DISLOKASI DAN MEKANISME PENGUATAN

DISLOKASI DAN MEKANISME PENGUATAN

1 h t t p://ta ufiqurrach man.webl og.e sa unggu l.ac.id DISLOKASI DAN MEKANISME PENGUATAN TIN107 Material Teknik Dislokasi http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 2 Logam terdiri dari kristal yang merupakan susunan atom yang beraturan Dalam kristal terdapat cacat kisi yang dinamakan dislokasi Pergerakan dislokasi ke permukaan akan menjadi deformasi Suatu kristal logam tanpa dislokasi akan berkekuatan 10.000 kali kekuatan sesungguhnya Kristal logam biasa mengandung 105~108 cm/cm3 dislokasi Pemberian deformasi plastis atau pengerjaan dingin akan meningkatkan dislokasi 1 Mekanisme Deformasi (Logam) http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id

3 Kekuatan teoritis dari kristal yang sempurna jauh lebih tinggi dari pada yang sebenarnya diukur. Perbedaan dalam kekuatan dijelaskan oleh dislokasi. mekanis dapat Pada skala makroskopik, deformasi plastis berhubungan dengan gerakan sejumlah besar atom sebagai respons terhadap tekanan yang diberikan. Ikatan yg ada dalam atom pecah dan melakukan reformasi. Dislokasi Tepi dan Dislokasi Ulir http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 4 Pada Edge Dislocation (dislokasi tepi), penyimpangan kisi lokal terjadi disekitar akhir extra halfplane (setengah bidang tambahan) dari atom. Screw Dislocation (dislokasi ulir) dihasilkan dari penyimpangan geser. Banyak dislokasi dalam material kristalin (crystalline) memiliki keduanya (komponen edge dan screw), yang disebut Mixed Dislocation (dislokasi campuran). 2

Edge Dislocation (Dislokasi Tepi) http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 5 Extra half-plane (tambahan Simbol setengah bidang) dari atom Sumber: A. G. Guy, Essentials of Materials Sciences Garis dislokasi tepi: searah dengan bidang Atom di atas garis dislokasi berada dalam kompresi (tekanan), dan yang di bawah dalam tegangan. Screw Dislocation (Dislokasi Ulir) http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 6 Dislokasi ulir (screw dislocation) dalam sebuah kristal Tampak atas dislokasi ulir (screw dislocation), AB adalah garis dislokasi ulir Simbol Sumber: W. T. Read, Jr., Dislocations in Crystal 3

Gerak Dislokasi http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 7 Gambaran persamaan antara ulat dan gerak dislokasi Secara bertahap memecahkan ikatan. Jika dislokasi tidak bergerak, deformasi tidak akan terjadi, namun retakan (fracture) akan seperti keramik. Penggolongan Dislokasi & Material http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 8 Metals (Logam): Logam: gerak dislokasi lebih mudah Tidak ada arah ikatan Arah tumpukanpadat untuk slip. Electron Cloud (Awan Elektron) Ion Cores (Inti Ion) 4 Penggolongan Dislokasi & Material http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 9 Covalent Ceramics (Si, Diamond): Sulit bergerak. Arah ikatan angular/membentuk sudut.

Penggolongan Dislokasi & Material http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 10 Ionic Ceramics (NaCl): Sulit bergerak. Perlu untuk menghindari ++ dan saling berdekatan. 5 Density (Kepadatan) Dislokasi http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 11 Total panjang dislokasi per satuan volume material Atau, jumlah dislokasi yang bersinggungan dengan satuan luas sebuah bagian secara acak Umumnya menentukan kekuatan material Metals (dipadatkan) Metals (dideformasi/berubah bentuk) Metals (dipanaskan) Keramik Silikon kristal tunggan untuk ICs : 103 mm-2 : 109-1010 mm-2 : 105-106 mm-2 : 102-104 mm-2 : 0.1-1 mm-2 Daerah Bidang Regangan http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id

12 Edge dislocation (disloksai tepi): kompresi/tekanan (di atas garis dislokasi) & tegangan (di bawah garis dislokasi) Screw dislocation (dislokasi ulir): pergeseran Sumber: W. G. Moffat, G. W. Pearsall, dan J. Wulff, The Structure and Properties of Materials Bidang tekanan & regangan menurun dengan jarak radial dari garis dislokasi 6 Interaksi Dislokasi http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 13 Bidang regangan dari satu dislokasi dapat mempengaruhi dislokasi sekitarnya. Dua dislokasi yang serupa dapat saling tolak. Dislokasi yang berbeda dapat saling menarik dan memusnahkan satu sama lain. Sistem Slip http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 14

Dislokasi tidak bergerak dengan tingkat kemudahan yang sama pada semua bidang dan arah kristalografi. Ada bidang yang lebih disukai (bidang slip) dan arah yang diinginkan (arah slip). Bidang slip adalah bidang dengan kepadatan planar yang lebih tinggi dari atom, dan arah slip adalah garis linier dengan kepadatan yang tinggi. Sistem slip: kombinasi dari bidang slip and arah slip. 7 Sistem Slip Contoh FCC http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 15 Slip Direction 110 : Kepadatan linier tertinggi, Bidang Slip {111}: Balutan atom yang padat, Slip Dalam Kristal Tunggal http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 16 Kristal tunggal mudah untuk dikondisikan, dapat digeneralisasi menjadi polycrystal. Terlepas dari jenis tekanan yang diberikan pada material, deformasi plastis atau gerak dislokasi terjadi karena tegangan geser. Beberapa komponen tekanan yang diberikan merupakan tegangan geser pada sepanjang bidang slip dan arah slip. Komponen ini disebut penyelesaian (resolved) tegangan geser

8 Resolved (Penyelesaian) Tegangan Geser (R) http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 17 slip plane normal, ns ns A As τ R= Fcosλ = σcosλcosυ A/cosυ Critical Resolved Shear Stress (CRSS) http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 18 Kondisi untuk gerak dislokasi: R > CRSS Orientasi kristal dapat membuat gerak dislokasi menjadi mudah atau sulit. R = cos λ cos f Kemungkinan maksimum: R = /2 sehingga y = 2CRSS 9

Contoh BCC http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 19 Slip system: {110}<111> = 45 dan = tan-1(a2/a) = 54.7 atau dapat dihitung jika salah satu dari atau telah diketahui Gerak Dislokasi Polycrystals http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 20 Bidang dan arah slip (, ) berubah dari satu kristal ke kristal lain. R akan bervariasi dari satu kristal dengan kristal lain. Pertama kristal dengan R yields tertinggi. Kemudian kristal lainnya yang yield kurang baik. Material Polycrystalline umumnya lebih kuat dibanding kristal tunggal, karena kendala geometris dan kebutuhan tekanan yield yang lebih besar. 300 mm Sumber: Callister 6e 10 Meknisme Penguatan http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id

21 Deformasi plastis makroskopik berhubungan dengan gerakan sejumlah besar dislokasi. Kemampuan logam untuk berubah bentuk secara plastis tergantung pada kemampuan gerak dislokasi. Hampir semua teknik penguatan mengandalkan pada membatasi atau menghalangi gerak dislokasi. Terdapat 4 mekanisme, antara lain: Reduce grain size (mengurangi ukuran butir) Solid-solution strengthening (penguatan larutan padat) Precipitation strengthening (penguatan pengendapan) Strain hardening or cold working (pengerasan regangan atau pengerjaan dingin) Strategi Penguatan: Reduce Grain Size http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 22 Batas butir merupakan hambatan untuk slip. Dislokasi telah mengubah arah. Daerah batas butir yang tidak teratur, menyebabkan ketidaksinambungan dalam bidang slip. Kekuatan hambatan bertambah dengan miss-orientation (salah arah). Lebih kecil ukuran butir: lebih banyak hambatan untuk slip. Persamaan Hall-Petch: σ yield σ o k y d 1 2 Sumber: Callister, A Textbook of Materials Technology

11 Contoh Penguatan Grain Size http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 23 Ukuran butir (grain size) dikendalikan oleh perlakuan panas (misalnya: laju pendinginan selama pemadatan, pendinginan/ annealing) σ yield σ o k y d 1 / 2 Anisotropy dalam yield http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 24 Dapat disebabkan dengan me-rolling logam polycrystalline Sebelum di rolling Setelah di rolling Arah rolling Isotropik Butir kurang lebih berbentuk bola & berorientasi secara acak. Anisotropic Karena proses rolling berpengaruh terhadap orientasi butir & bentuk.

12 Strateg Penguatan 2: Solid-solution http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 25 Atom Impurity mengetarkan kisi & menghasilkan tekanan. Tekanan dapat menghasilkan penghalang untuk gerak dislokasi. Substitusi atom impurity yang lebih kecil Atom impurity menghasilkan pergeseran lokal di A dan B yang melawan gerak dislokasi ke kanan. Substitusi atom impurity yang lebih besar Atom impurity menghasilkan pergeseran lokal di C dan D yang melawan gerak dislokasi ke kanan. Penguatan Solid-Solution http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 26 Atom impurity tertarik dislokasi sehingga dapat mengurangi energi regangan secara keseluruhan, yaitu untuk membatalkan sebagian regangan dalam kisi di sekitar dislokasi. Jika dislokasi ingin bergerak, ia harus melepaskan dirinya dari atom impurity yang membutuhkan energi. Atom impurity yang lebih kecil di atas garis dislokasi Atom impurity yang lebih besar di bawah garis dislokasi 13 Contoh Penguatan Solid-solution http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id

27 Pengaruh Nikel (zat terlarut) pada Copper (a) Kekuatan tarik, (b) Kekuatan yield, dan (c) Keuletan (% elongation pemanjangan). Strategi Penguatan 3: Precipitation http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 28 Pengendapan yang keras sulit untuk di geser. Contoh: Keramik dalam logam (SiC dalam Besi atau alumunium). Hasilnya: y~ 1 S 14 Aplikasi Penguatan Precipitation http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 29 Struktur sayap Boeing 767 Aluminium diperkuat dengan pembentukan endapan (precipitation) oleh paduan 1.5mm TIN107 - Material Teknik

Strategi Penguatan 4: Cold Work (%CW) http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 30 Deformasi suhu ruang. Umumnya operasi pembentukan mengubah luas penampang. Forging Rolling force die Ao blank %CW Ad force Extrusion Ao Drawing die Ad die Ao Ad x 100 Ao tensile force 15 Dislokasi Selama Cold Work http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 31 Paduan Ti setelah cold working:

Dislokasi melibatkan satu sama lain selama cold work. Dislokasi gerak menjadi lebih sulit. Hasil Cold Work http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 32 Kepadatan dislokasi (ρd) berubah naik menjadi: Sampel Carefully prepared: ρd ~ 103 mm/mm3 Sampel Heavily deformed: ρd ~ 1010 mm/mm3 Cara mengukur kepadatan dislokasi: 40mm Atau N d A Area, A dislocation pit N dislocation pits (revealed by etching) 16 Hasil Cold Work http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 33 Tekanan yield peningkatan ρd : meningkat sejalan dengan

Dislocation Trapping http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 34 Dislokasi menghasilkan tekanan. Ini merupakan perangkap untuk dislokasi lain. 17 Dampak Cold Work http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 35 Meningkatkan tekanan yield. Kekuatan tarik (tensile strength/ TS meningkat. Keuletan (%EL or %AR) berkurang secara drastis. Analisa Cold Work http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 36 Berapa kekuatan tarik & keuletan setelah bekerja dingin? %CW

ro2 r d2 ro2 x100 35.6% 18 Pengaruh Pemanasan Setelah %CW http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 37 1 jam perlakuan pada Tannealing menurunkan TS & mengingkatkan %EL. Pengaruhnya adalah berbanding terbalik. Kesimpulan http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 38 Gerak dislokasi berhubungan terhadap deformasi plastis. Kekuatan meningkat dengan membuat menghambat gerak dislokasi. Cara-cara untuk meningkatkan kekuatan antara lain: Decrease grain size (Mengurangi ukuran butir) Solid-solution strengthening (Penguatan larutan padat) Precipitate strengthening (Penguatan endapan) Cold work (Pendinginan) Pemanasan (heating)

atau pendinginan (anneling) dapat mengurangi kerapatan dislokasi dan meningkatkan ukuran butir. 19