DISLOKASI DAN MEKANISME PENGUATAN

(1)

6 6 2 3 -T a u fi q u r R a ch m a n h t t p : / / t a u f i q u r r a c h m a n . w e b l o g . e s a u n g g u l . a c . i d

DISLOKASI DAN

MEKANISME

PENGUATAN

TIN107 – Material Teknik

Materi #3

1 TIN107 - Material Teknik

h t t p : / / t a u f i q u r r a c h m a n . w e b l o g . e s a u n g g u l . a c . i d 6 6 2 3 -T a u fi q u r R a ch m a n

Dislokasi

2

 Logam terdiri dari kristal yang merupakan susunan atom

yang beraturan

 Dalam kristal terdapat cacat kisi yang dinamakan dislokasi  Pergerakan dislokasi ke permukaan akan menjadi

deformasi

 Suatu kristal logam tanpa dislokasi akan berkekuatan

10.000 kali kekuatan sesungguhnya

 Kristal logam biasa mengandung 105~108 cm/cm3

dislokasi

 Pemberian deformasi plastis atau pengerjaan dingin akan

(2)

Mekanisme Deformasi (Logam)

Materi #3 TIN107 - Material Teknik

3



Kekuatan teoritis dari kristal yang sempurna jauh

lebih tinggi dari pada yang sebenarnya diukur.



Perbedaan

dalam

kekuatan

mekanis

dapat

dijelaskan oleh dislokasi.



Pada

skala

makroskopik,

deformasi

plastis

berhubungan dengan gerakan sejumlah besar atom

sebagai respons terhadap tekanan yang diberikan.



Ikatan yg ada dalam atom pecah dan melakukan

reformasi.

Dislokasi Tepi dan Dislokasi Ulir

4



Pada

Edge

Dislocation

(dislokasi

tepi),

penyimpangan kisi lokal terjadi disekitar akhir

extra half-plane

(setengah bidang tambahan)

dari atom.



Screw Dislocation

(dislokasi ulir) dihasilkan dari

penyimpangan geser.



Banyak dislokasi dalam material kristalin

(

crystalline

) memiliki keduanya (komponen

edge

dan

screw

), yang disebut

Mixed Dislocation

(3)

Edge Dislocation (Dislokasi Tepi)

 Garis dislokasi tepi:

searah dengan bidang

 Atom di atas garis

dislokasi berada dalam kompresi (tekanan), dan yang di bawah dalam tegangan.

Materi #3

5

TIN107 - Material Teknik

Extra half-plane(tambahan

setengah bidang) dari atom

Sumber:

A. G. Guy, Essentials of Materials Sciences

Simbol h t t p : / / t a u f i q u r r a c h m a n . w e b l o g . e s a u n g g u l . a c . i d 6 6 2 3 -T a u fi q u r R a ch m a n

Screw Dislocation (Dislokasi Ulir)

6

Dislokasi ulir (screw dislocation) dalam sebuah

kristal

Tampak atas dislokasi ulir (screw dislocation), AB adalah garis dislokasi ulir

(4)

Gerak Dislokasi



Secara bertahap memecahkan ikatan.



Jika dislokasi tidak bergerak, deformasi tidak

akan terjadi, namun retakan (

fracture

) akan

seperti keramik.

Materi #3

7

Gambaran persamaan antara ulat dan gerak dislokasi

Penggolongan Dislokasi & Material



Metals (Logam):



Logam: gerak dislokasi lebih mudah



Tidak ada arah ikatan



Arah tumpukan-padat untuk slip.

8

Ion Cores (Inti Ion) Electron Cloud (Awan Elektron)

(5)

Penggolongan Dislokasi & Material



Covalent Ceramics (Si, Diamond):



Sulit bergerak.



Arah ikatan angular/membentuk sudut.

Materi #3

9

Penggolongan Dislokasi & Material



Ionic Ceramics (NaCl):



Sulit bergerak.



Perlu untuk menghindari ++ dan – saling

berdekatan.

10

(6)

Density (Kepadatan) Dislokasi

11

 Total panjang dislokasi per satuan volume material

 Atau, jumlah dislokasi yang bersinggungan dengan satuan

luas sebuah bagian secara acak

 Umumnya menentukan kekuatan material

 Metals (dipadatkan) : 103 mm-2

 Metals (dideformasi/berubah bentuk) : 109-1010 mm-2  Metals (dipanaskan) : 105-106 mm-2

 Keramik : 102-104 mm-2

 Silikon kristal tunggan untuk ICs : 0.1-1 mm-2

Daerah Bidang Regangan

 Edge dislocation

(disloksai tepi): kompresi/tekanan (di atas garis dislokasi) & tegangan (di

bawah garis dislokasi)

 Screw dislocation

(dislokasi ulir): pergeseran

 Bidang tekanan &

regangan menurun dengan jarak radial dari garis dislokasi

12

Sumber:

W. G. Moffat, G. W. Pearsall, dan J. Wulff, The Structure and Properties of Materials

(7)

Interaksi Dislokasi

Materi #3 13

Bidang regangan dari satu dislokasi dapat

mempengaruhi dislokasi sekitarnya.

Dua dislokasi yang serupa dapat saling tolak.

Dislokasi yang berbeda dapat saling menarik dan

memusnahkan satu sama lain.

Sistem Slip

14



Dislokasi tidak bergerak dengan tingkat kemudahan

yang sama pada semua bidang dan arah

kristalografi.



Ada bidang yang lebih disukai (bidang slip) dan

arah yang diinginkan (arah slip).



Bidang slip adalah bidang dengan kepadatan planar

yang lebih tinggi dari atom, dan arah slip adalah

garis linier dengan kepadatan yang tinggi.



Sistem slip: kombinasi dari bidang slip and arah

(8)

Sistem Slip – Contoh FCC

Materi #3

15

Bidang Slip {111}:

Balutan atom yang padat,

Slip Direction ‹110›: Kepadatan linier tertinggi,

Slip Dalam Kristal Tunggal

16

 Kristal tunggal mudah untuk dikondisikan, dapat digeneralisasi menjadi polycrystal.

 Terlepas dari jenis tekanan yang diberikan pada material, deformasi plastis atau gerak dislokasi terjadi karena tegangan geser.

 Beberapa komponen tekanan yang diberikan merupakan tegangan geser pada sepanjang bidang slip dan arah slip.

 Komponen ini disebut penyelesaian (resolved) tegangan geser

(9)

σcosλcosυ

=

A/cosυ

Fcosλ

=

τ

_R

Resolved

(Penyelesaian) Tegangan Geser (



_R

)

17 slip plane normal, ns



ns

A

As

Critical Resolved Shear Stress

(CRSS)



Kondisi untuk gerak dislokasi:



_R

>



_CRSS



Orientasi kristal dapat membuat gerak dislokasi

menjadi mudah atau sulit.





_R

=



cos λ cos f



Kemungkinan

maksimum:



_R

=



/2

sehingga



_y

= 2



_CRSS 18

(10)

Contoh BCC

 Slip system: {110}<111>

𝜙 = 45° dan 𝜆 = tan-1(a2/a) = 54.7°

 𝜏 atau 𝜎 dapat dihitung jika salah satu dari 𝜙 atau 𝜆 telah

diketahui

Materi #3

19

h t t p : / / t a u f i q u r r a c h m a n . w e b l o g . e s a u n g g u l . a c . i d 6 6 2 3 -T a u fi q u r R a ch m a n Sumber: Callister 6e

Gerak Dislokasi Polycrystals

 Bidang dan arah slip (𝜆, 𝜙) berubah dari satu kristal ke kristal lain.

 𝜏_Rakan bervariasi dari satu kristal dengan kristal lain.

 Pertama kristal dengan 𝜏_Ryields tertinggi.  Kemudian kristal lainnya yang yield kurang

baik.

 Material Polycrystalline umumnya lebih kuat dibanding kristal tunggal, karena kendala geometris dan kebutuhan tekanan yield yang lebih besar.

20

(11)

Meknisme Penguatan

21

 Deformasi plastis makroskopik berhubungan dengan gerakan sejumlah besar dislokasi.

 Kemampuan logam untuk berubah bentuk secara

plastis tergantung pada kemampuan gerak dislokasi.

 Hampir semua teknik penguatan mengandalkan pada

membatasi atau menghalangi gerak dislokasi.  Terdapat 4 mekanisme, antara lain:

 Reduce grain size(mengurangi ukuran butir)

 Solid-solution strengthening(penguatan larutan padat)  Precipitation strengthening(penguatan pengendapan)  Strain hardening or cold working(pengerasan regangan atau

pengerjaan dingin) h t t p : / / t a u f i q u r r a c h m a n . w e b l o g . e s a u n g g u l . a c . i d 6 6 2 3 -T a u fi q u r R a ch m a n 2 1 y o yield

σ

k

d

σ





  Sumber: Callister,A Textbook of Materials Technology

Strategi Penguatan:

Reduce Grain Size

 Batas butir merupakan hambatan

untuk slip.

 Dislokasi telah mengubah arah.  Daerah batas butir yang tidak teratur,

menyebabkan ketidaksinambungan dalam bidang slip.

 Kekuatan hambatan bertambah

dengan miss-orientation (salah arah).

 Lebih kecil ukuran butir: lebih banyak

hambatan untuk slip.

 Persamaan Hall-Petch: 22

(12)

h t t p : / / t a u f i q u r r a c h m a n . w e b l o g . e s a u n g g u l . a c . i d 6 6 2 3 -T a u fi q u r R a ch m a n 2 / 1 y o yield

σ

k

d

σ







Contoh Penguatan Grain Size



Ukuran butir

(

grain size

)

dikendalikan oleh

perlakuan panas

(misalnya: laju

pendinginan

selama pemadatan,

pendinginan/

annealing

)

Materi #3 23

Anisotropy dalam



yield

Isotropik

 Butir kurang lebih berbentuk

bola & berorientasi secara acak.

Anisotropic

 Karena proses rolling

berpengaruh terhadap orientasi butir & bentuk.

24

Sebelum dirolling Setelah dirolling Dapat disebabkan dengan me-rolling logam polycrystalline

Arah

(13)

• Atom Impuritymengetarkan kisi & menghasilkan tekanan. • Tekanan dapat menghasilkan penghalang untuk gerak dislokasi. • Substitusi atom impurity

yang lebih kecil

• Substitusi atom impurity yang lebih besar

Atom impurity menghasilkan pergeseran lokal di A dan B yang melawan gerak dislokasi ke kanan.

Strateg Penguatan 2: Solid-solution

25

Atom impurity menghasilkan pergeseran lokal di C dan D yang melawan gerak dislokasi ke kanan.

Penguatan

Solid-Solution

26

 Atom impurity tertarik dislokasi sehingga dapat mengurangi energi

regangan secara keseluruhan, yaitu untuk membatalkan sebagian regangan dalam kisi di sekitar dislokasi.

 Jika dislokasi ingin bergerak, ia harus melepaskan dirinya dari atom

impurity yang membutuhkan energi.

Atomimpurity yang lebih kecil

(14)

Contoh Penguatan Solid-solution

27

Pengaruh Nikel (zat terlarut) pada Copper (a) Kekuatan tarik, (b) Kekuatan yield, dan (c) Keuletan (% elongation -pemanjangan). h t t p : / / t a u f i q u r r a c h m a n . w e b l o g . e s a u n g g u l . a c . i d 6 6 2 3 -T a u fi q u r R a ch m a n

Strategi Penguatan 3: Precipitation

28

 Pengendapan yang keras sulit untuk di geser.

 Contoh: Keramik dalam logam (SiC dalam Besi atau

alumunium).  Hasilnya:

S

1 ~

y



(15)

Aplikasi Penguatan

Precipitation

Materi #3

29

Struktur sayap Boeing 767

Aluminium diperkuat dengan

pembentukan endapan (precipitation) oleh paduan 1.5mm h t t p : / / t a u f i q u r r a c h m a n . w e b l o g . e s a u n g g u l . a c . i d 6 6 2 3 -T a u fi q u r R a ch m a n

100 x

A

CW

%

o d o





Ao Ad force die blank force Forging

Strategi Penguatan 4: Cold Work (%CW)

30

 Deformasi suhu ruang.

 Umumnya operasi pembentukan mengubah luas penampang.

Rolling Extrusion tensile force Ao Ad die die Drawing

(16)

Dislokasi Selama

Cold Work

 Dislokasi melibatkan satu

sama lain selama cold work.

 Dislokasi gerak menjadi

lebih sulit.

Materi #3

31

Paduan Ti setelahcold working:

h t t p : / / t a u f i q u r r a c h m a n . w e b l o g . e s a u n g g u l . a c . i d 6 6 2 3 -T a u fi q u r R a ch m a n Atau

Hasil Cold Work

32

Kepadatan dislokasi (ρd) berubah naik menjadi:

Sampel Carefully prepared: ρd ~ 103 mm/mm3 Sampel Heavily deformed: ρd ~ 1010 mm/mm3

• Cara mengukur kepadatan dislokasi:

d N_A Area, A N dislocation pits (revealed by etching) dislocation pit  40mm

(17)

Hasil Cold Work



Tekanan

yield

meningkat

sejalan

dengan

peningkatan ρ

_d

:

Materi #3

33

Dislocation Trapping



Dislokasi menghasilkan tekanan.



Ini merupakan perangkap untuk dislokasi lain.

(18)

Dampak

Cold Work



Meningkatkan

tekanan yield.



Kekuatan tarik

(

tensile strength

/

TS meningkat.



Keuletan (%EL or

%AR) berkurang

secara drastis.

Materi #3 35

Analisa Cold Work

 Berapa kekuatan tarik & keuletan

setelah bekerja dingin?

%CW ro 2_{ }_r d 2 r_o2 x10035.6% 36

(19)

Pengaruh Pemanasan Setelah %CW

Materi #3

37

 1 jam perlakuan pada T_annealing menurunkan TS & mengingkatkan %EL.  Pengaruhnya adalah berbanding terbalik. h t t p : / / t a u f i q u r r a c h m a n . w e b l o g . e s a u n g g u l . a c . i d 6 6 2 3 -T a u fi q u r R a ch m a n

Kesimpulan

38

 Gerak dislokasi berhubungan terhadap deformasi plastis.  Kekuatan meningkat dengan membuat menghambat gerak

dislokasi.

 Cara-cara untuk meningkatkan kekuatan antara lain: Decrease grain size (Mengurangi ukuran butir)

Solid-solution strengthening (Penguatan larutan padat) Precipitate strengthening (Penguatan endapan)

Cold work (Pendinginan)

 Pemanasan (heating) atau pendinginan (anneling) dapat

mengurangi kerapatan dislokasi dan meningkatkan ukuran butir.