cacatCACAT DALAM PADATAN
mata kuliah Metalurgi Fisik oleh Bapak budi Santoso ST.,MT
universitas Islam 45 Bekasi

Padatan riil selalu mengandung diskontinuitas struktural dan daerah tertentu yang tidak teratur. Cacat mulai dari atom yang hilang atau salah tempat.

Diagram skematik cacat dasar diperlihatkan gambar 4.1

  • cacat titik, seperti lokasi atomik yang kosong dan atom interstisi dimana suatu atom memduduki intertisi dan bukan menempati lokasi kisi yang normal
  • cacat garis
  • cacat planar seperti salah susun dan batas kembar
  • Cacat volume seperti void gelembung gas dan rongga


cacat titik

4.2.1 Cacat titik pada logam

1. CACAT TITIK

Cacat titik yang paling sederhana adalah kekosongan (vacancy)  disini ada atom yang hilang dalam kristal.  Cacat titik ini merupakan hasil dari penumpukan yang salah sewaktu kristalisasi atau juga dapat terjadi  pada suhu yang tinggi  oleh  karena energi thermal meningkat.  Bila energi thermal tinggi, ada kemungkinan bagi atom-atom untuk melompat meninggalkan tempatnya (dimana energi terendah akan ikut naik pula). Maka akan terdapat kekosongan tunggal saat kristalisasi. Dan bila terdapat kekosongan ada 2 (dua) maka dapat disebut sebagai kekosongan ganda .  Perhatikan gambar dibawah ini

 


Bila ketidak-sempurnaan seperti kekosongan jumlahnya meliputi 1 (satu) atau beberapa atom maka ketidak sempurnaan tersebut biasa-nya disebut dengan nama cacat titik atau POINT DEFECT.

Point defect dapat berupa :
a. Vacancy (kekosongan) akan :
1. atom pada tempatnya
2. pasangan ion (schottky)
b. Subsitusi oleh atom asing.
c. Intertisi oleh atom asing dengan ukuran relatif kecil.

Self intertisial pada umumnya biasa dikenal sebagai Frenkel-defect dan vacancy akan pasangan ion dikenal sebagai Schootky – Defect.
Kekosongan pasangan ion (disebut juga cacat schottky) terdapat pada senyawa yang harus mempunyai keseimbangan muatan.

Cacat ini mencakup kekosongan pasangan ion berlawanan, kekosongan pasangan ion dan kekosongan tunggal mempercepat diffusifitas atom

 

Cacat titik (point defect) menyebabkan distorsi lokal  dalam kristal. Misalnya : Vacancy dapat menyebabkan KOMPRESSIVE – STRESS. Subsitusi oleh atom-atom yang lebih kecil atau besar selalu dapat menyebabkan kompressive dan Tensile Stress.Intertisi menyebabkan strain di sekitar tempat yang diduduki dengan kata lain, cacat titik menyebabkan meningkatnya energi dalam material secara thermodinamik.

(Cacat tidak akan menyebabkan peningkatan besaran  ENTHALPY  (H)  Material).

 


Diantara berbagai cacat kisi, kekosongan merupakan cacat yg selalu dalam konsentrasi yang cukup besar dalam kesetimbangan termodinamika serta meningkat secara eksponensial seiring meningkatnya temperatur seperti gambar 4.2.

Kekosongan bisa terjadi karena ketersediaan cukup energi (misalnya aktivasi thermal yang meningkatkan atom

cacat garis
4.3.1 Konsep dislokasi

Semua material kristalin mengandung garis diskontinue struktural yang melintas sepanjang tiap kristal atau butir. Diskontinuitas garis ini disebut dislokasi dengan panjang garis dislokasi sekitar 1010 hingga 1012 m dalam satu meter kubik material

Secara umum, bidang slip dapat dibagi dalam dua daerah, pertama yg mengalami slip dan daerah tanpa slip gambar 4.11 batas ini disebut dislokasi.

Berikut ini adalah 3 sifat dislokasi :

  • dislokasi adalah diskontinuitas garis
  • dislokasi membentuk loop tertutup
  • selisih tingkat slip sepanjang garis dislokasi adalah konstan

 CACAT  GARIS / LINE DEFECT  (DISLOCATION)

Line defect yang paling banyak dijumpai adalah dislokasi. Secara geometris, dislokasi dapat  digambarkan seperti di bawah ini :

Dislokasi ini dapat digambarkan sebagai sisipan satu bidang atom tambahan dalam struktur kristal.  Garis dislokasi dalam gambar tersebut adalah garis tegak lurus (^)  pada bidang gambar. Di daerah garis sekitar dislokasi terjadi distorsi kisi yang besifat lokal. Daerah-daerah  yang jauh dari garis dislokasi, derajat distorsi lokalnya menurun dan susunan atomnya kembali normal.

Distorsi kisi tersebut dapat berupa tekanan dan tegangan sehingga terdapat energi tambahan sepanjang dislokasi tersebut. Jarak geser atom di sekitar dislokasi disebut vektor geser b* (burger vectors) yang mana tegak lurus pad garis dislokasi.

Ada 2 jenis dislokasi, yaitu :

 – EDGE – DISLOCATION  (dislokasi sisi)   dan    – SCREW – DISLOCATION (dislokasi ulir)

Di dalam material biasanya ditemukan gabungan antara edge dislocation dan screw diclocation yang biasa disebut dislokasi campuran.      Dislokasi dapat berpindah-pindah ataupun bergerak. Proses dimana deformasi plastis di-karenakan gerakan gerakan dislokasi yang berpindah-pindah tersebut biasanya dinamakan dengan SLIP.

Bidang, dimana garis dislokasi melintang disebut BIDANG SLIP, sedangkan arah gerakan dislokasi disebut ARAH SLIP.  Bila ditinjau secara khusus , ternyata gerakan dislokasi pada berbagai bidangn kritis adalah tidak sama sehingga dengan perkataan lain dapat dikatakan bahwa terdapat arah dan bidang kristal yang meudahkan dislokasi terssebut bergerak yang disebut dengan nama PREFFERED – PLANE.

Bidang-bidang dan arah bidang yang memudahkan dislokasi tersebut bergerak pada umumnya adalah bidang-bidang kristal yang memiliki planar density yang tinggi. Sedangkan arah gerakan dislokasi pada bidang kristal dengan planar density yang tinggi merupakan arah slip.

Dengan perkataan lain arah slip yang diinginkan adalah arah dengnn Linier density yang tinggi.

 

 

 

3.  SURFACE  DEFECTS  (PLANAR  DEFECTS)

Planar defect (dapat berupa cacat pada permukaan-permukaan luar,  twin boundary, batas-batas fasa, batas butir) pada material (dimana) akan memisahkan material tersebut atas beberapa bagian yang mana tiap-tiap bagian akan memiliki struktur kristal yang sama tetapi berbeda arah kristalnya.


Permukaan Material
Ketidak-sempurnaan kristal dalam dua dimensi merupakan suatu batas, dimana batas yang nyata adalah permukaan luar. Permukaan dapat diilustrasikan sebagai batas struktur kristal sehingga kita dapat melihat bahwa koordinasi atom pada permukaan tidak sama dengan koordinasi atom dalam kristal. Dengan kata lain : Atom permukaan hanya mempunyai tetangga pada satu sisi saja, sehingga memiliki energi yang lebih tinggi dimana ikatannya menjadi kurang kuat. Karena atom-atom ini tidak seluruhnya dikekelingi oleh atom lainnya, maka energinya jadi lebih banyak dibandingkan dengan atom di dalamnya.

Contoh idealnya:

Tetesan cairan yang berbentuk bulat maka luas permukaannya per satuan volume tetesan harus minimal (sehingga E permukaannya minimmal). Penyerapan permukaan merupakan adanya perbedaan energi pada permukaan tersebut.

 

 

Batas Butir

Bentuk butir dalam solid material biasanya diatur oleh adanya butir-butir lain di sekitarnya dimana dalam setiap butir, semua selnya teratur dalam satu arah dan satu pola yang tertentu. Pada grain boundary (batas butir), antara dua butir yang berdekatan terdapat daerah transisi yang tidak searah dengan pola dalam kedua butir tersebut.

 

 

 

cacat planar

Anil dari logam dan paduan fcc yang mengalami pengerjaan pendinginan sepertitembaga kuningan dan baja tahan karat austenitik menyebabkan terbentuknya kembaran anil pada sebagian kristal konstituen

Permukaan didamal dan diluar kembaran anil mempunyai energi permukaan yang berlainan karena perbedaan orientasi kisi, sehingga respon terhadap bahan etsa juga berbeda Gambar 4.26

cacat volume

 

4.  VOLUME DEFECTS
Volume defects pada material dapat berupa : crack (retak)/pori-pori, inklusi, presipitat, fasa kedua dan lain sebagainya. Kehadiran volume defect di dalam materiaal biasanya memberikan suatu implikasi (misalnya terhadap sifat material) yang akan menyebabkan perubahan densitas material (terutama dengan adanya pori-pori ataupun fasa kedua pada material).   Dengan adanya pori-pori maka :

  rmaterial     <     rtheoritisnya

r  =  m         dimana dengan adanya pori-pori massa akan   ¯¯

V

Dengan adanya fasa kedua maka :

rmaterial    =   rV1  + r2 V2

Dimana        r  =  densitas fasa utama (1)

V1  =  fraksi volume fasa utama

r2   =  densitas fasa kedua

V2  =  fraksi volume fasa kedua

Secara illustratif akan ditinjau efek dari kehadiran cacat volume tersebut (seperti retak) terhadap kekuatan material, dimana ingin dilihat perban-dingan s (kekuatan tarik retakan) dengan sth (kekuatan tarik teoritis) suatu material yang sama.

 


 

cacat planar


4.5.1 Pembentukan void anil

Cacat kristal bentuk void, gelembung gas dan rongga terjadi akibat perlakuan panas, iradiasi atau deformasi dan sebagaian besar energinya berasal dari energi permukaan.

4.5.2 Iradiasi dan pembentukan void

Iradiasi menhasilkan interstisi dan kekosongan melebihi konsentrasi kesetimbangan. Keduanya bergabung membentuk loop dislokasi, tetapi loop interstisi yang terjadi karena penggabungan interstisi akhirnya membentuk struktur dislokasi

4.5.3 Pembentukan void dan perpatahan

Pembentukan void ciri penting dalam kegagalan ulet material. Proses perpatahan ada 3 tahap pertama nukleus lubang halus rongga tersebut membesar akibat deformasi plastis dan terakhir terjadi koalesensi melalui penciutan lokal

Iklan