BAB V. APLIKASI DIFRAKSI SINAR-X
B. Struktur Kristal Banyak
Gambar 5.3 foto Laue dari sebuah kristal alumunium yang terdeformsi. Jarak anatara ssampel dengan film sebesar 3 cm, radiasi tungsten 30kV
1. ukuran butir
Ukuran butir dalam logam polikristalin atau paduan memiliki pengaruh yang nyata terhadap sifat-difat logam itu sendiri. Yang paling terkenal adalah meningkatnya kekuatan dan kekerasan karena ukuran butir berkurang. Kebergantungan sifat-sifat ini terhadap ukuran butir membuat ukuran butir menjadi salah satu masalah yang penting dalam mengontrol proses pembentukan kebanyakan logam.
Ukuran butir yang berada dalam logam atau paduan komersial berkisar dari 1000 sampai 1µm. Tentu saja batas ini hanyalah secara kasar saja dan merepresentasikan nilai yang yang sangat ekstrim. Niliai tipikal berada dalam rentang yang lebih kecil yaitu sekitar 100 sampai 10µm. Metode yang paling akurat untuk mengukur ukuran butir yang berada dalam rentang ini adalah dengan menggunakan pemeriksaan mikroskopik; prosedur yang biasa digunakan adalah untuk menentukan jumlah rata- rata butir per unit area dari bagian yang dipoles dan melaporkannya dalam bentuk
“nomor indeks” yang diterbitkan oleh American Society for Testing and Material (ASTM).
u = 2nD
Persamaan ini mengaitkan n (jumlah butir per inchi kuadrat yang terlihat dengan menggunkan perbesaran 100×, dengan N (“nomor indeks” ASTM atau “nomor ukuran butir”). Contohnya, nomor indeks 4 dan 8 secara berurutan berkaitan dengan diameter butir 90 dan 22µm.
Meskipun difraksi sinar-X jelas inferior untuk pemeriksaan mikroskopik dalam pengukuran ukuran butir yang akurat, salah satu foto difraksi dapat menghasilkan informasi kuantitatif mengenai ukuran butir bersama-sama dengan informs mengenai kualitas dan orientasi Kristal. Sebuah transmisi atau foto lubang back-reflection yang terbaik dibuat dengan menggunakan radiasi yang difilter. Jika kita menggunakan metode back-reflection, maka permukaan sampel harus dikerik untuk menghilangkan
berbagai gangguan yang dapat muncul pada lapisan, karena sebagian besar radiasi yang didifraksikan berasal dari lapisan permukaan yang tipis.
Kealamian perubahan yang dihasilkan dalam foto pinhole oleh reduksi terus-menerus ukuran butir sampel diilustrasikan dalam gambar 5.4.
Disini jumlah butir memiliki pengaruh terhadap difraksi. Pada gilirannya jumlah ini berkaitan dengan daerah cross-sectional dari berkas datang, dan kedalaman dari penembusan ini (dalam back reflection) atau ketebalan sampel (dalam transmisi).
Ketika ukuran butir sangat kasar (seperti yang diperlihatkan dalam gambar 5.4(a), hanya sedikit sekali Kristal yang didifraksikan dan fotonya hanya terdiri dari satu set pola Laue, satu dari masing-masing Kristal, hal ini disebabkan karena munculnya radiasi putih. Ukuran butir yang agak halus meningkatkan jumlah bintik-bintik Laue,
Gambar 5.4 pola back-reflection pinhole dari sampel alumunium yang direkritalisasi; ukuran butir berkuran dalam urutan (a), (b), (c), (d).
menggunakan radiasi tembaga difilter.
dan bintik-bintik yang terletak pada cincin Debye yang potensial pada umumnya lebih kuat dibandingkan dengan sisanya, karena mereka terbentuk oleh komponen karakteristik yang kuat dari radiasi masuk. Oleh karena itu, cincin Debye mulai muncul seperti yang dapat dilihat dalam gambar (b). ketika ukuran butirnya semakin berkurang, bintik Laue bergabung menjadi sebuah background umum dan hanya cincin Debye saja yang terlihat, seperti dalam gambar (c).
2. ukuran partikel
Ketika ukuran dari masing-masing Kristal kurang dari 0.1 µm (1000Å), maka kita biasanya menggunakan istilah “ukuran partikel”, seperti yang telah dijelaskan sebelumnya bahwa Kristal yang berada dalam ukuran ini menyebabkan perluasan cincin Debye, luas dari perluasan ini diberika oleh persamaan berikut:
; =- . (5-1) Dimana B merupakan perluasan garis difraksi yang diukur pada setengah intensitas maksimumnya (radian) dan t adalah diameter partikel Kristal. semua garis difraksi mempunyai luas yang dapat diukur, bahkan ketika ukuran kristalnya melebihi 1000Å, yang menyebabkan hal tersebut adalah divergensi berkas datang dan ukuran sampel (dalam kamera Debye) dan lebar dari sumber sinar-X (dalam difraktometer). Lebar B dalam persamaan 3.13 menunjukkan lebar ekstra, atau perluasan yang disebabkan karena pengaruh ukuran partikel sendiri. Dengan kata lain, pada dasarnya B bernilai nol ketika ukuran partikelnya melebihi 1000Å.
Masalah utama dalam menentukan ukuran partikel dari pelebaran garis adalah untuk menentukan B dari pengukuran luas BM dari garis difraksi. dari semua metode yang telah diusulkan, metode Werrens merupakan metode yang paling sederhana. Sampel yang belum diketahui dicampur dengan sebuah standar yang memiliki ukuran partikel yang lebih besar dari 1000Å dan menghasilkan sebuah garis difraksi yang dekat dengan garis dari sampel yang belum diketahui yang digunakan untuk penentuan.
Maka terbentuk sebuah pola difraksi dari campuran dalam kamera Debye atapun difraktometer. Pola ini mengandung garis yang tajam dari standar dan garis yang
melebar dari sampel yang belum diketahui dianggap tersusun dari partikel yang sangat halus. Anggaplah Bs sebagai hasil pengukuran lebar pada setengah intensitas maksimum dari garis yang menjadi standar. Kemudian kita dapatkan B dengan menggunakan persamaan berikut:
; = ;Æ − ; (5-2)
Persamaan ini dihasilkan dari anggapan bahwa garis difraksi memiliki bentuk kurva kesalahan. Sekali saja B diperoleh dari persamaan 5-2, maka nilai ini dapat dimasukkan kedalam persamaan 5-1 untuk menghasilkan ukuran partikel t. Terdapat beberapa metode yang dapat digunakan untuk menemukan B dari BM; dibandingkan dengan metode Werrent, metode ini lebiih akurat dan lebih rumit. Metode yang lain in meliputi analisis Fourier garis difraksi dari sampel yang belum diketahui dan dari standar. Bahkan pendekatan yang meliputi persamaan 5-2 dapat menjadi sulit jika garis dari standar menghasilkan doublet Kα; maka kita kan lebih mudah jika menggunakan garis Kβ. Metode Fourier secara otomatis berhati-hati terhadap kemunculan sebuah doublet.
Beberapa peneliti memilih untuk menentukan integral lebar dari sebuah garis difraksi dibandingkan dengan intensitas maksimum. Integral lebar diberikan oleh intensitas yang terintegrasi dibagi degan intensitas maksimum, atau dengan kata lain in merupakan lebar dari segitiga yang memiliki luas dan tinggi yang sama dengan garis yang diobeservasi. Persamaan 5-2 valid untuk setengah maksimum dan intergral luas.
Kesulitan eksperimen yang termasuk kedalam pengukuran ukuran partikel dari perluasan garis meningkat dengan ukuran partikel yang diukur. Secara kasar dapat kita katakana bahwa pengukuran kasar secara relatif mencukupi dalam rentang 0- 500Å, tetapi teknik eksperimen yang sangat bagus dibutukan dalam rentang 500- 1000Å. Ukuran maksimum yang dapat diukur oleh perluasan garis dahulu terletak pada 1000Å yang dihasilkan dengan menggunakan teknik kamera. Namun dengan menggunakan difraktometer batas atasnya sudah dinaikkan menjadi 2000Å.
Semenjak garis-garis tersebut menunjukkan pelebaran ukuran partikel terbesar, maka
kita membutuhkan pekerjaan yang sangat hati-hati dan menggunakan garis back- reflection, sepeti yang ditunjukkan dalam persamaan 5-1.
Dari diskusi diatas, dapat kita duga bahwa pelebaran garis utamanya digunakan untuk mengukur ukuran partikel dari serbuk yang halus dibandingkan dengan ukuran dari Kristal individu dalam sebuah kumpulan zat padat. Percobaan-percobaan telah dibuat untuk menggunakan persamaan 5-1 untuk pelebaran garis difraksi dari sampel logam yang butirannya sangat halus dan juga menentukan ukuran dari butir individu.
Penentuan seperti itu tidak pernah sangat dapat dipercaya, karena masing-masing butir dari material seperti itu terkadang tertarik secara tidak seragam, dan kondisi ini dapat juga membuat garis difraksi melebar; oleh karena itu muncullah keragu-raguan sebagai penyebab yang benar dari pelebaran yang terobservasi. Disamping itu, Kristal individu yang membuat serbuk longgar dari ukuran partikel yang sangat halus dapat sering dianggap bebas tegangan, asalkan material yang termasuk didalamnya bersifat getas (tidak elastik), dan semua perluasan yang terobservasi dapat secara yakin dianggap sebagai pengaruh dari ukuran partikel. Aplikasi utama dari metode pelebaran garis yang digunakan dalam pengukuran ukuran partikel telah dilakuakan di beberapa material seperti karbon hotam, katalis, dan debu industri.