Woro Sekar Sari

Material Teknik

Tugas PaperKRISTAL DAN CACAT KRISTAL

A. KRISTALDefinisi dari kristal adalah bahan yang terdiri dari unit terstruktur yang identik, tersusun dari satu atau lebih atom yang teratur dan berulang secara periodik dalam tiga dimensi. Keteraturan ini berlanjut sampai ratusan molekul. Ditinjau dari struktur atom penyusunnya, bahan padat dibedakan menjadi tiga yaitu Kristal tunggal (monocrystal), polikristal (polycrystal), dan amorf. Pada kristal tunggal, atom atau penyusunnya mempunyai struktur tetap karena atom-atom atau molekul-molekul penyusunnya tersusun secara teratur dalam pola tiga dimensi dan pola-pola ini berulang secara periodic dalam rentang yang panjang tak berhingga. Polikristal dapat didefinisikan sebagai kumpulan dari kristal-kristal tunggal yang memiliki ukuran sangat kecil dan saling menumpuk yang membentuk benda padat. Struktur amorf menyerupai pola hampir sama dengan kristal, akan tetapi pola susunan atom-atom, ion-ion atau molekul-molekul yang dimiliki tidak teratur dengan jangka yang pendek.Kristal terbentuk dari komposisi atom-atom, ion-ion atau molekul-molekul zat padat yang memiliki susunan berulang dan jarak yang teratur dalam tiga dimensi. Pada hubungan lokal yang teratur, suatu kristal harus memiliki rentang yang panjang pada koordinasi atom-atom atau ion dalam pola tiga dimensi sehingga menghasilkan rentang yang panjang sebagai karakteristik dari bentuk kristal tersebut.

B. STRUKTUR KRISTALSusunan khas atom-atom dalam kristal disebut struktur kristal. Bangunan terkecil dari Kristal disebut basis kemudian susunan yang periodik dideskripsikan dengan latis.

Latis adalah susunan tiga dimensi dari titik (titik latis) yang identik dengan sekelilingnya. Sebuah unit sel adalah bagian terkecil dari latis.C. KETIDAKMURNIAN DAN CACAT KRISTALKetidakmurnian KristalMekanisme ketidakmurnian kristal terdiri dari :

1. Ketidakmurnian dalam bahan padat

Mekanisme pembentukan ketidakmurnian dalam bahan padat diakibatkan karena terdapatnya atom yang tidak sejenis dalam bahan padat dengan konsentrasi tertentu. Tujuan dilakukan ketidakmurnian suatu bahan adalah untuk memperbaiki sifat mekanik bahan. Contohnya : seng dipadukan dengan tembaga akan menghasilkan logam kuningan yang memiliki sifat mekanik yang lebih baik dari tembaga murni.

2. Larutan padat dalam logamLarutan padat mudah terbentuk bila pelarut dan atom yang larut memiliki ukuran yang sama dan struktur elektron yang serupa.

3. Larutan padat subsitusi

terjadi bila atom lain menggantikan atom penyusun bahan dengan syarat ukuran atomnya sama supaya struktur kristalnya tidak berubah.

4. Larutan padat interstisi

terjadi bila ukuran atom asing dengan atom penyusun bahan berbeda, ukuran atom asing lebih kecil dari atom penyusun bahan sehingga akan terjadi penyisipan atom asing kedalam kisi bahan.

5. Larutan padat dalam senyawa

Cacat KristalKarena untuk membentuk satu Kristal diperlukan berjuta-juta atom, maka tidak mengherankan jika terdapat cacat atau ketidakteraturan dalam kristal. Cacat-cacat inilah yang menentukan sifat bahan secara keseluruhan. Kehadiran cacat Kristal yang sedikit memiliki pengaruh yang sangat besar dalam menentukan sifat suatu bahan dan pengaturan cacat sangat penting dalam pemrosesan bahan.Terdapat beberapa jenis cacat Kristal pada susunan atom dalam Kristal:

1. Cacat Titik

Selalu terdapat cacat dalam suatu Kristal, dan yang paling sering dijumpai adalah cacat titik. Hal ini terutama ketika temperature Kristal cukup tinggi dimana atom-atom bergetar dengan frekuensi tertentu dan secara acak dapat meninggalkan kisi, lokasi kisi yang ditinggalkan disebut vacancy atau kekosongan. Dalam kebanyakan kasus difusi atau transportasi massa oleh gerak atom juga dapat disebabkan oleh kekosongan.

Terdapat pula kekosongan ion (cacat Schottky), yang terjadi pada senyawa yang harus mempunyai keseimbangan muatan. Cacat ini mencakup kekosongan ion dengan muatan berlawanan.

Jenis cacat yang lainnya yaitu sisipan (intersisial) dan cacat Frenkel. Sisipan terjadi jika ada atom lain yang masuk ke dalam struktur kristal. Cacat Frenkel terjadi jika ion berpindah dari kisinya ke tempat sisipan (Van Vlack, 1989: 123-124).

Gambar Berbagai macam cacat titik. a) Vacancy, b) Cacat Schottky, c) Intersisi, dan d) cacat Frenkel

2. Cacat Garis

Cacat garis disebut juga dislokasi. Cacat garis terjadi karena ada ketimpangan dalam orientasi bagian-bagian yang berdekatan dalam kristal yang tumbuh sehingga ada suatu deretan atom tambahan ataupun deretan yang kurang. Dislokasi mudah terjadi sewaktu deformasi.

Ada dua macam cacat garis/dislokasi, yaitu dislokasi garis dan dislokasi ulir. Dislokasi garis dapat digambarkan sebagai sisipan satu bidang atom tambahan dalam struktur kristal. Disekitar dislokasi garis terdapat daerah yang mengalami tekanan dan tegangan, sehingga terdapat energi tambahan sepanjang dislokasi tersebut. Sedangkan dislokasi ulir menyerupai spiral dengan garis cacat sepanjang sumbu ulir. Vektor gesernya sejajar dengan garis cacat. Atom-atom disekitar dislokasi ulir mengalami gaya geser, oleh karena itu terdapat energi tambahan disekitar dislokasi tersebut.

3. Cacat Volume

Cacat yang menempati volume dalam kristal berbentuk void, gelembung gas, dan rongga. Cacat ini dapat terjadi akibat perlakuan pemanasan, iradiasi atau deformasi, dan sebagian besar energinya berasal dari energi permukaan (1-3 J/m2) (Arthur Beiser, 1992: 361).

Iradiasi menghasilkan intersisi dan kekosongan melebihi konsentrasi keseimbangan. Keduanya bergabung membentuk loop dislokasi, dan akhirnya loop intersisi kemudian membentuk struktur dislokasi.

Loop intersisi merupakan cacat intrinsik stabil, sedangkan loop kekosongan merupakan cacat tidak stabil. Loop yang terbentuk dari penggabungan antara kekosongan dan intersisi akan menimbulkan penyusutan ketika intersisi menghilang.

Ada dua faktor penting yang menunjang pembentukan void, yaitu:

Derajat bias kerapatan dislokasi (hasil penumbuhan loop dislokasi) terhadap penarikan intersisi, yang mengurangi kandungan intersisi dibandingkan kekosongan.

Peran penting gas pada nukleasi void, baik gas permukan aktif seperti oksigen, nitrogen, dan hidrogen yang seringkali hadir sebagai pengotor residual, dan gas inert seperti helium yang terbentuk secara kontinu selama iradiasi.

4. Cacat Bidang

Pada bahan polikristal, zat padat tersusun oleh kristal-kristal kecil yang disebut butir (grain). Pada setiap butir atom tersusun pada arah tertentu. Pada daerah antar butir terjadi perbedaan arah keteraturan atom dan ini menimbulkan cacat pada daerah batas butir, sehingga disebut cacat batas butir.

Karena batas butir berpengaruh atas bahan dalam berbagai hal, perlu diketahui besar daerah batas butir per satuan volum (SV). Besarnya dapat dihitung dengan mudah dengan menarik suatu garis pada gambar struktur mikro. Garis ini akan memotong lebih banyak batas butir pada bahan berbutir halus dibandingkan dengan bahan berbutir kasar. Hubungannya adalah SV = 2 PL., dimana PL merupakan jumlah titik potong antara garis dengan panjang satuan dan batas butir. Hubungan tersebut diatas tidak akan dibuktikan disini, akan tetapi kebenarannya dapat dilihat pada Gambar

Gambar. Untuk menghitung daerah batas butir

Twin Boundaries

Twin boundaries atau batas kembar merupakan jenis khusus dari grain boundaries dimana terdapat cermin kisi yang simetri. Atom dalam satu sisi batas ditempatkan sebagai cermin atom pada sisi yang lainnya. Daerah diantara dua sisi tersebut terbentuk bidang twin. Batas kembar dihasilkan dari perpindahan atom yang diproduksi oleh gaya mekanik yang dikerjakan pada bahan (mechanic twin) dan juga terbentuk selama proses annealing panas yang mengikuti deformasi (annealing twins). Perkembaran terjadi pada bidang Kristal tertentu dan arah tertentu juga dan keduannya tergantung pada struktur Kristal. Annealing twin adalah tipe yang ditemukan dalam metal yang berstruktur FCC dan mechanic twin dapat di observasi pada logam berstruktur BCC dan HCP.

grain boundariesGambar. Cacat twin boundaries