Download - BKTK: Cacat Struktur & Dislokasi
• Zat padat yang 100% ideal TIDAK ADAselalu mengandung cacat atau ketaksempurnaan
• Cacat Kristal (Crystalline Defect)Ketakteraturan kisi yang berukuran sekitar diameter atom
• Cacat pada kristal ada 3 macam:– Cacat titik : berhubungan dengan 1 – 2 posisi
atom– Cacat garis (linier) – Cacat bidang/planar (2 dimensi)– cacat volum
Self - interstitial
Vacancy
Jumlah lowongan dalam
kesetimbangan :
N : jumlah tempat atom
QV : Energi pembentukan lowongan
T : temperatur (K)
k : konstanta Boltzman
Logam Nv/N ~ 10-4
pada T tepat di bawah titik leleh
Interstisi menyebabkan distorsi pada atom – atom di sekelilingnya jarang terjadi
• Lowongan (vacancies)
• Interstisi diri (self interstitials)
kTQ
expNN vv
IMPURITIES (pengotor)
Logam murni hanya terdiri dari 1 jenis atom TIDAK ADAMax : 99,9999% 1022 – 1023 atom pengotor/m3
Pengotor sengaja ditambahkan logam paduan (alloy) untuk meningkatkan sifat mekanik & ketahanan korosi
Atom pengotor : - larutan padat (solid solution) - fasa kedua (dibahas kemudian)
Larutan padat : pelarut (solvent) yang jumlahnya >>
atom – atom solvent = host atoms
zat terlarut (solute) yang jumlahnya <<
LARUTAN PADATJika atom-atom solute yang ditambahkan ke dalam logam dasar
terdispersi merata dan sebarang serta tidak mengubah struktur kristal logam dasar logam paduan = larutan padat
Cacat titik dalam larutan padat atom pengotor / solute sebagai :
• substitusional ; atom solute menggantikan atom solvent
syarat : 1. Beda jari2 atom solute & solvent 15%
2. Struktur kristal logam atom-atom solute dan solvent sama
3. Elektronegativitas kedua unsur hampir sama
4. Suatu logam cenderung melarutkan logam lain yang bervalensi lebih tinggi
contoh : larutan padat Cu-Ni ; jari2 atom 0,128 & 0,125 nm ; struktur kristal sama FCC ; elektronegativitas 1,9 & 1,8 ; valensi Cu +1 & +2, Ni +2
• interstisial ; atom solute menempati ruang kosong/interstisi di antara atom-atom solventlogam dengan APF » posisi interstisi <diameter atom solute harus < atom solventkonsentrasi atom pengotor interstisial < 10%contoh : larutan padat interstisial C dalam Fe : CC ~ 2% ; jari2 atom C 0,071 nm & Fe 0,124 nm
Larutan padat…
• Dislokasi : cacat kristal linier (1 dimensi) yang dikelilingi oleh atom – atom yang menyimpang keluar dari barisannya
• Dislokasi tepi (edge dislocation) : cacat linier yang berpusat di sekitar garis yang terbentuk sepanjang ujung bidang setengah dari susunan atom - atomDislokasi tepi bidang tak lengkapUjung bidang = garis dislokasi ()Atom – atom di atas mengumpulAtom – atom di bawah menjauh Bidang ½ ada di bagian bawah T
• Dislokasi sekrup (screw dislocation) :
terbentuk oleh tegangan geser jejak spiral atau tangga di sekitar garis dislokasi pada
bidang susunan atom-atom
+ Dislokasi campuran (mixed dislocation)• Besar dan arah distorsi kisi kristal akibat dislokasi
dinyatakan sebagai vektor Burgers (b)• Jenis dislokasi ditentukan oleh orientasi garis dislokasi dan
Vektor Burgers :– Saling tegak lurus dislokasi tepi– Sejajar dislokasi sekrupArah Vektor Burgers pada logam = arah kristalografi
terpadatBesar Vektor Burgers = jarak antar atom
• Dislokasi terbentuk saat : pembekuan / deformasi plastis / tegangan termal akibat pendinginan cepat
• Perpindahan dislokasi deformasi plastis
Pindah ke bab 7 !!! § 7.2
• Slip = proses deformasi plastis yang disebabkan gerakan dislokasi Bidang gerak dislokasi : bidang slip
…dislokasi
: arah tegangan geser tegak lurus garis dislokasi gerak dislokasi sejajar tegangan geser
: tegangan geser searah garis dislokasi gerak dislokasi tegaklurus tegangan geser
Dislokasi campuran : arah gerak garis dislokasi tidak // ataupun tegak lurus arah tegangan geser
…dislokasi
Deformasi plastik makroskopik
Densitas dislokasi (mm/mm3 = mm-2)= panjang dislokasi total / satuan volum = jumlah dislokasi yang memotong satu satuan luas penampang
densitas dislokasi logam hasil cor ~ 103 mm-2 ; terdeformasi berat 109 – 1010 mm-2 ;
heat treatment dapat menurunkan 105 – 106 mm-2
Prinsip gerak dislokasi
…dislokasi
WATAK DISLOKASI
• medan regangan di sekitar dislokasi batas mobilitas & produktivitas (penggandaan) dislokasi
• Deformasi plastik pada logam energi deformasi :– 5% tertahan sebagai energi regangan akibat dislokasi– 95% terdisipasi sebagai panas
Di sekeliling garis dislokasi terjadi distorsi kisi atom regangan kisi : tekan / tarik / geser pada atom – atom tetangga
Dislokasi tepi : - di atas garis dislokasi regangan tekan - di bawah garis dislokasi regangan tarik
Dislokasi sekrup regangan kisi geser
C C
TT
C T
CT
C = regangan tekan
T = regangan tarik
Deformasi plastik densitas dislokasi 1010
mm-2
Interaksi antar medan regangan :
• Sistem Slip : Preferensi bidang dan arah dalam bidang untuk gerak dislokasi
• Sistem slip bergantung pada struktur kristal dan sedemikian sehingga distorsi atom – atom yang menyertai gerak dislokasi, minimum
• Untuk suatu struktur kristal,– Bidang slip = bidang yang paling padat atom– Arah slip = arah yang paling padat atom dalam bidang
slipDalam 1 bidang slip ada > 1 arah slipDalam 1 struktur kristal ada > 1 bidang slip
Dalam 1 struktur kristal > 1 sistem slip
Bidang slip
Arah slip
Sistem Slip
Sistem slip = bidang & arah slip
• {111} = 4 & 110 = 3 FCC 12 sistem slip (table 7.1)• Sistem slip >> logam duktil ; sistem slip << logam rapuh
logam Bidang slip Arah slip Jumlah sistem slip
Kubus Pusat Muka
Cu, Al, Ni, Ag, Au {111} 110 12
Kubus Pusat Badan
-Fe, W, Mo {110} 111 12
-Fe, W {211} 111 12
-Fe, K {321} 111 24
Hexagonal Close-Packed
Cd, Zn, Mg, Ti, Be
{0001} 1120 3
Ti, Mg, Zr {1010} 1120 3
Ti, Mg {1011} 1120 6
Tabel 7.1
SLIP DALAM KRISTAL TUNGGAL
• Tegangan geser dislokasi tepi / sekrup / campuran berpindah sepanjang bidang slip menurut arah slip
• walaupun tegangan yang dikenakan murni tekan atau tarik, selalu ada komponen tegangan geser yang mengikuti resolved shear stress, R = cos cos = sudut antara normal bidang slip dengan arah tegangan = sudut antara arah slip dengan arah tegangan = besar tegangan
umumnya + 90o
• suatu sistem slip cenderung terorientasi menuju resolved shear stress maksimum : (R )max = (cos cos )max
• Slip dalam kristal tunggal diawali pada orientasi sistem slip yang paling mungkin critical resolved shear stress, crss = tegangan geser minimum untuk mulai slip perilaku bahan yang menentukan saat mulainya luluh (yielding)Pada kristal tunggal :(R)max = CRSS
= λ = 45o σy = 2 CRSS
untuk HCP, jika arah F arah slip (λ = 90o) atau // bidang slip ( = 90o) CRSS = 0 kristal patah
max
crssy coscos
• Bahan Polikristalin – Arah slip bervariasi dengan orientasi butir
– Butir – butir equiaxed (ukuran dlm semua arah ) + gross plastic deformation butir – butir memanjang searah pembebanan
– Logam polikristalin lebih kuat daripada kristal tunggal perlu tegangan lebih besar untuk mulai slip dan luluh
• Deformasi akibat kembaran– Tegangan geser pergerakan atom sedemikian sehingga
letak atom – atom di kedua sisi bidang kembar bayangan cermin
– Jarak pergeseran atom jarak dari bidang kembar
– Kembaran terjadi pada bidang kristalografi tertentu, dalam arah spesifik sesuai struktur kristalnya, misal: BCC kembaran terjadi pada (112) dan [111]
Deformasi Karena Slip Deformasi Karena Kembaran– Banyak bidang slip //– Orientasi kristal di atas dan
bawah bidang slip tidak berubah sebelum dan sesudah deformasi
– Slip berlangsung dalam jarak beberapa kali jarak antar atom
– 1 bidang kembaran– Reorientasi kristal
menyebrangi bidang kembaran
– Perpindahan atom berlangsung dalam < jarak antar atomKembaran mekanik terjadi pada logam
dengan :• struktur BCC atau HCP• pada suhu rendah• pada pembebanan cepat (shock loading)
§ 4.6
• Cacat antar muka (interfacial defect)– Batas 2 dimensi yang memisahkan bagian –
bagian bahan dengan struktur kristal dan/atau orientasi kristalografik berbeda
• Permukaan Luar– tempat struktur kristal berakhir– atom – atom permukaan tidak terikat pada
jumlah tetangga terdekat maksimum tingkat energi lebih tinggi energi permukaan (J/m2)
• Batas Butir– Batas pemisah dua butir / kristal dengan orientasi
kristalografik berbeda di daerah perbatasan : ketaksempurnaan padanan atom–atom (atomic mismatch) akibat perbedaan orientasi kristal
– Batas butir bersudut kecil : deretan dislokasi tepi tilt boundary, dengan sudut misorientasi : Sudut misorientasi // batas twist–boundary deretan dislokasi sekrup
Ikatan antar atom dalam batas butir < dalam butir energi batas butir batas butir lebih reaktif
Atom pengotor lebih mudah tersegregasi di batas butir• Batas Kembaran (Twin Boundary)
– Batas butir dengan susunan atom – atom seperti gambaran cermin pada kedua sisi
– Twin terbentuk dari perpindahan atom – atom akibat :• Penerapan gaya geser mekanik kembaran mekanik ,
BCC & HCP• Perlakuan panas/annealing kembaran anil, FCC
Grain boundary
Twin plane / boundary
Tilt boundary
CACAT VOLUMCACAT VOLUM• Rongga (cavities)
• Kekosongan (voids)
• Gas yang terjebak dalam logam saat pembekuan