Metalurgi, seni dan ilmu pengetahuan untuk mengekstraksi logam dari bijihnya dan memodifikasi logam untuk digunakan. Metalurgi biasanya mengacu pada metode komersial dan bukan metode laboratorium. Metalurgi juga menyangkut sifat dan struktur kimia, fisika, dan atomik logam serta prinsip-prinsip di mana logam digabungkan untuk membentuk paduan.
Sejarah metalurgi
Penggunaan logam saat ini merupakan puncak dari jalur panjang perkembangan yang berlangsung selama sekitar 6.500 tahun. Secara umum disepakati bahwa logam yang pertama kali dikenal adalah emas, perak, dan tembaga, yang muncul dalam bentuk asli atau logam, yang paling awal adalah bongkahan emas yang ditemukan di pasir dan kerikil di dasar sungai. Logam-logam asli tersebut mulai dikenal dan dihargai karena nilai ornamen dan kegunaannya selama bagian akhir Zaman Batu.
Perkembangan paling awal
Emas dapat digumpalkan menjadi potongan-potongan yang lebih besar dengan palu dingin, tetapi tembaga asli tidak bisa, dan langkah penting menuju Zaman Logam adalah penemuan bahwa logam seperti tembaga dapat dibentuk menjadi bentuk-bentuk dengan mencairkan dan menuangnya ke dalam cetakan; di antara produk paling awal yang diketahui dari jenis ini adalah kapak tembaga yang dituang di Balkan pada milenium ke-4 Sebelum Masehi. Langkah lainnya adalah penemuan bahwa logam dapat diperoleh kembali dari mineral-mineral yang mengandung logam. Mineral-mineral ini telah dikumpulkan dan dapat dibedakan berdasarkan warna, tekstur, berat, serta warna api dan bau ketika dipanaskan. Hasil yang lebih besar yang diperoleh dengan memanaskan tembaga asli dengan mineral oksida yang terkait dapat menyebabkan proses peleburan, karena oksida-oksida ini mudah direduksi menjadi logam di dalam lapisan arang pada suhu lebih dari 700°C (1.300°F), karena reduktornya, yaitu karbon monoksida, menjadi semakin stabil. Untuk melakukan aglomerasi dan pemisahan tembaga yang dilebur atau dilebur dari mineral-mineral yang terkait, maka perlu untuk memasukkan oksida besi sebagai fluks. Langkah lebih lanjut ke depan ini dapat dikaitkan dengan keberadaan mineral gossan oksida besi di zona atas endapan tembaga sulfida yang lapuk.
Perunggu
Di banyak daerah, paduan tembaga-arsenik, yang memiliki sifat lebih unggul daripada tembaga baik dalam bentuk tuang maupun tempa, diproduksi pada periode berikutnya. Hal ini mungkin tidak disengaja pada awalnya, karena kesamaan warna dan warna nyala api antara perunggu dari mineral tembaga karbonat berwarna hijau terang dan produk lapuk dari mineral sulfida tembaga-arsenik seperti enargit, dan mungkin kemudian diikuti oleh pemilihan senyawa arsenik yang disengaja berdasarkan bau bawang putih ketika dipanaskan.
Kandungan arsenik bervariasi dari 1 hingga 7 persen, dengan kandungan timah hingga 3 persen. Pada dasarnya paduan tembaga bebas arsenik dengan kandungan timah yang lebih tinggi - dengan kata lain, perunggu asli - tampaknya muncul antara 3000 dan 2500 SM, dimulai dari delta Tigris-Eufrat. Penemuan nilai timah mungkin terjadi melalui penggunaan stannite, campuran sulfida tembaga, besi, dan timah, meskipun mineral ini tidak tersedia secara luas seperti mineral timah utama, kasiterit, yang seharusnya merupakan sumber logam tersebut. Kasiterit sangat padat dan muncul sebagai kerikil dalam endapan aluvial bersama dengan arsenopirit dan emas; kasiterit juga muncul pada tingkat tertentu pada gossan oksida besi yang disebutkan di atas.
Meskipun mungkin ada beberapa pengembangan perunggu secara independen di berbagai tempat, kemungkinan besar budaya perunggu menyebar melalui perdagangan dan migrasi orang-orang dari Timur Tengah ke Mesir, Eropa, dan mungkin Cina. Di banyak peradaban, produksi tembaga, tembaga arsenik, dan perunggu timah terus berlanjut selama beberapa waktu. Hilangnya paduan tembaga-arsenik pada akhirnya sulit untuk dijelaskan. Produksi mungkin didasarkan pada mineral yang tidak tersedia secara luas dan menjadi langka, tetapi kelangkaan relatif mineral timah tidak menghalangi perdagangan substansial logam tersebut dalam jarak yang cukup jauh. Bisa jadi, perunggu timah pada akhirnya lebih disukai karena kemungkinan terkena keracunan arsenik dari asap yang dihasilkan oleh oksidasi mineral yang mengandung arsenik.
Ketika bijih tembaga yang sudah lapuk di daerah tertentu dikerjakan, bijih sulfida yang lebih keras di bawahnya ditambang dan dilebur. Mineral-mineral yang terlibat, seperti kalkopirit, suatu sulfida tembaga-besi, membutuhkan proses pemanggangan oksidasi untuk menghilangkan sulfur sebagai sulfur dioksida dan menghasilkan oksida tembaga. Hal ini tidak hanya membutuhkan keterampilan metalurgi yang lebih besar tetapi juga mengoksidasi besi yang terkait erat, yang dikombinasikan dengan penggunaan fluks oksida besi dan kondisi reduksi yang lebih kuat yang dihasilkan oleh tungku peleburan yang lebih baik, menghasilkan kandungan besi yang lebih tinggi dalam perunggu.
Besi
Tidaklah mungkin untuk menandai perbedaan yang tajam antara Zaman Perunggu dan Zaman Besi. Potongan-potongan kecil besi akan diproduksi dalam tungku peleburan tembaga karena fluks oksida besi dan bijih tembaga sulfida yang mengandung besi digunakan. Selain itu, suhu tungku yang lebih tinggi akan menciptakan kondisi reduksi yang lebih kuat (dengan kata lain, kandungan karbon monoksida yang lebih tinggi dalam gas tungku). Sepotong besi awal dari sebuah jalur kereta api di provinsi Drenthe, Belanda, telah diberi tanggal 1350 SM, tanggal yang biasanya dianggap sebagai Zaman Perunggu Pertengahan untuk area ini. Di Anatolia, di sisi lain, besi telah digunakan sejak tahun 2000 SM. Ada juga referensi sesekali tentang besi pada periode yang lebih awal lagi, tetapi bahan ini berasal dari meteor.
Begitu hubungan telah terjalin antara logam baru yang ditemukan dalam peleburan tembaga dan bijih yang ditambahkan sebagai fluks, pengoperasian tungku untuk produksi besi secara alamiah mengikuti. Tentu saja, pada tahun 1400 SM di Anatolia, besi menjadi sangat penting, dan pada tahun 1200-1000 SM, besi dibuat dalam skala yang cukup besar menjadi senjata, yang pada awalnya berupa bilah belati. Karena alasan ini, tahun 1200 SM dianggap sebagai awal Zaman Besi. Bukti dari penggalian menunjukkan bahwa seni pembuatan besi berasal dari daerah pegunungan di sebelah selatan Laut Hitam, sebuah daerah yang didominasi oleh bangsa Het. Kemudian, seni ini rupanya menyebar ke Filistin, karena tungku-tungku mentah yang berasal dari tahun 1200 SM telah ditemukan di Gerar, bersama dengan sejumlah benda-benda besi.
Peleburan oksida besi dengan arang membutuhkan suhu yang tinggi, dan, karena suhu peleburan besi pada 1.540 ° C (2.800 ° F) tidak dapat dicapai pada saat itu, produk yang dihasilkan hanya berupa gumpalan logam seperti spons yang bercampur dengan terak semi-cair. Produk ini, yang kemudian dikenal sebagai bloom, hampir tidak dapat digunakan saat masih mentah, tetapi pemanasan ulang dan pemukulan panas berulang kali menghilangkan sebagian besar terak, menciptakan besi tempa, produk yang jauh lebih baik.
Sifat-sifat besi sangat dipengaruhi oleh keberadaan sejumlah kecil karbon, dengan peningkatan kekuatan yang besar yang terkait dengan kandungan kurang dari 0,5 persen. Pada suhu yang dapat dicapai - sekitar 1.200 °C (2.200 °F) - reduksi oleh arang menghasilkan besi yang hampir murni, yang lunak dan terbatas penggunaannya untuk senjata dan perkakas, tetapi ketika rasio bahan bakar terhadap bijih ditingkatkan dan perancangan tungku ditingkatkan dengan penemuan bellow yang lebih baik, lebih banyak karbon yang diserap oleh besi. Hal ini menghasilkan produk besi yang mekar dan produk besi dengan berbagai kandungan karbon, sehingga sulit untuk menentukan periode di mana besi mungkin sengaja diperkuat dengan karburasi, atau memanaskan kembali logam yang bersentuhan dengan arang berlebih.
Besi yang mengandung karbon memiliki keuntungan lebih lanjut, tidak seperti perunggu dan besi bebas karbon, besi ini dapat dibuat lebih keras dengan pendinginan-yaitu pendinginan cepat dengan perendaman dalam air. Tidak ada bukti penggunaan proses pengerasan ini selama Zaman Besi awal, sehingga proses ini pasti tidak diketahui saat itu atau tidak dianggap menguntungkan, karena pendinginan membuat besi menjadi sangat rapuh dan harus diikuti dengan penempaan, atau pemanasan ulang pada suhu yang lebih rendah, untuk memulihkan ketangguhan. Apa yang tampaknya telah ditetapkan sejak awal adalah praktik penempaan dingin berulang dan anil pada suhu 600-700 ° C (1.100-1.300 ° F), suhu yang secara alami dicapai dalam api sederhana. Praktik ini umum dilakukan di beberapa bagian Afrika bahkan hingga saat ini.
Pada tahun 1000 SM, besi mulai dikenal di Eropa tengah. Penggunaannya menyebar perlahan ke arah barat. Pembuatan besi cukup meluas di Britania Raya pada saat invasi Romawi pada tahun 55 SM. Di Asia, besi juga sudah dikenal pada zaman kuno, di Cina sekitar tahun 700 SM.
Kuningan
Sementara beberapa seng muncul dalam perunggu yang berasal dari Zaman Perunggu, ini hampir pasti merupakan penyertaan yang tidak disengaja, meskipun ini mungkin merupakan pertanda paduan terner yang kompleks pada Zaman Besi awal, di mana sejumlah besar seng dan timah dapat ditemukan. Kuningan, sebagai paduan tembaga dan seng tanpa timah, tidak muncul di Mesir hingga sekitar 30 SM, tetapi setelah itu dengan cepat diadopsi di seluruh dunia Romawi, misalnya, untuk mata uang. Kuningan dibuat dengan proses kalamin, di mana seng karbonat atau seng oksida ditambahkan ke tembaga dan dilebur di bawah penutup arang untuk menghasilkan kondisi reduksi. Pendirian industri kuningan secara umum merupakan salah satu kontribusi metalurgi penting yang dibuat oleh bangsa Romawi.
Logam mulia
Perunggu, besi, dan kuningan, kemudian, merupakan bahan logam yang digunakan oleh masyarakat untuk membangun peradaban mereka dan yang mereka gunakan untuk membuat peralatan perang dan damai. Selain itu, pada tahun 500 SM, tambang perak yang kaya akan kandungan timah telah dibuka di Yunani. Mencapai kedalaman beberapa ratus meter, tambang-tambang ini dialiri angin yang disediakan oleh api yang menyala di dasar lubang. Bijih disortir dengan tangan, dihancurkan, dan dicuci dengan aliran air untuk memisahkan mineral berharga dari material yang lebih ringan. Karena mineral-mineral ini pada dasarnya adalah sulfida, maka mineral-mineral ini dipanggang untuk membentuk oksida dan kemudian dilebur untuk mendapatkan paduan timbal-perak.
Timbal dihilangkan dari perak dengan cara cupellation, sebuah proses kuno yang sangat kuno di mana paduan tersebut dilebur di dalam tanah liat berpori dangkal atau wadah abu tulang yang disebut cupel. Aliran udara di atas massa cair secara istimewa mengoksidasi timbal. Oksidanya dihilangkan sebagian dengan menyeka permukaan cair; sisanya diserap ke dalam cupel berpori. Logam perak dan emas yang tertinggal di dalam cupel. Timbal dari skiming dan cupel yang dibuang diperoleh kembali sebagai logam setelah dipanaskan dengan arang.
Emas asli itu sendiri sering kali mengandung perak dalam jumlah yang cukup besar. Paduan perak-emas ini, yang dikenal sebagai elektrum, dapat dipisahkan dengan beberapa cara, tetapi mungkin yang paling awal adalah dengan memanaskannya dalam wadah dengan garam biasa. Seiring berjalannya waktu dan dengan perlakuan berulang, perak diubah menjadi perak klorida, yang masuk ke dalam terak cair, meninggalkan emas yang telah dimurnikan. Cupellation juga digunakan untuk menghilangkan kontaminasi seperti tembaga, timah, dan timbal dari emas. Emas, perak, dan timbal digunakan untuk tujuan artistik dan religius, perhiasan pribadi, peralatan rumah tangga, dan peralatan untuk berburu.
Dari 500 SM hingga 1500 M
Dalam seribu tahun antara 500 SM dan 500 M, sejumlah besar penemuan yang penting bagi pertumbuhan metalurgi dibuat. Matematikawan dan penemu Yunani, Archimedes, misalnya, menunjukkan bahwa kemurnian emas dapat diukur dengan menentukan beratnya dan jumlah air yang dipindahkan pada saat pencelupan-yaitu, dengan menentukan densitasnya. Pada masa sebelum Masehi, produksi baja pertama yang penting dimulai di India, dengan menggunakan proses yang telah dikenal oleh orang Mesir kuno. Baja Wootz, demikian sebutannya, dibuat sebagai besi spons (berpori) dalam sebuah unit yang tidak jauh berbeda dengan bloomery. Produk ini dipalu selagi panas untuk mengeluarkan terak, dipecah, kemudian ditutup dengan serpihan kayu dalam wadah tanah liat dan dipanaskan hingga potongan-potongan besi menyerap karbon dan meleleh, mengubahnya menjadi baja dengan komposisi homogen yang mengandung 1 hingga 1,6 persen karbon. Potongan-potongan baja tersebut kemudian dapat dipanaskan dan ditempa menjadi batangan untuk kemudian digunakan dalam pembuatan barang, seperti pedang Damaskus yang terkenal yang dibuat oleh pembuat baju besi Arab abad pertengahan.
Arsenik, seng, antimon, dan nikel mungkin sudah dikenal sejak masa awal, tetapi hanya dalam bentuk paduan. Pada tahun 100 SM, merkuri telah dikenal dan diproduksi dengan memanaskan mineral sulfida cinnabar dan mengembunkan uapnya. Sifatnya yang dapat bercampur (mencampur atau memadukan) dengan berbagai logam digunakan untuk pemulihan dan pemurnian. Timah dipukul menjadi lembaran dan pipa, pipa yang digunakan dalam sistem air awal. Logam timah tersedia dan orang Romawi telah belajar menggunakannya untuk melapisi wadah makanan. Meskipun bangsa Romawi tidak membuat penemuan metalurgi yang luar biasa, mereka bertanggung jawab atas, selain pendirian industri kuningan, mereka juga berkontribusi terhadap peningkatan organisasi dan administrasi yang efisien dalam pertambangan.
Dimulai sekitar abad ke-6, dan selama seribu tahun berikutnya, perkembangan metalurgi yang paling berarti berpusat pada pembuatan besi. Inggris Raya, di mana bijih besi berlimpah, merupakan wilayah pembuatan besi yang penting. Senjata besi, peralatan pertanian, barang-barang rumah tangga, dan bahkan perhiasan pribadi dibuat. Peralatan makan berkualitas tinggi dibuat di dekat Sheffield. Biara-biara sering menjadi pusat pembelajaran seni pengerjaan logam. Para biarawan menjadi terkenal karena pembuatan besi dan lonceng mereka, produk yang dibuat digunakan di biara-biara, dibuang secara lokal, atau dijual kepada pedagang untuk dikirim ke pasar yang lebih jauh. Pada tahun 1408, Uskup Durham mendirikan kincir bertenaga air pertama di Inggris, dengan tenaga air yang tampaknya mengoperasikan lonceng. Setelah tenaga semacam ini tersedia, tenaga ini dapat diterapkan pada berbagai operasi dan memungkinkan pemukulan bunga yang lebih besar.
Di Spanyol, wilayah pembuatan besi lainnya, Catalan forge telah ditemukan, dan penggunaannya kemudian menyebar ke daerah lain. Jenis tungku perapian, tungku ini terbuat dari batu dan diisi dengan bijih besi, fluks, dan arang. Arang terus dinyalakan dengan udara dari bellow yang ditiupkan melalui nosel bawah, atau tuyere (lihat gambar). Mekar yang perlahan-lahan terkumpul di bagian bawah dibuang dan setelah sering dipanaskan dan ditempa menjadi bentuk yang berguna. Pada abad ke-14, tungku ini telah diperbesar tinggi dan kapasitasnya.
Jika rasio bahan bakar dan bijih besi dalam tungku tersebut dijaga tetap tinggi, dan jika tungku mencapai suhu yang cukup panas sehingga sejumlah besar karbon terserap ke dalam besi, maka titik leleh logam akan diturunkan dan bunga api akan meleleh. Hal ini akan melarutkan lebih banyak lagi karbon, menghasilkan besi tuang cair dengan kandungan karbon hingga 4 persen dan dengan temperatur leleh yang relatif rendah, yaitu 1.150°C (2.100°F). Besi tuang akan terkumpul di dasar tungku, yang secara teknis akan menjadi tanur tiup dan bukannya bloomery karena besi akan ditarik sebagai cairan dan bukannya bongkahan padat.
Sementara orang-orang Zaman Besi di Anatolia dan Eropa terkadang secara tidak sengaja membuat besi tuang, yang secara kimiawi sama dengan besi tanur tinggi, orang Cina adalah yang pertama kali menyadari keunggulannya. Meskipun rapuh dan tidak memiliki kekuatan, ketangguhan, dan kemampuan kerja seperti baja, besi tuang ini berguna untuk membuat mangkuk tuang dan bejana lainnya. Faktanya, orang Cina, yang Zaman Besi-nya dimulai sekitar 500 SM, tampaknya telah belajar mengoksidasi karbon dari besi tuang untuk memproduksi baja atau besi tempa secara tidak langsung, daripada melalui metode langsung yang dimulai dari besi karbon rendah.
Setelah tahun 1500
Selama abad ke-16, pengetahuan metalurgi dicatat dan dipublikasikan. Ada dua buku yang sangat berpengaruh. Salah satunya, oleh Vannoccio Biringuccio dari Italia, berjudul De la pirotechnia (Eng. trans., The Pirotechnia of Vannoccio Biringuccio, 1943). Karya lainnya, oleh Georgius Agricola dari Jerman, berjudul De re metallica. Biringuccio pada dasarnya adalah seorang pekerja logam, dan bukunya membahas metode peleburan, pemurnian, dan pengujian (metode untuk menentukan kandungan logam dari bijih) serta mencakup pengecoran logam, pencetakan, pembuatan inti, dan produksi komoditas seperti meriam dan peluru meriam besi tuang. Karya ini merupakan deskripsi metodis pertama tentang praktik pengecoran logam.
Di sisi lain, Agricola adalah seorang penambang dan ahli metalurgi ekstraktif; bukunya membahas tentang pencarian dan survei di samping metode peleburan, pemurnian, dan pengujian. Dia juga menjelaskan proses yang digunakan untuk menghancurkan dan memusatkan bijih dan kemudian, secara rinci, metode pengujian untuk menentukan apakah bijih layak ditambang dan diekstraksi. Beberapa praktik metalurgi yang ia jelaskan pada prinsipnya masih digunakan hingga saat ini.
Logam besi
Dari tahun 1500 hingga abad ke-20, pengembangan metalurgi sebagian besar masih berkaitan dengan peningkatan teknologi dalam pembuatan besi dan baja. Di Inggris, penipisan kayu secara bertahap menyebabkan pelarangan penebangan kayu untuk dijadikan arang dan pada akhirnya memperkenalkan kokas, yang berasal dari batu bara, sebagai bahan bakar yang lebih efisien. Setelah itu, industri besi berkembang pesat di Inggris Raya, yang kemudian menjadi produsen besi terbesar di dunia. Proses krusibel untuk membuat baja, yang diperkenalkan di Inggris pada tahun 1740, di mana besi batangan dan bahan tambahan ditempatkan di dalam cawan lebur tanah liat yang dipanaskan dengan api kokas, menghasilkan baja pertama yang dapat diandalkan yang dibuat dengan proses peleburan.
Salah satu kesulitan dengan proses bloomery untuk produksi besi batangan lunak adalah, kecuali suhu dijaga tetap rendah (dan hasilnya kecil), sulit untuk menjaga kandungan karbon tetap cukup rendah sehingga logam tetap ulet. Kesulitan ini diatasi dengan melebur besi kasar berkarbon tinggi dari tanur sembur dalam proses puddling, yang ditemukan di Britania Raya pada tahun 1784. Di dalamnya, peleburan dilakukan dengan mengalirkan gas panas di atas muatan besi kasar dan bijih besi yang ditahan di perapian tanur. Selama pembuatannya, produk diaduk dengan garu besi (rakes), dan, ketika menjadi pucat karena kehilangan karbon, produk tersebut dikerjakan menjadi bola-bola, yang kemudian ditempa atau digulung menjadi bentuk yang berguna. Produk yang kemudian dikenal sebagai besi tempa ini memiliki kandungan unsur yang rendah yang berkontribusi pada kerapuhan besi kasar dan mengandung partikel terak yang terjerat yang menjadi serat memanjang ketika logam ditempa. Kemudian, penggunaan rolling mill yang dilengkapi dengan gulungan berlekuk untuk membuat batangan besi tempa diperkenalkan.
Perkembangan terpenting pada abad ke-19 adalah produksi baja murah berskala besar. Sebelum sekitar tahun 1850, produksi besi tempa dengan cara ditempa dan baja dengan cara peleburan dalam wadah telah dilakukan dalam unit-unit berskala kecil tanpa adanya mekanisasi yang signifikan. Perubahan pertama adalah pengembangan tungku perapian terbuka oleh William dan Friedrich Siemens di Inggris dan oleh Pierre dan Emile Martin di Prancis. Dengan menggunakan prinsip regeneratif, di mana gas hasil pembakaran digunakan untuk memanaskan siklus bahan bakar gas dan udara berikutnya, hal ini memungkinkan tercapainya temperatur yang tinggi sekaligus menghemat bahan bakar. Besi kasar kemudian dapat diolah menjadi besi cair atau baja karbon rendah tanpa pemadatan, skrap dapat ditambahkan dan dilebur, dan bijih besi dapat dilebur ke dalam terak di atas logam untuk menghasilkan oksidasi karbon dan silikon yang relatif cepat-semuanya dalam skala yang lebih besar. Kemajuan besar lainnya adalah proses Henry Bessemer, yang dipatenkan pada tahun 1855 dan pertama kali dioperasikan pada tahun 1856, di mana udara dihembuskan melalui besi kasar cair dari tuyere yang diletakkan di dasar bejana berbentuk buah pir yang disebut konverter. Panas yang dilepaskan oleh oksidasi silikon terlarut, mangan, dan karbon cukup untuk menaikkan suhu di atas titik leleh logam yang dimurnikan (yang meningkat seiring dengan berkurangnya kandungan karbon) dan dengan demikian mempertahankannya dalam keadaan cair. Tak lama kemudian, Bessemer memiliki konverter miring yang menghasilkan 5 ton dalam waktu satu jam, dibandingkan dengan empat hingga enam jam untuk 50 kilogram (110 pon) baja wadah dan dua jam untuk 250 kilogram besi yang digenangi air.
Baik tungku perapian terbuka maupun konverter Bessemer tidak dapat menghilangkan fosfor dari logam, sehingga bahan baku rendah fosfor harus digunakan. Hal ini membatasi penggunaannya dari daerah di mana bijih fosfor, seperti yang berasal dari pegunungan Minette di Lorraine, merupakan sumber utama besi di Eropa. Masalah ini dipecahkan oleh Sidney Gilchrist Thomas, yang mendemonstrasikan pada tahun 1876 bahwa lapisan tungku dasar yang terdiri dari dolomit yang dikalsinasi, alih-alih lapisan asam dari bahan silika, memungkinkan untuk menggunakan terak berkapur tinggi untuk melarutkan fosfat yang dibentuk oleh oksidasi fosfor dalam besi kasar. Prinsip ini akhirnya diterapkan pada tungku perapian terbuka dan konverter Bessemer.
Karena baja sekarang tersedia dengan harga yang jauh lebih murah dari harga sebelumnya, baja mengalami peningkatan penggunaan yang luar biasa untuk rekayasa dan konstruksi. Segera setelah akhir abad ini, baja menggantikan besi tempa di hampir semua bidang. Kemudian, dengan tersedianya tenaga listrik, tanur busur listrik diperkenalkan untuk membuat baja khusus dan baja paduan tinggi. Tahap signifikan berikutnya adalah pengenalan oksigen murah, yang dimungkinkan oleh penemuan siklus Linde-Frankel untuk pencairan dan distilasi fraksional udara. Proses Linz-Donawitz, yang ditemukan di Austria tak lama setelah Perang Dunia II, menggunakan oksigen yang dipasok sebagai gas dari pabrik oksigen bertonase, meniupkannya dengan kecepatan supersonik ke bagian atas besi cair di dalam bejana konverter. Sebagai pengembangan akhir dari proses Bessemer/Thomas, peniupan oksigen digunakan secara universal dalam produksi baja curah.
Logam ringan
Perkembangan penting lainnya pada akhir abad ke-19 adalah pemisahan aluminium dan magnesium dari bijihnya, dalam skala besar. Pada bagian awal abad ini, beberapa ilmuwan telah membuat sejumlah kecil logam ringan ini, tetapi yang paling sukses adalah Henri-Étienne Sainte-Claire Deville, yang pada tahun 1855 telah mengembangkan sebuah metode di mana kriolit, fluorida ganda aluminium dan natrium, direduksi oleh logam natrium menjadi aluminium dan natrium fluorida. Proses ini sangat mahal, tetapi biaya sangat berkurang ketika ahli kimia Amerika, Hamilton Young Castner, mengembangkan sel elektrolit untuk memproduksi natrium yang lebih murah pada tahun 1886. Pada saat yang sama, bagaimanapun, Charles M. Hall di Amerika Serikat dan Paul-Louis-Toussaint Héroult di Prancis mengumumkan proses yang pada dasarnya sama untuk ekstraksi aluminium, yang juga didasarkan pada elektrolisis. Penggunaan proses Hall-Héroult pada skala industri bergantung pada penggantian baterai penyimpanan dengan generator listrik putar; proses ini pada dasarnya tidak berubah hingga hari ini.
Pengelasan
Salah satu perubahan paling signifikan dalam teknologi fabrikasi logam adalah diperkenalkannya pengelasan fusi selama abad ke-20. Sebelum ini, proses penyambungan utama adalah pengelasan paku keling dan tempa. Keduanya memiliki keterbatasan skala, meskipun dapat digunakan untuk membangun struktur yang besar. Pada tahun 1895, Henry-Louis Le Chatelier menyatakan bahwa suhu dalam nyala api oksiasetilen adalah 3.500 °C (6.300 °F), sekitar 1.000 °C lebih tinggi daripada nyala api oksi hidrogen yang telah digunakan dalam skala kecil untuk mematri dan mengelas. Obor oksiasetilen praktis pertama, yang mengambil asetilena dari silinder yang mengandung asetilena yang dilarutkan dalam aseton, diproduksi pada tahun 1901. Dengan ketersediaan oksigen dengan biaya yang lebih rendah, pemotongan oksigen dan pengelasan oksiasetilen menjadi prosedur yang mapan untuk fabrikasi komponen baja struktural.
Logam dalam sambungan juga dapat dilelehkan oleh busur listrik, dan proses yang menggunakan karbon sebagai elektroda negatif dan benda kerja sebagai elektroda positif pertama kali menjadi minat komersial sekitar tahun 1902. Memukul busur dari elektroda logam berlapis, yang meleleh ke dalam sambungan, diperkenalkan pada tahun 1910. Meskipun tidak digunakan secara luas hingga sekitar 20 tahun kemudian, dalam berbagai bentuknya, metode ini sekarang bertanggung jawab atas sebagian besar pengelasan fusi.
Metalografi
Abad ke-20 telah menyaksikan perubahan metalurgi secara progresif, dari seni atau kerajinan menjadi disiplin ilmu dan kemudian menjadi bagian dari disiplin ilmu material yang lebih luas. Dalam metalurgi ekstraktif, telah terjadi penerapan termodinamika kimia, kinetika, dan teknik kimia, yang memungkinkan pemahaman, kontrol, dan peningkatan yang lebih baik dari proses yang ada dan pembuatan proses baru. Dalam metalurgi fisik, studi tentang hubungan antara struktur makro, struktur mikro, dan struktur atom di satu sisi dan sifat fisik dan mekanik di sisi lain telah meluas dari logam ke bahan lain seperti keramik, polimer, dan komposit.
Pemahaman ilmiah yang lebih besar ini sebagian besar berasal dari peningkatan berkelanjutan dalam teknik mikroskopis untuk metalografi, pemeriksaan struktur logam. Ahli metalografi sejati pertama adalah Henry Clifton Sorby dari Sheffield, Inggris, yang pada tahun 1860-an menerapkan mikroskop cahaya pada permukaan material yang telah dipoles seperti batu dan meteorit. Sorby akhirnya berhasil membuat catatan fotomikrografi, dan pada tahun 1885, nilai metalografi dihargai di seluruh Eropa, dengan perhatian khusus diberikan pada struktur baja. Sebagai contoh, pada akhirnya ada penerimaan, berdasarkan bukti mikrografi dan dikonfirmasi oleh pengenalan difraksi sinar-X oleh William Henry dan William Lawrence Bragg pada tahun 1913, tentang alotropi besi dan hubungannya dengan pengerasan baja. Selama tahun-tahun berikutnya, terdapat kemajuan dalam teori atomik padatan; hal ini mengarah pada konsep bahwa, pada material nonplastik seperti kaca, fraktur terjadi melalui perambatan cacat seperti retakan yang sudah ada sebelumnya dan bahwa, pada logam, deformasi terjadi melalui pergerakan dislokasi, atau cacat pada susunan atomik, melalui matriks kristal. Bukti dari konsep-konsep ini muncul dengan penemuan dan pengembangan mikroskop elektron; bahkan mikroskop ion medan yang lebih kuat dan mikroskop elektron resolusi tinggi sekarang memungkinkan untuk mendeteksi posisi atom individu.
Contoh lain dari perkembangan metalurgi fisik adalah penemuan yang merevolusi penggunaan aluminium pada abad ke-20. Awalnya, sebagian besar aluminium digunakan dalam paduan cor, tetapi penemuan pengerasan usia oleh Alfred Wilm di Berlin sekitar tahun 1906 menghasilkan bahan yang dua kali lebih kuat dengan hanya sedikit perubahan berat. Dalam proses Wilm, zat terlarut seperti magnesium atau tembaga terperangkap dalam larutan padat jenuh, tanpa dibiarkan mengendap, dengan mendinginkan aluminium dari suhu yang lebih tinggi daripada mendinginkannya secara perlahan. Paduan aluminium yang relatif lunak yang dihasilkan dapat dibentuk secara mekanis, tetapi, ketika dibiarkan pada suhu kamar atau dipanaskan pada suhu rendah, paduan ini akan mengeras dan menguat. Dengan tembaga sebagai zat terlarut, jenis bahan ini kemudian dikenal dengan nama dagang Duralumin. Kemajuan dalam metalografi yang dijelaskan di atas pada akhirnya memberikan pemahaman bahwa pengerasan usia disebabkan oleh dispersi endapan yang sangat halus dari larutan padat jenuh; hal ini membatasi pergerakan dislokasi yang sangat penting untuk deformasi kristal dan dengan demikian meningkatkan kekuatan logam. Prinsip-prinsip pengerasan presipitasi telah diterapkan pada penguatan sejumlah besar paduan.
Disadur dari: https://www.britannica.com/