Makalah TEKBAN [PDF]

Citation preview

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Logam adalah salah satu material yang banyak digunakan di dalam dunia industri, seiring perkembangan zaman dan ilmu pengetahuan saat ini menuntut tersedianya suatu material yang memiliki kualitas yang tinggi. Sebelumnya dijelaskan bahwa material bahan logam mengalami dua macam deformasi yaitu deformasi elastis dan deformasi plastik. Deformasi plastic bersifat permanen dan kekuatan serta kekerasan merupakan ukuran ketahanan bahan terhadap deformasi. Pada skala mikroskopis, deformasi plastic sesuai dengan gerak perpindahan molekul sejumlah atom dalam menanggapi tegangan yang diterapkan. Selama proses ini ikatan antar atom harus dilepaskan dan kemudian dibentuk kembali. Dalam padatan kristalin, deformasi plastic sering melibatkan gerakan dislokasi dan mekanisme penguatan. Mekanisme pengutan pada material logam merupakan hubungan antara pergerakan dislokasi dan sifat mekanik dari logam. Kemampuan suatru material logam untuk diubas secara plastis tergantung pada kemampuan dislokasi untuk dapat bergerak. Dengan mengurangi pergerakan dislokasi, kekuatan mekanik dapat ditingkatkan, diumana disebabkan energy mekanik yang dibutuhkan untuk membuat deformasi plastis akan semakin besar. Sebaliknya, apabila pergerakan dislokasi tidak ada yang menahan , logam akan lebih mudah untuk terdefornasi.Dalam ilmu material, Dislokasi adalah kristalografi cacat atau ketidakteratura dalam struktur Kristal. Oleh sebab itu, Pada makalah ini membahas karakteristik dislokasi dan keterlibatannya dalam deformasi plastic serta membahas tentang mekanisme penguatan logam



1



1.2 Rumusan Masalah. Berikut ini adalah rumusan masalah pada penelitian yang kami lakukan : 1. Bagaimana Karakteristik dari dislokasi ? 2. Apa itu Pergerakan dislokasi tepid an dislokasi Scrup ? 3. Bagaimana deformasi plastik terjadi pada pergerakan dislokasi tepi dan scrup ? 4. Apa itu sistem slip ? 5. Bagaimana struktur butiran dari suatu logam pada saat deformasi plastik ? 6. Apa itu Pemulihan, rekristalisasi dan pertumbuhan butiran ? 7. Bagaimana terjadinya mekanisme penguatan logam ?



1.3 Tujuan penelitian Adapun tujuan dari makalah ini yaitu sebagai berikut : 1. Mengetahui karakteristik dari dislokasi 2. Memahami tentang jenis dislokasi sisi dan skrup dari sebuah prespektif atom 3. Mengenal serta mendeskripsikan deformasi plastik terjadi pada pergerakan dislokasi sisi dan skrup dalam menanggapi tegangan geser yang diterapkan. 4. Mengenal serta mendeskripsikan sistem slip 5. Mendeskripsikan struktur butiran dari suatu logam Kristal ketika kristalin diubah secara deformasi plastic 6. Memahami tentang pemulihan, rekristalisasi dan pertumbuhan butiran 7. Mengetahui tentang mekanisme penguatan logam



2



BAB II LANDASAN TEORITIS 2.1 Dislokasi dan Deformasi Plastis Pada materi ini kita belajar tentang teori kekuatan kristal sempurna, yang berkali-kali lebih besar dari yang sebenarnya. Selama tahun 1930 berteori bahwa perbedaan dalam kekuatan mekanik dapat dijelaskan oleh jenis cacat pada krital yang kemudian dikenal sebagai dislokasi. Tidak sampai pada tahun 1950-an , bagaimanapun juga, dislokasi merupakan keberadaan cacat, yang ditelah diamati langsung dengan mikroskop electron . dari dulu, teori dislokasi telah berkembang dimana teori tersebut menjelaskan banyak fenomena fisik dan mekanik dalam logam( contohnya keramik). 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) terjhadi peningkatan dislokasi di dalam kristal logam sehingga kekuatan logam meningkat, namun keuletan menurun. Ada dua tipe utama: dislokasi tepi, dislokasi ulir, dan dislokasi campuran. 2.2 Dasar Konsep Tepi dan skrup merupakan dua jenis dasar dari dislokasi. Pada dislokasi tepi, distorsi kisi terlokalisasi ada disepanjang



ujung



dari



setengah putaran atom, yang juga mendefenisikan garis dislokasi Dislokasi sekrup dapat dianggap akibat dari distorsi geser; garis dislokasi melewati pusat spiral , bidang ramp atomBanyak dislokasi dalam bahan Kristal memiliki komponen dan sekrup ujung; ini disebut dislokasi campuran.



3



Deformasi plastik sama dengan gerakan sejumlah besar dislokasi. Dislokasi sisi bergerak sebagai respon terhadap tegangan geser yang diterapkan dalam arah yang tegak lurus terhadap garisnya. Mekanisme gerak dislokasi ditunjukan pada gambar 2.1 . biarkan setengah bagian ekstra awal atom menjadi bidang A. ketika tegangan geser diterapkan sebagaimana ditunjukan (gambar 2.1a); bidang Adipaksa kekanan. Kemudian dorong bagian atas B,C, D dan seterusnya kearah yang sama. Jika tegangan geser yang diterapkan cukup besar, ikatan interatomik bidang B akan terputus sepanjang bidang geser dan setengah bagian atas bidang B menjadi setengah bidang tambahan ketika bidang A menghubungkan dengan bagian bawah bidang B (Gambar 2.1b). Kemudian prosesnya diulang untuk bidang lain, seperti setengah pesawat tambahan, dengan langkah-langkah terpisah, bergerak dari kiri ke kanan dengan pemecahan beruntun dan berulang dari ikatan dan bergeser oleh jarak antar bagian atas setengah bidang. Sebelum dan sesudah gerakan dislokasi melalui beberapa wilayah tertentu dari kristal . Susunan atom diatur dan disempurnakan. Itu hanya selama perjalanan ekstra setngah bidang yang struktur kii terganggu. Akhirnya, setengah bidang ekstra ini dapat muncul dari permukaan kanan Kristal, membentuk tepi yang berjarak satu jarak atom; ini ditunjukan pada Gambar 2.1 C. Proses deformasi plastis yang dihasilkan oleh gerakan dislokasi disebut slip ; bidang kristalografi sepanjang garis dislokasi melintasi bidang slip, ini ditunjukan pada Gambar 2.1. Deformasi plastis secara mikroskopis sama dengan deformasi permanen yang dihasilkan dari pergerakan dislokasi, atau tergelincir, sebagai respons terhadap tegangan geser yang diterapkan , sebagaimana ditunjukan pada Gambar 2. 2a. Gerakan dislokasi dapat dianalogikan dengan gerakan mode gerak yang digunakan oleh ulat ( Gambar 2.3). Ulat membentuk punuk dekat dengan ujung posterior dengan menarik sepasang kaki terakhir dengan jarak setiap unit sebanyak satu kaki. Punuk didorong kedepan dengan



4



pengangkatan berulang dan pergeseran pasangan kaki. Ketika punuk mencapai ujung anterior yang dimiliki oleh seluruh ulat.



Gambar 2.1 Pengaturan ulang atom yang disertai gerakan dislokasi tepi saat bergerak sebagai repon terhadap tegangan geser yang diterapkan. (a) setengah ekstra bidang atom diberi label A. (b) dislokasi memindahkan satu jarak atom kekanan ketika A menghubungkan ke bagian bawah bidang B; dalam prosesnya, bagian atas B menjadi setengah bidang tambahan. (c) sebuah langkah terbentuk dipermukaan Kristal sebagai setengah bidang tambahan yang keluar.



Gambar 2.2 Pembentukan langkah dipermukaan Kristal dengan gerakan. (a)dislokasi sisi. (b)dislokasi ulir.



Perhatikan bahwa untuk sisi , garis dislokasi bergerak ke arah tegangan geser yang diterapkan t ; untuk sekrup, gerakan garis dislokasi tegak lurus terhadap arah tegangan geser. Bergerak maju dengan jarak pemisahan kaki.



5



Punuk ulat dan gerakannya sesuai dengan ekstra setengah bidang atom dalam model dislokasi deformasi plastis. Gerakan dislokasi ulir sebagai respon terhadap tegangan geser sebagaimana ditunjukan pada Gambar 2.2b; arah gerakan tegak lurus terhadap arah tegangan . Untuk sisi, gerakan sejajar dengan tegangan geser. Namun, deformasi plastis bersih untuk gerakan kedua jenis dislokasi ini adalah sama (lihat Gambar 2.2) Arah gerakan garis dislokasi campuran tidak tegak lurus atau sejajar dengan stress yang diterapkan , tetapi terletak disuatu tempat diantara keduanya. Semua logam paduan mengandung beberapa dislokasi yang diperkenalkan selama pembekuan, selama deformasi plastis dan sebagai konsekuensi dari tekanan termal yang dihasilkan dari pendinginan cepat. Jumlah dislokasi, atau kerapatan dislokasi dalam material, dinyatakan sebagai panjang dislokasi total per satuan volume atau ekuivalen , jumlah dislokasi yang memotong area unit dari bagian acak satuan kerapatan dislokasi adalah millimeter dislokasi per kubik millimeter atau hanya per millimeter persegi. Kepadatan dislokasi paling rendah yaitu sebesar 10 3 mm2 biasanya ditemukan pada Kristal-kristal logam yang dipadatkan secara hati-hati. Untuk logam yang mengalami deformasi berat, kerapatannya dapat mencapai setinggi 109 hingga 1010 mm2. Perlakuan pemanasan pada specimen logam cacat dapat mengurangi kepadatan untuk pada ukuran 105106 mm2. Dengan cara kontras , kerapatan dislokasi yang khas untuk bahan keramik adalah 102 dan 104; untuk Kristal tunggal pada silikon yang digunakan dalam sirkuit terpadu, Standar nilainya terletak antara 0,1 dan 1 mm2



6



Gambar 2.3 Analogi antara gerak caterpillar dan dislokasi



2.3 Karakteristik Dislokasi Beberapa karakteristik dari dislokasi berkaitan dengan sifat mekanik dari logam. Ini termasuk tegangan pada bidang yang ada di sekitar dislokasi, yang berpengaruh dalam menentukan mobilitas dislokasi, serta kemampuan mereka untuk berlipat ganda. Ketika logam mengalami deformasi plastik , beberapa fraksi dari energy deformasi yaitu sekitar 5% dipertahankan secara internal; sisanya didisipasi sebagai panas. Bagian utama dari energy yang disimpan ini adalah



sebagai



strain



energy



yang



terkait



dengan



dislokasi.



Mempertimbangkan sisi dislokasi dapat dilihat pada Gambar 2.4. seperti telah disebutkan, beberapa distorsi kisi atom ada disekitar garis dislokasi karena adanya ekstra setengah bidang atom. Sebagai akibatnya, ada daerah dimana regangan kisi ditekan, tarik, dan geser yang dikenakan pada atom tetangga. Sebagai contoh, atom-atom diatas dan bersebelahan dengan garis regangan tekan relative terhadap posisi kristl sempurna dan jauh dari dislokasi; ini diilustrasikan pada Gambar 2.4 . Tepat di bawah setengah bidang, efeknya justru sebaliknya; atom kisi mempertahankan regangan tarik yang dikenakan, yang ditunjukan. Regangan geser juga ada disekitar dislokasi sisi. Untuk dislokasi ulir, regangan kisi hanya berupa geseran saja. Distorsi kisi ini, dapat berupa regangan bidang yang memancar dari garis dislokasi.



7



Regangan meluas ke atom sekitarnya, dan besarnya menurun dengan jarak radial dari dislokasi. Regangan bidang yang mengelilingi dislokasi dalam jarak terdekat satu sama lain dapat berinteraksi sehingga gaya-gaya dikenakan pada setiap dislokasi oleh interaksi gabugan dari semua dislokasi bidang lain. Sebagai contoh perhatikan dua dislokasi sisi yang memiliki tanda yang sama dan bidang slip yang identic, seperti yang ditunjukan pada Gambar 2.5.a. Bidang regangan tekan dan tarik untuk keduanya terletak pda sisi yang sama dari bidang slip; interaksi antar bidang regangan menyebabkan ada antara dua dislokasi yang terisolasi ini, gayanya saling tolak yang cenderung memisahkan mereka. Namun, dua dislokasi ini memili tanda berlawanan dan memiliki bidang slip yang sama sama tertarik satu sama lain, seperti yang ditunjukan pada Gambar 2.5b; Penghancuran dislokasi terjadi ketika mereka bertemu. Artinya, dua setengah bagian ekstra atom menyatu dan menjadi bidang yang lengkap. Interaksi dislokasi dimungkinkan antara dislokasi sisi, sekrup dan campuran, serta untuk berbagai orientasi. Bidang saring dan gaya ini terkait penting dalam mekanisme penguatan logam. Selama deformasi plastik, jumlah dislokasi meningkat secara dramatis. Kepadatan dislokasi dalam logam yang telah mengalami deformasi tinggi yaitu setinggi 1010 mm2. Satu hal yang penting dari dislokasi



ini adalah dislokasi yang ada, yang berlipat ganda ;



Selanjutnya, batas butir, serta cacat internal dan ketidakteraturan permukaan seperti goresan dan goresan, yang bertindak sebagai konsentrasi tegangan, dapat berfungsi sebagai lokasi pembentukan dislokasi selama deformasi.



8



Gambar 2.4 Wilayah kompresi (hitam) dan tegangan( merah muda) yang terletak disekitar dislokasi sisi



Gambar 2.5 (a) dua sisi dislokasi dengan arah yang sama berbaring pada bidang slip, C dan T menandakan wilayah kompresi dan tegangan (b) sisi dislokasi berlawanan arah dan berbaring pada bidang slip.



2.4 Sistem Slip Dislokasi tidak bergerak dengan tingkat kemudahan yang sama pada semua bidang kristalografi atom dan disegala arah kristalografi. Pada



9



umumnya ada bidang yang lebih banyak dijumpai, dan didalam bidang tersebut ada arah tertentu sepanjang gerakan dislokasi terjadi. Bidang ini disebut bidang slip, Ini berarti bahwa arah gerakan itu juga disebut arah slip. Kombinasi dari bidang slip dan arah slip disebut system slip. Faktor yang mempengaruhi system slip yaitu pada distorsi atom yang menyertai gerakan dislokasi, namun ini sangat minimum dijumai. Untuk Struktur Kristal tertentu, bidang slip adalah bidang yang memiliki atom terpadat, yaitu memiliki kerapatan planar terbesar. Arah slip sesuai dengan arah bidang ini yang paling erat dengan atom, yaitu memiliki kerapatan linear tertinggi. Pertimbangkan misalnya , struktur Kristal FCC, sel satuan yang ditunjukan pada gambar 2.6a. Ada satu set bidang ,kelompok {111}, dimana bidangnya sangat padat. A(111) jenis bidang ditunjukan dalam sel satuan; pada gambar 2.6b, Bidang ini termasuk dalam sel satuan.



Gambar 2.6 (a) pada {111} {110} sitem slip ditunjukan sebuah FCC sel (b) pada {111} bidan dari a dan tiga arah slip pada {110} pada bidang konsituen di system slip



10



Tabel 2.1 Sistem slip pada FCC, BCC, HCP



Logam



Bidang Slip



Slip



Nilai



Direksi



dari system slip



Face-Centered Cubic Cu, Al, Ni,



{111}



12



Ag, Au Body-Centered Cubic ∝ −𝐹𝑒, 𝑊, 𝑀𝑜



{110}



12



∝ −𝐹𝑒, 𝑊



{211}



12



∝ −𝐹𝑒, 𝐾



{321}



24



{0001}



3



Ti, Mg, Zr



{1010}



3



Ti, Mg



{1011}



6



HeksagonalCentered Cubic Cd, Zn, Mg, Ti, Be



Slip terjadi sepanjang {110} sampai {111} bidang, seperti yang ditunjukkan oleh panah pada Gambar 2.6 . Oleh karena itu,pada bidang {111} {110} mewakili kombinasi bidang dan arah slip, atau sistem slip untuk FCC. Gambar 2.6b menunjukkan bahwa suatu bidang slip yang diberikan dapat mengandung lebih dari satu arah slip. Namun, ada beberapa system slip hanya teruntuk Kristal tertentu; Jumlah system slipnya indenpenden. Misalnya, untuk kubik yang berpusat pada wajah, ada 12 sistem slip: empat bidang {111} yang indenpenden dan, dalam setiap bidang, tiga arah {110} yang independen.



11



Sistem slip BCC dan HCP tercantum pada table 2.1, untuk masingasing struktur ini, slip lebih dari satu kelompok bidang (misalnya {110} , {211} ) Untuk logam-logam yang memilki dua struktur Kristal, maka system slip hanya beroperasi pada suhu tinggi. Logam dengan struktur FCC dan BCC memiliki jumlah system slip yang relative besar. Logam ini cukup getas karena deformasi plastik yang luas biasanya dimungkinkan di sepanjang berbagai sistem. Sebaliknya, logam HCP, memiliki beberapa sistem slip aktif, biasanya cukup rapuh. Vektor Burgers, b, masing-masing diperkenalkan pada Bagian 4.5, dan ditunjukkan untuk sisi, sekrup, dan campuran dislokasi pada Gambar 4.4, 4.5, dan 4.6. pada proses slip, arah vektor Burgers sesuai dengan arah slip dislokasi, sedangkan besarnya sama dengan jarak slip unit (atau pemisahan interatomik dalam arah ini). Tentu saja, baik arah dan besarnya b bergantung pada struktur kristal, dan lebih mudah untuk menentukan vektor Burgers dalam hal panjang sel satuan (a) dan indeks arah kristalografi. Vektor Burgers untuk kubik yang berpusat pada wajah, kubus berpusat badan, dan struktur kristal tertutup heksagonal adalah sebagai berikut:



b(FCC) = b(BCC) = b(HCP) =



𝑎 2 𝑎 2 𝑎 3



〈110〉 〈111〉



〈1120〉



12



2.5 Slip dalam Kristal Tunggal Walaupun tegangan yang diberikan ke bahan murni tegangan tarik (atau tekan), komponen geser tetap timbul tetapi tegak lurus terhadap arah tegangan. Hal ini disebut tegangan geser putus (resolved shear stress).



Gambar 2.7 Hubungan geometri tensile axis, bidang slip, dan arah slip untuk menghitung tegangan geser pada Kristal tunggal



Tegangan geser ini bergantung pada tegangan yang diberikan, dan orientasi bidang slip serta arah slip.Pada logam kristal tunggal mempunyai sejumlah sistem slip yang berbeda. Tegangan geser putus besarnya akan berbeda pada setiap sistem slip karena besar f dan l juga berbeda. Tapi ada satu bidang yang lebih 𝜏𝑅(max) =𝜏(𝑐𝑜𝑠𝜙 𝑐𝑜𝑠𝜆 )𝑚𝑎𝑥



disukai untuk terjadinya slip, biasanya pada bidang yang t r paling besar atau disebut juga tr(max). Karena tegangan tarik atau tekan maka slip pada kristal tunggal dimulai pada bidang yang mempunyai tr ( max ) .Tegangan geser putus kritis, tCRSS Adalah minimum tegangan geser yang



13



diperlukan untuk mulai terjadinya slip. Pada sifat mekanik material titik dimana luluh mulai terjadi. Titik luluh terjadi bila tR( max) =tCRSS 𝜎𝑦 =



𝜏𝑐𝑟𝑠𝑠 (𝑐𝑜𝑠𝜙 𝑐𝑜𝑠𝜆)𝑚𝑎𝑥



Minimum tegangan untuk terjadinya luluh adalah jika l = f = 45° sehingga, tY = 2 tCRSS



Gambar 2.8 Slip makroskopis pada



Gambar 2.9 Slip pada Kristal tunggal zink



Kristal tunggal



CONTOH SOAL 2.1 Kristal BCC tunggal berorientasi pada besi sehingga tegangan tarik diterapkan di sepanjang arah [010]. a) Hitung tegangan geser yang diselesaikan sepanjang (110) bidang dan dalam arah [111] ketika tegangan tarik 52 MPa (7500 psi) diterapkan.



14



b) Jika slip terjadi pada bidang (110) dan dalam arah [111], dan tegangan geser yang diselesaikan kritis adalah 30 MPa (4350 psi), hitung besarnya tegangan tarik yang diterapkan yang diperlukan untuk menghitung nilai yield Jawaban



:



a) Sebuah sel satuan BCC bersama dengan arah slip dan bidang serta arah tegangan yang diterapkan ditunjukkan dalam diagram tersebut. Untuk mengatasi masalah ini, kita harus menggunakan Persamaan 2.2. Namun, pertama-tama perlu untuk menentukan nilai untuk f dan l, di mana, dari diagram ini, f adalah sudut antara normal dengan (110) bidang slip (yaitu, arah [110]) dan arah [010], dan saya mewakili sudut antara arah [111] dan [010]. Secara umum, untuk sel satuan kubik, sudut u antara arah 1 dan 2, diwakili oleh [u1y1w1] dan [u2y2w2], masing-masing,



dapat



dihitung dengan : 𝑢1 𝑢2 + 𝑣1 𝑣1 + 𝑤1 𝑤2 𝜃 = 𝑐𝑜𝑠 −1 [ ] √(𝑢1 2 + 𝑣1 2 + 𝑤11 )(𝑢2 2 + 𝑣2 2 + 𝑤2 2 ) 𝑑𝑎𝑟𝑖 𝑟𝑢𝑚𝑢𝑠 𝑑𝑖𝑎𝑡𝑎𝑠 𝑘𝑖𝑡𝑎 𝑑𝑎𝑝𝑎𝑡 𝑚𝑒𝑛𝑐𝑎𝑟𝑖 𝑛𝑖𝑙𝑎𝑖 𝜙 𝜙 = 𝑐𝑜𝑠 −1 [



(1)(0) + (1)(1) + (0)(0)



]



√[(1)2 + (1)2 + (0)2 ][(1)2 + (1)2 + (0)2 ] 1 = 𝑐𝑜𝑠 −1 ( ) = 45° √2



𝑢𝑛𝑡𝑢𝑘 𝑚𝑒𝑛𝑐𝑎𝑟𝑖 𝜆 𝑘𝑖𝑡𝑎 𝑚𝑒𝑚𝑎𝑘𝑎𝑖 [𝑢1 𝑣1 𝑤1 ] = [111] 𝑑𝑎𝑛 [𝑢2 𝑣2 𝑤2 ][010] (−1)(0) + (1)(1) + (0)(0) 𝜆 = 𝑐𝑜𝑠 −1 [ ] √[(−1)2 + (1)2 + (1)2 ][(0)2 + (1)2 + (0)2 ] 15



1 = 𝑐𝑜𝑠 −1 ( ) = 54.7° √3 𝑑𝑎𝑟𝑖 𝑝𝑒𝑟𝑠𝑎𝑚𝑎𝑎𝑛 2.2 𝑠𝑒ℎ𝑖𝑛𝑔𝑔𝑎 ∶ 𝜏𝑅 = 𝜎𝑐𝑜𝑠𝜙𝑐𝑜𝑠𝜆 = (52 𝑀𝑝𝑎)(cos 45°)(cos 54.7°) 1 1 = (52𝑀𝑝𝑎) ( ) ( ) √2 √3 = 21.3 𝑀𝑝𝑎 (3060 𝑝𝑠𝑖)



b) Untuk mencari yield strength yaitu sebagai berikut : 𝜎𝑦 =



30 𝑀𝑝𝑎 = 73.54 𝑀𝑝𝑎 (10,600𝑝𝑠𝑖) (cos 45°)(cos 54.7°)



2.6 Deformasi Plastik dari Bahan Polikristalin Deformasi dan slip dalam bahan polikristalin agak lebih kompleks. Karena orientasi kristalografi acak dari banyak butiran, arah slipnya bervariasi dari satu butir ke butir lainnya. Untuk masing-masing, gerakan dislokasi terjadi di sepanjang sistem slip yang memiliki orientasi paling menguntungkan, seperti yang didefinisikan sebelumnya. Hal ini dicontohkan dengan fotomikrograf dari spesimen tembaga polikristalin yang telah mengalami deformasi plastik (Gambar 2.10); sebelum deformasi, permukaannya dipoles. Garis-garis slip terlihat dan muncul dua sistem slip yang dioperasikan untuk sebagian besar butiran sebagaimana dibuktikan oleh dua set garis paralel namun berpotongan. Selanjutnya, variasi orientasi butiran ditunjukkan oleh perbedaan dalam penyelarasan garis slip untuk beberapa butiran. Deformasi plastik kasar dari spesimen polikristalin sesuai dengan distorsi sebanding dari butiran dengan cara slip. Selama deformasi, integritas mekanik dan koherensi dipertahankan sepanjang batas butiran



yang biasanya tidak



terurai atau terbuka. Sebagai konsekuensinya, setiap butiran yang terkendala 16



sampai taraf tertentu dalam bentuk yang dapat diasumsikan oleh butiran yang berdekatan.



Gambar 2.10 Garis slip pada permukaan specimen polikristalin tembaga



yang



dipoles



dan



kemudian berubah bentuk



Logam polikristalin lebih kuat daripada kristal tunggal, yang berarti bahwa tekanan yang lebih besar diperlukan untuk memulai slip dan attendant yielding. Ini adalah untuk tingkat yang lebih besar dan juga merupakan hasil dari kendala geometrik yang dikenakan pada butiran selama deformasi. Meskipun butiran tunggal dapat berorientasi baik dengan tegangan yang diterapkan untuk slip, hal itu tidak dapat merusak(terdeformasi) sampai butiran yang berorientasi kurang baik mampu melakukan slip dan juga membutuhkan tingkat tegangan yang diterapkan lebih tinggi.



17



Gambar 2.11 Perubahan struktur butiran dari logam polikristalin sebagai akibat dari deformasi plastis. (a) Sebelum deformasi butiran adalah equiaxed, (b) Deformasi telah menghasilkan butiran yang memanjang.



Gambar 2.12



Skema diagram yang menunjukkan bagaimana hasil dari campuran dari tegangan geser yang diterapkan. Pada (b) lingkaran terbuka mewakili atom yang tidak berubah posisi, garis putus-putus dan lingkaran padatan mewakili posisi atom asli dan terakhir masing-masing



2.7 Deformasi Campuran Selain slip, deformasi plastik pada beberapa material logam dapat terjadi dengan pembentukan campuran mekanik. Konsep campuran di jelaskan di Buku Calister bab 4 bagian 4.6 yaitu, gaya geser dapat menghasilkan perpindahan atom sehingga menjadi sisi bidang (batas campuran), atom berada pada sisi bayangan atom lainnya. Berbagai macamnya ditunjukkan



18



pada gambar 2.12. Dimana lingkaran terbuka mewakili atom yang tidak bergerak dan putus-putus, sedangkan lingkaran padat/tertutup mewakili posisi dari masing-masing atom dalam campuran. Seperti yang ditunjukkan pada gambar, besarnya perpindahan dalam campuran ( yang ditunjukkan oleh panah ) sebanding dengan jarak dari bidang campurannya. Selain itu, campuran terjadi pada bidang kristalografi pada arah tertentu tergantung pada struktur kristalnya. Misalnya, untuk logam BCC, bidang campuran, dan masingmasing arah deformasinya. Perbandingan deformasi slip dan campuran di tunjukkan pada gambar 2.13, untuk Kristal tunggal dikenakan tegangan geser t. slip tepi di tunjukkan pada gambar 2.13a, bentuknya di jelaskan pada bagian 2.5. untuk campuran, deformasi gesernya berbentuk homogeny (gambar 2.13b). kedua proses ini berbeda satu sama lain dalam beberapa hal. Pertama untuk slip, orientasi kristalografi bidang slip berada pada bawah dan atas bidangnya baik sebelum atau sesudah deformasi; untuk campuran, ada reorientasi di bidang campurannya. Selain itu, slip terjadi dalam jarak atom yang berbeda-beda, sedangkan perpindahan atom untuk campuran lebih rendah dibanding dengan pemisahan antar atom. Campuran mekanik terjadi pada logam yang memiliki struktur kristal BCC dan HCP, pada suhu rendah dan tingkat laju tinggi, kondisi bawah dimana proses slip dibatasi yakni, beberapa sistem slip yang dapat di operasikan. Jumlah deformasi plastic dari campuran biasanya relative kecil, untuk itu digunakanlah sistem slip. Namun, campuran yang paling penting terletak pada reorientasi kristalografi. Campuran bisa menjadi bidang baru untuk sistem slip yang relatif menguntungkan terhadap sumbu tegangan sehingga proses slip bisa terjadi pada bidang tersebut.



19



Gambar 2.13 untuk Kristal tunggal yang mengalami tegangan geser, (a)deformasi system slip, (b) deformasi campuran



Mekanisme Penguatan Logam Insinyur metalurgi dan material sering digunakan untuk merancang paduan yang memiliki kekuatan yang tinggi namun dengan keuletan dan ketangguhannya juga, biasanya keuletan dikorbankan ketika paduan diperkuat. Beberapa teknik pengerasan dari penyelesaian seorang insinyur sering bergantung pada kapasitas bahan yang akan disesuaikan dengan karakteristik mekanis yang di perlukan untuk aplikasi tertentu. Penting untuk memahami dari mekanisme penguatan adalah hubungan antara gerakan dislokasi dan perilaku mekanik logam. Karena deformasi plastik secara makroskopik sesuai dengan gerakan sejumlah besar dislokasi, kemampuan logam untuk merusak bentuk (cacat) secara plastis bergantung pada kemampuan dari dislokasi untuk bergerak. Karena kekerasan dan kekuatan (baik hasil maupun daya tarik) berkaitan dengan kemudahan deformasi plastik dapat terjadi dengan mengurangi mobilitas dislokasi, kekuatan mekanik dapat ditingkatkan yaitu dengan kekuatan mekanis yang



20



lebih besar diperlukan untuk memulai deformasi plastis. Sebaliknya, gerakan dislokasi yang tidak terbatas, semakin besar fasilitas yang dapat merusak logam dan menjadi lebih lunak dan lebih lemah. Hampir semua teknik penguatan bergantung pada prinsip sederhana ini; Membatasi dan menghalangi gerakan dislokasi membuat materi (bahan) menjadi lebih keras dan lebih kuat.



2.8 Penguatan dengan Pengurangan Ukuran Butiran (Reduce Grain Size) Ukuran butiran atau diameter butiran rata-rata dalam logam polikristal mempengaruhi sifat mekanik. Butiran yang berdekatan biasanya memiliki orientasi kristalografi yang berbeda dan tentu saja batas umum butiran, seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.14. Selama deformasi plastik, slip atau gerakan dislokasi harus terjadi di seluruh daerah batas umum ini, dikatakan dari butiran A ke butiran B pada gambar 2.14. Batas butiran bertindak sebagai penghalang untuk gerakan dislokasi karena dua alasan: 1. Karena kedua butiran memiliki orientasi yang berbeda, dislokasi yang diteruskan ke butiran B harus mengubah arah geraknya, hal ini menjadi sulit karena misorientasi kristalografi meningkat. 2. Gangguan atom dalam wilayah batas butir menghasilkan diskontinuitas bidang slip dari satu butiran ke butiran lainnya Harus disebutkan bahwa untuk batas butiran sudut tinggi, mungkin tidak menjadi kasus bahwa dislokasi melintasi batas butiran selama deformasi, dislokasi cenderung “menumpuk” (atau kembali) pada batas butiran. Tumpukan ini memperkenalkan konsentrasi regangan di depan bidang slip (slip planes) mereka yang menghasilkan dislokasi baru pada butiran yang berdekatan.



21



Gambar 2.14 Gerakan dislokasi menemukan batas butiran, menggambarkan bagaimana batas bertindak sebagai penghalang untuk terus terjadi slip. Bidang slip (slip planes) tidak terputus dan mengubah arah melintasi batas.



Bahan yang berbutir halus (yang memiliki butiran halus) adalah area batas butir yang lebih keras untuk menghambat gerakan dislokasi. Untuk bahan lainnya, kekuatan luluh σy bervariasi dengan ukuran butiran menurut :



σy = σ0 + kyd-1/2 Pada persamaan diatas, disebut persamaan Hall-Petch, d adalah diameter butiran rata-rata, σ0 dan ky adalah konstanta untuk bahan tertentu. Persamaan tersebut tidak berlaku untuk butiran yang sangat besar (kasar) dan bahan polikristalin butiran yang sangat halus. Gambar 2.15 menunjukkan ketergantungan kekuatan luluh terhadap ukuran butiran untuk paduan kuningan. Ukuran butiran dapat diatur oleh laju pemadatan (solidifikasi) dari fase cair, dan juga oleh deformasi plastik dengan diikuti oleh perlakuan panas yang sesuai, seperti yang dibahas dalam Bagian 2.13.



22



Harus disebutkan juga bahwa pengurangan ukuran butiran tidak hanya meningkatkan kekuatan, tetapi juga ketangguhan dari banyak paduan lainnya.



Gambar 2.15 Pengaruh ukuran butiran paduan kekuatan luluh dari paduan tembaga 70 Cu-30 Zn. Perhatikan bahwa diameter butiran meningkat dari kanan ke kiri dan tidak linear



Batas butiran sudut kecil (Bagian 4.6) tidak efektif dalam mengganggu proses slip karena sedikit ketidaksejajaran kristalografi sedikit melintasi batas. Namun, batas campuran (Bagian 4.6) secara efektif memblokir slip dan meningkatkan kekuatan bahan. Batas antara dua fase yang berbeda juga merupakan hambatan untuk pergerakan dislokasi, hal ini penting dalam memperkuat paduan yang lebih kompleks. Ukuran dan bentuk fase konstituen secara signifikan mempengaruhi sifat mekanik dari paduan multifase. 2.9 Penguatan Solusi Padat (Solid-solution) Teknik lain untuk memperkuat dan mengeraskan logam adalah memadukan dengan atom pengotor yang masuk ke dalam solusi padatan substitusi atau interstisial. Dengan demikian, disebut dengan penguatan solusi padat. Logam dengan kemurnian tinggi hampir selalu lebih lunak dan lebih



23



lemah daripada paduan yang terdiri dari logam dasar yang sama. Meningkatkan konsentrasi hasil pengotor dalam peningkatan kekuatan luluh, sebagaimana di tunjukkan pada Gambar 2.16(a) dan 2.16(b), masing-masing untuk nikel dan tembaga. Ketergantungan keuletan pada konsentrasi nikel ditunjukkan pada Gambar 2.16(c).



Gambar 2.16 Variasi dengan nikel dari (a) kekuatan tarik, (b) kekuatan yield dan (c) keuletan (%EL) untuk paduan tembaga-nikel, menunjukkan penguatan.



Paduan lebih kuat dari logam murni karena atom pengotor yang masuk ke dalam solusi padat biasanya memaksakan regangan kisi pada atom utama di sekitarnya. Interaksi medan regangan kisi antara dislokasi dan atom pengotor dan karena itu gerakan dislokasi dibatasi. Sebagai contoh, sebuah atom hasil pengotor yang lebih kecil dari host atom yang menggantikannya menggunakan regangan tarik pada kisi kristal sekitarnya



24



seperti yang diilustrasikan pada Gambar 2.17(a). Sebaliknya, atom substitusi yang lebih besar memaksakan regangan kompresif disekitarnya (Gambar 2.17(a)). Atom terlarut ini cenderung berdifusi dan memisah sekitar dislokasi sedemikian rupa untuk mengurangi energi regangan keseluruhan untuk membatalkan beberapa regangan pada kisi-kisi yang mengelilingi dislokasi. Untuk mencapai hal ini, atom hasil pengotor yang lebih kecil terletak dimana regangan tariknya secara parsial membatalkan beberapa regangan tekan dislokasi. Untuk dislokasi tepi pada Gambar 2.17(b) ini, akan berdekatan dengan garis dislokasi dan diatas bidang slip. Sebuah atom hasil pengotor yang lebih besar akan terletak seperti pada Gambar 2.18(b).



Gambar 2.17 (a) Representasi dari regangan kisi tarik memaksakan pada host atom oleh atom pengotor substitusi yang lebih kecil (b) Kemungkinan lokasi dari atom pengotor yang lebih kecil relatif terhadap dislokasi tepi sehingga terjadi pembatalan parsial dari regangan kisi dislokasi pengotor



Gambar 2.18 (a) Representasi regangan tekan (kompresi) yang dikenakan pada host atom oleh substitusi (pengganti) atom pengotor yang lebih besar, (b) Kemungkinan lokasi



25



atom pengotor yang lebih besar relatif terhadap dislokasi tepi sehingga terjadi pembatalan parsial dari regangan kisi dislokasi pengotor



Resistensi terhadap slip lebih besar ketika atom hasil pengotor terbentuk karena regangan kisi keseluruhan harus meningkat jika dislokasi rusak. Selanjutnya, interaksi regangan kisi yang sama (Gambar 2.17b dan 2.18b) ada di antara atom pengotor dan dislokasi bergerak selama deformasi plastik. Dengan demikian, tegangan yang diterapkan lebih besar tidak diperlukan untuk inisiasi pertama dan kemudian dilanjutkan deformasi plastik untuk solusi padatan dibandingkan dengan logam murni, hal ini dibuktikan dengan peningkatan kekuatan dan kekerasan. 2.10



Pengerasan Regangan (Strain Hardening) Pengerasan regangan adalah fenomena dimana logam yang ulet menjadi lebih keras dan kuat karena cacat plastis (deformasi plastik). Kadang-kadang disebut juga perlakuan dingin, atau karena dimana suhu deformasi yang terjadi “dingin” relatif terhadap titik leleh mutlak dari logam. Sebagian logam mengeras pada suhu kamar. Kadang-kadang mudah untuk menyatakan derajat deformasi plastik sebagai persen perlakuan dingin (cold working) daripada sebagai regangan. Persen perlakuan dingin didefinisikan sebagai : 𝐴0 − 𝐴𝑑 %𝐶𝑊 = ( ) × 100 𝐴0 dimana A0 adalah area asli dari penampang yang mengalami deformasi dan Ad adalah area setelah deformasi. Gambar 2.19(a) dan 2.19(b) menunjukkan bagaimana baja, kuningan, dan tembaga terjadi peningkatan yield dan kekuatan tariknya dengan meningkatnya perlakuan dingin. Harga untuk peningkatan kekerasan dan kekuatan dalam keuletan logam ini ditunjukkan pada Gambar 2.19(c) dimana keuletan dalam persen pemanjangan mengalami



26



pengurangan dengan meningkatkan persen perlakuan dingin untuk tiga paduan yang sama. Pengaruh perlakuan dingin pada perilaku teganganregangan baja karbon rendah ditunjukkan pada Gambar 2.20, kurva tegangan-regangan diplot pada 0% CW, 4% CW dan 24% CW.



Gambar 2.19 Untuk 1040 baja, kuningan, dan tembaga; (a) Peningkatan kekuatan lulus, (b) Peningkatan kekuatan tarik, (c) Penurunan keuletan (%EL) dengan persen perlakuan dingin



27



Gambar 2.20 Pengaruh perlakuan dingin pada perilaku tegangan-regangan baja karbon rendah, kurva ditunjukkan untuk 0%CW, 4%CW, dan 24%CW



Awalnya, logam dengan kekuatan luluh σy0 akan berubah secara plastis menjadi titik D. Tegangan dilepaskan, kemudian diterapkan kembali dengan kekuatan yield yang baru dihasilkan (σyi). Dengan demikian, logam menjadi lebih kuat selama proses karena σyi lebih besar dari σy0. Fenomena pengerasan regangan dijelaskan atas dasar interaksi medan dislokasi-dislokasi regangan yang serupa dengan yang dibahas pada bagian 2.3. Densitas dislokasi dalam logam meningkat dengan deformasi atau perlakuan dingin karena penggandaan dislokasi atau pembentukan dislokasi baru seperti yang disebutkan sebelumnya. Akibatnya, jarak rata-rata pemisahan antara dislokasi berkurang, dislokasi diposisikan berdekatan. Rata-rata, interaksi regangan dislokasi-dislokasi bersifat repulsive. Hasil akhirnya adalah bahwa gerakan dislokasi terhalang oleh adanya dislokasi lain. Ketika densitas dislokasi meningkat, resistensi terhadap gerakan dislokasi ini oleh dislokasi lainnya menjadi



28



lebih jelas. Dengan demikian, tegangan yang diperlukan untuk merusak logam meningkat dengan meningkatnya perlakuan dingin. Pengerasan regangan sering digunakan secara komersial untuk meningkatkan sifat mekanis logam selama prosedur fabrikasi. Efek dari pengerasan regangan dapat dihilangkan dengan perlakuan panas annealing. Dalam sistem matematis yang berkaitan dengan tegangan dan regangan, parameter n disebut eksponen pengencang regangan, yang merupakan ukuran kemampuan logam untuk mengeras. Semakin besar besarnya, semakin besar pengerasan regangan untuk sejumlah regangan plastik.



Contoh Soal Kekuatan Tarik dan Keuletan untuk Perlakuan Dingin Tembaga Hitunglah kekuatan tarik dan keuletan (EL%) dari batang tembaga silindris sehingga diameternya berkurang dari 15,2 mm ke 12.2 mm. Jawaban : Pertama-tama perlu untuk menentukan persen perlakuan dingin yang dihasilkan dari deformasi. 15,2 𝑚𝑚 2 12,2 𝑚𝑚 2 ) 𝜋 − ( ) 𝜋 2 2 %𝐶𝑊 = × 100 = 35,6% 15,2 𝑚𝑚 2 ( ) 𝜋 2 (



Kekuatan tarik dapat dilihat dari kurva untuk tembaga (Gambar 2.19(b)) sebagai 340 MPa (50.000 psi). Gambar 2.19(c), keuletan di 35,6%CW adalah 7%EL.



Singkatnya, kita telah membahas tiga mekanisme yang dapat digunakan untuk memperkuat dan mengeraskan paduan logam fase tunggal, yaitu penguatan dengan pengurangan ukuran butir, penguatan solusi padat dan pengerasan regangan. Tentu saja semua mekanisme itu dapat digunakan secara bersama dengan satu sama lainnya, misalnya



29



paduan yang diperkuat dengan menggunakan penguatan solusi padat dapat juga menggunakan pengerasan regangan. Harus dicatat juga bahwa efek penguatan karena pengurangan ukuran butir dan pengerasan regangan dapat dihilangkan atau setidaknya dikurangi oleh perlakuan panas suhu tinggi (Bagian 2.12 dan 2.13). Sebaliknya, penguatan solusi padat tidak terpengaruh oleh perlakuan panas.



Recovery, rekristalisasi, and grain growth Seperti yang sudah di jelaskan sebelumnya dalam bab ini, deformasi plastis sebuah logam polikristalin pada suhu yang relative rendah di bandingkan dengan suhu lelehnya menghasilkan perubahan mikrostruktur dan perubahan karakteristik, yakni : (1)berubah bentuk menjadi butiran (bagian 2.6), (2)pengerasan pada regangan (bagian 2.10), (3)meningkatnya densitas dislokasi(bagian 2.3). Energi yang di keluarkan dari proses deformasi di simpan dalam logam sebagai energi regangan, yang berhubungan dengan gaya tarik, geser, dan tekan di sekitar gerak dislokasi yang terjadi. Selain itu, karakteristik



lainnya seperti



konduktivitas terhadap aliran listrik (buku Calister bab 18 bagian 18.8) dan ketahanan logam terhadap korosi dapat di modifikasi sebagai hasil dari deformasi plastik. Struktur dan karakteristik ini dapat kembali ke keadaan seperti awal dengan perlakuan panas yang tepat (perlakuan Annealing). Seperti hasil pemulihan dari dua proses yang berbeda yang dilakukan pada suhu tinggi : seperti recovery dan rekristalisasi yang terkadang ikuti oleh pertumbuhan butir (grain growth). 2.11



Recovery Selama proses pemulihan, energi dalam regangan yang tersimpan di lepaskan melalui gerak dislokasi (tanpa adanya tegangan yang di



30



berikan), sebagai hasil dari meningkatnya difusi dari atom pada suhu tinggi. Ada beberapa penurunan jumlah dari dislokasi, konfigurasi dari dislokasi(sama seperti



di buku Calister bab 4 gambar 4.9) yang di



hasilkan memiliki energi regangan yang relatif rendah. Selain itu, sifat fisik yang di miliki seperti konduktivitas termal dan listriknya kembali seperti keadan semula. 2.12



Rekristalisasi Meskipun recovery yang dilakukan telah selesai, butirannya masih memiliki energi regangan yang cukup tinggi. Rekristalisasi merupakan pembentukan butir yang baru tanpa regangan dan memiliki bentuk butir yang sama(memiliki dimensi yang sama) yang memiliki kerapatan dislokasi rendah dan karakteristik pada kondisi semula. Gaya yang diberikan merupakan perbedaan energi internal antara tegangan dan material yang tidak dibatasi. Butiran baru yang terbentuk menjadi sebagai ini yang ukurannya sangat kecil dan akan terus tumbuh sampai menggantikan material induknya, prosesnya melibatkan difusi dengan jarak yang pendek. Beberapa tahapan dari rekristalisai di tunjukkan pada gambar 2.21a – 2.21d; dalam fotomikrogaf yang di tunjukkan, butiran kecil bertintik merupakan hasil dari rekristalisasi. Dengan demikian, proses rekristalisasi logam yang dilakukan secara dingin (cold-work) dapat memperbaiki dari struktur butir. Dan juga, selama proses rekristalisasi sifat mekanik yang berubah sebagai akibat dari perlakuan dingin akan kembali seperti keadaan semula, dimana logam menjadi lunak dan lemah tetapi menjadi lebih getas. Beberapa perlakuan panas di rancang guna memungkinkan proses rekristalisasi terjadi sesuai dengan modifikasi sifat mekaniknya(buku calister bab 11 bagian 11.7). Panjanganya proses rekristalisasi tergantung pada waktu dan suhu. Derajat (fraksi) dari rekristalisasi meningkat seiring dengan waktu



31



tempuhnya, seperti yang tercatat pada fotomikrograf pada gambar 2.21a – 2.21d. lamanya waktu rekristalisasi akan lebih rinci dibahas pada buku Calister bab 10 bagian 10.3. Pengaruh suhu di tunjukkan pada gambar 2.22 yang merupakan nilai dari kekuatan dan keuletan ( pada suhu kamar) dari kuningan sebagai fungsi suhu dan waktu (perlakuan panas pada waktu konstan 1 jam). Struktur butir dihasilkan di berbagai tahapan proses yang disajikan secara skematis. Perilaku rekristalisasi dari paduan logam tertentu terkadang di tentukan berdasarkan suhu rekristalisasi, suhu dimana rekristalisasi selesai dalam waktu 1 jam. Dengan demikian, suhu proses rekristalisasi untuk kuningan berdasarkan gambar 2.22 adalah ± 450oC ( 850oF ). Biasanya terjadi di sepertiga atau pertengahan mendekati titik lebur dari logam atau paduannya dan tergantung dari beberapa faktor, yakni jumlah dari perlakuan dingin yang dilakukan dan kemurnian dari paduannya. Meningkatnya laju perlakuan dingin dari proses rekristalisasi sesuai dengan hasil, dimana suhu proses rekristalisasi di turunkan dan mendekati nilai konstan atau sampai pada deformasi tinggi; di tunjukkan pada gambar 2.23. Selain itu , deformasi tinggi atau suhu rekristalisasi yang rendah sudah ditentukan dalam literatur. Terdapat beberapa tingkat kritis dari perlakuan dingin yang tidak dapat di rekristalisasi, seperti yang di perlihatkan pada gambar, tipe ini antara 2% dan 20% dari perlakuan dingin. Rekristalisasi berlangsung lebih cepat pada logam murni daripada paduannya. Selama rekristalisasi, gerakan batas butir berlangsung dan terbentuk sebagai inti butir baru yang kemudian akan terus tumbuh. Di percaya bahwa pengotor dari atom secara preferensi dapat memisahkan dan berinteraksi dengan butir yang ter-rekristalisasi sehingga mengurangi butirnya (batas butir). Hal tersebut membuat penurunan tingkat



32



rekristalisasi dan menaikkan suhu rekristalisasinya. Untuk logam murni, suhu rekristalisasi biasanya 0.4 Tm, dimana Tm adalah titik leleh absolut, untuk beberapa paduan yang dijual dapat berjalan sampai 0.7 Tm. Rekristalisasi dan titik leleh untuk beberapa logam dan paduan tercantum dalam table 2.2. Perlu di catat, karena tingkat proses rekristalisasi tergantung dari beberapa variabel, ada beberapa hal yang harus di perhatikan untuk suhu yang di kutip dalam literature. Kemudian, beberapa derajat dari rekristalisasi dapat terjadi pada paduan dengan perlakuan panas pada suhu di bawah suhu rekristalisasi.



Gambar2.21 fotomikrograf proses rekristalisasi dan pertumbuhan butir dari kuningan. (a)perlakuan dingin struktur butir (b)Tahap awal rekristalisasi setelah pemanasan pada 3 sampai 580oC (c)Pergantian parsial dari perlakuan dingin pada rekristalisasi (d)proses



33



rekristalisasi selesai (e)Pertumbuhan butir setelah 15 menit pada suhu 580oC (f) pertumbuhan butir setelah 10 menit pada suhu 700 oC



Gambar 2.22 Pengaruh suhu Annealing pada kekuatan tarik dan keuletan dari paduan kuningan



Deformasi plastik sering dilakukan pada suhu di atas suhu dari proses rekristalisasi atau disebut perlakuan panas, seperti yang dijelaskan pada buku Calister bab 11 bagian 11.4. Material sisa relative lunak dan getas selama proses deformasi karena tidak terjadi pengerasan regangan, dan deformasi yg lebih besarpun bisa saja terjadi.



34



Gambar 2.23 Variasi dari suhu rekristalisasi dengan perlakuan dingin untuk besi



Tabel 2.2 Suhu Rekristalisasi dan Suhu titik leleh untuk variasi logam dan paduan



Metal



Suhu



Suhu Titik Leleh



Rekristalisasi o



o



Lead (Timah)



-4



25



327



620



Timah



-4



25



232



450



Seng(Zinc)



10



50



420



788



Alumunium (99,999wt%)



80



176



660



1220



Tembaga (99,999wt%)



120



250



1085



1985



Kuningan (60 Cu-40 Zn)



475



887



900



1652



Nikel (99,99 wt%)



370



700



1455



2651



Besi



450



840



1538



2800



Tungsten



1200



2200



3410



6170



C



F



o



C



o



F



Design Contoh 2.1 Mendeskripsikan prosedur diameter pengotor Sebuah batang silender dari kuningan yang bukan perlakuan dingin memiliki diameter awal 6,4 mm (0,25 inci). Untuk menjadi proses



35



perlakuan dingin dibuat sedmikian rupa sehingga luas penampang berkurang. Diperlukan kekuatan dari proses dingin minimal 345 MPa (50.000 psi) dan keuletan lebih dari 20% EL; selain itu, di perlukan diameter akhir 5,1 mm (0,20 inci). Jelaskan bagaimana prosedur ini dapat dilakukan. Jawaban : Mari terlebih dahulu mempertimbangkan konsekuensinya(yakni kekuatan dan keuletan) perlakuan dingin dimana diameter spesifik kuningan berkuran dari 6,4 mm (d0) menjadi 5,1 mm (di). %CW dapat dihitung dari persamaan 7.8, yaitu 𝑑 2 𝑑 2 6,4 2 5,1 2 ( 20 ) 𝜋 − ( 2𝑖 ) 𝜋 ( 2 ) 𝜋−( 2 ) 𝜋 %𝐶𝑊 = 𝑥 100% = 𝑥 100% = 36,5% 6,4 2 𝑑0 2 (2) 𝜋 (2) 𝜋 Dari gambar 2.19a dan 2.19c, Kekuatan(410 MPa (60.000 psi) dan 8%EL dicapai dari deformasi ini. Menurut kriteria yang ditetapkan, kekuatan luluh sangat tinggi; Namun, keuletannya terlalu rendah. Pengolahan lain adalah pengurangan diameter parsial, diikuti oleh perlakuan panas rekristalisasi dimana efek dari perlakuan dingin dibatalkan. Hasil yang dibutuhkan kekuatan, keuletan, dan diameter dicapai sesuai. Sekali lagi, mengacu pada 2.19a menunjukkan bahwa 20% CW diperlukan untuk memberikan kekuatan luluh 345 MPa. Namun, dari gambar 2.19c, keuletan lebih besar dari 20%EL dan deformasi 23%CW atau kurang. Jadi selama operasi berlangsung, deformasi harus berada diantara 20%CW dan 23%CW. Kita ambil nilai rata-rata ekstrim 21,5%CW, dan kemudian hitung diameter akhir menggunakan persamaan 7.8,



36



2



𝑑′ 5,1𝑚𝑚 2 ( 20 ) 𝜋 − ( 2 ) 𝜋 21,5%𝐶𝑊 = 𝑥 100% 𝑑′ 0 2 (2 ) 𝜋 Sekarang, penyelesaian untuk d’0 dari proses diatas adalah 𝑑′0 = 5,8 𝑚𝑚(0,226 𝑖𝑛) 2.13



Pertumbuhan Butir (Grain Growth) Setelah melalui rekristalisasi, butiran tanpa regangan akan terus tumbuh jika sampel logam di biarkan pada suhu tinggi (Gambar 2.21d sampai Gambar 2.21f), fenomena ini yang disebut pertumbuhan butir. Pertumbuhan butir tidak perlu dilakukan pemulihan dan rekristalisasi terlebih dahulu, pertumbuhannya dapat terjadi di semua material polikristalin, logam, dan keramik. Energi berhubungan dengan batas butir, seperti yang dijelaskan pada buku Calister bab 4 bagian 4.6. Meningkatnya ukuran butir, serta menurunnya area batas membuat total energi yang di butuhkan berkurang, hal ini merupakan pemberian gaya(dorongan) dari pertumbuhan butir. Pertumbuhan biji terjadi akibat migrasi dari butiran batas. Tentunya, tidak semua butir menjadi besar, tetapi pertumbuhan butir yang besar akan menyingkirkan pertumbuhan butir kecil. Jadi, ukuran butir ratarata akan meningkat seiring berjalannya waktu, dan pada saat tertentu ada kisaran dari ukuran butir. Gerakan batas merupakan difusi jarak pendek atom dari satu sisi ke batas yang lain. Arah dari gerakan atom berlawanan satu sama lain, seperti yang di tunjukkan pada gambar 2.24. Untuk banyak material polikristalin, diameter (d) butir bervariasi sesuai waktu (t) dalam hubungannya. 𝑑 𝑛 − 𝑑0𝑛 = 𝐾𝑡



37



Dimana, d0 adalah diameter awal dari butir saat t=0, K dan n merupakan konstanta waktu; nilai n biasanya ≥2. Besarnya ukuran dari butir di lihat dari suhu dan waktu, seperti yang di tunjukkan pada gambar 2.25, sebidang dari logaritma ukuran butir di gunakan sebagai logaritma fungsi waktu untuk material kuningan paduan pada suhu yang berbeda-beda. Pada suhu renda bentuk kurvanya linear. Selain itu, pertumbuhan butir akan semakin cepat ketika suhu di naikkan, garis kurvanya akan terus naik ke atas yang menunjukkan bahwa ukuran dari butir tersebut semakin besar. Hal ini menunjukkan bahwa meningkatnya laju difusi dengan suhu yang semakin tinggi. Sifat mekanik saat suhu kamar dari logam butir halus biasanya superior (yaitu kekuatan dan ketahanannya lebih tinggi ) dengan struktur yang agak kasar.



Gambar 2.24 Skema pertumbuhan butir melalui difusi



38



Gambar 2.25 Logaritma dari diameter butir dengan logaritma waktu dari pertumbuhan butir pada kuningan di beberapa temperatur



Jika struktur butir dari fase tunggal lebih kasar dari yang di inginkan, pemulihannya dilakukan dengan cara mengubah bentuk bahan secara plastis, dan mengubah perlakuannya menjadi perlakuan panas dengan proses rekristalisasi, sama seperti penjelasan sebelumnya. Contoh Soal 2.3 Komputasi dari ukuran butir setelah perlakuan panas Ketika hipotesa logam memiliki diameter butir 8,2 x 10-3 mm dipanaskan sampai 500oC, setelah 12,5 menit diameter butir menjadi 2,7 x10-2 mm. hitung diameter butir saat spesimen bahan asli dipanaskan pada 500oC selama 100 menit. Asumsikan diameter butir eksponen n memiliki nilai 2 Jawaban Untuk permasalahan ini, persamaan 7.9 menjadi : 𝑑2 − 𝑑02 = 𝐾𝑡 Pertama-tama cari nilai K. dan ditulis hal-hal yang diketahui dari soal 𝑑0 = 8,2 𝑥 10−3 𝑚𝑚 𝑑 = 2,7 𝑥 10−2 𝑚𝑚



39



𝑡 = 12,5 𝑚𝑒𝑛𝑖𝑡 Masukan bentuk persamaan menjadi : 𝐾=



𝑑 2 − 𝑑02 𝑡



Kemudian, (2,7 𝑥 10−2 )2 − (8,2 𝑥 10−3 )2 𝑚𝑚 𝐾= = 5,29 𝑥 10−5 12,5 𝑚𝑒𝑛𝑖𝑡 Untuk menentukan diameter butir setelah perlakuan panas pada 500oC selama 100 menit, kita harus memanipulasi persamaan diatas menjadi variabel baru 𝑑 = √𝑑02 + 𝐾𝑡 Dan subsitusi kedalam t = 100 menit serta nilai d0 dan K 𝑑 = √(8,2 𝑥 10−3 + [(5,29 𝑥 10−5 )(100)] = 0,0732 𝑚𝑚 2.14



Proses/Struktur/Karakteristik Pemahaman



tentang



mekanisme



penguatan



logam



tentu



membutuhkan beberapa pengetahuan (1) korelasi gerak dislokasi dengan deformasi plastik, (2) karakteristik deformasi (yaitu, bidang regangan di sekitarnya dan interaksi dari bidang regangan), dan (3) aspek kristalografi (konsep sistem slip). Kekerasan yang tinggi (kurangnya keuletan) dari satu fase yang ditemukan dalam baja (Martensit, bagian 10.7). Di jelaskan oleh efek dari padatan-larutan, selain itu adanya beberapa system slip. Grafik konsep berikut mewakili hubungan ini.



40



Gambar 2.26 Sifat Besi - Paduan karbon



Perlakuan panas lainnya di rancang untuk mengkristalisasi logam paduan yang telah terjadi pengerasan regangan, untuk membuat logam paduan lebih lunak dan lebih getas untuk perkembangan butir agar sesuai dengan struktur yang di inginkan. Dua perlakuan tersebut di jelaskan dalam Buku Calister bab 11 bagian 11.7 – proses Annealing dan proses Normalisasi untuk baja. Hubungan proses ini di tunjukkan pada grafik berikut.



41



Gambar 2.27 Proses Besi – Paduan karbon



42