MAKALAH ANALISA CACAT STRUKTUR PADA

MATERIAL

Dibuat untuk Memenuhi Tugas Mata Kuliah Bahan Teknik

Pendidikan Teknik Mesin S1, Teknik Mesin FT UNNES

Dosen Pengampu Dr. Heri Yudiono, S.Pd., M.T.

Disusun Oleh :

Nama : Izza Ariffatur Ramadhani

NIM : 5201415018

Prodi : Pendidikan Teknik Mesin, S1

Fakultas : Teknik

UNIVERSITAS NEGERI SEMARANG

SEMARANG

2015

ii

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Alloh SWT, atas segala Rahmat,

Taufik serta Hidayah-Nya sehingga Makalah Analisa Cacat Struktur Pada

Material dapat terselesaikan. Walaupun hasilnya tidak sempurna jika

dibandingkan dengan karyakarya besar yang lain, namun hasil bukanlah tujuan

yang utama, tetapi proses pembelajaran yang pernah dijalani menjadi suatu hal

yang utama bagi penulis. Karena disanalah pengalaman dan nilai-nilai luhur itu

ada, walaupun tidak dapat diukur dengan angka namun sangat bermakna.

Pengalaman yang telah terjadi mudah - mudahan dapat menjadi refleksi,

internalisasi, dan proyeksi bagi masa yang akan datang bagi penulis khususnya.

Penulis menyadari sebagai manusia bahwa masih banyak kekurangan dalam

makalah ini. Untuk itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun

untuk menyempurnakan makalah ini. Terakhir semoga makalah ini dapat

bermanfaat bagi penulis maupun bagi para pembaca. Amiin.

Semarang, 8 Desember 2015

Izza Ariffatur Ramadhani

iii

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ................................................................................................ i

KATA PENGANTAR ............................................................................................ ii

DAFTAR ISI .......................................................................................................... iii

BAB I PENDAHULUAN ........................................................................................ 1

1.1 Latar Belakang ............................................................................................ 1

1.2 Perumusan Masalah .................................................................................... 1

1.3 Tujuan dan Manfaat .................................................................................... 1

BAB II PEMBAHASAN ......................................................................................... 2

2.1 Pengertian Kristal ....................................................................................... 2

2.2 Pengertian Cacat Kristal ............................................................................. 2

2.3 Macam Macam Cacat Kristal .................................................................. 3

A. Cacat Titik ............................................................................................... 3

B. Dislokasi Cacat Linier .......................................................................... 8

C. Cacat Antar Muka.................................................................................. 11

D. Cacat Bulk Atau Volume ...................................................................... 12

2.4 Manfaat Cacat Kristal ............................................................................... 13

BAB III PENUTUP ............................................................................................... 13

3.1 Kesimpulan ............................................................................................... 13

3.2 Saran ......................................................................................................... 14

DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................ 15

iv

DAFTAR GAMBAR

Gambar 4.1: Vakansi dan Interstisi-Diri ............................................................. 3

Gambar 4.2: Interstisi-Diri .................................................................................. 4

Gambar 4.1: Valensi ............................................................................................ 6

Gambar 4.3: Dislokasi Sisi .................................................................................. 8

Gambar 4.4: Dislokasi Ulir ................................................................................. 9

Gambar 4.5: Dislokasi campuran ...................................................................... 10

Gambar 4.7: Batas Butir .................................................................................... 11

Gambar 4.9: Batas Kembar. .............................................................................. 12

Gambar 4.9: Cacat Muka. .................................................................................. 12

Gambar 4.9: Kristal (Ce0,5Zr0,5)O2. ................................................................... 12

LAMPIRAN - LAMPIRAN

Lampiran Kutipan Buku ...................................................................................... v

1

BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Dalam dunia teknik khususnya teknik mesin , kita sering memakai bahan

bahan material untuk membuat suatu komponen mesin. Tetapi apakah terfikirkan

bahwa dalam pembuatan suatu komponen yang baik memerlukan suatu ketepatan

dalam pemilihan bahan material. Di teknik mesin ada beberapa cara untuk

memilih material tersebut. Salah satunya dengan menganalisa cacat pada material

tersebut. Dalam teknik mesin terdapat beberapa jenis cacat Kristal pada susunan

atom dalam Kristal. Kita perlu ketahui bahwa kehadiran cacat Kristal yang sedikit

memiliki pengaruh yang sangat besar dalam menentukan sifat suatu bahan dan

pengaturan cacat sangat penting dalam pemrosesan bahan.

Contoh relevansi cacat Kristal dalam kehidupan pada umumnya dan dalam

bahan pada khususnya yaitu, ketika kita membeli cincin berlian, sebenarnya kita

membayar untuk tipe cacat pada Kristal pada cincin berlian tersebut. Pembuatan

device semikonduktor tidak hanya membutuhkan Silikon murni tetapi juga

meliputi cacat Kristal tertentu pada sample. Menempa suatu logam akan

menghasilkan cacat pada logam tersebut dan meningkatkan kekuatan dan

kelenturan logam. sifat-sifat tersebut dicapai tanpa mengubah komposisi penyusun

bahan tetapi hanya manipulasi cacat Kristal.

1.2. Rumusan Masalah

Dari latar belakang tersebut didapat permasalahan sebagai berikut :

a. Apa yang dimaksud dengan kristal?

b. Apa yang dimaksud dengan cacat kristal?

c. Cacat apasaja yang terdapat pada cacat kristal?

d. Apa Manfaat dari Cacat Kristal

1.3. Tujuan dan Manfaat

Tujuan dan manfaat yang diharapkan :

a. Mengetahui yang dimaksud dengan kristal

b. Mengetahui yang dimaksud dengan cacat kristal

2

c. Mengetahui cacat apasaja yang terdapat pada cacat kristal

d. Mengetahui Manfaat Cacat Kristal

BAB II PEMBAHASAN

2.1 PENGERTIAN KRISTAL

Kristal merupakan susunan atom-atom yang teratur dalam ruang tiga

dimensi.Keteraturan susunan tersebut terjadi karena kondisi geometris yang harus

memenuhi adanya ikatan atom yang berarah dan susunan yang rapat. Walaupun

tidak mudah untuk menyatakan bagaimana atom tersusun dalam padatan, namun

ada hal-hal yang diharapkan menjadi faktor penting yang menentukan

terbentuknya polihedra koordinasi susunan atom-atom.

Secara umum, zat cair membentuk kristal ketika mengalami proses

pemadatan. Pada kondisi ideal, hasilnya bisa berupa kristal tunggal, yang semua

atom-atom dalam padatannya "terpasang" pada kisi atau struktur kristal yang

sama, tapi secara umum kebanyakan kristal terbentuk secara simultan sehingga

menghasilkan padatan polikristalin. Misalnya, kebanyakan logam yang kita temui

sehari-hari merupakan polikristal. Kristal terbentuk karena proses kristalisasi.

Pengertian kristalisasi sendiri yaitu proses pembentukan kristal yang terjadi pada

saat pembekuan, perubahan dari fasa cair ke fasa padat. Jika ditinjau dari

mekanismenya, kristalisasi terjadi melalui 2 tahap :

1. Tahapan Nucleation (pembentukan inti)

2. Tahapan Crystal Growth (Pertumbuhan Kristal)

2.2 PENGERTIAN CACAT KRISTAL

Kristal yang sempurna adalah kristal yang susunan atomnya seluruhnya teratur

mengikuti susunan atom dalam krista pola tertentu. Cacat yang dimaksud disini

adalah cacat/ ketidaksempur sempurnaan sususnan atom dalam kristal (lattice).

Cacat dapat terjadi karena adanya solidifikasi (pendinginan) ataupun akibat dari

luar. Dalam kenyataan, kristal tidaklah selalu merupakan susunan atom-atom

identik yang tersusun secara berulang di seluruh volumenya. Kristal biasanya

mengandung ketidak-sempurnaan, yang kebanyakan terjadi pada kisi-kisi

3

kristalnya. Karena kisikisi kristal merupakan suatu konsep geometris, maka

ketidak-sempurnaan kristal juga diklasifikasikan secara geometris. Kita mengenal

ketidak-sempurnaan berdimensi nol (ketidaksempurnaan titik),

ketidaksempurnaan berdimensi satu (ketidaksempurnaan garis), ketidak-

sempurnaan berdimensi dua (ketidaksempurnaan bidang). Selain itu terjadi pula

ketidak-sempurnaan volume.

2.3 MACAM MACAM CACAT KRISTAL

A. CACAT TITIK

a. Vakansi dan Interstisi-Diri

Vakansi adalah kekosongan sisi kisi, yaitu sisi yang seharusnya ditempati

atom, kehilangan atomnya (Gambar 4.1). 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 atas

kenaikan temperatur sesuai dengan persamaan :

dimana : N = jumlah total sisi

Qv = energi yang diperlukan untuk membentuk vakansi

T = temperatur mutlak, K

k = konstanta Boltzmann = 1,38 x 10-23

J/atom.K = 8,62 x 10-

5 eV/atom.K

http://3.bp.blogspot.com/-6miwatrEwz4/Vc_-ufG3KcI/AAAAAAAAAds/15WUefyu8eM/s1600/a12.JPG

4

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. Jenis cacat ini bisa dilihat pada Gambar 4.1. 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.

Contoh Soal

Hitunglah angka kesetimbangan vakansi per meter kubik untuk tembaga pada

suhu 10000C. Energi pembentukan vakansi adalah 0,9 eV/atom; berat atom dan

kerapatannya (pada 1000OC) masing-masing adalah 63,5 g/mol dan 8,4 g/cm

3.

Jawab

Pertama-tama tentukan harga N, jumlah sisi atom per meter kubik untuk tembaga

dari berat atomnya Acu, kerapatannya r, dan bilangan Avogadro NA, sesuai dengan:

Jumlah vakansi pada 1000OC (1273 K) adalah :

b. 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 menyebab-

kan cacat titik pada kristal. Ada paduan dimana atom impuritas sengaja ditambah-

Figure 4.2

5

kan untuk mendapatkan karakteristik tertentu pada material seperti untuk me-

ningkatkan 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.

Penambahan atom impuritas ke logam akan mengakibatkan pembentukan

larutan padat dan/atau fasa kedua yang baru, tergantung pada jenis impuritas,

konsentrasi dan temperatur paduan.

Larutan padat terbentuk ketika atom solute ditambahkan ke material induk,

struktur kristal tetap dijaga, dan tidak ada struktur baru yang terbentuk. Bisa

dianalogikan dengan air yang dicampur dengan alkohol yang akan menghasilkan

larutan cair ketika molekulnya bercampur dan komposisinya homogen.

Larutan padat juga mempunyai komposisi homogen dan atom impuritas

ter-sebar secara acak dan seragam didalam padatan. Cacat titik impuritas dijumpai

dalam dua jenis : substitusi dan interstisi. Ada beberapa ciri atom pelarut dan

solute yang akan menentukan derajat kelarutan atom solute pada atom pelarut,

yaitu :

a) Faktor ukuran atom.

Larutan padat terjadi jika perbedaan jari-jari atom kedua atom kurang dari

15%.

b) Struktur kristal.

Untuk kemampularutan padatan yang besar, struktur kristal kedua atom

logam harus mempunyai jenis yang sama.

c) Elektronegativitas.

Makin elektro positif suatu unsur dan makin elektro negatif unsur yang lain,

makin besar kecendrungan unsur-unsur ini akan membentuk senyawa logam

dari pada larutan padat substitusi.

6

d) Valensi.

Jika faktor-faktor lain sama, sebuah logam akan mempunyai kecendrungan

melarutkan logam lainnya yang mempunyai valensi lebih tinggi dari pada

logam yang valensinya rendah.

c. Spesifikasi Komposisi

Komposisi sebuah paduan bisa dinyatakan dalam bentuk unsur-unsur

pokoknya. Ada dua cara untuk menyatakan ini yaitu persen berat (%wt) dan

persen atom. Konsentrasi atom 1 dalam persen berat didalam campuran atom 1

dengan atom 2 adalah :

dimana : m1 = berat (massa) unsur 1

m2 = berat (massa) unsur 2

konsentrasi atom kedua dicari dengan cara yang sama.

Konsentrasi atom 1 dalam persen atom didalam campuran atom 1 dengan

atom 2 adalah :

dimana : nm1 = jumlah mol unsur 1

nm2 = jumlah mol unsur 2

7

Jumlah mol unsur bisa dicari dengan membagi massa unsur dengan berat

atomnya.

Konversi dari % berat ke % atom (dari 2 elemen paduan)

Konversi dari % atom ke % berat (dari 2 elemen paduan)

Perhitungan massa jenis paduan (dari 2 elemen paduan)

Perhitungan berat atom paduan (dari 2 elemen paduan)

8

Contoh : Tentukan komposisi, dalam % atom dari paduan yang terdiri dari 97

%berat Al dna 3 % berat tembaga.

Jawab :

B. 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.

a. Dislokasi Sisi.

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. Dislokasi sisi disimbolkan dengan .

9

b. Dislokasi Ulir.

Dislokasi ulir terbentuk karena gaya geser yang diberikan menghasilkan

distorsi seperti yang ditunjukkan Gambar 4.4a. Daerah depan bagian atas kristal

tergeser sebesar satu atom kekanan relatif terhadap bagian bawah. Dislokasi ini

isimbolkan dengan .

10

c. Dislokasi campuran.

Jika pada material dijumpai kedua jenis dislokasi diatas maka disebut material

mempunyai dislokasi campuran. Contoh dislokasi campuran bisa dilihat pada

Gambar 4.5.

Dislokasi pada material ditimbulkan: selama proses pembekuan, karena deformasi

plastis, karena tegangan termal sebagai hasil pendinginan cepat.

11

C. 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.

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 dari pada 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.

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.

12

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.

D. 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.

13

2.4 MANFAAT CACAT KRISTAL

Cacat pada Kristal dapat mengubah sifat listrik dan mekanik bahan.

Kekosongan pada Kristal dapat mengubah sifat listrik bahan. Sebagai contoh, kita

memanfaatkan kekosongan pada Kristal silicon untuk pendopingan oleh phospor

sehingga terbentuk semikonduktor tipe n. Selain itu cacat Kristal seperti

kekosongan, dislokasi, dan boundaries dapat meingubah sifat mekanik bahan.

Grain Boundaries dapat menghambat difusi atom dan gerak dislokasi sehingga

deformasi bahan sulit terjadi. Semakin kecil grain, semakin kuat bahan tersebut.

Ukuran grain dapat diatur dengan laju pendinginan. Laju pendinginan yang cepat

menghasilkan grain-grain yang kecil sedangkan proses-proses pendinginan yang

lambat menghasilkan grain-gran yang besar.

BAB III PENUTUP

3.1 Kesimpulan

Kristal merupakan susunan atom-atom yang teratur dalam ruang tiga

dimensi.Keteraturan susunan tersebut terjadi karena kondisi geometris yang harus

memenuhi adanya ikatan atom yang berarah dan susunan yang rapat.

Cacat yang dimaksud disini adalah cacat/ ketidaksempur sempurnaan sususnan

atom dalam kristal (lattice). Cacat dapat terjadi karena adanya solidifikasi

(pendinginan) ataupun akibat dari luar. Kristal biasanya mengandung ketidak-

sempurnaan, yang kebanyakan terjadi pada kisi-kisi kristalnya. Karena kisikisi

kristal merupakan suatu konsep geometris, maka ketidaksempurnaan kristal juga

diklasifikasikan secara geometris. Kita mengenal ketidak-sempurnaan berdimensi

nol (ketidak-sempurnaan titik), ketidak-sempurnaan berdimensi satu

(ketidaksempurnaan garis), ketidaksempurnaan berdimensi dua

(ketidaksempurnaan bidang). Selain itu terjadi pula ketidak-sempurnaan volume.

Macam macam cacat kristal :

a. Cacat titik : Vakansi dan Interstisi-Diri

14

b. Dislokasi / cacat linier: dislokasi sisi, dislokasi ulir dan dislokasi

campuran.

c. Antar muka

d. Cacat bulk atau volume

Cacat kristal ternyata dapat memberikan manfaat, misal kita memanfaatkan

kekosongan pada Kristal silicon untuk pendopingan oleh phospor sehingga

terbentuk semikonduktor tipe n.

3.2 Saran

Sebaiknya dalam menggunakan material terlebih dahulu mengetahui kualias

dari material tersebut, salah satunya struktur material. Apakah ada kecacatan yang

fatal atau tidak. Sehingga apa yang kita buat menjadi kuat dan tahan lama dalam

proses pemakaian. Hal tersebut dapa menghemat anggaran dalam membeli

material.

15

DAFTAR PUSTAKA

Andhika, A. 2012. Material Teknik I-Ketidaksempurnaan. Diakes pada laman

https://id.scribd.com/doc/92851481/Material-TeknikI-Ketidaksempurnaan-

31 . Pada tanggal 7 Desember 2015 pukul 20.00 WIB.

Callister, W.D and David, G.R. 2009. Material Science And Engineering An

Introduction, 8th Edition. John Wiley and Sons Inc. United State of

America.

Fitra,W.2011. Makalah Ilmu Logam Cacat Kristal Dan Manfaatnya. Diakses pada

laman http://myblogcobacoba.blogspot.co.id/2015/04/makalah-ilmu-logam-

cacat-pada-kristal.html. Pada tanggal 7 Desember 2015 pukul 10.15 WIB.

Onyon. 2015. Ketidak Sempurnaan Bahan Padat || Material Teknik. Diakses pada

laman http://www.onyonshare.com/2015/08/ketidak-sempurnaan-bahan-

padat-material.html. Pada tanggal 7 Desember 2015 pukul 19.00 WIB.

v

LAMPIRAN

Lampiran Kutipan Buku