Date post: | 08-Jan-2016 |
Category: |
Documents |
Upload: | septian-wahyu-widodo |
View: | 124 times |
Download: | 2 times |
of 15
11995
KETIDAKSEMPURNAAN BAHAN PADAT&
MEKANISME PENGUATAN UMY
UniversitasMuhammadiyah Yogyakarta
www.umy.ac.id
Aris W Nugroho
Mechanical Engineering Department
1995
KETIDAKSEMPURNAAN
2
Semua bahan padat mengandung sejumlah cacat atau ketaksempurnaan terutama pada proses solidifikasi. Susunan yang sempurna di keseluruhan material kristal pada skala atom tidaklah ada.
Cacat titikVakansiInterstisiSubstitusi
Cacat garis
Cacat bidang
Dislokasi
Batas butir
1995
3
Vakansi adalah kekosongan sisi kisi, yaitu sisi yang seharusnya ditempatiatom, kehilangan atomnya.
Vakansi terbentuk selama proses pembekuan, dan juga karena getaran atom yang mengakibatkan perpindahan atom dari sisi kisi normalnya
Angka kesetimbangan vakansi, Nv untuk material tertentu tergantung ataskenaikan temperatur sesuai dengan persamaan:
dimana N = jumlah total sisiQv = energi yang diperlukan untuk membentuk vakansiT = temperatur mutlak, Kk = konstanta Boltzmqan = 1,38 x 10-23 J/atom-K
= 8,62 x 10-5 eV/atom-K
KETIDAKSEMPURNAAN
1995
Contoh Soal :
Hitunglah angka kesetimbangan vakansi per meter kubik untuk
tembaga pada suhu 1000 0C. Energi pembentukan vakansi adalah
0,9 eV/atom; berat atom dan kerapatannya (pada 1000 0C)
masing-masing adalah 63,5 g/mol dan 8,4 g/cm3.Jawab :
4
Jumlah vakansi pada 1000 0C (1273) adalah:
21995
5
Cacat Frenkel adalah kekosongan pasangan ion dan cation interstitial, atau kekosongan pasangan ion dan anion interstitial. Namun ukuran anion jauh lebih besar dari pada kation maka sangat sulit untuk membentuk anion interstitial.
Cacat Schottky adalah kekosongan pasangan kation dan anion. Keduanya cacat Frenkel dan Schottky, pasangan cacat titik tetap berdekatan satu sama lain karena tarikan coulomb yang kuat antara muatan yang berlawanan.
KETIDAKSEMPURNAAN
1995
Interstisi-Diri (self-interstitial) adalah sebuah atom dari bahan kristal yang
berdesakan ke dalam sisi interstisi, yaitu ruang kosong kecil dimana
dalam kondisi normal tidak diisi atom.
Pada logam, interstisi diri mengakibatkan distorsi yang relatif besar di
sekitar kisi karena atom interstisi lebih besar dari ruang interstisi. Karena
itu pembentukan cacat ini kemungkinannya kecil, dan juga
konsentrasinya kecil, dimana konsentrasinya jauh lebih kecil dari cacat
vakansi
6
KETIDAKSEMPURNAAN
1995
7
Cacat substitusi, terjadi bila atom lain menggantikan atom penyusun bahan dengan syarat ukuran atomnya sama supaya struktur kristalnya tidak berubah
Cacat Interstisi, terjadi bila ukuran atom asing dengan atom penyusun bahan berbeda, ukuran atom asing lebih kecil dari atom penyusun bahan sehingga akan terjadi penyisipan atom asing kedalam kisi bahan
KETIDAKSEMPURNAAN
1995
Impuritas Pada Bahan Padat
Impuritas adalah atom asing yang hadir pada material. Logam murni yang hanya terdiri dari satu jenis atom adalah tidak mungkin.
Impuritas bisa menyebabkan cacat titik pada kristal. Ada paduan dimana atom impuritas sengaja ditambahkan untuk mendapatkan karakteristik tertentu pada material seperti untuk meningkatkan kekuatan mekanik atau ketahanan korosi.
Contohnya, perak sterling adalah paduan 92,5% perak - 7,5% tembaga dimana perak yang ditambahkan tembaga akan menaikkan kekuatan mekaniknya secara signifikan.
8
Penambahan atom impuritas ke logam akan mengakibatkan pembentukan larutan padat dan/atau fasa kedua yang baru, tergantung pada jenis impuritas, konsentrasi dan temperatur paduan
KETIDAKSEMPURNAAN
31995
Dislokasi Cacat Linier Dislokasi adalah cacat linier atau satu dimensi dimana didekatnya beberapa
atom tidak segaris.
Ada 3 jenis dislokasi yaitu :
Dislokasi sisi,
Dislokasi ulir dan
Dislokasi campuran.
Dislokasi sisi/pinggir adalah terdapatnya bidang atom ekstra atau setengah
bidang, dimana sisinya terputus di dalam kristal. Gambar 4.3 memperlihatkan
skematik dari dislokasi sisi.
9
KETIDAKSEMPURNAAN
1995
Dislokasi sisi/pinggir adalah terdapatnya bidang atom ekstra
atau setengah bidang, dimana sisinya terputus di dalam kristal.
Gambar dibawah memperlihatkan skematik dari dislokasi sisi.
10
Dislokasi sisi disimbolkan dengan
KETIDAKSEMPURNAAN
1995
Dislokasi ulir terbentuk karena gaya geser yang diberikan
menghasilkan distorsi seperti yang ditunjukkan Gambar di bawah.
Daerah depan bagian atas kristal tergeser sebesar satu atom
kekanan relatif terhadap bagian bawah. Dislokasi ini disimbolkan
dengan .
11
KETIDAKSEMPURNAAN
1995
Jika pada material dijumpai kedua jenis dislokasi diatas maka
disebut material mempunyai dislokasi campuran. Contoh
dislokasi campuran bisa dilihat pada gambar 4.5.
12
Dislokasi pada material ditimbulkan : selama proses pembekuan, karena deformasi plastis, karena tegangan termal sebagai hasil pendinginan cepat.
KETIDAKSEMPURNAAN
41995
Cacat Antar Muka
Cacat antar muka adalah batas yang mempunyai dua dimensi
yang biasanya memisahkan daerah-daerah pada material yang
mempunyai struktur kristal dan/atau orientasi kristalografi yang
berbeda.
Cacat jenis ini antara lain: permukaan luar, batas butir, batas
kembar, kesalahan tumpukan dan batas fasa.
13
KETIDAK-SEMPURNAAN
1995
Permukaan Luar
Satu dari batas yang paling jelas adalah permukaan
luar/eksternal, dimana struktur kristal berakhir.
Atom-atom permukaan tidak terikat ke semua atom terdekat, dan
karenanya akan mempunyai tingkat energi yang lebih tinggi
daripada atom-atom di bagian dalam.
Ikatan atom-atom permukaan ini yang tak terpenuhi memberikan
kenaikan energi permukaan, dinyatakan dalam satuan energi per
satuan luas (J/m2). Untuk menurunkan energi ini, material jika
memungkinkan cendrung meminimalkan luas permukaan total.
14
KETIDAK-SEMPURNAAN
1995
15
KETIDAK-SEMPURNAAN
Permukaan Luar
1995
Batas Butir Batas butir memisahkan dua butir atau kristal kecil yang mempunyai orientasi
kristalografi yang berbeda pada material polikristal.
Batas butir secara skematik digambarkan pada gambar 4.7. Didalam batas
butir terdapat atom yang tak bersesuaian pada daerah transisi dari orientasi
kristal butir satu ke butir lain didekatnya.
16
KETIDAKSEMPURNAAN
51995
Batas Kembar
Batas kembar adalah batas butir tipe khusus dimana terdapat
simetri kisi cermin, yaitu atom-atom pada sebuah sisi batas
berada pada posisi cermin dari atom-atom pada sisi lainnya
(gambar 4.9). Daerah antara batas butir ini disebut kembar/twin.
17
KETIDAK-SEMPURNAAN
1995
CACAT BULK ATAU VOLUME
Cacat lainnya yang ada pada semua material padat dimana
cacat ini lebih besar dari yang sudah dibicarakan adalah pori,
retak, inklusi benda asing dan fasa-fasa lainnya.
Cacat-cacat ini timbul biasanya selama tahap-tahap proses dan
pabrikasi.
18
KETIDAK-SEMPURNAAN
1995
19
Deformasi (plastis) &Mekanisme Penguatan
1995
20
Deformasi plastis dapat terjadi melalui
61995
Perambatan Dislokasi
Dislokasi & deformasi plastis
Logam kubik & heksagonal deformasi plastis oleh geseran plastis
or slip dimana satu bidang atom bergeser ke bidang disekitarnya
dengan perambatan cacat (dislokasi).
21
Jika dislokasi tidak bergerak, deformasi tidak terjadi
Mekanisme deformation plastis :1. slipping 2. twinning
1995
Mekanisme Twinning
Sebagian dari kisi atom terdeformasi sedemikian rupa
sehngga membentuk suatu gambar cerminan dari kisi
berikutnya yang tidak terdeformasi
Bidang twinning: adalah bidang di antara kisi-kisi logam
yang terdeformasi dan tidak terdeformasi
22
1995
23
Slip: adalah suatu proses dimana deformasi plastis dihasilkan oleh perambatandislokasiThe slip system tergantung pada struktur kristal dari
Densitas dislokasi : dinyatakan sbg panjang dislokasi total per unit volum, atau
, jumlah dislokasi yang memotong satuan luas dari suatu penampang.
Satuan dari densitas dislokasi adalah millimeters of dislocation per cubic
millimeter or just per square millimeter. Dislocation densities as low as 10 3
mm -2
Asemua logam mengandung dislokasi yang terbentuk selama : 1.solidifikasi ,
2. deformasi plastis, dan sbg konsekuensi dari 3. tegangan thermal dari proses
pendinginan cepat.
1995
Mekanisme Slipping
Sistem Slip
Bidang Slip bidang dimana garis dislokasi berjalan
Bidang memungkinkan slip paling mudah
Kerapatan bidang paling tinggi
Arah Slip arah dari pergeseran - Highest linear densities
Slip pada FCC Slip terjadi pada bidang {111} (close-packed) di arah
(close-packed)
=> total of 12 slip systems in FCC
Pada BCC & HCP slip systems yang lain terjadi.
24
71995
25
Bidang slip biasanya di bidang tumpuk yang paling padat/rapat.Slip terjadi di bidang tumpukan yang padat karena dibutuhkan tegangan geser yang lebih rendah untuk pergeseran atom-atom dibandingkan dengan bidang tumpukan yang kurang padat.
Slip di arah tumpukan yang padat juga lebih mungkin terjadi karena energi yang dibutuhkan untuk menggeser atom-atom dari satu posisi ke posisi (jika atom2 bedampingan) lebih rendah
Faktor yg berpengaruh : 1. Densitas tumpukan2. Jarak antar bidang
1995
Bidang dan arah Slip pada Bidang dan arah Slip pada Bidang dan arah Slip pada Bidang dan arah Slip pada BCCBCCBCCBCC
{110} bidang pd arah Slip systems: 6 x 2 =12
< 1 11>
{211 bidang pada arah Slip systems: 12 x 1 =12
< 1 11>
{321} bidang pada arah Slip systems: 24 x 1 =24
< 1 11>
Sistem slip pada BCC
Fe, K
Fe, Mo, W, Na
Fe, Mo, W, brass
1995
Bidang dan arah Slip pada Bidang dan arah Slip pada Bidang dan arah Slip pada Bidang dan arah Slip pada HCP HCP HCP HCP
{0001} planes in the direction of Slip systems: 1 x 3 = 3
< 112 0 >
planes in the direction of Slip systems: 3 x 1 = 3
Slip sistem dpt tergantung pada c/a dan relative orientation dari beban thd bidang slip
{101 0} < 112 0 >
planes in the direction of Slip systems: 6 x 1 = 6
{10 1 1} < 112 0 >
c/a 1.6333 (ideal)
c/a 1.6333 (ideal)
hcp Zinc
single crystal
Adapted from Fig.
7.9, Callister 6e.
Adapted from Fig.
7.8, Callister 6e.
Cd, Zn, Mg, Ti, Be
Ti
Mg, Ti
1995
28
81995
Apakah dimungkinkan secara fisi, slip di suatu kristal fcc terjadi slip di arah [110] di bidang (a) (111) (b) (111)?
1995
30
1995
Single Crystal Slip
31
1995
Tegangan dan Perambatan Dislokasi
= coscosR32
Slip pada kristal terjadi disebabkan oleh resolved shear stress, R.
Beban menimbulkan tegangan tertentu.
slip planenormal, ns
Resolved shear stress: R =Fs/As
AS
R
R
FS
Relation between and R
R=FS/ASFcos A/cos
F
FS
nSAS
A
Applied tensile stress: = F/A
FA
F
91995
Single crystals: critical resolved shear stress
Shear force:
Area:
cosF
cos//cos
01
10
AAAA
=
=
Resolved shear stress:
m*coscoscos/A
cosF00
0RSS ==
=
1995
34
Critical Resolved Shear Stress
Syarat terjadi geseran dislokasi: ( ) CRSSmax >R
Orientasi kristal dpt membuatnya lebih mudah atau sulit untuk menggeser dislokasi.
10-4 GPa to 10-2 GPatypically
= coscosR
maximum at = = 45
R = 0=90
R = /2 =45 =45
R = 0=90
Critical resolved shear stress: adalah tegangan geser minimum yang dibutuhkan untuk menginisiasi slip dan merpk satu sifat dr material yg menentukan kapan yielding terjadi
1995
35
crssy
y
crssy
ycrss
thenwhenoccursyieldingroduceint
tonecessarstressminimumthestressyielding
245
)cos(cos
)cos(cos
max
max
=
==
=
=
For 0=crssThe crystal ordinarily fractures rather than deforming plastically 1995
Contoh : Deformasi pada kristal tunggal
Shg, tegangan 6500 psi belum menyebabkan kristal tunggal tersebut yield.
36
= cos cos = 6500 psi
=35=60
= (6500 psi) (cos35o)(cos60o) = (6500 psi) (0.41) = 2662 psi < crss = 3000 psi
crss = 3000 psi
a) Apakah kristal tunggal akan yield? b) Jika tidak, pada tegangan berapa yield?
= 6500 psi
10
1995
37
psi 732541.0
psi 3000coscos
crss==
= y
Berapa tegangan yg dibutuhkan,(berapateg yield , y)?
)41.0(cos cos psi 3000crss yy ===
psi 7325= y
Shg, agar deformasi platis terjadi, maka diperlukan teg yg lebih besar atau sama dengan teg. yield
Contoh : Deformasi pada kristal tunggal
1995
38
1995
39
1995
40
Anisotropy in y
Anisotropis dapat dihasilkan dengan pengerolan pada logam polikristalin
- before rolling
235 m
- isotropickrn butiran mendekati bulat dan orientasinya acak
- after rolling
- anisotropickrn rolling mempengaruhi Bentuk dan orientasi dari butir
rolling direction
Isotropis. Mempunyai sifat sifat dengan arga yang identik pada semua arah kristalography.
11
1995
Mekanisme penguatan pada Logam
Kekerasan dan kekuatan mrpk kemampuan logam utkmenahan deformasi plastis dimana kemampuan tsbtergantung pada kemampuan dari logam menahanperambatan dislokasi.
Menghambat perambatan dislokasi menghasilkan materiallebih keras dan kuat.
Dibutuhkan gaya mekanis yang lebih besar utk menginisiasideformasi plastis lebih lanjut.
Keduktilan dikorbankan ketika logam diperkuat.41
1995
Mekanisme penguatan pada Logam
Mekanisme penguatan utk logam phase tunggal :
(a) penurunan ukuran butir,
(b) pemaduan larut-padat
(c) pengerasan regang / pengerjaan dingin,
(d) pengerasan dg presipitasi/pengendapan.
42
1995
4 Cara Penguatan Logam (strengthening):
1: Menurunkan ukuran butir
21
/yoyield dk +=
43
Batas butir merupakan penghambat thd slip
1. Mengubah arah2. Diskontinyuitas
bidang slip
Batas "strength meningkat dengan peningkatan sudut dari ke-mis-orientasian.
Butiran yang lebih kecil semakin banyak hambatan utk bergeser/slip
Hall-Petch Equation: d = average grain diametery - yield strength0, ky are constant for particular material
21
/yoyield dk +=
1995
44
Material dapat berupa material berbutir halus (berbutir kecil-kecil) dan material berbutir kasar. Material berbutir halus lebih keras dan kuat dibanding material berbutir kasar.
Ukuran butir dapat ditentukan oleh :
1. Kecepatan pembekuan dari phase cair, dan
2. Juga oleh deformasi plastis yg diikuti dg perlakuan panas yg sesuai.(tgt dr waktu dan suhu). Semakin besar suhu dan waktu maka ukuran butir menjadi semakin besar/kasar.
12
1995
45
4 Cara Penguatan Logam (strengthening):
2: Pelarutan padat (Solid Solutions- alloying) Atom ketidakmurnian mendistorsi lattice & men-
generate tegangan. Tegangan menghasilkan penghambat terjadinya
perambatan dislokasi. Smaller substitutional
impurity
Impurity generates local stress at Aand B that opposes dislocation motion to the right.
A
B
Larger substitutionalimpurity
Impurity generates local stress at Cand D that opposes dislocation motion to the right.
C
D
1995
Strengthening by Alloying
small impurities tend to concentrate at dislocations
reduce mobility of dislocation increase strength
46
1995
Strengthening by alloying
large impurities concentrate at dislocations on low density side
47
1995
Ex: Solid Solution
Strengthening in Copper
48
Tensile strength & yield strength increase with wt% Ni.
Empirical relation: Alloying increases y and TS.
21
/y C~
Ten
sile
st
ren
gth
(MPa
)
wt.% Ni, (Concentration C)200
300
400
0 10 20 30 40 50 Yield
st
ren
gth
(MPa
)
wt.%Ni, (Concentration C)60
120
180
0 10 20 30 40 50
13
1995
4 Cara Penguatan Logam (strengthening):
3: Pengerasan regang (Cold Work-%CW)
49
Deformasi pada temperatur kamar. Biasanya prosesnya akan merubah luas permukaan penampang
-Forging
Ao Ad
force
dieblank
force-Drawing
tensile force
AoAddie
die
-Extrusion
ram billet
container
containerforce die holder
die
Ao
Adextrusion
100 x %o
doA
AACW =
-Rolling
rollAo
Adroll
Strain hardening/pengerasan regang : suatu logam duktil menjadi lebih keras dan kuat karena dideformasi plastis(effect dari pengerjaan dingin tsb dapat dihilangkan dengan perlakuan panas anil.
1995
Hasil dari Pengerjaan dingin (CW)
Densitas dari dislokasi =
Carefully grown single crystal
ca. 103 mm-2
Deformasi meningkatkan densitas
109-1010 mm-2
Heat treatment menurunkan densitas
105-106 mm-2
50
Yield stress meningkat bila d naik:
total panjang dislokasiunit volume
large hardeningsmall hardening
y0y1
1995
Impact of Cold Work
51
Kekuatan luluh (y) meningkat. Kekuatan tarik (TS) meningkat. Keuletan y (%EL or %AR) turun.
Bila Cold work diperbesar
E (kekakuan) tetap.
1995
52
Cold Work Analysis
What is the tensile strength &ductility after cold working?
%6.35100 x % 222
=
pi
pipi=
o
dor
rrCW
% Cold Work
100
300
500
700
Cu
200 40 60
yield strength (MPa)
y = 300MPa
300MPa
% Cold Work
tensile strength (MPa)
200Cu
0
400
600
800
20 40 60
ductility (%EL)
% Cold Work
20
40
60
20 40 6000
Cu
Do =15.2mm
Cold Work
Dd =12.2mm
Copper
340MPa
TS = 340MPa
7%
%EL = 7%
14
1995
53
4 Cara Penguatan Logam (strengthening):
4: Pengerasan endapan (Precipitation Strengthening)
Endapan yang keras ---sulit untuk tergeser Contoh : Keramik di dlm logam (SiC di besi atau aluminum).
Result: S~y
1
Large shear stress needed to move dislocation toward precipitate and shear it.
Dislocation advances but precipitates act as pinning sites with
S.spacing
Side View
precipitate
Top View
Slipped part of slip plane
Unslipped part of slip plane
Sspacing
1995
54
Application:
Precipitation Strengthening
Internal wing structure on Boeing 767
Aluminum diperkuat dengan precipitasi yg terbentuk dg alloying.
1.5m
1995
55
Note:Effect penguatan dengan penguranganukuran butir dan pengerasan regang dapatdieliminasi atau diperkecil melalui perlakuanpanas pada suhu tertentu. Sebaliknya,penguatan dengan larut-padat tidakdipengaruhi oleh perlakuan panas.
1995
56
Ringkasan
Dislokasi biasanya teramati pada logam dan paduan
Kekuatan dapat ditingkatkan dengan menghambat perambatan dislokasi
Beberapa car untuk meningkatakn kekuuatan adalah :--menurunkan ukuran butir--pelarutan padat (paduan)--penguatan endapan --pengerasan regang
Pemanasan Heating (annealing) dapat mengurangi densitasdislokasi dan memperbesarukuran butir sehingga menurunkan kekuatan.
15
1995
Contoh Soal
Tegangan luluh suatu besi yang berdiameter butiran
rata-rata 1x10-2 mm adalah 230 MPa (33,000 psi). Pada diamater butiran 6x10-3 mm, tegangan luluhnya mengingkat ke
275 MPa (40,000 psi). Pada ukiran butiran berapa tegangan
luluhnya menjadi 310 Mpa (45,000 psi)?
57
1995
58
Jawab :
1995
Contoh soal
Tegangan geser kritis dari tebaga 0.48 MPa (70 psi).
Tentukan tegangan luluh maksimum yang mungkin
untuk krital tunggal tembaga yang diberi beban tarik
murni.
Jawab :
59