METALURGI FISIKMETALURGI FISIK

STRUKTUR KRISTAL STRUKTUR KRISTAL LOGAMLOGAM

Struktur atom Struktur kristal Ketidaksempurnaan kristal Mekanisme deformasi

STRUKTUR ATOMSTRUKTUR ATOMKonsep dasar : Atom terdiri atas inti yang

dikelilingi oleh elektron Inti tersusun atas proton dan

netron Proton bermuatan positif, netron bermuatan netral, dan elektron bermuatan negatif

Model Atom BohrModel Atom Bohr

Atom tersusun atas inti yang dikelilingi oleh elektron dengan tingkat energi tertentu Elektron bergerak pada lintasan/ posisi yang dinamakan orbital Elektron dapat berpindah orbital dengan menyerap atau melepaskan energi

Model Atom Mekanika Model Atom Mekanika GelombangGelombang

Elektron memiliki karakteristik sebagai gelombang dan partikel Posisi elektron dideskripsikan dengan

“distribusi kemungkinan” atau awan elektron Elektron (posisi & energi) dikarakterisasikan oleh bilangan kuantum

Perbandingan antara Model Atom Perbandingan antara Model Atom Bohr vs Model Atom Mekanika Bohr vs Model Atom Mekanika Gelombang Gelombang

(a) Model Atom Bohr(b) Model Atom

Mekanika Gelombang

Bilangan KuantumBilangan KuantumDinyatakan dalam 4 parameter : Bilangan kuantum utama yang menunjukkan nomor kulit (n=1, 2, 3, 4 .. atau K, L, M, N…) Bilangan kuantum kedua menunjukkan sub-kulit

yang ditempati elektron (s, p, d, atau f) Bilangan kuantum ketiga menunjukkan

banyaknya tingkat energi (s=1, p=3, d=5, & f=7)

Bilangan kuantum ke-empat menunjukkan arah putaran elektron (searah atau berlawanan dengan arah jarum jam)

Energi relatif elektron pada kulit Energi relatif elektron pada kulit dan sub-kulitdan sub-kulit

Banyaknya elektron pada kulit Banyaknya elektron pada kulit dan sub-kulitdan sub-kulit

Ikatan AtomIkatan Atom Ikatan atom dapat diilustrasikan

dengan menganalisis interaksi 2 atom yang didekatkan dari jarak pisah yang jauh

Jika atom terpisah pada jarak yang jauh maka interaksi 2 atom tersebut diabaikan, sedangkan jika jarak atom semakin dekat maka terjadi gaya (gaya tarik & tolak) antara 2 atom tersebut.

Skema pengaruh jarak atom Skema pengaruh jarak atom terhadap gaya & energi antara 2 terhadap gaya & energi antara 2 atomatom

Tipe ikatan atomTipe ikatan atomTerdapat 3 tipe ikatan primer pada bahan padat : Ikatan ion

- paduan antara unsur logam dgn non- logam

- elektron valensi atom unsur logam diberikan ke atom unsur

Skema yang menggambarkan Skema yang menggambarkan ikatan ionikatan ion

Ikatan kovalen :- 2 atom atau lebih melakukan sharing

elektron- ikatan kovalen dapat mempunyai

ikatan yang sangat kuat seperti pada

intan & juga dapat lemah seperti bismuth

Skema yang menggambarkan Skema yang menggambarkan ikatan kovalenikatan kovalen

Ikatan logam- elektron valensi tidak terikat

kuat ke atom sehingga dapat bergerak

bebas di seluruh logam

- Ditemukan pada logam & paduannya

Skema yang menggambarkan Skema yang menggambarkan ikatan logamikatan logam

STRUKTUR KRISTALSTRUKTUR KRISTAL Di dalam logam padat, atom-atom tersusun secara teratur dan berulang dalam pola tiga dimensi. Struktur seperti itu disebut dengan kristal Struktur kristal berpengaruh terhadap sifat bahan Untuk mendeskripsikan struktur kristal, atom dianggap sebagai bulatan (bola) padat yang memiliki diameter tertentu

Contoh struktur kristalContoh struktur kristal

Sel satuanSel satuanPengertian :

Pola geometri terkecil dan berulang

Jenis-jenis sel satuanJenis-jenis sel satuan1. FCC (Face Centered Cubic)

2. BCC (Body Centered Cubic) 2. BCC (Body Centered Cubic)

3. Hexagonal Close Packed3. Hexagonal Close Packed

Struktur kristal dari beberapa Struktur kristal dari beberapa logamlogam

Bidang kristalografiBidang kristalografi Dinyatakan dalam indeks Miller (h k

l)

cara menentukan indeks Miller :- cari panjang potong pada

sumbu x, y dan z - Lakukan pembalikan dari angka

yang diperoleh - Kalikan (dengan faktor pengali)

hasil pembalikan sehingga diperoleh bilangan bulat yang terkecil

Contoh bidang kristalografiContoh bidang kristalografi

Arah kristalografiArah kristalografiDinyatakan dalam [u v w] yang merupakan vektor.Contoh :

Indeks arah di atas = [120]

Struktur Kristal susunan rapatStruktur Kristal susunan rapatSel satuan FCC dan HCP merupakan kristal susunan rapat. Dapat dideskripsikan di dalam bidang susunan rapat. Jika pusat atom pada bidang susunan rapat diberi label, maka susunan kedua kristal (FCC & HCP) dapat digambarkan sebagai berikut :

Susunan rapat FCC dan HCPSusunan rapat FCC dan HCP

(a) FCC dengan susunan :

ABCABC….(a) HCP dengan susunan

: ABAB…..

Susunan rapat FCCSusunan rapat FCC

Susunan rapat HCPSusunan rapat HCP

ButirButirKumpulan sel satuan yang

mempunyai orientasi samaKebanyakan kristal logam padat

tersusun atas sejumlah banyak butir, dimana bahan seperti ini disebut dengan polikristal

Tahapan proses pembekuan yang Tahapan proses pembekuan yang menggambarkan terbentuknya butirmenggambarkan terbentuknya butir

Tugas (28/11/2012 )Tugas (28/11/2012 ) Jawablah pertanyaan di buku

“Materials Science and Engineering – An Introduction” – Karangan William D Callister, Jr – soal :

1) 3.3 2) 3.9 3) 3.34

KETIDAKSEMPURNAAN KRISTALKETIDAKSEMPURNAAN KRISTALDi dalam kristal logam nyata terdapat

cacat atau ketidaksempurnaan Keberadaan dari ketidaksempurnaan ini

berpengaruh terhadap karakteristik bahan Beberapa jenis ketidaksempurnaan kristal

: kekosongan, self instertistitials, ketidakmurnian, dislokasi, cacat interfasial

Cacat kekosongan & self Cacat kekosongan & self insterstitialinsterstitial

Cacat ketidakmurnianCacat ketidakmurniana.Instertisib. Substitusi

Cacat dislokasiCacat dislokasia. Dislokasi sisi

b. Dislokasi ulirb. Dislokasi ulir

Cacat interfasialCacat interfasiala. Kembaran

b. Batas butirb. Batas butir

Pemeriksaan mikroskopiPemeriksaan mikroskopi

Pengamatan butir :a.Permukaan yang sudah

dipolish & dietsa terbentuk lekukan

di batas butir sehingga memberikan karekteristik pemantulan yang berbeda

b. Hasil foto spesimen paduan besi-kromium

MEKANISME DEFORMASIMEKANISME DEFORMASI Suatu logam jika diberi gaya maka akan

mengalami deformasi atau perubahan bentuk Terdapat 2 jenis deformasi yaitu : - deformasi elastis : terdeformasi pada saat pembebanan & akan kembali ke bentuk semula pada

saat beban dilepaskan - deformasi plastis :

deformasi yang bersifat permanen Kekuatan bahan terkait dengan seberapa

mudah atau sulit suatu logam mengalami deformasi plastis pada saat pembebanan

Makanisme deformasi pada skala Makanisme deformasi pada skala mikroskopismikroskopisa. Deformasi elastis :

b. Deformasi plastisb. Deformasi plastis- Terjadi slip atau pergeseran atom-atom- Pada saat bergeser, terjadi pemutusan ikatan atom

Kekuatan material teoritisKekuatan material teoritis

th = G/2

Deformasi plastis melalui pergerakan Deformasi plastis melalui pergerakan dislokasidislokasi Kekuatan logam nyata jauh lebih rendah dibandingkan dengan kekuatan teoritisnya Contoh : baja : G = 83000 Kgf/mm2 th = 13200 Kgf/mm2 Sedangkan luluh baja : 20 Kgf/mm2 Perbedaan tersebut disebabkan karena pada

logam nyata mempunyai cacat dislokasi yang menyebabkan atom-atom logam mudah mengalami slip pada saat pembebanan

(lanjutan)(lanjutan) Mekanisme pergerakan dislokasi

(a) Pergerakan dislokasi sisi(b) Pergerakan dislokasi ulir

Sistem slipSistem slip Pergerakan dislokasi lebih mudah

terjadi pada bidang dan arah tertentu dalam kristal logam. Kombinasi bidang dan arah slip ini diistilahkan sistem slip

Bidang slip merupakan bidang yang mempunyai kerapatan atomnya paling tinggi

Arah slip mengarah ke arah yang kerapatan atomnya paling tinggi

Contoh sistem slip pada FCCContoh sistem slip pada FCC

Sistem slip pada FCC, BCC, HCPSistem slip pada FCC, BCC, HCP

Mekanisme penguatan logamMekanisme penguatan logam

Kekuatan logam dipengaruhi oleh mudah tidaknya dislokasi bergerak pada saat pembebanan Semakin dislokasi sulit bergerak maka kekuatan logam akan semakin tinggi Penguatan logam dilakukan dengan cara menghambat pergerakan dislokasi

Contoh metoda penguatan logamContoh metoda penguatan logam

a. Penghalusan ukuran butirBatas butir merupakan penghambat

pergerakan dislokasi, karena :- antar butir satu dengan yang lainnya

mempunyai arah kristalografi yang tidak sama - di batas butir, terdapat

ketidakteraturan susunan atom sehingga terbentuk diskoniuitas sistem slip antar butir

Pergerakan dislokasi antar butirPergerakan dislokasi antar butir

Dari penjelasan di atas maka dapat disimpulkan bahwa penguatan dapat dilakukan dengan cara menghaluskan butir karena semakin halus ukuran butir menyebabkan semakin banyaknya keberadaan batas butir di suatu logam

b. Penguatan/pengerasan regangan - Logam meningkat kekerasannya jika

mengalami pengerjaan dingin (deformasi plastis yang dilakukan di bawah temperatur rekristalisasi) - Peningkatan kekerasan tersebut disebabkan karena pada saat pengerjaan dingin terjadi peningkatan jumlah dislokasi - Tingginya peningkatan kekuatannya dipengaruhi oleh besarnya deformasi plastis

Pengaruh besarnya deformasi plastis Pengaruh besarnya deformasi plastis terhadap kekuatan dan keuletan logamterhadap kekuatan dan keuletan logam

Model pertambahan jumlah Model pertambahan jumlah dislokasi setelah dilakukan dislokasi setelah dilakukan deformasi plastisdeformasi plastis

Titik D dan D’ merupakan pengahambat gerakan dislokasi

Deformasi plastis melalui terbentuknya Deformasi plastis melalui terbentuknya kembaran kembaran

Perubahan bentuk yang terjadi relatif lebih kecil dibandingkan dengan deformasi plastis melalui slip

Jawablah pertanyaan di buku Jawablah pertanyaan di buku “Materials Science and Engineering – “Materials Science and Engineering – An Introduction” – Karangan William An Introduction” – Karangan William D Callister, Jr – soal :D Callister, Jr – soal :

1) 4.221) 4.22 2) 7.162) 7.16 3) 7.173) 7.17 4) 7.194) 7.19

Tugas (28/11/2012) Tugas (28/11/2012)