METALURGI FISIK

STRUKTUR KRISTAL LOGAM Struktur atom Struktur kristal Ketidaksempurnaan kristal Mekanisme deformasi

STRUKTUR ATOM Konsep dasar : Atom terdiri atas inti yang dikelilingi oleh elektron Inti tersusun atas proton dan netron Proton bermuatan positif, netron bermuatan netral, dan elektron bermuatan negatif

Model Atom Bohr Atom tersusun atas inti yang dikelilingi oleh elektron dengan tingkat energi tertentu Elektron bergerak pada lintasan/ posisi yang dinamakan orbital Elektron dapat berpindah orbital dengan menyerap atau melepaskan energi

Model Atom Mekanika Gelombang Elektron memiliki karakteristik sebagai gelombang dan partikel Posisi elektron dideskripsikan dengan “distribusi kemungkinan” atau awan elektron Elektron (posisi & energi) dikarakterisasikan oleh bilangan kuantum

Perbandingan antara Model Atom Bohr vs Model Atom Mekanika Gelombang (b) Model Atom Mekanika Gelombang

Bilangan Kuantum Dinyatakan dalam 4 parameter : Bilangan kuantum utama yang menunjukkan nomor kulit (n=1, 2, 3, 4 .. atau K, L, M, N…) Bilangan kuantum kedua menunjukkan sub-kulit yang ditempati elektron (s, p, d, atau f) Bilangan kuantum ketiga menunjukkan banyaknya tingkat energi (s=1, p=3, d=5, & f=7) Bilangan kuantum ke-empat menunjukkan arah putaran elektron (searah atau berlawanan dengan arah jarum jam)

Energi relatif elektron pada kulit dan sub-kulit

Banyaknya elektron pada kulit dan sub-kulit

Ikatan Atom Ikatan atom dapat diilustrasikan dengan menganalisis interaksi 2 atom yang didekatkan dari jarak pisah yang jauh Jika atom terpisah pada jarak yang jauh maka interaksi 2 atom tersebut diabaikan, sedangkan jika jarak atom semakin dekat maka terjadi gaya (gaya tarik & tolak) antara 2 atom tersebut.

Skema pengaruh jarak atom terhadap gaya & energi antara 2 atom

Tipe ikatan atom Terdapat 3 tipe ikatan primer pada bahan padat : Ikatan ion - paduan antara unsur logam dgn non- logam - elektron valensi atom unsur logam diberikan ke atom unsur

Skema yang menggambarkan ikatan ion

Ikatan kovalen : - 2 atom atau lebih melakukan sharing elektron - ikatan kovalen dapat mempunyai ikatan yang sangat kuat seperti pada intan & juga dapat lemah seperti bismuth

Skema yang menggambarkan ikatan kovalen

Ikatan logam - elektron valensi tidak terikat kuat ke atom sehingga dapat bergerak bebas di seluruh logam - Ditemukan pada logam & paduannya

Skema yang menggambarkan ikatan logam

STRUKTUR KRISTAL Di dalam logam padat, atom-atom tersusun secara teratur dan berulang dalam pola tiga dimensi. Struktur seperti itu disebut dengan kristal Struktur kristal berpengaruh terhadap sifat bahan Untuk mendeskripsikan struktur kristal, atom dianggap sebagai bulatan (bola) padat yang memiliki diameter tertentu

Contoh struktur kristal

Sel satuan Pengertian : Pola geometri terkecil dan berulang

Jenis-jenis sel satuan 1. FCC (Face Centered Cubic)

2. BCC (Body Centered Cubic)

3. Hexagonal Close Packed

Struktur kristal dari beberapa logam

Bidang kristalografi Dinyatakan dalam indeks Miller (h k l)

cara menentukan indeks Miller : - cari panjang potong pada sumbu x, y dan z - Lakukan pembalikan dari angka yang diperoleh - Kalikan (dengan faktor pengali) hasil pembalikan sehingga diperoleh bilangan bulat yang terkecil

Contoh bidang kristalografi

Arah kristalografi Dinyatakan dalam [u v w] yang merupakan vektor. Contoh : Indeks arah di atas = [120]

Struktur Kristal susunan rapat Sel satuan FCC dan HCP merupakan kristal susunan rapat. Dapat dideskripsikan di dalam bidang susunan rapat. Jika pusat atom pada bidang susunan rapat diberi label, maka susunan kedua kristal (FCC & HCP) dapat digambarkan sebagai berikut :

Susunan rapat FCC dan HCP FCC dengan susunan : ABCABC…. HCP dengan susunan : ABAB…..

Susunan rapat FCC

Susunan rapat HCP

Butir Kumpulan sel satuan yang mempunyai orientasi sama Kebanyakan kristal logam padat tersusun atas sejumlah banyak butir, dimana bahan seperti ini disebut dengan polikristal

Tahapan proses pembekuan yang menggambarkan terbentuknya butir

Tugas (28/11/2012 ) Jawablah pertanyaan di buku “Materials Science and Engineering – An Introduction” – Karangan William D Callister, Jr – soal : 1) 3.3 2) 3.9 3) 3.34

KETIDAKSEMPURNAAN KRISTAL Di dalam kristal logam nyata terdapat cacat atau ketidaksempurnaan Keberadaan dari ketidaksempurnaan ini berpengaruh terhadap karakteristik bahan Beberapa jenis ketidaksempurnaan kristal : kekosongan, self instertistitials, ketidakmurnian, dislokasi, cacat interfasial

Cacat kekosongan & self insterstitial

Cacat ketidakmurnian Instertisi b. Substitusi

Cacat dislokasi a. Dislokasi sisi

b. Dislokasi ulir

Cacat interfasial a. Kembaran

b. Batas butir

Pemeriksaan mikroskopi Pengamatan butir : Permukaan yang sudah dipolish & dietsa terbentuk lekukan di batas butir sehingga memberikan karekteristik pemantulan yang berbeda b. Hasil foto spesimen paduan besi-kromium

MEKANISME DEFORMASI Suatu logam jika diberi gaya maka akan mengalami deformasi atau perubahan bentuk Terdapat 2 jenis deformasi yaitu : - deformasi elastis : terdeformasi pada saat pembebanan & akan kembali ke bentuk semula pada saat beban dilepaskan - deformasi plastis : deformasi yang bersifat permanen Kekuatan bahan terkait dengan seberapa mudah atau sulit suatu logam mengalami deformasi plastis pada saat pembebanan

Makanisme deformasi pada skala mikroskopis a. Deformasi elastis :

b. Deformasi plastis Terjadi slip atau pergeseran atom-atom Pada saat bergeser, terjadi pemutusan ikatan atom

Kekuatan material teoritis th = G/2

Deformasi plastis melalui pergerakan dislokasi Kekuatan logam nyata jauh lebih rendah dibandingkan dengan kekuatan teoritisnya Contoh : baja : G = 83000 Kgf/mm2 th = 13200 Kgf/mm2 Sedangkan  luluh baja : 20 Kgf/mm2 Perbedaan tersebut disebabkan karena pada logam nyata mempunyai cacat dislokasi yang menyebabkan atom-atom logam mudah mengalami slip pada saat pembebanan

(lanjutan) Mekanisme pergerakan dislokasi

Pergerakan dislokasi sisi Pergerakan dislokasi ulir

Sistem slip Pergerakan dislokasi lebih mudah terjadi pada bidang dan arah tertentu dalam kristal logam. Kombinasi bidang dan arah slip ini diistilahkan sistem slip Bidang slip merupakan bidang yang mempunyai kerapatan atomnya paling tinggi Arah slip mengarah ke arah yang kerapatan atomnya paling tinggi

Contoh sistem slip pada FCC

Sistem slip pada FCC, BCC, HCP

Mekanisme penguatan logam Kekuatan logam dipengaruhi oleh mudah tidaknya dislokasi bergerak pada saat pembebanan Semakin dislokasi sulit bergerak maka kekuatan logam akan semakin tinggi Penguatan logam dilakukan dengan cara menghambat pergerakan dislokasi

Contoh metoda penguatan logam a. Penghalusan ukuran butir Batas butir merupakan penghambat pergerakan dislokasi, karena : - antar butir satu dengan yang lainnya mempunyai arah kristalografi yang tidak sama - di batas butir, terdapat ketidakteraturan susunan atom sehingga terbentuk diskoniuitas sistem slip antar butir

Pergerakan dislokasi antar butir Dari penjelasan di atas maka dapat disimpulkan bahwa penguatan dapat dilakukan dengan cara menghaluskan butir karena semakin halus ukuran butir menyebabkan semakin banyaknya keberadaan batas butir di suatu logam

b. Penguatan/pengerasan regangan - Logam meningkat kekerasannya jika mengalami pengerjaan dingin (deformasi plastis yang dilakukan di bawah temperatur rekristalisasi) - Peningkatan kekerasan tersebut disebabkan karena pada saat pengerjaan dingin terjadi peningkatan jumlah dislokasi - Tingginya peningkatan kekuatannya dipengaruhi oleh besarnya deformasi plastis

Pengaruh besarnya deformasi plastis terhadap kekuatan dan keuletan logam

Model pertambahan jumlah dislokasi setelah dilakukan deformasi plastis Titik D dan D’ merupakan pengahambat gerakan dislokasi

Deformasi plastis melalui terbentuknya kembaran Perubahan bentuk yang terjadi relatif lebih kecil dibandingkan dengan deformasi plastis melalui slip

Tugas (28/11/2012) Jawablah pertanyaan di buku “Materials Science and Engineering – An Introduction” – Karangan William D Callister, Jr – soal : 1) 4.22 2) 7.16 3) 7.17 4) 7.19