MAKALAH FISIKA BAHAN
SIFAT MEKANIK BAHAN
Disusun Oleh: Kelompok 1
1. IRAWAN ARI WIBOWO (2414100007) 2. SARWENDAH KUSUMA (2414100041) 3. KIKI PUTRI SISVIANA (2414100078)
4. DYAH RAHMANIA P (2414100120)
PROGRAM STUDI S1 TEKNIK FISIKA JURUSAN TEKNIK FISIKA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH SURABAYA
KATA PENGANTAR
Puji syukur kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat serta karuniaNya sehingga penulis dapat menyelesaikan Makalah mengenai Sifat Mekanika Bahan.
Tidak lupa penulis mengucapkan terima kasih kepada ;
1. Dosen pengajar mata kuliah Fisika Bahan. Bu Lizda Johar Mawarani, ST, MT
2. Teman-teman Teknik Fisika 2014 yang telah membantu
Akhir kata, semoga Makalah ini dapat bermanfaat bagi seluruh pembaca. Serta penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun demi kemajuan susunan laporan yang lebih baik.
Surabaya, 14 April 2016
2.1 Dilokasi
2.1. Konsep Dislokasi
Pada dasarnya terdapat 2 type dislokasi yang mendasari yaitu, dislokasi tepi dan dislokasi ulir. Dalam dislokasi sisi, kisi distorsi berada di sepanjang setengah-bidang dari atom tambahan, yang juga mendefinisikan garis dislokasi. Dislokasi ulir dapat diakibatkan dari distorsi geser; garis dislokasi yang melewati pusat dari spiral, jalur bidang atom. Dislokasi adalah suatu pergeseran atau pegerakan atom-atom di dalam sistem kristal logam akibat tegangan mekanik yang dapat menyebabkan deformasi plastis (perubahan dimensi secara permanen). Pada saat terjadinya deformasi plastis, akan melibatkan pergerakan dislokasi dengan nilai yang besar, sebuah dislokasi sisi bergerak sebagai respons terhadap tegangan geser yang diberikan hingga menimbulkan deformasi plastis seperti ditunjukan pada gabar 2.1. Dimana sebuah dislokasi berada dibidang A, dan pada saat tegangan geser diberikan, yang ditunjukkan pada ga,bar 2.1A, bidang A dipaksa kekanan kearah bidang B, C, dan D dan seterusnya pada arah yang sama. Jika tegangan geser yang diberikan pada nilai yang tepat, ikatan interatomik bidang B akan terputus sepanjang bidang geser, dan bagian atas bidang B menjadi bertambahan setengah bidang seperti pada bidang A dengan bagian bawah bidang B kosong, seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.1B. Proses yang sama akan terus berlanjut pada bidang lainnya. Sehingga pada setiap bidang terdapat tambahan setengah bidang dan akan bergerak dari kiri ke kanan, rusaknya ikatan interatomic dan perubahan dari jarak bagian atas bidang interatomic. Sebelum dan sesudah pergerakan dislokasi melalui beberapa bagian tertentu dari kristal, hanya saja pada saat terjasi pertambahan setengah bidang pada struktur kisi yang bersifat mengganggu. Pada akhirnya tambaha setengah bidang tersebut akan berada pada posisi yang tepat di Kristal, yang membentuk suatu tepi satu atom yang dapat terlihat pada gambar 2.1C.
Gambar 2.1. Dislokasi diatas merupakan dislokasi sisi. Yang bergerak akibat adanya energi mekanik yang diberikan oleh tegangan. Arahnya sesuai dengan arah tegangan tersebut. Sehingga dislokasi bergerak seperti pada gambar A sampai dengan gambar C yang membentuk kirstal yang sempurna dan tidak memiliki dislokasi.
Proses di mana deformasi plastis dihasilkan oleh gerakan dislokasi disebut Slip; bidang kristalografi sepanjang yang melintasi dislokasi garis adalah bidang slip, seperti ditunjukkan pada Gambar 2.2. Respon sederhana pada deformasi plastis ke deformasi permanen yang hasilnya berasal dari slip, deformasi yang dapat terlihat pada gambar 2.2A. Gerakan dislokasi dapat dianalogikan dengn gerakan pada ulat, dapat dilihat pada gambar 2.3. ketika ulat membentuk punuk pada setiap badannya, itu menggambarkan gerakan dislokasi pada suatu atom.
Pada gambar 2.3A ulat membentuk punuk pada bagain belakang yang megambarkan dislokasi terjadi pada bagian awal suatu atom dan begitu selanjutnya. Gerakan unuk ulat tersebut sesuai dengan respon tambahan setengah bidang pada model dislokasi dari deformasi plastis.
Gambar 2.2 Formasi dari bagian permukaan Kristal dengan arah gerakan (a) dislokasi tepi (b) dislokasi ulir
Gerakan dislokasi ulir dalam menanggapi tegangan geser dapat ditunjukkan pada Gambar 2.2b; arah gerakannya tegak lurus terhadap arah stress. Untuk gerakan pada dislokasi tepi, arah geraknya sejajar dengan tegangan geser.
Gambar 2,3 Representasi dari analogi antara gerak dislokasi dan gerak ulat
Semua logam dan paduan mengandung beberapa dislokasi yang baru dimulai pada saat pemadatan, selama deformasi plastik, dan sebagai akibat dari tekanan termal yang berasal dari hasil pendinginan cepat. Jumlah dislokasi, atau kerapatan dislokasi pada suatu material, dinyatakan sebagai total panjang dislokasi per satuan volume atau sama dengan jumlah dislokasi yang bersinggungan satuan luas dari unit section. Satuan dari kerapatan dislokasi adalah millimeter dari dilokasi per millimeter kubik.
Dislokasi bisa mudah bergerak dan juga bisa sulit bergerak. Misalya pada proses pengerjaan dingin (cold work) terjadi peningkatan dislokasi di dalam kristal logam sehingga kekuatan logam meningkat, namun keuletan menurun. Pada dasarnya dislokasi itu ada dua, yaitu dislokasi sisi dan dislokasi ulir namun ada juga dislokasi campuran yaitu kombinasi antara dislokasi sisi dan dislokasi ulir.
1. Karakteristik Dislokasi
Beberapa karakteristik dislokasi akan berpengaruh pada sifat mekanik material . Termasuk medan regangan yang berada disekitar dislokasi yang akan menentukan mobilitas dislokasi dan kemampuan untuk bertambahnya dislokasi. Jika logam mengalami deformasi (kira-kira 5%)
energi deformasi tetap berada pada material , sisanya menjadi panas. Sebagian besar energi yang disimpan tersebut berupa energi regangan dan berada disekitar dislokasi . Energi regangan berupa :tekan , tarik dan geser. Misalnya, atom berada langsung di atas dan berdekatan dengan garis dislokasi dipaksakan bersama-sama. Akibatnya, atom-atom ini terlihat mengalami tekan regangan relatif terhadap posisi atom dalam kristal sesungguhnya dan tidak mengalami dislokasi; dapat terlihat pada gambar 2.4. Jika Langsung berada bawah setegah bidang, akan mengakibatkan kebalikan; atom kisi mempertahankan regangan tarik yang dikenakan, seperti yang ada pada gambar. Tegangan akan bergeser disekitar dislokasi tepi. Untuk dislokasi ulir, tegangan kisi hanya bergeser saja. distorsi kisi ini dapat dianggap menjadi bidang tegangan yang berasal dari garis dislokasi. Tegangan akan meluas ke sekitarnya atom, dan besarnya mereka menurun dengan jarak radial dari dislokasi.
Gambar 2.4 Daerah tekan (hijau) dan daerah tegangan (kuning) berada disekitar dislokasi tepi.
.
(a) Dua dislokasi dengan tanda yang sama pada sebuah bidang slip saling mendesak dan akhirnya terjadi gaya tolak-menolak. C menunjukan tegangan tekan dan T menyatakan tegangan tarik
(b) Sebuah dislokasi sisi dengan tanda yang berlawanan pada bidang slip saling mendesak dan terjadi gaya tarik-menarik, dan keduanya bertemu dan memusnahkan dislokasi hingga akhirnya membentuk kristal yang sempurna
Selama deformasi plastik, jumlah dislokasi meningkat secara drastis. Kita tahu bahwa kerapatan dislokasi dalam logam yang telah sangat cacat mungkin sangat tinggi. Salah satu penyebabnya munculnya dislokasi baru (terdapat dislokasi yang telah berkembang biak). Selanjutnya, batas butir, cacat dalam dan penyimpangan permukaan seperti goresan dan torehan, yang sebagai konsentrasi tegangan, dapat berfungsi sebagai sumber pembentukan dislokasi baru selama deformasi.
2. Sistem Slip
Gerakan dislokasi pada suatu bahan tidak sama kesetiap arah , ada bidang yang disukai (prefer plane) untuk terjadi gerakan dislokasi . Bidang ini disebut bidang slip Sedangkan arah gerakan disebut arah slip. Gabungan dari keduanya disebut sistem slip. Slip biasanya terjadi pada bidang terpadat dan slip juga tergantung pada struktur Kristal logam
Gambar 2.6 (a) system slip yang ditunjukkan pada bentuk Kristal FCC (b) Bidang (111) dari a dan (110) arah slip dalam bidang terdiri atas system slip
3. Slip dalam Kristal tunggal
Walaupun tegangan yang diberikan ke bahan murni tegangan tarik (atau tekan ), komponen geser tetap timbul tetapi tegak lurus terhadap arah tegangan. Hal ini disebut tegangan geser putus (resolved shear stress). Tegangan geser ini bergantung pada tegangan yang diberikan, dan orientasi bidang slip serta arah slip.
Pada logam kristal tunggal mempunyai sejumlah sistem slip yang berbeda. Tegangan geser putus besarnya akan berbeda pada setiap sistem slip karena besar f dan l juga berbeda. Tapi ada satu bidang yang lebih disukai untuk terjadinya slip, biasanya pada bidang yang t r paling besar atau disebut juga tr(max)
Gambar 2.7 hubungan geometrical antara sumbu regangan, slip bidang, dan arah slip dan dikalkulasi untuk Kristal tunggal
Karena tegangan tarik atau tekan maka slip pada kristal tunggal dimulai pada bidang yang mempunyai tr ( max ) .Tegangan geser putus kritis, tCRSS adalah minimum tegangan geser
yang diperlukan untuk mulai terjadinya slip. Pada sifat mekanik material titik dimana luluh mulai terjadi.
Titik luluh terjadi bila
t
R( max) =t
CRSSGambar 2. 9 Slip yang dapat terlihat makroskopik di Kristal tunggal 2.1.6 Deformasi Plastis dari Bahan Policristalin
Deformasi dan slip pada bahan polikristalin terlihat lebih kompleks. Karena orientasi kristalografi yang acak dari berbagai butir, yang arah slipnya bervariasi dari butir satu ke butir lainnya. Untuk masing-masing, gerak dislokasi terjadi sepanjang sistem slip yang memiliki orientasi yang paling terbaik.
Selama deformasi, ketangguhan mekanik dan koherensi dipertahankan sepanjang batas butir, agar batas butir terbuka. Sebagai konsekuensi, setiap butir dibatasi, untuk beberapa derajat, dalam bentuk yang mungkin dianggap oleh butir lainnya. Seperti pada gambar 2.9
Gambar 2.9 perubahan pada strukur butir dari logam polikristalin sebagai hasil dari deformasi plastis.
Logam polikristalin lebih kuat dari pada yang sebanding dengan Kristal tunggal mereka, yang berarti bahwa tekanan yang lebih besar diperlukan untuk memulai slip dan tempat untuk slip. Hal ini, untuk tingkat yang besar, juga akibat dari kendala geometris yang dipaksakan pada butir selama deformasi.
2.1.7 Deformation by Twinning
Selain slip, deformasi plastik di beberapa bahan logam dapat terjadi akibat pembentukan
mekanik yang sama, atau twinning. Konsep dari twinning yaitu, gaya geser dapat menghasilkan perpindahan atom sehingga pada satu sisi bidang (batas kembar), atom terletak di posisi cermin-gambar atom di sisi lain. Dapat ditunjukkan pada cermin-gambar 2.10
Gambar 2.10 skema dari diagram bagaimana hasil dari twinning 2.2 Mekanisme Penguatan
2.1.1 Strengthening by Grain Size Reduction
Ukuran dari butir-butir atau diameter butir rata-rata, akan mempengaruhi sifat mekanik pada polikristalin logam. Butir-butir yang berdekatan, biasanya memiliki kristalografi yang orientasinya berbeda dan batas butir yang sama, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2.1. Pada saat deformasi plastik, slip atau gerak dislokasi harus berlangsung dibatas yang sama, dari butir A ke butir B pada gambar 2.2. Batas butir tersebut bertindak sebagai penghalang untuk gerakan dislokasi. Pengecilan butir adalah salah satu cara yang efektif bagi penguatan yang dihasilkan dengan menghalangi pergerakan dislokasi di sekitar batas butir. Dengan mengecilnya
ukuran dari butir akan meningkatkan batas butir per unit volume dan mengurangi garis edar bebas dari slip yang berkelanjutan.
Gambar 2.1 Dislokasi Butir
Sudut yang kecil dari lapisan butir tidak efektif dalam menahan dislokasi. Sudut yang besar dari lapisan butir mampu menahan block slip dan meningkatkan kekuatan pada material. Konsentrasi tegangan di ujung slip plane kemungkinan akan memicu dislokasi baru dalam pertambahan butir. Material dengan butir yang halus akan lebih keras dan kuat dibanding butiran yang kasar, karena butir yang halus mempunyai jumlah permukaan lebih besar pada total area lapisan butir yang akan menghambat pergerakan dislokasi. Penurunan ukuran butir biasanya lebih baik dalam meningkatkan ketangguhan. Dalam banyak hal, variasi yield strength dengan ukuran butir mengacu pada persamaan Hall-Petch:
Dimana:
d = diameter butir rata-rata
σo dan ky = konstanta bahan tertentu
Pengaruh ukuran butir terhadap sifat mekanis memiliki batasan dimana butir yang terlalu halus (<10nm) akan menurunkan sifat mekanis akibat grain boundary sliding.
Diameter ukuran butir d dapat di kontrol melalui : Ø laju pembekuan (solidification),
Ø deformasi plastis, dan
Ø Perlakuan panas (heat treatment) yang sesuai
Gambar 2.2 menunjukkan hasil yield strength pada ukuran butir untuk paduan kuningan. Ukuran butir dapat diatur oleh solidificasi dari fase liquid, dan juga deformasi plastik diikuti oleh perlakuan panas yang tepat. Hal ini menunjukkan bahwa pengurangan ukuran butir meningkatkan tidak hanya kekuatan, tetapi juga toughness dari beberapa paduan.
Gambar 2.2 Grafik perubahan Grain size terhadap yield strength dan diameter butir pada paduan kuningan 70Cu–30 Zn.
2.1.2 Solid-Solution Strengthening
Metode lain yang digunakan untuk penguatan dan pengerasan logam adalah paduan imputiras logam dengan interstitial larutan padat yang biasa disebut dengan Solid solution
Pada umumnya logam campuran akan lebih kuat dibandingkan dengan logam murni, karena impuritas atom yang masuk ke dalam larutan padat memaksakan tegangan kisi di sekeliling atom induknya. Semakin tinggi tingkat kemurnian logam maka semakin lembut dan lemah logam tersebut. Interstisial atau impuritas substitusi dalam sebuah larutan akan mengakibatkan regangan kisi. Hasilnya impuritas ini akan berinteraksi dengan bidang dislokasi regangan dan menghambat pergerakan dislokasi.
Impuritas cenderung menyebar dan memisah di sekitar inti (core) dislokasi untuk menemukan atom yang sesuai dengan radiusnya. Hal ini akan menurunkan tegangan energi keseluruhan dan “jangkar” dislokasi.
Gambar 2.3 Variasi dengan kandungan nikel dari (a) Kekuatan Tarik (b) Yield strenght, dan (c) ductility (% EL) untuk paduan tembaga-nikel, menunjukkan penguatan.
Gambar 2.4 Mewakili strain kisi tarik dikenakan pada atom utama yang lebih kecil daripada atom impuritas substitusi. (B) lokasi Kemungkinan kecil atom impritas relatif terhadap dislokasi seperti yang ada adalah pembatalan parsial kisi impuritas-dislokasi strain.
2.2.3 Strain Hardening
Pengerasan regangan adalah fenomena dimana keuletan logam menjadi lebih keras dan kuat seperti deformasi plasti. Kebanyakan logam regangan mengeras pada suhu kamar. Biasanya presentase Cold Work (%CW) digunakan untuk menyatakan tingkat deformasi plastis.
Dimana:
Ao = Luas penampang awal
Gambar 2.12 Untuk 1040 steel, brass, dan copper
Yield strength selanjutnya (σy0) lebih tinggi dibandingkan inisial yield strength (σyi). Ini
adalah alasan untuk pengaruh terhadap strain hardening. Yield strength dan hardness akan meningkat sebagai akibat strain hardening tetapi ductility (keuletan) akan menurun (material menjadi lebih brittle (getas). Efek Strain Hardening dapat dihilangkan dengan perlakuan panas annealing. Fenomena regangan-pengerasan dijelaskan atas dasar dislocation-interaksi dislokasi medan regangan. kerapatan dislokasi dalam logam meningkat dengan deformasi atau pekerjaan dingin, karena, banyaknya dislokasi atau pembentukan dislokasi baru, seperti dicatat sebelumnya.
