Struktur Kristal Logam [PDF]

Citation preview

STRUKTUR KRISTAL LOGAM Kebanyakan bahan logam mempunyai tiga struktur kristal:   



kubus berpusat muka (face-centered cubic). kubus berpusat badan (body-centered cubic). heksagonal tumpukan padat (hexagonal close-packed).



FACE CETERED CUBIC (FCC)



  



Gambar 2a menunjukkan mod el bola pejal sel satuan FCC, Gbr 2b: pusat-pusat atom digambarkan dengan bola padat kecil Sel satuan FCC yang berulang dalam padatan kristalin sama seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.







Struktur FCC mempunyai sebuah atom pada pusat semua sisi kubus dan sebuah atom pada setiap titik sudut kubus. Beberapa logam yang memiliki struktur kristal FCC yaitu tembaga, aluminium, perak, dan emas (lihat Tabel 1). Sel satuan FCC mempunyai empat (4) buah atom, yang diperoleh dari jumlah delapan seperdelapan-atom pada delapan titik sudutnya plus enam setengah-atom pada enam sisi kubusnya (8 1/8 + 6 1/2). Atom-atom atau inti ion bersentuhan satu sama lain sepanjang diagonal sisi. Hubungan panjang sisi kristal FCC, a, dengan jari-jari atomnya, R, ditunjukkan oleh persamaan berikut:











Tiap atom dalam sel satuan FCC ini dikelilingi oleh duabelas (12) atom tetangga, hal ini berlaku untuk setiap atom, baik yang terletak pada titk sudut maupun atom dipusat sel satuan (lihat Gambar 2a). Jumah atom tetangga yang mengelilingi setiap atom dalam struktur kristal FCC yang nilainya sama untuk setiap atom disebut dengan bilangan koordinasi (coordination number). Bilangan koordinasi struktur FCC adalah 12. Faktor tumpukan atom (atomic packing factor, APF) adalah fraksi volum dari sel satuan yang ditempati oleh bola-bola padat, seperti ditunjukkan oleh persamaan berikut:



BODY CENTERED CUBIC (BCC)



Struktur kristal kubus berpusat badan (BCC): (a) gambaran model bola pejal sel satuan BCC, (b) Sel satuan BCC digambarkan dengan bola padat kecil, (c) Sel satuan BCC yang berulang dalam padatan kristalin  







Logam–logam dengan struktur BCC mempunyai sebuah atom pada pusat kubus dan sebuah atom pada setiap titik sudut kubus Sel satuan BCC mempunyai dua (2) buah atom, yang diperoleh dari jumlah delapan seperdelapan atom pada delapan titik sudutnya plus satu atom pada pusat kubus (8 1/8 + 1). Atom-atom atau inti ion bersentuhan satu sama lain sepanjang diagonal ruang. Hubungan panjang sisi kristal BCC, a, dengan jari-jari atomnya, R, diberikan sebagai berikut:



Tiap atom dalam sel satuan BCC ini dikelilingi oleh delapan (8) atom tetangga (lihat Gambar 3a), sebagai akibatnya bilangan koordinasi struktur BCC adalah 8.Karena struktur BCC mempunyai bilangan koordinasi lebih kecil dibandingkan dengan bilangan koordinasi FCC, maka faktor tumpukan atom struktur BCC, yang bernilai 0.68, adalah juga lebih kecil dibandingkan dengan faktor tumpukan atom FCC. HEXAGONAL CLOSE PACKED (HCP)



Gambar Struktur kristal heksagonal tumpukan padat (HCP): (a) sel satuan HCP digambarkan dengan bola padat kecil, (b) sel satuan HCP yang berulang dalam padatan kristalin.  











Ciri khas logam–logam dengan struktur HCP adalah setiap atom dalam lapisan tertentu terletak tepat diatas atau dibawah sela antara tiga atom pada lapisan berikutnya Sel satuan HCP mempunyai enam (6) buah atom, yang diperoleh dari jumlah dua-belas seperenamatom pada dua belas titik sudut lapisan atas dan bawah plus dua setengah-atom pada pusat lapisan atas dan bawah plus tiga atom pada lapisan sela/tengah (12 1/6 + 2 1/2 + 3). Jika a dan c merupakan dimensi sel satuan yang panjang dan pendek (lihat Gambar 4), maka rasio c/a umumnya adalah 1.633. Akan tetapi, untuk beberapa logam HCP, nilai rasio ini berubah dari nilai idealnya. Bilangan koordinasi struktur HCP dan faktor tumpukannya sama dengan struktur FCC, yaitu 12 untuk bilangan koordinasi dan 0.74 untuk faktor tumpukan.



KRISTALISASI  Kristalisasi. Kristalisasi adalah proses pembentukan yang terjadi pada saat pembentukan ,perubahan dari fasa cair ke fasa padat . jika di tinjau dari mekanismenya, kiristalisasi terjadi melalui dua tahap, yaitu pembentukan inti (nucleation) dan pertumbuhan kristal(crystal growth). Kristalisasi juga merupakan teknik pemisahan kimia antara bahan padat-cair, di mana terjadi perpindahan massa(mass transfer) dari suat zat terlarut (solute) dari cairan larutan ke fase kristal padat. Dalam keadaaan cair, atom-atom tidak memiliki susunan yang teratur (selalu mudah bergerak) dan mempunyai temperature yang relatif tinggi serta atom-atomnya memiliki energi yang cukup banyak sehingga mudah bergerak dan tidak ada pengaturan letak atom relatif terhadap atom lainnya.  Struktur kristal Struktur



kristal adalah suatu susunan khas atom-atom dalam suatu kristal. Suatu struktur kristal



dibangun oleh sel unit, sekumpulan atom yang tersusun secara khusus, yang secara periodik berulang dalam tiga dimensi dalam suatu kisi. Spasi antar sel unit dalam segala arah disebut parameter kisi. Sifat simetri kristalnya terwadahi dalam gugus spasinya. Struktur dan simetri suatu emmainkan peran penting dalam menentukan sifat-sifatnya, seperti sifat pembelahan, struktur pita listrik, dan optiknya. Contoh Sruktur kristal logam. 1. BCC (srtuktur kubik pemusatan ruang).



Body Centre Cubic (BCC) Strukturkristalkubusberpusatbadan (BCC): (a) gambaran model bola pejalselsatuan BCC, (b) Selsatuan BCC digambarkandengan bola padatkecil, (c) Selsatuan BCC yang berulang dalam padatan kristalin. Logam–logam dengan struktur BCC mempunyai sebuah atom pada pusat kubus dan sebuah atom pada setiap titik sudut kubus. Tiap atom dalam sel satuan BCC ini dikelilingi oleh delapan (8) atom tetangga (lihat Gambar 3a), sebagai akibatnya bilangan koordinasi struktur BCC adalah 8.Karena struktur BCC mempunyai bilangan



koordinasi lebih kecil dibandingkan dengan bilangan koordinasi FCC, maka faktor tumpukan atom struktur BCC, yang bernilai 0.68, adalah juga lebih kecil dibandingkan dengan faktor tumpukan atom FCC. Atom-atom atau inti ion bersentuhan satu sama lain sepanjang diagonal ruang. Hubungan panjang sisi kristal BCC, a , dengan jari-jari atomnya, R , diberikan sebagai berikut: a =4R / √3.



2. FCC (kubik pemusatan kisi).



FCC(Face Centered Cubic).



Tiap atom dalam sel satuan FCC ini dikelilingi oleh duabelas (12) atom tetangga, hal ini berlaku untuk setiap atom, baik yang terletak pada titk sudut maupun atom dipusat sel satuan. Jumah atom tetangga yang mengelilingi setiap atom dalam struktur kristal FCC yang nilainya sama untuk setiap atom disebut dengan bilangan koordinasi (coordination number). Bilangan koordinasi struktur FCC adalah 12. Sel satuan FCC mempunyai empat (4) buah atom, yang diperoleh dari jumlah delapan seperdelapanatom pada delapan titik sudutnya plus enam setengah-atom pada enam sisi kubusnya (8 1/8 + 6 1/2). Atom-atom atau inti ion bersentuhan satu sama lain sepanjang diagonal sisi. Hubungan panjang sisi kristal FCC, a, dengan jari-jari atomnya, R, ditunjukkan oleh persamaan berikut: a =2R / √2. Faktor tumpukan atom (atomic packing factor, APF) adalah fraksi volum dari sel satuan yang ditempati oleh bola-bola padat, seperti ditunjukkan oleh persamaan berikut: APF= volum atom dalam sel satuan / volum sel satuan



3.HCP(Hexagonal Close Packet).



Ciri khas logam–logam dengan struktur HCP adalah setiap atom dalam lapisan tertentu terletak tepat diatas atau dibawah sela antara tiga atom pada lapisan berikutnya. Sel satuan HCP mempunyai enam (6) buah atom, yang diperoleh dari jumlah dua-belas seperenamatom pada dua belas titik sudut lapisan atas dan bawah plus dua setengah-atom pada pusat lapisan atas dan bawah plus tiga atom pada lapisan sela/tengah (12 1/6 + 2 1/2 + 3).



STRUKTUR KRISTAL LOGAM TEKNLOGI BAHAN



III. STRUKTUR KRISTAL LOGAM



3.1 Geometri Kristal Bila satu logam murni membeku, atom-atom menyusun diri dalam bentuk ruang (stereo metric) tertentu yang disebut unit cell. Unti cell tersebut itu menyusun diri dalam susunan yang teratur dan berulang-ulang membentuk kristal atau kisi kristal (space lattice). Pada umumnya logam membentuk kristal dengan tiga bentuk utama: a. Kubus berpusat muka (face centered cubic)-f.c.c. b. Kubus berpusat ruang (body centered cubic)- b.c.c. c. Heksagonal tumpukan rapat (hexagonal close packet)-h.c.p. Pada gambar 2.1 diperlihatkan melalui 2 model dari setiap kristal, model bola padat untuk menunjukkan susunan atom-atom dan model ruang. 1. Kristal kubus berpusat muka /fcc, mempunyai struktur kubus dengan 1 atom di setiap sudutnya dan 1 atom lagi di pusat ke 6 bidang kubus. Contoh logamnya ; Ag, Cu, Au, Ca, Sr, Al, Pb, Fe-, Co-, Ni-, Rh, Pd, Ir, Pt, dsbnya. 2. Kristal kubus berpusat ruang /bcc, mempunyai struktur kubus dengan 1 atom pada setiap sudutnya dan 1 atom lagi di tengah-tengah bidang kubus. Contoh ; Li, Na, K, Ba, Ti-, V, Nb, Ta, Cr-, Mo, W-, Fe-, dsb 3.



Kristal heksagonal tumpukan rapat /hcp, mempunyai 17 atom yang tersusun dari 2 heksagonal yang terdiri dari 1



atom di setiap sudutnya dan 1 atom lagi di tengahnya, terdapat juga 3 atom yang menyelip di antara ke 2 hexagonal itu. Contoh ; Be, Mg, Ca, Zn, Cd, Ti-, dsb Y



a. Struktur kristal BCC



b. Struktur kristal FCC



c. Struktur kristal HCP



d. Unit sell FCC Gambar 3.1 Struktur kristal



3.2. Pertumbuhan kristal Kristal mulai terbentuk, ketika logam cair mulai membeku. Pembekuan kristal diawali dari terjadinya inti kristal, proses ini biasa disebut proses pengintian, (crystalitation). Misalnya logam dengan kristal fcc, 14 atom menyusun diri membentuk inti dan selanjutnya berkembang membentuk cabang-cabang yang disebut dendrit .



(a)



(b)



Gambar 3.2 Dendrit . Pada umumnya dalam proses pengintian timbul banyak inti, sehingga banyak terjadi dendrit pula, dendrit-dendrit ini membesar dan menyentuh dendrit-dendrit lain yang juga membesar, permukaan singgung ini menjadi batas bulir (grain boundary). Kristal yang dibatasi oleh batas bulir disebut bulir (grain) seperti gambar 2.3 berikut :



(a)



(b)



Gambar 3.3 Batas bulir. Jarang sekali dijumpai logam tersusun dari satu bulir tunggal (mono crystal) saja, tetapi tersusun dalam banyak bulir (poly crystalline). Bila logam didinginkan perlahan-lahan, maka bulir yang terjadi besar-besar, hal ini disebabkan oleh keleluasaan dendrit untuk berkembang. Akibatnya lengan-lengan dendrit menjadi gemuk. Sebaliknya bila pendinginan terlalu cepat, maka akan timbul pengintian yang lebih banyak, sehingga dendritdendrit tidak sempat berkembang dengan bebas. Maka bulir-bulir yang terjadi menjadi lebih kecil. Bulir-bulir yang kecil mengakibatkan sifat logam menjadi kuat. 3.3. Cacat Kristal Beberapa macam cacat kristal a. Cacat titik. b. cacat garis (dislokasi). c. Cacat kekosongan pasangan ion. d. Cacat permukaan. 1. Cacat titik Cacat titik ialah cacat kristal yang disebabkan oleh adanya kekosongan atau lolosnya atom dari susunannya. Cacat titik yang paling sederhana adalah kekosongan (vacancy). Cacat ini disebabkan oleh: tumpukan atom yang tidak sempurna, akibat fibrasi atom pada pada penurunan suhu. Cacat ini dapat berupa vacancy, divacancy, atau trivacancy.



Gambar 3.4 Cacat titik a). vacancy b). divacancy c). ion pair vacancy d). intersisi



e). cacat frankel



2. Cacat garis Cacat garis ialah cacat titik yang melibatkan banyak atom dalam bentuk deret. Cacat garis yang paling umum dalam kristal disebut dislokasi, dislokasi timbul karena deformasi akibat pengaruh gaya luar atau timbul selama proses pertumbuhan kristal. Ada dua macam dislokasi yaitu ; dislokasi tepi dan dislokasi ulir/spiral. Dislokasi tepi dapat dilihat dengan adanya bidang atom tambahan dalam struktur kristal. Bidang atom tambahan itu tidak sempurna sehingga timbul daerah tekanan dan tarikan. Atom-atom yang terletak sepanjang dislokasi energinya lebih besar.



Gambar 3.5 dislokasi tepi. Dislokasi ulir dapat ditunjukkan oleh adanya sobekan dari sebagian bidang kristal yang disertai penurunan bidang kristal tersebut.



Gambar 3.6 Dislokasi ulir. 3. Cacat kekosongan ion Cacat ini diketemukan dalam campuran. Kekosongan ini untuk menjaga agar muatan yang ada di dalamnya seimbang (Gbr 3.4.c). Kekosongan ini mempermudah difusi atom. Suatu atom tetangga yang menyusup dalam struktur kristal, terutama pada kristal yang mempunyai faktor tumpukan atom (atom packing factor) yang kecil disebut intersisi ion dari struktur kristal yang masuk kedalam ruang antar atom yang telah ada ion lainnya disebut juga cacat frenkel (Gbr 3.4.e). 4. Cacat permukaan Atom-atom yang terletak pada boundary butir mempunyai energi yang lebih besar sehingga memudahkan atom untuk saling meloncat ke boundary tetanganya. Kelakuan tersebut menyebabkan distorsi pada boundary butir kira-kira 1-2 otom. Distorsi inilah yang disebut cacat permukaan.



Gambar 3.7 cacat permukaan ditunjukkan distorsy pada boundary butir. 2.4. Difusi Difusi adalah gerakan/berpindahnya atom-atom dalam keadaan padat. Baik tidaknya karborisasi dan oksidasi baja ditentukan oleh kecepatan difusi atom karbon yang masuk ke dalam permukaan besi. Mekanisme difusi secara jelas dapat dilihat pada gambar 3.4. 2.5. Deformasi Deformasi adalah perubahan ukuran/bentuk logam karena adanya gaya luar yang diberikan atau karena transformasi fasa dan pembekuan. Proses deformasi terjadi dengan tahap-tahap sebagai berikut ; a. deformasi elastis. b. deformasi plastis. c. creep. d. fracture (pecah). 1. Deformasi elastis Deformasi elastis ialah deformasi yang segera hilang setelah gaya luar yang mengenainya ditiadakan. Hal ini dapat dijelaskan secara sederhana dengan bantuan kristal seperti gambar 2.9 Pada deformasi elastis, regangan yang terjadi sebanding dengan bebannya. Perbandingan ini disebut modulus elastisitas Young .



Tanpa beban



Tarik



Tekan



Geser



Gambar 3.9 Distorsi kristal kristal akibat pembebanan elastis. 2. Deformasi plastis Deformasi plastis ialah deformasi satu benda yang tidak dapat kembali ke keadaan semula walaupun beban dihilangkan. Kemungkinan yang menyebabkannya adalah : 1. Sliding bidang atom yang satu dengan lainnya. 2. ikatan atom-atom pecah, bidang atom yang selip (disebut bidang selip), tergantung pada kondisi pembebanan. Kebanyakan logam-logam dengan struktur kristal bcc, fcc, hcp, terjadi bidang selip seperti pada gambar 3.10.



Gambar 3.10 Jenis bidang-bidang selip pada kristal bcc, fcc, dan hcp 3. Creep Creep adalah deformasi permanen dari suatu bahan karena pembebanan yang relatif lama. Creep hanya akan tampak jelas pada suhu d atas 0,4 TM (temperatur cair). Creep ini dapat dihindari bila suhu kamar 0,16 TM untuk besi 0,22 TM untuk tembaga, 0,5 TM untuk timah hitam. Creep yang disebabkan oleh beratnya sendiri dapat dilihat pada gambar 2.11.



2.11 Kurva creep yang menunjukkan bertambahnya regangan plastis sebagai fungsi waktu. Pada keadaan 1. kecepatan menurun, disini efek work hardening lebih dominan dibandingkan recoverynya. Pada keadaan 2, simbang, pada keadaan 3, kecepatan creep bertambah sampai ia patah (fracture). Mekanisme creep ada 3, yaitu : a. loncartan dislokasi b. difusi karena kekosongan atom c. sliding boundary butir.



a



Gambar 3.12 Mekanisme creep.



b



c



a) loncatan dislokasi,



b) difusi kekosongan, c) sliding boundary. 4. Pecah (fracture) Pada kondisi beban dan suhu yang tertentu, logam dapat pecah. Brittle fracture terjadi bila logam langsung pecah atau patah, bila dibebani tanpa mengalami deformasi plastis. Sifat ini dijumpai pada kristal bcc, hcp. Ductile fracture terjadi bila deformasi plastis dikembangkan lebih jauh. 3.6. Rekristalisasi Bila logam dipanaskan sampai suhu yang cukup tinggi setelah deformasi plastis, dari susunannya yang rusak, kristal akan menyusun diri menjadi susunan baru tanpa tegangan dalam, proses ini disebut rekristalisasi. Suhu rekristalisasi untuk tiap logam berbeda-beda seperti pada tabel berikut : Tabel 2.1 Suhu terendah rekristalisasi logam.



Logam



Suhu ( OC)



(OF)



Aluminium



150



300



Tembaga



200



390



Emas



200



390



Besi



450



240



Timah hitam



di bawa suhu



kamar



Magnesium



150



300



Nikel



590



1100



Perak



200



390



Timah putih



di bawa kamar



Seng



di bawa suhu kamar



suhu di bawa kamar



suhu



di bawa suhu kamar



Tugas 6 : 1. Sebutkan dan gambarkan 3 bentuk utama susunan kristal logam ?. 2. Jelaskan arti dari susunan kristal fcc, bcc, hcp dan berikan contoh logam yang termasuk susunan kristal tersebut ?. 3. Jelaskan proses pertumbuhan kristal pada logam ?. 4. Jelaskan proses pertumbuhan kristal bila logam didinginkan secara cepat dan lambat ?. 5.



Jelaskan beberapa cacat kristal berikut ini cacat titik, cacat garis, cacat kekosongan pasangan ion, dan cacat permukaan ?.



6. Apa itu deformasi dan jelaskan tahap-tahap terjadinya deformasi ?. 7. Apa itu deformasi plastis dan sebutkan kemungkinan penyebab terjadinya deformasi plastis. 8. Apa itu rekristalisasi dan sebutkan temperatur terendah rekristalisasi dari beberapa logam ?.