serapan air, konduktivitas termal, ketahanan, dll., dan oleh karena itu harus dipelajari dan dianalisis dengan hati-hati.

(11) Refractoriness: Kemampuan dari suatu materi untuk menahan tindakan suhu yang panjang waktu tanpa meleleh atau kehilangan bentuk dikenal sebagai refractorinessnya.

(12) Resistensi Spalling: Kemampuan dari suatu materi untuk bertahan sejumlah siklus variasi suhu tajam tanpa gagal dikenal sebagai resistensi spallingnya dan terutama bergantung pada koefisien ekspansi linear dari konstituennya.

(13) Kalor Spesifik: Istilah kalor spesifik didefinisikan sebagai jumlah panas, yang diekspresikan dalam kilokalori, yang diperlukan untuk memanaskan 1 N materi sebesar 1°C. Kalor spesifik dari suatu materi harus dipertimbangkan ketika akumulasi panas harus dipertimbangkan.

Kalor spesifik dari baja, batu, dan kayu adalah sebagai berikut:

Baja – 0,046 x 10³ J/N °C

Batu – 0,075 hingga 0,09 x 10³ J/N °C

Kayu – 0,239 hingga 0,27 x 10³ J/N °C.

(14) Kapasitas Termal: Properti dari suatu materi untuk menyerap panas dikenal sebagai kapasitas termalnya dan dihitung dengan persamaan berikut –

T = H / M (T₂ – T₁)

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

H = Jumlah panas yang diperlukan untuk meningkatkan suhu materi dari T₁ ke T₂ dalam J M = Massa materi dalam N

T₁ = Suhu materi sebelum pemanasan dalam °C

T₂ = Suhu materi setelah pemanasan dalam °C.

(15) Konduktivitas Termal: Konduktivitas termal dari suatu materi adalah jumlah panas dalam kilokalori yang akan mengalir melalui satuan luas materi dengan ketebalan satuan dalam satuan waktu ketika selisih suhu di wajahnya juga satu. Satuan konduktivitas termal adalah J per m jam °C dan biasanya dilambangkan dengan K. Konduktivitas termal dari suatu materi bergantung pada densitas, porositas, kandungan air, dan suhu.

Istilah resistensi termal dari suatu materi digunakan untuk berarti kebalikan dari konduktivitas termalnya. Resistensi termal dari suatu materi sama dengan resistensi termal dikalikan dengan ketebalannya.

(16) Serapan Air: Kemampuan dari suatu materi untuk menyerap dan memegang air dikenal sebagai serapan airnya. Bahan kering seluruhnya direndam dalam air dan kemudian serapan air dihitung sebagai persentase bobot atau persentase volume bahan kering. Ini terutama bergantung pada volume, ukuran, dan bentuk pori yang ada dalam materi.

(17) Permeabilitas Air: Kapasitas dari suatu materi untuk mengizinkan air melewati di bawah tekanan dikenal sebagai permeabilitas airnya dan dijelaskan sebagai jumlah air yang akan melewati materi dalam satu jam pada tekanan konstan, luas penampang spesimen adalah 1 cm. Bahan padat seperti kaca, baja, dll. tahan air atau tidak dapat melalui air.

(18) Resistensi Cuaca: Istilah resistensi cuaca digunakan untuk mengungkapkan kemampuan suatu materi untuk menahan kondisi basah dan kering bergantian tanpa mempengaruhi bentuk dan kekuatan mekanisnya secara serius. Ini menunjukkan perilaku bahan ketika terpapar kondisi kelembaban yang berubah.

Sifat Mekanis Bahan Teknik

Sifat mekanis materi seperti kekakuan, duktilitas, dan kekuatan sangat penting dalam menentukan fabrikan dan aplikasi praktis yang mungkin.

Bahan bangunan menunjukkan berbagai sifat mekanis yang luas dari kekerasan berlian hingga duktilitas tembaga murni dan perilaku elastis yang menakjubkan karet. Dengan cara yang sama, banyak bahan berperilaku sangat berbeda ketika diberi beban dengan cara yang berbeda. Misalnya, besi cor, semen, dan bata jauh lebih kuat dalam tekanan sementara kayu dan baja lebih kuat dalam tarikan.

Berikut adalah istilah-istilah terkait sifat mekanis umum bahan bangunan yang didefinisikan dan dijelaskan:

1. Abrasi
2. Creep
3. Elastisitas
4. Fatigue
5. Kekerasan
6. Kekuatan dampak
7. Plastisitas dan kelepuhan
8. Kekuatan
9. Keausan.

(1) Abrasi: Resistensi materi terhadap abrasi ditemukan dengan membagi selisih bobot spesimen sebelum dan setelah abrasi dengan luas abrasi.

(2) Creep: Dalam banyak aplikasi, bahan bangunan diperlukan untuk menahan beban konstan untuk waktu yang lama. Dalam kondisi seperti itu, materi mungkin terus deformasi hingga kegunaannya sangat berkurang. Deformasi yang bergantung pada waktu seperti itu dari struktur dapat tumbuh besar dan bahkan dapat mengakibatkan kerusakan akhir tanpa peningkatan beban. Jika deformasi terus berlanjut bahkan ketika beban konstan, deformasi tambahan ini dikenal sebagai creep.

Sebagian besar bahan bangunan creep dalam tingkat tertentu pada semua suhu. Namun logam teknik seperti baja, aluminium, dan tembaga sangat sedikit creep pada suhu ruangan. Suhu tinggi menyebabkan creep yang cepat yang sering disertai dengan perubahan mikrostruktur. Fenomena creep penting dalam polimer pada suhu ruangan, dalam legam aluminium pada 100°C dan dalam baja di atas 300°C.

(3) Elastisitas: Ketika beban diterapkan pada materi, ada perubahan dalam bentuk dan dimensinya. Istilah elastisitas digunakan untuk menunjukkan kemampuan materi untuk memulihkan bentuk awal dan dimensinya setelah beban dihapus.

Perbedaan antara dua istilah berikut harus diperhatikan:

(i) Deformasi Elastis: Deformasi dikatakan elastis ketika padat deformasi saat dimuat tetapi kembali ke posisi asli saat tidak dimuat. Perubahan tekanan atau aplikasi beban menghasilkan deformasi elastis. Istilah deformasi ideal digunakan untuk berarti deformasi yang terjadi secara instan saat gaya diterapkan dan menghilang sepenuhnya saat gaya dihapus.

Deformasi seperti itu mematuhi hukum Hooke dan strain elastis logam secara proporsional dengan gaya yang diterapkan. Deformasi ideal terjadi dengan gaya deformasi yang relatif kecil yang dapat menjaga stres kerja dalam batas elastis.

(ii) Deformasi Plastis: Deformasi dikatakan plastis ketika padat mempertahankan penuh atau sebagian perubahan bentuk setelah beban dihapus. Deformasi plastis diamati ketika stres melebihi batas elastis dan laju dikendalikan oleh laju strain, stres yang diterapkan, dan suhu. Ini dapat terjadi dalam stres tarik, tekanan, dan torsi. Ini sengaja dilakukan dalam proses seperti penggilingan, pengecoran, dll. untuk membuat produk yang berguna.

(4) Fatigue: Ketika bahan mengalami stres yang berulang atau fluktuasi, mereka akan gagal pada stres yang jauh lebih rendah daripada yang diperlukan untuk menyebabkan kerusakan pada beban konstan.

Perilaku ini disebut fatigue dan ditandai oleh tiga fitur berikut:

• Ketidakpastian yang meningkat dalam kekuatan dan umur pakai;
• Kehilangan duktilitas; dan
• Kehilangan kekuatan.

Berikut adalah alasan kegagalan fatigue:

• Lingkungan yang merosok yang mengakibatkan penurunan kekuatan fatigue;
• Titik konsentrasi stres;
• Kekurangan permukaan seperti tanda mesin dan ketidakteraturan permukaan; dan
• Suhu, kekuatan fatigue tinggi pada suhu rendah dan menurun secara bertahap seiring kenaikan suhu.

(5) Kekerasan: Kemampuan materi untuk menahan penetrasi oleh benda yang lebih keras dikenal sebagai kekerasannya. Ini adalah faktor utama dalam menentukan workability dan penggunaan materi untuk lantai dan permukaan jalan. Kekerasan bukan merupakan sifat dasar. Tapi ini adalah efek gabungan dari sifat tekanan, elastis, dan plastis relatif terhadap mode penetrasi, bentuk penetrator, dll.

Kekerasan memiliki hubungan yang cukup konstan dengan kekuatan tarik dari suatu materi yang diberikan. Oleh karena itu dapat digunakan sebagai tes non-destruktif praktis untuk mendapatkan ide kasar tentang kekuatan tarik materi dan kondisi logam di dekat permukaan.

Kekerasan bahan batu dapat ditentukan dengan bantuan skala kekerasan Mohs. Ini adalah daftar sepuluh bahan yang diurutkan dalam urutan kekerasan yang meningkat. Kekerasan dari suatu materi terletak di antara kekerasan dua bahan yaitu yang satu yang mencetak dan yang lain yang dicetak oleh materi yang akan diuji.

Tabel 1-2 menunjukkan skala kekerasan Mohs.

(6) Kekuatan Dampak: Kekuatan dampak dari suatu materi adalah jumlah kerja yang diperlukan untuk menyebabkan kegagalan per volume satuan. Ini menunjukkan ketawalan materi dan bahan diuji di mesin pengujian dampak untuk menentukan kekuatan dampaknya.

Kekuatan dampak adalah karakteristik kompleks yang mempertimbangkan baik ketawalan maupun kekuatan suatu materi.

Ini bervariasi dengan faktor-faktor berikut:

• Jika dimensi spesimen ditambah, ada juga peningkatan kekuatan dampak.
• Jika kejinatan ujung meningkat, kekuatan dampak yang diperlukan untuk menyebabkan kegagalan berkurang.
• Sudut ujung juga meningkatkan kekuatan dampak setelah nilai tertentu.
• Kekuatan dampak juga dipengaruhi hingga beberapa derajat oleh kecepatan dampak.
• Suhu spesimen yang diuji memberikan indikasi tentang jenis kerusakan yang mungkin terjadi yaitu duktil, rapuh, atau transisi duktil ke rapuh.

(7) Plastisitas dan Kelepuhan: Istilah plastisitas dari suatu materi didefinisikan sebagai kemampuannya untuk mengubah bentuknya di bawah beban tanpa retakan dan untuk mempertahankan bentuknya setelah penghapusan beban.

Bahan dapat secara garis besar dibagi menjadi dua kelompok, yaitu, bahan plastis dan bahan rapuh. Baja, tembaga, aspal panas, dll. adalah bahan plastis. Bahan rapuh gagal tiba-tiba di bawah tekanan tanpa deformasi yang signifikan sebelumnya. Bahan batu, bahan seramik, kaca, besi cor, beton, dan beberapa bahan lainnya rapuh dan mereka menawarkan resistensi yang buruk terhadap pengliukan, dampak, dan tarikan.

(8) Kekuatan: Kemampuan dari suatu materi untuk menahan kegagalan di bawah tindakan stres yang disebabkan oleh beban dikenal sebagai kekuatannya. Beban yang biasanya diterapkan pada materi adalah tekanan, tarikan, dan pengliukan. Kekuatan yang sesuai diperoleh dengan membagi beban ultimat dengan luas penampang spesimen.

Stres dalam bahan bangunan tidak diizinkan untuk melebihi persentase tertentu dari kekuatan ultimatnya. Dengan demikian, selang keamanan disediakan dan istilah faktor keamanan digunakan untuk menunjukkan rasio stres ultimat terhadap stres aman. Misalnya, jika faktor keamanan adalah dua, stres yang akan diadopsi untuk tujuan desain adalah setengah dari stres ultimat.

Nilai faktor keamanan ditentukan oleh standar desain dan mereka dirumuskan dengan mempertimbangkan berbagai faktor seperti sifat pekerjaan, kualitas materi, kondisi pelayanan, pertimbangan ekonomis, dll.

(9) Keausan: Kegagalan dari suatu materi di bawah tindakan gabungan dari abrasi dan dampak dikenal sebagai keausannya. Resistensi keausan biasanya diekspresikan sebagai persentase penurunan bobot dan sangat penting dalam menentukan kesesuaian materi untuk penggunaan permukaan jalan, balast kereta api, dll.