MEKANISME PENGUATAN DAN PENGERASAN
A. Pengerasan Cacat Titik
Telah dibahas bahwa kekosongan hasil kuens menghasilkan klaster cacat kekosongan yang menimbulkan kekerasan pada material. Informasi mengenai mekanisme pengerasan diperoleh dari pengamatan kebergantungan batas bawah tegangan luluh pada ukuran butir. Hasil yang diperoleh pada
Gambar 1 menunjukkan bahwa hubungan y = i + kyd-1/2, yang merupakan persamaan umum propagasi luluh dalam material memang berlaku.
Kebergantungan tegangan luluh, y ini, pada ukuran butir menunjukkan bahwa kekerasan yang ditimbulkan oleh cacat titik hasil kuens atau iradiasi, terdiri dari dua tipe: (1) pengerasan oleh sumber dislokasi awal dan (2) pengerasan kisi umum yang tetap bertahan setelah luluh awal. Suku ky menunjukkan bahwa pengucian dislokasi disebabkan cacat titik berbentuk jog yang tersebar, dan pengamatan dislokasi jog dengan bantuan mikroskop elektron mendukung hal ini.
Gambar 1. (a) Kurva tegangan-regangan untuk tembaga polikristalin butir-butir yang tidak mengalami dan yang telah diiradiasi, diuji pada 20 oC; (b) variasi
tegangan luluh terhadap besar butir dan dosis neutron (dari Adams and Higgins, 1959)
dari cacat dislokasi. Namun, mekanisme yang menjelaskan peran loop dan tetrahedra dalam meningkatkan tegangan alir maish diperdebatkan. Klaster kekosongan terbentuk in situ akibat tumbukan primer, oleh karena itu tidak mengherankan bahwa iradiasi neutron pada 4 K mengeraskan material, dan tidak diperlukan aktivasi termal.
Penghapusan loop prismatik yang cacat maupun tak cacat dan tertrahedra terjadi karena interaksi koalesen yang kuat dengan ulir untuk membentuk konfigurasi heliks dan dislokasi jog terjadi kontak antara dislokasi luncur dan cacat. Tahanan terhadap luncur berasal dari jog yang tidak terletak di bidang slip dan dari pembentukan jog sesile (misalnya dislokasi Lomer-Cottrell dalam kirstal fcc).
B. Pengerasan-Kerja 1. Tinjauan teori
Sifat material berubah karena pengerjaan-dingin, yaitu deformasi yang dilakukan pada temperatur yang relatif rendah dibanding titik leleh material. Tidak semua sifat mengalami peningkatan, meskipun kekuatan tarik, kekuatan luluh, dan kekerasan meningkat, plastisitas dan kemampuan berdeformasi turun. Selain itu, sifat fisik seperti konduktivitas listrik, kerapatan dan lainnya menurun. Dari semua perubahan sifat ini, yang paling menonjol adalah perubahan sifat mekanik; tegangan luluh dari baja-karbon-sedang misalnya, akibat pengerjaan-dingin mengalami kenaikan dari 170 menjadi 1050 MN/m2.
Karena aliran plastis terjadi akibat mekanisme dislokasi, fakta bahwa terjadi pengerasan-kerja berarti bahwa pergerakan dislokasi semakin sulit dengan meningkatnya regangan.
Gambar 2. Kebergantungan tegangan alir pada (kerapatan dislokasi)1/2 untuk Cu, Ag,
dan Cu-Al
Tegangan alir adalah tegangan yang diperlukan untuk menggerakkan
dislokasi dalam medan gaya dari dislokasi yang mengelilinginya. Tegangan
ini ditentukan oleh rumus berikut:
= b/l (1)
dimana adalah modulus geser, b adalah vektor Burgers, l adalah jarak
rata-rata antar dislokasi yaitu -1/2, dan adalah konstanta (pada model Taylor
= 1/8 (1 – v). Gambar 2 memperlihatkan hubunagn ini untuk kristal tunggal
Cu-Al dan polikristalin Ag dan Cu.
Teori Taylor hanya menggunakan model dua-dimensional dari logam pengerjaan-dingin. Akan tetapi, karena deformasi plastis timbul akibat gerakan
loop dislokasi dari sumber, maka apbila regangan plastis adalah , telah dilepas N loop dislokasi dengan sisi L (demi kemudahan dimisalkan terjadi loop persegi) per satuan volume. Regangan plastis yang dihasilkan adalah:
= N L2 b (2)
dan l adalah:
l = [1/1/2] = [1/4LN]1/2 (3)
Kombinasi kedua persamaan menghasilkan hubungan tegangan-regangan:
Taylor mengasumsikan L, yaitu panjang garis slip adalah konstan, dan
dihasilkan suatu hubungan parabolik antara dan .
Hasil percobaan terhadap kristal menunjukkan, bahwa kurva pengerasan kerja atau pengerasan-regangan mengalami deviasi yang besar dari perilaku yang besar dari perilaku parabolik, dan selain bergantung pada variabel lain seperti orientasi kristal, kemurnian dan kondisi permukaan (lihat Gambar 3 dan 4).
Gambar 3. Kurva tegangan-regangan kristal tunggal (dari Hirsch and Mitchell, 1967; seizin National Research Council of Canada)
Peran struktur kristal penting (lihat Gambar 3) karena pada kristal-tunggal-logam heksagonal slip hanya terjadi pada satu kelompok bidang slip, yang sejajar dengan bidang basal, dan jenis logam ini mempunyai laju pengerasan-kerja yang rendah. Bagian plastis dari kurva tegangan-regangan
hampir linear dengan kemirinagn yang sangat kecil; kemiringan (d/d) tersebut makin kecil dengan meningkatnya temperatur deformasi. Sebaliknya, kristal kubik berdeformasi dengan cara yang kompleks pada beberapa sistem slip, dan logam ini biasanya mempunyai perilaku pengerasan-kerja yang kuat.
Perilaku pengerasan-kerja pada logam berstruktur kubik lebih kompleks dibandingkan struktur lainnya karena keberadaan beragam sistem slip, sehingga terdapat banyak bukti eksperimen berkaitan dengan logam ini, khususnya dengan struktur fcc.
2. Pengerasan tiga-tahap
Kurva tegangan-regangan kristal tunggal fcc tampak pada Gambar 4 dan dari hasil percobaan dapat dibedakan tiga-tahap pengerasan. Tahap I, atau daerah luncur-mudah, berada sesudah titik luluh dan memiliki karakteristik
laju pengerasan-kerja 1 yang rendah; daerah dengan panjang beberapa persen luncuran ini bergantung pada orientasi, kemurnian dan ukuran kristal. Besar
laju pengerasan (1/) ~ 10-4 dan memiliki orde yan gsama dengan logam heksagonal. Tahap II, atau daerah penguasaan-linear, memperlihatkan peningkatan
laju pengerasan-kerja yang cepat. Rasio (11/) = (d/d)/ memiliki besar orde yang sama untuk semua jenis logam fcc, yaitu 1/300 meskipun untuk
orientasi pada sudut segitiga stereografik adalah 1/150. Pada tahap ini
tiba-tiba terbentuk garis slip yang pendek selama peregangan, yaitu peningkatan
tegangan yang singkat, dan sesudah itu tidak bertambah panjang atau meningkat intesitasnya. Awal tahap III, atau daerah pengerasan-parabolik, sangat bergantung pada temperatur. Tahap ini mempunyai laju
mulai terbentuk pada regangan yang bertambah dengan berkurangnya temperatur dan mungkin berkaitan dengan lenyapnya dislokasi akibat slip-silang.
Karena tegangan alir logam dapat dipengaruhi oleh perubahan temperatur atau laju regangan, untuk kemudahan dianggap bahwa tegangan terdiri dari dua bagian sesuai hubungan berikut:
= s + g
dimana s adalah bagian dari tegangan alir yang bergantung pada temperatur
selain variasi modulus elastisitas dengan temperatur, dan g adalah kontribusi
yang yang tidak bergantung pada temperatur. Peran penting s dan g dapat dipelajari dengan cermat dengan mengukur kebergantungan tegangan alir pada temperatur atau laju regangan.
Daerah luncur-mudah atau tahap I pada kristal kubik, dengan pengerasan-linear yang kecil, mirip dengan pengerasan kristal cph dimana hanya beroperasi satu bidang luncur. Di sini jarak slip besar, ordenya setingkat denagn diameter spesimen, dengan kemungkinan bahwa dislokasi slip keluar meinggalkan kristal. Selain itu diperkirakan bahwa tegangan alir pada luncur-mudah ditentukan oleh mudah-tidaknya sumber beroperasi.
Karakteristik deformasi pada tahap II adalah terjadinya slip baik pada sistem slip primer maupun sekunder. Hasilnya, terbentuk beberapa ketidak-teraturan kisi baru mencakup: (1) dislokasi hutan, (2) hambatan Lomer-Cottrell, dan (3) jog yang dihasilkan dislokasi yang bergerak memotong dislokasi-hutan atau jog yang dihasilkan dislokasi hutan yang memotong sumber dislokasi.
mengenai pengerasan-tahap II. Teori tersebut adalah, (1) teori penumpukan, (2) teori dislokasi hutan dan (3) teori jog.
3. Pengerasan-kerja pada polikristal
Struktur dislokasi yang terjadi pada deformasi logam polikristalin fcc dan bcc mengikuti pola umum yang sama dengan kristal tunggal; dislokasi primer menghasilkan dipol dan loop melalui interaksi dengan dislokasi sekunder, yang membentuk gumpalan dislokasi lokal yang secara bertahap berubah menjadi jaringan subbatas tiga-dimensional.
Perubahan pada temperatur deformasi juga mempengaruhi perubahan distribusi dislokasi; penurunan temperatur deformasi menurunkan kecenderungan pembentukan sel, seperti tampak pada Gambar 5. Untuk distribusi dislokasi tertentu, kerapatan dislokasi mempunyai hubungan yang sederhana dengan
tegangan alir mengikuti rumus:
= 0 + b1/2 (5)
dimana adalah suatu konstanta pada temperatur tertentu 0,5; 0 sama dengan nol untuk logam fcc (lihat Gambar 2). Laju pengerasan-kerja ditentukan oleh mudah-tidaknya gumpalan dislokasi mengatur diri kembali.
Batas butir mempengaruhi pengerasan-kerja dan merupakan hambatan slip dari butir yang satu ke butir lainnya. Selain itu, kriteria kontinuitas dari polikristal memaksakan terjadinya slip kompleks di daerah sekitar batas yang menyebar ke butir denagn meningkatnya deformasi. Hal ini menyebabkan ketergantungan laju pengerasan-kerja pada besar butir hingga mencapai beberapa persen elongasi. Namun setelah tahap ini, laju pengerasan-kerja tidak lagi bergantung pada ukuran butir dan untuk polikristal fcc nilainya sekitar
/40. Dengan mempertimbangkan faktor orientasi, secara kasar nilai tersebut dapat dibandingkan dengan nilai kristal tunggal yang berdeformasi dengan
slip-ganda. Jadi dari hubungan = m dan = /m maka tegangan geser
terurai rata-rata kurang dari setengah tegangan tarik yang diterapkan. Jadi hubungan antara laju pengerasan-kerja polikristal dan laju pengerasan-kerja kristal tunggal adalah:
d/d = m2d/d (6)
Untuk logam bcc dengan sistem slip-ganda dan slip-silang yang mudah dinilai m mendekati 2, sehingga laju pengerasan-kerja rendah. Pada logam cph polikristalin,
deformasi dipersulit oleh kembaran, akan tetapi tanpa kembaran m 6,5, sehingga laju pengerasan-kerja diperkirakan satu orde lebih besar dibandingkan dengan nilai m kristal tunggal, dan juga lebih tinggi daripada laju yang terdapat
pada polikristal fcc dimana m 3.
4. Paduan pengerasan-dispersi
Pada deformasi paduan yang mengandung partikel inkoheren yang tidak dapat dideformasi, laju pengerasan-kerja jauh lebih besar daripada dalam matriks itu sendiri. Gumpalan dislokasi yang rapat terjadi dalam partikel dan terbentuk struktur sel dengan partikel yang terutama berada di dinding sel.
Pada regangan yang kecil (< 1 %) pengerasan-kerja mungkin timbul akibat tegangan balik yang berasal dari beberapa loop Orowan di sekeliling partikel, seperti diuraikan oleh Fisher, Hart, dan Pry. Kurva tegangan-regangan
= i + f3/2
dan pengerasan-kerja hanya bergantung pada f, fraksi volume partikel. Penentuan kerapatan dislokasi rata-rata sekeliling partikel yang berinteraksi dengan dislokasi primer memungkinkan pembuatan perkiraan mengenai laju
pengerasan-kerja, sesuai gagasan Ashby. Jadi, untuk regangan dan diameter partikel d tertentu maka jumlah loop per partikel adalah:
n ~ d/b
dan jumlah partikel pe rsatuan volume adalah: NV = 3f/4r2, atau 6f/d3
Jumlah total loop per satuan volume adalah nNV, sehingga kerapatan dislokasi
= nNV d = 6f/db. Maka hubungan tegangan-regangan berdasarkan persamaan (5) adalah:
= i + (fb/d)1/2 1/2 (7)
dan laju pengerasan-kerja
d/d = ' (f/d)1/2 (b/)1/2 (8)
Gambar 6. Diagram skematik (a) superdislokasi dengan jog yang tidak sebaris, yang setelah meluncur, menghasilkan tabung-APB dan (b) slip silang superdislokasi pada bidang kubus yang membentuk kunci Kear-Wilsdorf (K-W)
sekunder) untuk menjelaskan detail lebih halus dari material pengerasan-dispersi.
5. Pengerasan-kerja pada paduan tertata
Karakteristik dari paduan dengan tatanan rentang-jauh adalah bahwa paduan ini mengalami pengerasan-kerja yang lebih cepat dibandingkan dalam
keadaan-tertata. Pada temperatur ruang 11 untuk Fe-Al dengan struktur B2
tertata adalah /50, beberapa kali lebih besar daripada nilai untuk loga fcc
atau bcc tipikal. Bentuk geometri yang mungkin terjadi diperlihatkan pada Gambar 7.a; superdislokasi parsial yang tampak masing-masing mengandung jog yang dihasilkan. Apabila dislokasi meluncur dan jog bergerak secara nonkonservatif maka dihasilkan tabung APB. Bukti langsung hadirnya tabung yang terlihat dengan bantuan mikroskop elektro berkas-lemah pertama kali ditemukan pada Fe-30 % atom Al. Mikrograf menampakkan garis selebar sekitar 3 nm yang samar-samar denagn arah (1 1 1), yaitu arah vektor Burgers.
Teori menyatakan bahwa jog pada superdislokasi dengan orientasi ulir menghasilkan mekanisme pengerasan yang baik, dan diperkirakan sekitar delapan kali lebih kuat dibandingkan dengan hasil pencabutan tabung APB pada jog yang tidak sebaris pada dislokasi sisi. Kontribusi utama bagi tegangan
untuk menggerakkan dislokasi adalah (1) s, tegangan untuk menghasilkan cacat
titik atau tabung, dan (2) tegangan interaksi i dengan dislokasi pada bidang
slip bertetangga, dan s + i = ¾ s (f/p) . Jadi, dengan s = 1,3 dan apabila
f/p konstan dan kecil, maka diperoleh pergeseran-linear dengan laju terobservasi.
Untuk paduan dengan struktur L12, slip-silang dari superparsial ulir dengan b = ½ [1 0 1] dari bidang (1 1 1) primer ke bidang (0 1 0) pertam-tama diajukan oleh Kear dan Wilsdorf. Kedua superparsial ½ [1 0 1], satu di bidang (1 1 1) dan satu lagi di bidang (0 1 0), dengan sendirinya berdisosiasi menjadi
ini disebut kunci Kear-Wilsdorf (K-W) dan dapat dilihat pada gambar 6.b. Karena slip-silang teraktivasi secara termal, jumlah kunci, dan dengan demikian tahanan terhadap luncuran (1 1 1) meningkat dengan naiknya temperatur.
Gambar 7. Gambar kutub (1 1 1) untuk (a) tembaga, (b) kuningan- setelah deformasi 95 % (satuan intensitas sebarang)
Slip-silang kubus dan slip kubus kini dapat diamati pada sejumlah seyawa L12, dengan bantuan TEM. Selain itu ada bukti TEM bahwa energi APB pada bidang kubus lebih rendah darip[ada yang terdapat pada bidang (1 1 1) sehingga terjadi slip-silang yang dibantu oleh momen yang terdapat antara komponen pasangan dislokasi ulir akibat anisotropi elastis.
C. Pengembangan Orientasi yang Diutamakan 1. Aspek kristalografi
untuk tekstur pengerolan dimana bidang (hkl) sejajar dengan bidang pengerolan,
dan arah tipe uvw sejajar dengan arah pengerolan. Akan tetapi, hamburan terharap orientasi ideal hanya dapat diwakili dengan gambar-kutub yang menguraikan sebaran orientasi di skeitar orientasi ideal untuk suatu set kutub (hkl) khusus (lihat Gambar 7).
Ketika ditarik, butir berputar sedemikian sehingga pergerakan sumbu tegangan yang bekerja mengarah ke slip operasional dan untuk kompresi, tegangan yang bekerja bergerak mengarah ke normal bidang slip.
Untuk logam fcc dihasilkan transisi tekstur deformasi yang menonjol, baik dengan menurunkan temperatur deformasi atau dengan menambahkan elemen paduan larutan padat yang menurunkan energi salah susun. Transisi tekstur ini dapat dicapai pada sebagian besar logam fcc dengan penambahan paduan atau dengan mengubah temperatur pengerolan. Namun, Al mempunyai energi salah-susun yang tinggi dan karena keterbatasan pelarutan padat, sulit untuk menurunkan energi salah susun melalui perpaduan. Tipe ekstrem tekstur pengerolan, yang dialami tembaga dan kuningan 70/30, diperlihatkan pada Gambar 7.a dan 7.b.
Tekstur deformasi umumnya tidak dapat dihilangkan dengan operasi anil meskipun perlakuan seperti ini menimbulkan rekristalisasi. Sebaliknya, biasanya terbentuk tekstur anil yang baru, yang terkait dengan tekstur deformasi dengan rotasi kisi standar.
2. Pengerasan-tekstur
petunjuk; pada kristal heksagonal m bervariasi dari 2 (bidang basal membentuk sudut 45 o dengan sumbu tegangan) hingga tak terbatas (jika bidang basal tegak lurus), pada kristal fcc m hanya bervariasi dengan faktor 2 terhadap orientasi, dan pada kristal bcc variasnya kurang dari itu.
Variasi kekuatan pada bidang lembaran dapat dengan mudah diketahui dengan uji tarik yang dilakukan dalam berbagai arah, relatif terhadap arah pengerolan. Namun, pada berbagai aplikasi lembaran, dipersyaratkan kekuatan dalam arah tebal (yaitu ketahanan terhadap penipisan selama operasi pengepresan). Hal ini lebih sulit untuk diukur dan seringkali diases dari pengujian tarik uniaksial dengan mengukur rasio regangan dalam arah lebar terhadap regangan dalam arah tebal pada benda uji. Rasio
R = w/t = ln (w0/w)/ln(t0/t)
= ln (w0/w)/ln (wL/w0L) (9)
dimana w0, L0, t0 adalah dimensi awal untuk lebar, panjang dan tebal dan w, L, dan t adalah dimensi setelah peregangan, yang diturunkan dengan asumsi bahwa tidak ada perubahan volume.
Gambar 8. Diagaram skematik operasi penarikan-dalam memperlihatkan sistem tegangan yang beroperasi dalam flens dan dinding mangkuk. Rasio limit penarikan (limiting drawing ratio) didefinisikan sebagai rasio diameter bakalan terbesar yang mampu menghasilkan penarikan lengkap dengan baik (Dmaks) terhadap diameter pons (d) (dari Dillamore, Smallman dan
Pada penarikan-dalam, lihat skema pada Gambar 8, sistem tegangan yang dominan adalah tegangan radial dikombinasikan dengan kompresi melingkar di zona penarikan. Kegagalan pada penarikan terjadi apabila zona pembentukan-penarikan tengah tidak mampu menahan beban yang diperlukan untuk menarik bagian luar bakalan melewati die. Jelas bahwa level kekuatan diferensial di dua daerah ini, memudahkan deformasi di zona penarikan dibandingkan di zona perentangan, akan memungkinkan penarikan yang lebih dalam. Ini adalah
efek dari peningkatan nilai
R
, yaitu kekuatan dalam arah tebal yang relatif tinggi dibandingkan kekuatan dalam bidang lembaran akan meningkatkan kemampuan penarikan. Hal ini dibuktikan pada Gambar 9, dimana kemampuan penarikan-dalam yang ditentukan oleh limit rasio penarikan (yaitu rasio diameter maksimum bakalan yang ditarik terhadap diameter mangkuk akhir) ternyata tidak peka terhadap keuletan dan level kekuatan absolut dengan mengacu berbagai material yang terdapat dalam gambar.Gambar 9. Rasio limit penarikan (LDR) sebagai fungsi dari nilai R rata-rata dan dari regangan hingga perpatahan diukur dengan uji tarik dalam arah 0 o, 45 o
dan 90 o dengan arah pengerolan (dari Wilson, 1966; seizin the Institute of
Pada logam kubik pengerasan-tekstur agak kurang, tetapi material fcc
dengan sistem slip {1 1 1} 1 1 0 dan bcc dengan {1 1 0} 1 1 1 mengalami peningkatan R apabila tekstur mempunyai komponen {1 1 1} dan {1 1 0} sejajar dengan bidang lembaran.
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR ISI... i
MEKANISME PENGUATAN DAN PENGERASAN... 1
A. Pengerasan Cacat Titik... 1
B. Pengerasan-Kerja... 2
1. Tinjauan teori... 2
2. Pengerasan tiga-tahap... 5
3. Pengerasan-kerja pada polikristal... 7
4. Paduan pengerasan-dispersi... 8
5. Pengerasan-kerja pada paduan tertata... 10
C. Pengembangan Orientasi yang Diutamakan... 11
1. Aspek kristalografi... 11
Tugas
MEKANISME PENGUATAN DAN PENGERASAN
Disusun Oleh:
NAJMUDDI
N
0351610061
