11
memperoleh hasil akhir berupa nilai dan distribusi tegangan pada seluruh titik elemen pada komponen. Penyelesaian persamaan dari berbagai macam pembebanan disusun
dari penyelesaian dengan menghitung inverse matrik menggunakan teknik iterasi.
2.3. Korosi Peristiwa Elektrokimia di Alam
Korosi adalah suatu proses kerusakan logam atau material karena berinteraksi dengan lingkungan yang berlangsung secara kimia atau elektrokimia. Korosi
mengembalikan logam kebentuk asalnya dan berlangsung dengan sendirinya, sehingga proses korosi tidak dapat dicegah
hanya ada usaha untuk mengendalikannya.
2.3.1. Energi Bebas dan Potensial Listrik. Bentuk energi sebagai penggerak yang menimbulkan korosi berasal dari
energi kimia, yaitu energi yang tersimpan dalam ikatan-ikatan kimia zat yang disebut dengan energi dalam sistem. Hanya sebagian saja energi dalam ini yang siap menjadi
energi berguna, misalnya untuk menggerakan motor atau untuk menjadi agen penghancur yang menimbulkan reaksi korosi. Energi yang tersedia ini disebut energi
bebas. Suatu reaksi dapat berlangsung dengan sendirinya, harus ada energi bebas
yang di lepas, dalam hal ini energi bebas setiap unsur sebagai G dan perubahan energi netto dalam suatu reaksi dinyatakan dengan
ΔG, maka perubahan G harus negatif persamaan 2.3, berikut ini:
+ → + ∆
°
= −
………………2.3
Universitas Sumatera Utara
12
Reaksi pada parameter baku ΔG
o
, temperatur 298 K dan tekanan 1 atm, untuk menghitung harga
ΔG pada setiap temperatur tidak dalam kesetimbangan dapat dilakukan menggunakan persamaan berikut:
∆ = ∆
°
+
[ ][ ] [ ][ ]
……………………………..2.4 Dimana:
∆
°
= Perubahan energi netto baku - X kJmol =
[ ][ ] [ ][ ]
= Tetapan kesetimbangan R = Konstanta gas universal, 8,3143 J mol
-1
K
-1
T = Temperatur Ekspresi yang mendefinisikan hubungan potensial listrik dengan energi bebas,
dirumuskan oleh Michael Faraday menyatakan kerja yang dilakukan perubahan energi bebas pada proses korosi fungsi beda potensial dan muatan yang dipindahkan:
∆ = …………………………………2.5
Dimana: F = 96,494 coulombmol muatan yang pindah oleh satu mol elektron
E = Potensial pengukuran Volt z = Jumlah elektron yang dipindahkan dalam reaksi korosi.
Jika sistem mencapai suatu titik dimana perubahan energi bebas netto tidak ada maka sistem dalam keadaan setimbang,
ΔG = 0. Pada keadaan baku hubungan ini menjadi:
∆
°
= − ……………………………. 2.6
Universitas Sumatera Utara
13
2.3.2. Mekanisme Korosi - Tegangan Korosi memainkan satu bagian penting dalam mekanisme pemicu
terbentuknya pit permukaan baja nirkarat. Proses korosi pada dasarnya adalah proses elektrokimia, terjadi apabila terdapat perbedaan potensial listrik dan terbentuk aliran
listrik dengan adanya bagian anodik, katodik dan lingkungan elektrolit pada permukaan logam.
Bagian anodik dapat berupa kehadiran konsentrasi tegangan bervariasi pada permukaan baja tersebut, metal yang berada di bawah film lapis oksida yang
terkelupas atau terletak pada batas butir di mana terjadinya ketidak tepatan yang cukup lebar dari kristal metal grain lattice, atau komposisi metal pada permukaan
yang kurang homogen. Pada bagian ini logam akan ter korosi dengan lingkungan, atom logam akan kehilangan elektron atau terjadi reaksi oksidasi.
Bagian katodik dapat berupa selapis tipis oksida metal akibat bereaksinya metal dengan zat asam, atau berupa kotoran - kotoran yang berada pada material.
Pada bagian ini logam yang tidak ter korosi dengan lingkungan, pada atom logam terjadi penangkapan elektron oleh ion hidrogen proses reduksi.
Lingkungan elektrolit
merupakan larutan
pengantar listrik
yang menghubungkan anoda dengan katoda, dapat berupa larutan asam basa yang kontak
dengan logam, air laut atau fluida yang mengandung garam-garaman. Air sebagai elektrolit konduktivitasnya ditentukan oleh temperatur air, kecepatan alir, komposisi
air air murni konduktivitas listriknya rendah dan dengan penambahan kelarutan garam - garaman di dalam air dapat menaikkan konduktivitas.
Universitas Sumatera Utara
14
Ketika tegangan yang bekerja pada struktur logam dalam suatu lingkungan korosif menjadi daerah anodik yang dominan. Maka bentuk korosi yang akan
teramati adalah korosi jenis SCC, yaitu suatu kegagalan rapuh yang terjadi akibat kombinasi secara simultan antara beban tegangan statik dan lingkungan korosif.
Beberapa kombinasi paduan logam dan lingkungan yang menyebabkan resiko kegagalan, seperti baja lunak diketahui retak di lingkungan nitrat serta kaustik,
sementara paduan-paduan alumunium ternyata retak hanya karena berada di udara yang lembab dan air laut. Paduan - paduan magnesium juga diketahui rentan terhadap
keretakan di udara lembab. Meskipun demikian tidak semua kombinasi lingkungan dan material akan
berpengaruh terhadap SCC, seperti baja nirkarat akan retak di lingkungan yang mengandung ion klorida, tetapi tidak dalam lingkungan ammonia. Sedangkan logam
bras akan retak di lingkungan ammonia, tetapi tidak akan terjadi SCC di lingkungan yang mengandung ion klorida M.G. Fontana, 1979.
Lingkungan air laut, di kenal sangat korosif karena mengandung 3,5 garam, di dalamnya terdiri dari, 55 senyawa klorida, 7,7 senyawa sulfat, 30,6 sodium,
dan lain-lain, dari komposisi tersebut dapat dipastikan bahwa komposisi air laut tersebut umumnya mengandung ion klorida.
Kasus SCC, terjadi pada penyambung tali temali di perahu, yang terbuat dari baja nirkarat AISI 304 dalam aplikasinya mengalami tegangan akibat proses
penyambungan tali pada socket dan menahan beban dari tiang perahu. Kontaminasi garam yang mengandung ion klorida dan pengotor air merembes sepanjang kawat,
Universitas Sumatera Utara
15
memasuki celah sempit sehingga garam berakumulasi, kombinasi tersebut menyebabkan SCC tak dapat dihindari. Gambar 2.4, memperlihatkan penyambung
tali atau socket mengalami kerusakan akibat SCC.
Gambar 2.4. Kasus SCC Penyambung Tali Temali Pada Perahu.
Kegiatan tegangan tarik terhadap bahan akan menyerang kisi kristal menyebabkan ketidakteraturan dalam struktur kristal, yang semestinya dalam
kesetimbangan, dan berakibat bangkitnya energi thermodinamika ikatan-ikatan atom, sehingga potensial anodik pada daerah ini meningkat. Karena tegangan pada metal
yang peka, film oksida di permukaan pecah. Akibatnya terjadilah perbedaan potensial antar bagian terbuka yang menjadi anodik terhadap bagian yang terlindungi film
oksida. Karena area anodik lebih kecil dibandingkan katodik, sehingga konsentrasi tegangan mencegah pembentukan film oksida Cr
2
O
3
di tempat tersebut, dengan adanya elektrolit ini mempercepat reaksi selanjutnya.
Reaksi korosi pada daerah anoda yaitu reaksi oksidasi atau bagian logam yang ter korosi daerah aktif dengan persamaan reaksi:
Universitas Sumatera Utara
16
Fe Fe
2+
+ 2e
-
oksidasi……………... 2.7 Zat hydrogen masuk larutan pengantar menjadi daerah katoda yaitu reaksi
reduksi, bagian logam yang tidak ter korosi daerah pasif dengan persamaan reaksi: O
2
+ 2H
2
O + 4e
-
4OH
-
reduksi ……………2.8 Ion-ion klorida dan ion hidroksil ini bereaksi dengan ion-ion besi menjadi:
Fe
2+
+ 2Cl FeCl
2
tidak stabil ……………….2.9 FeCl
2
+ 2H
2
O FeOH
2
+ 2HCl ………………2.10
Apabila terdapat oksigen dalam air akan terjadi reaksi:
4FeOH
2
+ O
2
+ 2H
2
O 4FeOH
3
………………2.11 2FeOH
3
Fe
2
O
3
+ 3H
2
O ……………………..2.12 Elektroda besi yang anodik akan kehilangan massa karena melarutnya ion -
ion Fe yang tidak stabil, karenanya elektroda besi berkarat dengan ditandai terjadinya kerusakan pada permukaannya dalam hal ini terbentuknya lubang, Gambar 2.5.
Gambar 2.5. Mekanisme Inisiasi Pit Korosi
Universitas Sumatera Utara
17
Sekali terjadinya pit, konsentrasi tegangan pada lubang menjadi penyebab pecahnya film oksida di tempat tersebut dan sekaligus mencegah terjadinya film
oksida lebih lanjut, karena itu proses sel korosi berjalan terus. Tegangan mempercepat pembentukan lubang yang akan berakumulasi
menjadi lebih cepat dan ini bertindak sebagai takik dan menyebabkan terjadinya pemusatan tegangan yang mendukung terjadinya SCC.
2.3.3. Polarisasi Elektrokimia Suatu logam atau elektroda tidak berada dalam keseimbangan larutan
elektrolit yang mengandung ionnya atau terjadi perubahan potensial selama proses elektrolisis, dimana potensial anoda menjadi lebih nobel dan katoda menjadi lebih
aktif ini disebut polarisasi. Terdapat dua jenis proses polarisasi, yaitu polarisasi aktivasi dan polarisasi
konsentrasi. Polarisasi aktivasi adalah polarisasi yang dikendalikan oleh energi bebas atau tenaga penggerak potensial ada dipermukaan elektroda itu sendiri. Polarisasi
konsentrasi adalah polarisasi yang dikendalikan sebagai akibat dari perubahan konsentrasi di dalam larutan di dekat permukaan metal. Polarisasi merupakan
parameter penting untuk membuat pernyataan - pernyataan tentang laju proses korosi. Kelakuan korosi bahan pada suatu sampel logam, ditentukan dengan
mengaplikasikan potensial elektrokimia melalui pengukuran polarisasi dari kaitan antara arus dengan potensial di bawah kondisi terkontrol. Perangkat laboratorium
untuk penelitian kuantitatif terhadap sifat-sifat korosi bahan digunakan sel tiga elektroda, yaitu suatu perangkat sel korosi basah yang telah baku.
Universitas Sumatera Utara
18
Komponen ini terdiri dari beberapa peralatan seperti, elektroda kerja atau elektroda yang sedang di teliti, adalah medium penghantar dapat menjadi antar muka
antar arus elektron dalam kawat rangkaian listrik dan arus ionik dalam larutan. Penggunaan istilah elektroda sebagai ganti dari anoda, karena tidak terbatas pada
perilaku yang bersangkutan dengan anoda, juga akan menyelidiki perilaku katoda, skematik peralatan seperti Gambar 2.6.
Gambar 2.6. Komponen Sel Elektrokimia Tiga Elektroda Elektroda acuan, dimaksudkan sebagai titik dasar yang tepat mengacu pada
pengukuran-pengukuran potensial elektroda kerja. Arus yang mengalir dalam elektroda ini harus sekecil-kecilnya sehingga dapat diabaikan. Bila tidak demikian
elektroda ini akan ikut dalam reaksi sel dan potensialnya tidak lagi konstan. Pipa berisi elektrolit yang menghubungkan antara elektroda acuan dan
elektroda uji disebut jembatan garam, gunanya untuk menyediakan lintasan ber kehantaran tinggi dari permukaan elektroda kerja ke elektroda acuan, sebuah kaca
pipa kapiler dengan ujung sangat lancip yang harus ditempatkan pada permukaan
Universitas Sumatera Utara
19
logam. Pipa kapiler ini menghubungkan bejana reaksi dengan sebuah bejana lain tempat elektroda kalomel jenuh SCE yang terpasang dan terisi dengan larutan
kalium klorida jenuh bentuk gel. Elektroda pembantu dimaksudkan khusus untuk mengangkut arus dalam
rangkaian yang terbentuk dalam penelitian, elektroda ini tidak diperlukan untuk pengukuran potensial. Bahan yang digunakan tidak menimbulkan kontaminasi ion-
ion ke dalam elektrolit seperti Platina. Untuk mengoperasikan peralatan, mengalirkan respon arus sebagai fungsi dari
potensial terapan
.
Data hasil pengukuran ini disusun dalam suatu tabel yang memuat harga -harga potensial yang diberikan volt dan kerapatan arus amper per centimeter
persegi, kemudian di plot dalam bentuk grafik yang menghasilkan konfigurasi kurva polarisasi Tafel, Gambar 2.7.
Gambar 2.7. Skema Empat Kurva Polarisasi Ekstrapolasi Tafel
Universitas Sumatera Utara
20
Persamaan khusus untuk mencari laju korosi atau densitas arus disebut dengan persamaan Tafel, pada reaksi anoda dan katoda adalah sebagai berikut:
a
=
a
log i
a
i
o
……………………………..2.13
c
=
c
logi
c
i
o
………………………………2.14 Dimana :
i
o
= Densitas arus pertukaran Acm
2
i
a
,
i
c
= Densitas arus anodik, katodik Acm
2
a,
c
= Konstanta anodik, katodik Tafel Metode ini dapat dianggap lebih menguntungkan dari pada metode kehilangan
berat karena dapat dilaksanakan lebih cepat, sehingga tidak memerlukan faktor akselerasi untuk pengukuran di laboratorium, dengan demikian hasilnya lebih akurat.
Laju korosi CR, adalah kehilangan berat per luas penampang per waktu periode mpy. Hubungan densitas arus korosi dan laju korosi seperti persamaan 2.15
berikut ini: = 1,248
× 10 2.15
Dimana : i
cor
= Densitas arus korosi Am
2
. M = Berat molekul grmol.
F = Konstanta Faraday 96.490 coulombekivalen.
Z
= Valensi oksidasi ekivalenmol. D = Densitas metal grcm
2
.
Universitas Sumatera Utara
21
2.4. Kurva Polarisasi Baja Nirkarat AISI 304 di Lingkungan Air Laut
