TUGAS MAKALAH

STRUKTUR KRISTAL LOGAM

Oleh :Heru Eko Pujianto

(10)

Imam Taufiq Amadona (11)

Jarma Yulianto

(12)

Muhammad Fakhrurrozi

(13)

ME - 1FPoliteknik Negeri Semarang

Tahun Ajaran 2014KATA PENGANTAR

Dengan memanjatkan puji dan syukur kepada Allah SWT, saya bisa menyelesaikan makalah tentang Struktur Kristal Logam untuk penyelesaian tugas dari mata kuliah Teknologi Bahan.

Saya mengucapkan terimakasih kepada semua yang telah membantu pembuatan makalah ini, sehingga makalah ini bisa selesai dan insya Allah bisa menjadi pegangan pada pengajaran mata kuliah Teknologi Bahan.

Walaupun makalah ini masih jauh dari kesempurnaan, maka dari itu saya berharap kepada Bapak Dosen untuk memberikan kritik dan saran untuk penyempurnaan makalah tentang Struktur Kristal Logam ini.

Sebagai penulis dari makalah ini saya berharap makalah ini bisa bermanfaat bagi kita semua. Akhirnya atas perhatian dari semua pihak, saya mengucapkan terima kasih.

Semarang ,25 November 2014

PenyusuniDAFTAR ISI

JUDUL

KATA PENGANTAR............................................................................................... i

DAFTAR ISI............................................................................................................. ii

BAB I PENDAHULUAN......................................................................................... 1

1.1 Latar belakang penulisan.......................................................................... 11.2 Rumusan masalah..................................................................................... 11.3 Tujuan penulisan....................................................................................... 1BAB II PEMBAHASAN2.1 Pengertian Struktur Kristal Logam.......................................................... 22.2 Macam-macam Struktur Kristal Logam................................................... 32.3 Kristal Sejati dan Ketidaksempurnaan..................................................... 10 2.4 Dasar-Dasar Kristalografi........................................................................ 12BAB III PENUTUP

3.1 Kesimpulan............................................................................................. 15

DAFTAR PUSTAKA

iiBAB 1 PENDAHULUAN1.1 Latar belakang Pokok bahasan ini akan membahas struktur kristal logam, macam-macam struktur kristal logam, kristal sejati dan ketidaksempurnaan serta dasar-dasar kristalografi. Setelah selesai mempelajari pokok bahasan ini diharapkan mampu untuk : a. Menjelaskan pengertian struktur kristal logam b. Menjelaskan macam-macam struktur kristal logam c. Menjelaskan kristal sejati dan ketidaksempurnaan d. Menjelaskan dasar-dasar kristalografi.

1.2 Rumusan masalah

1. Apa pengertian struktur kristal logam ?2. Apa saja macam-macam struktur kristal logam ?

3. Apa itu kristal sejati dan ketidaksempurnaan ?

4. Apa dasar-dasar kristalografi ?

1.3 Tujuan penulisanTujuan dibuatnya makalah ini yaitu untuk dapat memahami dan mengerti lebih jauh tentang : : a. Pengertian struktur kristal logam b. Macam-macam struktur kristal logam c. Kristal sejati dan ketidaksempurnaan d. Dasar-dasar kristalografi

1

BAB II PEMBAHASAN2.1 Pengertian Struktur Kristal LogamDalam usaha mengklasifikasikan material perlu ditentukan apakah material berbentuk kristalin ( logam paduan konvensional), non kristalin (gelas) atau campuran dari kedua jenis struktur tersebut. Perbedaan yang perlu diperhatikan antara struktur kristalin dan non kristalindapat dilakukan dengan menerapkan konsep tatanan. Susunan bahan padat tergantung pada susunan atom-atom, ion-ion atau molekul-molekul yang saling berikatan. Kristal adalah bahan padat yang atom-atomnya tersusun dalam satu pola yang berulang dalam tiga dimensi yang juga disebut sebagai padatan kristalin (Crystaline solid). Susunan atom-atom yang beraturan tersebut disebut struktur kristal. Keteraturan atau kekristalan suatu struktur tidak dapat dijumpai pada gas atau cairan. Diantara padatan, logam, keramik dan polimer dapat berupa kristalin ataupun kristalin tergantung pada proses pembuatannya atau parameter komposisinya. Sebagai contoh, logam jika didinginkan dari keadaan cairnya dengan kecepatan pendinginan yang sangat cepat akan terbentuk amorph (bukan kristal). Keteraturan susunan atom ini dapat digambarkan dengan menggunakan tiga sistem sumbu (x,y,z) seperti gambar 3.1.

Gambar 3.1 Strukrur Kristral dalam sistem sumbu X, Y, Z.2

Ada tiga cara pendekatan untuk mempelajari sifat-sifat logam, yaitu :

1. Menghitung sifat-sifat seperti konstanta elastik dan konsuktifitas listrik untuk logam

yang berbeda langsung dengan menggunakan hukum-hukum yang mengatur perilaku

elektron-elektron pada pada atom-atom logam dengan menggunakan teori kuantum.

2. Menggunakan prinsip parameter termodinamika seperti koefisien aktifitas dan energi

bebas yang sangat efektif untuk mengetahui sifat-sifat kimia logam dan hubungan antar fasa pada paduan logam.

3. Menggunakan prinsip struktur kristal dan menghubungkan sifat-sifat logam terhadap

karakteristik susunan ataom-atom penyusunnya.

apat divisualisasikan secara sederhana sebagai sebaran ion positif

yang terikat satu sama lain oleh elektron yang seolah-olah berfungsi sebagai perekat. Ion-ion positif yang saling tolak-menolak ini tertarik oleh perekat tersebut yang dikenal dengan istilah awan elektron. Struktur kristal yang umumnya terdapat pada logam murni adalah BCC (body centered cubic), FCC (face centered cubic) dan HCP ( hexagonal closed packed).Namun untuk logam paduan dan senyawa non logam struktur kristalnya sangat komplek. 2.2 Macam-macam Struktur Kristal Logam

1. Kubik Berpusat Badan (body centered cubic/BCC)

Gambar 3.2. di bawah menunjukkan sel satua dari BCC dan contoh logam yang mempunyai struktur kristal BCC antara lain Fe , Cr, Li, Mo, W, V. Dari gambar atomic site unit cell terlihat bahwa atom pusat dikelilingi oleh 8 atom terdekat dan dikatakan mempunyai bilangan koordinasi 8. Dari gambar isolated unit cell terlihat bahwa ada satu atom utuh terletak di tengah sel satuan dan 1/8 atom terdapat pada tiap-tiap sudut sel satuan, sehingga dalam satu sel satuan BCC terdapat 2 atom. Berdasarkan gambar di bawah dapat ditentukan jari-jari atomnya dengan menggunakan formula : (3 a = 4R atau a = 4R(3dari gambar hard sphere unit cell dimana sel satuan BCC digambarkan sebagai bola, faktor penumpukan atom (atomic facking factor) dapat dihitung dengan formula :

3dari hasil perhitungan diperoleh harga APF untuk sel satuan BCC adalah 68%, artinya 68%dari volume sel satuan BCC tersebut ditempati oleh atom-atom dan sisanya sebesar 32% merupakan tempat kosong. Jadi struktur kristal BCC bukan merupakan struktur yang padat.

Gambar 3.2 Struktur Kristal Kubik berpusat Badan (BCC) 42. Kubik Berpuast Muka (face centered cubic /FCC)

Gambar di bawah menunjukkan sel satuan dari FCC dan contoh logam yang mempunyai struktur kristal FCC antara lain Fe , Al, Cu, Ni, Pb. Dari gambar di bawah terlihat bahwa sel satuan FCC terdiri dari satu titik lattice pada setiap sudut dan satu titik lattice pada setiap sisi kubus. Setiap atom pada struktur kristal FCC dikelilingi oleh 12 atom, jadi bilangan koordinasinya adalah 12. Dari gambar di bawah hard sphere unit cell terlihat bahwa atom-atom dalam struktur kristal FCC tersusun dalam kondisi yang cukup padat. Ini terbukti dengan tingginya harga APF dari sel satuan FCC yaitu 74% dibandingkan denag APF sel satuan BCC. Sel satuan FCC mempunyai 8 x 1/8 (pada sudut kubus) + 6 x ( pada pusat sisi kubut) = 4 atom per sel satuan. Hubungan antara panjang sisi kubus a, dengan jari-jari R dapat ditentukan dengan menggunkan formula :

5

Gambar 3.3 Struktur Kristal Kubik berpusat Muka (FCC)

3. Hexagonal closed packed (HCP) Gambar di bawah menunjukkan sel satuan dari HCP dan contoh logam yang mempunyai struktur kristal HCP antara lain Cd, Co, Mg, Ti, Zn, Zr. Setiap atom pada struktur kristal HCP dikelilingi oleh 12 atom, sama dengan FCC mempunyai bilangan koordinasinya adalah 12. Dari gambar di bawah hard sphere unit cell terlihat bahwa atom-atom dalam struktur kristal HCP tersusun dalam kondisi yang cukup padat.Ini terbukti dengan tingginya harga APF dari sel satuan HCP yaitu 74% . Sel satuan HCP mempunyai 6 atom per sel satuan, yaitu 2 x 6 x 1/6 ( pada sudut lapisan bawah dan atas + 2x ( pada pusat lapisan bawah dan atas) + 3 (lapisan tengah). 6

Gambar 3.4 Struktur Sel Satuan Hexagonal Close-PackedContoh soal

1. Tentukan volume packing fraction (VPF) dan estimasi kerapatan dari (a) molybdinum , (b) Emas, (c) Cobalt dan (d0 Silikon

(a). Molybdinum struktrur kristalnya berbentuk BCC mempunyai dua atom dengan jarak antar atom a = 3,140 A( dan berat atom = 95,94 gr/mol sehingga

Estimasi kerapatan dari molybdinum7

b. Emas struktrur kristalnya berbentuk FCC mempunyai empat atom dengan jarak antar atom a = 4,0729 A( dan berat atom = 196,97 gr/mol sehingga

Estimasi kerapatan dari molybdinum

8

(C). Cobalt struktrur kristalnya berbentuk HCP mempunyai dua atom dengan jarak antar atom a = 2,50 A( , C = a = 4.0825 A(dan berat atom = 58,93 gr/mol sehingga

Estimasi kerapatan dari molybdinum

(D). Silikon adalan kubin diamon mempunyai 8 atom dalam satu unit sel dengan jarak antar atom a = 5,404 A(dan berat atom = 28,085 gr/mol sehingga

92.3 Kristal Sejati dan KetidaksempurnaanDalam mengembangkan pemahaman kita tentang logam, kita telah berangapan bahwa kisi kristal logam terbentuk dari tatanan atom-atom yang sempurna dan beraturan. Teori zona, yang dibahas berpijak pada pandangan tentang kristal ideal, meskipun kita menyadari bahwa kristal sejati (kristal dalam kenyataan sehari-hari) tidak pernah demikian sempurna. Struktur dasar krstal logam sejati memang beraturan, namun distorsi kisi serta ketidaksempurnaan tertentu lain memang ada. Salah satu penyebab ketidakteraturan itu adalah karena atom-atom

tidak pernah diam melainkan bergetar disekitar kedudukan purata dalam kisi, dengan frekuensi yang ditentukan oleh gaya antaratom dan dengan amplitudo yang bergantung pada temperatur kristal. Panas jenis (specifi heat) logam terjadi karena adanya efek ini. Komplikasi yang kedua adalah adanya kristal mungkin mengandung atom-atom asing, baik disengaja seperti pada unsur paduan (alloy) atau tidak disengaja disebut takmurnian (impurities), yang karena berbeda ukuran atomknya menyebabkan distorsi-distorsi local pada kisi pelarut (solvent) bersangkutan. Atom-atom terlarut (solvent) itu mungkin tersebar secara acak dalam kristal seperti pada Gambar 3.5(a) dan (b), yakni bila dijumlah pada larutan padat (solid solution), atau mungkin mengumpal dengan sesama membentuk partikel-partikel fase kedua

(Gambar 3.5(c)).

Gambar 3.5 Diagram skematik (a) larutan padat substitusional, (b) larutan padat interstisial, (c) campuran fase, (d) dislokasi, (e) pasangan kosong-interstisial 10Disamping akibat adanya atom-atom asing, ketidakmurnian lain adalah yang umumnya digolongkan sebagai ketidasempurnaan atau cacat kisi. Ketidaksempurnaan ini mungkin berupa (i) cacat volume, misalnya karena adanya retakan atau rongga; (ii) cacat garis, misalnya karena adanya dislokasi; atau (iii) cacat titik, misalnya karena adanya kedudukan kisi yang kosong dan adanya atom intertisi. Salah susun (stacking fault) timbul karena pada pendekatan pertama secara elektrostatik sedikit sekali pilihan yang dapat diambil dari urutan menurut bidang susunan rapat dalam logam f.c.c. ABCABC dan menurut bidang susunan rapat dalam logam c.p.h ABABAB Jadi pada logam seperti tembaga atau emas, atom-atom disebagian dari salah satu lapisan susunan rapat mungkin masuk ke posisi yang salah dalam hubungan dengan atom-atom di lapisan sebelah atas serta di sebelah bawahnya, sehingga terjadilah salah susun yang dimaksudkan (misalnya, ABCBCABC). Susunan demikian sesungguhnya stabil, namun karena harus ada usaha khusus untuk membuatnya dengan sengaja, kondisi salah susun lebih sring dijumpai pada logam yang diubah bentuknya ketimbang pada logam yang dianil. Dislokasi juga ditemukan pada kristal sejati. Ketidaksempurnaan ini berpengaruh sekali terhadap sifat-sifat kristal yang erat kaitannya dengan struktur, misalnya kekuatan ulur (yield strength), kekerasan, dan sebagainnya, dan diketahuio bahwa menurut perhitungan kekuatan ulur serta kekuatan patah (breaking strength) kristal ideal sekitar 100 hingga 10.000 kali lebih besar ketimbang pada kristal sejati. Ini karena dislokasi baris menyebabkan banyak diameter atomic pada kisi menjadi lebih panjang, seperti tampak pada Gambar 1.8(d); akibatnya bagian ini menjadi bagian yang lemah. Cacat titik juga berpangaruh terhadap sifat mekanik, akan tetapi lebih besar lagi pengaruhnya terhadap gejala sepeti difusi, misalnya, yang melibatkan gerak tiap atom secara sendiri-sendiri didalam kristal. Diagram skematik untuk kisi, yang tampak pada Gambar 1.8(e), mengambarkan baik danya kedudukan kosong pada kisi, yang pada kristal sempurna seharusnya menmpati rongga diantara atom-atom normal. Dengan mudah kita bergerak disbanding atom-atom lain.Guna melengkapi gambaran kita tentang logam, perlu ditekankan bahwa sepotong logam yang dijumpai sehari-hari bukan terbentuk dari sebuah kristal tunggal berukuran besar, melainkan terdiri atas kristal-kristal kecilsaling taut yang banyak sekali (disebut polycrystalline). Dalam keseluruhan massa logam, tiap kristal atau butir dibatasi dari sesamanya oleh suatu permukaan tiga dimensi yang disebut batas butir (grain boundary) yang bentuknya tidak ada hubungan dengan tatanan atom dalam kristal. Orientasi poros krstal dalam suatu butir biasanya brbeda dari orientasi butir lain, yang seringkali antara 30( dan 40(, sehingga batas butir boleh dibayangkan sebagai suatu daerah sempit (sekitar dua kali tebal atom). Lewat dari batas itu orientasi kisi butir yang satu berbeda dari yang lain.

Karena cacat kisi (yaitu, adanya atom terlarut, adanya kedudukan kosong, dan adanya dislokasi) dapat didistribusikan ke seluruh logam dengan berbagai cara yang beragam, fisika logam bias menjadi bidang pengkajian yang sangat menarik.11

2.4 Dasar-Dasar KristalografiSering sekali perlu mengacu ke bidang dan arah tertentu dalam suatu kisi kristal, misalnya untuk menyatakan bahwa pengedepan (presipitasi) terjadi pada bidang-bidang sejajar dengan sisi kubus, atau bahwa suatu logam memiliki bagian paling lunak pada arah sejajar dengan diagonal kubus. Agar sedehana, pernyataan-prenyataan seperti di atas diungkapkan dalm notasi yang disebut system indeks Miller. Dalam sistem itu dipilih tiga sumbu: X, Y, dan Z, yang masing-masing sejajar dengan ketiga rusuk sel kristal. Untuk menetapkan suatu bidang kristal kita perlu menentukan perpotongannya dengan ketiga sumbu X, Y, dan Z, kemudian mengambil kebalikannya (reciprocal/invers) dan menyamakan penyebutya.

Bentuk kebalikan perpotongan itu aka menjadi h/n, k/n, l/n, sehigga bila bilangan bulat hkl ditulis dalam kurung aka menyatakan indeks Miller untuk bidang bersangkutan (h, k, l).Gamabar 3.6 menampilkan beberapa bidang penting dalam syitem kubus untuk menjelaskan metode di atas. Bidang yang tampak dalam Gambar 3.6(a) membuat perpotongan dengan sumbu-sumbu X, Y, dan Z, masing-masing seharga panjang satu sel, yaitu, 1, 1, 1. Kelebihan harga-harga itu tetap 1, 1, 1 atau , , ,11, 11, 11 dan karena penyebut ketiga harga itu sudah sama maka bidang tadi dinyatakan dengan (111). Gambar 3.6b) memperlihatkan sebuah bidang yang memotong sumbu-sumbu X, Y, dan Z di titik-titik 1, 1, dan (tak terhingga). Kebalikan perpotongan bidang itu adalah 1, 1, dan 0, karena itu disebut bidang (110). Contoh terakhir, Gambar 3.6c), memperlihatkan sebuah bidang yang harga-harga perpotongannya adalah , , , ,1/2, 1/3, dan 1. Kebalikan harga-harga tersebut adalah 2, -3, dan 1 sehingga notasi untuk bidang itu adalah (23 1).

Gambar 3.6 Indikasi Miller mengenai bidang dalam kristal kubik, (a) (111), (b) (110), (c) (231)12Indeks (123), misalnya, atau lebih umum (hkl), bukan hanya mengambarkan bidang dengan harga-harga h, k, dan l yang telah ditentukan, melainkan semua himpunan bidang yang sejajar dengan bidang tersebut. Sering kita harus mendefinisikan semua bidang yang tipe kristalografiknya tertentu, misalnya semua sisi kubus, bukan hanya yang sejajar dengan (100) dan ini dinyatakan dengan indeks yang sama tetapi mengunakan kurung berbeda. Jadi himpunan semua sisi kubus dinyatakan dengan {100}, yang isinya meliputi bidang-bidang (100), (100), (010), (010), (001), dan (001).

Untuk mendefinisikan arah kita harus menarik sebuah garis melalui titik pusat sejajar dengan arah yang belum diketahui, kemudian menentukan koordinat salah satu titik pada garis tadi dengan rusuk sel sebagai satuan panjang. Koordinat yang didapat dengan cara ini selanjutnya dibulatkan, dan untuk membedakannya dari

indeks yang dimaksudkan untuk bidang, indeks arah ditulis di dalam kurung persegi. Sebagai contoh, bila koordinat tersebut adalah X = a, Y = -2b, Z = c/3, maka notasi untuk arah garis adalah [361]. Untuk sistem kubus, penentuan indeks arah masih mudah, karena ternyata arah yang didefinisikan seperti di atas memiliki indeks sama dengan bidang tegak lurusnya. Jadi, sumbu X yang tegak lurus bidang (100) mempunyai arah [100], sementara arah yang sejajar dengan diagonal kubus adalah arah [111]. Untuk menunjukan himpunan semua arah bertipe kristalografik sama, lagi-lagi kita mengunakan bentuk kurung yang berbeda. Dalam hal ini 100 menyatakan himpunan semua rusuk kubus, yang meliputi garis-garis dengan arah [100], [010], [001], [100], [010], dan [001].

Dalam system kristal lain misalnya tetragonal atau orthorombus, notasi indeks Miller juga digunakan, namun dalam kristal heksagonal notasi itu perlu dimodifikasi. Dalam notasi Miller-Bravais kita mengunakan empat sumbu, tiga di antaranya(X, Y, dan U) saling membentuk sudut 120( sepanjang arah-arah susunan rapat pada bidang basal, sementara sumbu keempat (Z) adalah sumbuh tegak lurus. Perpotongan sebuah bidang dengan sumbu-sumbu itu ditentukan seperti cara terdahulu, dan notasi untuk indeks Miller-Bravais adalah (hkil). Gambar 3.6 memperlihatkan beberapa bidang utama kristal heksagonal. Sekarang coba jabarkan bidang yang ditampilkan pada Gambar 3.6(c). Titik-titik potong dengan sumbu-sumbu X, Y, U, dan Z di situ berturut-turut adalah 1, 1, - 2, 1 dan 1, sehingga kebalikan masing-masing adalah 1, 1, -2, dan 1, jadi indeks Miller-Bravais untuk menyatakan bidang ini adalah (11 2 1). Dari contoh ini kita dapat melihat bahwa (h + k + i) sama dengan nol. Dan ini merupakan cirri umum sistem kristal heksagonal.

Untuk arah-arah kristalografik dalam sistem heksagonal boleh digunakan tiga atau empat sumbu. Arah d3 yang dijabarkan dengan sistem tiga sumbu atau sistem Miller mempunyai indeks U, V, W sedemikian sehingga d3 = Ua1 + Va2 + Wc

13

Jadi arah susunan rapat pada bidang basal adalah [100], [110] dan [010]. Arah d4 yang dijabarkan dengan system empat sumbu memiliki indeks u, v, t, w sedemikian sehingga d4 = ua1 + va2 + ta3 + wcGambar 3.7 Indikasi Miller-Bravais mengenai bidang dalam kristal heksagonal, (a) bidang dasar {100}, (b) bidang prisma {1010}, dan (c) bidang pyramid {1121}Jika kondisi ditentukan sedemikian sehingga u + v + t = 0, maka secara kristalografik arah-arah yang sama akan mempunyai indeks sama pula, sebagai contoh arah-arah susunan rapat akan menjadi [2110], [11 2 0] dan [ 0 1 2 1 ]. Indeks-indeks Miller untuk arah tidak dapat dikonversikan ke indeks-indeks Millere-Bravias dengan hanya menyisipkan indeks t sehingga t = -(u + v), namun harus mengunakan persamaan-persamaan

Sistem Miller-Bravais untuk notasi bidang-bidang dan arah-arah kristalografik memiliki kelebihan disbanding sistem tiga indeks, karena bidang-bidang dan arah-arah yang sma memiliki indeks-indeks yang sama pula.14BAB III PENUTUP

3.1 Kesimpulan

Dalam pembuatan makalah tentang struktur kristal logam ini, penulis menyimpulkan bahwa:

Secara umum dalam dunia pendidikan terutama bagi mereka yang mengambil jurusan teknik mesin. Dalam pemaparannya, ilmu logam sangat penting untuk mengetahui tentang struktur kristal logam. Juga untuk mengetahui macam-macam kristal sejati dan ketidaksempurnaan serta dasar-dasar kristalografi.

15

DAFTAR PUSTAKA

1. Mangonon. P.L, 1999 . The Principles of materials Selection for Engineering Design, Printice-Hall International,Inc. Hal- 29 -81.

2. Smallman R.E. dan R.J. Bishop,1999. Metalurgi Fisik Moderen dan Rekayasa Material Erlangga. Jakarta.

3. Mulyadi shaleh,Irfan, Amd. Pengetahuan Dasar Teknik Mesin.Martapura.2008.