49
TERHADAP KEKUATAN MATERIAL LOGAM
Toegas S. SoegiartoSTEM “Akamigas”, Jl. Gajah Mada No. 38. Cepu
E-mail: tssoegiarto@ akamigas-stem.esdm.go.id
ABSTRAK
Kekuatan logam didefinisikan sebagai kemampuan logam untuk tidak berubah bentuk. Bila logam mu-dah berubah bentuk (deformasi) maka dikatakan kurang kuat. Setiap logam memiliki bentuk sel satuan (unit cell) yang berbeda dan asih tergantung pada suhu. Sel satuan merupakan bentuk geometri terkecil dari susunan atom didalam kristal. Deformasi pada logam sangat tergantung dari tegangan geser, dis-lokasi, dan sistem gesernya. Bila tegangan geser mampu menggerakkan dislokasi pada bidang slipnya dan terjadi pada jumlah sistem geser yang besar, maka logam tersebut dikatakan kurang kuat bila di-bandingkan dengan logam yang memiliki jumlah sistem geser yang kecil.
Kata Kunci: deformasi, tegangan geser, dislokasi, sistem geser.
ABSTRACT
Metal strength is defined as the ability of a metal not to deform. When a metal easily deforms (deformation) then it is said to be less robust. Each metal has its own shape of unit cell and is dependent on temperature. Unit cell is the smallest geometry of the arrangement of atoms within the crystal. Deformation in metals is highly dependent on shear stress, dislocation, and sliding systems. If the shear stress is capable of moving dislocations in the slip plane and occurs in a large number of sliding systems, then the metal is said to be less robust than the metals that have a small amount of sliding systems.
Keywords: deformation, shear stress, dislocation, sliding system.
1. PENDAHULUAN
Perubahan bentuk logam atau defor-masi merupakan pergerakan dislokasi se-hingga mencapai permukaan dan tegangan geser maksimum terjadi pada arah geser-nya.1) Dislokasi harus berada pada sistem ge-ser. Sistem geser adalah kombinasi antara bi-dang dan arah dimana pergeseran terjadi, oleh karena itu jumlah sistem geser meru-pakan kombinasi antara jumlah bidang geser dan arah geser. Pada susunan sel satuan yang berbeda maka jumlah sistem gesernya tidak sama. Semakin kecil jumlah sistem gesernya, berarti semakin sulit dislokasi untuk berge-ser, sehingga logam tersebut sulit untuk di-rubah bentuknya. Deformasi plastis atau de-formasi permanen adalah peristiwa
pem-bebanan pada logam sampai melampaui kondisi luluhnya. Sebagai contoh pada pro-ses pembentukan logam seperti halnya: stamping, rolling, forging, spinning, draw-ing, dan extruding, sedangkan pada proses perautan pemesinan, seperti halnya: milling, turning, sawing dan punching. Bila ditinjau dari dalam materialnya sendiri, maka defor-masi plastis dapat disebabkan oleh 3 faktor kejadian, yaitu: deformasi karena slip, defor-masi karena twinning atau deformasi karena kombinasi dari keduanya.
2. PEMBAHASAN
A. Deformasi Plastis dari dalam Material
Deformasi plastis karena slip terjadi pa-da bipa-dang kristal yang mempunyai densitas
50
atom terbesar dengan arah slip sesuai dengan arah dari bidang slip tersebut. Bidang kristal-nya dinamakan dengan bidang slip (slip plane) sedangkan arah slip dinamakan deng-an close packed. Slip planes dan slip direct-ion disebut slip systems.
Gambar 1. Slip Plane pada Face Center Cubic (FCC).2)
Pada slip planefcc (111) memiliki system direction ‹110› yang terdiri dari: [101], [011], dan [110]. Untuk mengetahui bahwa kombinasi antara slip plane (111) dan system direction ‹110› dapat membentuk satu system slip dapat dicari hubungan se-bagai berikut: h.u + k.v + l.w = 0 ...(1) untuk: [101], maka (1) (1) + (0) (1) + (-1) (1) = 0 [011], maka (0) (1) + (-1) (1) + (1) (1) = 0 [110], maka (-1) (1) + (1) (1) + (0) (1) = 0
Ternyata kombinasi slip planefcc (111) dan system direction ‹110› merupakan slip system pada fcc.
Deformasi plastis karena twinning, me-rupakan pergerakan dari bidang-bidang atom dalam lattice sejajar dengan suatu bidang ter-tentu (bidang twinning), sehingga lattice di-bagi dua simetris dengan arah yang berbeda (orientasi berbeda), antara bagian yang ter-deformasi dan yang tidak terter-deformasi. Hal ini terjadi bila geseran mengalami hambatan.
Twinning dapat disebabkan oleh me-chanical deformation dan annealing follow-ing plastic deformation. Pada mechanical de-formation terjadi pada logam dengan struktur hcp, seperti halnya: magnesium, zinc dan
bagainya, serta terjadi pada struktur bcc, se-perti halnya: tungsten, alpha Fe dan seba-gainya, sebagai akibat dari kondisi beban kejut (shock load) dan penurunan suhu pada logam. Sedangkan pada annealing following plastic deformation terjadi pada logam deng-an struktur fcc, seperti halnya: alumunium, tembaga, kuningan dan sebagainya, sebagai akibat dari pengerjaan dingin yang selanjut-nya logam tersebut diberikan perlakuan pa-nas (heat treatment).
Gambar 2. Deformation by Twinning.2)
Tabel 1. Twin Plane dan Twin Direction
pada Logam.2) No. Crystal Structure Typical Examples Twin Planes Twin Direction 1. Bcc Alpha Fe, Tg (112) [111] 2. Hcp Zn, Cd, Mg, Ti (1012) [1011] 3. Fcc Ag, Au, Cu (111) [112]
Perbedaan antara deformasi twinning dan deformasi slip jika pada deformasi slip pada logam terjadi pergerakan slip beberapa kali dari atomic spacing dan secara micro-skopis terlihat sebagai garis pada permukaan. Pada deformasi slip orientasi kristal sebelum dan sesudah deformasi adalah tetap dan bila permukaan logam dipolis, maka bekas dari slip akan hilang. Sedangkan yang terjadi pa-da deformasi twinning ialah kurang pa-dari satu kali jarak antar atomnya dan secara micro-skopis terlihat sebagai pita (bands). Pada de-formasi twinning orientasi kristal berbeda pada twin regions dan bekas dari twinning ti-dak hilang, bila permukaan logam dipolis.
51 Gambar 3. Deformasi Makro pada suatu
Kubus yang dihasilkan Gerak Dislokasi Sisi dan Gerak Dislokasi Ulir.3)
Oleh karena mekanisme deformasi yang utama adalah geseran, maka pembahasan di-tekankan pada mekanisme tersebut. Telah dijelaskan bahwa deformasi terjadi sebagai akibat geseran, kemudian agar terjadi geser-an maka diperlukgeser-an dislokasi, teggeser-anggeser-an geser dan sistem geser. Tegangan geser dibutuhkan untuk menggerakan dislokasi pada sistem geser sehingga mencapai permukaan. Sistem geser adalah kombinasi antara bidang geser dan arah geser. Bidang geser adalah bidang yang memiliki susunan atom terpadat, se-dangkan arah geser adalah arah yang mem-punyai susunan atom terpadat. Jadi semakin banyak sistem gesernya berarti geseran akan mudah terjadi atau dengan kata lain logam mudah terdeformasi.
B. Angka Koordinasi
Angka koordinasi merupakan jumlah atom yang menyinggung pada satu atom ter-tentu. Pada ikatan atom logam, atom-atom dianggap sebagai bola-bola keras yang saling bersinggungan. Besarnya angka koordinasi tergantung pada perbandingan diameter atom yang terikat. Angka koordinasi maksimum ditentukan dengan ilmu ukur. Bentuk geo-metri bidang alas kerucut dari susunan atom dengan angka koordinasi 6 pada Gambar 4.
Gambar 4. Hubungan Geometri pada Bidang Alas Kerucut Susunan Atom
Angka Koordinasi 6.3)
Adapun hubungan antara angka koor-dinasi dengan perbandingan diameter atom ditunjukan seperti pada tabel 2.
Tabel 2. Hubungan antara Angka Koordinasi dengan Perbandingan r/R.3)
No. Angka Koordinasi Angka Perbandingan
1. 4 0,0225 – 0,414
2. 6 0,414 – 0,732
3. 8 0,732 – 1,000
4. 12 1,000
C. Sel Satuan dalam Kristal Logam
Zat padat yang mengkristal memiliki susunan dan jarak atom tertentu, sehingga pusat pusat atom bila dihubungkan akan membentuk suatu geometri tertentu. Bentuk geometri ini merupakan bentuk dasar kristal dari suatu zat. Bentuk terkecil dari susunan atom dalam kristal disebut dengan Sel Satu-an. Sel satuan harus memenuhi ruangan tiga dimensi, maka bentuk geometri sistem kristal yang mungkin sebanyak tujuh yaitu Tri-klinic, MonoTri-klinic, Rombohedral, Heksa-gonal, Ortorombic, TetraHeksa-gonal, Cubic. Ben-tuk geometris sistem kristal pada tabel 3.
Tabel 3. Bentuk Geometri Sistem.3)
No. Sistem Rusuk Sudut antara Rusuk
1. Triklinic, a ≠ b ≠ c α ≠ β ≠ γ ≠ 90o 2. Monoklinic, a ≠ b ≠ c α = β = 90o ; γ ≠ 90o 3. Rombohedral, a = b = c α = β = γ ≠ 90o 4. Heksagonal, a = b ≠ c α = β = 90o ; γ = 120o 5. Ortorombic, a ≠ b ≠ c α = β = γ = 90o 6. Tetragonal, a = b ≠ c α = β = γ = 90o 7. cubic. a = b = c α = β = γ = 90o
52
Gambar 5. Bentuk bentuk Geometri Kristal Logam.3)
Untuk penempatan atom pada sistem kristal ditunjukan diatas seperti pada Gambar 5.
Oleh karena pada logam memiliki atom yang sama, maka harga r/R = 1 dan dari tabel hubungan antara angka koordinasi dengan perbandingan r/R yang mungkin adalah 8 dan 12. Oleh karena pada logam ikatannya merupakan ion positif yang dikelilingi oleh ion negatif yang selalu bergerak, maka
ikatannya tidak memilih arah tertentu. Atau dengan kata lain bentuk geometri sistem kristalnya harus memiliki simetri yang tinggi. Dari ketujuh bentuk geometri sistem kristal yang ada pada tabel 3 yang mem-punyai simetri yang tinggi adalah sistem kristal cubic; hexagonal; dan tetragonal.
Sel satuan dengan angka koordinasi 8 akan berbentuk dua kemungkinan yaitu: body center cubic (bcc) atau tetragonal (bct),
53
sedangkan untuk angka koordinasi 12 juga akan berbentuk dua kemungkinan yaitu face center cubic (fcc) atau hexagonal (hcp). Adapun perbedaan dari kedua bentuk sel satuan dalam kristal yang ada pada angka koordinasi 8 dengan angka koordinasi 12 apabila pada sel satuan dengan angka koor-dinasi 12 dalam satu bidang atom, satu atom dikelilingi oleh 6 atom lainnya, dibagian atas dan dibawahnya masing-masing dengan 3 atom.
Pada sel satuan kubus pusat muka (fcc), segitiga atom ini memiliki orientasi yang berbeda antara segitiga yang dibawah dan segitiga yang diatas. Sedangkan sel satuan hexagonal susunan padat memiliki orientasi yang sama, oleh karena itu maka pada sel satuan pusat muka (fcc) orientasi bidang atom terpadat adalah ABC/ABC/ABC dan seterusnya, sedangkan pada sel satuan hexa-gonal susunan padat orientasinya adalah AB/AB/AB dan seterusnya.
Gambar 6. Susunan Bidang Padat dalam Sel Satuan fcc.3)
Gambar 7. Sel Satuan Hexagonal Susunan Padat.3)
D. Bidang Geser dan Arah Geser
Sel satuan dalam kristal logam seperti fcc, bcc, dan hcp seperti yang ditunjukan pada tabel 4, maka adalah mungkin untuk diperkeras atau diperkuat melalui perlakuan panas pada logamnya, dengan tujuan untuk merubah struktur kristalnya, sehingga deng-an demikideng-an akdeng-an memperkecil jumlah sis-tem gesernya (sulit terdeformasi logamnya). Hal ini dapat dilakukan seperti pada proses pengerasan baja karbon dengan membuat fa-sa Martensite.
Tabel 4. Bidang dan Arah Geser pada Kristal Logam.3)
Gejala ini sebagai dasar dari cara peng-erasan baja karbon dengan membuat fasa Martensite, yaitu dengan jalan laku panas (heat treatment). Fasa Martensite mem-punyai sifat yang keras dan rapuh. Adapun proses perlakuan panas untuk mendapatkan Martensite pada baja karbon sebagi berikut: Baja karbon dipanaskan sampai mencapai suhu diatas A3 (memasuki daerah γ),
mem-54
berikan kesempatan semua karbon yang larut didalam Ferite, terikat pada Cementite ter-tier, dan terikat pada Pealite untuk larut ke-dalam fasa γ. Setelah itu didinginkan secara cepat didalam media yang sesuai.
Apabila diamati struktur sel satuan serta posisi atom karbon selama proses perlakuan panas maka pada suhu kamar Ferite memiliki struktur sel satuan bcc, sedangkan atom karbon sebagian larut pada Ferite (0,025% maksimum) terikat pada Cementite tertier, dan terikat pada fasa Pearlite (0,8% maksi-mum). Daerah γ struktur sel satuan adalah fcc, sedangkan atom karbon larut. Setelah di-dinginkan cepat menjadi fasa Martensite, karbon tetap larut karena tidak sempat kem-bali seperti keadaan semula, dan struktur sel satuannya bct dengan intertisi atom karbon ditengahnya.
Mekanisme perubahan struktur sel satu-an fcc menjadi bct adalah terjadinya gesersatu-an secara homogen, dislokasi twinning dan ber-akhir pada dislokasi glide. Intersisi atom kar-bon pada sel satuan bcc sehingga menjadi sel satuan bct, akan menyebabkan terjadinya pe-rubahan sistem geser, dan juga menyebabkan medan tegangan disekitar atom karbon, se-hingga meningkatkan kekuatan teoritik. Hal ini menyebabkan bahwa Martensite (bct) me-miliki sifat mekanis yang keras dan kuat. Di-mensi sel satuan bct sangat tergantung pada kandungan kadar karbon.
Gambar 8. Hubungan antara Kadar Karbon dan Berbagai Perlakuan Panas
terhadap Kekerasan Baja Karbon.3)
E. Tegangan Kritis untuk Slip mulai terjadi
Gambar 8. Tegangan Aksial dapat menghasilkan Tegangan Kritis dan menyebabkan Pergerakan Dislokasi
pada Bidang Slip.1)
𝜏𝑅 = 𝐹.𝑐𝑜𝑠λ 𝐴 𝑐𝑜𝑠λ
……….
𝜏𝑅= 𝐹/𝐴. cos λ.cos Φ = σ.cos λ.cos Φ ...(3) Persamaan diatas memberikan tegangan geser pada bidang slip dengan arah sesuai dengan arah slip. ζR maksimum untuk Φ = λ
= 45o, maka ζR = 0,5 F/A. ζR nol bila λ = 90o
atau Φ = 90o
material cenderung mengalami kegagalan dari pada slip bila beban ber-tambah. cos λ.cos Φ = m dan disebut dengan Schmid Factors.Tegangan geser yang harus diaplikasikan dengan arah (001) pada unit sel satuan kristal Nickel fcc agar menyebabkan slip pada sistem slip (111) [011], bila tegang-an tariknya sebesar 13,70 M.Pa, adalah seba-gai berikut:
Gambar 9. Sel Satuan Kristal Nickel fcc dibebani oleh Tegangan Tarik [001`] menghasilkan Tegangan Geser [111]
pada Sistem Slip (111) [011].1)
55
Cos Φ = a/√3. 𝑎 = 1/√3 atau Φ = 54,74o
ζR = σ . cos λ . cos Φ
= (13,7 M.Pa). (cos 45o).(cos 54,74o) ζR = 5,60 M.Pa
Besar tegangan geser yang terjadi sebesar 5,60 M.Pa
3. SIMPULAN
Setiap logam mempunyai susunan sel satuan yang berbeda sehingga jumlah sistem gesernyapun tidak sama, berarti semakin be-sar jumlah sistem gesernya semakin mudah terjadi dislokasi untuk bergeser, sehingga lo-gam tersebut mudah terdeformasi. Deformasi terjadi sebagai akibat geseran (slip), kemudi-an agar terjadi slip diperlukkemudi-an Dislokasi, Tegangan Geser dan Sistem Geser. Pada komposisi tertentu, struktur sel satuan logam tergantung pada suhu.
Dengan demikian hal tersebut diatas memungkinkan untuk mengeraskan logam melalui proses perlakuan panas (heat treat-ment), seperti halnya pengerasan baja karbon dihasilkan Martensite yang sifatnya keras dan kuat. Tegangan geser pada bidang slip sesuai dengan arah slip dan mempunyai nilai maksimum bila besar sudutnya Φ = λ = 45o
.
4. DAFTAR PUSTAKA
1. Hertzberg, R.W. Deformation and Frac-ture Mechanics of Engineering Materials. Third Edition, New York: John Wiley & Sons Inc; 1989.
2. Hosford,W.F., Robert M. Caddell. Metal Forming Mechanics and Metallurgy, Englewood Cliffs: Prentice-Hall Inter-national, Inc; 1983.
3. Smith, W.F. Principles of Materials Science and Engineering. New York: Mc Graw Hill Company;1990.
Daftar Simbol
r = jari-jari atom yang kecil. R = jari-jari atom yang besar. F = beban tarik eksternal.
A = luas penampang tegak lurus dengan arah beban. λ = sudut antara arah slip dengan arah beban.
Φ = sudut antara normal bidang slip dengan arah beban.
A
cosΦ =
luas bidang slip yang terinklinasi Φ terhadap arah beban.
