MODUL 4 Cacat Dalam Padatan 1. Jenis ketidaksempurnaan Padatan rill selalu mengandung diskontinuitas struktural dan daerah tertentu yang tidak teratur. Heterogenitas ini terdapat pada skala mikroskopik dan makroskopik, dengan cacat atau ketidaksempurnaan (ukuran semakin besar) mulai dari atom yang hilang atau salah tempat, hingga cacat yang kasat mata. Kebanyakan material yang digunakan untuk komponen rekayasa dan struktur terbuat dari sejumlah besar butir atau kristal. Oleh karena itu, wajar apabila permukaan batas butir dari agregat polikristalin seperti itu dianggap sebagai jenis ketidaksempurnaan. Cacat lain yang relatif besar, seperti pori pcnyusutan, gelembung gas, inklusi material asing, dan retak, ditemukan tersebar di dalam butir suatu material logam atau keramik. Namun demikian, cacat skala-besar tersebut lebih dipengaruhi oleh pemrosesan material dan bukan merupakan sifat dasar material. Oleh karena itu, perhatian Iebih dicurahkan pada cacat skala-atomik dalam material. Dalam setiap butir, atom tersusun secara teratur sesuai struktur kristal dasar, tetapi terdapat pula berbagai jenis ketidaksempurnaan, yang secara umum disebut sebagai cacat kristal. Diagram skematik cacat dasar ini diperlihatkan pada Gambar 4.1 cacat tersebut memiliki bentuk: Cacat titik, seperti lokasi atomik yang kosong (atau kekosongan) dan atom interstisi (atau interstisi), di mana suatu atom menduduki interstisi dan bukan menempati lokasi kisi yang normal Cacat garis, seperti dislokasi Cacat planar, seperti salah susun dan batas kembar Cacat volume, seperti void, gelembung gas, dan rongga. http://www.mercubuana.ac.id

Gambar 4.2. Kekosongan terjadi dengan memindahkan atom dari lokasi kisinya ke lokasi atomik terdekat yang dapat menampungnya dengan mudah. Lokasi-lokasi yang biasanya dituju adalah permukaan bebas kristal, batas butir, atau setengah-bidang tambahan dari suatu dislokasi sisi. Lokasi tersebut dinamakan sumber kekosongan dan terjadi apabila tcrsedia cukup energi (misalnya aktivasi termal) untuk memindahkan atom. Bila EF, adalah energi yang diperlukan untuk membentuk satu cacat (dinyatakan dalam elektron volt per atom) kenaikan energi total akibat pem- bentukan n cacat ini adalah nEF. Pertambahan entropi yang menyertainya dapat dihitung dengan menggunakan persamaan S= k In W, di mana W adalah jumlah cara pendistribusian n cacat dan N atom pada N + n lokasi kisi, atau (N+ n)!ln!N!. Maka energi bebas, G atau F dari suatu kristal yang mengandung n cacat, relatip terhadap energi bebas kristal sempurna adalah: F = nEf –kT Ln (N +n )!n!N!)) Persamaan tersebut setelah menjadi (4.1) menerapkan teorema Stirling' dapat disederhanakan F = nEf – kT((N+n)ln(N+n)-n lnz-N In N) (5.2) Nilai kesetimbangan dari n adalah nilai yang meyebabkan dF / dN = 0, yang mendefinisikan keadaan energi bebas minimum seperti tampak pada gambar 5.3. http://www.mercubuana.ac.id

Jelas bahwa permukaan bebas suatu sampel atau antarmuka batas butir aluminium EF = 0,7 eV, sehingga pada 900 K diperoleh c = exp((-7/10)x(40/1)x(300/900)) = exp (-9.3) = 10-4 Apabila temperatur berkurang, c harus berkurang untuk mempertahankan kesetimbangan, dan kekosongan harus pindah ke lokasi lain dalam struktur di mana kekosongan akhirnya menghilang. Lokasi tersebut disebut "sumuran kekosongan" dan mencakup lokasi seperti permukaan bebas, batas butir, dan dislokasi. Cacat bergerak melalui maksimum energi dari satu lokasi atom ke lokasi berikutnya dengan frekuensi v = v0 exp(Sm/K) exp(-Em/KT) di mana vO adalah frekuensi getaran cacat dalam arah yang sesuai, Sm adalah pertambahan entropi dan EM adalah pertambahan energi internal yang terkait dengan proses tersebut. Koefisien difusi-diri dalam suatu logam murni terkait dengan energi untuk membentuk kekosongan Ef dan energi untuk menggerakkannya EM dinyatakan dengan rumus ESD = Ef + EM Jelas bahwa permukaan bebas suatu sampel atau antarmuka batas butir terletak pada jarak yang sangat jauh (dalam skala atomik) dari pusat suatu butir, sehingga dislokasi di dalam badan suatu butir atau kristal merupakan "sumuran" kekosongan yang paling efisien. Kekosongan akan lenyap pada ujung setengah bidang tambahan dari atom-atom dislokasi, seperti Gambar 4.4 Gerakan panjat dislokasi, (a) dan (b) meniadakan kekosongan, (c) dan (d) menghasilkan kekosongan. http://www.mercubuana.ac.id