Bab 4Dislokasi dan Deformasi

Dislokasi adalah salah bentuk cacat atau ketidak-sempurnaan kristal yang perlu dipelajari lebih dalam, karena cacat garis ini memegang peranan penting dalam mengendalikan karakteristik mekanik material. Adanya dislokasi pada susunan kristalnya, membuat logam menjadi lebih lemah pada satu sisi. Namun pada sisi lain, berkat adanya dislokasi juga, logam bisa diperkuat. Dengan perilaku yang unik ini, maka topik tentang dislokasi perlu mendapat perhatian khusus.

Sementara deformasi (plastis) adalah sebuah parameter yang berhubungan dengan kemampuan logam berubah bentuk atau disebut mampu bentuk. Sifat mampu bentuk sangat diperlukan pada proses pembentukan (metal forming), dimana logam yang mempunyai mampu bentuk tinggi bisa diproses dengan mudah dan murah menjadi berbagai komponen peralatan. Sifat plastis logam ini, dari sisi mikro, ternyata terkait erat dengan dislokasi. Oleh karena itu topik tentang dislokasi dan deformasi ini dibahas dan dipahami lebih dalam. 4.1. Dislokasi

Seperti yang telah dipelajari pada pelajaran Material Teknik tentang cacat kristal, dislokasi adalah cacat yang terjadi pada sebaris atom. Ada 2 jenis dislokasi yakni dislokasi sisi (edge dislocation) dan dislokasi ulir (screw dislocation) seperti ditampilkan pada Gambar 4.1. Dislokasi sisi atau disebut juga dengan dislokasi garis adalah dislokasi yang terjadi pada bidang tegak lurus bidang kertas (Gambar 4.1a), Dislokasi ini seoleh membagi kristal menjadi 2 bagian seperti akibat hilangnya sebaris atom. Pada bagian atom yang hilang ini terjadi perubahan keseimbangan jarak atom dan menimbulkan distorsi atom. Bila tegangan geser diterapkan pada dislokasi ini terjadi pergerakan dislokasi secara liner. Dislokasi sisi sisi pada Gambar 4.1a disimbolkan dengan tanda T atau T terbalik (), tergantung posisi dislokasi sisi tersebut. Tanda T menyatakan posisi dislokasi pada bagian atas, sementara menunjukkan posisi dislokasi bagian bawah.

Gambar 4.1 (a) Dislokasi sisi, (b) dislokasi ulir. Atom warna hitam pada (b)

berada diatas kertas, sementara atom terang berada di bawah kertas

Dislokasi ulir adalah dislokasi yang arah geraknya sejajar dengan garis dislokasi, dan membuat susunan atom seperti terpuntir (Gambar 4.1b). Atom pada bidang atas (digambarkan sebagai lingkaran hitam) terpuntir searah jarum jam, sementara atom pada bidang bawah terpuntir pada arah sebaliknya. Gerakan seperti ini membuat pergeseran posisi atom seperti busur sudut dimana pada bagian ujung pergesaran besar, dan makin ke pangkal pergeseran lebih sedikit. Gerakan ini juga menimbulkan distorsi atom sehingga menimbukan tegangan dalam pada atom-atom tersebut. Dislokasi ulir biasanya disimbolkan dengan tanda puntiran searah jarum jam, , dan puntiran berlawanan arah jarum jam ( ).

Kebanyakan dislokasi dalam material kristalin ditemui tidak hanya dalam bentuk dislokasi sisi maupun dislokasi ulir, tetapi umumnya dalam bentuk dislokasi campuran (mixed dislocation) seperti ditampilkan pada Gambar 4.2. Dengan demikian distorsi yang dihasilkan berupa gabungan keduanya dan gerakan dislokasi seperti busur (Gambar 4.2b).

Besar dan arah distorsi kisi yang disebakan oleh dislokasi disebut vektor Burger dengan simbol b. Vektor burger pada dislokasi sisi, tegak lurus terhadap dislokasi, dan pada dislokasi sisi, vektor Burger sejajar dengan dislokasi. Pada dislokasi campuran, vektor burger tidak searah maupun tegak lurus dislokasi, tetapi akan tetap pada arah yang sama walaupun gerakan dislokasi berubah arah seperti terlihat pada Gambar 4.2. Pada logam, vektor Burger akan sama dengan arah kristal susunan padat, dan besarnya sama dengan jarak antar atom atau parameter kisi.

Gambar 4.2 Dislokasi campuran (a) tampilan 3 dimensi, (b) tampilan 2 dimensi [1]4.2 Deformasi

Secara mikro, perubahan bentuk pada material baik deformasi elastis maupun plastis disebabkan oleh bergesernya kedudukan atom-atom dari tempatnya semula. Pada deformasi elastis adanya tegangan akan menggeser atom-atom ke tempat kedudukannya yang baru, dan atom-atom tersebut akan kembali ke tempatnya yang semula bila tegangan tersebut ditiadakan. Jarak pergeseran atom secara elastis, yaitu tidak kurang dari 0,5%. Pada deformasi plastis, atom-atom yang bergeser menempati kedudukannya yang baru dan stabil, meskipun beban (tegangan) dihilangkan, atom-atom tersebut tetap berada pada kedudukan yang baru. Model pergeseran atom-atom tersebut disebut slip.Bila suatu Kristal mengalami tegangan maka susunan atom pada kristal itu akan mengalami perubahan posisi, perubahan ini bersifat sementara bila tegangan yang bekerja tidak cukup besar dan akan bersifat permanen bila tegangan sudah melampaui batas luluh (yield). Bila tegangan telah melampaui batas luluh maka garis dislokasi sudah bergeser dan mencapai batas butir, sehingga butir kristal mengalami perubahan bentuk yang permanen. Perubahan bentuk pada butir kristal akibat terjadinya hal ini akan menyebabkan terjadinya perubahan bentuk pada bentuk luar benda. Deformasi (perubahan bentuk) dapat terjadi dengan terjadinya slip atau twinning, atau kombinasi keduanya.

4.2.1 Deformasi dengan SlipSlip merupakan mekanisme terjadinya deformasi yang paling sering dijumpai. Slip terjadi bila sebagian dari kristal tergeser relatif terhadap bagian kristal lain sepanjang bidang kristalografi tertentu. Bidang tempat terjadinya slip dinamakan arah slip (slip direction). Slip terjadi pada bidang yang paling padat atom dan arah slip juga pada daerah yang paling padat atom, karena untuk menggeser atom pada posisi ini memerlukan energi paling kecil. Pada Gambar 4.3a dapat dilihat bahwa pergeseran atom akan lebih mudah terjadi bila susunan atomnya lebih rapat. Pada gambar kristal yang susunan atomnya kurang padat (Gambar 4.3b), atom-atom seolah-olah terkunci di sela-sela atom-atom lain dan untuk menggeser atom-atom ini akan memerlukan energi lebih besar.

Gambar 4.3 Mekanisme Slip pada kristal logam [2]Seperti diketahui pada suatu sistem kristal terdapat lebih dari satu bidang yang padat atom, bidang-bidang ini merupakan satu keluarga, demikian pula dengan arah slip. Karenanya slip dapat terjadi pada beberapa bidang dan arah tertentu, ini dinamakan sistem slip dari sistem kristal kristal. Tabel 4.1 menunjukkan beberapa sistem slip dari berbagai kristal logam.

Slip tidak terjadi dengan menggesernya seluruh atom pada bidang slip seecara sekaligus. Slip terjadi dengan bergesernya garis dislokasi sedikit demi sedikit. Bila slip terjadi dengan pergeseran atom sekaligus seluruh atom pada bidang slip, maka diperlukan gaya yang sangat besar. Karena itulah kekuatan logam lebih rendah daripada kekuatannya yang dihitung dengan menjumlahkan gaya yang perlu untuk memutuskan ikatan antar atomnya.

Tabel 4.1 Sistem slip dari beberapa jenis logam [1]

Untuk dapat terjadi slip harus ada gaya geser yang cukup besar, bila gaya geser itu belum cukup besar maka distorsi yang ditimbulkannya hanya bersifat sementara, elastik. Perubahan bentuk akan terjadi bila telah terjadi slip, dan slip akan dapat terjadi bila gaya geser yang bekerja pada kristal telah mencapai critical resolved shear stress, semacam stress untuk suatu kristal.

Terjadinya slip dengan cara bergesernya garis dislokasi dapat digambarkan dengan analogi gerakan dari ulat, cacing atau permadani. Untuk menggeser permadani yang telah digelarkan di lantai dengan menarik sekaligus seluruh permadani tentu akan sangat berat. Akan lebih mudah bila mula-mula dibuat suatu tekukan pada tepi permadani (analog dengan garis dislokasi) dan mendorong tekukan tersebut hingga tekukan mencapai ujung lain dari permadani, dapat dilihat dari Gambar 4.4.

Gambar 4.4 Analogi gerakan dislokasi pada kristal [2]Bila slip telah terjadi hingga ke seberang butir kristal maka slip ini akan diteruskan ke butir berikutnya dank arena butir berikutnya mempunyai orientasi yang berbeda, arah bidang slip akan berbeda maka dislokasi akan tertahan pada batas butir dan untuk membuat slip berikutnya pada bidang yang sama akan memerlukan gaya yang besar. Karenanya slip akan mudah terjadi pada bidang lain yang sejajar dengan bidang slip mula-mula. Sehingga dapat dimengerti bahwa material yang telah mengalami deformasi akan menjadi lebih kuat dan keras.

4.2.2 Deformasi dengan Twinning

Cara lain untuk terjadinya deformasi adalah dengan kembaran (twinning). Twinning terjadi bila satu bagian dari butir kristal berubah orientasinya sedemikian rupa sehingga susunan atom di bagian tersebut akan membentuk simetri dengan bagian kristal yang lain, yang tidak mengalami twinning. Susunan atom pada bagian yang mengalami twinning ini merupakan mirror image dari bagian yang tidak mengalami twinning. Bidang yang menjadi pusat simetri antara kedua bagian itu dinamakan twinning plane.

Ada beberapa perbedaan antara slip dan twinning, yaitu bahwa pada slip orientasi seluruh kristal tetap sama, sedangkan pada twinning sebagian kristal akan berubah orientasinya. Jarak pergeseran atom pada slip dapat hingga beberapa jarak atom, sedangkan pada twinning jarak pergeseran ini hanya sedikit, tidak sampai satu jarak atom. Pada twinning pergerakkan atom terjadi sekaligus seluruh atom bergerak bersamaan sedangkan pada slip sebagian demi sebagian. Seperti diperlihatkan secara skematis pada Gambar 4.5.

Gambar 4.5 Skematis perbedaan mekanisme Slip dan Twinning [2]Twinning diperlukan tenaga yang cukup besar karena itu tidak banyak logam yang padanya dijumpai twinning sebab slip terjadi sebelum twinning. Twinning dapat terjadi bila kemungkinan untuk slip kecil yaitu bila sistem slip terbatas seperti pada logam dengan sistem HCP yang memiliki hanya sedikit slip system (karena itu twinning biasanya tidak terjadi pada BCC).

Regangan yang terjadi dengan twinning kecil sekali, sehingga twinning bukanlah suatu mekanisme deformasi yang utama, tetapi cukup penting karena dengan twinning terjadi perubahan orientasi kristal yang memungkinkan salah satu sistem slipnya akan bersesuaian dengan arah gaya geser yang bekerja dan slip akan dapat terjadi.

Twinning dapat terjadi akibat gaya mekanik, disebut mechanical twins, atau dapat juga terjadi pada kristal yang telah dideformasi lalu dianil, disebut annealing twins.

4.3 Hubungan Antara Deformasi dengan Dislokasi

Dislokasi yaitu cacat bidang atau cacat garis yang mempermudah terjadinya slip. Dengan demikian adanya dislokasi akan menurunkan kekuatan logam. Dislokasi tersebut digerakkan oleh tegangan geser sehingga mencapai permukaan. Dislokasi yang mencapai permukaan tersebut dapat diartikan menimbulkan suatu deformasi, dalam skala mikroskopis. Berhubung jumlah dislokasi sangat banyak yakni lebih dari 1 juta unit per cm2, maka dislokasi yang mencapai permukaan tersebut menghasilkan tingkat deformasi yang besar, yang bisa diamati secara makro. Gerakan dislokasi yang menuju permukaan digambar secara skematis pada Gambar 4.6.

Gambar 4.6 Tahapan pergerakan dislokasi [1]Hubungan deformasi plastis dengan dislokasi yaitu :

Pemberian tegangan atau regangan pada material akan menggerakkan semua dislokasi sehingga mencapai batas butir. Makin banyak dislokasi yang sampai ke batas butir atau permukaan maka deformasi plastis yang diperoleh makin besar. Selama bergerak, dislokasidislokasi tersebut saling bertemu dan terjadi reaksi satu dislokasi dengan yang lainnya. Pertemuan dislokasi sejenis akan saling menghilangkan, dan pertemuan dislokasi sejenis menghasilkan dislokasi baru sehingga terjadi pelipatan dislokasi. Pelipatan dislokasi lebih dominan sehingga terjadi penumpukan dislokasi dalam butir. Tumpukan dislokasi menjadi penghalang gerakan dislokasi, dan sekaligus menjadi sumber munculnya dislokasi baru, sehingga kerapatan dislokasi akan bertambah pesat (dari kisaran 106-107 garis per cm2 dapat naik menjadi 108 sampai 1012 garis per cm2 tergantung besar regangan yang diberikan). Dengan naiknya kerapatan dislokasi, maka gerakan dislokasi selanjutnya akan lebih sulit, atau jumlah dislokasi yang bisa mencapai permukaan makin sedikit, artinya deformasi plastis yang diperoleh makin kecil. Ketika kerapatan dislokasi mencapai maksimum, dislokasi tak bisa lagi bergerak, dan dengan demikian deformasi tak terjadi lagi. Bila tegangan terus diberikan maka yang terjadi adalah pemutusan ikatan atom.Table of Contents

30Bab 4 Dislokasi dan Deformasi

304.1. Dislokasi

314.2 Deformasi

324.2.1 Deformasi dengan Slip

344.2.2 Deformasi dengan Twinning

354.3 Hubungan Antara Deformasi dengan Dislokasi

32