Cacat Dalam Material [PDF]

Citation preview

Nama



: Fajar Frihdianto



NIM



: K2514030



PRODI/SEMESTER



: Pend. Teknik Mesin / II



Mata Kuliah



: Ilmu Bahan



Tanggal



: 27 April 2015



Jawaban 1. CACAT DALAM MATERIAL Cacat pada material merupakan ketidaksempurnaan pada material. Berdasarkan geometrinya, cacat/defect pada material dapat dibagi dalam 4 (empat) katagori , yaitu: a. b. c. d.



Cacat titik (cacat 0 dimensi  Point Defect) Cacat garis (cacat 1 dimensi  Line Defect / Diclocation) Cacat Bidang (cacat 2 diimensi  Planar/ Surface Defect) Cacat Volume (cacat 3 dimensi  Volume Defect (VOID)



a. Cacat titik Cacat titik adalah cacat berupa titik pada material. Cacat titik terbagi atas : 1) Vacancy (kekosongan), yaitu cacat yang terjadi akibat adanya kekosongan atom dalam susunan atom. 2) Subtitusi/pergantian, yaitu cacat yang terjadi akibat adanya pergantian atom pada susunan atom. 3) Intertisi adalah cacat yang terjadi akibat adanya atom lain yang menyusup dalam susunan atom. Intertisi terbagi atas:



b.







Self Intertisi, yaitu cacat akibat adanya atom yang menyisip pada susunan atom yang berasal dari atom itu sendiri.







Impurity, yaitu adanya atom asing yang menyusup pada susunan atom yang bersifat mengganggu.



Cacat Garis/Dislokasi



Cacat garis adalah ketidaksempurnaan pada material akibat kekosongan pada sebaris atom. Dislokasi terbagi atas dislokasi sisi dan dislokasi ulir.



1) Dislokasi sisi, adalah cacat garis yang arah pergerakan atomnya tegak lurus terhadap garis dislokasi. (Dislocation line) 2) Dislokasi Ulir, yaitu cacat gais yang arah pergerakan atomnya sejajar terhadap arah garis dislokasi (Dislocation line). c. Cacat Bidang Cacat bidang yaitu ketidak sempurnaan material pada sebidang struktur atom. Contohnya; 1. Twinning 2. Batas butir d. Cacat Ruang Cacat ruang adalah ketidaksempurnaan kristal pada seruang atom yaitu timbulnya rongga antara batas butir karena orientasi butir dan dapat dilihat secara langsung. Contohnya : 



Porositas







Retak







Ronngga



Berikut ini akan saya sedikit menjelaskan mengenai bentuk-bentuk cacat diatas : a. CACAT TITIK Cacat titik yang paling sederhana adalah kekosongan (vacancy) disini ada atom yang hilang dalam kristal. Cacat titik ini merupakan hasil dari penumpukan yang salah sewaktu kristalisasi atau juga dapat terjadi pada suhu yang tinggi oleh karena energi thermal meningkat. Bila energi thermal tinggi, ada kemungkinan bagi atom-atom untuk melompat meninggalkan tempatnya (dimana energi terendah akan ikut naik pula). Maka akan terdapat kekosongan tunggal saat kristalisasi. Dan bila terdapat kekosongan ada 2 (dua) maka dapat disebut sebagai kekosongan ganda . Perhatikan gambar dibawah ini



Bila ketidak-sempurnaan seperti kekosongan jumlahnya meliputi 1 (satu) atau beberapa atom maka ketidak sempurnaan tersebut biasa-nya disebut dengan nama cacat titik atau POINT DEFECT. Point defect dapat berupa : a. Vacancy (kekosongan) akan : 1. atom pada tempatnya 2. pasangan ion (schottky) b. Subsitusi oleh atom asing. c. Intertisi oleh atom asing dengan ukuran relatif kecil. Self intertisial pada umumnya biasa dikenal sebagai Frenkel-defect dan vacancy akan pasangan ion dikenal sebagai Schootky – Defect. Kekosongan pasangan ion (disebut juga cacat schottky) terdapat pada senyawa yang harus mempunyai keseimbangan muatan. Cacat ini mencakup kekosongan pasangan ion berlawanan, kekosongan pasangan ion dan kekosongan tunggal mempercepat diffusifitas atom



Cacat titik (point defect) menyebabkan distorsi lokal dalam kristal. Misalnya : Vacancy dapat menyebabkan KOMPRESSIVE – STRESS. Subsitusi oleh atom-atom yang lebih kecil atau besar selalu dapat menyebabkan kompressive dan Tensile Stress. Intertisi menyebabkan strain di sekitar tempat yang diduduki dengan kata lain, cacat titik menyebabkan meningkatnya energi dalam material secara thermodinamik. (Cacat tidak akan menyebabkan peningkatan besaran ENTHALPY (H) Material).



b. CACAT GARIS / LINE DEFECT (DISLOCATION) Line defect yang paling banyak dijumpai adalah dislokasi. Secara geometris, dislokasi dapat digambarkan seperti di bawah ini :



Dislokasi ini dapat digambarkan sebagai sisipan satu bidang atom tambahan dalam struktur kristal. Garis dislokasi dalam gambar tersebut adalah garis tegak lurus  pada bidang gambar. Di daerah garis sekitar dislokasi terjadi distorsi kisi yang besifat lokal. Daerahdaerah yang jauh dari garis dislokasi, derajat distorsi lokalnya menurun dan susunan atomnya kembali normal. Distorsi kisi tersebut dapat berupa tekanan dan tegangan sehingga terdapat energi tambahan sepanjang dislokasi tersebut. Jarak geser atom di sekitar dislokasi disebut vektor geser b* (burger vectors) yang mana tegak lurus pad garis dislokasi.



Ada 2 jenis dislokasi, yaitu : - EDGE – DISLOCATION (dislokasi sisi) dan DISLOCATION (dislokasi ulir)



- SCREW –



Di dalam material biasanya ditemukan gabungan antara edge dislocation dan screw diclocation yang biasa disebut dislokasi campuran.



Dislokasi dapat berpindah-pindah



ataupun bergerak. Proses dimana deformasi plastis di-karenakan gerakan gerakan dislokasi yang berpindah-pindah tersebut biasanya dinamakan dengan SLIP. Bidang, dimana garis dislokasi melintang disebut BIDANG SLIP, sedangkan arah gerakan dislokasi disebut ARAH SLIP. Bila ditinjau secara khusus , ternyata gerakan dislokasi pada berbagai bidangn kritis adalah tidak sama sehingga dengan perkataan lain dapat dikatakan bahwa terdapat arah dan bidang kristal yang meudahkan dislokasi terssebut bergerak yang disebut dengan nama PREFFERED – PLANE. Bidang-bidang dan arah bidang yang memudahkan dislokasi tersebut bergerak pada umumnya adalah bidang-bidang kristal yang memiliki planar density yang tinggi. Sedangkan arah gerakan dislokasi pada bidang kristal dengan planar density yang tinggi merupakan arah slip. Dengan perkataan lain arah slip yang diinginkan adalah arah dengnn Linier density yang tinggi.



c. SURFACE DEFECTS (PLANAR DEFECTS) Planar defect (dapat berupa cacat pada permukaan-permukaan luar, twin boundary, batasbatas fasa, batas butir) pada material (dimana) akan memisahkan material tersebut atas beberapa bagian yang mana tiap-tiap bagian akan memiliki struktur kristal yang sama tetapi berbeda arah kristalnya.



Permukaan Material Ketidak-sempurnaan kristal dalam dua dimensi merupakan suatu batas, dimana batas yang nyata adalah permukaan luar. Permukaan dapat diilustrasikan sebagai batas struktur kristal sehingga kita dapat melihat bahwa koordinasi atom pada permukaan tidak sama dengan koordinasi atom dalam kristal. Dengan kata lain : Atom permukaan hanya mempunyai tetangga pada satu sisi saja, sehingga memiliki energi yang lebih tinggi dimana ikatannya menjadi kurang kuat. Karena atom-atom ini tidak seluruhnya dikekelingi oleh atom lainnya, maka energinya jadi lebih banyak dibandingkan dengan atom di dalamnya.



Contoh idealnya: Tetesan cairan yang berbentuk bulat maka luas permukaannya per satuan volume tetesan harus minimal (sehingga E permukaannya minimmal). Penyerapan permukaan merupakan adanya perbedaan energi pada permukaan tersebut.



Batas Butir



Bentuk butir dalam solid material biasanya diatur oleh adanya butir-butir lain di sekitarnya dimana dalam setiap butir, semua selnya teratur dalam satu arah dan satu pola yang tertentu. Pada grain boundary (batas butir), antara dua butir yang berdekatan terdapat daerah transisi yang tidak searah dengan pola dalam kedua butir tersebut.



d. VOLUME DEFECTS Volume defects pada material dapat berupa : crack (retak)/pori-pori, inklusi, presipitat, fasa kedua dan lain sebagainya. Kehadiran volume defect di dalam materiaal biasanya memberikan suatu implikasi (misalnya terhadap sifat material) yang akan menyebabkan perubahan densitas material (terutama dengan adanya pori-pori ataupun fasa kedua pada material).



Secara illustratif akan ditinjau efek dari kehadiran cacat volume tersebut (seperti retak) terhadap kekuatan material, dimana ingin dilihat perban-dingan  (kekuatan tarik retakan) dengan th (kekuatan tarik teoritis) suatu material yang sama.



2.



Pengertian Dislokasi Dan Deformasi a. Dislokasi



Dislokasi adalah suatu pergeseran atau pegerakan atom-atom di dalam sistem kristal logam akibat tegangan mekanik yang dapat menciptakan deformasi plastis (perubahan dimensi secara permanen). Kekuatan (strength) dan keuletan (ductility) atom di dalam melalui tingkat kesulitan atau kemudahan gerakan dislokasi di dalam sistem kristal logam. Misalya pada proses pengerjaan dingin (cold work) terjadi peningkatan dislokasi di dalam kristal logam sehingga kekuatan logam meningkat, namun keuletan menurun. Pada dasarnya dislokasi ada 2 yaitu edge dislocation and screw dislocation. Dislokasi ulir menyerupai spiral dengan garis cacat sepanjang sumbu ulir. Vektor gesernya sejajar dengan garis cacat. Atom-atom disekitar dislokasi ulir mengalami gaya geser, oleh karena itu terdapat energi tambahan di sekitar dislokasi tersebut. Kedua jenis dislokasi garis terjadi karena adanya ketimpangan dalam orientasi bagian-bagian yang berdekatan dalam kristal yang tumbuh sehingga ada suatu deretan atom tambahan ataupun deretan yang kurang. Semua cacat diatas dapat digeser dalam suatu lattice, baik karena pengaruh thermodinamik maupun gaya mekanik. 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 sepanjang kristal dan tegak lurus terhadap arah gaya geser. Gaya geser seterusnya akan mendorong garis dislokasi ini dari satu baris atom ke baris atom berikutnya. Baris atom yang telah tergeser ini dikatakan telah mengalami slip dan bidang tempat terjadinya pergeseran ini dinamakan bidang slip (slip plane). Slip plane selalu merupakan bidang yang padat atom. Dari gambar juga tampak bahwa baris atom yang telah bergeser akan kembali memiliki ikatan antar atom seperti semula, hanya saja ikatan ini sekarang terjadi dengan baris atom yang berbeda. Pengertian mengenai dislokasi ini akan bermanfaat untuk menjelaskan berbagai sifat logam antara lain deformasinya, penguatan dan lain lain. Cacat bidang yang selalu terdapat pada kristal logam adalah grain boundary (batas butir). Pada batas butir selalu terdapat distorsi baik karena pengaruh tegangan permukaan maupun akibat dari interaksi dengan atom-atom kristal tetangganya. Karena setiap butir kristal mempunyai orientasi yanga berbeda satu sama lain, maka pada batas antara satu butir dengan butir lain akan terjadi ketidakaturan susunan atom. b. DEFORMASI



Deformasi ada 2 yaitu : - deformasi plastik - deformasi elastik 1) Deformasi plastik pada kristal Bila suatu kristal mengalami tegangan maka susunan atom pada kristal itu akan mengalami perubahan posisi, perubahan ini bersifat sementara bila tegangan yang bekerja tidak cukup besar dan akan bersifat permanen bila tegangan 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 akibat terjadinya hal ini akan menyebabkan terjadinya perubahan bentuk pada bentuk luar benda. Deformasi (perubahan bentuk) dapat terjadi dengan terjadinya slip atau twinning atau kombinasi keduanya.  Deformasi dengan slip Slip merupakan mekanisme terjadinya deformasi yang paling sering dijumpai. Slip terjadi bila sebagian dari kristal tergeser relatif terhadap bagian daari kristal lain sepanjang bidang kristalografi tertentu. 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 padat atom dan arah slip juga pada daerah yang paling padat atom, karena untuk menggeser atom pada posisi ini memerlukan energi paling kecil. Slip tidak terjadi dengan menggsernya seluruh atom pada bidang slip secara sekaligus. Slip terjadi dengan bergesernya garis dislikasi sedikit demi sedikit. Bila slip terjadi dengan pergeseran sekaligus seluruh atom pada bidang slip, maka akan dibutuhkan gaya yang sangat besar. Karena itulah kekuatan logam lebih rendah daripada kekuatannya yang dihitung dengan menjumlahkan gaya yang perlu untuk memutuskan ikatan antar atomnya. Untuk dapat terjadinya slip harus ada gaya geser yang cukup, bila gaya geser itu belum cukup maka distorsi yang ditimbulkan hanya bersifat sementara, elastik.  Deformasi dengan twinning Deformasi dengan twinning dapat terjadi bila satu bagian dari butir kristal berubah orientasinya sedemikian rupa sehingga susunan atom di bagian tersebut akan membentuk simetri dengan bagian kristal yang lain yang tidak mengalami twinning. Susunan atom pada



bagian yang mengalami twinning disebut “mirror image” dari bagian yang tidak mengalami twinning. Bidang yang menjadi pusat simetri antara kedua bagian itu dinamakan “twinning plane”. Ada beberapa perbedaan antara slip dan twinning, yaitu bahwa pada slip orientasi seluruh kristal tetap sama, sedang pada twinning sebagian kristal akan berubah orientasinya. Jarak pergeseran atom pada slip dapat mencapai hingga beberapa atom, sedang pada twinning hanya sedikit, tidak sampai satu atom. Pada twinning pergerakan atom itu terjadi sekaligus seluruh atom (pada twinned region) bergerak bersamaan sedang pada slip sebagian demi sebagian. Dari hal di atas dapat dikemukakan bahwa untuk terjadinya twinning diperlukan tenaga yang cukup besar, karena itu tidak banyak logam yang padanya dijumpai twinning, sebabnya mungkin sebelum twinning dapat terjadi slip yang sudah terjadi dulu. Twinning dapat terjadi bila kemungkinan untuk slip kecil yaitu bila slip system terbatas seperti pada logam dengan kristal HCP yang memiliki hanya sedikit slip system (karena itu twinning biasanya tidak terjadi pada BCC dan FCC). Regangan yang terjadi pada twinning kecil sekali, sehingga twinning bukanlah suatu mekanisme deformasi yang utama, tetapi cukup penting karena dengan twinning terjadi perubahan orientasi kristal yang memungkinkan salah satu sistem slipnya akan bersesuaian dengan arah gaya geser yang bekerja dan slip akan dapat terjadi Twinning dapat terjadi sebagai akibat gaya mekanik, disebut mechanical twins, atau dapat juga terjadi pada kristal yang telah dideformasi lalu di anneal, disebut annealing twins. Pada mikroskop twinning dapat ditandai dengan adanya dua garis sejajar di tengah kristal,dan slip dapat diketahui dengan adanya slip lines, sejumlah garis sejajar pada kristal. 2) Deformasi Elastik Deformasi elastik terjadi bila sepotong logam atau bahan padat dibebani gaya. Bila beban gaya berupa tarik, benda akan bertambah panjang. Setelah gaya ditiadakan, benda akan kembali ke bentuk semula. Sebaliknya,beban berupa gaya tekan akan mengakibatkan banda menjadi pendek sedikit. Regangan elastik adalah hasil dari perpanjangan sel satuan dalam arah tegangan tarik, atau kontraksi dari sel satuan dalam arah tekanan. Bila hanya ada deformasi elastik, regangan akan sebanding dengan tegangan. Perbandingan antara tegangan dan regangan disebut modulus elastisitas (modulus young) dan merupakan karakteristik suatu logam tertentu. Makin besar gaya tarik menarik antar logam, makin tinggi pula modulus elastisitasnya.



3. Fenomena yang terjadi saat proses cold working misalnya pada pengerolan Pengerolan melalui cold working adalah suatu proses pengerolan yang dilakukan dibawah temperatur rekristalisasi. Pengerolan ini dipergunakan untuk menghasilkan produk yang memiliki kualitas permukaan akhir yang baik. Pengerasan regangan yang diperoleh dari reduksi dingin dapat meningkatkan kekuatan. Material yang diproses dengan pengerolan pada suhu di bawah suhu rekristalisasi dikatakan telah mengalamipengerjaan dingin. Material pada umumnya mengalami pengerjaan dingin pada temperatur kamar, meskipun perlakuan tersebut mengakibatkan kenaikan suhu. Pengerolan dingin dapat mengakibatkan distorsi pada butir dan meningkatkan kekuatan dan kekerasan, memperbaiki kemampuan pemesinan, meningkatkan ketelitian dimensi serta menghaluskan permukaan logam. Sewaktu material mengalami pengerolan dingin terjadi perubahan yang mencolok pada struktur butir seperti perpecahan butir dan pergeseran atom-atom. Dapat disimpulkan fenomena dalam Cold working adalah pengerjaan benda atau material pada temperatur kamar (temperatur di bawah suhu rekristalisasi). Hal ini menyebabkan terjadinya perubahan struktur kristal akibat penekanan, penempaan, pengerolan , dan proses cold working lain, yang mana hal itu dapat menyebabkan perubahan struktur butiran logam, sehingga butir logam akan mengalami perpecahan atau perpecahan butiran. Perubahan butir logam itu dapat meningkatkan kekuatan, kekerasan, dan regangan. Pengerjaan dingin (cold working ) ini dilakukan secara paksa pada benda atau material sehingga material tersebut mengalami (strain-hardening) . Pengerjaan dinggin (cold working) tidak akan merubah struktur mikro sehingga tidak akan mengalami perubahan karakteristik material.



4. Proses Rekristalisa dan Fenomena dalam rekristalisasi a. Proses kristalisasi Proses rekristalisasi adalah salah satu proses perlakuan panas yang melibatkan pengontrolan pertumbuhan butir baru dari butir yang telah mengalami deformasi plastis, karena memiliki energi yang tinggi akibat penumpukan dislokasi atau proses dimana butiran logam yang terdeformasi digantikan oleh butiran baru yang terdeformasi intinya tumbuh sampai butiran asli termasuk di dalamnya dimana terbentuknya struktur butiran baru itu melalui peertumbuhan inti akibat dipanaskan. Tujuan proses rekristalisasi adalah untuk mendapatkan sifat mekanik yang memiliki kekuatan dan keuletan tertentu sesuai dengan kebutuhan, setelah proses pengerjaan dingin. b. Fenomena pada proses rekristalisasi



Proses rekristalisasi bukanlah proses yang mudah



. Tujuan proses



rekristalisasi adalah untuk mendapatkan sifat mekanik yang memiliki kekuatan



dan keuletan tertentu sesuai dengan kebutuhan, setelah proses pengerjaan dingin. Dalam proses rekristalisasi terdiri dari beberapa tahap, dimana tahaptahap tersebut ada yang bisa di amati dan ada tahap yang tidak bisa di amati secara langsung. Terdapat tahap antara yang tidak dapat diamati dengan



mikroskop optik. Pada tahap ini rangkaian dislokasi membentuk batas butir bersudut kecil, dan disebut tahap pemulihan. Meskipun sifat mekanik hampir tak berubah, tetapi terjadi pengaturan kembali struktur pada skala atom, mendahului perubahan struktur mikro di atas.



Gambar 4.2: Perubahan struktur mikro dan sifat mekanik logam Terdeformasi selama proses rekristalisasi



Temperatur rekristalisasi biasanya sekitar 0.4 – 0.6 T m . Proses rekristalisasi bergantung pada waktu dan temperatur, biasanya dipilih suhu sekitar 0.6 Tm agar proses berlangsung lebih cepat. Pengerjaan mekanik mempunyai efek yang sangat berbeda bila dilakukan di atas atau di bawah daerah rekristalisasi. Bila di bawah suhu rekristalisasi, struktur yang dihasilkan terdistorsi, mengandung energi, dan disebut struktur pengerjaan dingin. Bila deformasi dilakukan di atas suhu rekristalisasi, struktur yang dihasilkan lebih lunak, mempunyai sifat mekanik yang sama dengan logam awal, dan disebut struktur pengerjaan panas. Perlu dicatat bahwa istilah "panas" atau "dingin" berkaitan suhu kerja yang dihubungkan dengan 0.6 Tm atau suhu rekristalisasi. Rekristalisasi logam pengerjaan dingin belum tentu menghasilkan produk akhir yang stabil. Bila logam dipanaskan terus setelah proses rekristalisasi berakhir, butir yang besar akan "memakan" butir yang kecil sehingga batas butir keseluruhan sistem berkurang. Dengan pengerjaan dingin sebesar 2 – 5 % diperoleh beberapa daerah berenergi regangan tinggi, yang kemudian menjadi inti.