10. Modul 3 dislokasi

5/10/2018 10. Modul 3 dislokasi

1/16

MODULIII. DISLOKASI3.1. Pendahuluan3.1.1. Uraian Singkat Modul

Dalam modul ini Anda akan mempelajari tentang dislokasi yang dimanamempelajari tentang cacat pada kristal..dislokasi merupakan suatu upaya untukmensimulasikan kondisi operasi material yang sering ditemui dalam perlengkapantransportasi atau konstruksi dimana struktur kristal tidak selamanya terjadi secaraperlahan-lahan melainkan datang secara tiba-tiba.3.1.2. Kompetensi Khusus

Setelah mempelajari teori dasar dislokasi di atas anda diharapkan mampumenjelaskan makna dan konsep dislokasi dalam lingkup ilmu metalurgi.3.2. Penyajian Materi3.2.1. Dislokasi Sisi

Dengan adanya logam manusia dapat membuat apa yang mereka inginkandemi menunjang kehidupannya. Dengan demikian juga dalam struktur terdapatberbagai macan dislokasi.pengertiian dari dislokasi (dislocation) sendiri adalah cacatkristal yang membentuk garis pada bidang slip sehingga cacat ini di sebut juga cacatgaris (line defect). Dislokasi dibedakan menjadi 3 yaitu : Dislokasi sisi (edgedislocation), Dislokasi sekrup (serew dislocation), Dislokasi campuran. Jika tegangangeser T bekerja pada bahan Kristal tunggal seperti pada Gambar 3.1 di bawah bawahmaka atom - atom di atas bidang slip akan bergerak ke kiri dan menghasilkan :

1. Setengah bidang tambahan (exta half plane)2. Garis dislokasi (dislocation line) : garis panjang SISI setengah bidang

tambahan3. Bidang slip (slip/glide plane) : bidang yang dinyatakan dengan vector slip

(vector burgers) dan garis dislokasi.Dislokasi sisi dinyatakan positif (+) jika setengah bidang tambahan di atas

bidang slip dan dinyatakan dengan simbol I sedangkan tanda negative (-) untuk

3-1

nitroPDF'professionaldownload the free trial online ennttropdf.comrprofeesronal


2/16

dislokasi sisi dengan setengah bidang tambahan di bawah bidang slip dan dinyatakandengan symbol T.

,Quidi]"~I~{ j~'~!!iiipplll!l~l..LGambar 3.1 Dislokasi sisi

3.2.1.1. Ciri - Ciri Dislokasi Sisi :1. Dislokasi sisi ditandai dengan adanya setengah bidang tambahan2. Vector Burgers tegak lurus garis dislokasi3. Bidang slip adalah bidang yang ditandai adanya garis dislokasi dan vector

burgers4. Adanya geseran menyebabkan atom - atom di atas bidang geser berpindah

sebesar 1 Vektor Burgers relativ terhadap atom - atom di bawah bidang geser.3.2.1.2. Menentukan Vector Burgers

1. Menentukan arah positif sebarang sepanjang garis dislokasi2. Buat bidang yang .1dengan garis dislokasi3. Buat lintasan mengelilingi garis dislikasi menurut aturan ulir putar kanan

terhadap arah positif denganjarak n kisi Kristal untuk tiap - tiap sisi lintasan4. Kegagalan di dalam membentuk lintasan tertutup (loop) dengan jarak n

Kristal pada suatu sisi menunjukkan adanya dislokasi

3-2

ni t roPDF'professionaldownload the free trial online ennttropdf.comrprofeesronal


3/16

Ir=-=======- ===~=e=-~----'~-'.--""-'\'

Gambar 3.2 Rangkaian Burgers untuk Dislokasi sisiGaris dislokasi dapat bergerak tegak lurus dengan vektor burgers dan

menyebabkan setenga bidang tambahan menjadi panjang/pendek. Peristiwa inidinamakan panjat dislokasi (climb dislocation).

~,

' : I i '

Ctl'II~II:j.lI~L'~!rn\

Ciri - ciri panjat dislokasi :1. Panjat dislokasi termasuk gerakan non conservative di mana gerakan

dislokasi membentuk gerakan atom dan kekosongan (vacancy) sedangkangerakan slip adalah gerakan conservative yaitu tampa adanya kekosongan(vacancy).

2. Gerakan panjat membutuhkan lebih banyak energi dari pada gerakan slipkarena gerakan panjat membutuhkan gerakankekosongan.

3-3

Gambar 3.3 Gerak panjat pada dislokasi sisi

nit roPDF"professionaldownload the free trial online ennttropdf.comrprofeesronal


4/16

3. Panjat dislokasi disebut (+) jika ukuran bidaang Kristal berkurang dn (-)jika bertambah

4. Panjat dislokasi (+) menghilangkan kekosongan (vacancy) sedangkanpanjat dislokasi (-)menghasilkan kekosongan.

5. Panjat dislokasi disebabkan oleh tegangan yang bekerja pada bahan.3.2.1.3. Tegangan pada dislokasi sisi

Tegangan disekitar dislokasi sisi dapat dihitung berdasarkan teori elastisitas,tegangan di suatu titik dengan koordinat X dan Y dapat dinyatakan :

...- jllJ y(3;t~ 'iI' .~.;~)rJ ".,:iiiiiiiii . ... . ~ ,'-_ ,~, ~.-.~:...

2.",(1-p) (Xil- . 1 " . ) 'Jlh y(.lI.'~- .l'~)(J . =: .~~~.- ....--.",,-.,

- ,j~' 2;r(l- {i) (x~ + J'~)-'. ttb x{X~ " " " Y ~ J- r " " . . . .,'Y 2 }< (1 - u) {x~+y~ ),~

Dengan (ixx dan (iyy masing - masing adalah tegangan pada arah X dan Y. (ixxtegangan geser, u poisson's ratio,b vector burgers dan 11modulus elastisitas.tegangandan regangan di sekitar dislokasi sisi terlihat seperti gambar 3.4 berikut:

. . " \~d\o0-. .r: o '0

~ ':' . . .

Gambar 3.4 Tegangan dan regangan di sekitar dislokasi

3-4

nitroPDFprofessionaldownload the free trial online ennttropdf.comrprofeesronal


5/16

Dari gambar dan persamaan di atas terlihat bahwa untuk sebarang titik dengankoordinat X dan Y,tegangan yang terjadi mempunyai komponen tegangan normaldan geser C ixx tidak selalu sarna dengan C iyy. Untuk titik yang terletak pada sumbu X,komponen tegangan normal pada arah X dan Y menjadi nol dan hanya tegangan gesermurni yang bekerja. Sebaliknya tegangan geser menjadi nol pada titik dengankoordinat (O,y) dan besarnya tegangan normal pada arah X dan Y sama,yaitu: C ixx ~Ciyy. Diiatas dislokasi sisi terjadi tegangan tekan sedangkan di bawah terjadi tegangantarik.

Jika dinyatakan dengan koordinat polar,tegangan dan regangan akan menjadi :

/',, ~ilk . , ._n( In

Gambar 3.5 Tegangan di sekitar dislokasi diinyatakan dengan koordinat polar3.2.1.4. Energi Regangan Pada Dislokasi Sisi

Regangan Energi tiap satuan panjang (We ) dinyatakan dengan persamaan :Dmana r' jari - jari luar dari volume yang diintegralkan dan symbollainnya

seperti yang disebut sebelumnya.3.2.2. DISLOKASI SEKRUP

Dislokasi sekrup terjadi bila garis dislokasi sejajar dengan arah slip,dislokasiini dinyatakan dengan simbol S.

3-5



6/16

Gambar 3.6 Dislokasi sekrup3.2.2.1. Ciri - ciri dislokasi sekrup

Berbeda dengan dislokasi sisi, dislokasi sekrup mempunyai ciri-ciri sebagaiberikut:

1. Vector burgers sejajar dengan garis dislokasi2. Arah gerakan garis dislokasi tegak lurus arah slip3. Tidak ada setengan bidang tambahan4. Gerakan garis dislokasi menyebabkan atom - atom bergerak sebesar satu

satuan vector burgers terhadap atom lainnya

I ' J I

.-.-.:...~...t

Gambar 3.7. Rangkaian burgers untuk Dislokasi Sekrup

. II II . . . . . ;, f . .c, . . . ' l ' I. I i " ~ I, , / - _ ...... ,. -". ~. . . . . . . . . . . " . . . .'l P J . l I ; ; ~I'!.I' !!) III3-6



7/16

3.2.2.2. Tegangan pada dislokasi sekrupGambar 3.8 berikut menunjukkan regangan geser elastis yang disebabkan oleh

dislokasi sekrup, jika tegangan geser menyebabkan pergeseran sebesar satu satuanvector burgers b maka :

Gambar 3.8 Regangan Geser Akibat Dislokasih

r=rr :2 . m "

Dimana : 11modulus geser , y regangan dan T tegangan geser.Berdasarkan teori elastisitas, rapat energi regangan (strain Energi density)

1 "merupakan Energi per satuan volume dan dinyatakan dangan persamaan w =,1 J dan'r=i!il~. 2 L!!f"

Energi regangan per satuan panjang untuk dislokasi sekrup :

3-7



8/16

Dari persamaan diatas terlihat bahwa energi regangan persatuan panjanguntuk dislokasi sekrup ketika r, ~ 0 maka w ~ 00 sehingga dapat disimpulkanbahwa pada pus at dislokasi, sifat - sifat atom Kristallebih menonjol daripada sifatelastisitas bahan.3.2.2.3. DISLOKASI CAMPURAN

Gabungan dari kedua skema dislokasi terdahulu yaitu dislokasi sisi dandislokasi skrup disebut sebagai dislokasi campuran. Jika vector burgers b tegak lurusgaris dislokasi maka dinamakan dislokasi sisi murni sedangkan jika sejajardinamakan dislokasi sekrup. Pada Kristal dapat terjadi campuran kedua jenisdislokasi di atas seperti terlihat pada Gambar 3.9 berikut:

Gambar 3.9. Dislokasi CampuranTitik A : dislokasi sekrup murniTitik C : dislokasi sisi murni

Titik - titik di antara A dan C merupakan dislookasi campuran danmempunyai vector burgers yang sarna sehingga bisa diurai menjadi komponendislokasi sisi dan sekrup.3.2.3. KINK DAN JOG

Garis dislokasi besi membentuk patahan yang tajam dan patahan ini bisadikategorikan menjadi kink dan jog. Jika arah patah garis dislokasi keluar dari bidangslip maka di namakanjog sedangkan kink digunakan untuk patahan yang berada padabidang slip.

3-8



9/16

MGambar 3.10 Kink dan Jog3.2.4. LOOP DISLOKASI

Garis dislokasi bisa membentuk rangkaian tertutup (loop) seperti Gambar 3.11berikut. Dislokasi ini merupakan dislokasi campuran kecua1ijika loopnya berbentuksegi empat dimana dua sisi - sisinya sejajar dan dua 1ainnya tegak 1urus vectorburgers.

, ~~~~ t m ~

~ . . . . -I .

. ,, .1".'

Gambar 3.11 loop dislokasi

3-9



10/16

3.2.5. DISLOKASI PADA KRISTALDislokasi pada Kristal terjadi pada arah tertentu missal pada Kristal Bee akan

terjadi pada sepanjjang diagonal ruang.arah ini dinyatakan dengan vector burgers bdengan komponen lI2a, lI2a, lI2a dan biasanya ditulis b = a/2 [111] .

~!'II)I~li;1~!i(1..::in

~.

~""":'..",....,jr- "1 ~ " ' ! . : I I l l i l i ~ i 11"I'Im~l:i.':I iL 'r9I II;. il-i,~'

Gambar 3.12. Slip Sistem Pada Berbagai Struktur KristalKeterangan gambar:

1. Vector burgers berpangkal dari suatu atom mmenuju ke atom tetanggaterdekat.dislokasi ini disebut unit dislocation (dislokasi satuan)

2. Unit dislocation cennderung mempunyai energi rendah jika vekto burgersb melalui atom - atom debgan kerapatan tinggi (close [acked)3. Energi dislokasi rendah mempunyai mobilitas tinggi.Gambar 3.12 memperlihatkan bagaimana arah slip pada Kristal. Misal slip

pada stuktur fe terjadi pada bidang {Ill} dan arah dan biasanya dinyatakandengan sistem slip {Ill}. Slip sistem untuk struktur Kristal yang lain bisadilihat pada table di bawah.

3-10



11/16

Tabel 3.1. Slip sistem untuk struktus kristal___ ----''-=-=-I __I-=~- , __'0 . "_"''l:'''' -

iI'ik41:~kI ~ 1 1 ~ 1 ! i ~ . ' - . . i i 1 ~ 1 f l 1!); ' h ; , ' " C i I ~ ; q '1;1I!ld~1 ~ 1 ; 1 c I I . .

Jo;1 h ' ~ 1 ; ; :t!~~}CCL1fp! ! ; o l , " ' I ~hL:l~

i ! J II~)}[H~IIill IlllHM ~~Hnn}[2n~~ E ~ n~.'~~~~~~(i~nlarl~l{i 'I ~(I~~1til[J~f: 1~(llH !~(i1~

~Ir!'(1 1 1 : 0~1}:l 'C 1 1 1 '1 ~~'I~~(I~,}~i~~~~In~lr;!I(1!~IJ}~lt.1J(~ ~ j_~)}~!f.V:1~~~I

~~~~~I~~n~~~ ~ 1 '~~

~CICi~I ' JIIOII!~I!o'j ~~,

3.2.6. SALAH SUSUN (STACKING FAULT)Bidang slip pada Kristal fcc,pada kondisi normal,mempunyai susunan :

ABCABCABC ... Jika salah satu bagian bidang Kristal dihilangkan, misal sebagianbidang B, maka susunan bidang Kristal menjadi : ABCA 1 C ABC .... Salah susun inidinamakan salah susun intrisink (intrinsic stackingfaudt).

B - . . . . . . . , , , . . . . . . , .A~.~--==~~-==---===~"~=-~===~=~

C---- __~=~._ ~--~(-~~;,~-----C~ ~ '. . . . . . . .' ' ' ' ' ' ' ' ' -- t ~ . I / ~ (IIL ~ I i! , -- , . -" '. _ "'''- - , . . . nfl. .-.....-~'.~----.-.-J~ - - - - ~ ~ - - - - - - ~ - = ------t, i j .~--=--~~------~~====~~_,_-=~ ~A=-__==~~A- ~

-----____..ll-."""..,~=..-~-l!

Gambar 3.13. Salah Susun IntrinsicSalah susun juga disebabkan oleh penambahan bidang Kristal, misal bidang C,

sehingga menghasilkan susunan : ABCA f C j BCABC ... kesalahan ini dinamakansalah susun ekstrinsik (extrinsic stackingfaudt)

3-11



12/16

~.

J---- .."......~111 I sf ' " . . . .

I~--...,.1. n:.. - .. .I I "...Ir

L-=_..............=---=-=--~-O:Il,Iiiii.LIII!r'" "..Gambar 3.14. Salah Susun Ekstrinsik

3.2.7. PENGARUH DISLOKASI TERHADAP KEKUATAN LOGAMHubungan antara tegangan (0) dengan dislokasi pada logam polikristal dapat

dinyatakan dengan persamaan berikut :0=00+ kp 1;dimana p adalah kerapatan dislokasi (dislocation density) dinyatakan denggan

cm/cm'. K konstanta dan 00 adalah tegangan dimana p1l2 = O.Untuk logam Kristal tunggal biasanya lebih tepat menggunakan persamaanberdasarkan tegangan geser terurai yang bekerja pada bidang slip (T ) yaitu :

T = To + kpil2dengan To tegangan geser pada p1l2 = O. Dari kedua persamaan di atas dapat

disimpulkan bahwa jika kerpatan dislokasi nol maka logam tidak akan mengalamideformasi.3.2.8. PERSAMAAN TAYLOR

Persanaan taylor menerangkan hubungan antara tegangan dan kerpattandislokasi berdasarkan asumsi bahwa semua dislokasi bergerak pada bidang - bidangslip yang sejajar dan dislokasi sejajar satu debgab yang lainnya

Tegangan d sekitar dislokasi : T ;::::,~b . karena jarak antara 2 bidang sebandingI"dengan pil2 maka tegangan geser dapat dinyatakan dengan persamaan :

3-12



13/16

f ~(}(~tiJ_p':'I' " ~pl)~deIlJil~f1 k "" (!ij/~

3.2.9. PERSAMAAN OROWANHubungan antara kecepatan dislokasi dengan kecepatan regangan (strain rate)

dinyatakan dengan persamaan orowan seperti pada gambar di bawah :

~l -l, . . . , ' 1 " " 'I

.I

Gambar 3.15. Persamaan 2 Bagian Kristal

, N k 'l . d is h ~ k o s j bc;ugcJnilk ~J i "~ lhcd]" nm'k~ ":JI~i:ln~ =ulliS::.I~.;IDI1II~'111~~~r" 1 I . : ~ f ~ . ' ; ' ! ; ; u ". I ' : { 'l~.t"J = I { ~ . ; ~In. II


14/16

3.3. Penutup3.3.1. Rangkuman

Dalam ilmu material, dislokasi adalah kristalografi cacat, atauketidakteraturan, dalam struktur kristal. Teori ini awalnya dikembangkan oleh VitoVolterra pada tahun 1905. Beberapa jenis dislokasi dapat digambarkan sebagaidisebabkan oleh penghentian pesawat dari atom di tengah-tengah sebuah kristal.Dalam kasus seperti itu, di sekitar pesawat tidak lurus, tapi tekuk di sekitar tepimenghentikan pesawat sehingga struktur kristal yang tertata dengan sempurna dikedua sisi. Analogi dengan tumpukan kertas sangat tepat, jika setengah secarik kertasdimasukkan ke dalam tumpukan kertas, cacat dalam tumpukan hanya terlihat dipinggir setengah lembar. Dislokasi adalah suatu pergeseran atau pegerakan atom-atom di dalam sistem kristallogam akibat tegangan mekanik yang dapat menciptakandeformasi plastis (perubahan dimensi secara permanen). Kekuatan (strength) dankeuletan (ductility) atom di dalam melalui tingkat kesulitan atau kemudahan gerakandislokasi di dalam sistem kristallogam. Misalya pada proses pengerjaan dingin (coldwork) terjhadi peningkatan dislokasi di dalam kristallogam sehingga kekuatan logammeningkat, namun keuletan menurun.

Secara matematis, dislokasi adalah jems topologi cacat, kadang-kadangdisebut soliton. Dua dislokasi berlawanan orientasi, ketika dibawa bersama-sama,dapat membatalkan satu sarna lain (ini adalah proses penghancuran), tetapi satudislokasi biasanya tidak dapat menghilang dengan sendirinya. Dua jenis utamadislokasi adalah tepi dan sekrup. Dislokasi ditemukan dalam bahan nyata biasanyadicampur, yang berarti bahwa mereka memiliki karakteristik dari keduanya. Sebuahbahan kristal terdiri dari atom array biasa, disusun dalam bidang kisi.

Gambar 3.16. CrystalKisi-KisiMenunjukkanAtom dan Pesawat3-14



15/16

Gambar 3.17. SkemaDiagram(kisi pesawat)menunjukkandislokasi sisi.Vektor Burgershitam, garis dislokasidenganwarna biru.

Karena kerapatan dislokasi meningkat dengan deformasi plastik, sebuahmekanisme untuk menciptakan dislokasi hams diaktifkan dalam materi. Tigamekanisme untuk pembentukan dislokasi dibentuk oleh homogen nukleasi, inisiasibatas butir, dan interface kisi dan permukaan, presipitat, tersebar fase, ataumemperkuat serat.

Penciptaan dislokasi oleh nukleasi homogen adalah hasil dari pecahnya ikatanatom sepanjang garis dalam kisi. Sebuah pesawat dalam kisi dicukur, sehinggadihadapi setengah pesawat atau dislokasi. Dislokasi ini menjauh antara yang satu danlainnya melalui kisi. Dalam homogen nukleasi bentuk kristal dislokasi dari sempurnadan melewati simultan dari banyak ikatan, energi yang diperlukan untuk nukleasihomogen tinggi. Misalnya stres diperlukan untuk homogen nukleasi tembaga.

3.3.2. Latihan Soal

1. Jelaskan mekanisme alternatif gerakan atom yang terjadi pada proses terjadinyadislokasi!

2. Adakah teknik untuk mengontrol dislokasi? Jelaskan!3. Jelaskan teknik untuk meningkatkan kerapatan dislokasi!4. Sebutkan dua mekanisme utama dislokasi!5. Jelaskan bidang slip yang terjadi pada dislokasi untuk struktur kristal fcc!

3-15



16/16

3.3.3. Test dan Umpan Balik3.3.4. Test1. Dari beberapa proses perlakuan panas, mana yang paling bagus?2. Je1askan tentang timbulnya tegangan di dalam logam akibat perlakuan panas!3. Sebut danje1askan 3 stage pada proses heat treatment beserta grafiknyal4. Apa yang dimaksud dengan Pengelasan (welding)?3.3.5. Umpan Balik1. Proses perlakuan panas yang paling bagus tergantung dari kebutuhan material

yang akan diinginkan, apakah material dengan kekerasan tinggi atau materialdengan keuletan yang tinggi. Proses perlakuan panas terhadap sifat mekanismaterial itu juga berbeda-beda.

2. Tegangan di dalam logam timbul akibat dari pergerakan atom C yang tidak bisaberdifusi ke1uar. Tegangan ini mengakibatkan material tersebut memiliki tingkatkekerasan yang tinggi.

3. Annealing: Merupakan proses perlakuan panas untuk menghasilkan perlite yangkasar (coarse pearlite) tetapi lunak dengan pemanasan sampai austenitisasi dandidinginkan dengan dapur, memperbaiki ukuran butir serta dalam beberapa haljuga memperbaiki machinibility. Normalizing : Merupakan proses perlakuanpanas yang menghasilkan perlite halus, pendinginannya dengan menggunakanmedia udara, lebih keras dan kuat dari hasil anneal. Spheroldizing anneal :Merupakan process perlakuan panas untuk menghasilkan struktur carbidaberbentuk bulat (spheroid) pada matriksferrite.

4. Pengelasan adalah suatu proses penyambungan logam menjadi satu akibat panasdengan atau tanpa pengaruh tekanan atau dapat juga didefinisikan sebagai ikatanmetalurgi yang ditimbulkan oleh gaya tarik menarik antara atom.

3-16


10. Modul 3 dislokasi

Documents

Transcript of 10. Modul 3 dislokasi