11995

KETIDAKSEMPURNAAN BAHAN PADAT&

MEKANISME PENGUATAN UMY

UniversitasMuhammadiyah Yogyakarta

www.umy.ac.id

Aris W Nugroho

Mechanical Engineering Department

1995

KETIDAKSEMPURNAAN

2

Semua bahan padat mengandung sejumlah cacat atau ketaksempurnaan terutama pada proses solidifikasi. Susunan yang sempurna di keseluruhan material kristal pada skala atom tidaklah ada.

Cacat titikVakansiInterstisiSubstitusi

Cacat garis

Cacat bidang

Dislokasi

Batas butir

1995

3

Vakansi adalah kekosongan sisi kisi, yaitu sisi yang seharusnya ditempatiatom, kehilangan atomnya.

Vakansi terbentuk selama proses pembekuan, dan juga karena getaran atom yang mengakibatkan perpindahan atom dari sisi kisi normalnya

Angka kesetimbangan vakansi, Nv untuk material tertentu tergantung ataskenaikan temperatur sesuai dengan persamaan:

dimana N = jumlah total sisiQv = energi yang diperlukan untuk membentuk vakansiT = temperatur mutlak, Kk = konstanta Boltzmqan = 1,38 x 10-23 J/atom-K

= 8,62 x 10-5 eV/atom-K

KETIDAKSEMPURNAAN

1995

Contoh Soal :

Hitunglah angka kesetimbangan vakansi per meter kubik untuk

tembaga pada suhu 1000 0C. Energi pembentukan vakansi adalah

0,9 eV/atom; berat atom dan kerapatannya (pada 1000 0C)

masing-masing adalah 63,5 g/mol dan 8,4 g/cm3.Jawab :

4

Jumlah vakansi pada 1000 0C (1273) adalah:

21995

5

Cacat Frenkel adalah kekosongan pasangan ion dan cation interstitial, atau kekosongan pasangan ion dan anion interstitial. Namun ukuran anion jauh lebih besar dari pada kation maka sangat sulit untuk membentuk anion interstitial.

Cacat Schottky adalah kekosongan pasangan kation dan anion. Keduanya cacat Frenkel dan Schottky, pasangan cacat titik tetap berdekatan satu sama lain karena tarikan coulomb yang kuat antara muatan yang berlawanan.

KETIDAKSEMPURNAAN

1995

Interstisi-Diri (self-interstitial) adalah sebuah atom dari bahan kristal yang

berdesakan ke dalam sisi interstisi, yaitu ruang kosong kecil dimana

dalam kondisi normal tidak diisi atom.

Pada logam, interstisi diri mengakibatkan distorsi yang relatif besar di

sekitar kisi karena atom interstisi lebih besar dari ruang interstisi. Karena

itu pembentukan cacat ini kemungkinannya kecil, dan juga

konsentrasinya kecil, dimana konsentrasinya jauh lebih kecil dari cacat

vakansi

6

KETIDAKSEMPURNAAN

1995

7

Cacat substitusi, terjadi bila atom lain menggantikan atom penyusun bahan dengan syarat ukuran atomnya sama supaya struktur kristalnya tidak berubah

Cacat Interstisi, terjadi bila ukuran atom asing dengan atom penyusun bahan berbeda, ukuran atom asing lebih kecil dari atom penyusun bahan sehingga akan terjadi penyisipan atom asing kedalam kisi bahan

KETIDAKSEMPURNAAN

1995

Impuritas Pada Bahan Padat

Impuritas adalah atom asing yang hadir pada material. Logam murni yang hanya terdiri dari satu jenis atom adalah tidak mungkin.

Impuritas bisa menyebabkan cacat titik pada kristal. Ada paduan dimana atom impuritas sengaja ditambahkan untuk mendapatkan karakteristik tertentu pada material seperti untuk meningkatkan kekuatan mekanik atau ketahanan korosi.

Contohnya, perak sterling adalah paduan 92,5% perak - 7,5% tembaga dimana perak yang ditambahkan tembaga akan menaikkan kekuatan mekaniknya secara signifikan.

8

Penambahan atom impuritas ke logam akan mengakibatkan pembentukan larutan padat dan/atau fasa kedua yang baru, tergantung pada jenis impuritas, konsentrasi dan temperatur paduan

KETIDAKSEMPURNAAN

31995

Dislokasi Cacat Linier Dislokasi adalah cacat linier atau satu dimensi dimana didekatnya beberapa

atom tidak segaris.

Ada 3 jenis dislokasi yaitu :

Dislokasi sisi,

Dislokasi ulir dan

Dislokasi campuran.

Dislokasi sisi/pinggir adalah terdapatnya bidang atom ekstra atau setengah

bidang, dimana sisinya terputus di dalam kristal. Gambar 4.3 memperlihatkan

skematik dari dislokasi sisi.

9

KETIDAKSEMPURNAAN

1995

Dislokasi sisi/pinggir adalah terdapatnya bidang atom ekstra

atau setengah bidang, dimana sisinya terputus di dalam kristal.

Gambar dibawah memperlihatkan skematik dari dislokasi sisi.

10

Dislokasi sisi disimbolkan dengan

KETIDAKSEMPURNAAN

1995

Dislokasi ulir terbentuk karena gaya geser yang diberikan

menghasilkan distorsi seperti yang ditunjukkan Gambar di bawah.

Daerah depan bagian atas kristal tergeser sebesar satu atom

kekanan relatif terhadap bagian bawah. Dislokasi ini disimbolkan

dengan .

11

KETIDAKSEMPURNAAN

1995

Jika pada material dijumpai kedua jenis dislokasi diatas maka

disebut material mempunyai dislokasi campuran. Contoh

dislokasi campuran bisa dilihat pada gambar 4.5.

12

Dislokasi pada material ditimbulkan : selama proses pembekuan, karena deformasi plastis, karena tegangan termal sebagai hasil pendinginan cepat.

KETIDAKSEMPURNAAN

41995

Cacat Antar Muka

Cacat antar muka adalah batas yang mempunyai dua dimensi

yang biasanya memisahkan daerah-daerah pada material yang

mempunyai struktur kristal dan/atau orientasi kristalografi yang

berbeda.

Cacat jenis ini antara lain: permukaan luar, batas butir, batas

kembar, kesalahan tumpukan dan batas fasa.

13

KETIDAK-SEMPURNAAN

1995

Permukaan Luar

Satu dari batas yang paling jelas adalah permukaan

luar/eksternal, dimana struktur kristal berakhir.

Atom-atom permukaan tidak terikat ke semua atom terdekat, dan

karenanya akan mempunyai tingkat energi yang lebih tinggi

daripada atom-atom di bagian dalam.

Ikatan atom-atom permukaan ini yang tak terpenuhi memberikan

kenaikan energi permukaan, dinyatakan dalam satuan energi per

satuan luas (J/m2). Untuk menurunkan energi ini, material jika

memungkinkan cendrung meminimalkan luas permukaan total.

14

KETIDAK-SEMPURNAAN

1995

15

KETIDAK-SEMPURNAAN

Permukaan Luar

1995

Batas Butir Batas butir memisahkan dua butir atau kristal kecil yang mempunyai orientasi

kristalografi yang berbeda pada material polikristal.

Batas butir secara skematik digambarkan pada gambar 4.7. Didalam batas

butir terdapat atom yang tak bersesuaian pada daerah transisi dari orientasi

kristal butir satu ke butir lain didekatnya.

16

KETIDAKSEMPURNAAN

51995

Batas Kembar

Batas kembar adalah batas butir tipe khusus dimana terdapat

simetri kisi cermin, yaitu atom-atom pada sebuah sisi batas

berada pada posisi cermin dari atom-atom pada sisi lainnya

(gambar 4.9). Daerah antara batas butir ini disebut kembar/twin.

17

KETIDAK-SEMPURNAAN

1995

CACAT BULK ATAU VOLUME

Cacat lainnya yang ada pada semua material padat dimana

cacat ini lebih besar dari yang sudah dibicarakan adalah pori,

retak, inklusi benda asing dan fasa-fasa lainnya.

Cacat-cacat ini timbul biasanya selama tahap-tahap proses dan

pabrikasi.

18

KETIDAK-SEMPURNAAN

1995

19

Deformasi (plastis) &Mekanisme Penguatan

1995

20

Deformasi plastis dapat terjadi melalui

61995

Perambatan Dislokasi

Dislokasi & deformasi plastis

Logam kubik & heksagonal deformasi plastis oleh geseran plastis

or slip dimana satu bidang atom bergeser ke bidang disekitarnya

dengan perambatan cacat (dislokasi).

21

Jika dislokasi tidak bergerak, deformasi tidak terjadi

Mekanisme deformation plastis :1. slipping 2. twinning

1995

Mekanisme Twinning

Sebagian dari kisi atom terdeformasi sedemikian rupa

sehngga membentuk suatu gambar cerminan dari kisi

berikutnya yang tidak terdeformasi

Bidang twinning: adalah bidang di antara kisi-kisi logam

yang terdeformasi dan tidak terdeformasi

22

1995

23

Slip: adalah suatu proses dimana deformasi plastis dihasilkan oleh perambatandislokasiThe slip system tergantung pada struktur kristal dari

Densitas dislokasi : dinyatakan sbg panjang dislokasi total per unit volum, atau

, jumlah dislokasi yang memotong satuan luas dari suatu penampang.

Satuan dari densitas dislokasi adalah millimeters of dislocation per cubic

millimeter or just per square millimeter. Dislocation densities as low as 10 3

mm -2

Asemua logam mengandung dislokasi yang terbentuk selama : 1.solidifikasi ,

2. deformasi plastis, dan sbg konsekuensi dari 3. tegangan thermal dari proses

pendinginan cepat.

1995

Mekanisme Slipping

Sistem Slip

Bidang Slip bidang dimana garis dislokasi berjalan

Bidang memungkinkan slip paling mudah

Kerapatan bidang paling tinggi

Arah Slip arah dari pergeseran - Highest linear densities

Slip pada FCC Slip terjadi pada bidang {111} (close-packed) di arah

(close-packed)

=> total of 12 slip systems in FCC

Pada BCC & HCP slip systems yang lain terjadi.

24

71995

25

Bidang slip biasanya di bidang tumpuk yang paling padat/rapat.Slip terjadi di bidang tumpukan yang padat karena dibutuhkan tegangan geser yang lebih rendah untuk pergeseran atom-atom dibandingkan dengan bidang tumpukan yang kurang padat.

Slip di arah tumpukan yang padat juga lebih mungkin terjadi karena energi yang dibutuhkan untuk menggeser atom-atom dari satu posisi ke posisi (jika atom2 bedampingan) lebih rendah

Faktor yg berpengaruh : 1. Densitas tumpukan2. Jarak antar bidang

1995

Bidang dan arah Slip pada Bidang dan arah Slip pada Bidang dan arah Slip pada Bidang dan arah Slip pada BCCBCCBCCBCC

{110} bidang pd arah Slip systems: 6 x 2 =12

< 1 11>

{211 bidang pada arah Slip systems: 12 x 1 =12

< 1 11>

{321} bidang pada arah Slip systems: 24 x 1 =24

< 1 11>

Sistem slip pada BCC

Fe, K

Fe, Mo, W, Na

Fe, Mo, W, brass

1995

Bidang dan arah Slip pada Bidang dan arah Slip pada Bidang dan arah Slip pada Bidang dan arah Slip pada HCP HCP HCP HCP

{0001} planes in the direction of Slip systems: 1 x 3 = 3

< 112 0 >

planes in the direction of Slip systems: 3 x 1 = 3

Slip sistem dpt tergantung pada c/a dan relative orientation dari beban thd bidang slip

{101 0} < 112 0 >

planes in the direction of Slip systems: 6 x 1 = 6

{10 1 1} < 112 0 >

c/a 1.6333 (ideal)

c/a 1.6333 (ideal)

hcp Zinc

single crystal

Adapted from Fig.

7.9, Callister 6e.

Adapted from Fig.

7.8, Callister 6e.

Cd, Zn, Mg, Ti, Be

Ti

Mg, Ti

1995

28

81995

Apakah dimungkinkan secara fisi, slip di suatu kristal fcc terjadi slip di arah [110] di bidang (a) (111) (b) (111)?

1995

30

1995

Single Crystal Slip

31

1995

Tegangan dan Perambatan Dislokasi

= coscosR32

Slip pada kristal terjadi disebabkan oleh resolved shear stress, R.

Beban menimbulkan tegangan tertentu.

slip planenormal, ns

Resolved shear stress: R =Fs/As

AS

R

R

FS

Relation between and R

R=FS/ASFcos A/cos

F

FS

nSAS

A

Applied tensile stress: = F/A

FA

F

91995

Single crystals: critical resolved shear stress

Shear force:

Area:

cosF

cos//cos

01

10

AAAA

=

=

Resolved shear stress:

m*coscoscos/A

cosF00

0RSS ==

=

1995

34

Critical Resolved Shear Stress

Syarat terjadi geseran dislokasi: ( ) CRSSmax >R

Orientasi kristal dpt membuatnya lebih mudah atau sulit untuk menggeser dislokasi.

10-4 GPa to 10-2 GPatypically

= coscosR

maximum at = = 45

R = 0=90

R = /2 =45 =45

R = 0=90

Critical resolved shear stress: adalah tegangan geser minimum yang dibutuhkan untuk menginisiasi slip dan merpk satu sifat dr material yg menentukan kapan yielding terjadi

1995

35

crssy

y

crssy

ycrss

thenwhenoccursyieldingroduceint

tonecessarstressminimumthestressyielding

245

)cos(cos

)cos(cos

max

max

=

==

=

=

For 0=crssThe crystal ordinarily fractures rather than deforming plastically 1995

Contoh : Deformasi pada kristal tunggal

Shg, tegangan 6500 psi belum menyebabkan kristal tunggal tersebut yield.

36

= cos cos = 6500 psi

=35=60

= (6500 psi) (cos35o)(cos60o) = (6500 psi) (0.41) = 2662 psi < crss = 3000 psi

crss = 3000 psi

a) Apakah kristal tunggal akan yield? b) Jika tidak, pada tegangan berapa yield?

= 6500 psi

10

1995

37

psi 732541.0

psi 3000coscos

crss==

= y

Berapa tegangan yg dibutuhkan,(berapateg yield , y)?

)41.0(cos cos psi 3000crss yy ===

psi 7325= y

Shg, agar deformasi platis terjadi, maka diperlukan teg yg lebih besar atau sama dengan teg. yield

Contoh : Deformasi pada kristal tunggal

1995

38

1995

39

1995

40

Anisotropy in y

Anisotropis dapat dihasilkan dengan pengerolan pada logam polikristalin

- before rolling

235 m

- isotropickrn butiran mendekati bulat dan orientasinya acak

- after rolling

- anisotropickrn rolling mempengaruhi Bentuk dan orientasi dari butir

rolling direction

Isotropis. Mempunyai sifat sifat dengan arga yang identik pada semua arah kristalography.

11

1995

Mekanisme penguatan pada Logam

Kekerasan dan kekuatan mrpk kemampuan logam utkmenahan deformasi plastis dimana kemampuan tsbtergantung pada kemampuan dari logam menahanperambatan dislokasi.

Menghambat perambatan dislokasi menghasilkan materiallebih keras dan kuat.

Dibutuhkan gaya mekanis yang lebih besar utk menginisiasideformasi plastis lebih lanjut.

Keduktilan dikorbankan ketika logam diperkuat.41

1995

Mekanisme penguatan pada Logam

Mekanisme penguatan utk logam phase tunggal :

(a) penurunan ukuran butir,

(b) pemaduan larut-padat

(c) pengerasan regang / pengerjaan dingin,

(d) pengerasan dg presipitasi/pengendapan.

42

1995

4 Cara Penguatan Logam (strengthening):

1: Menurunkan ukuran butir

21

/yoyield dk +=

43

Batas butir merupakan penghambat thd slip

1. Mengubah arah2. Diskontinyuitas

bidang slip

Batas "strength meningkat dengan peningkatan sudut dari ke-mis-orientasian.

Butiran yang lebih kecil semakin banyak hambatan utk bergeser/slip

Hall-Petch Equation: d = average grain diametery - yield strength0, ky are constant for particular material

21

/yoyield dk +=

1995

44

Material dapat berupa material berbutir halus (berbutir kecil-kecil) dan material berbutir kasar. Material berbutir halus lebih keras dan kuat dibanding material berbutir kasar.

Ukuran butir dapat ditentukan oleh :

1. Kecepatan pembekuan dari phase cair, dan

2. Juga oleh deformasi plastis yg diikuti dg perlakuan panas yg sesuai.(tgt dr waktu dan suhu). Semakin besar suhu dan waktu maka ukuran butir menjadi semakin besar/kasar.

12

1995

45

4 Cara Penguatan Logam (strengthening):

2: Pelarutan padat (Solid Solutions- alloying) Atom ketidakmurnian mendistorsi lattice & men-

generate tegangan. Tegangan menghasilkan penghambat terjadinya

perambatan dislokasi. Smaller substitutional

impurity

Impurity generates local stress at Aand B that opposes dislocation motion to the right.

A

B

Larger substitutionalimpurity

Impurity generates local stress at Cand D that opposes dislocation motion to the right.

C

D

1995

Strengthening by Alloying

small impurities tend to concentrate at dislocations

reduce mobility of dislocation increase strength

46

1995

Strengthening by alloying

large impurities concentrate at dislocations on low density side

47

1995

Ex: Solid Solution

Strengthening in Copper

48

Tensile strength & yield strength increase with wt% Ni.

Empirical relation: Alloying increases y and TS.

21

/y C~

Ten

sile

st

ren

gth

(MPa

)

wt.% Ni, (Concentration C)200

300

400

0 10 20 30 40 50 Yield

st

ren

gth

(MPa

)

wt.%Ni, (Concentration C)60

120

180

0 10 20 30 40 50

13

1995

4 Cara Penguatan Logam (strengthening):

3: Pengerasan regang (Cold Work-%CW)

49

Deformasi pada temperatur kamar. Biasanya prosesnya akan merubah luas permukaan penampang

-Forging

Ao Ad

force

dieblank

force-Drawing

tensile force

AoAddie

die

-Extrusion

ram billet

container

containerforce die holder

die

Ao

Adextrusion

100 x %o

doA

AACW =

-Rolling

rollAo

Adroll

Strain hardening/pengerasan regang : suatu logam duktil menjadi lebih keras dan kuat karena dideformasi plastis(effect dari pengerjaan dingin tsb dapat dihilangkan dengan perlakuan panas anil.

1995

Hasil dari Pengerjaan dingin (CW)

Densitas dari dislokasi =

Carefully grown single crystal

ca. 103 mm-2

Deformasi meningkatkan densitas

109-1010 mm-2

Heat treatment menurunkan densitas

105-106 mm-2

50

Yield stress meningkat bila d naik:

total panjang dislokasiunit volume

large hardeningsmall hardening

y0y1

1995

Impact of Cold Work

51

Kekuatan luluh (y) meningkat. Kekuatan tarik (TS) meningkat. Keuletan y (%EL or %AR) turun.

Bila Cold work diperbesar

E (kekakuan) tetap.

1995

52

Cold Work Analysis

What is the tensile strength &ductility after cold working?

%6.35100 x % 222

=

pi

pipi=

o

dor

rrCW

% Cold Work

100

300

500

700

Cu

200 40 60

yield strength (MPa)

y = 300MPa

300MPa

% Cold Work

tensile strength (MPa)

200Cu

0

400

600

800

20 40 60

ductility (%EL)

% Cold Work

20

40

60

20 40 6000

Cu

Do =15.2mm

Cold Work

Dd =12.2mm

Copper

340MPa

TS = 340MPa

7%

%EL = 7%

14

1995

53

4 Cara Penguatan Logam (strengthening):

4: Pengerasan endapan (Precipitation Strengthening)

Endapan yang keras ---sulit untuk tergeser Contoh : Keramik di dlm logam (SiC di besi atau aluminum).

Result: S~y

1

Large shear stress needed to move dislocation toward precipitate and shear it.

Dislocation advances but precipitates act as pinning sites with

S.spacing

Side View

precipitate

Top View

Slipped part of slip plane

Unslipped part of slip plane

Sspacing

1995

54

Application:

Precipitation Strengthening

Internal wing structure on Boeing 767

Aluminum diperkuat dengan precipitasi yg terbentuk dg alloying.

1.5m

1995

55

Note:Effect penguatan dengan penguranganukuran butir dan pengerasan regang dapatdieliminasi atau diperkecil melalui perlakuanpanas pada suhu tertentu. Sebaliknya,penguatan dengan larut-padat tidakdipengaruhi oleh perlakuan panas.

1995

56

Ringkasan

Dislokasi biasanya teramati pada logam dan paduan

Kekuatan dapat ditingkatkan dengan menghambat perambatan dislokasi

Beberapa car untuk meningkatakn kekuuatan adalah :--menurunkan ukuran butir--pelarutan padat (paduan)--penguatan endapan --pengerasan regang

Pemanasan Heating (annealing) dapat mengurangi densitasdislokasi dan memperbesarukuran butir sehingga menurunkan kekuatan.

15

1995

Contoh Soal

Tegangan luluh suatu besi yang berdiameter butiran

rata-rata 1x10-2 mm adalah 230 MPa (33,000 psi). Pada diamater butiran 6x10-3 mm, tegangan luluhnya mengingkat ke

275 MPa (40,000 psi). Pada ukiran butiran berapa tegangan

luluhnya menjadi 310 Mpa (45,000 psi)?

57

1995

58

Jawab :

1995

Contoh soal

Tegangan geser kritis dari tebaga 0.48 MPa (70 psi).

Tentukan tegangan luluh maksimum yang mungkin

untuk krital tunggal tembaga yang diberi beban tarik

murni.

Jawab :

59