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