KLASIFIKASI MATERIAL

Material solid secara umum dibagi ke dalam lima jenis, yaitu logam, keramik, polimer, semikonduktor dan komposit. Apabila pengklasifikasiannya didasarkan pada jenis ikatan antar atomnya, maka hanya akan terdapat material – material yang termasuk ke dalam kelompok logam, keramik, dan polimer. Apabila klasifikasi material ditinjau dari kemampuan konduktivitasnya maka akan terdapat tambahan: golongan material semikonduktor. Ditinjau dari segi struktur, terdapat jenis material tambahan yaitu material komposit.

Logam
Material – material dalam kelompok ini disusun oleh satu atau lebih unsur logam (misalnya besi, alumunium, tembaga, titanium, emas, dan nikel), dan juga seringkali mengandung unsur non logam (misalnya karbon, nitrogen dan oksigen) dalam jumlah yang relatif kecil. Atom – atom pada logam dan paduannya mempunyai ciri – ciri tersusun secara sangat teratur, dan apabila dibandingkan dengan keramik dan polimer susunan antar atom – atomnya cenderung lebih rapat. Karakteristik susunan antar atomnya yang khas ini, kemudian disebut sebagai ikatan logam. Material logam memiliki nilai elektron bebas yang tinggi, dimana berarti terdapat sejumlah besar elektron yang tidak terikat pada inti atom sehingga bisa bergerak bebas. Sifat – sifat dari material logam yang khas ini dapat dijelaskan melalui karakterisitik elektronnya tersebut. Yang paling utama, yaitu apabila diamati dari sifat logam yang merupakan penghantar listrik dan panas yang baik. Selain itu susunan atom material logam yang teratur membuatnya tidak mampu ditembus oleh cahaya sehingga tidak tembus pandang seperti halnya kaca. Permukaan material logam akan mengkilap apabila dipoles. Sebagai tambahan, beberapa jenis logam (Fe, Co, Ni) juga memiliki sifat magnetik yang kuat.

Mengenai sifat mekaniknya, material logam cenderung bersifat cukup kaku dan kuat, ulet (ductile = dapat mengalami deformasi atau perubahan bentuk tanpa mengalami patah) sehingga punya kemampuan mampu dibentuk (formability) yang baik (misalnya melalui penempaan, pengerolan, dll), dan mampu menerima pembebanan secara tiba – tiba tanpa mengalami patah (shock resistance). Sifat – sifat tersebut membuat logam mempunyai jangkauan aplikasi yang sangat luas dalam dunia industri hingga saat ini.

Keramik
Keramik merupakan perpaduan antara unsur – unsur logam dan non logam yang kemudian membentuk suatu senyawa yang umumnya termasuk ke dalam jenis oksida, nitride, dan karbida. Sebagai contoh, beberapa keramik yang umumnya dikenal yaitu alumunium oksida (alumina atau Al2O3), silicon dioksida (silika atau SiO2), silicon karbida (SiC), silikon nitride (Si3N4). Sebagai tambahan, juga terdapat beberapa material keramik yang termasuk ke dalam kelompok keramik tradisional seperti mineral – mineral, lempung, cement, batu bata, dan kaca. Grafit dan intan juga dimasukkan ke dalam kelompok keramik.

Keramik biasanya dihubungkan dengan istilah “ikatan campuran”-sebuah kombinasi dari ikatan kovalen, ionic, dan terkadang metalik. Terdiri dari deretan atom – atom yang saling berhubungan satu sama lain, dan tidak ada molekul yang terpisah. Karakteristik ini membedakan keramik dari padatan molekular, seperti kristal iodine (tersusun dari molekul I2 yang terpisah) dan paraffin wax (tersusun oleh rantai panjang molekul alkana). Selain itu es, dimana tersusun dari molekul terpisah H2O, juga termasuk ke dalam kelompok ini walaupun memiliki perilaku seperti keramik.

Sifat mekanik dari material keramik adalah kaku, kuat dan sangat getas (brittle),

Polimer
Polimer merupakan molekul makro yang dibentuk oleh atom – atom yang terikat secara kovalen membentuk suatu satuan molekul yang disebut mer, dan kemudian satuan molekul ini tersambung dengan kelompok – kelompok mer sejenis yang lain, membentuk suatu rantai yang panjang dan berulang. Sebagian besar polimer merupakan senyawa organik berbasis karbon, hydrogen, dan unsur – unsur non metal lainnya seperti sulfur/belerang (S) dan klorin (Cl). Karakteristik Ikatan antar rantai molekul polimer sangat mempengaruhi karakteristiknya. Struktur cross linking (ikatan silang) dari rantai polimer merupakan kunci dari proses vulkanisasi yang dapat mengubah karet alam yang awalnya belum memiliki fungsi aplikasi menjadi produk yang berguna dalam ekhidupan sehari – hari seperti misalnya ban mobil yang membuat bepergian dengan sepeda menjadi lebih nyaman. Istilah polimer dan plastik seringkali dipertukarkan. Padahal sebenarnya, plastik merupakan kombinasi dari polimer – polimer yang biasanya juga diberi bahan tambahan lain untuk memenuhi kemampuan dan penampilan yang diinginkan.

Semikonduktor
Semikonduktor merupakan satu-satunya kelas material yang dibedakan berdasarkan sifatnya. Material ini biasanya didefinisikan sebagai material yang memiliki konduktivitas listrik pertengahan, antara konduktor yang baik dan insulator. Konduktivitasnya sangat tergantung dari banyak sedikitnya jumlah bahan pengotor/tambahan pada bahan yang mana hal inilah yang menjadi kunci pembuatan produk IC (integrated circuit).

KONVERSI NILAI HARDNESS KE STRENGTH

Konversi nilai Hardness ke Tensile Strength dapat dilakukan berdasarkan rumus berikut:

Dari rumus di atas kita perlu melakukan konversi terlebih dahulu nilai hardness yang tidak dalam satuan Brinnel ke dalam bentuk satuan Brinnel (HB). Konversi antar satuan hardness ini dapat dilihat di ASM Handbook Volume 8, Mechanical Testing and Evaluation.

Untuk bisa mengatahui secara praktis konversi nilai hardness ke tensile strength, dapat dikunjungi situs-situs berikut:

• 
  http://www.unified-eng.com/scitech/hardness/hardness.html
• http://www.efunda.com/units/hardness/convert_hardness.cfm?cat=Steel&HD=Approx.%20TS

Pada situs tersebut telah disediakan sistem javascript, dimana Anda tinggal memasukkan data hardness yang telah Anda dapatkan, tekan Enter, lalu nilai tensile strength secara otomatis akan muncul.

Untuk referensi konversi nilai hardness ke tensile strength dalam bentuk tabel bisa dilihat di: http://www.onlinemetals.com/hardness.cfm

PENGANTAR ILMU DAN TEKNOLOGI MATERIAL

Adakalanya, akan lebih memudahkan apabila membagi disiplin ilmu dan terknologi material ke dalam dua sub divisi, yaitu ilmu material (material science) pada satu sisi, dan teknologi material (material engineering) pada sisi yang lain. Bidang keilmuan material (material science) mencakup investigasi mengenai keberadaan hubungan antara struktur material dengan sifatnya. Sedangkan, teknologi material (material engineering), dengan didasarkan pada hubungan antara struktur material dengan sifatnya tersebut, merupakan upaya merancang dan memanipulasi struktur material guna menghasilkan suatu produk material dengan sifat – sifat tertentu.

Apabila dilihat dari perspektif fungsional, secara sederhana, peranan ilmuwan material adalah untuk mengembangkan dan mensintesa material – material baru, sedangkan teknisi material punya andil dalam menciptakan produk atau sistem baru dengan menggunakan material yang telah tersedia atau mengembangkan teknik – teknik pegolahan material. Hal yang kemudian juga menjadi bagian penting dari bidang ini adalah istilah “struktur” dan “sifat material”.

“Struktur” material bisa memiliki berbagai definisi. Akan tetapi, pada dasarnya, “strukktur” selalu berhubungan dengan susunan komponen – komponen internal material. Dalam konteks ini, pengertian struktur akan berbeda – beda tergantung pada level ukuran komponen material yang diacu. Struktur pada level sub atomik, dikenalkan sebagai berbagai karakteristik elektron di dalam suatu atom secara individu, serta interaksi dengan nukleusnya (pusat atom). Pada level atomik, struktur dijelaskan sebagai atom – atom atau molekul – molekul yang membentuk kelompok secara relatif antara satu dengan yang lainnya. Pada tingkatan pengertian struktur yang lebih tinggi, struktur merupakan pengelompokan dari kelompok atom – atom atau molekul – molekul, dalam skala besar yang kemudian disebut sebagai skala mikroskopis. Kegiatan – kegiatan struktur material pada level ini dapat diamati dengan bantuan mikroskop. Selanjutnya, ketika struktur dapat diamati secara langsung oleh mata telanjang (visual), maka tingkatan struktur ini disebut struktur makroskopis.

Pengertian “sifat material” dapat dijelaskan melalui hubungan antara material dengan lingkungan di sekitarnya. Dalam suatu kegiatan aplikasi, semua material akan memberikan respon – respon tertentu terhadap suatu perlakuan eksternal yang diberikan. Misalnya, spesimen material yang diberikan suatu pembebanan akan mengalami deformasi (perubahan bentuk), sebuah material yang permukaannya dipoles akan mampu memantulkan cahaya, material logam yang ditempatkan pada lingkungan yang korosif dalam jangka waktu tertentu akan megalami korosi. Sebuah “sifat material” menggambarkan besarnya tanggapan material terhadap perlakuan spesifik yang dibebankan. Pada umumnya, pengertian sifat material kemudian dibuat independen terhadap faktor dimensi (ukuran dan bentuk).

Sifat – sifat material tersebut kemudian dikelompokkan ke dalam enam kategori berbeda, didasarkan jenis perlakuan yang diberikan. Ke enam kategori tersebut yaitu : sifat mekanik, elektrik, termal, magnetik, optik, dan deterioratif. Untuk masing – masing jenis sifat material ini terdapat sebuah tipe atau ciri karakteristik dari kemampuan material dalam memberikan respon terhadap sebuah rangsangan perlakuan. Sifat mekanik, mengacu pada terjadinya perubahan – perubahan bentuk material sebagai akibat adanya sebuah aplikasi pembebanan mekanik, misalnya ditunjukkan melalui nilai modulus elastisitas, kekutan tarik, dan lain sebagainya. Sifat elektrik, seperti misalnya konduktivitas atau konstanta dielektrik, media stimulusnya adalah medan listrik. Perilaku yang unik dari berbagai jenis material solid ketika mendapat rangsangan termal, dapat diukur misalnya melalui kapasitas panas atau konduktivitas termal. Sifat magnetik dapat dilihat dari respon material terhadap medan magnet. Pada sifat optik, stimulusnya dapat berupa elektromagnetik atau radiasi cahaya, dimana kemudian direpresentasikan sebagai nilai index refraksi (penghamburan) atau reflektivitas (pemantulan). Terakhir, sifat deterioratif mengacu kepada reaktivitas kimia material.

Sebagai tambahan terhadap istilah “strukur” dan “sifat” seperti yang dijelaskan di atas, terdapat dua istilah penting lainnya yang seringkali menjadi perbincangan dalam bidang ilmu dan teknologi material. Kedua istilah tersebut yaitu “proses” dan “performa”. Ke empat istilah ini (struktur, sifat, proses dan performa) kemudian membentuk suatu kesatuan hubungan. Struktur suatu material yang terbentuk akan tergantung terhadap bagaimana material tersebut sebelumnya diproses. Struktur material yang terbentuk kemudian akan mempengaruhi sifat dari material. Performa material dalam suatu aplikasi merupakan suatu fungsi dari sifat – sifat material.

Proses → struktur → sifat → performa

Pada taraf aplikasi hampir semua ilmuwan dan teknisi, baik itu dari bidang permesinan, sipil, kimia, atau kelistrikan, pada suatu waktu akan selalu dihadapkan pada permasalahan perancangan yang melibatkan pertimbangan terhadap material. Sebagai contoh, misalnya dalam suatu perancangan sistim transmisi gear, struktur bangunan, komponen – komponen pada perlengkapan pengolahan minyak bumi, atau pada sebuah chip integrated circuit (IC). Tentu saja, ilmuwan dan teknologi material merupakan spesialis dalam kasus ini.

Seringkali, permasalahan material biasanya merupakan upaya menentukan material mana yang paling tepat dalam suatu aplikasi, diantara sekian banyak variasi material yang tersedia. Terdapat beberapa kriteria yang kemudian mendasari pengambilan keputusan. Pertama kondisi aplikasi harus bisa dikenal, yang kemudian akan diketahui material dengan sifat seperti apa yang akan dibutuhkan dalam aplikasi tersebut. Dalam suatu peristiwa yang sangat jarang terjadi, material akan memiliki kombinasi sifat yang maksimum atau ideal. Hal ini memungkinkan pentingnya untuk mempertukarkan sifat yang satu dengan sifat yang lain untuk mendapatkan sifat terbaik. Contoh klasik dari permasalahan ini adalah pada pembahasan tentang kekuatan dan keuletan. Pada sebagaian besar kasus, material yang memiliki kekuatan (strength) yang tinggi akan memiliki keuletan (ductility) yang rendah, begitu pula sebaliknya.

Kriteria kedua adalah kemungkinan adanya sejumlah reaksi kimia yang terjadi selama kegiatan aplikasi berlangsung. Sebagai contoh, pengurangan kekuatan dan masa pemakaian secara signifikan perlengkapan – perlengkapan mesin bisa disebabkan karena pemakaian pada temperatur yang terlampau tinggi dan lingkungan yang korosif.

Kriteria terakhir yang tidak kalah penting yaitu pertimbangan ekonomi. Seringkali akan muncul pertanyaan mengenai berapa kemungkian biaya akhir yang dibutuhkan. Sebuah material barangkali akan memenuhi secaara ideal dari sisi karakteristik, namun memiliki biaya pengadaan yang terlampau mahal.