modul 3 material teknik

8/18/2019 Modul 3 Material Teknik

1/46

Modul ke:

Fakultas

Program Studi

MATERIAL TEKNIK KRISTALIN DAN DEFEK KRISTAL

DR. SAGIR ALVA M.S!03TEKNIKTeknik Mesin

Letakkan

foto

Terbaik

anda disini


2/46

Modul ke:

Fakultas

Program Studi

Jenis-jenis Padatan

Secara umum, padatan dapat diklasifikasikan menjadi:1. Kristalin : Zat padat yang susunan atomnya teratur

dan berulang dalam ruang tiga dimensi, sehinggamembentuk suatu struktur. Kristal Tunggal (Kristal ideal): Kristal tunggal yangsempurna tanpa cacat pada penempatan kisi-kisikristalnya

Polikristalin: merupakan suatu jenis kristal yang

tersusun dari kristal-kristal kecil lainnya

2. Amorphous: yaitu suatu padatan yang atom-otomnyatersususn secara tidak teratur


3/46

Modul ke:

Fakultas

Program Studi

Kristal terbentuk bilamana terjadi penurunan suatu energipotensial dari sistem ion atau molekul yang akan dihasilkandengan penyusunan ulang elektron pada tingkat yang lebihrendah.


4/46

Modul ke:

Fakultas

Program Studi

Struktur Kristal

Suatu struktur kristal dibangun oleh sel unit, sekumpulanatom yang tersusun secara khusus, yang secara periodik

berulang dalam tiga dimensi dalam suatu kisi. Spasi antarsel unit dalam segala arah disebut parameter kisi. Sifatsimetri kristalnya terwadahi dalam gugus spasinya.Struktur dan simetri suatu memainkan peran pentingdalam menentukan sifat-sifatnya, seperti sifat pembelahan,struktur pita listrik, dan optiknya.

Spasi antar sel unit dengan jarak tertentu


5/46

Modul ke:

Fakultas

Program Studi

Kisi kristal dan Sel Bangun (Crystal Lattices / Unit Cells)• Struktur padatan dapat dijabarkan secara tiga dimensidalam bentuk kisi-kisi atom, ion atau molekul.

Kisi 2 dimensi

Kisi 3

dimensi

Sel Bangun- bangun terkecil berulang yang semuanya memiliki

karakteristik penyusunan dari atom, ion atau molekul.

Kisi Kristal – Kumpulan sel bangun yang berulang secara tigadimensi.

Titik kisi - Titik sudut dari sel bangun dalam kisi kristal


6/46

Modul ke:

Fakultas

Program Studi

Struktur Kristal Metalik

Metal biasanya merupakan polycrystalline , meskipundemikian metal dimungkinkan menjadi amorf jika

logam cair/panas didinginkan secara mendadakmembentuk padatan.

Ikatan logam menyerupai ion-ion logam di dalam laut elektron. Karakteristik Metal : Dapat ditempa (malleable)Konduktor panas dan listrik yang baik dan memiliki

kisaran kekerasan dan titik leleh yang tinggi Jarak ikatan antar atom biasanya 0,1 – 0,2 nm Jenis yang paling umum dari unit sel adalah:a.Face-centre cubic (FCC)b.Body centre cubic (BCC)c.Hexagonal close packed(HCP)


7/46

Modul ke:

Fakultas

Program Studi

Struktuk Kristal FCC

Atom terletak di setiap sudut dan di pusat-pusat semua sisi

unit sel kubik. Contohnya logam Au, Ag, Cu, Al

Atom bersentuhan satusama lain secaradiagonal dengan

panjang sisi kubusadalah


8/46

Modul ke:

Fakultas

Program Studi

Nomor koordinasi (CN), jumlah tetangga terdekat yangsebuah atom berikatan = jumlah atom yang bersentuhan

satu sama lain = 12 Jumlah atom perunit sel adalah n=4, (Untuk atom yangdibagi dengan unit sel yang berdekatan m, kita hanyamenghitung fraksi atom, 1/m). Untuk FCC, kitamempunyai: 6 sisi atom menempati 2 sel : 6 x1/2= 38 sudut atom menempati 8 sel : 8 x1/8 = 1

Faktor kemasan atom (Atomic packing factor/APF),fraksi volume yang ditempati oleh atom = (Jumlahvolume atom) / (Volume sel) = 0,74 (maksimum yangdimungkinkan)


9/46

Modul ke:

Fakultas

Program Studi


10/46

Modul ke:

Fakultas

Program Studi

Sudut dan sisi atom dalam unit sel adalah setara Kristal FCC memiliki APF 0,74, kemasanmaksimum untuk sistem spasi (sfera) sama besar

FCC merupakan struktur kemasantertutup FCC dapat diwakili oleh tumpukan bidang-padat(bidang dengan kepadatan tertinggi atom)


11/46

Modul ke:

Fakultas

Program Studi

Body Centre Cubic (BCC) Atom disetiap sudut dan pusat dari kristal merupakanunit sel kubus. Contoh jenis kristal ini Cr, α-Fe dan Mo

Sfera atom pusat akan bersentuhan dengan setiap atom

lainnya secara diagonal dengan jarak dari ujung kubus keujung kubus (atom ke atom)

Nomor koordinasi CN = 8

Nomor atom perunit sel, n =2 Atom pusat (1), tidak dibagi dengan unit sel lainnya: 1x1 =1 8 atom pada sudut kubus dibagi kepada 8 unit sel : 8 x 1/8= 1 Nilai APF = 0,68 Atom pusat dan sudut adalah sebanding


12/46

Modul ke:

Fakultas

Program Studi

Struktuk Kristal Metalik Hexagonal Close Packed (HCP)

Merupakan salah satu jenis kristal yang umumdijumpai

Sebanyak 6 atom membentuk struktur heksagonaldan mengelililingi 1 atom pusat.

Disamping itu, HCP mempunyai 1 bidang yangsetengahnya menghadap ke atas (sumbu c) danterdapat 3 atom tambahan ditutup pada bidangbawah yang terdiri 6 atom dengan formasi

heksagonal Contoh logam dengan struktur seperti inidiataranya adalah Zn, Mg,Ti dan Cd


13/46

Modul ke:

Fakultas

Program Studi

Satu unit sel mempunyai 2 kisi yaitu a dan c dengan rasioperbandingan ideal c/a = 1,633

Nilai nomor koordinasi (CN) = 12

Jumlah atom perunit sel , n=6 yang terdiri dari :• 3 atom pada bidang tengah yang tidak dibagi kepadaunit sel lain : 3 x 1 = 3

• 12 atom sudut yang dibagi kepada 6 sel : 12 x 1/6 =2• 2 bidang atas/bawah bidang atom pusat yang dibagidengan 2 sel : 2 x 1/2 =1

Nilai APF = 0,74 Seluruh atom adalah setara


14/46

Modul ke:

Fakultas

Program Studi

Struktur Kemasan Tertutup (FCC dan HCP)

Kedua struktur FCP dan HCP mempunyai nilai AFP =0,74 (maksimum)

Kedua struktur kristal FCC dan HCP mungkindihasilkan oleh bidang rapat dan tersusun

Perbedaan diantara kedua struktur ini adalah terletakpada susunan urutan kristalnya


15/46

Modul ke:

Fakultas

Program Studi

FCC: sususnan urutan kristal ABCABCABC……

Bidang ketiga ditempatkan di atas "lubang" dari bidangpertama tidak tertutupi oleh bidang kedua


16/46

Modul ke:

Fakultas

Program Studi

HCP: sususnan urutan kristal ABABAB……

bidang ketiga ditempatkan langsung di atas bidangpertama dari atom


17/46

Modul ke:

Fakultas

Program Studi

Densiti atau kepadatan kristal

Karena seluruh kristal dapat dihasilkan oleh pengulangan

dari unit sel, kepadatan dari bahan kristal,ρ = densitas unit sel= (atom dalam sel satuan, n) × (massa atom, M) / (volume sel,

Vc)Jumlah atom di dalam unit sel, n: 2(BCC), 4(FCC) dan 6 (HCP)

Massa Atom, M = bobot atom (A) dalam sma (g/mol)

sebagaimana yang terdapat dalam tabel periodik. Untukmendapatkan Massa atom M (gram) dari sma adalah A dibagibilangan Avogadro = 6,023 x1023 atom/mol


18/46

Modul ke:

Fakultas

Program Studi

Polymorphis dan Allotrop

Beberapa padatan mempunyai lebih dari satu struktur kristaldan biasanya disebutpolymorphis. Jika suatu padatanmerupakan hanya terdiri dari atom dengan berbagai variasistruktur padatan disebutallotrop. Contoh dari allotropadalah adalah karbon yang hadir sebagai grafit, intan, carbonnanotube,


19/46

Modul ke:

Fakultas

Program Studi

Bahan Kristal Tunggal dan Polikristal

Kristal Tunggal adalah atom yang tersusun berulangsecara teratur pada seluruh luasnya materi

Polikristal : merupakan terdiri dari banyak kristal kecilatau butiran. Butiran tersebut mempunyai banyak variasiorientasi kristalografi. Ada ada ketidakcocokan atom dalamwilayah di mana butiran bertemu. Daerah ini disebut batasbutiran (grain boundries)


20/46


21/46

Modul ke:

Fakultas

Program Studi

Non Kristalin (Amorphous)

Dalam padatan amorf, tidak ada urutan jarak jauh. Tapi

amorf tidak berarti acak. dalam banyak kasus adabeberapa bentuk urutan jarak pendek.


22/46

Modul ke:

Fakultas

Program Studi

Defek Kristal

Menurut Colin Humprey, kristal itu juga seperti layaknya

manusia yang juga bisa menjadi cacat jika diberikan suatugangguan keatas mereka. Mengapa mengetahui kecacatan kristal adalah penting?Hal ini karena kecacatan kristal akan memberikanberbagai variasi sifat dan karakteristik dari kristal.Seperti contoh sederhana adalah kecacatan dalam

penyusunan atom-atom dalam pembentukan intan akanmempengaruhi warna dan harga intan


23/46

Modul ke:

Fakultas

Program Studi

Defek kristal dapat dimunculkan/dihilangkan

selama proses pembentukan kristal seperti skema

berikut

Dengan modifikasi ataurekayasa material, makamemungkinkanseseorang untukmendesain sifat yang

diperlukantanpa perubahankomposisi dari materi,tapi hanyadengan memanipulasicacat kristal


24/46

Modul ke:

Fakultas

Program Studi

Jenis-jenis Defek (kecacatan kristal)

Defek kristal dapat dibagi menjadi empat mengikuti bentuk

dimensinya 0D, Point Defect : atom-atom hilang atau di tempat-tempat yang tidak teratur dalam kisi (kekosongan kisi,terjadinya pertukaran atom atau masuknya atom asinglainnya)

1D, Linear Defect : kelompok atom di posisi yang tidak

teratur (misalnya sekrup dan dislokasi) 2D, Planar Defect: terjadi pada antarmuka diantaradaerah homogen bahan (seperti grain boundries,kesalahan penyusunan atom, permukaan luaran)

3D, Volume Defect : kecacatan yang dipanjangkan (contoh: terbentuknya pori-pori atau keretakan pada kristal)


25/46

Modul ke:

Fakultas

Program Studi

0D, Point Defect : Vacancies (Kekosongan)

Kekosongan selalu hadir dalam kristal dan terjadi pada suhutinggi, ketika atom sering dan secara acak mengubah posisinyadan meninggalkan suatu kisi kosong

Jumlah kekosongan kristal dapat hitung melalui rumus

Dimana Ns adalah jumlah situs kisi biasa, kB adalah

konstanta Boltzmann, Qv adalah energi yang diperlukanuntuk membentuk sebuah situs kisi kosong dalam kristalyang sempurna, dan T Suhu dalam Kelvin


26/46

Modul ke:

Fakultas

Program Studi


27/46

Modul ke:

Fakultas

Program Studi

Jenis Defek lainya dari 0D

1.Vakansi (Kekosongan)2.Self-interstitial(Interstisial sendiri)

3.Pengotor interstisial4.Pengotor penganti5.Pengotor penganti


28/46

Modul ke:

Fakultas

Program Studi

Self-interstitials:

Self-interstisial dalam logam menyebabkan distorsi besardikisi sekitarnya

energi pembentukan diri interstitial adalah ~ 3 kali lebihbesar dibandingkan dengan lowongan (Qi ~ 3 × Qv)

kesetimbangan konsentrasi diri interstisi sangat rendah(kurang dari satu diri interstitial per cm3 pada suhu

(T)ruang)

PENGOTOR

Seluruh metal adalah tidak murni (99,9999%) Alloy : campuran metal baik sengaja atau tidak sengaja

contoh : perak sterling yang terdiri dari campuran 92,5% perak + 7,5% tembaga dan mempunyai kekuatan lebihkuat dari perak


29/46

Modul ke:

Fakultas

Program Studi

PADATAN DENGAN PENGOTOR LARUTAN PADAT

Larutan padatan merupakan suatu bahan pelarut yangmelarutkan sedikit bahan terlarut (padatan)

Pertukaran Larutan Padatan


30/46

Modul ke:

Fakultas

Program Studi

Faktor-faktor yang mempengaruhi kelarutan yangtinggi: Faktor ukuran atom : ukuran radii atom pelarut

dan terlarut ~15% Struktur kristal pelarut dan terlarut haruslah sama Elektronegatifitas pelarut dan terlarut haruslahsebanding

Umumnya, dalam logam, kebanyakan bahanterlarut masuk ke pelarut ketika memiliki valensi

lebih tinggi dari pelarut

Larutan Padatan Interstisial

Larutan padatinterstitial dari C di α-FeC atom cukup kecil

untuk masuk, setelahmenyebabkan beberapa galur ke dalam kisi BCC.


31/46

Modul ke:

Fakultas

Program Studi

Faktor-faktor yang mempengaruhi kelarutan yang tinggi

Untuk fcc, bcc, struktur hcp void (atau celah) antara atom

tuan rumah relatif kecil jari-jari atom dari zat terlarut harus secara signifikankurang dari pelarut. Biasanya, konsentrasi zat terlarutmaksimum ≤10%, misalnya 0,25 wt.% Untuk C di α-Fe(BCC), 2,06 wt.% Untuk C di γ-Fe (FCC)

Komposisi/Konsentrasi

Komposisi dapat dinyatakan dalam: persen berat, berguna ketika membuat larutan atom persen, berguna ketika mencoba untuk memahamimateri pada tingkat atom

Persen berat (wt%): berat dari elemen tertentu relatif

terhadap berat total campuran. Untuk sistem duakomponen, konsentrasi elemen 1 di wt. % adalah:

m1and m2 adalah massa dari dua komponen


32/46

Modul ke:

Fakultas

Program Studi

Atom persen (%): jumlah mol (atom) dari elementertentu relatif terhadap jumlah total mol (atom) di

paduan. Untuk sistem dua komponen, konsentrasikomponen 1 dalam % adalah :

Dimana nm1= m’1 /A1, m’1 adalah massa dalam gram darikomponen 1 A1 adalah massa atom komponen 1

Konversi Komposisi% Berat ke % Atom


33/46


34/46

Modul ke:

Fakultas

Program Studi

Dislokasi : 1D: Linear Defect

Dislokasi cacat linear: ikatan interatomik secara signifikanterdistorsi hanya di sekitar langsung dari garis dislokasi.Daerah ini disebut inti dislokasi. Dislokasi juga membuatdeformasi elastis kecil kisi pada jarak lebar.


35/46

Modul ke:

Fakultas

Program Studi

Deskripsi Dislokasi- Vektor Burgers

Untuk menggambarkan ukuran dan arah distorsi kisi yangdisebabkan oleh dislokasi kita harus memperkenalkan apayang disebut vektor Burgers, b. Untuk menemukan vektorBurgers, kita harus membuat rangkaian dari dari atom keatom menghitung jumlah yang sama dari jarak atom ke segalaarah. Jika rangkaian penutup dislokasi itu tidak akanmenutup. Vektor yang menutup loop adalah vektor Burgers b.


36/46

Modul ke:

Fakultas

Program Studi

Dislokasi yang ditunjukkan di atas memiliki Burgers vektordiarahkan tegak lurus terhadap garis dislokasi. Dislokasi inidisebut ujung dislokasi.

Tepi dan sekrup dislokasi

Dislokasi ditampilkan di slide sebelumnya adalah dislokasi.Mereka memiliki Burgers vektor diarahkan tegak lurusterhadap garis dislokasi.

tipe dasar kedua dislokasi, disebut dislokasi sekrup.

Sekrup dislokasi sejajar dengan arah di mana kristalsedang digantikan(Burgers vektor sejajar dengan garisdislokasi).


37/46

Modul ke:

Fakultas

Program Studi

Dislokasi campuran/sebagian

Struktur yang tepat dari dislokasi dalam kristal nyata

biasanya lebih rumit daripada yang ditampilkan di halamanini. Tepi dan sekrup dislokasi adalah bentuk ekstrim hanyadari struktur dislokasi yang mungkin. Kebanyakan dislokasitelah dicampur tepi / karakter sekrup.

Untuk menambah

kompleksitas struktur cacat nyata, dislokasisering terbelah "parsial"dislokasi yang memilikiintinya tersebar di area yang lebih besar.


38/46

Modul ke:

Fakultas

Program Studi

Di mana dislokasi berasal?

Jumlah dislokasi dalam suatu material dinyatakansebagai dislokasi dengan kepadatan total panjangdislokasi per satuan volume atau jumlah dislokasi

memotong satuan luas. Kepadatan dislokasi dapat bervariasi dari 105 cm-2 dalamkristal logam yang secara berhati-hati dipadatkan ke 1012

cm-2 dalam logam yang cacat berat .

Kebanyakan bahan kristal, terutama logam, memiliki

dislokasi di bagian padatan kristal yang terbentuk,terutama sebagai akibat dari tekanan (mekanik,termal ...) terkait dengan proses pembentukan.

Jumlah dislokasi meningkat secara dramatis selamadeformasi plastik

Gambar ini adalah

snapshot darisimulasi deformasiplastik di fcc kristal tunggal (Cu) daridimensi linear 15mikrometer.


39/46

Modul ke:

Fakultas

Program Studi

Defek Planar (antarmuka) cacat

Permukaan Eksternal

Atom permukaan telah memiliki ikatan atom yang besar ,dan energi lebih tinggi dari atom massal. Energipermukaan, γ (J / m2).

Minimalisasi daerah permukaan dengan mengurangi energidari sistem (misalnya cairan drop)

Permukaan padat dapat "merekonstruksi" untuk memenuhiikatan atom di permukaan.

Grain Boundaries (Lihat pada slide sebelumnya, slide 19)

Batas butiran sudut tinggi dan rendah

Tergantung pada misalignments bidang atom antara butiranyang berdekatan , sehingga kita dapat membedakan antarabatas butiran sudut rendah dan tinggi


40/46

Modul ke:

Fakultas

Program Studi


41/46

Modul ke:

Fakultas

Program Studi

Batasan butir sudut rendah

Batas butir sudut kecil dapat

digambarkan sebagai array dislokasi.Ini adalah mikroskop elektron transmisi gambar dari bataskemiringan sudut kecil di Si. Garismerah menandai dislokasi tepi, sudutantara garis biru sesuai dengan sudut

kemiringan.


42/46

Modul ke:

Fakultas

Program Studi

Interaksi antara dislokasi dan batasan butiran

Gerak dislokasi dapat terhambat oleh batas butir -peningkatan gaya yang dibutuhkan untuk memindahkankemudian (penguatan materi).

Batasan butiran hadir sebagai penghalang untuk gerakdislokasi: slip terputus atau perubahan orientasi.Batas butir sudut kecil tidak sangat efektif dalam

menghalangi dislokasi.


43/46

Modul ke:

Fakultas

Program Studi

Batas butir kemiringan dan memutar

Jika sumbu rotasi yang sesuai dengan sudut salah-orientasi

antara butir berdekatan adalah sejajar dengan bidang batas,batas butir disebut batas kemiringan (mempertimbangkangabungan dari dua Irisan).

Sebuah kecil-sudut kemiringan batas

butirdapat direpresentasikan sebagaiarrayselaras dislokasi.

Jika salah-orientasi yang terjadi disekitar sumbu yang tegak lurus terhadap

bidang batas, batas butirdisebut batas butir sentuhan


44/46

Modul ke:

Fakultas

Program Studi

Batasan Kembar

Energi rendah batas kembar dengan posisi atom cermin dibatas dapat dihasilkan oleh deformasi bahan.

Hal ini menimbulkan bentuk logam memori, yang dapatmemulihkan bentuk aslinya jika dipanaskan sampai suhutinggi.

Paduan bentuk-memori kembar dan ketika mereka cacatuntwin. Pada suhu tinggi mengembalikan kembali ke

konfigurasi kembar asli dan mengembalikan bentuk asli.


45/46

Modul ke:

Fakultas

Program Studi

Cacat Massal dan Volume

Berlubang Retak Kemasukan asing (Foreign Inclusion)

Adanya cacat Volume dapat sangat mempengaruhi sifatlistrik, mekanik, termal, dan optik suatu bahan

Sekelompok retakan mikro dalamgranula melanin diiradiasi dengansinaran laser pendek.


46/46

Modul ke:

Fakultas

Program Studi

Simulasi atomistik penjalaran retak

modul 3 material teknik

Documents