Deformasi Plastik Kristal tunggal

Deformasi Plastik Kristal Tunggal

            Menyusul penemuan difraksi (pelengkuangan) sinar x oleh kristal dan logam oleh Von Laue dalam tahun 1912 dan kenyataan bahwa logam pada hakekatnya terdiri dari atom yang tersusun dalam rangka geometris spesifik,telah di lakukan penelit penelitain-penelitian tentang hubungan antara struktur atom dan perilaku plastik logam.banyak perkerjaan dasar tentang deformasi plastik logam dilakukan dengan benda-benda kristal tunggal,supayadampak batas butir yang menambah kerumitan dan hambatan oleh butir-butir di sekitar nya dan oleh partikel-fasa kedua disingkirkan.

Konsep Tentang Geometri Kristal

            Struktur kristal paling elementer ialah kisi kubik sederhana. Struktur ini ialah jenis sel dasar (srtucture cell) yang di jumpai untuk kristal ionik. Tiap-tiap atom sudut di kelilingi oleh delapan atom lainnya pada pusat ruang (body center) kubus. Karena itu terdapat dua atom tiap sel satuan untuk struktur kubik ruang (8/8 +1). Logam tipikal yang mempunyai struktur kristal ini ialah besi,alpha,niobium(colobium),tantalum,khrom,mobilden dan tungsten. Dan terrdapat empat atom tiap sel satuan dalam struktur kubik terpusat bidang yaitu (8/8+6/2). Almunium,tembaga,emas,timah hitam(timbel),perak dan nikel ialah logam kubik terpusat bidang.

            Untuk sistem kubik terdapat pasangan hubungan sederhana antara arah (uvw) dan bidang (hlk) yang sangat bermanfaat.

1.      (uvw) tegak lurus pada (hkl) bila u=h:v=k;w=I.(111) tegak lurus pada (111)

2.      (uvw) sejajar dengan (hkl),n misalnya (uvw) berimpit dengan (hkl), bila hu+kv+lw=0.(112) merupakan arah pada bidang (111)

3.      Dua bidang (h_1,k_1, I₁) dan (h_2,k_2, l₂) tegak lurus sesamanya bila h₁h₂ +k¹k₂+I₁I₂=0(001) tegak lurus pada (100) dan (010).(110) tegak lurus pada (110).

4.      Dua arah u₁v₁w₁ dan arah u₂v₂w₂  tegak lurus sesamanya bila u₁u₂+v₁v₂+w₁w₂=0.(100) tegak lurus pada (001).(111) tegak lurus pada (112).

Penyederhanaan teori matematis formal untuk menguraikan perilaku mekanik logam telah dikembangkan atas dasar pemisalan bahwa logam itu homogen dan isotropis. Karena pemisalan bahwa kita berhubungan dengan medium yang homogen dan isotropis kurang dapat dipertahankan, maka kemampuan kita untuk memperkirakan perilaku logam di bawah tegangan dengan menggunakan teori elastisitas dan teori plastisitas yang menurun.

          Menyusul penemuan difraksi (pelengkungan) sinar-x oleh Kristal dan logam oleh Von Laue dalam tahun 1912 dan kenyataan bahwa logam pada hakekatnya terdiri dari atom yang tersusun dalam rangka geometris spesifik, telah dilakukan penelitian-penelitian tentang hubungan antara struktur atom dan perilaku plastik logam. Banyak pekerjaan dasar tentang deformasi plastik logam dilaksanakan dengan uji kristal tunggal supaya dampak batas butir yang menambah kerumitan hambatan oleh butir-butir disekitarnya  dan oleh partikel fasa kedua disingkirkan.

1.      Konsep Tentang Geometri Kristal

          Analisa difraksi sinar-x memperlihatkan bahwa atom dalam kristal logam disusun dalam pola ulang tiga-dimensional yang teratur. Susunan atom logam digambarkan dengan paling ederhana lewat kisi kristal dimana atom-atom dibayangkan sebagai bola kertas pada lokasi khusus dalam suatu susunan geometris. Struktur Kristal paling elementer ialah kisi kubik sederhana. Struktur ini ialah jenis sel dasar yang dijumpai untuk kristal ionik. Sebuah bidang kristalografi ditetapkan oleh panjang intersepnya pada ketiga sumbu yang diukur dari titik awal sumbu koordinat.

    Gambar 1.a

          Gambar 1.a memperlihatkan sebuah sel struktur kubik terpusat ruang degan sebuah atom pada tiap-tiap sudut dan atom lainnya pada pusat ruang kubus. Tiap-tiap atom sudut  dikelilingi oleh delapan atom yang berbatasan, seperti atom yang terdapat di titik pusat sel. Logam tipikal yang mempunyai struktur kristal ini ialah besi alpha, niobium, tantalum, khrom, mobilden dan tungsten.

          Gambar 1.b menunjukkan sel satuan untuk struktur kristal kubik terpusat bidang. Di samping sebuah atom di tiap-tiap sudut, terdapat sebuah atom di titik pusat tiap-tiap bidang kubik. Karena atom yang belakang ini termasuk dalam dua sel satuan, terdapat 4 atom tiap sel satuan dalam struktur kubik terpusat bidang..  contohnya yaitu aluminium, tembaga, emas, timah hitam, perak dan nikel.

          Pada umumnya deformasi plastik terbatas pada bidang indeks rendah yang mempunyai kerapatan atom tiap satuan luas yang lebih tinggi daripada bidang indeks tinggi. Bidang yang mempunyai kerapatan atom tertinggi merupakan bidang yang paling jarang letaknya untuk struktur kristal.

2.      Cacat Kisi

          Istilah cacat atau ketidaksempurnaan pada umumnya dipakai untuk membahas penyimpangan dari susunan teratur titik-titik kisi. Ketidaksempurnaan kisi dapat dibagi dalam 2 bagian yaitu cacat garis dan cacat permukaan. Salah tumpuk atau salah susun antara dua daerah kristal padat yang mempunyai urutan tumpuk bertukar-tukar dan daerah bentuk kembar kristal merupakan contoh cacat permukaan yang lainnya. Jadi, cacat dalam kristal mempunyai struktur serta sifat teratur dan dapat berulang.

Cacat Titik

          Cacat titik terbagi pada tiga jenis, yaitu :

a.    Kekosongan atau tempat atom kosong

Hal ini terjadi bilamana sebuah atom lepas dari posisi normal. Peningkatan yang cepat dari fraksi tempat rangka kosong dalam logam berbanding lurus dengan meningkatnya temperatur. Jumlah yang lebih besar daripada konsentrasi kekosongan seimbang dapat dihasilkan oleh deformasi plastis yang besar. Apabila kerapatan kosong menjadi relatif lebih besar ada kemungkinan kekosongan itu berkumpul untuk membentuk ruang kosong(voids).

b.    Interstisi (sisipan)

Cacat interstisi adalah cacat yang terjadi karena adanya atom yang tertahan di dalam kristal di titik pertengahan antara posisi kisi yang normal, terjadi karena dalam logam sebagai hasil bombardemen dengan partikel nuklir berenergi tinggi atau akibat aktivasi termal.

c.    Impurity (ketidakmurnian)

Penting untuk disadari bahwa tidak ada bahan yang benar-benar murni. Sebagian besar bahan murni komersial biasanya mengandung 0,01 sampai 1 persen kotoran.

Cacat garis dislokasi

          Dislokasi merupakan cacat yang bertanggung jawab atas gejala slip, yang menjadi sebab sebagian besar logam berubah bentuk secara plastik. Selama dislokasi bergerak, terdapat slip dalam daerah pergerakan. Jika tidak ada rintangan, dislokasi dapat bergerak mudah akibat gaya yang kecil.

          Dua jenis dislokasi adalah :

a.    Dislokasi sisi

Gambar 7 menunjukkan slip yang menghasilkan dislokasi sisi untuk suatu elemen kristal yang memiliki kisi kubis yang sederhana. Karakteristik yang menetukan pada dislokasi sisi ialah bahwa vektor Burgers selalu tegak lurus dengan garis dislokasi. Suatu dislokasi sisi dengan bidang atom ekstra sebelah atas bidang slip, seperti pada gambar 8, berdasarkan kesepakatan disebut dengan dislokasi sisi positif dan seringkali ditandai dengan symbol  L. jika bidang atom ekstra itu terletak sebelah bawah bidang slip, dislokasinya merupakan dislokasi sisi negative, Τ.

b.    Dislokasi ulir

Jenis yang selanjutnya ialah dislokasi ulir. Gambar 9 menunjukkan contoh sederhana dari dislokasi ulir. Garis dislokasi sejajar dengan vektor Burgers-nya, atau dengan vektor slipnya, dan menurut definisi dislokasi, ini harus merupakan dislokasi ulir. Susunan atom disekeliling dislokasi ulir dalam kisi sederhana terdapat pada gambar 10. Dislokasi ulir tidak mempunyai bidang slip pilihan, seperti yang  dimiliki oleh dislokasi sisi.  Oleh Karena itu, gerakan dislokasi ulir kurang mengalami hambatan dibandingkan dengan gerakan dislokasi sisi.

3.      Deformasi Karena Slip

          Metode  deformasi plastik yang lazim dalam logam disebabkan oleh menggelincirnya blok kristal yang satu terhadap yang lainnya sepanjang bidang kristalografi tertentu, yang disebut bidang slip. Slip sebuah kristal dapat dianggap menyerupai distorsi yang dihasilkan dalam tumpukan kartu yang didorong salah satu ujungnya. Slip terjadi bilamana tegangan geser melampaui suatu harga kritis. Perhatikan bahwa garis slip terjadi karena perbedaan dalam ketinggian permukaan dan bahwa permukaan tersebut harus dipersiapkan agar cocok untuk pengamatan dengan mikroskop sebelum deformasi. Bidang slip dan arah slip ialah arah paling padat di dalam bidang slip. Bidang slip bersama dengan arah menetapkan sistem slip.

4.      Slip Dalam Kisi Sempurna

          Perhatikan dua bidang atom dimana bekerja tegangan geser homogen (gambar 12). Tegangan geser bekerja dalam slip sepanjang arah slip. Tegangan geser bernilai nol ketika jarak kedua bidang itu bertepatan dan tegangan geser juga nol ketika kedua bidang tersebut bergerak sejauh identitas b, sehingga titik 1 di bidang atas melewati titik 2  di bidang dasar. Tegangan geser juga nol apabila atom bidang atas ada di posisi pertengahan antara atom-atom bidang dasar. Antara posisi ini, tiap atom  ditarik ke arah atom terdekat , sehingga tegangan geser merupakan fungsi periodik perpindahan.

5.      Slip Melalui Gerakan  Dislokasi

          Konsep dislokasi pertama—tama diketengahkan untuk menjelaskan perbedaan antara kekuatan geser uang diamati dan kekuatan geser teoritis dalam logam. Agar konsep dislokasi berlaku perlu dibuktikan :

1.    Gerakan dislokasi di seluruh sisi kristal memerlukan tegangan yang jauh lebih kecil daripada tegangan geser teoritis

2.     Gerakan dislokasi menghasilkan jenjang atau jalur slip di permukaan bebas.

Cattrell mengusulkan cara untuk menjelaskan terjadinya slip oleh pergerakan dislokasi.  Perhatikan keadaan di mana dislokasi bergerak terbatas melalui kristal sepanjang bidang slip. Tetapi, gerakan yang disebabkan untuk dislokasi sejajar jarang terjadi dalam logam nyata, sehingga persamaannya perlu dimodifikasikan untuk menerangkan kerumitan dalam geometri serta konfigurasi dislokasi.

6.      Tegangan Geser Terurai Kritis Untuk Slip

Tingkat slip dalm kristal tunggal tergantung dari besarnya tegangan geser yang dihasilkan oleh bahan luar, dari geometri struktur kristal dan dari orientasi bidang slip aktif terhadap tegangan geser. Slip mulai bilamana tegangan geser dibidang slip dalam arah slip mencapai suatu harga-ambang ( threshold value) yang di sebut tegangan geser terurai kritis (Critical resolved shear stress).

Kenyataan bahwa diperlukan beban tarik yang berbeda untuk menghasilkan slip dalam kristal tunggal dengan orientasi berbeda-beda. Untuk mengakulasi tegangan geser terurai kritis dari kristal tunggal  yang mengalami uji tarik, perlu ditentukan secara difraksi sinar X, orientasi terhadap sumbu tarik dari bidang di mana slip pertama kali tampak dan mengetahui arah slip. Perhatikan sebuah kristal tunggal selindris dengan penampang melintang A (gambar 4-18). sudut³ antara garis normal bidang slip  dan sumbu tarik ialah Ø,  dan sudut yang dibuat oleh arah slip dengan sumbu tarik ialah λ. Luas bidang slip miring dengan sudut Ø akan sama dengan A / cos Ø dan komponen beban aksial yang bekerja dalam bidang slip dalam arah slip = P cos λ. Karena itu, tegangan geser terurai kritis diberikan oleh persamaan (4.13) memberikan tegangan geser terurai di bidang slip dalam arah slip. Tegangan geser ini mencapai maksimum bilamana Ø = λ = 45°, sehingga TR = ½ P/A. Kalau sumbu tarik tegak lurus terhadap bidang slip (λ = 90°) atau sejajar dengan bidang slip (Ø = 90°), tegangan geser sama dengan nol. Slip tifakk akan terjadi untuk orientasi ekstrim ini, sebab tidak ada tegangan geser di bidang slip. Kristal malah akan cenderung akan patah.

Besar tegangan geser terurai kritis sebuah kristal ditentukan interaksi populasi dislokasinya satu dengan yang lain dan dengan cacat seperti misalnya kekosongan, sisipan atau atom kotor. Dengan sendirinya tegangan ini lebih besar daripada tegangan yang diperlukan untuk menggerakkan dislokasi tunggal, tetapi tegangan ini lebih rendah daripada tegangan yang diperlukan untuk menghasilkan slip dalam kisi yang sempurna. Tegangan geser terurai kritis akan berkurang kalau kecepatan cacat berkurang, asalkan jumlah total kesempurnaan tidak sama dengan nol. Bila mana dislokasi yerakhir itu dilenyapkan, tegangan geser terurarai kritis naik dengan tiba-tiba mencapai nilai tinggi yang sama dengan kekuatan gesersebuah kristal sempurna.

Perbandingan antara tegangan geser terurai dengan tegangan aksial disebut faktor scimid m. M= cos Ø cos λ. Secara eksperimaen diamati bahwa kristal tunggal akan meluncur bilamana tegangan geser terurai di bidang slip mencapai harga kristis. Dikenal hukum Schimid.

7.       DEFORMASI KRISTAL TUNGGAL

            Dalam uji biasa, gerakan kepala silang mesin memaksa benda uli berada di penjepit,sebab penjepit harus tetap sebaris, karena itu benda uji tidak dapat berubah bentuk dengan bebas karena sebab luncuran merata di tiap-tipa bidang slip sepanjang panjang benda ukur benda uji. Sebagai gantinya bidang slip berputar kearah sumbu tarik, sebab sumbu tarukbenda uji tetap tidak berubah.

            Regangan slip ialah pemindahaan relatif dua buah bidang slip sejajar yang terpisah pada jarak satuan. Supaya sederhana orientasi bidang slip diberikan oleh sudut X antara sumbu elips slip dan sumbu tarik dan bukan oleh sudut ini, TR=P/A sin X cos λ

8.       DEFORMASI KRISTAL KUBIK PEMUSATAN BIDANG

            Oleh karena kristal kpb memounyai simetri tinggi dan 12 sistem slip potensial, terdapat kemungkinan yang cukup besar. Bidang slip tidak perlu mengalami banyak rotasi sebelum tegangan geser yang diuraikan menjadi tinggi di sistem slip (111) <110> lainy sistem slip yang utama akan menjadi sistem slip dengan factor schmid tertinggi, yaitu m= sin X cos λ. Sisetm utama akan tergantung pada orientasi kristal relatif terhadap sumbu tegangan geser.

            Sewaktu benda uji memanjang, sumbu benda uji akhirnya mencapai perbatasan (001)-(111) di P’. Sekarang tegangan geser terurai sama di sistem slip utama dan sistem slip konyugasi (111) (011). Di titik ini deformasi berlangsung terus di kedua sistem luncur itu dengan serentak untuk menghasilkan slip dupleks atau slip ganda.

            Dibawah mikroskop slip konyugasi tampak sebagai kumpulan gari-garis slip yang saling berpotongan. Kenytaan bahwa slip dapat terjadi dikedua sistem slip menunjukkan bahwa pengeerasan regang laten harus terjadi disistem konyugasi, bilamana hanya sistem utama yang bekerja. Slip dupleks mengganggu rotasi bebas sistem gelincir dan menjurus untuk mengurangi keuletan pada saat patah, lain halnya dalam kristal hp, dimana gelincir yang mudah terjadi sistem slip tunggal, sampai patah.

9.       DEFORMASI KARENA PEMBENTUKAN KEMBARAN

            Mekanisme penting untuk perubahan bentuk, ialah proses yang dikenal sebagai pembentukan kembaran. Pembentukan kembaran terjadi bila suatu bagian kristal berubah orientasi membentuk kembaran yang simetris terhadap kisi semula. Bagian kristal yang kembar merupakan bayangan yang terbalik (miror image) kristal induk. Bidang simetri antara kedua bagian itu disebut bidang kenbaran (twinning plane).

            Bentuk kembaran dapat dihasilkan oleh deformasi mekanis atau sebagai hasil anil setelah deformasi plastis. Jenis pertama ini dikenal sebagai bentuk kembaran mekanis, yang belakangan disebut bentuk kembaran anil. Bentuk kembaran mekanis dihasilkan oleh logam kpr atau logam hp dibawah pembebanan yang sangat cepat serta temperatur rendah. Kalau pembebtukan kembaran terjadi selama uji tarik, terbentuklah gerigi dalm gariss lengkung tegangan dan regangan.

            Proses yang sangat dekat hubunganya dengan pembentukan kembaran ialah pembentukan daerah maertensit lewat transformasi geser tanpa difusi.sekalipun kedua proses itu mengahasilkan daerah lokal dengan orientasi kisi baru. Perbedaanya ialah dalam plat martensit, struktur kristal berbeda dari kristal induknya. Gaya penggerak untuk pembentukan kembaran ialah perbedaan energi bebas antara kristal induk dan phase martensit. Gaya penggerak termodinamis ini dapat diperkuat oleh tegangan geser yang diterapkan.

10.    SALAH SUSUN (STACKING FAULTS)

            Kesalahan dalam urutan susunan logam dapat dihasilkan oleh deformasi plastik. salah susun dalam logam kpb dapat juga dianggap sebagai bentuk kembaran submicrokopis dengan ketebalan atomik. Alasan mengapa bentuk kembaran mekanis dengan lebar yang dapat dilihat dengan mikroskop, tidak mudah terbentuk billamana logam kpb berubah bentuknya ialah, karena formasi salah susun secara energitik lebih mudah terbentuk.

            Perbedaan perilaku deformasi dalam logam kps disebabkan oleh perbedaan perilaku salah susun. Salah susun dalm logam kps ditinjau dari teori dislokasi, merupakan dislokassi yang luas yang terdiri dari daerah htp tipis yang dibatasi oleh dislokasi persial. Dislokasi persial cenderung akan saling tolak menolak, namun hal ini diimbangi oleh tegangan permukaan salah susun. Makin rendah energi salah susun, makin besar pemisahan antara dislokasi persial dan makin lebar salah susunya.

            Deformasi plastik pun terpengaruh oleh salah susun. Logam yang salah susun yang lebar cenderung mengalami percepatan pengerasan regangan, lebih mudah membentuk kembaran ketika dianil dan memiliki sifat ketergantungan tegangan alir pada temperatur yang berbeda dengan logam yang memiliki salah susun yang sempit.. logam dengan energi salah susun yang tinggi mempunyai substruktur deformasi yang terdiri dari jalinan dan sel dislokasi, sedang logam dengan energi salah susun yang rendah mempunyai substruktur deformasi yang terdiri dari pita dan garis-garis dislokasi.

11.    PITA DEFORMASI DAN PITA TEKUK (KINK BANDS)

            Deformasi tidak homogen dalam sebuah kristal menghasilkan daerah yang orientasinya berbeda-beda yang disebut  pita deformasi. Bilamana terjadi slip tanpa hambatan secara homogen sempurna, garis slip dapat dihilangkan oleh pemolesan permukaan. Pita deformasi ini menggambarkan daerah-daerah dengan orientasi kristalografi yang berbeda. Dalam kristal tunggal dapat terjadi pita deformasi yang lebarnya beberapa milimeter, sedangkan dalam benda uji polikristalin  diperlukan pengamatan mikroskopis. Pita deformasi pada umumnya tak teratur bentuknya tetapi memanjang dalam arah tegangan utama, bentuk pita umumnya kabur, pita deformasi tidak dapat  diamati pada logam hp.