DEFORMASI PLASTIK

• Deformasi pada logam dapat terjadi karena dapat terjadi deformasi pada kristalnya

• Bila kristal menerima gaya (gambar a), barisan atom bagian atas akan terdorong ke kanan sedang bagian bawah terdorong ke kiri

• Bila gaya cukup kuat, barisan terdepan terdorong sedemikian hingga ikatan atom antara baris atas dan bawah terputus. Baris tsb terdorong lebih jauh dan barisan berikutnya juga terdorong sehingga ikatan atomnya terlepas, baris pertama atas akan berikatan dengan baris kedua bawah. Baris kedua atas tidak ada sambungannya. Terjadi dislokasi (gambar b)

• Bila gaya terus bekerja maka dislokasi akan bergeser (gambar c)

• Bila dislokasi bergeser sampai menyeberang butiran maka dikatakan terjadi slip (gambar d).

• Bidang dimana terjadi slip ini dinamakan bidang slip.• Bila gaya masih terus bekerja maka slip-slip dapat

terjadi pada bidang slip yang lain• Ini dapat digambarkan seperti mendorong tumpukan

kartu (gambar e dan f)• Bila terjadi banyak slip maka deformasi akan tampak

pada bendanya.

a

dbidang slip

slip

bdislokasi

cdislokasi

e f

Macam-macam dislokasi

dislokasi

Di sekitar dislokasi, di bagian atas terjadi tegangan tekan, di bagian bawah terjadi tegangan tarik

Strukturmikro sebelum dan sesudah deformasi plastis

Bila logam dideformasi maka:• Tampak bahwa butir kristalnya jadi memanjang• Di dalam butir terdapat banyak bidang slip• Pada masing2 bidang slip terdapat banyak dislokasi• Pada masing2 dislokasi, di sekitar dislokasi terjadi

tegangan• Berarti logam yang terdeformasi kristalnya akan

menjadi lebih tegang• Karenanya sebagai akibat dari deformasi maka logam

akan menjadi lebih keras, lebih kuat, tetapi juga menjadi lebih getas

Derajat deformasi

Sifa

t mek

anik

Keuletan

Kekerasan

Kekuatan

Bila logam yang terdeformasi dipanaskan kembali, seiring dengan naiknya temperatur:

• Atom2nya akan memiliki energi untuk mulai menata diri agar dapat bebas dari tegangan, atom2 akan membentuk kristal baru yang tidak terdistorsi (rekristalisasi)

• Sejumlah atom (terutama di sekitar dislokasi dan batas butir) mulai membentuk inti kristal baru

• Kemudian atom lain ikut bergabung, inti menjadi makin besar, kristal mengalami pertumbuhan

• Dengan terjadinya rekristalisasi akan terjadi penurunan kekerasan/ kekuatan dan naiknya keuletan

RecoveryRekristalisasi

Grain growth

Temperatur pemanasan

Cold worked Pengintian Inti mulai Rekristalisasi Kristal makin Kristal lebih mulai tumbuh selesai besar besar lagi

Kristal lamaKristal baru

Sifa

t mek

anik

dan

uku

ran

butir

kris

tal

Keuletan

Kekuatan

Kekerasan

Metalurgi Fisik

Dislokasi dan Deformasi pada material

Deformasi Deformasi elastis

= Perubahan bentuk sementara yang terjadi pada material yang diberi gaya dari luar setelah gya dihilangkan material kembali ke bentuk awal

Deformasi Plastis= Perubahan bentuk tetap yang terjadi pada material yang diberi gaya dari luar walaupun kemudian gaya itu dihilangkan

Mekanisme deformasi

Mekanisme deformasia. Mekanisme Kembaran ( terjadinya perubahan orientsi dari suatu bagian kristal membentuk kembaran yang simetris terhadap kisi semula )b. Mekanisme Slip ( pergeseran atom berpindah menempati kedudukan yang baru )

Dislokasi Dislokasi merupakan Cacat satu dimensi pada material dimana terjadinya ketidak

teraturan susunan atom Dislokasi pada material menentukan kekuatan dari material, Jika dislokasi semakin

susah berpindah maka berarti material semakin kuat

Model dislokasi pada Deformasi Plastis

Stress field dari dislokasi Ulir

Elastic stress and strain field around screw dislocation:– = b/2r– = Gb/2r

Stress field dari dislokasi sisi

)1(2

GbD

Perbanyakan dislokasiFrank read Mechanism

Hubungan Dislokasi dan Deformasi plastik

Pemberian deformasi pada material akan menggerakkan dislokasi sehingga mencapai batas butir. Makin banyak dislokasi yang sampai kebatas butir maka material akan semakin ulet/lunak

Strain Energy

Fx

Perhatikan sistim pegas sederhana perpindahan x; F=kx.kerja yang dilakukan ketika F= Fo,

oo xFW2

1

Energi iini tersimpan dalam pegas dan dilepaskan kembali ketika Gaya kembali

Strain Energy Densityy

xaa

a Consider a cube of material acted upon by a force, Fx, creating stress sx=Fx/a2

causing an elastic displacement, d in the x direction, and strain ex=d/a

y

xa

Fx

d

dxFW2

1

32

2

1

2

1aeaeaU xxxx

Where U is called the Strain Energy, and u is the Strain Energy Density.

xxxx eaaeV

Uu

2

1/

2

1 33

For a linear elastic material

0.0100.0080.0060.0040.0020.0000

100

200

300

400

500

CONTINUED

Str

ess

(MP

a)

Strain

Consider elastic-perfectly plastic

Bidang Luncur Material

Bidang Luncur Material

Slip pada Kristal Tunggal

Mekanisme Penguatan Logam Mengapa Material harus Kuat?

• Menambah daya dukung beban

• Meningkatkan ketahanan dan umur pakai komponen

• Mengurangi volume/tonase bahan (Membuat komponen lebih ringan)• Mereduksi biaya bahan• Memenuhi sifat produk industri

Mekanisme Penguatan Logam

Kunci dari mekanisme penguatan logam ialah bagaimana menghalangi pergerakan dislokasi.

Material dengan dislokasi yang sukar bergerak membutuhkan tegangan yang besar untuk menggesernya atau dengan kata lain material lebih kuat

Sebaliknya material yang mempunyai dislokasi yang mudah bergerak lebih lunak dan lebih mudah dibentuk.

Metoda Penguatan

1. Penguatan Larut Padat 2. Penguatan Fasa Kedua3. Pengerasan Presipitasi4. Pengerasan Dispersi5. Penguatan dengan

Penghalusan Butir6. Pengerasan Regangan7. Penguatan Tekstur8. Pengerasan Martensit

1. Penguatan Larut Padat(SOLID SOLUTION STRENGTHENING)

Penguatan dengan cara menambahkan sejumlah atom lain (atom asing) ke dalam sebuah gugusan atom induk(Pemaduan dalam jumlah tertentu dimana semua unsur pemadu terlarut padat dalam logam induk)

Atom atom asing tersebut dapat larut padat intertisi atau substitusi tergantung pada ukurannya. Bila atom asing berukuran besar (d > 0.15D). maka larut padat substitusi. Kalau berukuran kecil (d < 0.15D) akan larut padat interstisi. (d = diameter atom terlarut, D = diameter atom pelarut (atom induk)).

Mekanisme Penguatan Larut Padat

Atom asing yang larut padat akan menimbulkan medan tegangan disekitarnya. Medan tegangan tersebut akan menghambat pergerakan dislokasi, sehingga dibutuhkan tegangan yang lebih besar untuk bisa mendeformasi material tersebut (logam lebih kuat)

Atom Asing Medan Tegangan

Gerakan Dislokasi Terhalang Material Kuat

Contoh Penguatan Larut Padat

Paduan Cu-Ni, keduanya dapat saling larut padat (sempurna) pada semua komposisi kimia

Sifat Mekanik Paduan dengan Penguatan Larut PadatUntuk paduan yang saling larut sempurna spt Cu-Ni, kekuatan meningkat (sebaliknya keuletan menurun) dengan meningkatnya jumlah atom (unsu)r terlarut. Kondisi kekuatan maksimum (keuletan minimum) adalah pada kondisi jumlah komponen terlarut dan pelarut hampir sama (seimbang).

2. Penguatan dengan Fasa Kedua (Second Phase Strengthening)

Penguatan fasa kedua terjadi ketika penambahan unsur paduan menghasilkan fasa kedua (second phase) atau fasa sekunder.

Fasa kedua bersifat keras (kuat) dan getas (Fasa kedua penghalang gerakan dislokasi ) Kekerasan (kekuatan) material meningkat dengan bertambahnya

jumlah (fraksi berat) fasa kedua

Contoh paduan yang menghasilkan (memiliki) fasa kedua:

1. Baja (Steel)

Besi (Fe) yang dipadu dengan karbon (C) menghasilkan fasa kedua senyawa Fe3C (sementit) disamping fasa utama Ferit (α) larut padat dalam Fe) . Fasa ferit bersifat lebih lunak dan ulet sedangkan sementit sangat keras tapi rapuh.

A + B AxBy

Fe + C a + Fe3CFe + C a + Fe3C

• Dari segi aspek mikro, gerakan dislokasi lebih mudah terjadi pada ferit, namun lebih sulit pada Fe3C. Atau Fe3C penghalang gerakan dislokasi. Dengan demikian dapat dimengerti bahwa baja dengan kadar karbon lebih tinggi memilki kekerasan (kekuatan) yang lebih tinggi, karena memiliki Fe3C yang lebih banyak.

a terang (putih), Fe3C gelap (hitam)

Sifat Mekanik Baja sebagai Fungsi Jumlah Fasa Sementit

1. Paduan Aluminium-Tembaga

Aluminium (Al) yang dipadu dengan tembaga (Cu) menghasilkan fasa kedua senyawa CuAl3 (θ) disamping fasa utama α-Al (Cu larut padat dalam Al) . Fasa α bersifat lunak dan ulet sedangkan θ sangat keras tapi rapuh.

Paduan Al dengan 33% Cu akan lebih keras (kuat) dari paduan yang hanya mengandung 20% Cu. Karena paduan Al-33%Cu memiliki fasa kedua yang lebih banyak.

Al + C a + θ (CuAl3)

Tugas:Tentukan jumlah (fraksi berat) fasa theta pada paduan Al-20Cu dan Al-33Cu.

Diagram Fasa Al-Cu

Aluminium Copper Reducer Terminal

Contoh Produk:

3.Pengerasan Presipitasi (Precipitation Hardening)

Keberadaan persipitat akan menghambat pergerakan dari dislokasi

• Hard precipitates are difficult to shear. Ex: Ceramics in metals (SiC in Iron or Aluminum).

• Result:S

~y1

3. Precipitation Strengthening

Slipped part of slip plane

Side View

precipitate

Top ViewUnslipped part of slip plane

S

Large shear stress needed to move dislocation toward precipitate and shear it.

Dislocation “advances” but precipitates act as “pinning” sites with spacing S. which “multiplies” Dislocation density

• Internal wing structure on Boeing 767

• Aluminum is strengthened with precipitates formed by alloying & H.T.

Adapted from Fig. 11.26, Callister 7e. (Fig. 11.26 is courtesy of G.H. Narayanan and A.G. Miller, Boeing Commercial Airplane Company.)

1.5m m

Application: Precipitation Strengthening

Adapted from chapter-opening photograph, Chapter 11, Callister 5e. (courtesy of G.H. Narayanan and A.G. Miller, Boeing Commercial Airplane Company.)

4.Pengerasan Dispersi (Dispersion Hardening)

Logam paduan bisa ditingkatkan kekerasannya dengan penambahan partikel oksida yang akan menghalangi pergerakan dari dislokasi

Partikel oksida tidak larut dalam matriknya pada suhu tinggi. Penambahan partikel Al2O3 pada produk SAP (sintered aluminium product)

akan memberikan kekuatan yang lebih tinggi dibandingkan padual Al biasa pada suhu tinggi.

5. Penguatan dengan Penghalusan Butir/Sub-butir(STRENGTHENING BY GRAIN AND SUB GRAIN BOUNDARIES)

• Batas butir adalah penghalang dislokasi penghalang slip• Kemampuan menghalangi bertambah dengan peningkatan sudut mis-orientasi butir (angle of misorientation).• Butir halus mempunyai batas butir lebih banyak penghalang dislokasi lebih banyak lebih susah slip lebih kuat

• Persamaan Hall-Petch:

21 /yoyield dk

Adapted from Fig. 7.14, Callister 7e.(Fig. 7.14 is from A Textbook of Materials Technology, by Van Vlack, Pearson Education, Inc., Upper Saddle River, NJ.)

Makin halus ukuran butir maka bidang slip akan semakin pendek sehingga dislokasi akan cepat sampai kebatas butir

Semakin halus ukuran butir maka material akan semakin kuat.

Pengaruh ukuran butir kekuatan luluh kuningan 70 Cu–30 Zn. Diameter butir meningkat dari kanan ke kiri dan tidak linier.

Cara menghaluskan Butir•Increase Rate of solidification from the liquid phase.

•Perform Plastic deformation followed by an appropriate heat treatment.

Notes:

Grain size reduction also improves toughness of many alloys.

Small-angle grain boundaries are not effective in interfering with the slip process because of the small crystallographic misalignment across the boundary.

Boundaries between two different phases are also impediments to movements of dislocations.

6.Pengerasan Regangan (STRAIN HARDENING)

Pengerasan Regangan adalah pengerasan logam yang terjadi akibat penerapan deformasi plastis ketika pengerjaan dingin (cold work).

Pengerasan terjadi karena peningkatan jumlah dislokasi sehingga dislokasi bertumpuk

Tumpukan dislokasi ini menghalangi gerakan dislokasi selanjutnya

6.Pengerasan Regangan (STRAIN HARDENING)

Untuk masing masing kenaikan regangan plastis, dibutuhkan tegangan yang lebih besar untuk menggerakkan dislokasi dibandingkan sebelumya karena dislokasi telah banyak yang sampai kebatas butir. Ini berarti logam bertambah kekerasan dan kekuatannya

• Ti alloy after cold working:• Dislocations entangle and multiply• Thus, Dislocation motion becomes more difficult.

Adapted from Fig. 4.6, Callister 7e. (Fig. 4.6 is courtesy of M.R. Plichta, Michigan Technological University.)

During Cold Work

0.9 mm

Impact of Cold Work

Lo-Carbon Steel!Adapted from Fig. 7.20, Callister 7e.

• Yield strength (sy) increases.• Tensile strength (TS) increases.• Ductility (%EL or %AR) decreases.

As cold work is increased

7. Penguatan dengan tekstur Proses defornasi akan menyebabkan butir-butir dari logam mengarah pada

orientasi tertentu. Logam yang orientasi kristalnya mengarah pada orientasi tertentu dikatakan memiliki tekstur kristalografis.

Dengan adanya orientasi yang tertentu tersebut, maka logam tidak lagi bersifat isotrop melainkan justru bersifat anisotrop khususnya dalam hal kekuatannya

ISOTROPIANISOTROPI

8. Pengerasan Martensit (Martensite HARDENING)

Martensit memiliki susunan atom BCT sehingga dislokasi menjadi susah untuk bergerak

Baja dipanaskan sampai fasa austenit lalu dilakukan pendinginan cepat sehingga atom-atom karbon pada austenit tidak sempat berdifusi keluar, akibatnya austenit akan bertransformasi menjadi martensit yang memiliki sel satuan BCT

Kekerasan martensit akan semakin tinggi dengan semakin banyaknya atom karbon yang larut didalamnya