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:

1. Kubus berpusat muka (face centered cubic)-f.c.c.
2. Kubus berpusat ruang (body centered cubic)- b.c.c.
3. 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-g, Co-b, Ni-b, 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-b, V, Nb, Ta, Cr-a, Mo, W-a, Fe-a,  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-g,  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 dendrit-dendrit 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.

Gambar 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		b		c

 

Gambar 3.12  Mekanisme creep.       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 Tembaga Emas Besi Timah hitam Magnesium Nikel Perak Timah putih  Seng	150 200 200 450 di bawa suhu 150 590 200 di bawa suhu kamar   di bawa suhu kamar	300 390 390 240 kamar 300 1100 390 di bawa suhu kamar 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 ?.