bab 3 struktur kristal logam

8/17/2019 Bab 3 Struktur Kristal logam

1/21

PRODI D3 TEKNIK MESIN FTI ITS TM

090301

TEORI DAN PRAKTIKUM PENGETAHUAN BAHAN TEKNIK 75

BAB 3

STRUKTUR KRISTAL

3.1 Struktur Atom

Telah diketahui bahwa semua zat terdiri dari atom, dan atom sendiri

terdiri dari inti (terdiri dari sejumlah proton dan neutron) yang dikelilingi oleh

sejumlah elektron. Elektron-elektron ini menempati cell tertentu. Suatu atom

dapat mempunyai satu atau lebih cell. Setiap cell dapat ditempati oleh elektron

sebanyak 2n2, dimana n adalah nomor cell (dihitung mulai dari yang terdalarn

sebagai Cell norrior 1).

Jumlah elektron pada cell terluar banyak menentukan sifat dari unsur tsb

Atorn yang rnemiliki jumlah elektron yang sama pada cell terluar, yaitu unsur

pada group yang sama akan memiliki sifat yang hampir sama. Semua gas

mulia memiliki delapan elektron pada cell terluar, kecuali helium yang hanya

memiliki satu cell dan jumlah elektron pada cell itu adalah dua, semuanya

adalah unsur yang sangat stabil, tidak bereaksi dengan unsur lain. Atom-atom dapat membuat ikatan dengan atom yang sejenis atau atom

lain membentuk molekul dari suatu zat atau senyawa. Dalam beberapa hal

atom-atom juga dapat menjalin ikatan dengan atom sejenis atau atom lain

tanpa membentuk molekul, seperti halnya pada logam

3.2. Ikatan atom

Ada tiga jenis ikaLan atom yang utama, yaitu :

1. Ikatan ionik

2. Ikalan kovalen atau homopolar

3. Ikalan logam


2/21


090301

3.2.1. Ikatan lonik

Atom akan paling stabil jika atom itu mempunyai konfigurasi elektron

seperti konfigurasi elektron pada gas mulia, yaitu terdapat delapan elektron

pada cell terluar (dua elektron bila atom memiliki hanya salu cell). Bila suatu

atom hanya memiliki satu elektron pada cell terluar, maka ia cenderung untuk

melepas elektron tersebut, dan cell yang lebih ke dalam, yang biasanya sudah

terisi penuh, akan menjadi cell terluar, ini menyebabkannya menjadi lebih stabil.

Tetapi hal ini juga mengakibatkan atom itu kelebihan proton (yang bermuatan

positip), sehingga atom itu akan bermuatan positip, dikatakan atom itu

berubah menjadi ion positif.

Slide no.4. Ikatan ionik

Sebaliknya bila suatu atom lain yang memiliki tujuh eiektron pada cell

terluarnya, ia cenderung akan menerima salu elektron lagi dari luar. Dan bila

hal ini terjadi maka atom ilu akan menjadi bermuatan negatif (karena kelebihan

elektron), ia akan menjadi ion negatif. Dan bila kedua ion ini berdekatan akan

terjadi tarik menarik karena kedua ion itu memiliki muatan listrik yang

berlawanan. Kedua atom itu akan terikat satu sama lain dengan gaya tarik

menarik itu, ikatan ini dinamakan ikatan ionik (ionic bonding).



3/21


090301

Sebagai contoh, atom Na (dengan satu elektron pada cell terluar)

yang berada dekat atom Cl (dengan tujuh elektron pada cell terluar). Dalam

keadaan ini akan terjadi perpindahan satu elektron dari atom Na ke atom Gl.

Kedua atom itu akan menjadi ion, atom Na menjadi ion Na+, atom Cl menjadi

ion Cl -, karena muatannya berlawanan akan terjadi tarik menarik, menjadi

suatu ikalan ionik, (slide no. 4), dikenal sebagai senyawa garam, yang sifatnya

berbeda dari kedua atom pembentuknya. Hal ini memperlihatkan betapa

kuatnya suatu ikatan ionik.

3.2.2. Ikatan kovalen

Beberapa alom dapat memperoleh konfigurasi elektron yang stabil

dengan saling meminjamkan elektronnya. Dengan saling meminjamkan

elektron ini atom- atom akan memperoleh susunan elektron yang stabil tanpa

menyebabkannya menjadi bermuatan.

Slide no.5. Ikatan Kovalen



4/21


090301

Ikatan akan terjadi melalui elektron yang saling dipinjamkan itu. Elektron ini masih

mempunyai ikatan dengan atorn asalnya, tetapi juga sudah terikat dengan atom yang

meminjamnya.

3.2.3. Ikatan logam

Di sini juga terjadi saling meminjamkan elektron, hanya saja jumlah atom

yang bersama-sama saling meminjamkan elektron valensinya (elektron yang

berada pada cell terluar) ini tidak hanya antara dua atau beberapa atom tetapi

dalam jumlah yang tak lerbatas. Setiap atom menyerahkan eiektron valensinya

untuk digunakan bersama. Dengan demikian akan ada ikatan tarik menarik

antara atom-atom yang saling berdekatan. Jarak antar atom ini akan tetap(untuk kondisi yang sama), bila ada atom yang bergerak menjauh maka gaya

tarik menarik akan menariknya kembali ke posisi semula, dan bila bergerak

terlalu mendekat maka akan timbul gaya tolak menolak karena inti-inti atom

berjarak terlalu dekat padahal muatan listriknya sama, sehingga kedudukan

atom relatif terhadap atom lain akan telap.

Ikatan seperli ini biasa terjadi pada logam, karena itu dinamakan ikatan

logam. Pada ikatan ini inti-inti atom terletak beraturan dengan jarak tertentu,

sedang elektron yang saling dipinjamkan seolah-olah membentuk "kabut

elektron" yang mengisi sela-sela antar inti (lihat slide no. 6). Elektron-elektron

ini tidak terikat pada salah satu atom tertentu atau beberapa atom saja, tetapi

setiap elektron dapat saja pada suatu saat berada pada suatu atom, dan pada

saat berikutnya berada pada atom lain. Karena itulah logam dikenal mudah

mengalirkan listrik dan panas.

Mengingat atom-atom pada logam menempati posisi tertentu relatif

terhadap alom lain, maka dapat dikatakan bahwa atom logam tersusun secara

teratur menurut suatu pola tertentu. Susunan atom yang teratur ini dinamakan

kristal, dan susunan atom pada logam selalu kristalin, tersusun beraturan dalam

suatu kristal.



5/21


090301

Slide no.6. Ikatan Logam

3.3. Struktur kristal

Susunan atom-atorn yang teratur dalam tiga dimensi menurut suatu pola

tertentu dinamakan kristal Bila dari inti-inti atom dalam suatu kristal

ditarik garis-garis imajiner melalui inti-inti atom tetangganya maka akan

diperoleh suatu kerangka tiga dimensi yang disebut space latlice (kisi

ruang). Space lattice ini dapat dianggap tersusun dari sejumlah besar unit

cell (sel satuan). Unit cell merupakan bagian terkecil dari space lattice,

yang bila disusun ke arah sumbu-sumbunya akan membentuk space lattice.

Pada slide no.7. tampak sebagian dari suatu space lattice dan satu unit

cellnya digaris tebal. Suatu unit cell dinyatakan dengan lattice parameter

(panjang rusuk-rusuk dan sudut antara rusuk-rusuk).



6/21


090301

• Kristal Susunan atom yang teratur dalam tiga dimensi menurut pola tertentu

• Kisi Ruang (space lattice) Kerangka tiga dimensi yang diperoleh dari garis‐garis imajiner yang ditarik melalui inti‐inti atom tetangganya

• Sel Satuan (unit cell) Bagian terkecil dari space lattice yang mempunyai bangun tertentu

Slide no.7. Struktur kristal

Ada 7 macam sistem kristal, yaitu cubic, tetragonal, orthorhombic, mono-

clinic, triclinic, hexaponal dari rhombohedral. Dari ketujuh sistem kristal tersebut

ternyata ada H jenis benluk space laltice yang mungkin terjadi. Kebanyakan

logam-logam yang penting membeku dengan membentuk kristal dengan sislem

kristal kubus atau sistem kristal hexagonal.

Dari ke empat belas jenis space lattice tersebut ternyata hanya ada 3

(tiga) macam saja yang sering dijumpai pada logam-logam yang biasa

digunakan, yaitu,

1. Face Centered Cubic (FCC) atau Kubus Pemusatan Sisi (KPS)

2. Body Centered Cu&ic (BCC) alau Kubus Pemusatan Ruang(KPR)

3. Hezagonal Close-Packed (HCP) atau Hexagonal Tumpukan Padat

(HTP)



7/21


090301

Tabel .1. Ketujuh Karakteristik System Kristal

Slide no.8. Struktur kristal

Slide no.9. keempatbelas jenis space latti ce



8/21


090301

Slide no.10. Struktur kristal BCC (Body Centered Cubic)

Slide no.11. Struk tur kris tal FCC (Face Centered Cubic)

Slide no.12. Struk tur kris tal HCP (Hexagonal Closed Packed)

Di samping itu ternyata ada beberapa unsur yang dapat dijumpai

dengan jenis space lattice yang berbeda, sifat yang demikian ini dinamakan

polimorfi. Di antara logam-logarn yang memiliki sifat polimorfi ini ada yarig

sifat polimorfinya bcrcifal reversibel, pada suatu kondisi jenis space



9/21


090301

TEORI DAN PRAKTIKUM PENGETAHUAN BAHAN TEKNIK

latticenya tertentu dan bila kondisi berubah, space lattice juga akan berubah,

dan bila kondisi kembali seperti semula maka space lattice juga akan

kembali seperti semula. Sifat ini dinamakan allotropi.

Ada kurang iebih lima belas unsur yang memiliki sifat allotropi, termasuk

besi. Pada ternperatur kamar besi memiliki slruktur syace lattice BCC

(dinamakan besi alpha, a), pada temperatur antara 910 °C - 1400 °C space

latticenya FCG (besi gamma, y} dan di atas 1400 °C sampai mencair space

latticenya BCC (be-si delta). Bila temperatur kembali lagi maka struktur space

lattice juga akan kembali seperti semula.

3.4. Bidang kristalografi

Bidang di dalam lattice kristal dimana terdapat susunan atom-atom

dinamakan btdang kristolografi. Bidang kristalografi ini biasanya dinyatakan

dengan Indeks Miller.

Untuk menentukan Indeks Miller dari suatu bidang kristalografi dibuat

suatu koordinat ruang melalui susunan atom-atom, dengan mengambil satu titik

Slide no.13. Diagram Fase Besi – Karbida besi (Fe-Fe3C)

83


10/21


090301


atom pada lattice sebagai titik pusat koordinat ruang. Selanjutnya Indeks

Miller ditentukan dengan cara sebagai berikut :

1. Tentukan panjang potongan ketiga sumbu koordinat, diukur dari pusat

koordinat sampai ke titik potong sumbu dengan bidang yang dimaksud.

Ranjang ini dinya-takan dalam satuan jarak atom pada sumbu yang

bersangkutan. Pada contoh dibawah, di sumbu x, satuannya adalah a, di

sumbu y satuannya b dan di s'jmbu z satuannya c.sumbu x y z panjang

polongan 231

2. Ambil kebalikan dari harga-harga di atas, dari contoh diperoleh :

1/2 , 1/3 , 1/1


11/21


090301


Slide no.14. Bidang didalam lattice kristal yang terdapat susunan atom-atom dandinyatakan dengan Index Miller

Mengingat titik pusat koordinat dapat ditetapkan sembarang titik pada

lattice/unit ce!l maka bidang yang berbeda akan dapat mempunyai Indeks Miller

yang sama, asa! kedudukannya terhadap pusat koordinat juga sama. Jadibidang-bidang ini dapat dikatakan ekuivalen. Semua bidang yang ekuivalen

dikatakan berada dalam satu "keluarga", ditulis dengan Indeks Miller yang

diletakkan dalam braces, keluarga {hkl}. Pada slide no.14, gambar dari unit cell

kubus, sisi-sisi kubus merupakan satu keluarga, yaitu keluarga {100} yang

terdiri dari bidang-bidang (100), (010), (001), (fOO), (OlO) dan (OOl).

Suatu araA krustalografi adalah arah dari pusal koordinai


12/21


090301


Bidang iniadalah keluarga bidang (110) untuk sistem BCC, dan keluarga bidang

(111) untuk sistem FCC. Pada bidang-bidang ini mudah terjadi slip

3.5 Kristalisasi

Kristalisasi yaitu proses pembentukan kristal, yang terjadi pada saat

pembekuan, perubahan dari fase cair ke fase padat. Dilihat dari mekanismenya

krisalisasi terjadi melalui dua tahap :

1. Pembentukan inti atau pengintian (nucleation)

2. Pertumbuhan kristal (crystal growth)

Dalarn keadaan cair atom-atom lidak memiliki susunan teratur tertentu,

se-lalu/mudah bergerak. Dalam keadaan cair temperaturnya relatif tinggi dan

atom memiltki energi cukup banyak sehingga mudah bergerak, tidak ada

pengaturan le-tak atom relatif terhadap atom lain.

Dengan turunnya lemperatur maka energi atom makin rendah dan makin

sulit bergerak dan mulai mencari/mengatur kedudukannya relattf terhadap

atom lain, mulai membentuk lattice. Ini terjadi pada tempat yang relatif

lebih dingin di-mana sekelompok atom menyusun diri membentuk inti kristal.

Inti-inti ini akan menjadi pusat dari proses kristalisasi selanjutnya.

De-ngan makin turunnya temperatur makin banyak atom yang ikut bergabung

dengan inti yang sudah ada atau membentuk inti baru. Setiap inti akan tumbuh

dengan menarik atom-atom lain dari cairan atau dari inti yang tidak sempat

tumbuh, untuk mengisi tempat kosong pada lattice yang akan dibentuk.


13/21


090301


Slide no.16. proses pembentukan kristal, yang terjadi pada saat pembekuan, perubahandari fase cair ke fase padat

Pertumbuhan ini berlangsung dari tempat yang lobih dingin menujutempat yang lebih panas. Pertumbuhan ini tidak bergerak lurus saja, tetapi

mulai membentuk cabang-cabang dan ranting-ranting, struktur seperti ini

disebut struktur dendritik. Dendrit ini terus bertumbuh Ke segala arah, sehingga

cabang/ranting dendrit hampir bersentuhan dan sisa catran yang terakhir akan

mernbeku di sela-sela dendrit ini.

Pertemuari satu dendrit kristal dengan lainnya dinamakan batas bulir

kristal (grain boundary) yang merupakan bidang yang membatasi antara 2

kristal. Batas butir adalah tempal dimana terdapat ketidak-teraluran susunan

atom (mismatch) di samping juga biasanya mengandung unsur-unsur ikutan

(impurity) lebih banyak.

3.6. Cacat pada kristal (imperfection)

Kristal yang sempurna adalah kristal yang susunan atomnya seluruhnya

ter-atur mengikuti suatu pola tertentu. Cacat yang dimaksud di sini adalah


14/21


090301


cacat/ketidaksempurnaan susunan alorn dalam kristal (lattice). Cacat ini dapat

terjadi pada saat pembekuan ataupun oleh sebab-sebab mekanik.

Cacat ini dapat berupa :

1. Cacat titik (point defect)

2. Gacat garis (line defect)

3. Cacat bidang (interfacial defecl)

4. Cacat ruang (bulk defect)

Cacat titik dapat berupa kekosongan (vacancy) yang terjadi karena

tidak terisinya suatu posisi atom pada lattice. Juga dapat terjadi karena salah

tempat, posisi yang seharusnya kosong ternyata ditempati atom, terjadi sisipan

interstitial). Mungkin juga ada atom "asing" yang menggantikan tempat yang

seharusnya diisi alom, terjadi substitusi ('substitutionals)',

Slide no.21. Cacat pada Kristal

Cacat-cacat ini akan menyebabkan terjadinya tegangan pada lattice.

Vacancy akan menyebabkan atom-atom di sekitarnya tertarik mendekat dan

intensitas mengakibatkan atom-atom sekitarnya terdorong saling menjauhi


15/21


090301


pada substitutional, bila atom penggganti lebih besar maka atom sekitarnya

terdorong menjauh, dan bila lebih kecil tertarik mendekat.

Slide no.22. a) vacancy, (b) interstit ial atom, (c) small subst itut ional atom, (d) large

substitutional atom, (e) Frenkel defect, (f) Schottky defect.

Cacat garis, cacat yang menimbulkan distorsi pada lattice yang berpusat

pada suatu garis, sering disebut dislokasi. Pada dasarnya ada 2 macam

dislokasi yaitu edge dislocation dan screw dislocation, dan dapat juga terjadi

dislokasi yang merupakan kombinasi keduanya.


16/21


090301


Slide no.23. Macam-macam Dislokasi

Untuk menggambarkan dislokasi diambil sebuah kristal seperti slide

no.23. yang dibuat irisan yang mengiris ikatan aniar atom menurut bidang

ABCD, (slide no. 23 a). Bila bagian atas irisan didorong hingga baris atom yang

di lepi tergeser ke atas baris kedua dari irisan bawah, maka akan tampak

adanya distorsi yang berpusat di garis AB, slide no. 23 b, dan garis AB ini

dinamakan arti dislokasi. Dislokasi semacam ini adalah edge dislocation.

Bila dorongan tersebut ke arah samping, sejajar AB (slide no. 23. c),maka akan terjadi screw dislokation, dinamakan demikian karena susunan

atom di sekitar garis dislokasi berbentuk seperti ulir (screw). Dan bila dorongan

tersebut mernbuat suatu sudut terhadap garis AB, maka akan diperoleh mxed

dislocation, (slide no. 23. d dan e). slide no 24. selanjutnya menunjukkan

susunan atom pada dislokasi.


17/21


090301


Slide no.24. Susunan Atom pada Edge Dislocation

Semua cacat diatas dapat bergeser dalam suatu lattice, baik karena pengaruh

thermodinamik maupun gaya mekanik. slide no. 25. menunjukkan bagaimana

suatu edge dislocalion dapat bergeser

slide no. 25. Pergerakan Atom pada Edge Dislocation

Gerakan dari edge dislocation dimulai dari tepi kristal dengan

terbentuknya dislocation line, sebagai akibat dari gaya geser (shear Force).

Garis dislokasi ini berupa garis lurus sepanjang kristal dan tegak lurus terhadap


18/21


090301


aran gaya geser Gaya geser selerusnya akan mendorong garis dislokasi ini

dari satu baris atom ke baris atom berikutnya. Baris atom yang telah

tergeser ini dikatakan telah mengalami dan bidang tempat terjadinya

pergeseran ini dinamakan bidang slip (slip plane) bidang yang padat atom.

Pengertian mengenai dislokasi jika bermanfaat untuk menjelaskan

berbagai sifat logam, antara lain, deformasinya. penguatan dan lain-lain.

Cacat bidang yang selalu terdapat pada krislai logam adalah grain

boundary. Pada batas butir selalu terdapat distorsi baik karena pengaruh

tegangan permukaan tnaupun akibat dari interaksi dengan atom-atom dari

kristal tetangganya. Karena setiap butir kristal mempunyai orientasi yang

berbeda satu sama lain, maka pada batas antara satu butir dengan butir lain

akan terjadi ketidak-teraluran susunan atom (dibandingkan dengan bagian

dalam dari kristal). Pada slide no. 26. dapat dilihat susunan atom pada suatu

batas butir. Tampak bahwa batas butir merupakan daerah yang penuh

dislokasi, karenanya ia merupaka daerah yang penuh dengan tegangan. Jadi

batas butir merupakan tempat yang menyimpan banyak energi, karena itu

banyak peristiwa transformasi dimulai dari batas butir ini.

slide no. 26. Cacat ruang (bulk defect)


19/21


090301


3.7. Deformasi plastik pada kris tal

Bila suatu krislal mengalami tegangan maka susunan alom pada kristal

itu akan mengalami perubahan posisi, perubahan ini bersifat sementara bilategangan yang bekerja tidak cukup besar dan akan bersifat permanen bila

legangan sudah melampaui yield. Bila tegangan telah melampaui yield maka

garis dislokasi sudah bergeser dan mungkin telah mencapai batas butir,

sehingga butir kristal mengalami perubahan bentuk yang permanen. Perubahan

bentuk pada butir kristal akibal terjadinya hal ini akan menyebabkan terjadinya

perubahan bentuk pada bentuk luar benda. Deformasi (perubahan bentuk)

dapat terjadi dengan terjadinya slip alau twmning, atau kombinasi keduanya.

slide no. 27. Analog dislokasi pada kristal


20/21


090301


3.7.1 Deformasi Dengan Slip

Slip merupakan mekanisma terjadinya deformasi yang paling sering

dijumpai. Slip terjadi bila sebagian dari kristal tergeser relatif terhadap bagiankristal lain sepanjang bidang kristalografi tertenlu. Bidang tempat terjadinya slip

ini dinamakan bidang slip (slip plane) dan arah pergeseran atom pada bidang

slip dinamakan arah slip (slip direction). Slip terjadi pada bidang yang paling

gadat alom dan arah slip juga pada daerah yang paling padat, atom, karena

untuk menggeser atom pada posisi ini memerlukan energi paling kecil. Pada

slide no. 28. dapat dilihat bahwa pergeseran atom akan lebih mudah terjadi bila

susunan atomnya lebih rapat, slide no. 28. a (di slide no. 28. b yang susunan

atomnya kurang padat, atom atom seolah-olah "terkunci" di sela-sela atom-

atom lain, dan untuk menggeser atom-atom ini tentu akan memerlukan energi

lebih besar).

slide no. 28. Pergeseran Susunan Atom

Seperti diketahui pada suatu sistem kristal mungkin terdapat lebih dari

satu bidang yang padat atom, bidang-bidang ini merupakan satu keluarga,

demikian pula dengan arah slip. Karenanya slip dapat terjadi pada beberapa

bidang dan arah tertentu, ini dinamakan sistem slip (slip system) dari sistem

kristal.


21/21


090301


bab 3 struktur kristal logam

Documents