PENGARUH SISTEM GESER SUSUNAN ATOM DALAM SEL SATUAN TERHADAP KEKUATAN MATERIAL LOGAM Toegas S. Soegiarto STEM Akamigas, Jl. Gajah Mada No. 38. Cepu E-mail: tssoegiarto@ akamigas-stem.esdm.go.id ABSTRAK Kekuatan logam didefinisikan sebagai kemampuan logam untuk tidak berubah bentuk. Bila logam mudah berubah bentuk (deformasi) maka dikatakan kurang kuat. Setiap logam memiliki bentuk sel satuan (unit cell) yang berbeda dan asih tergantung pada suhu. Sel satuan merupakan bentuk geometri terkecil dari susunan atom didalam kristal. Deformasi pada logam sangat tergantung dari tegangan geser, dislokasi, dan sistem gesernya. Bila tegangan geser mampu menggerakkan dislokasi pada bidang slipnya dan terjadi pada jumlah sistem geser yang besar, maka logam tersebut dikatakan kurang kuat bila dibandingkan dengan logam yang memiliki jumlah sistem geser yang kecil. Kata Kunci: deformasi, tegangan geser, dislokasi, sistem geser. ABSTRACT Metal strength is defined as the ability of a metal not to deform. When a metal easily deforms (deformation) then it is said to be less robust. Each metal has its own shape of unit cell and is dependent on temperature. Unit cell is the smallest geometry of the arrangement of atoms within the crystal. Deformation in metals is highly dependent on shear stress, dislocation, and sliding systems. If the shear stress is capable of moving dislocations in the slip plane and occurs in a large number of sliding systems, then the metal is said to be less robust than the metals that have a small amount of sliding systems. Keywords: deformation, shear stress, dislocation, sliding system. 1. PENDAHULUAN Perubahan bentuk logam atau deformasi merupakan pergerakan dislokasi sehingga mencapai permukaan dan tegangan geser maksimum terjadi pada arah gesernya. 1) Dislokasi harus berada pada sistem geser. Sistem geser adalah kombinasi antara bidang dan arah dimana pergeseran terjadi, oleh karena itu jumlah sistem geser merupakan kombinasi antara jumlah bidang geser dan arah geser. Pada susunan sel satuan yang berbeda maka jumlah sistem gesernya tidak sama. Semakin kecil jumlah sistem gesernya, berarti semakin sulit dislokasi untuk bergeser, sehingga logam tersebut sulit untuk dirubah bentuknya. Deformasi plastis atau deformasi permanen adalah peristiwa pembebanan pada logam sampai melampaui kondisi luluhnya. Sebagai contoh pada proses pembentukan logam seperti halnya: stamping, rolling, forging, spinning, drawing, dan extruding, sedangkan pada proses perautan pemesinan, seperti halnya: milling, turning, sawing dan punching. Bila ditinjau dari dalam materialnya sendiri, maka deformasi plastis dapat disebabkan oleh 3 faktor kejadian, yaitu: deformasi karena slip, deformasi karena twinning atau deformasi karena kombinasi dari keduanya. 2. PEMBAHASAN A. Deformasi Plastis dari dalam Material Deformasi plastis karena slip terjadi pada bidang kristal yang mempunyai densitas 49
Jurnal ESDM, Volume 5, Nomor 1, Mei 2013, hlm. 49-55 atom terbesar dengan arah slip sesuai dengan arah dari bidang slip tersebut. Bidang kristalnya dinamakan dengan bidang slip (slip plane) sedangkan arah slip dinamakan dengan close packed. Slip planes dan slip direction disebut slip systems. untuk: [101], maka (1) (1) + (0) (1) + (-1) (1) = 0 [011], maka (0) (1) + (-1) (1) + (1) (1) = 0 [110], maka (-1) (1) + (1) (1) + (0) (1) = 0 Ternyata kombinasi slip planefcc (111) dan system direction 110 merupakan slip system pada fcc. Deformasi plastis karena twinning, merupakan pergerakan dari bidang-bidang atom dalam lattice sejajar dengan suatu bidang tertentu (bidang twinning), sehingga lattice dibagi dua simetris dengan arah yang berbeda (orientasi berbeda), antara bagian yang terdeformasi dan yang tidak terdeformasi. Hal ini terjadi bila geseran mengalami hambatan. Twinning dapat disebabkan oleh mechanical deformation dan annealing following plastic deformation. Pada mechanical deformation terjadi pada logam dengan struktur hcp, seperti halnya: magnesium, zinc dan sebagainya, serta terjadi pada struktur bcc, seperti halnya: tungsten, alpha Fe dan sebagainya, sebagai akibat dari kondisi beban kejut (shock load) dan penurunan suhu pada logam. Sedangkan pada annealing following plastic deformation terjadi pada logam dengan struktur fcc, seperti halnya: alumunium, tembaga, kuningan dan sebagainya, sebagai akibat dari pengerjaan dingin yang selanjutnya logam tersebut diberikan perlakuan panas (heat treatment). Gambar 1. Slip Plane pada Face Center Cubic (FCC). 2) Pada slip planefcc (111) memiliki system direction 110 yang terdiri dari: [101], [011], dan [110]. Untuk mengetahui bahwa kombinasi antara slip plane (111) dan system direction 110 dapat membentuk satu system slip dapat dicari hubungan sebagai berikut: h.u + k.v + l.w = 0...(1) Gambar 2. Deformation by Twinning. 2) Tabel 1. Twin Plane dan Twin Direction pada Logam. 2) No. Crystal Structure Typical Examples Twin Planes Twin Direction 1. Bcc Alpha Fe, Tg (112) [111] 2. Hcp Zn, Cd, Mg, Ti (1012) [1011] 3. Fcc Ag, Au, Cu (111) [112] Perbedaan antara deformasi twinning dan deformasi slip jika pada deformasi slip pada logam terjadi pergerakan slip beberapa kali dari atomic spacing dan secara microskopis terlihat sebagai garis pada permukaan. Pada deformasi slip orientasi kristal sebelum dan sesudah deformasi adalah tetap dan bila permukaan logam dipolis, maka bekas dari slip akan hilang. Sedangkan yang terjadi pada deformasi twinning ialah kurang dari satu kali jarak antar atomnya dan secara microskopis terlihat sebagai pita (bands). Pada deformasi twinning orientasi kristal berbeda pada twin regions dan bekas dari twinning tidak hilang, bila permukaan logam dipolis. 50
Soegiarto, Pengaruh Sistem Geser Susunan... Gambar 3. Deformasi Makro pada suatu Kubus yang dihasilkan Gerak Dislokasi Sisi dan Gerak Dislokasi Ulir. 3) Oleh karena mekanisme deformasi yang utama adalah geseran, maka pembahasan ditekankan pada mekanisme tersebut. Telah dijelaskan bahwa deformasi terjadi sebagai akibat geseran, kemudian agar terjadi geseran maka diperlukan dislokasi, tegangan geser dan sistem geser. Tegangan geser dibutuhkan untuk menggerakan dislokasi pada sistem geser sehingga mencapai permukaan. Sistem geser adalah kombinasi antara bidang geser dan arah geser. Bidang geser adalah bidang yang memiliki susunan atom terpadat, sedangkan arah geser adalah arah yang mempunyai susunan atom terpadat. Jadi semakin banyak sistem gesernya berarti geseran akan mudah terjadi atau dengan kata lain logam mudah terdeformasi. B. Angka Koordinasi Angka koordinasi merupakan jumlah atom yang menyinggung pada satu atom tertentu. Pada ikatan atom logam, atom-atom dianggap sebagai bola-bola keras yang saling bersinggungan. Besarnya angka koordinasi tergantung pada perbandingan diameter atom yang terikat. Angka koordinasi maksimum ditentukan dengan ilmu ukur. Bentuk geometri bidang alas kerucut dari susunan atom dengan angka koordinasi 6 pada Gambar 4. Tabel 3. Bentuk Geometri Sistem. 3) Gambar 4. Hubungan Geometri pada Bidang Alas Kerucut Susunan Atom Angka Koordinasi 6. 3) Adapun hubungan antara angka koordinasi dengan perbandingan diameter atom ditunjukan seperti pada tabel 2. Tabel 2. Hubungan antara Angka Koordinasi dengan Perbandingan r/r. 3) No. Angka Koordinasi Angka Perbandingan 1. 4 0,0225 0,414 2. 6 0,414 0,732 3. 8 0,732 1,000 4. 12 1,000 C. Sel Satuan dalam Kristal Logam Zat padat yang mengkristal memiliki susunan dan jarak atom tertentu, sehingga pusat pusat atom bila dihubungkan akan membentuk suatu geometri tertentu. Bentuk geometri ini merupakan bentuk dasar kristal dari suatu zat. Bentuk terkecil dari susunan atom dalam kristal disebut dengan Sel Satuan. Sel satuan harus memenuhi ruangan tiga dimensi, maka bentuk geometri sistem kristal yang mungkin sebanyak tujuh yaitu Triklinic, Monoklinic, Rombohedral, Heksagonal, Ortorombic, Tetragonal, Cubic. Bentuk geometris sistem kristal pada tabel 3. No. Sistem Rusuk Sudut antara Rusuk 1. Triklinic, a b c α β γ 90 o 2. Monoklinic, a b c α = β = 90 o ; γ 90 o 3. Rombohedral, a = b = c α = β = γ 90 o 4. Heksagonal, a = b c α = β = 90 o ; γ = 120 o 5. Ortorombic, a b c α = β = γ = 90 o 6. Tetragonal, a = b c α = β = γ = 90 o 7. cubic. a = b = c α = β = γ = 90 o 51
Jurnal ESDM, Volume 5, Nomor 1, Mei 2013, hlm. 49-55 Gambar 5. Bentuk bentuk Geometri Kristal Logam. 3) Untuk penempatan atom pada sistem kristal ditunjukan diatas seperti pada Gambar 5. Oleh karena pada logam memiliki atom yang sama, maka harga r/r = 1 dan dari tabel hubungan antara angka koordinasi dengan perbandingan r/r yang mungkin adalah 8 dan 12. Oleh karena pada logam ikatannya merupakan ion positif yang dikelilingi oleh ion negatif yang selalu bergerak, maka ikatannya tidak memilih arah tertentu. Atau dengan kata lain bentuk geometri sistem kristalnya harus memiliki simetri yang tinggi. Dari ketujuh bentuk geometri sistem kristal yang ada pada tabel 3 yang mempunyai simetri yang tinggi adalah sistem kristal cubic; hexagonal; dan tetragonal. Sel satuan dengan angka koordinasi 8 akan berbentuk dua kemungkinan yaitu: body center cubic (bcc) atau tetragonal (bct), 52
Soegiarto, Pengaruh Sistem Geser Susunan... sedangkan untuk angka koordinasi 12 juga akan berbentuk dua kemungkinan yaitu face center cubic (fcc) atau hexagonal (hcp). Adapun perbedaan dari kedua bentuk sel satuan dalam kristal yang ada pada angka koordinasi 8 dengan angka koordinasi 12 apabila pada sel satuan dengan angka koordinasi 12 dalam satu bidang atom, satu atom dikelilingi oleh 6 atom lainnya, dibagian atas dan dibawahnya masing-masing dengan 3 atom. Pada sel satuan kubus pusat muka (fcc), segitiga atom ini memiliki orientasi yang berbeda antara segitiga yang dibawah dan segitiga yang diatas. Sedangkan sel satuan hexagonal susunan padat memiliki orientasi yang sama, oleh karena itu maka pada sel satuan pusat muka (fcc) orientasi bidang atom terpadat adalah ABC/ABC/ABC dan seterusnya, sedangkan pada sel satuan hexagonal susunan padat orientasinya adalah AB/AB/AB dan seterusnya. D. Bidang Geser dan Arah Geser Sel satuan dalam kristal logam seperti fcc, bcc, dan hcp seperti yang ditunjukan pada tabel 4, maka adalah mungkin untuk diperkeras atau diperkuat melalui perlakuan panas pada logamnya, dengan tujuan untuk merubah struktur kristalnya, sehingga dengan demikian akan memperkecil jumlah sistem gesernya (sulit terdeformasi logamnya). Hal ini dapat dilakukan seperti pada proses pengerasan baja karbon dengan membuat fasa Martensite. Tabel 4. Bidang dan Arah Geser pada Kristal Logam. 3) Gambar 6. Susunan Bidang Padat dalam Sel Satuan fcc. 3) Gambar 7. Sel Satuan Hexagonal Susunan Padat. 3) Gejala ini sebagai dasar dari cara pengerasan baja karbon dengan membuat fasa Martensite, yaitu dengan jalan laku panas (heat treatment). Fasa Martensite mempunyai sifat yang keras dan rapuh. Adapun proses perlakuan panas untuk mendapatkan Martensite pada baja karbon sebagi berikut: Baja karbon dipanaskan sampai mencapai suhu diatas A 3 (memasuki daerah γ), kemudian ditahan sementara waktu guna mem- 53
Jurnal ESDM, Volume 5, Nomor 1, Mei 2013, hlm. 49-55 berikan kesempatan semua karbon yang larut didalam Ferite, terikat pada Cementite tertier, dan terikat pada Pealite untuk larut kedalam fasa γ. Setelah itu didinginkan secara cepat didalam media yang sesuai. Apabila diamati struktur sel satuan serta posisi atom karbon selama proses perlakuan panas maka pada suhu kamar Ferite memiliki struktur sel satuan bcc, sedangkan atom karbon sebagian larut pada Ferite (0,025% maksimum) terikat pada Cementite tertier, dan terikat pada fasa Pearlite (0,8% maksimum). Daerah γ struktur sel satuan adalah fcc, sedangkan atom karbon larut. Setelah didinginkan cepat menjadi fasa Martensite, karbon tetap larut karena tidak sempat kembali seperti keadaan semula, dan struktur sel satuannya bct dengan intertisi atom karbon ditengahnya. Mekanisme perubahan struktur sel satuan fcc menjadi bct adalah terjadinya geseran secara homogen, dislokasi twinning dan berakhir pada dislokasi glide. Intersisi atom karbon pada sel satuan bcc sehingga menjadi sel satuan bct, akan menyebabkan terjadinya perubahan sistem geser, dan juga menyebabkan medan tegangan disekitar atom karbon, sehingga meningkatkan kekuatan teoritik. Hal ini menyebabkan bahwa Martensite (bct) memiliki sifat mekanis yang keras dan kuat. Dimensi sel satuan bct sangat tergantung pada kandungan kadar karbon. E. Tegangan Kritis untuk Slip mulai terjadi Gambar 8. Tegangan Aksial dapat menghasilkan Tegangan Kritis dan menyebabkan Pergerakan Dislokasi pada Bidang Slip. 1) τ F.cosλ R = A. cosλ (2) τ R = F/A. cos λ.cos Φ = σ.cos λ.cos Φ...(3) Persamaan diatas memberikan tegangan geser pada bidang slip dengan arah sesuai dengan arah slip. ζ R maksimum untuk Φ = λ = 45 o, maka ζ R = 0,5 F/A. ζ R nol bila λ = 90 o atau Φ = 90 o material cenderung mengalami kegagalan dari pada slip bila beban bertambah. cos λ.cos Φ = m dan disebut dengan Schmid Factors.Tegangan geser yang harus diaplikasikan dengan arah (001) pada unit sel satuan kristal Nickel fcc agar menyebabkan slip pada sistem slip (111) [011], bila tegangan tariknya sebesar 13,70 M.Pa, adalah sebagai berikut: Gambar 8. Hubungan antara Kadar Karbon dan Berbagai Perlakuan Panas terhadap Kekerasan Baja Karbon. 3) Gambar 9. Sel Satuan Kristal Nickel fcc dibebani oleh Tegangan Tarik [001`] menghasilkan Tegangan Geser [111] pada Sistem Slip (111) [011]. 1) 54
Soegiarto, Pengaruh Sistem Geser Susunan... Cos Φ = a/ 3. a = 1/ 3 atau Φ = 54,74 o ζ R = σ. cos λ. cos Φ = (13,7 M.Pa). (cos 45 o ).(cos 54,74 o ) ζ R = 5,60 M.Pa Besar tegangan geser yang terjadi sebesar 5,60 M.Pa Φ = sudut antara normal bidang slip dengan arah beban. A cosφ = luas bidang slip yang terinklinasi Φ terhadap arah beban. 3. SIMPULAN Setiap logam mempunyai susunan sel satuan yang berbeda sehingga jumlah sistem gesernyapun tidak sama, berarti semakin besar jumlah sistem gesernya semakin mudah terjadi dislokasi untuk bergeser, sehingga logam tersebut mudah terdeformasi. Deformasi terjadi sebagai akibat geseran (slip), kemudian agar terjadi slip diperlukan Dislokasi, Tegangan Geser dan Sistem Geser. Pada komposisi tertentu, struktur sel satuan logam tergantung pada suhu. Dengan demikian hal tersebut diatas memungkinkan untuk mengeraskan logam melalui proses perlakuan panas (heat treatment), seperti halnya pengerasan baja karbon dihasilkan Martensite yang sifatnya keras dan kuat. Tegangan geser pada bidang slip sesuai dengan arah slip dan mempunyai nilai maksimum bila besar sudutnya Φ = λ = 45 o. 4. DAFTAR PUSTAKA 1. Hertzberg, R.W. Deformation and Fracture Mechanics of Engineering Materials. Third Edition, New York: John Wiley & Sons Inc; 1989. 2. Hosford,W.F., Robert M. Caddell. Metal Forming Mechanics and Metallurgy, Englewood Cliffs: Prentice-Hall International, Inc; 1983. 3. Smith, W.F. Principles of Materials Science and Engineering. New York: Mc Graw Hill Company;1990. Daftar Simbol r R F A λ = jari-jari atom yang kecil. = jari-jari atom yang besar. = beban tarik eksternal. = luas penampang tegak lurus dengan arah beban. = sudut antara arah slip dengan arah beban. 55