@_Pengantar Metalurgi (DR., Ir. Koesharjanto, MT.).pdf

1
TM-141 Pengantar Metalurgi
DR. Ir. Kusharjanto, MT.
Metallurgical Engineering Department
Faculty of Engineering
University of Jenderal Achmad Yani

2
Tujuan Perkuliahan
 Memberikan/memperkenalkan
pengetahuan dan pemahaman dasar
tentang proses pengolahan
bahan/material melalui berbagai proses
hingga menjadi produk jadi (proses-
proses dari hulu ke hilir).

3
S i l a b u s
 Pengantar mengenai metalurgi (siklus material).
 Pengolahan bahan galian.
 Pemurnian bijih logam.
 Proses pembuatan besi kasar.
 Proses pembuatan baja dari besi kasar.
 Jenis-jenis tungku peleburan untuk besi cor dan baja.
 Sifat-sifat bahan (mekanik, fisik, kimia dan teknologi).
 Struktur atom.
 Paduan dan diagram fasa.
 Klasifikasi besi cor dan baja berdasarkan diagram fasa Fe-C.
 Klasifikasi material berdasarkan standar.
 Proses-proses manufaktur.
 Pengujian bahan.

4
P u s t a k a
 W.F. Smith, “Principles of Materials Science and
Engineering”, McGraw-Hill, Singapore, 1990.
 J.A. Jacobs, ”Engineering Materials Technology”, Prentice-
Hall, 1994.
 S.H. Avner, ”Introduction to Physical Metallurgy”, McGraw-
Hill, Tokyo, 1974.
 D.S. Clark, W.R. Varney, ”Physical Metallurgy for Engineers”,
Van-Nostrand Reinhold Co., New York, 1952.
 D.A. Brandt, ”Metallurgy Fundamentals”, Goodheart-Willcox
Co. Inc., South Holland, Illinois, 1985.
 B.J. Moniz, ”Metallurgy”, 2nd edition, ATP, Homewood, Illinois,
1994.
 E. Paul DeGarmo, J.T. Black, Kohser, ”Materials and Processes
in Manufacturing”, Macmillan Publishing Company, New York,
1988.
 Ying Zhang, “ME3110: Physical Metallurgy & Heat
Treatment”, Lecture Modules, University of Tennessee, USA,
2003.
 James P. Brik, “CHM-115 BLB, Chapter 23: Metals and
Metallurgy”, Lecture Modules, Arizona State University, USA,
2001.

5
Penilaian
 Ujian Tengah Semester (UTS) =
30%
 Ujian Akhir Semester (UAS) = 40%
 Tugas-tugas = 20%
 Kuis = 10%
 Yang berhak mengikuti ujian akhir
semester: kehadiran ≥ 80%

6
Contoh-contoh produk :
Early food containers of glass & steel use common ceramic and
metal materials of the late 19th & early 20th centuries

7
The new containers are lightweight, will not break,
and offer long shelf life for their contents
Advances in materials technology brought on new containers made of two-
piece Al and steel cans and “barrier” packages made of laminated
composites of plastics, aluminum, and paper.

8
Decorated Foil Pouches for Food and Drink
 1XXX represents the commercially
pure aluminum.
 High formability, corrosion
resistance and electrical
conductivity
 Electrical, chemical
applications
 The 1XXX series would not be used
where strength is a prime
consideration.
 For the applications where
extremely high corrosion
resistance, formability and/or
electrical conductivity are required
(foil and strip for packaging)
1060 or 1110

10
Pesawat terbang
Jaringan listrik

11
Peralatan dapur
Rodagigi
Kereta listrik
Baut dan mur
Elektronik Pembuatan Pesawat terbang

12
Komponen mesin
Komponen mesin
hasil coran
Pembuatan mobil
Komponen mesin
Sudu turbin

13
Patung tembaga paduan Pakaian perang
Mobil masa depan
Ford contour dengan bahan
dari aluminium ekstrusi
Bronze
Mask

23
Metals
Metals: combination of metallic elements (free
electrons)
 good conductors of electricity and heat
 not transparent to visible light
 strong and ductile
A metal is defined as an opaque, lustrous elemental
chemical substance that is a good conductor of heat
and electricity, and when polished, a good reflector of
light. (ASM Definition)

24
The Periodic Table
Transition Metals
Metals

25
Five Types of Materials
Metals
Ceramics
Polymers
Composites
Other materials

27
Metallurgy
Metallurgy: the study of metals
One field on which materials science
and engineering was based
Through the centuries, metals in their
many combinations as alloys have been
developed into a key material for
engineering

28
What is an engineering
material?
 A solid with useful properties (structural,
electrical, optical properties, corrosion
resistance, etc.), which go into products and
systems
 Engineering materials technology covers the
fields of applied science related to materials,
materials processing, and the many
engineering specialties dealing with materials
such as research and development, design,
manufacturing, construction, and
maintenance.

29
Some Definitions
 Materials science: a discipline involves investigating
and understanding the relationships that exist between
the structures and properties of materials
… Fundamental: “WHY?”
 Materials engineering: on the basis of these structure-
property correlations, designing or engineering the
structure of a material to produce a predetermined set
of properties
… Applied: “HOW?”

30
Application of the Tetrahedron of Materials Science &
Engineering to Sheet Steels for Automotive Chassis
Note that the microstructure-synthesis and processing-composition are all
interconnected and affect the performance-to-cost ratio.

1
Peradaban manusia dan perkembangan material
Source: J.A. Jacobs, ”Engineering Materials Technology”, Prentice-Hall, 1994.

2
Siklus Material
Penggunaan/pengoperasian Penambangan
Proses pemurnian bijih logam,
Pembuatan ingot, bahan ½ jadi
Pemilihan bahan dan proses
Proses manufaktur
(pembuatan komponen,
perakitan)
Pembumian/daur ulang
Produk yang telah rusak
Konsentrasi pekerjaan
Teknik Metalurgi

3
Penambangan
 Analisis dari instansi terkait, seperti Departemen
Pertambangan atau konsultan yang telah meneliti
bahwa suatu daerah mempunyai kandungan mineral
tertentu dan bisa dieksplorasi.
 Contoh-contoh :
- Timika, Papua terdapat tembaga dan emas.
- Asahan, Sumatera Utara terdapat aluminum.
- Bangka dan Belitung, Sumatera Selatan terdapat
timah putih.
- Pomalaa, Sulawesi Selatan terdapat ferro-nikel.
- Pongkor, Jawa Barat terdapat emas.

4
Peta Pertambangan yang di olah oleh
PT Aneka Tambang (Persero), Tbk

5
Pasir besi di Cilacap, Kutoarjo (Jawa
Tengah) dan Lumajang (Jawa Timur)
Sumber: PT Aneka Tambang (Persero), Tbk.

6
Penambangan bauksit di Pulau Bintan dan
Tayan, Kalimantan Barat

7
Penambangan emas di Pongkor, Jawa Barat

8
Penambangan emas di Batu Hijau,
Sumbawa
Source: Newmont Mining Corporation

9
Penambangan fero-nikel di Pomalaa, Sulawesi
Selatan

10
Mining Exploration
Drilling Underground exploration
Opencast mining Opencast mining
Source: Kroondal Plant, Australia

11
Mining land and plant
Source: Kroondal Plant, Australia

12
Proses pemurnian
Plant night overview Source: Kroondal Plant, Australia

13
Perhiasan dari
Platina
Source: Kroondal, Australia

14
Bijih-bijih (Ores)
Bijih-bijih logam (metal ores)
Sifat umum :
 Mengkilat.
 Menghantarkan listrik dan panas.
 Berwarna (putih, kemerah-merahan, kuning, dsb.).
 Kekerasan yang berbeda-beda.
 Massa jenis yang berbeda-beda, logam berat  >
5; logam ringan  < 5).
 Sifat kimia yang berbeda-beda :
– Logam mulia (tidak mengalami oksidasi; Au, Pt, Ag, dan
Hg).
– Logam setengah mulia (agak sukar teroksidasi; Cu).
– Logam tidak mulia (mudah teroksidasi; Al, Fe, Zn, Sn, Pb,
dsb.).

15
Source: Prof. James P. Brik, Arizona State University, JBrik@asu.edu

16
Sumber logam
Bijih-bijih logam yang diperoleh dari penambangan biasanya
masih bercampur dengan bahan ikutan lainnya.
Persentase berat dari unsur-unsur yang terkandung didalam
bijih bergantung pada kedalaman tanah dimana bijih tersebut
diperoleh.
Logam yang terdapat pada bijih-bijih biasanya masih dalam
keadaan terikat dengan unsur lain (berupa senyawa),
misalnya :
–Berupa oksida (bijih Fe, Cr, Mn, Sn, dll.).
–Berupa karbonat (bijih Zn, Cu, dll.).
–Berupa sulfida (bijih Pb, Zn, Cu, dll.).
Contoh-contoh :
SiO2 (kwarsa), CaCO3 (kalsit), ZnS (spalerit), CuFe2S
(kalkopirit), Fe2O3 (hematit), FeS2 (pirit), NiS (milerit), SnO2
(kalsilexit), dll.

17
Kondisi deposit mineral dalam tanah
Deposit berada didalam tanah
Deposit berada dipermukaan
Proses penambangan
Keadaan deposit mineral tersebar didalam tanah

18
Kandungan hasil eksplorasi
p a d a b i j i h b e s i

19
Pengerjaan bijih-bijih
1. Pemecahan bijih-bijih
Bijih-bijih yang diperoleh dari penambangan biasanya
mempunyai ukuran yang relatif masih besar (1200-
1500mm), sedangkan pada kenyataannya dibutuhkan
ukuran bijih yang lebih kecil/halus (bisa sampai 0,1mm)
sehingga bijih-bijih tersebut harus diperkecil terlebih
dahulu.
Pengerjaan Ukuran
feed(mm)
Ukuran
produk(mm)
Breaking 1500-300 300-100
Crushing 300-100 50-10
Fine crushing 50-10 10-2
Grinding 20 0,05

20
Peralatan penghancur bijih-bijih
Gyratory Crusher
Beater mill
Ball mill

21
Crusher and Gyratory crusher
Source: Institute of Materials Processing,
Michigan Technological University
l
a
r
r
o
t
o
r
Crusher housing top
incorporating dust re-
circulation system Feed material
Material build-up for rock-
on-rock crushing action
Maximum opening allows
free discharge of moist
materials
Crusher housing
top lifting system
Modular rotor
Twister
Source: M. H. Screening

22
Autogenous Grinding Mill
Ball Grinding Mill

23
2. Pengayakan
 Bijih-bijih yang sudah dipecah dipisahkan menurut ukuran
butirnya, proses ini disebut pengayakan (sizing)
 Dilakukan agar jangan sampai terjadi pemecahan bijih yang
terlalu kecil (lebih kecil dari ukuran yang diperlukan).
Tahapan proses pengayakan

24
Size classification

25
3. Pemisahan bijih-bijih (ores dressing)
Tujuan dari ore dressing adalah memisahkan bijih-bijih
dari bahan ikutan/pengotor yang biasa disebut tailing.
Dengan pemisahan bijih mempunyai persentase yang
lebih tinggi, disebut konsentrat.
Proses pengayakan

26
Berbagai cara dilakukan untuk memisahkan bijih dari pengotor,
yaitu :
-Pemisahan berdasarkan warna dan bentuk bijih.
-Pemisahan berdasarkan perbedaan kekerasan bijih.
-Pemisahan berdasarkan gesekan, bijih diluncurkan pada bidang miring
sehingga bahan yang lebih ringan akan meluncur dengan cepat.
-Pemisahan secara elektrostatik, berdasarkan konduktivitas listrik.
-Pemisahan secara magnetis.
-Pemisahan berdasarkan gravitasi bijih, dibedakan berdasarkan
kecepatan tenggelam atau jatuhnya bijih dalam suatu cairan atau udara.
-Pemisahan dengan menggunakan suatu medium berat. Akan terdapat
bijih yang mengapung dan tenggelam tergantung dari massa jenis
bijih dan medium yang digunakan. Medium bisa cairan organik atau
larutan.
-Flotasi atau pengapungan bijih yang sudah berbentuk bubuk
dengan bantuan peniupan udara.

27
Separation and concentration equipment

28
Examples of Mineral Processing Equipment
DSM size classifier
screening the ore
Concentrate Ore Milling
Ball Mill
Collecting a grinding
sample
Sampling at the
regrinding ball mill
Spiral separator Froth Flotation
Denver cells
Froth Flotation
Wemco cells
Froth Flotation close-up
Wemco cell
Froth Flotation close-up
Denver cell
Source:
Institute
of
Materials
Processing
Michigan
Technological
University

29
Magnetic Separator
Pemrosesan bijih-bijih (ores processing)
Tahapan proses :
1. Pra-olahan
Tahap persiapan secara kimia untuk menyesuaikan komposisi
bahan baku (konsentrat) bagi tahapan ekstraksi selanjutnya.

30
Proses pra-olahan :
Kalsinasi
Pengerjaan pada temperatur tinggi tanpa terjadi peleburan
dan penambahan reagent dengan maksud untuk
mengubah bentuk senyawa yang terkandung, umumnya
berupa penguraian senyawa kimia.
MCO3 MO + CO2
Fe2O3.xH20 Fe2O3(p) + xH2O(g)

32
Thermal Curing: Muffle Furnace
Thermal Curing: Calciner
Dewatering, agglomeration and Thermal curing equipment

33
In a process called benficiation, many mine mouth processing plants crush and
grind the ore to very fine particles. These iron rich fines are then separated from the
rock either magnetically or by flotation and made into pellets a process called
pelletizing. At the iron and steel plants, fines are recovered from ore handling and
from the blast furnace itself. These fines are partially fused and then broken up into
a uniform size in a process called sintering that allows the material to be fed into
the blast furnace.
Agglomeration process

34
In the pelletizing process, fine ore concentrate is mixed with a binder
(bentonite) and formed into green balls in the balling drums. These green
balls are then fed into traveling grate kiln furnaces where they are dried and
heated and then pass into a rotary kiln for final heating to a point just below
fusion (2400°F). The largest furnaces are capable of producing 3.3 million
tons of pallets per year.
In the sintering process, ore, limestone, and coke fines are mixed and
deposited on a traveling grate. Burners ignite the mixture at the feed end of
the grate. Air is pulled down through the bed to cause the burning zone to
move through the bed until the sintering of the mixture has taken place
throughout the entire depth of the bed. The porous, clinker-like sinter is
cooled and broken up for use in the blast furnace. The use of sinter reduces
coke requirements in the blast furnace, because the limestone is pre-
reduced in the sinter bed. Typical daily production from a sinter plant is on
the order or 2.3 to 4.4 net tons/sq ft. of grate area.
Source: The Making, Shaping, and Treating of Steel, 10th Edition,
Association of Iron and Steel Engineers, 1985.

35
Pemanggangan (roasting)
Merupakan proses pemanasan suatu bijih tanpa terjadi
peleburan disertai penambahan reagent (biasanya berupa gas)
dengan tujuan untuk mengubah senyawa yang terkandung
menjadi seyawa lain yang lebih sesuai untuk proses
selanjutnya.
2MS + 3O2 2MO + 2SO2
2. Ekstraksi
Merupakan rangkaian pengerjaan untuk menghasilkan logam
paduan atau senyawa tertentu dari bijih yang diproses.
Faktor pemilihan proses ekstraksi :
-Bahan baku yang diolah (kadar, pengotor, jenis senyawa).
-Fasilitas yang tersedia dikaitkan dengan investasi.
-Sumber energi/bahan bakar dan bahan penolong yang
diperlukan untuk proses.
-Prasarana yang ada.

36
Klasifikasi proses ekstraksi logam
a. Ekstraksi Pyro Metallurgy
Meliputi proses-proses pada temperatur tinggi untuk
melakukan ekstraksi dan pemurnian logam (biasanya
diatas 500C).
Source:
Prof.
James
P.
Brik,
Arizona
State
University,
JBrik@asu.edu

37
Contoh lain proses pyro metallurgy:
Proses pembuatan pig iron pada tanur tinggi/blast
furnace/hoogovens

38
Ekstraksi Hydro Metallurgy
Proses ekstraksi yang didasarkan pada cara-cara pelarutan
menggunakan jenis-jenis pelarut yang selektif (terutama
pelarut air/aqueous solution).

39

40
Source:
Prof.
James
P.
Brik,
Arizona
State
University,
JBrik@asu.edu

41
Ekstraksi Electro Metallurgy
Meliputi ekstrasi berdasarkan prinsip-prinsip elektrokimia
(menggunakan energi listrik untuk melangsungkan proses).
Source:
Prof.
James
P.
Brik,
Arizona
State
University,
JBrik@asu.edu

42
Source:
Prof.
James
P.
Brik,
Arizona
State
University,
JBrik@asu.edu

43

44
Source:
Prof.
James
P.
Brik,
Arizona
State
University,
JBrik@asu.edu

45
4000 kg bauxite 1-53% Al2O3
1900 kg Al2O3
70 kg cryolite
450 kg C anodes
Electrolyti
c
cell
56x109 J energy
(45 V, 103 A)
1000 kg Al
Source:
Prof.
James
P.
Brik,
Arizona
State
University,
JBrik@asu.edu

46

47
Source:
Prof.
James
P.
Brik,
Arizona
State
University,
JBrik@asu.edu

48

49
Source:
Prof.
James
P.
Brik,
Arizona
State
University,
JBrik@asu.edu

50
Contoh diagram alir pemurnian bijih PbS (Galena)
Konsentrat Pb
Bahan tambah dan batubara
Blast roasting
Sinter
Pemisahan
Peleburan
Refining
Gas
Terak Debu
Timah hitam
Gas, debu
Pb murni Cu, As, Sb, Sn, Ag, Au, Zn buang

51
Diagram alir pemurnian
untuk menghasilkan emas

52
Tanur tinggi/Blast furnace
•Tanur tinggi digunakan untuk
mengubah bijih besi menjadi besi
kasar (pig iron).
•Muatannya adalah bijih besi, kokas
dan batu kapur
•Pembakaran dengan udara panas
yang ditiupkan kedalan tungku.

53
Coal is converted to coke in large coke oven batteries like the one
pictured. The coking process consists of heating coal in the absence of
air to drive off the volatile compounds; the resulting coke is a hard,
but porous carbon material that is used for reducing the iron in the
blast furnace. The modern by-product coke oven recovers volatile
chemicals in the form of coke oven gas, tars, and oils.
Coke Processing

54
Coke Processing (continued)
Courtesy of "The Making, Shaping, and Treating of Steel"
Association of Iron and Steel Engineers

55
Stock yard iron ores
(Armco Inc.)
Blast furnace; t = 60m; = ± 1m
(Armco Inc.)
Blast furnace

57
Important !!
Please remember
the main reactions

58

59

60

61

62

63

66
Proses pembuatan baja
The Bessemer/Thomas process
Proses pembuatan baja dengan tungku ditemukan
pertama kali oleh Henry Bessemer pada tahun 1855.
Proses ini menggunakan silika (SiO2) sebagai bata
tahan api/lining dan mempunyai sifat asam sehingga
proses ini disebut Acid Bessemer process dimana
sulfur dan fosfor tidak dapat dihilangkan.
Reaksi didalam tungku :
Si + 2FeO SiO2 + 2Fe
Mn + FeO MnO + Fe
C + FeO CO + Fe

67
Pada tahun 1877 PC Gilchrist dan Sidney Gilchrist
Thomas menggunakan dolomit yang bersifat basa
sebagai bata tahan api untuk besi kasar cair yang
banyak mengandung fosfor. Proses ini disebut Basic
Bessemer process/Thomas process.
Dolomit adalah campuran antara kalsium karbonat
(CaCO3) dan magnesium karbonat (MgCO3).
Reaksi didalam tungku :
2P + 5FeO P2O5 + 5Fe
Kegunaan :
Acid Bessemer : rel, pegas, sekrup, pipa, kawat, dll.
Basic Bessemer : lebih banyak untuk pembuatan
pipa.

69
Tungku Bessemer
Lining tungku Bessemer

70
The Open Hearth
process/Siemens-Martin process
Proses ini pertama kali ditemukan oleh
Pierre Martin pada tahun 1865.
Digunakan untuk mengolah besi/baja
bekas (skrap). Dapur ini dinyalakan
dengan gas yang dibuat dari dapur-
dapur regenerator.
Pada tahun 1867 Sir William
Siemens mengembangkan tungku
buatan Pierre Martin sehingga tungku
tersebut diberi nama Siemens-
Martin open hearth process.

72
The L-D process (Basic Oxygen Furnace,
BOF)
Tungku ini mirip dengan tungku Bessemer,
Proses ini dikembangkan oleh Linz dan Donawitz dengan
memberikan tiupan oksigen didekat permukaan logam cair.

73

75
Charging aisle of a Basic Oxygen Steelmaking
Plant showing scrap being charged into the
BOF vessel. A ladle full of hot metal is seen to
the right.
A ladle of molten steel leaving
for the ladle metallurgical
facility or the caster.

76
BOF Vessel in Its Operating Positions.
Section through the BOF
vessel during oxygen blowing.

77
Electric Arc Furnace (EAF)/Tungku Busur
Listrik
Tungku ini menggunakan elektroda terbuat dari grafit yang
dialiri arus listrik sehingga timbul arc (busur) yang dapat
mencairkan baja.

79
Proses Pembuatan Baja di PT. Krakatau Steel

80
Proses Reduksi Langsung di PT. Krakatau Steel
(HYL process)
Gas alam CH4 Pelet bijih besi
Besi spons
(sponge iron)
Proses reduksi
langsung
CO + H2
Reaksi gas alam yang dipanaskan :
CH4 + H2O CO + 3H2
CH4 + H2O CO2 + 4H2
Reaksi pada pelet bijih besi :
Fe2O3 + 3H2 2Fe + 3H2O
Fe2O3 + 3CO 2Fe + 3CO2
Tungku EAF

81
Direct reduction for pig iron

82
In a direct reduction process, lump iron oxide pellets and/or lump iron ore, are
reduced (oxygen removed) by a reducing gas, producing direct reduced iron (DRI).
If the cooling stage is omitted, the DRI can be immediately briquetted into hot
briquetted iron (HBI). The reducing gas can be generated externally to the
reduction furnace, or can be generated from hydrocarbons introduced into the
reduction zone of the furnace. In the former case, the reducing gas is produced
from a mixture of natural gas (usually methane) and recycled gas from the reducing
furnace. The mixture is passed through catalyst tubes where it is chemically
converted to a gas that is rich in hydrogen and carbon monoxide. Examples of
processes that use variations of this general procedure include Midrex and HYL.
When the reducing gas is generated from hydrocarbons in the reduction zone of the
furnace, it is typically a rotary kiln furnace that uses hydrocarbon fuels (primarily
coal, but sometimes oil and natural gas) without prior gasification in the reduction
chamber. Examples include the ACCAR and SL/RN processes.
DRI - also known as direct reduced iron, is a virgin iron source that is relatively
uniform in composition, and virtually free from tramp elements. It is used
increasingly in electric furnace steelmaking to dilute the contaminants present in
the scrap used in these processes. It has an associated energy value in the form of
combined carbon, which has a tendency to increase furnace efficiency. For captive
DRI production facilities, there is the added advantage that the delivery of hot DRI
to the furnace can reduce energy consumption 16 to 20%.

83
Processes
Midrex - The charge is fed in continuously from the top of the furnace,
passing uniformly through the preheat, reduction, and cooling zones of
the furnace. The reducing gas consists of about 95% combined
hydrogen plus carbon monoxide. It is heated to a temperature range of
1400° to 1700°F and is fed in from the bottom of the furnace, below
the reducing section. The gas flows countercurrent to the descending
solids. At the top of the furnace, the partially spent reducing gas
(approximately 70% hydrogen plus carbon monoxide) exists and is
recompressed, enriched with natural gas, preheated to 750°F, and
transported to the gas reformer. The reformer reforms the mixture back
to 95% hydrogen plus carbon monoxide, which is then ready for re-use
by the direct reduction furnace. In the cooling zone, the cooling gases
flow countercurrent to the DRI. At the top of the cooling zone, the
cooling gases exit, are sent to recycling, then return to the bottom of
the cooling zone. The cooled direct reduced iron (DRI) is discharged
through the bottom of the furnace, after which it is screened for
removal of fines, and treated to minimize the danger of spontaneous
ignition during extended storage. The reduced fines are briquetted to
produce a usable DRI product.

84
HYL - The HYL process uses reformed natural gas to reduce lump
ore and fixed pellets in fixed-bus retorts. Prior to the gas reformer,
natural gas is mixed with excess steam (over and above
stoichiometric requirements) and is then passed over nickel-based
catalysts. The excess steam server to prevent carbon formation and
promote catalyst life. After the reformer, the water vapor in the
reformed gas is removed by quenching, to achieve a hydrogen-rich
reducing gas. The HYL process utilized four reactors in the reducing
section. The reduction of the charge occurs in an initial and main
reduction stage, while the third stage is used for cooling,
carburization, and the final adjustment of metallization. The charge
reduction takes place at temperatures above 1800°F, the advantages
of this being that the reduction efficiency is raised, and the result is a
more stable product with a reduced pyrophoric tendency. The HYL
process uses cold reducing natural gas for product cooling as well as
carburization. Product cooling occurs at temperatures of around
1020°F, during which time carbon is deposited to form a cementite
(Fe3C) shell that retards reoxidation

85
ACCAR - The Allis-Chalmers Controlled Atmosphere Reactor
(ACCAR) was designed to produce highly metallized DRI in an
intricately ported rotary kiln. The liquid and/or gaseous fuels are
injected under the bed, and air above it. The charge (e.g. coal, lump
ore, and/or iron oxide pellets) is heated to reduction temperature by
counter-flowing hot gas. The carbon and carbon monoxide reducing
gases are formed from the hydrocarbons present in the reduction
zone, and initiate the reduction. Additional liquid and/or gaseous fuel
introduced through the kiln shell ports near the product end of the
kiln brings about the final degree of reduction. The product is then
discharged into a rotary cooler which is externally spray-cooled.
Magnetic separation is used to separate the DRI and coal ash,
followed by screening to separate the coarse and fine product.

86
SL/RN - The charge, preheated to 1800°F by counter-flowing freeboard
gases, usually consists of lump ore (or pellets), coal, recycled char, and
flux if sulphur need to be removed from the coal. Reduction is brought
about by reducing gases generated from hydrocarbons present in the
reduction section. In order to raise kiln efficiency, the preheat zone is
usually limited to 40 to 50% of total kiln length. To ensure a uniform
temperature throughout the reduction zone, and to prevent accredation
formation due to overheating in hot zones, all the coal is introduced at
the feed end of the kiln. As the charge moves into the reduction zone,
reduction begins when it has reached roughly 1650°F. After reduction,
the solids are discharged into a sealed rotary cooler, where water is
sprayed on the cooler shell to reduce the temperature of the solids to
about 200°F in a non-oxidizing atmosphere. The cooled material is then
separate into DRI, DRI fines, and non-magnetics by a series of screens
and magnetic separators. The fines are briquetted to be used later with
the DRI.

87
Pembuatan Slab, baja pelat dan lembaran

89
Slab Billet
Wire rod
Hot rolled coil
Cold rolled coil
Hot rolled plate

92
Tungku Induksi
(Induction Furnace)
arus listrik dialirkan ke koil
sehingga menyebabkan medan
magnet disekeliling koil.
Sehingga menghasilkan arus
induksi (arus imbas) yang
digunakan untuk mencairkan
logam.
Akibat arus imbas terjadi efek
pengadukan pada logam cair
sehingga komposisi seragam.
Banyak digunakan untuk
mencairkan berbagai jenis besi
cor.

93
Tungku Krusibel
(Crucible Furnace)
Merupakan metoda yang paling tua,
pemanasan menggunakan bahan bakar
minyak tanah, solar dan meniupkan
udara panas.
Banyak digunakan untuk melebur
logam-logam non-ferrous (aluminum,
tembaga, timah, dll.)

6
Penuangan logam cair
Penuangan logam cair dari tungku terutama untuk tungku
dengan kapasitas yang besar tidak langsung dimasukkan ke
dalam cetakan, tetapi biasanya dituangkan terlebih dahulu
ke dalam ladle (tapping process) dan kemudian dituangkan
kedalam cetakan (pouring process). Hasil dari cetakan
tersebut disebut ingot.
Metode penuangan logam cair ke cetakan ingot :
1. Direct teeming
2. Tundishing
3. Uphill/trumpet teeming

7
1. Direct teeming
 Logam cair dituangkan ke dalam cetakan
dan langsung mengenai dasar cetakan.
Cara ini merupakan cara yang termudah
tetapi terjadi percikan logam cair yang
dapat menyebabkan cacat pada
permukaan ingot. Dihindari dengan
memasang pelat yang terbuat dari baja
dibagian dasar cetakan yang nantinya
akan ikut menjadi cair.
 Kecepatan penuangan ke dalam cetakan
haruslah diperhatikan; jika terlalu cepat
akan terjadi retak pada ingot, sedangkan
jika terlalu lambat permukaan ingot akan
bergelombang.

8
2. Tundishing
•Kotak tundish diletakkan diantara ladle dan cetakan, ini dapat
mengurangi kecepatan jatuh logam cair dan menghindari percikan.
•Tundish-nya bisa dibuat satu atau lebih sehingga efisien.

9
3. Uphill/trumpet teeming
•Logam cair dituangkan melalui saluran berbentuk trompet yang
berada ditengah-tengah dua cetakan ingot, dimana logam cair masuk
ke dalam cetakan ingot dari bawah.
•Kerugian cara ini adalah terbawanya lining/bata tahan api akibat
terkikis oleh aliran logam cair.

11
Bentuk-bentuk cetakan ingot

12
Jenis baja ingot :
1. Killed steel
2. Rimming steel
3. Balanced or semi-killed steel
 Terjadinya perbedaan baja ingot disebabkan karena pada
saat proses pemurnian logam cair mengandung karbon dan
besi oksida yang tidak larut.
 Selain selama proses peleburan/pencairan logam, harus
dilakukan pengontrolan komposisi paduan, perlu pula
diperhatikan timbulnya gas-gas yang dapat terjebak pada
saat pembekuan dalam cetakan atau pengotor-pengotor
yang belum terikat sempurna menjadi slag/terak.
 Untuk menghilangkannya ditambahkan deoksidan/deoxidizer
seperti silikon, aluminium atau mangan.

14
Penampang ingot akibat proses
pembekuan
Proses pemanasan ingot
pada 1200C, t= 4-8 jam

17
Continous casting (cor kontinyu)

19
Materials Sciences adalah suatu aspek yang mempelajari
karakteristik material secara keilmuan dan teknologi yang dapat
digunakan untuk membuat material atau bahan teknik.
Materials Sciences
Metallurgical
Engineering
Composite
Engineering
Polymer
Engineering
Materials
Engineering
Ceramic
Engineering

20
1. Metallurgical Engineering
 Mempelajari karakteristik logam dan paduannya,
merupakan ilmu tertua yang mempelajari material teknik.
 Perkembangan metalurgi selama 150 tahun terakhir
membaginya menjadi 3 bagian utama, yaitu :
a. Metalurgi Ekstraksi (mempelajari bagaimana
mengekstraksi dan memurnikan suatu logam dari
bijihnya).
b. Metalurgi Fisik (mempelajari pengaruh struktur nikro
terhadap sifat-sifat logam, memodifikasi struktur mikro).
c. Metalurgi Mekanik (mempelajari teknik pembuatan
dan gaya-gaya yang bekerja untuk membentuk suatu
logam menjadi produk tertentu).

21
2. Ceramic Engineering
 Mempelajari perkembangan dan produksi suatu produk yang
terbuat dari bahan non-metalik, inorganik dengan pembakaran
pada temperatur tinggi.
3. Polymer Engineering
 Mempelajari perkembangan produk yang terbuat dari bahan
sintetis organik.
 Polimer terdiri atas Thermosetting dan Thermoplastic.
4. Composite Engineering
 Mempelajari penerapan gabungan material untuk memperoleh
sifat-sifat yang tidak dimiliki oleh masing-masing bahan.
 Kombinasi yang dilakukan bisa logam, keramik, polimer
5. Materials Engineering
 Mengevaluasi karakteristik sifat-sifat yang dimiliki oleh material.
Ini berhubungan dengan penggantian material yang dapat
memperbaiki kemampuan dan menurunkan harga komponen.

22
Spektrum pengetahuan material,
penggabungan pengetahuan
material dari ilmu material dan
material teknik menjadikan
rekasayawan dapat mengubah
material menjadi prduk yang
berguna bagi masyarakat
Diagram yang menggambarkan
bagaimana ilmu dan teknik material
terbentuk dari rangkaian pengetahuan
dari ilmu-ilmu dasar dan berbagai
disiplin ilmu pengetahuan.

23
Flow chart pembuatan suatu komponen
Gambar diatas mengkaitkan berbagai hal yang harus diperhatikan
oleh seorang perancang dalam membuat suatu komponen atau
konstruksi.

24
Contoh pengembangan material :
Penggantian lutut manusia
dengan Porous Coated
Anatomic (PCA)
Komponen mesin yang lebih efisien,
terbuat dari keramik dan komposit maju
menggantikan material tradisional, silicon-
nitride piston pin, two titanium valves,
rapid solidification (RS) aluminum valve,
metal-matrix composite (MMC) piston, RS
aluminum connecting rod, two titanium
valve spring retainers.

25
Paduan non-fero maju pada
Boeing 777, variasi paduan
aluminum dan titanium untuk
meningkatkan daya tahan dan
mengurangi berat pesawat.
Magnesium ekstrusi untuk rangka
kursi, mereduksi berat hingga 40%.

26
Baja paduan digunakan untuk
landing gear pesawat F/A-18
Peralatan dapur terbuat dari baja
tahan karat

27
Aplikasi titanium pada tubuh manusia (biomaterials)

29
Biomaterials untuk gigi (Vitallium
= paduan cor Co, Cr, Mo dan Ni)
Biomaterial untuk tulang (Vitallium)

1
Struktur Logam
Setiap logam ataupun
non logam merupakan
unsur kimia.
Pada temperatur kamar
umumnya berbentuk
padatan (Au, Fe dan Pb).
Beberapa berbentuk gas
(O dan N).
Sedikit berbentuk cairan
(Br dan Hg).
Karakteristik unsur

2
Struktur atom
•Struktur atom adalah
kumpulan atom yang terdiri
dari beberapa unsur kimia.
•Bentuk umum untuk logam
dan non-logam adalah senyawa
dan larutan padat.
Senyawa: material yang terdiri
dari dua atau lebih unsur yang
secara kimiawi dapat
terbentuk.
Dalam bentuk yang sederhana
terbentuk dari dua unsur.

3
 Relationship
between:
– Atoms
– Molecules
– Minerals
– Rocks
– Landforms

4
Karakteristik senyawa yang
terbentuk akan berbeda dari
unsur-unsur pembentuknya.
Contoh pada air (H2O)
Air terbuat dari H dan O,
dimana keduanya adalah gas.
H dan O adalah gas yang
berbahaya (mudah terbakar
dan beracun) tetapi ketika
bergabung menjadi air
sifatnya berubah/berbeda dari
asalnya.

5
Ketika dua material bergabung dan
membentuk larutan, salah satu akan
menjadi “diktator” dan lainnya akan
tunduk. Diktator akan menguasai dan
melarutkannya.
Diktator material dalam larutan
biasanya adalah cairan. Material yang
terlarut bisa cair atau padat. Contoh
sederhana adalah air garam atau air
gula.
Setelah gula terlarut dalam air, akan
sulit untuk mengetahui perbedaan air
gula dan air biasa. Air adalah
diktator, secara total menguasai gula.

6
Diktator material = SOLVENT
Material terlarut = SOLUTE
Pada logam berlaku larutan padat (solid
solution).
Dengan demikian solvent dan solute
keduanya adalah padatan.
Pelarutan terjadi pada temperatur tinggi,
dimana kedua padatan berubah menjadi
cair. Untuk baja, pada temperatur tinggi,
besi (Fe) dapat melarutkan banyak
unsur-unsur khususnya karbon. Fe
menjadi diktator. Sejumlah kecil C, S
atau Mn menjadi unsur yang terlarut.

7
Struktur partikel atom:
Secara umum struktur atom terdiri dari inti atau nucleus (proton dan
neutron) yang dikelilingi oleh elektron.
Proton = partikel bermuatan positif
Neutron = netral
Elektron = bermuatan negatif
Jumlah proton = jumlah elektron
Setiap kulit pada orbit elektron mengandung sejumlah elektron,
misalnya pada kulit pertama (terdekat dengan inti) = 2 elektron,
kedua = 8 elektron, ketiga = 18 elektron, keempat = 32 elektron

9
Jika kulit terluar telah terpenuhi jumlah
elektronnya, maka unsur akan menjadi
stabil dan tidak akan bereaksi dengan
unsur lain membentuk senyawa atau
molekul. Contoh: gas inert argon dan
helium digunakan sebagai gas
pelindung dalam proses pengelasan,
karena tidak bereaksi dengan logam
untuk membentuk senyawa
intermetalik yang tidak diinginkan.
Jika kulit terluar belum terpenuhi
jumlah elektronnya, maka akan
berikatan dengan unsur lain untuk
membentuk senyawa atau molekul.

11
Periodic Table
• Periodic Table arranges the elements in rows numbered from 1 to
103.
• Elements are arranged by Atomic Number and grouped by similar
chemical and physical properties.
• Hydrogen (H) has one proton and one electron; Helium (He) has two
electrons and 2 protons....all the way up to Lawrencium (LR) which
has 103 electrons and protons.

12
Alkali metals
Alkali earth metals
Transition elements
Rare earth metals
Other metals
Noble gases
Halogens
Other nonmetals
Li Solid
Cs Liquid
Ar Gas
Tc Synthetic

13
Broad Period Table Classifications:
Berdasarkan konfigurasi elektron
d-Transition metals
(d orbitals)
Noble
gases
Actinides (5f orbitals)
Representative
elements
(s orbitals)
Representative
elements
(p orbitals)
Lanthanides (4f orbitals)
f- Transition metals

14
Salah satu dasar untuk mengklasifikasi material
adalah ikatan kimia.
Dua jenis ikatan kimia:
1. Ikatan kuat (primary bonding): melibatkan
pembagian elektron (ikatan ion, kovalen dan
logam).
2. Ikatan sekunder (secondary bonding): melibatkan
tarik menarik atom-atom yang relatif lemah dan
tidak ada pembagian atau pertukaran elektron
(ikatan van der waals).

15
Periodic Table
Properties
 As you proceed to the left in a period or as you proceed down
within a group:
– The metallic strengths increase (non-metallic strengths decrease).
– The atomic radius of atoms (distance from the nucleus to the outermost
occupied region) increases. Atomic radii are the distance between the
outermost occupied probability region of an atom and its nucleus.
– The ionization potential (energy required to remove an electron from an
atom) decreases. Ionization Potential is energy required to remove
electron from atom.
– The electron affinity (energy released as electron is picked up by an
atom) decreases.
– The electronegativity (the electron attracting ability of an atom)
decreases.

16
System
Energy
Distance between atoms
Repulsive energy
Separated atoms
Bond
Energy
Stable
unstable
Bonding
 If atoms are large distance from each other, there is little interaction.
– As the distance between the atoms decreases, the energy begins
to decrease and the system becomes more stable.
– Eventually, the atoms reach an optimal separation which is the
bottom of the energy curve. The separation is the bond length.
Bond energy is depth of well.
– Atoms too close have repulsive energy.
 Bonding occurs when two or more atoms come into close proximity
resulting in an attraction between atoms.
 Bonding is attributed to interactions between the electrons.

17
• When elements donate or
receive an electrons in its outer
shell a charged particle or an
ION is formed.
• If the element gives up an
electron, it is then left with at
net + 1 charge, and is called a
POSITIVE ION.
• Charged particles are
attracted to each other.
Ionic Bond

18
 Ionic bonding (ceramics, e.g., salt and clay)
– Forms when an atoms that has a strong tendency to give up
electrons (a metal) is in close proximity to an atom that has
a strong tendency to accept electrons (nonmetal).
 Transfer of one or more electrons from the outer shell of one atom to
the outer shell of the other atom depending on the valence of the
atoms.
 Results in an electron arrangement when many ions (+ and -) are in
close proximity, e.g., NaCl, that has a polar arrangement of the ions
similar to a magnet.
 Forms crystalline structure
Na
e-
e-
e-
Cl
e-
e-
e-
e-
e-
Na+
e-
e-
Cl-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
Na+ Na+ Na+
Na+ Na+ Na+
Cl- Cl- Cl-
Cl-
Cl- Cl- Cl-
Na+ Na+ Na+
Cl- Cl-
Metal cation Non-metal anion
atoms ions

19
• Occurs when valence
electrons are shared
• Form between elements
that have too many or
require too many electrons
for Ionic Bond to form.
• The nuclei is POSITIVE
(+), therefore, if electrons
(-) are shared by adjacent
nuclei, the result is a
VERY strong bond.
Covalent Bonding

20
• Metallic elements – have only 1, 2, or 3 electrons in
their outer shell.
• Since fewer electrons, bond is relative loose to the
nucleus.
• When valence electrons approach adjacent atoms
orbit, electrons may be "forced out of natural orbit".
• Results in positive ions being formed.
• These floating electrons form a "cloud" of shared
valence electrons, and electron movement can occur
freely.
Metallic Bond

22
• Formed when an atom or
molecule is asymmetric,
creating a net polar moment
in the charges.
• The bond is weak and is
found in neutral atoms such
as inert gases.
• This type of bonding is of
little interest in metals.
• More important in
polymers.
Van Der Waal Bond

23
 Coordination Number
– Number of adjacent ions (or atoms) surrounding a reference
ion (or atom)
 For each ion in Fig 2-5, the CN is 6 (each has 6 nearest neighbors)
 For ionic compounds, CN of the smaller ion can be calculated by
considering the greatest number of larger ions of opposite charge
that can be in contact with the smaller ion.
 Radius ratio (r/R) of smaller ion (r in nm) and larger ion (R in nm).
Coordination
Number r/R
Coordination
Geometry
2 0 < r/R < 0.155
3 0.155 < r/R < 0.225
4 0.225 < r/R < 0.414
6 0.414 < r/R < 0.732
8 0.732 < r/R < 0.1
12 1

24
Increasing metallic character
Increasing
metallic
character
Increasing atomic radius
Kecenderungan sifat-sifat fisik

25
Increasing
m.p.,
b.p.,
H
fus
,
H
vap
Increasing
m.p.,
b.p.,
H
fus
,
H
vap
Trends in Physical Properties:

26
Increasing IE
Increasing
IE
Ionization Energy (IE): decreases as you go down a group (due to
an increase in n and therefore, a decreased attraction between the
outer shall electrons and the nucleus)
Ionization Energy (IE): increases as you go cross a period (due to
an increase in nuclear charge and therefore, a increased attraction
between the outer shall electrons and the nucleus)

27
Electron Affinity (EA): decreases (becomes less exothermic) as you go down a group
(that is EA value becomes more positive – less energy is released upon addition on an
extra electron – due to an increase in n and therefore, a decreased attraction between the
outer shall electrons and the nucleus)
Electron Affinity (EA): increases (becomes more exothermic) as you go across a period
(that is EA value becomes more negative – more energy is released upon addition on an
extra electron – due to an increase in nuclear charge but not n and therefore, a increased
attraction between the outer shall electrons and the nucleus)
Increasing exothermic EA

28
Electronegativity (EN): is a number that refers to the relative ability
of an atom in a covalent bond to attract shared electrons
•EN: increases as you go cross a period (higher Zeff and shorter
distance from the nucleus strengthen the attraction for the shared
pair)
•EN: decreases as you go down the group (greater distance from
the nucleus weakens the attraction for the shared pair)
Increasing EN
Increasing
EN

29
Trends in Chemical Properties:
basic oxides
acidic oxides
amphoteric oxides
Increasing oxide acidity
Increasing
oxide
acidity

30
strong reducing agents
strong oxidizing agents
Trends in Chemical Properties:
Increasing
oxidizing
power
Increasing
reducing
power

1
Introduksi
Untuk mendisain dan membuat komponen yang bermanfaat, seorang
rekayasawan harus mengerti berbagai sifat material dan dapat memilih
dengan benar material untuk aplikasi yang tepat (the right material
for the right application).
Tetapi kadang-kadang kita tidak dapat memilih material yang tepat
atau yang optimum, sehingga produk menjadi tidak kompatibel dan
masyarakat menjadi tidak puas.
Sifat-sifat material merupakan fungsi dari:
•Struktur atom
•Ikatan
•Struktur kristal
•Ketidaksempurnaan
Jika variasi struktur tersebut diketahui, maka sifat-sifat material dapat
ditentukan.
Kita dapat membuat sifat-sifat material sesuai dengan kebutuhan.

3
What Is Matter?
 You are made of matter.
 Your textbook is made of matter.
 The air you breathe is matter.
 Anything that has mass and occupies space
is matter.
 Light, Sound, and Electricity are NOT matter
because they have no mass or volume!
All the materials you can hold or touch are
matter.

4
Matter
 All matter is made up of atoms.
 Element – a substance that cannot be
broken down into simpler substances.
 Atom – the smallest particle that has the
properties of an element
 Compound – a substance made of atoms
of more than one element bound together.

5
Earth
O 29.5%
Fe 34.6%
Si 15.2%
Mg 12.7%
Ni 2.4%
S 1.9%
Ca 1.1%
Others 2.6%

6
Human Body
O 65%
C 17.5%
Na 0.3%
P 0.9%
K 0.4%
S 0.2%
Ca 1.6%
H 10.2%
N 2.4%
All others 1%

7
Matter
 Molecule – the smallest unit of a
substance that exhibits all of the
properties characteristic of that substance
– H2O
– CO2
 Chemical formula – the chemical symbols
and numbers indicating the atoms
contained in the basic unit of a substance
– C16H10N2O2

8
Matter
 Pure substance – any matter that has a
fixed composition and definite properties.
– CO2 - C3H8O
– H2O
 Mixture – a combination of more than one
pure substance.
– Milk
– Grape juice
– Windex

9
Mixtures
 Homogeneous – mixing occurs between
the individual units and is the same
throughout
– Salt dissolved in water
 Heterogeneous – not uniformly mixed
– Flour suspended in water

10
Mixtures
 Miscible – describes two or more liquids
that are able to dissolve into each other in
various proportions
– Rubbing (denatured) alcohol
 Immiscible – describes two or more liquids
that do not mix into each other.
– Oil and vinegar salad dressing

11
Change of state for water
0 C 100 C
Solid ice
Liquid water
Gaseous steam
Relative
energy
540 Calories
per gm / C
80 Calories
per gm / C

12
Change of state for water
0 C 100 C
Solid ice
Liquid water
Gaseous steam
Relative
energy
540 Calories
per gm / C
80 Calories
per gm / C
Melting (energy absorbed)
Freezing (energy released)
Evaporation (energy absorbed)
Condensation (energy released

13
Energy’s Role
 Energy must be added to cause melting or
evaporation
 Energy is transferred in all changes of
matter
 Changing state does not change
composition or mass
 Evaporation – the change of a substance
from a liquid to a gas

14
Energy’s Role
 Sublimation – the change of a substance
from a solid to a gas
– Dry ice (solid CO2)
– Ice and snow at very high altitudes will
sublime
– Ice in your freezer at home will sublime
Whether it is ice, water, or steam, water in
any form is always made of H2O
molecules.

15
Energy’s Role
 Law of Conservation of Mass – Matter can
neither be created nor destroyed.
 Law of Conservation of Energy –
Energy can neither be created nor destroyed.

16
A. Physical Properties
Classifying

17
Tell how you could group these
objects? Describe 2-3 ways.

19
by the kind of edge
straight edges
curved
edges
or

20
by shape.
rectangles
squares
triangles
circles

21
Were you able to come up
with 2-3 ways to sort the
objects?
color shape edge
Did you find any
different ways?
ideas?

22
Physical properties are the
things we know about objects
using our senses.
sight
taste
hearing touch
smell

23
Describe this object. Which
sense did you use?
sight-yellow
taste-sour
touch-smooth
Lemon

24
sense did you use?
hearing-loud
touch-smooth, hard
sight-red, shiny

25
sense did you use?
smell-fragrant
sight-red, green, petals, ....
touch-smooth, pointy,
flexible, …

26
B. States of Matter Review
Solids, Liquids, Gases

27
Sort these objects into three
groups and describe them.

28
How did you do?
Answers next….

29
Why are they grouped this way?

31
Tell how the liquids are alike.
Tell how the solids are alike.
Tell how the gases are alike.

32
Solids have a definite size and
shape.
Liquids have a definite size
but take on the shape of the
container.
Gases have no definite size or
shape and move into all
available space.

33
B. States of Matter
Physical Changes

34
A physical change is the
change in the state, size,
shape, or appearance of
an object.

35
Explain what happened here and why.
Click for answer

36
The solid snow flakes
changed into liquid water
because the heat from the
sun made them melt.
A change of state occurred.

37
Explain what happened to the
crayon and why.
Click for answer
The crayon changed in size and shape
because it was used to color a picture.
However it is still a crayon.
1st state 2nd state

38
January September
Welcome Welcome Welcome
Tell what happened to the paper and why.
Click
for
answer
The paper faded or changed in
appearance from the light of
the sun, but it is still paper.

39
C. Substances in a pure
form or concentrated
mixture activity.

40
Which color marble has the
highest concentration? Explain.
Click for
answer
There is a higher concentration
of blue marbles.
10 blue 3 green 2 red

41
A B C
Describe how each glass of liquid
will look and taste. How is each
different from the other.
Click for answer
water
lemon juice
sugar
6 ounces 6 ounces 6 ounces
1 tablespoon
1 tablespoon
1 tablespoon
1 teaspoon 5 teaspoons 10 teaspoons
Ingredients

42
pale yellow
lemony
bitter
pale yellow
lemony
sweet
pale yellow
cloudy
lemony
very sweet
water
lemon juice
sugar
6 ounces 6 ounces 6 ounces
1 tablespoon
1 tablespoon
1 tablespoon
1 teaspoon 5 teaspoons 10 teaspoons
Ingredients

43
A pure substance can be either an element or a compound.

45
Outward physical appearance of selected naturally
occurring elements. Center: Sulfur. From upper right,
clockwise:
Arsenic, iodine, magnesium, bismuth, and mercury.

46
Abundance of elements in the universe and in Earth's
crust (in atom percent).

47
Chemical and Physical
Properties
 Chemical property – the way a substance
reacts with others to form new substances
with different properties.
– Involve the reactivity of elements or
compounds
– Flammable
– Able to rust or oxidize
Reactivity – the ability of a substance to
combine chemically with another
substance.

48
Chemical and Physical Properties
 Physical property – a characteristic of a
substance that can be observed or
measured without changing the
composition of the substance.
Physical Properties
– Shape, color, odor, texture
– Melting point, boiling point, density,
strength, hardness, conductivity, etc.

49
Physical Properties
Melting point – the temperature at which a
solid becomes a liquid
Boiling point - the temperature at which a
liquid becomes a gas (below the surface)
Density – is calculated by dividing the
object’s mass by its volume. D = m/V
 Properties help determine uses –
– Copper is used in electrical power lines,
telephone lines, and electrical motors because of
its good electrical conductivity.
– Ethylene glycol remains a liquid at temperatures
that would normally boil or freeze in a car
radiator. (Antifreeze)

50
Density of some items
Item Chem Formula Density g/cm3
Air Mixture 0.00129
Gasoline Mixture 1.9
Water H2O 1.00
Lead Pb 11.3
Iron Fe 7.86
Helium He 0.00018
Ice H2O 0.92

51
Chemical and Physical Changes
 Materials that stay in the same state
under normal conditions
– Surgical steel
– Concrete
– Glass
 Materials that change and combine
– Gasoline
– Car batteries
– Human metabolism (oxidation)
– Digestion, etc.

52
 Chemical changes are changes in
composition

53
 Electrolysis – the process by which water
can be broken down into hydrogen and
oxygen.
– The atoms of oxygen and hydrogen are not
destroyed, but rearrange themselves to form
hydrogen and oxygen gas. [See figure 2-22
in text.]
– Burning of gasoline into C, CO2, & H2O
– A change in odor or color is a good clue that a
substance is changing chemically
i.e. food burning, paint fading, etc.

54
Dimensional Change
 The percent
shrinkage or
expansion of a
material
– Usually expressed as a
percentage of an
original length or
volume
– Examples?
 Thermal change
– Temperature changes
 tooth & material
changes are different
– Results in leakage of
fluids between
restoration & tooth
– Each material has a
different thermal
coefficient of
expansion

55
Percolation
 If a restoration is cooled by the drinking
of a cold fluid, the restoration will contract
more than the tooth
– Leaves a space between restoration and tooth
which fills with fluid
 When temperature returns to normal, fluid
is forced out
 Thought to irritate pulp

56
Thermal Conductivity
 Materials have
different rates of
conducting heat
– Metals have higher
value than plastics or
ceramics
– Therefore, metals
would cause patient to
feel more sensitivity
 Enamel and dentin
are poor thermal
conductors
 In deep restorations,
a cement base will be
used as an insulator
 Gold causes the most
sensitivity

57
Galvanism and Corrosion
 Galvanism
– Generation of electrical
currents in mouth
– Results from presence
of dissimilar metals in
mouth
– Causes pain and tastes
metallic
 Corrosion
– Dissolution of
materials in mouth
– Results from presence
of dissimilar metals
– Roughness and pitting
 Tarnish
– Surface reaction of
metals to components
in saliva or foods

58
Solubility and Sorption
 Solubility
– Susceptible to being
dissolved
 Sorption
– Adsorption plus
absorption
 Adsorption
– Natural process where
molecules of a gas or
liquid adhere to the
surface of a solid
 Absorption
– Passage of a
substance into the
interior of another by
solution or penetration

59
• Mechanical properties apply to the way materials
behave when external loads and forces are applied.
• Sometimes the material stretches (when loaded in
tension), bulges (when loaded in compression), or twists
(when loaded in torsion).
• Anytime a load is applied to a material it will undergo
some change in shape. This change is called
deformation.
• Mechanical properties indicate the strength and
deformability (change in shape) of a material.
Mechanical Properties

60
• How a material deforms is useful in determining if it
is suitable for products and processing.
• Example - if the material deforms easily it may not
have high enough strength but may process quite
easily.
• It is important to find the proper characteristics of a
material to determine if it meets the requirements for
both the product and the processing.
• Mechanical properties are usually determined by
carrying out tests based on standards that define the
procedure so comparisons can be made to the way a
certain material is expected to behave.

61
Material
Loading
• We will look at material loading in
several ways including:
• tension,
• compression,
• shear
• torsion.

62
Stress is calculated by dividing the load (P)
by the cross sectional area (A)
• Stress or tensile strength refers to a
materials ability to resist being pulled apart .
• Diagram shows a front view of a circular
member loaded in tension.
Stress
A
P
S
A
Area
P
Load
S
Stress


)
(
)
(
)
(

63
If a 1/2 inch diameter steel rod is used to suspend a
5000 pound load. What is the tensile stress in the
rod ?
Solution: A =  x R²
= 3.14 x (0.25 in)²
= 3.14 x 0.0625 in²
= 0.19625 in²
S = 5000 lbs. / 0.1963 in²
= 25, 458.25 lbs / in²
= 25, 500 psi
Problem

64
• Material will change in length as a load is applied.
• This is called strain and is measured by comparing
the change in length to the original length.
• This change can be expressed as either a percentage
or a ratio with implied units being inches/ inch or
mm/mm
Strain
Δl = Extended length (lf) – Original Length
(lo)
%
100
0
x
l
l
e



65
• Modulus of Elasticity determines a materials stiffness.
• Ratio of stress to strain within the elastic region.
• Modulus of Elasticity (E) = Stress (S) / Strain (e)
E = S / e
• As stiffness increases, slope of the line will become
steeper.
• Material that stretches easily will have a "flatter"
slope.
• Modulus of Elasticity is an important property in
determining how much deformation will occur under
load.
Modulus of Elasticity

66
The diagram shown below illustrates the comparison of
some selected metals

67
• Up to this point we have considered only
tension.
• Remember that normal stress is simply the
load divided by the cross sectional area when a
single axial load is applied.
• We will now look at a few other types of
stresses and loading conditions including:
• compression
• bending
• shear
• torsion

68
(A) Brittle Fracture (B) Barreling (C) Buckling
• The compressive strength of a material determines how much
it deforms under a compressive load.
• Some materials such as concrete are strong in compression
but weak in tension.
• Generally a material will respond in one of the three
following ways:
Compression

69
• For materials that are brittle only slight
deformation occurs prior to fracture.
• With more ductile materials, failure may occur by
either barreling (when the length is less than twice
the diameter) or buckling (when the length is
greater 2.5 times the diameter).
• Compressive stress can be determined by the load
divided by the cross sectional area.
Compression

70
• When a member is subjected to bending, the outside
elements are placed in tension and the inside elements
are in compression.
• At the center, stress is zero along the neutral axis.
• The level of stress depends on the section geometry,
bending radius and loading, and the deflection depends
on the loading, section geometry and modulus of
elasticity.
Bending

71
• Torsion is stress created by twisting forces.
• These forces have a “moment” or torque.
• Example, torque is applied to a solid shaft to transmit torque
from the power source to the driven machine like a pulley, gear,
or flywheel.
• Torque may also be applied by using a crank or lever (such as
a ratchet wrench driving a socket).
• When torque is applied to a material, the material resists
being twisted, thus stresses are created - shear stresses.
• Imagine a round bar being a column of washers. If the torque
is applied to one washer, it would slide or turn with respect to
the adjacent washer and create a shear force.
Torsion

72
Torsion
• Strength of a material in torsion is similar to tension in
concept, however rather than using force divided by area to
find stress, torsion is force multiplied by the distance from
the end of the lever/pulley to the center of the material being
acted upon.

73
• Shear describes the condition when parallel forces
(planes) act in opposing directions
• Example - scissors cutting paper, or a hole punch
producing a hole.
• Shear strength is also important in mechanical
fasteners, power transmission couplings, and many
manufacturing processes.
• Shear stress is the applied force divided by the area
in shear.
Shear Stress

74
Shear Stress
Practical applications of how shear stress occurs.

1
Struktur kristal
Struktur kristal adalah pola susunan tiga dimensi yang
teratur dari atom-atom dalam suatu ruang.
Struktur kristal diidealisasikan sebagai kisi ruang atau kisi
kristal dengan pola susunan 3D dari titik-titik lain yang
sama/identik.
Pola terkecil dari susunan atom/titik dalam suatu ruang
disebut sel satuan.
Sel satuan BCC Sel satuan FCC

2
Sistim kristal
Menurut AJ Bravais, jenis kristal terbagi atas 7 sistem kristal, yaitu:
1. Kubik 2. Tetragonal 3. Rombohedral
4. Heksagonal 5. Ortorombik 6. Monoklik
7. Triklinik
Dari masing-masing sistem kristal terdapat beberapa sel satuan
hingga semuanya ada 14 sel satuan.
Tetapi pada umumnya logam memiliki sel satuan:
1. BCC (body centered cubic/kubus pusat badan)
2. FCC (face centered cubic/kubus pusat muka)
3. HCP (hexagonal close packed/heksagonal susunan padat)

7
Kubus Pusat Badan/body centered cubic (BCC)
Pada sel satuan tersebut terlihat bahwa ada satu atom yang
dikelilingi oleh 8 atom lainnya sehingga kita bisa hitung berapa
jumlah atom pada sel satuan ini.
Pada BCC, ada satu atom lengkap bentuknya, kemudian ada 8
atom pada masing-masing ujung kisi.
Maka jumlah atom per sel satuan:
1 + (8 x 1/8) = 2 atom per sel satuan

8
Contoh logam-logam dengan sel satuan BCC
Logam Panjang kisi
(a, nm)
Radius atom
(R, nm)
Krom 0.289 0.125
Besi 0.287 0.124
Molibdenum 0.315 0.136
Potasium 0.533 0.231
Natrium 0.429 0.186
Tantalum 0.330 0.143
Tungsten 0.316 0.137
Vanadium 0.304 0.132

9
R
a 4
3 
3
4R
a 
atau
Panjang kisi (a):
R = radius atom

10
Kubus Pusat Muka/face centered cubic (FCC)
Pada sel satuan FCC terdapat
4 atom yang terdiri dari:
6 x ½ =3 atom dan
8 x 1/8 = 1 atom
R
a 4
2 
2
4R
a 
Panjang kisi (a):
atau

11
Contoh logam-logam dengan sel satuan FCC
Logam Panjang kisi
(a, nm)
Radius atom
(R, nm)
Aluminium 0.405 0.143
Tembaga 0.3615 0.128
Emas 0.408 0.144
Timah hitam 0.495 0.175
Nikel 0.352 0.125
Platina 0.393 0.139
Perak 0.409 0.144

12
Heksagonal Susunan Padat/hexagonal close packed (HCP)
Pada sel satuan HCP terdapat 6 atom yang terdiri dari:
3 atom dibagian tengah,
2 x 6 x 1/6 = 2 atom
Dibagian atas dan bawah: 2 x ½ = 1 atom

13
Logam
Panjang kisi,
nm
Jari-jari
atom rasio
c/a
a c R, nm
Cadminum 0.2973 0.5618 0.149 1.89
Seng 0.2665 0.4947 0.133 1.856
Magnesium 0.3209 0.5209 0.16 1.623
Cobalt 0.2507 0.4069 0.125 1.623
Zirkon 0.3231 0.5148 0.16 1.593
Titanium 0.295 0.4683 0.147 1.587
Berilium 0.2286 0.3584 0.113 1.568
Contoh logam-logam dengan sel satuan HCP

14
Perbandingan volume atom didalam sel satuan terhadap volume
sel satuan dinyatakan sebagai faktor kepadatan atom atau atomic
packing factor (APF).
APF = volume atom pada sel satuan
volume sel satuan
Contoh:
Pada sel satuan BCC
Volume atom pada BCC: 2(4/3 R3) = 8,373R3
Volume sel satuan BCC = a3 ; atau
Volume sel satuan BCC = 12,32R3
3
4R
a 
R
a 4
3 
68
,
0
32
,
12
373
,
8
3
3


R
R
AFP

15
Kedudukan atom dalam sel satuan
Untuk mengetahui posisi atom didalam suatu sel satuan
digunakan sumbu x, y dan z.

16
Mengetahui keberadaan atom-atom dalam suatu sel satuan sangatlah
penting, karena dengan mengetahuinya dapat diketahui mudah
tidaknya logam dideformasi.
Akibat adanya gaya dari luar, maka atom-atom logam akan bergerak
dimana pergerakannya sangat tergantung dari kerapatan dan posisi
atom didalam sel satuan sehingga perlu diketahui dimana arah dan
bidangnya.

17
Contoh beberapa arah didalam sel satuan kubus:

18
Indeks Miller
Untuk mengetahui bidang suatu bidang kisi dari sel satuan
digunakanlah notasi Miller atau Indeks Miller.
Indeks Miller: kebalikan dari perpotongan suatu bidang dengan ketiga
sumbu yang dinyatakan dengan bilangan untuk bukan pecahan atau
kelipatan bersama.
Langkah yang dilakukan:
1.Tentukan titik potong yang akan diberi indeks dengan sumbu(x, y,
z).
2.Tentukan harga kebalikannya (resiprokal).
Contoh:
No. Langkah yang harus dilakukan X Y Z
1 Tentukan titik potong yang akan
diberi indeks dengan sumbu
a ~ ~
1 ~ ~
2 Tentukan harga kebalikannya 1/1 1/~ 1/~
3 Harga indeks Miller 1 0 0

19
Notasi dalam indeks Miller:
( ) = indeks bidang yang bersangkutan
[ ] = indeks dari arah bidang yang bersangkutan
< > = semua kumpulan arah yang sama
{ } = semua bidang yang sama
Contoh:
[100], [010], [010], [001], [100] = <100>

21
Titik potongnya = 1/3, 2/3, 1.
Resiprokalnya = 3, 3/2, 1
Kalikan dengan 2 untuk menghilangkan pecahan 3/2 sehingga
diperoleh 6, 3, 2., sehingga Indeks Millernya = (632)

1
Diagram Fasa/diagram kesetimbangan fasa
(Equilibrium phase diagram)
Pada umumnya logam tidak berdiri sendiri atau keadaan
murni, tetapi lebih banyak dalam keadaan dipadu atau logam
paduan dengan kandungan unsur-unsur tertentu sehingga
struktur yang terdapat dalam keadaan setimbang pada
temperatur dan tekanan tertentu akan berlainan.
Kombinasi dua unsur atau lebih yang membentuk paduan
logam akan menghasilkan sifat yang berbeda dari logam
asalnya.
Tujuan pemaduan = untuk memperbaiki sifat logam
Sifat yang diperbaiki adalah kekuatan, keuletan, kekerasan,
ketahanan korosi, ketahanan aus, ketahanan lelah, dll.

2
Fasa pada suatu material didasarkan atas daerah yang berbeda
dalam struktur atau komposisi dari daerah lainnya.
Fasa = bagian homogen dari suatu sistem yang memiliki sifat fisik
dan kimia yang seragam.
Untuk mempelajari paduan dibuatlah kurva yang menghubungkan
antara fasa, komposisi dan temperatur.
Diagram fasa adalah suatu grafik yang merupakan representasi
tentang fasa-fasa yang ada dalam suatu material pada variasi
temperatur, tekanan dan komposisi.
Pada umumnya diagram fasa dibangun pada keadaan
kesetimbangan (kondisinya adalah pendinginan yang sangat
lambat). Diagram ini dipakai untuk mengetahui dan memprediksi
banyak aspek terhadap sifat material.

3
Informasi penting yang dapat diperoleh dari diagram fasa adalah:
1. Memperlihatkan fasa-fasa yang terjadi pada perbedaan
komposisi dan temperatur dibawah kondisi pendinginan yang
sangat lambat.
2. Mengindikasikan kesetimbangan kelarutan padat satu unsur atau
senyawa pada unsur lain.
3. Mengindikasikan pengaruh temperatur dimana suatu paduan
dibawah kondisi kesetimbangan mulai membeku dan pada
rentang temperatur tertentu pembekuan terjadi.
4. Mengindikasikan temperatur dimana perbedaan fasa-fasa mulai
mencair.
Jenis pemaduan:
1. Unsur logam + unsur logam
Contoh: Cu + Zn; Cu + Al; Cu + Sn.
2. Unsur logam + unsur non logam
Contoh: Fe + C.

4
Atas dasar jumlah komponen yang terlibat dalam pemaduan,
maka akan diperoleh beberapa jenis pemaduan.
Ice
Water
Water Vapor
Diagram Fasa pada zat murni
Suatu zat murni seperti air memiliki tiga fasa,
yaitu padat, cair dan gas, yang keberadaannya
tergantung temperatur dan tekanan.
Contoh sederhana adanya dua fasa pada zat
murni dalam kesetimbangan adalah gelas yang
berisi air dan es batu.. Jelaslah ada dua fasa
dalam air tersebut (cair dan padat yang
terpisah) dan dipisahkan oleh permukaan dari
es batu sebagai batas fasa.
Selama air dipanaskan akan cairan air dan air
yang menguap, merupakan dua fasa dalam
keadaan kesetimbangan.

5
Gambar disamping ini
merupakan representasi
fasa-fasa pada air dalam
kondisi temperatur dan
tekanan yang berbeda.
Pada diagram fasa tersebut
terlihat pada tekanan rendah
(4,579 torr) dan temperatur
rendah (0,0098C) terdapat
triple point, dimana terdapat
ketiga fasa, yaitu padat, cair
dan gas.
Sepanjang garis penguapan
terdapat fasa cair dan gas
sedangkan sepanjang garis
pembekuan terdapat fasa
cair dan padat.

6
Aturan Fasa GIBBS
Dari dasar-dasar termodinamika, J.W. Gibbs menurunkan
persamaan yang memungkinkan jumlah fasa yang ada dalam
kesetimbangan dari sistem yang dipilih dapat dihitung. Persamaan
tersebut dinamakan Aturan Fasa Gibbs.
P + F = C + 2
Dimana:
P = jumlah fasa yang ada dalam sistem
C = jumlah komponen didalam sistem
F = derajat kebebasan
Umumnya komponen C adalah unsur, senyawa atau larutan dalam
sistem.
F adalah jumlah variabel (tekanan (P), temperatur (T) dan
komposisi (X)) yang dapat dirubah bebas tanpa merubah keadaan
fasa atau fasa-fasa kesetimbangan dalam sistem.

7
Contoh penggunaan aturan fasa Gibbs
Lihat kembali diagram fasa air disamping
ini.
Pada titik tripel terdapat tiga fasa, sistem
mempunyai satu komponen yaitu air,
jumlah derajat kebebasan (F) adalah:
P + F = C + 2
3 + F = 1 + 2
F = 0
Artinya tidak satupun variabel ( T atau P)
dapat merubah fasa-fasa yang ada.
Sepanjang kurva cair-padat terdapat dua
fasa.
P + F = C + 2
2 + F = 1 + 2
F = 1

8
Artinya hanya ada satu variabel (apakah T atau P) yang dapat
diubah secara independen tetapi sistem tetap mempunyai dua fasa.
Jika pada P tertentu, hanya ada satu temperatur dimana kedua fasa:
cair-padat ada.
Selanjutnya ambil suatu titik dimana hanya terdapat satu fasa saja.
P + F = C + 2
1 + F = 1 + 2
F = 2
Artinya ada dua variabel (T atau P) yang dapat divariasikan secara
independen tetapi sistem tetap hanya mempunyai satu fasa.
Pada umumnya diagram fasa biner menggunakan variabel
temperatur dan komposisi, tekanan dianggap konstan = 1 atm,
sehingga aturan fasa Gibbs berubah menjadi:
P + F = C + 1

9
Water
Sugar
Saturated Syrup
Excess Sugar
Water Alcohol
Solution
Oil
Water
Contoh-contoh pemaduan:

10
Pemaduan terjadi akibat adanya
susunan atom sejenis ataupun ada
distribusi atom yang lain pada
susunan atom lainnya.
Jika ditinjau dari posisi atom-atom
yang larut, diperoleh dua jenis
larutan padat:
1. Larutan padat substitusi
Adanya atom-atom terlarut yang
menempati kedudukan atom-atom
pelarut.
2. Larutan padat interstisi
Adanya atom-atom terlarut yang
menempati rongga-rongga diantara
kedudukan atom/sela antara.
Cu
Ni
Fe
C

11
Untuk mengetahui kelarutan padat suatu unsur dalam unsur lainnya,
Hume-Rothery mensyaratkan sebagai berikut:
1. Yang mempengaruhi terbentuknya jenis kelarutan ditentukan
oleh faktor geometri (diameter atom dan bentuk sel satuan).
Jenis kelarutan:
•A + B C (sel satuan sama)
(kelarutan yang tersusun disebut kelarutan sempurna)
Dimana sifat C  sifat A atau B
•Jika A dan B memiliki sel satuan yang berbeda
a. A + B A’ (dimana A yang dominan)
B’ (dimana B dominan)
kelarutan yang tersusun disebut larut sebagian
b. A + B A + B (tidak larut)

12
2. Larut padat substitusi/interstisi ditentukan oleh faktor diameter
atom.
Jika perbedaan diameter atom yang larut dibandingkan atom pelarut
lebih kecil dari 15%, maka kelarutan yang terjadi adalah larutan
padat substitusi.
Jika perbedaan diameter atom yang larut dibandingkan atom pelarut
lebih besar dari 15%, maka kelarutan yang terjadi adalah larutan
padat interstisi.
3. Suatu hasil percampuran harus stabil
Stabilitas dari paduan dijamin oleh keelektronegatifan dan
keelektropositifan, makin besar perbedaan keelektronegatifan dan
keelektropositifan makin stabil, tetapi kalau terlalu besar
perbedaannya yang terjadi bukan larutan melainkan senyawa
(compound)

13
Pembentukan diagram fasa
Hubungan antara temperatur,
komposisi diplot untuk mengetahui
perubahan fasa yang terjadi.
Dengan memvariasikan komposisi dari
kedua unsur (0100%) dan kemudian
dipanaskan hingga mencair setelah itu
didinginkan dengan lambat (diukur
oleh dilatometer/kalorimeter), maka
akan diperoleh kurva pendinginan
(gambar a.). Perubahan komposisi
akan merubah pola dari kurva
pendinginan, titik-titik A, L1, L2, L3
dan C merupakan awal terjadinya
pembekuan dan B, S1, S2, S3 dan D
merupakan akhir pembekuan. Gambar
b. diagram kesetimbangan fasa Cu-Ni.
Konstruksi pembentukan diagram
fasa

14
Garis liquidus = menunjukkan temperatur terendah dimana logam
dalam keadaan cair atau temperatur dimana awal terjadinya
pembekuan dari kondisi cair akibat proses pendinginan.
Garis solidus = menunjukkan temperatur tertinggi suatu logam
dalam keadaan padat atau temperatur terendah dimana masih terdapat
fasa cair.

15
Selain garis-garis tersebut titik-titik kritis dari keadaan cair dan
padat, juga menyatakan batas kelarutan maksimum unsur terlarut
didalam pelarutnya (maximum solubility limit).
The solubility of sugar (C12H22O11) in a sugar-water syrup.

16
• Example:
Phase Diagram of Water-
Sugar System
Question: What is the
solubility limit at 20°C?
• Solubility limit increases with T:
e.g., if T = 100°C, solubility limit = 80wt% sugar
The Solubility Limit
Answer: 65wt% sugar
If Co < 65wt% sugar:
If Co > 65wt% sugar:
syrup
syrup + sugar

17
• Changing T can change number of phases: path A to B
• Changing Co can change number of phases: path B to D
• water-
sugar
system
Effect of Temperature and Composition

18
(a)
FIG. 3-50 (1) Heat pure metal to point Ta; (2) cooling of liquid metal a – b; (3) at
point b, pure metal starts to precipitate out of solution; (4) point c, pure metal
completely solid; curve from b to c straight horizontal line showing constant
temperature Tb-c because thermal energy absorbed in change from liquid to
solid; (5) more cooling of solid pure metal from c to d and temperature begins
to fall again.
Cooling Curve for Pure Metal

19
FIG. 3-50 (b) Cooling curve for pure iron.
(b)
Cooling Curve for Pure Iron

20
FIG. 3-54 Allotropic forms of iron (three phases: bcc, fcc, bcc)
Allotropic Forms of Iron

21
Cooling Curve for a Metal Alloy
(c)
FIG. 3-50 (c) Cooling curve for a metal alloy: (1) The alloy A-B heated to point
a (liquid phase, with both metals soluble in each other); (2) cooling of alloy in
liquid phase; (3) point b, solidification begins; (4) point c, solidification
complete; sloped b – c due to changing from liquid to solid over the
temperature range Tb to Tc because components A and B have different
melting/cooling temperatures; (5) further cooling from c to d of solid-state
metal alloy.

22
Klasifikasi Diagram Kesetimbangan Fasa
1. Larut sempurna dalam keadaan cair dan padat.
2. Larut sempurna dalam keadaan cair, tidak larut dalam keadaan
padat (reaksi eutektik).
3. Larut sempurna dalam keadaan cair, larut sebagian dalam keadaan
padat (reaksi eutektik).
4. Larut sempurna dalam keadaan cair, larut sebagian dalam keadaan
padat (reaksi peritektik).
5. Larut sempurna dalam keadaan cair, tidak larut dalam keadaan
padat dan membentuk senyawa.
6. Larut sebagian dalam keadaan cair (reaksi monotektik).
7. Tidak larut dalam keadaan cair maupun padat.

23
1. Larut sempurna dalam keadaan cair dan padat
Biasa disebut binary isomorphous alloy systems, kedua unsur
yang dipadukan larut sempurna dalam keadaan cair maupun padat.
Pada sistem ini hanya ada satu struktur kristal yang berlaku untuk
semua komposisi, syarat yang berlaku adalah:
a. Struktur kristal kedua unsur harus sama.
b. Perbedaan ukuran atom kedua unsur tidak boleh lebih dari 15%.
c. Unsur-unsur tidak boleh membentuk senyawa.
d. Unsur-unsur harus mempunyai valensi yang sama.
Contoh klasik untuk jenis diagram fasa ini adalah diagram fasa
Cu-Ni.

24
• 2 phases:
– L (liquid)
– a (FCC solid solution)
• 2 lines (phase boundaries):
– The liquidus line (L/L+a)
– The solidus line (a/L+a)
• 3 phase fields:
– L
– L + a
– a

25
• aturan 1: jika diketahui T dan Co (komposisi), maka
– akan diketahui jumlah dan jenis fasa
• contoh:
A (1100°C, 60wt% Ni):
1 phase: a
B (1250°C, 35wt% Ni):
2 phases: L + a
Rules of Determining Number & Types of Phases
(The lever arm rule/Aturan kaidah lengan)
Lihat gambar disamping

26
Aturan kaidah lengan/the lever arm rule
Untuk menghitung persentase
fasa-fasa yang ada pada komposisi
tertentu, digunakan metoda kaidah
lengan.
x adalah komposisi paduan yang
akan dihitung persentase fasa-
fasanya pada temperatur T, maka
tarik garis yang memotong batas
kelarutannya (garis L-S).
Jika x = wo; L = wl dan S = ws
maka % fasa cair dan padat :
%
100
x
w
w
w
w
L
l
s
o
s


 %
100
x
w
w
w
w
S
l
s
l
o




27
• aturan 2: jika diketahui T dan Co, maka
– akan diketahui komposisi dari fasa
• contoh: C0 = 35 wt%Ni
At TA:
Only Liquid (L)
CL = C0 = 35 wt%Ni
At TD:
Only Solid (a)
Ca = C0 = 35 wt%Ni
At TB:
Both a and L
CL = CLiquidus = 32 wt%Ni
Ca = CSolidus = 43 wt%Ni

28
%
7
,
72
%
100
32
43
35
43




L
x
L
%
3
,
27
%
100
32
43
32
35




S
x
S
Contoh lain: pada wo= 53% Ni
wl (32%) wo(35%) ws(43%)

29
% fasa cair dan padat:
%
38
%
100
45
58
53
58




L
x
L
%
62
%
100
45
58
45
53




S
x
S
wl (45%) wo(53%) ws(58%)

30
For the alloys listed below:
60 wt% Ni-40 wt% Cu at 1100°C
35 wt% Ni-65 wt% Cu at 1250°C
(1) Phase(s) that are present
(2) The composition of each phase
Example: Determine the phase(s) that are
present and the composition of the phase(s)

31
a
60 wt% Ni-40
wt% Cu at 1100°C
(L)
(1) Determine the
phase(s) that are
present
Point A:
a phase

32
a
60 wt% Ni-40 wt%
Cu at 1100°C (Point
A):
a
(2) Determine the
composition of each
phase
Ca = C0 = 60 wt% Ni

33
a
35 wt% Ni-65 wt%
Cu at 1250°C
(L)
(1) Determine the
phase(s) that are
present
Point B
a + L phases

34
a
35 wt% Ni-65 wt%
Cu at 1250°C (Point
B):
a + L
(2) Determine the
composition of each
phase

35
• 35 wt% Ni-65 wt% Cu at 1250°C (Point B): in two phase (a + L) region
(2) Determine the
composition of each
phase
42.5
35
31.5
Tie Line
Composition (wt% Ni)
CL C0 Ca
Draw a tie line
Composition of L: intersection a/a+L — CL = 31.5 wt% Ni
Composition of a: intersection L/a+L — Ca = 42.5wt% Ni

36
• Consider
Co = 35wt%Ni
• Upon cooling
– L
35wt%  32wt% 
24wt%
– a
46wt%  43wt% 
36wt%
– Equilibrium cooling
Sufficiently slow
cooling rate gives
enough time for
composition
readjustments
Equilibrium Cooling in a Cu-Ni Binary System

1
2. Larut sempurna dalam keadaan cair, tidak larut
sempurna dalam keadaan padat (reaksi eutektik)
Pembentukan diagram fasa:

2
Pendinginan untuk berbagai komposisi pada Bi-Cd

4
Setiap garis komposisi yang memotong garis
kesetimbangan horisontal/datar selalu mengalami dua
tahap transformasi

5
3. Larut sempurna dalam keadaan cair, larut sebagian dalam
keadaan padat (reaksi eutektik)
Pembentukan diagram fasa:

7
Contoh alloy 1:
Pada paduan biner seperti diagram fasa Pb-Sn, ada komposisi
paduan spesifik yang dikenal sebagai Eutectic Composition,
dimana proses pendinginan/solidifikasi terjadi pada temperatur
terendah dibandingkan komposisi lainnya.
Temperatur rendah tersebut berkaitan dengan temperatur terendah
dimana masih terdapat fasa cair ketika didinginkan dengan lambat.
Temperatur tersebut biasa disebut temperatur eutektik.
Perhatikan pada alloy 1, titik eutektik pada komposisi 61,9%Sn,
38,9%Pb, T=183C.
Akibat pendinginan, maka terjadi perubahan fasa:
Cairan  larutan padat +  larutan padat

8
Transformasi fasa yang terjadi pada komposisi 40% Sn-60% Pb
(pada alloy 2):
a. 100% fasa cair.
b. Terjadi pengintian fasa , karena proses pendinginan memotong
garis kesetimbangan fasa +L.
c. Pada T=230C, fasa  mengalami pertumbuhan, = 24%, L=
76%.
%
76
%
100
15
48
15
40
%
24
%
100
15
48
40
48








L
x
L
x



9
d. Pada T= 183C proses pendinginan memotong garis horisontal
(garis eutektik), terjadi dua tahap transformasi pro= 51,3%, L=
48,7%. Transformasi tahap 1:
%
7
,
48
%
100
2
,
19
9
,
61
2
,
19
40
%
3
,
51
%
100
2
,
19
9
,
61
40
9
,
61








L
x
L
x
pro
pro


e. Setelah reaksi eutektik sempurna terjadi, paduan mengandung
fasa pro dan campuran  (19,2% Sn) dan  (97,5% Sn).
Transformasi tahap 2:
%
6
,
26
%
7
,
48
2
,
19
5
,
97
2
,
19
9
,
61
%
1
,
22
%
7
,
48
2
,
19
5
,
97
9
,
61
5
,
97
2
2












x
x
L 2 + 
48,7% ? ?

10
%
6
,
26
%
100
2
,
19
5
,
97
2
,
19
40
%
4
,
73
%
100
2
,
19
5
,
97
40
5
,
97












x
x
tot
tot
Sehingga:
total = %pro + %2
= 51,3% + 22,1%
= 73,4%
 = 26,6%
Untuk mengetahui bahwa perhitungan dengan dua tahap transformasi
adalah benar, dilakukan koreksi dengan perhitungan:

11
4. Larut sempurna dalam keadaan cair, larut sebagian dalam
keadaan padat (reaksi peritektik)
Diagram fasa Ag-Pt merupakan contoh terbaik yang memiliki
reaksi peritektik.
Pada sistem ini reaksi peritektik, L +   terjadi pada 42,4%
Ag dan T= 1186C.

12
5. Larut sempurna dalam keadaan cair, tidak larut dalam
keadaan padat dan membentuk senyawa

13
Sistem A-B terpisah menjadi dua bagian, seolah-oleh ada dua
diagram fasa: Diagram fasa A÷AmBn dan diagram fasa AmBn÷B.
Terlihat ada dua garis eutektik yang berbeda, reaksinya:
Pada T1 : L  + AmBn
Pada T2 : L AmBn + 
Senyawa yang terbentuk AmBn, dimana m dan n adalah jumlah atom
yang membentuk senyawa, misalnya pada paduan Mg-Sn, senyawa
yang terbentuk adalah Mg2Sn.

14
6. Larut sebagian dalam keadaan cair (reaksi monotektik)
Reaksi monotektik:
L  + L2
terjadi pada T= 955C dan 36% Pb.

15
7. Tidak larut dalam keadaan cair maupun padat
Solid A + solid B
Solid A + liquid B
Liquid A + liquid B
TA
TB
A B

16
Reaksi-reaksi fasa yang umum terjadi

17
Contoh-contoh diagram fasa
Cu-Zn

20
Diagram fasa terner
Untuk tiga unsur yang akan dipadu, diagram fasa biner tidak dapat
digunakan, untuk itu digunakanlah diagram fasa terner.
Diagram ini berbentuk segitiga, dimana disetiap ujung segitiganya
merupakan kandungan murni unsurnya.
Konstruksi diagram fasa terner

21
Penentuan titik komposisi tertentu sangatlah berbeda dengan diagram
fasa biner. Contoh penentuan komposisi ketiga unsur didiagram fasa
terner dibawah ini pada titik x adalah sebagai berikut:
Tarik garis tegak lurus AD untuk
menentukan komposisi A, maka
A=40%.
Tarik garis tegak lurus BE untuk
menentukan komposisi B, maka
B=40%.
Tarik garis tegak lurus CF untuk
menentukan komposisi C, maka
C=20%.
Jadi komposisi pada titik x adalah
40% A, 40% B & 20% C.
Cari untuk komposisi untuk titik y.

22
Contoh diagram fasa terner:

23
K u i s
Soal 1.
1kg paduan 70% Pb dan 30% Sn didinginkan dengan lambat dari
temperatur 300C, dengan menggunakan diagram fasa Pb-Sn,
hitunglah:
1. Persentase fasa cair dan pro pada 250.
2. Persentase fasa cair dan pro sedikit diatas temperatur eutektik
(183C) dan berat dalam kg kedua fasa tersebut.
3. Berat dalam kg fasa  dan  yang terbentuk oleh reaksi eutektik.
Soal 2.
Lihat diagram fasa Pt-Ag, hitunglah:
1. Persentase fasa-fasa pada 42,4% Ag pada T=1400C.
2. Persentase fasa-fasa sedikit diatas 1186C untuk 42,4% Ag.
3. Persentase fasa pada titik peritektik untuk 42,4% Ag.
4. Persentase fasa-fasa pada T=1150C untuk 60% Ag.

1
K u i s
Soal 1.
1kg paduan 70% Pb dan 30% Sn didinginkan dengan lambat dari
temperatur 300C, dengan menggunakan diagram fasa Pb-Sn,
hitunglah:
1. Persentase fasa cair dan pro pada 250C.
2. Persentase fasa cair dan pro sedikit diatas temperatur eutektik
(183C) dan berat dalam kg kedua fasa tersebut.
3. Berat dalam kg fasa  dan  yang terbentuk oleh reaksi eutektik.
Soal 2.
Lihat diagram fasa Pt-Ag, hitunglah:
1. Persentase fasa-fasa pada 42,4% Ag pada T=1400C.
2. Persentase fasa-fasa sedikit diatas 1186C untuk 42,4% Ag.
3. Persentase fasa pada titik peritektik untuk 42,4% Ag.
4. Persentase fasa-fasa pada T=1150C untuk 60% Ag.

2
Jawaban kuis:
Soal 1.
12 40
1. Persentase fasa cair dan pro pada 250C:

3
%
7
,
35
%
100
12
40
30
40
%
3
,
64
%
100
12
40
12
30








x
x
L
pro

12 30 40
2. Persentase fasa cair dan pro sedikit diatas temperatur eutektik:
%
7
,
74
%
100
2
,
19
9
,
61
30
9
,
61
%
3
,
25
%
100
2
,
19
9
,
61
2
,
19
30








x
x
L
pro

 L
19,2 30 61,9
 L

4
3. Berat dalam kilogram untuk  dan  setelah reaksi eutektik:
%
8
,
13
%
100
2
,
19
5
,
97
2
,
19
30
%
2
,
86
%
100
2
,
19
5
,
97
30
5
,
97








x
x
total


Berat total dalam kg = 1kg x 0,862 = 0,862kg.
Berat  yang terbentuk setelah reaksi eutektik adalah:
= berat total – berat pro
= 0,862kg – 0,747kg = 0,115kg.
Berat  dalam kg = 1kg x 0,138 = 0,138kg.
19,2 30 97,5
 

5
7 55
Soal 2.
1. Persentase fasa-fasa pada 42,4% Ag, T=1400C:
42,4%

6
%
3
,
26
%
100
7
55
4
,
42
55
%
7
,
73
%
100
7
55
7
4
,
42








x
x
L

7 42,4 55
10,5 42,4 66,3
2. Persentase fasa-fasa pada 42,4% Ag pada temperatur sedikit diatas
1186C:
%
8
,
42
%
100
5
,
10
3
,
66
4
,
42
3
,
66
%
2
,
57
%
100
5
,
10
3
,
66
5
,
10
4
,
42








x
x
L

 L
 L

7
3. Persentase fasa pada titik peritektik untuk 42,4% Ag:
Pada titik peritektik proses pendinginan terjadi reaksi fasa:
Cair +  
Sehingga fasa yang terbentuk adalah 100% .
60%
48 77
4. Persentase fasa-fasa pada T=1150C untuk 60% Ag:

8
48 60 77
%
6
,
58
%
100
48
77
60
77
%
4
,
41
%
100
48
77
48
60








x
x
L

 L

9
 Paduan besi (Ferrous Alloys)
– Klasifikasi baja (Classification of Steels)
– Kodifikasi baja (Designation of Steels)
 Paduan non-fero (Nonferrous Alloys)
– Aluminium (Aluminum)
– Tembaga (Copper)
– Magnesium
– Titanium
– Refractory metals
– Superalloys
– Logam-logam mulia (Noble metals)
Paduan-paduan Logam (Metal Alloys)

10
Metal Alloys
Ferrous Non-ferrous
Steels Cast Irons
Malleable CI
White CI
Ductile CI
Gray CI
Low Alloys High Alloys
Low-carbon Medium-carbon High-carbon
Plain HSLA Plain Heat
treatable
Plain Tool Stainless
Klasifikasi Paduan Logam

11
The iron–iron carbide phase diagram.
L + Fe3C
2.1 4.3
6.67
M
N
C
P
E
O
G
F
H
Cementite Fe3C
x
x’
0.025
0.8

12
 Berdasarkan diagram fasa Fe-Fe3C:
– Besi murni (Pure iron) (< 0.01% C)
mempunyai fasa  (ferit)
– Baja (Steels) (0.01 ~ 2.1% C)
umumnya struktur mikro terdiri dari fasa  dan Fe3C.
kandungan karbon untuk baja-baja komersial
umumnya kurang dari 1.0%.
– Besi cor (Cast irons) (2.1 ~ 6.67% C)
besi cor komersial umumnya mengandung kurang
dari 4.5% C.
Klasifikasi Paduan Besi

13
Klasifikasi baja
Berdasarkan kandungan karbon tanpa unsur paduan lain (plain
carbon steel):
1. Baja Karbon Rendah (low carbon steel) 0,025-0,3%C.
2. Baja Karbon Medium (medium carbon steel) 0,3-0,5%C.
3. Baja Karbon Tinggi (high carbon steel) 0,5-2,1%C.
Selain itu dari diagram fasa baja dapat dibagi dalam dua jenis,
yaitu:
1. Baja hipoeutektoid (hypo-eutectoid steel) < 0,8%C.
2. Baja hipereutektoid (hyper-eutectoid steel) 0,8-2,1%C

14
The iron–iron carbide phase diagram.

16
Baja karbon tinggi
0,8%C (baja eutektoid)

17
Baja karbon tinggi
1,2%C (baja
hipereutektoid)

18
Standar material (materials standards)
Standar material dikembangkan oleh pemerintah, industri, baik
secara nasional maupun internasional.
Standar adalah dokumen kesepakatan yang merupakan
piranti/perangkat tolok ukur sifat-sifat, karakteristik atau suatu
prosedur yang telah berjalan.
Standar biasanya dikembangkan oleh suatu komite yang terdiri dari
para profesional dibidangnya.
Langkah pertama dalam pengembangan suatu standar adalah
membuat suatu draft yang dibahas oleh sebuah komite yang
nantinya akan disahkan menjadi suatu standar yang berlaku secara
nasional maupun internasional.
Pengembangan proses membutuhkan waktu yang lama, tetapi
dokumen akhir yang telah selesai dibahas merepresentasikan suatu
konsensus dari opini komite dan memperhatikan kenyataan
diindustri saat itu.

19
Suatu standar harus dinjau secara berkala (minimum sekali dalam
lima tahun) untuk menentukan apakah dipertahankan atau diperbaiki.
Jika suatu standar ditetapkan sudah tidak relevan lagi, maka standar
tersebut harus dihapus.
Ada tiga kelas standar:
1. Spesifikasi (specification)
2. Metoda pengujian (test method)
3. Rekomendasi penggunaan (recommended practice)
Sebuah kode berisi ketiga kelas standar dan mengikat secara hukum.
1. Spesifikasi
Merupakan pernyataan bahwa suatu produk harus sesuai antara
keperluan teknis dan komersial. Contohnya baja paduan dan baja
tahan karat untuk baut yang bekerja pada operasi temperatur tinggi
mengikuti ASTM A 193.

20
2. Metoda pengujian
Sekumpulan/seperangkat perintah atau cara-cara untuk
mengidentifikasi, melakukan pengukuran atau mengevaluasi sifat-
sifat material. Contohnya pengujian impak untuk material logam
menggunakan ASTM E 23.
3. Rekomendasi penggunaan/aplikasi
Sekumpulan/seperangkat perintah atau cara-cara dalam
melaksanakan satu atau lebih pengoperasian atau fungsi selain dari
identifikasi, pengukuran atau mengevaluasi material. Contohnya
rekomendasi penggunaan untuk persiapan permukaan baja atau
material keras yang lainnya dengan menggunakan penyemprotan
air sebelum dilapis atau lapis ulang mengikuti NACE RP-01-72.
4. Kode
Sekumpulan standar atau seperangkat peraturan yang harus ditaati.
Contohnya ASME Boiler and Pressure Vessel Code, dimana
didalamnya terdapat peraturan untuk proses perlakuan panas
setelah pengelasan dari bejana tekan yang berkaitan dengan jenis
dan ketebalan material.

21
ASTM A 193
SPECIFICATION
FOR ALLOY STEEL AND STAINLESS STEEL BOLTING MATERIAL FOR
HIGH-TEMPERATURE SERVICE
ASTM E 23
TEST METHOD
NOCTHED BAR IMPACT TESTING OF METALLIC MATERILAS
NACE RP-01-72
RECOMMENDED PRACTICE
SURFACE PREPARATION OF STEEL AND OTHER HARD MATERIALS
ASME
Boiler and Pressure Vessel Code
CODE
SECTION VIII, DIVISION 1, PARAGRAPH UCS-56
POST-WELD HEAT TREATMENT OF CARBON STEEL PRESSURE VESSELS
Contoh-contoh standar:

22
1. AISI (American Iron and Steel Institute)
2. SAE (Society of Automotive Engineers)
3. ASTM (American Society for Testing and Materials)
4. UNS (Unified Numbering System)
5. NACE (National Association of Corrosion Engineers)
6. AWS (American Welding Society)
7. AA (Aluminum Association)
8. API (American Petroleum Institute)
9. ASME (American Society of Mechanical Engineers)
Kesemuanya berada dibawah naungan ANSI (American
National Standards Institute)
Organisasi-organisasi Profesional

23
Standar setiap negara:
Negara Singkatan
Austria ONORM
Belgia NBN
Bulgaria BDS
Canada CSA
Czechoslovakia CSN
Perancis AFNOR
Jerman DIN
Jepang JIS
Inggris BS
Indonesia SNI
Polandia PN
Italia UNI
Rumania STAS
Spanyol UNE
Swedia SS
Rusia GOST
Eropa bersatu EURONORM
Hungaria MSZ

24
Begitu banyaknya jenis baja, maka perlu dibuat suatu standar agar
setiap pengguna dari berbagai kalangan seperti rekayasawan, industri
mempunyai kesamaan pandang, yaitu suatu sistem kodifikasi
(penomoran).
Sistem Kodifikasi Baja
 Dibuat penomoran dalam empat digit angka: dua angka
pertama menunjukkan jenis unsur paduan; dua angka
terakhir menunjukkan kandungan karbon.
 Untuk baja karbon tanpa paduan/baja biasa (plain carbon
steels), dua angka pertama adalah 1 dan 0; untuk baja
paduan ditunjukkan oleh kombinasi angka (misalnya: 13,
41, 43).
 Angka ketiga dan keempat menunjukkan kandungan
karbon (dibagi 100).

25
Kodifikasi baja
41 40
Menunjukkan unsur-
unsur paduan utama,
yaitu mengandung Cr
dan Mo
Persentase karbon
Dibuat penomoran dalam empat digit angka: dua angka pertama
menunjukkan jenis unsur paduan; dua angka terakhir menunjukkan
kandungan karbon.
Contoh:
4
,
0
100
40
% 

C

26
Baja Paduan (Steel Alloys)
Steel Numerical Name Key Alloys
10XX, 11 XX Carbon only
13XX Manganese
23XX, 25 XX Nickel
31XX, 33XX, 303XX Nickel-Chromium
40XX Mo
41XX Cr-Mo
43XX & 47XX Ni-Cr-Mo
44XX Mn-Mo
48XX Ni-Mo
50XX, 51XX, 501XX,
521XX, 514XX, 515XX
Cr
61XX Cr-V
81XX, 86XX, 87XX, 88XX Ni-Cr-Mo
92XX Si-Mn
93XX, 98XX Ni-Cr-Mo
94XX Ni-Cr-Mo-Mn
XXBXX Boron
XXLXX Lead
94XX Ni-

27
Sistem kodifikasi baja (lanjutan)

@_Pengantar Metalurgi (DR., Ir. Koesharjanto, MT.).pdf

@_Pengantar Metalurgi (DR., Ir. Koesharjanto, MT.).pdf

Recommended

Recommended

More Related Content

Similar to @_Pengantar Metalurgi (DR., Ir. Koesharjanto, MT.).pdf

Similar to @_Pengantar Metalurgi (DR., Ir. Koesharjanto, MT.).pdf (20)

More from Abrianto Akuan

More from Abrianto Akuan (8)

Recently uploaded

Recently uploaded (9)

@_Pengantar Metalurgi (DR., Ir. Koesharjanto, MT.).pdf