Bab 3 Struktur Kristal logam

PRODI D3 TEKNIK MESIN FTI ITS

TM 090301

BAB 3

STRUKTUR KRISTAL 3.1 3.1 Struktu Struktu r At om

Telah diketahui bahwa semua zat terdiri dari atom, dan atom sendiri terdiri dari inti (terdiri dari sejumlah proton dan neutron) yang dikelilingi oleh sejumlah elektron. Elektron-elektron ini menempati cell tertentu. Suatu atom dapat mempunyai satu atau lebih cell. Setiap cell dapat ditempati oleh elektron sebanyak 2n 2, dimana n adalah nomor cell (dihitung mulai dari yang terdalarn sebagai Cell norrior 1). Jumlah elektron pada cell terluar banyak menentukan sifat dari unsur tsb Atorn yang rnemiliki jumlah elektron yang sama pada cell terluar, yaitu unsur pada group yang sama akan memiliki sifat yang hampir sama. Semua gas mulia memiliki delapan elektron pada cell terluar, kecuali helium yang hanya memiliki satu cell dan jumlah elektron pada cell itu adalah dua, semuanya adalah unsur yang sangat stabil, tidak bereaksi dengan unsur lain. Atom-atom dapat membuat ikatan dengan atom yang sejenis atau atom lain membentuk molekul dari suatu zat atau senyawa. Dalam beberapa hal atom-atom juga dapat menjalin ikatan dengan atom sejenis atau atom lain tanpa membentuk molekul, seperti halnya pada logam 3.2. 3.2. Ikatan ato m

Ada tiga jenis jenis ikaLan atom yang yang utama, yaitu : 1. Ikatan ionik 2. Ikalan kovalen atau homopolar 3. Ikalan logam

TEORI DAN PRAKTIKUM PENGETAHUAN BAHAN TEKNIK

75


3.2.1. Ikatan Ikatan

TM 090301

loni k

Atom akan paling stabil jika atom itu mempunyai konfigurasi elektron seperti konfigurasi elektron pada gas mulia, yaitu terdapat delapan elektron pada cell terluar (dua elektron bila atom memiliki hanya salu cell). Bila suatu atom hanya memiliki satu elektron pada cell terluar, maka ia cenderung untuk melepas elektron tersebut, dan cell yang lebih ke dalam, yang biasanya sudah terisi penuh, akan menjadi cell terluar, ini menyebabkannya menjadi lebih stabil. Tetapi hal ini juga mengakibatkan atom itu kelebihan proton (yang bermuatan positip), sehingga atom

itu

akan

bermuatan positip, dikatakan atom itu

berubah menjadi ion positif.

Slide no.4. Ikatan ionik

Sebaliknya bila suatu atom lain yang memiliki tujuh eiektron pada cell terluarnya, ia cenderung akan menerima salu elektron lagi dari luar. Dan bila hal ini terjadi maka atom ilu akan menjadi bermuatan negatif (karena kelebihan elektron), ia akan menjadi ion negatif. negatif. Dan bila kedua ion ini berdekatan akan akan terjadi tarik menarik karena kedua ion itu memiliki muatan listrik yang berlawanan. Kedua atom itu akan terikat satu sama lain dengan gaya tarik menarik itu, ikatan ini dinamakan ikatan ionik (ionic bonding). TEORI DAN PRAKTIKUM PENGETAHUAN BAHAN TEKNIK

76


TM 090301

Sebagai contoh, atom Na (dengan satu elektron pada cell terluar) yang berada dekat atom Cl (dengan tujuh elektron pada cell terluar). Dalam keadaan ini akan terjadi perpindahan satu elektron dari atom Na ke atom Gl. Kedua atom itu akan menjadi ion, atom Na menjadi ion Na +, atom Cl menjadi ion Cl -, karena muatannya berlawanan akan terjadi tarik menarik, menjadi suatu ikalan ionik, ( slide

no. 4),

dikenal sebagai senyawa garam, yang sifatnya

berbeda dari kedua atom pembentuknya. Hal ini memperlihatkan betapa kuatnya suatu ikatan ionik. 3.2.2. Ikatan kovalen

Beberapa alom dapat memperoleh konfigurasi elektron yang stabil dengan saling

meminjamkan elektronnya. Dengan saling meminjamkan

elektron ini atom- atom akan memperoleh susunan elektron yang stabil tanpa menyebabkannya menjadi bermuatan.

Slide no.5. Ikatan Kovalen


77


TM 090301

Ikatan akan terjadi melalui elektron yang saling dipinjamkan itu. Elektron ini masih mempunyai ikatan dengan atorn asalnya, tetapi juga sudah terikat dengan atom yang meminjamnya. 3.2.3. Ikatan logam

Di sini juga terjadi saling meminjamkan elektron, hanya saja jumlah atom yang bersama-sama saling meminjamkan elektron valensinya (elektron yang berada pada cell terluar) ini tidak hanya antara dua atau beberapa atom tetapi dalam jumlah yang tak lerbatas. Setiap atom menyerahkan eiektron valensinya untuk digunakan bersama. Dengan demikian akan ada ikatan tarik menarik antara atom-atom yang saling berdekatan. Jarak antar atom ini akan tetap (untuk kondisi yang sama), bila ada atom yang bergerak menjauh maka gaya tarik menarik akan menariknya kembali ke posisi semula, dan bila bergerak terlalu mendekat maka akan timbul gaya tolak menolak karena inti-inti atom berjarak terlalu dekat padahal muatan listriknya sama, sehingga kedudukan atom relatif terhadap atom lain akan telap. Ikatan seperli ini biasa terjadi pada logam, karena itu dinamakan ikatan logam. Pada ikatan ini inti-inti atom terletak beraturan dengan jarak tertentu, sedang elektron yang saling dipinjamkan seolah-olah membentuk "kabut elektron" yang mengisi sela-sela antar inti (lihat slide no. 6). Elektron-elektron ini tidak terikat pada salah satu atom tertentu atau beberapa atom saja, tetapi setiap elektron dapat saja pada suatu saat berada pada suatu atom, dan pada saat berikutnya berada pada atom lain. Karena itulah logam dikenal mudah mengalirkan listrik dan panas. Mengingat atom-atom pada logam menempati posisi tertentu relatif terhadap alom lain, maka dapat dikatakan bahwa atom logam tersusun secara teratur menurut suatu pola tertentu. Susunan atom yang teratur ini dinamakan kristal, dan susunan atom pada logam selalu kristalin, tersusun beraturan dalam suatu kristal.


78


TM 090301

Slide no.6. Ikatan Logam

3.3. Struktur kristal

Susunan atom-atorn yang teratur dalam tiga dimensi menurut suatu pola tertentu dinamakan kristal

Bila dari inti-inti atom dalam suatu kristal

ditarik garis-garis imajiner melalui inti-inti atom tetangganya maka akan diperoleh suatu

kerangka

tiga dimensi

yang disebut space latlice (kisi

ruang). Space lattice ini dapat dianggap tersusun dari sejumlah besar unit cell (sel satuan). Unit cell merupakan bagian terkecil dari space lattice, yang bila disusun ke arah sumbu-sumbunya akan membentuk space lattice. Pada slide no.7. tampak sebagian dari suatu space lattice dan satu unit cellnya digaris tebal. Suatu unit cell dinyatakan dengan lattice parameter (panjang rusuk-rusuk dan sudut antara rusuk-rusuk).


79


TM 090301

•

Kristal Susunan atom yang teratur dalam tiga dimensi menurut pola tertentu

•

Kisi Ruang (space lattice) Kerangka tiga dimensi yang diperoleh dari garis‐garis imajiner yang ditarik melalui inti‐inti atom tetangganya

•

Sel Satuan (unit cell) Bagian terkecil dari space lattice yang mempunyai bangun tertentu

Slide no.7. Struktur kristal

Ada 7 macam sistem kristal, yaitu cubic, tetragonal, orthorhombic, monoclinic, triclinic, hexaponal dari rhombohedral. Dari ketujuh sistem kristal tersebut ternyata ada H jenis benluk space laltice yang mungkin terjadi. Kebanyakan logam-logam yang penting membeku dengan membentuk kristal dengan sislem kristal kubus atau sistem kristal hexagonal. Dari ke empat belas jenis space lattice tersebut ternyata hanya ada 3 (tiga) macam saja yang sering dijumpai pada logam-logam yang biasa digunakan, yaitu, 1. Face Centered Cubic (FCC) atau Kubus Pemusatan Sisi (KPS) 2. Body Centered Cu&ic (BCC) alau Kubus Pemusatan Ruang(KPR) 3. Hezagonal Close-Packed (HCP) atau Hexagonal Tumpukan Padat (HTP)


80


TM 090301

Tabel .1. Ketujuh Karakteristik System Kristal

Slide no.8. Struktur kristal

Slide no.9. keempatbelas jenis space latti ce


81


TM 090301

Slide no.10. Struktur kristal BCC (Body Centered Cubic)

Slide no.11. Struk tur kris tal FCC (Face Centered Cubic )

Slide no.12. Struk tur kris tal HCP (Hexagonal Clos ed Packed)

Di samping itu

ternyata ada beberapa unsur yang dapat dijumpai

dengan jenis space lattice yang berbeda, sifat yang demikian ini dinamakan polimorfi. Di antara logam-logarn yang memiliki sifat polimorfi ini ada yarig sifat polimorfinya

bcrcifal

reversibel,

pada suatu

kondisi

jenis space


82


TM 090301

latticenya tertentu dan bila kondisi berubah, space lattice juga akan berubah, dan bila kondisi kembali

seperti semula

maka space lattice juga akan

kembali seperti semula. Sifat ini dinamakan allotropi. Ada kurang iebih lima belas unsur yang memiliki sifat allotropi, termasuk besi. Pada ternperatur kamar besi memiliki slruktur syace lattice BCC (dinamakan besi alpha, a), pada temperatur antara 910 °C - 1400 °C space latticenya FCG (besi gamma, y} dan di atas 1400 °C sampai mencair space latticenya BCC (be-si delta). Bila temperatur kembali lagi maka struktur space lattice juga akan kembali seperti semula.

Slide no.13. Diagram Fase Besi – Karbida besi (Fe-Fe3C)

3.4. Bidang kristalografi

Bidang di dalam lattice kristal dimana terdapat susunan atom-atom dinamakan

btdang

kristolografi. Bidang kristalografi ini biasanya dinyatakan

dengan Indeks Miller. Untuk menentukan Indeks Miller dari suatu bidang kristalografi dibuat suatu koordinat ruang melalui susunan atom-atom, dengan mengambil satu titik


83


TM 090301

atom pada lattice sebagai titik pusat koordinat ruang. Selanjutnya Indeks Miller ditentukan dengan cara sebagai berikut : 1. Tentukan panjang potongan ketiga sumbu koordinat, diukur dari pusat koordinat sampai ke titik potong sumbu dengan bidang yang dimaksud. Ranjang ini dinya-takan dalam satuan jarak atom pada sumbu yang bersangkutan. Pada contoh dibawah, di sumbu x, satuannya adalah a, di sumbu y satuannya b dan di s'jmbu z satuannya c.sumbu x y z panjang polongan 231 2. Ambil kebalikan dari harga-harga di atas, dari contoh diperoleh : 1/2 , 1/3 , 1/1

<—?

^Z^

3. Sederhanakan perbandingan harga di atas menjadi bilangan bulat, h, k, 1. Ketiga

bilangan inilah

Indeks Miller.

Untuk contoh di atas diperoleh

Indeks Miller -.3,2,6. 4. Tulis riama

bidang kristalografi

dengan memberi

tanda kvrung

(parentheses) pada Indeks MiHernya. Secara umum bidang kristalografi ditulis bidang (hkl).Bidang pada contoh dinamakan bidang (326). Untuk penggal sumbu yang jatuhpada arah negalip. berharga

Indeks Millernya akan

negatip, untuk itu padaangka Indeks Miller diberi tanda

negatip di atasnya, dan bidang kristalografiyang mempunyai harga negatip pada sumbu x dan positip pada kedua sumbu lain, maka bidang itu dilulis sebagai bidang (hkl). Bidang yang sejajar dinyatakan dengan Indeks Miller yang sama. Seperti ter-lihat pada slide no.14. a,

bidang (222) yang sejajar dengan bidang

(111), Indeks Miller dari bidang (222) dapat disederhanakan menjadi (111).

Demi-kian juga pada b,

bidang (033)

Indeks Miller dari bidang (022) dan

dapat disederhanakan menjadi (011). Juga pada slide

no.14. c, semua bidang iiu dinyala-kan sebagai bidang (100). Jadi Indeks Miller dari suatu bidang akan menya-takan juga bidang lain yang sejajar dengannya.


84


TM 090301

Slide no.14. Bidang didalam lattice kristal yang terdapat susunan atom-atom dan dinyatakan dengan Index Miller

Mengingat titik pusat koordinat dapat ditetapkan sembarang titik pada lattice/unit ce!l maka bidang yang berbeda akan dapat mempunyai Indeks Miller yang sama, asa! kedudukannya terhadap pusat koordinat juga sama. Jadi bidang-bidang ini dapat dikatakan ekuivalen. Semua bidang yang ekuivalen dikatakan berada dalam satu "keluarga", ditulis dengan Indeks Miller yang diletakkan dalam braces, keluarga {hkl}. Pada slide no.14, gambar dari unit cell kubus, sisi-sisi kubus merupakan satu

keluarga, yaitu keluarga {100} yang

terdiri dari bidang-bidang (100), (010), (001), (fOO), (OlO) dan (OOl). Suatu araA krustalografi adalah arah dari pusal koordinai
Indeks

Miller

akan

tegak /urus terhadap bidang yang

dinyatakan dengan Indeks Miller yang sama. Pada slide tampak bahwa arah [210| tegak lurus terhadap bidang (210) dari suatu sistem kubus. Pada suatu sistem

kristal dapat dibuat bidang yang tak terhingga

banyaknya, tetapi yang mempunyai arti penting adalah bidang-bidang yang mempunyai kepadatan atom yang tinggi dan jarak antar bidangyang besar.


85


TM 090301

Bidang iniadalah keluarga bidang (110) untuk sistem BCC, dan keluarga bidang (111) untuk sistem FCC. Pada bidang-bidang ini mudah terjadi slip

3.5 Kristalisasi

Kristalisasi yaitu proses pembentukan kristal, yang terjadi pada saat pembekuan, perubahan dari fase cair ke fase padat. Dilihat dari mekanismenya krisalisasi terjadi melalui dua tahap : 1. Pembentukan inti atau pengintian (nucleation) 2. Pertumbuhan kristal (crystal growth) Dalarn keadaan cair atom-atom lidak memiliki susunan teratur tertentu, se-lalu/mudah bergerak. Dalam keadaan cair temperaturnya relatif tinggi dan atom memiltki

energi cukup banyak sehingga mudah bergerak, tidak ada

pengaturan le-tak atom relatif terhadap atom lain. Dengan turunnya lemperatur maka energi atom makin rendah dan makin sulit bergerak dan mulai mencari/mengatur kedudukannya relattf terhadap atom lain, mulai membentuk lattice. Ini terjadi pada tempat yang relatif lebih dingin di-mana sekelompok atom menyusun diri membentuk inti kristal. Inti-inti

ini

akan

menjadi pusat dari proses kristalisasi selanjutnya.

De-ngan makin turunnya temperatur makin banyak atom yang ikut bergabung dengan inti yang sudah ada atau membentuk inti baru. Setiap inti akan tumbuh dengan menarik atom-atom lain dari cairan atau dari inti yang tidak sempat tumbuh, untuk mengisi tempat kosong pada lattice yang akan dibentuk.


86


TM 090301

Slide no.16. proses pembentukan kristal, yang terjadi pada saat pembekuan, perubahan dari fase cair ke fase padat

Pertumbuhan ini berlangsung dari tempat yang lobih dingin menuju tempat yang lebih panas. Pertumbuhan ini tidak bergerak lurus saja, tetapi mulai membentuk cabang-cabang dan ranting-ranting, struktur seperti ini disebut struktur dendritik. Dendrit ini terus bertumbuh Ke segala arah, sehingga cabang/ranting dendrit hampir bersentuhan dan sisa catran yang terakhir akan mernbeku di sela-sela dendrit ini. Pertemuari satu dendrit kristal dengan lainnya dinamakan batas bulir kristal (grain boundary) yang merupakan bidang yang membatasi antara 2 kristal. Batas butir adalah tempal dimana terdapat ketidak-teraluran susunan atom (mismatch) di samping juga biasanya mengandung unsur-unsur ikutan (impurity) lebih banyak.

3.6. Cacat pada kris tal (imp erfectio n)

Kristal yang sempurna adalah kristal yang susunan atomnya seluruhnya ter-atur mengikuti suatu pola tertentu. Cacat yang dimaksud di sini adalah


87


TM 090301

cacat/ketidaksempurnaan susunan alorn dalam kristal (lattice). Cacat ini dapat terjadi pada saat pembekuan ataupun oleh sebab-sebab mekanik. Cacat ini dapat berupa : 1. Cacat titik (point defect) 2. Gacat garis (line defect) 3. Cacat bidang (interfacial defecl) 4. Cacat ruang (bulk defect)

Cacat titik dapat berupa kekosongan (vacancy) yang terjadi karena tidak terisinya suatu posisi atom pada lattice. Juga dapat terjadi karena salah tempat, posisi yang seharusnya kosong ternyata ditempati atom, terjadi sisipan interstitial). Mungkin juga ada atom "asing" yang menggantikan tempat yang seharusnya diisi alom, terjadi substitusi ('substitutionals)',

Slide no.21. Cacat pada Krist al

Cacat-cacat ini akan menyebabkan terjadinya tegangan pada lattice. Vacancy akan menyebabkan atom-atom di sekitarnya tertarik mendekat dan intensitas mengakibatkan atom-atom sekitarnya terdorong saling menjauhi


88


TM 090301

pada substitutional, bila atom penggganti lebih besar maka atom sekitarnya terdorong menjauh, dan bila lebih kecil tertarik mendekat.

Slide no.22. a) vacancy, (b) int erstit ial atom, (c) small subst itut ional atom, (d) large substitutional atom, (e) Frenkel defect, (f) Schottky defect.

Cacat garis, cacat yang menimbulkan distorsi pada lattice yang berpusat pada suatu garis, sering disebut dislokasi. Pada dasarnya ada 2 macam dislokasi yaitu edge dislocation dan screw dislocation, dan dapat juga terjadi dislokasi yang merupakan kombinasi keduanya.


89


TM 090301

Slide no .23. Macam-macam Dislo kasi

Untuk menggambarkan dislokasi diambil sebuah kristal seperti slide no.23.

yang dibuat irisan yang mengiris ikatan aniar atom menurut bidang

ABCD, (slide no. 23 a). Bila bagian atas irisan didorong hingga baris atom yang di lepi tergeser ke atas baris kedua dari irisan bawah, maka akan tampak adanya distorsi yang berpusat di garis AB, slide no. 23 b, dan garis AB ini dinamakan arti dislokasi. Dislokasi semacam ini adalah edge dislocation. Bila dorongan tersebut ke arah samping, sejajar AB (slide no. 23. c), maka akan terjadi screw dislokation, dinamakan demikian karena susunan atom di sekitar garis dislokasi berbentuk seperti ulir (screw). Dan bila dorongan tersebut mernbuat suatu sudut terhadap garis AB, maka akan diperoleh mxed dislocation, (slide no. 23. d dan e). slide no 24.

selanjutnya menunjukkan

susunan atom pada dislokasi.


90


TM 090301

Slide no.24. Susunan Atom pada Edge Dislo cation

Semua cacat diatas dapat bergeser dalam suatu lattice, baik karena pengaruh thermodinamik maupun gaya mekanik. slide no. 25. menunjukkan bagaimana suatu edge dislocalion dapat bergeser

sli de no. 25. Pergerakan Atom p ada Edge Disloc ation

Gerakan dari edge dislocation dimulai dari tepi kristal dengan terbentuknya dislocation line, sebagai akibat dari gaya geser (shear Force). Garis dislokasi ini berupa garis lurus sepanjang kristal dan tegak lurus terhadap


91


aran gaya geser

TM 090301

Gaya geser selerusnya akan mendorong garis dislokasi ini

dari satu baris atom ke baris atom berikutnya. tergeser ini dikatakan telah

mengalami dan

Baris bidang

atom

yang

tempat

telah

terjadinya

pergeseran ini dinamakan bidang slip (slip plane) bidang yang padat atom. Pengertian mengenai dislokasi jika bermanfaat untuk menjelaskan berbagai sifat logam, antara lain, deformasinya. penguatan dan lain-lain. Cacat bidang yang selalu terdapat pada krislai logam adalah grain boundary. Pada batas butir selalu terdapat distorsi baik karena pengaruh tegangan permukaan tnaupun akibat dari interaksi dengan atom-atom dari kristal tetangganya. Karena setiap butir kristal mempunyai orientasi yang berbeda satu sama lain, maka pada batas antara satu butir dengan butir lain akan terjadi ketidak-teraluran susunan atom (dibandingkan dengan bagian dalam dari kristal). Pada slide no. 26. dapat dilihat susunan atom pada suatu batas butir. Tampak bahwa batas butir merupakan daerah yang penuh dislokasi, karenanya ia merupaka daerah yang penuh dengan tegangan. Jadi batas butir merupakan tempat yang menyimpan banyak energi, karena itu banyak peristiwa transformasi dimulai dari batas butir ini.

sli de no. 26. Cacat ruang (bulk defect)


92


TM 090301

3.7. Defor masi pl astik pada kris tal

Bila suatu krislal mengalami tegangan maka susunan alom pada kristal itu akan mengalami perubahan posisi, perubahan ini bersifat sementara bila tegangan yang bekerja tidak cukup besar dan akan bersifat permanen bila legangan sudah melampaui yield. Bila tegangan telah melampaui yield maka garis dislokasi sudah bergeser dan mungkin telah mencapai batas butir, sehingga butir kristal mengalami perubahan bentuk yang permanen. Perubahan bentuk pada butir kristal akibal terjadinya hal ini akan menyebabkan terjadinya perubahan bentuk pada bentuk luar benda. Deformasi (perubahan bentuk) dapat terjadi dengan terjadinya slip alau twmning, atau kombinasi keduanya.

slide no. 27. Analog dislokasi pada kristal


93


TM 090301

3.7.1 Deformasi Dengan Slip

Slip merupakan mekanisma terjadinya deformasi yang paling sering dijumpai. Slip terjadi bila sebagian dari kristal tergeser relatif terhadap bagian kristal lain sepanjang bidang kristalografi tertenlu. Bidang tempat terjadinya slip ini dinamakan bidang slip (slip plane) dan arah pergeseran atom pada bidang slip dinamakan arah slip (slip direction). Slip terjadi pada bidang yang paling gadat alom dan arah slip juga pada daerah yang paling padat, atom, karena untuk menggeser atom pada posisi ini memerlukan energi paling kecil. Pada slide no. 28. dapat dilihat bahwa pergeseran atom akan lebih mudah terjadi bila susunan atomnya lebih rapat, slide no. 28. a (di slide no. 28. b yang susunan atomnya kurang padat, atom atom seolah-olah "terkunci" di sela-sela atomatom lain, dan untuk menggeser atom-atom ini tentu akan memerlukan energi lebih besar).

sli de no. 28. Pergeseran Susunan Ato m

Seperti

diketahui pada suatu sistem kristal mungkin terdapat lebih dari

satu bidang yang padat atom, bidang-bidang ini merupakan satu keluarga, demikian pula dengan arah slip. Karenanya slip dapat terjadi pada beberapa bidang dan arah tertentu, ini dinamakan sistem slip (slip system) dari sistem kristal.


94


TM 090301


95

Bab 3 Struktur Kristal logam

Recommend Documents