DISLOKASI DAN MEKANISME PENGUATAN

(1)

(2)

TIN107 - Material Teknik

#3 - Dislokasi dan Mekanisme Penguatan TIN107 - Material Teknik

1

6623 - Taufiqur Rachman

h t t p://ta ufiqurrach man.webl og.e sa unggu l.ac.id DISLOKASI DAN MEKANISME PENGUATAN Materi #3 TIN107 – Material Teknik

Dislokasi http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 2 6623 - Taufiqur Rachman      

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 meningkatkan dislokasi

TIN107 - Material Teknik 6623 - Taufiqur Rachman Materi #3

1

#3 - Dislokasi dan Mekanisme Penguatan

(3)

3 6623 - Taufiqur Rachman    

Kekuatan teoritis dari kristal yang sempurna jauh lebih tinggi dari pada yang sebenarnya diukur. Perbedaan dalam kekuatan dijelaskan oleh dislokasi.

mekanis dapat

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.

TIN107 - Material Teknik Materi #3

Dislokasi Tepi dan Dislokasi Ulir http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 4

6623 - Taufiqur Rachman 

 

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 (dislokasi campuran).

(4)

Edge Dislocation (Dislokasi Tepi) http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 5

Extra half-plane (tambahan Simbol

6623 - Taufiqur Rachman setengah bidang) dari atom 



Sumber: A. G. Guy, Essentials of Materials Sciences TIN107 - Material Teknik

Garis dislokasi tepi: searah dengan bidang Atom di atas garis dislokasi berada dalam kompresi (tekanan), dan yang di bawah dalam tegangan.

Materi #3

Screw Dislocation (Dislokasi Ulir) http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 6623 - Taufiqur Rachman

6

Dislokasi ulir (screw dislocation) dalam sebuah kristal

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

Sumber: W. T. Read, Jr., Dislocations in Crystal TIN107 - Material Teknik 6623 - Taufiqur Rachman

Materi #3 3

(5)

Gerak Dislokasi http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 6623 - Taufiqur Rachman

7

Gambaran persamaan antara ulat dan gerak dislokasi  

Secara bertahap memecahkan ikatan. Jika dislokasi tidak bergerak, deformasi tidak akan terjadi, namun retakan (fracture) akan seperti keramik.

Penggolongan Dislokasi & Material http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 8

6623 - Taufiqur Rachman  

Metals (Logam): Logam: gerak dislokasi lebih mudah  Tidak ada arah ikatan  Arah tumpukan-padat untuk slip.

Electron Cloud (Awan Elektron) TIN107 - Material Teknik 6623 - Taufiqur Rachman

Ion Cores (Inti Ion) Materi #3 4

Covalent Ceramics (Si, Diamond):  Sulit bergerak.  Arah ikatan angular/membentuk sudut. 6623 - Taufiqur Rachman



(6)

Ionic Ceramics (NaCl):  Sulit bergerak.  Perlu untuk menghindari ++ dan – saling berdekatan. 6623 - Taufiqur Rachman



5

Density (Kepadatan) Dislokasi http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 11



Total panjang dislokasi per satuan volume material Atau, jumlah dislokasi yang bersinggungan dengan satuan luas sebuah bagian secara acak



Umumnya menentukan kekuatan material 6623 - Taufiqur Rachman



    

Metals (dipadatkan) Metals (dideformasi/berubah bentuk) Metals (dipanaskan) Keramik Silikon kristal tunggan untuk ICs

: 103 mm-2 : 109-1010 mm-2 : 105-106 mm-2 : 102-104 mm-2 : 0.1-1 mm-2 Materi #3

(7)

12

Edge dislocation

(disloksai tepi): kompresi/tekanan (di atas garis dislokasi) & tegangan (di bawah garis dislokasi)  Screw dislocation (dislokasi ulir): pergeseran

Sumber: W. G. Moffat, G. W. Pearsall, dan J. Wulff, The 

Structure and Properties of Materials 6623 - Taufiqur Rachman

Bidang tekanan & regangan menurun dengan jarak radial dari garis dislokasi 6

Interaksi Dislokasi http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 6623 - Taufiqur Rachman

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. TIN107 - Material Teknik

Materi #3

Sistem Slip http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 14

(8)

  

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 slip.

7

Sistem Slip – Contoh FCC http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 15

Slip Direction ‹110›: Kepadatan linier tertinggi, TIN107 - Material Teknik

Materi #3

Bidang Slip {111}: Balutan atom yang padat,

Slip Dalam Kristal Tunggal http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 6623 - Taufiqur Rachman

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 TIN107 - Material Teknik

(9)

Materi #3 8

Resolved (Penyelesaian) Tegangan Geser (R) http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 6623 - Taufiqur Rachman

17

slip plane normal, ns ns A As

τ R= TIN107 - Material Teknik Fcosλ = σcosλcosυ A/cosυ Materi #3

Critical Resolved Shear Stress (CRSS) http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 18



Kondisi untuk gerak dislokasi: R > CRSS Orientasi kristal dapat membuat gerak dislokasi menjadi mudah atau sulit. R =  cos λ cos f 

TIN107 - Material Teknik 6623 - Taufiqur Rachman

Kemungkinan maksimum: R = /2 sehingga y = 2CRSS Materi #3

9

(10)

Contoh BCC http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 6623 - Taufiqur Rachman

19  

Slip system: {110}<111> = 45° dan = tan-1(a2/a) = 54.7° atau dapat dihitung jika salah satu dari atau telah diketahui

Gerak Dislokasi Polycrystals http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 20 6623 - Taufiqur Rachman     

Bidang dan arah slip ( , ) berubah dari satu kristal ke kristal lain. R akan bervariasi dari satu kristal dengan kristal lain. Pertama kristal dengan R yields 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.

300 mm

Sumber: Callister 6e TIN107 - Material Teknik 6623 - Taufiqur Rachman

Materi #3 10

(11)

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) TIN107 - Material Teknik

Materi #3

Strategi Penguatan: Reduce Grain Size http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 22 6623 - Taufiqur Rachman      

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:

σ yield σ o  k y d TIN107 - Material Teknik 6623 - Taufiqur Rachman

1  2

Sumber: Callister, A Textbook of Materials Technology Materi #3

(12)

11

Contoh Penguatan Grain Size http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 23

Ukuran butir (grain size) dikendalikan oleh perlakuan panas (misalnya: laju pendinginan selama pemadatan, pendinginan/ annealing)

TIN107 - Material Teknik σ yield  σ o  k y d 1 / 2 Materi #3

Anisotropy dalam yield http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 24

Dapat disebabkan dengan me-rolling logam polycrystalline 6623 - Taufiqur Rachman Sebelum di rolling

Setelah di rolling Arah

rolling Isotropik 

Butir kurang lebih berbentuk bola & berorientasi secara acak. TIN107 - Material Teknik

6623 - Taufiqur Rachman Anisotropic 

Karena proses rolling berpengaruh terhadap orientasi butir & bentuk. Materi #3

(13)

12

Strateg Penguatan 2: Solid-solution http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 25

• Atom Impurity mengetarkan kisi & menghasilkan tekanan. • Tekanan dapat menghasilkan penghalang untuk gerak dislokasi. • Substitusi atom impurity yang lebih kecil

Atom impurity menghasilkan pergeseran lokal di A dan B yang melawan gerak dislokasi ke kanan. TIN107 - Material Teknik

• Substitusi atom impurity yang lebih besar

Atom impurity menghasilkan pergeseran lokal di C dan D yang melawan gerak dislokasi ke kanan. Materi #3

Penguatan Solid-Solution http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 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.

Atom impurity yang lebih kecil di atas garis dislokasi TIN107 - Material Teknik 6623 - Taufiqur Rachman

Atom impurity yang lebih besar di bawah garis dislokasi Materi #3 13

(14)

6623 - Taufiqur Rachman 27

Pengaruh Nikel (zat terlarut) pada Copper (a) Kekuatan tarik, (b) Kekuatan yield, dan (c) Keuletan (% elongation pemanjangan). TIN107 - Material Teknik

Materi #3

Strategi Penguatan 3: Precipitation http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 28



6623 - Taufiqur Rachman 

Pengendapan yang keras sulit untuk di geser. Contoh: Keramik dalam logam (SiC dalam Besi atau alumunium).

 TIN107 - Material Teknik 6623 - Taufiqur Rachman Hasilnya:  y~ 1 S Materi #3 14

Aplikasi Penguatan Precipitation http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 6623 - Taufiqur Rachman

29

Struktur sayap Boeing 767

Aluminium diperkuat dengan pembentukan endapan (precipitation) oleh paduan 1.5mm TIN107 -Material Teknik

(15)

Materi #3

Strategi Penguatan 4: Cold Work (%CW) http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 30 

6623 - Taufiqur Rachman 

Deformasi suhu ruang. Umumnya operasi pembentukan mengubah luas penampang. Forging

Rolling

force die Ao blank %CW 

Ad force Extrusion Ao Drawing die Ad die TIN107 - Material Teknik 6623 - Taufiqur Rachman Ao  Ad x 100 Ao

tensile force Materi #3 15

Dislokasi Selama Cold Work http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 31

Paduan Ti setelah cold working: 6623 - Taufiqur Rachman 

(16)

Dislokasi melibatkan satu sama lain selama cold work. Dislokasi gerak menjadi lebih sulit. Materi #3

Hasil Cold Work http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 6623 - Taufiqur Rachman

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: 40mm Atau

 N d A TIN107 - Material Teknik 6623 - Taufiqur Rachman

Area, A dislocation pit N dislocation pits (revealed by etching) Materi #3

16

Hasil Cold Work http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 33

Tekanan yield peningkatan ρd : TIN107 - Material Teknik meningkat

sejalan dengan Materi #3

(17)

Dislocation Trapping http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 34

6623 - Taufiqur Rachman  

Dislokasi menghasilkan tekanan. Ini merupakan perangkap untuk dislokasi lain. TIN107 - Material Teknik

6623 - Taufiqur Rachman Materi #3

17

Dampak Cold Work http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 35

 

Meningkatkan tekanan yield. Kekuatan tarik (tensile strength/ TS meningkat. Keuletan (%EL or %AR) berkurang secara drastis.

Analisa Cold Work http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 36

(18)

ro2  r d2 ro2

TIN107 - Material Teknik 6623 - Taufiqur Rachman x100  35.6%

Materi #3 18

Pengaruh Pemanasan Setelah %CW http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 37



1 jam perlakuan pada Tannealing menurunkan TS & mengingkatkan %EL. Pengaruhnya adalah berbanding terbalik.

TIN107 - Material Teknik Materi #3 Kesimpulan http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id 38  6623 - Taufiqur Rachman   

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) 

(19)

atau pendinginan (anneling) dapat mengurangi kerapatan dislokasi dan meningkatkan ukuran butir. TIN107 - Material Teknik

6623 - Taufiqur Rachman Materi #3

(20)