r DISLOKASI DAN MEKANISME PENGUATAN

TIN107 - Material Teknik #3 - Dislokasi dan Mekanisme Penguatan

6623 - Taufiqur Rachman 1

66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

nh t t p : / / t a u f i q u r r a c h m a n . w e b l o g . e s a u n g g u l . a c . i d

DISLOKASI DANMEKANISMEPENGUATAN

TIN107 – Material TeknikMateri #3

1TIN107 - Material Teknik

h t t p : / / t a u f i q u r r a c h m a n . w e b l o g . e s a u n g g u l . a c . i d

66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

n

Dislokasi

Materi #3TIN107 - Material Teknik

2

Logam terdiri dari kristal yang merupakan susunan atom

yang beraturan

Dalam kristal terdapat cacat kisi yang dinamakan dislokasi

Pergerakan dislokasi ke permukaan akan menjadi

deformasi

Suatu kristal logam tanpa dislokasi akan berkekuatan

10.000 kali kekuatan sesungguhnya

Kristal logam biasa mengandung 105~108 cm/cm3

dislokasi

Pemberian deformasi plastis atau pengerjaan dingin akan

meningkatkan dislokasi




66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

nMekanisme Deformasi (Logam)


3

Kekuatan teoritis dari kristal yang sempurna jauhlebih tinggi dari pada yang sebenarnya diukur.

Perbedaan dalam kekuatan mekanis dapatdijelaskan oleh dislokasi.

Pada skala makroskopik, deformasi plastisberhubungan dengan gerakan sejumlah besar atomsebagai respons terhadap tekanan yang diberikan.

Ikatan yg ada dalam atom pecah dan melakukanreformasi.


66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

n

Dislokasi Tepi dan Dislokasi Ulir


4

Pada Edge Dislocation (dislokasi tepi),penyimpangan kisi lokal terjadi disekitar akhirextra half-plane (setengah bidang tambahan)dari atom.

Screw Dislocation (dislokasi ulir) dihasilkan daripenyimpangan geser.

Banyak dislokasi dalam material kristalin(crystalline) memiliki keduanya (komponenedge dan screw), yang disebut Mixed Dislocation(dislokasi campuran).




66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

nEdge Dislocation (Dislokasi Tepi)

Garis dislokasi tepi:searah dengan bidang

Atom di atas garisdislokasi berada dalamkompresi (tekanan), danyang di bawah dalamtegangan.

Materi #3

5

TIN107 - Material Teknik

Extra half-plane (tambahan setengah bidang) dari atom

Sumber:A. G. Guy, Essentials of Materials Sciences

Simbol


66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

n

Screw Dislocation (Dislokasi Ulir)

Materi #3

6


Dislokasi ulir (screw dislocation) dalam sebuah

kristal

Tampak atas dislokasi ulir (screw dislocation), AB

adalah garis dislokasi ulir

Simbol

Sumber: W. T. Read, Jr., Dislocations in Crystal




66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

nGerak Dislokasi

Secara bertahap memecahkan ikatan.

Jika dislokasi tidak bergerak, deformasi tidakakan terjadi, namun retakan (fracture) akanseperti keramik.

Materi #3

7


Gambaran persamaan antara ulat dan gerak dislokasi


66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

n

Penggolongan Dislokasi & Material

Metals (Logam):

Logam: gerak dislokasi lebih mudah

Tidak ada arah ikatan

Arah tumpukan-padat untuk slip.

Materi #3

8


Ion Cores (Inti Ion)Electron Cloud (Awan Elektron)




66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

nPenggolongan Dislokasi & Material

Covalent Ceramics (Si, Diamond):

Sulit bergerak.

Arah ikatan angular/membentuk sudut.

Materi #3

9



66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

n

Penggolongan Dislokasi & Material

Ionic Ceramics (NaCl):

Sulit bergerak.

Perlu untuk menghindari ++ dan – salingberdekatan.

Materi #3

10





66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

nDensity (Kepadatan) Dislokasi


11

Total panjang dislokasi per satuan volume material

Atau, jumlah dislokasi yang bersinggungan dengan satuanluas sebuah bagian secara acak

Umumnya menentukan kekuatan material

Metals (dipadatkan) : 103 mm-2

Metals (dideformasi/berubah bentuk) : 109-1010 mm-2

Metals (dipanaskan) : 105-106 mm-2

Keramik : 102-104 mm-2

Silikon kristal tunggan untuk ICs : 0.1-1 mm-2


66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

n

Daerah Bidang Regangan

Edge dislocation(disloksai tepi): kompresi/tekanan (di atas garis dislokasi) & tegangan (di bawah garis dislokasi)

Screw dislocation(dislokasi ulir): pergeseran

Bidang tekanan & regangan menurun dengan jarak radial dari garis dislokasi

Materi #3

12


Sumber:W. G. Moffat, G. W. Pearsall, dan J. Wulff, The Structure and Properties of Materials




66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

nInteraksi Dislokasi

Materi #3

13


Bidang regangan dari satu dislokasi dapat mempengaruhi dislokasi sekitarnya.

Dua dislokasi yang serupa dapat saling tolak.

Dislokasi yang berbeda dapat saling menarik dan memusnahkan satu sama lain.


66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

n

Sistem Slip


14

Dislokasi tidak bergerak dengan tingkat kemudahanyang sama pada semua bidang dan arahkristalografi.

Ada bidang yang lebih disukai (bidang slip) danarah yang diinginkan (arah slip).

Bidang slip adalah bidang dengan kepadatan planaryang lebih tinggi dari atom, dan arah slip adalahgaris linier dengan kepadatan yang tinggi.

Sistem slip: kombinasi dari bidang slip and arahslip.




66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

nSistem Slip – Contoh FCC

Materi #3

15


Bidang Slip {111}:

Balutan atom yang padat,

Slip Direction ‹110›:

Kepadatan linier tertinggi,


66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

n

Slip Dalam Kristal Tunggal

Materi #3

16


Kristal tunggal mudah untuk

dikondisikan, dapat digeneralisasi

menjadi polycrystal.

Terlepas dari jenis tekanan yang

diberikan pada material, deformasi

plastis atau gerak dislokasi terjadi

karena tegangan geser.

Beberapa komponen tekanan yang

diberikan merupakan tegangan

geser pada sepanjang bidang slip

dan arah slip.

Komponen ini disebut penyelesaian

(resolved) tegangan geser




66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

n

σcosλcosυ=A/cosυ

Fcosλ=τR

Resolved (Penyelesaian) Tegangan Geser (R)


17

slip plane

normal, ns

ns

AAs


66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

n

Critical Resolved Shear Stress (CRSS)

Kondisi untuk gerak dislokasi: R > CRSS

Orientasi kristal dapat membuat gerak dislokasimenjadi mudah atau sulit.

R = cos λ cos f

Kemungkinan maksimum:

R = /2

sehingga

y = 2CRSS

Materi #3

18





66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

nContoh BCC

Slip system: {110}<111>

𝜙 = 45° dan 𝜆 = tan-1(a2/a) = 54.7°

𝜏 atau 𝜎 dapat dihitung jika salah satu dari 𝜙 atau 𝜆 telahdiketahui

Materi #3

19



66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

n

Sumber: Callister6e

Gerak Dislokasi Polycrystals

Bidang dan arah slip (𝜆, 𝜙) berubah darisatu kristal ke kristal lain.

𝜏R akan bervariasi dari satu kristal dengankristal lain.

Pertama kristal dengan 𝜏R yields tertinggi.

Kemudian kristal lainnya yang yield kurangbaik.

Material Polycrystalline umumnya lebihkuat dibanding kristal tunggal, karenakendala geometris dan kebutuhan tekananyield yang lebih besar.

Materi #3

20


300 mm




66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

nMeknisme Penguatan


21

Deformasi plastis makroskopik berhubungan dengan gerakansejumlah besar dislokasi.

Kemampuan logam untuk berubah bentuk secaraplastis tergantung pada kemampuan gerak dislokasi.

Hampir semua teknik penguatan mengandalkan padamembatasi atau menghalangi gerak dislokasi.

Terdapat 4 mekanisme, antara lain:

Reduce grain size (mengurangi ukuran butir)

Solid-solution strengthening (penguatan larutan padat)

Precipitation strengthening (penguatan pengendapan)

Strain hardening or cold working (pengerasan regangan ataupengerjaan dingin)


66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

n

21yoyield dkσσ

Sumber:Callister, A Textbook of Materials Technology

Strategi Penguatan: Reduce Grain Size

Batas butir merupakan hambatan untuk slip.

Dislokasi telah mengubah arah.

Daerah batas butir yang tidak teratur,menyebabkan ketidaksinambungandalam bidang slip.

Kekuatan hambatan bertambah dengan miss-orientation (salah arah).

Lebih kecil ukuran butir: lebih banyak hambatan untuk slip.

Persamaan Hall-Petch:

Materi #3

22





66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

n

2/1yoyield dkσσ

Contoh Penguatan Grain Size

Ukuran butir (grain size) dikendalikan oleh perlakuan panas (misalnya: laju pendinginan selama pemadatan, pendinginan/ annealing)

Materi #3

23



66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

n

Anisotropy dalam yield

Isotropik

Butir kurang lebih berbentuk bola & berorientasi secara acak.

Anisotropic

Karena proses rolling berpengaruh terhadap orientasi butir & bentuk.

Materi #3

24


Sebelum di rolling Setelah di rolling

Dapat disebabkan dengan me-rolling logam polycrystalline

Arah rolling




66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

n

• Atom Impurity mengetarkan kisi & menghasilkan tekanan.

• Tekanan dapat menghasilkan penghalang untuk gerak dislokasi.

• Substitusi atom impurity yang lebih kecil

• Substitusi atom impurity yang lebih besar

Atom impurity menghasilkan pergeseran lokal di A dan B yang melawan gerak dislokasi ke kanan.

Strateg Penguatan 2: Solid-solution


25

Atom impurity menghasilkan pergeseran lokal di C dan D yang melawan gerak dislokasi ke kanan.


66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

n

Penguatan Solid-Solution


26

Atom impurity tertarik dislokasi sehingga dapat mengurangi energiregangan secara keseluruhan, yaitu untuk membatalkan sebagianregangan dalam kisi di sekitar dislokasi.

Jika dislokasi ingin bergerak, ia harus melepaskan dirinya dari atomimpurity yang membutuhkan energi.

Atom impurity yang lebih kecildi atas garis dislokasi

Atom impurity yang lebih besar di bawah garis dislokasi




66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

nContoh Penguatan Solid-solution


27

Pengaruh Nikel (zat terlarut) pada Copper

(a) Kekuatan tarik,(b) Kekuatan yield, dan

(c) Keuletan (% elongation -pemanjangan).


66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

n

Strategi Penguatan 3: Precipitation

Materi #3

28


Pengendapan yang keras sulit untuk di geser.

Contoh: Keramik dalam logam (SiC dalam Besi ataualumunium).

Hasilnya:S

1~y




66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

nAplikasi Penguatan Precipitation

Materi #3

29


Struktur sayapBoeing 767

Aluminium diperkuat dengan pembentukan endapan (precipitation) oleh paduan

1.5mm


66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

n

100xA

AACW%

o

do Ao Ad

force

die

blank

force

Forging

Strategi Penguatan 4: Cold Work (%CW)


30

Deformasi suhu ruang. Umumnya operasi pembentukan mengubah luas penampang.

Rolling

Extrusion

tensile force

Ao

Addie

die

Drawing




66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

nDislokasi Selama Cold Work

Dislokasi melibatkan satusama lain selama coldwork.

Dislokasi gerak menjadilebih sulit.

Materi #3

31


Paduan Ti setelah cold working:


66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

n

Atau

Hasil Cold Work

Materi #3

32


Kepadatan dislokasi (ρd) berubah naik menjadi:

Sampel Carefully prepared: ρd ~ 103 mm/mm3

Sampel Heavily deformed: ρd ~ 1010 mm/mm3

• Cara mengukur kepadatan dislokasi:

d N

A

Area, A

N dislocation pits (revealed by etching)

dislocation pit

40mm




66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

nHasil Cold Work

Tekanan yield meningkat sejalan denganpeningkatan ρd :

Materi #3

33



66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

n

Dislocation Trapping

Dislokasi menghasilkan tekanan.

Ini merupakan perangkap untuk dislokasi lain.

Materi #3

34





66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

nDampak Cold Work

Meningkatkan tekanan yield.

Kekuatan tarik (tensile strength/TS meningkat.

Keuletan (%EL or %AR) berkurang secara drastis.

Materi #3

35



66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

n

Analisa Cold Work

Berapa kekuatan tarik & keuletansetelah bekerja dingin?

%CW ro

2 rd

2

ro2

x100 35.6%

Materi #3

36





66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

nPengaruh Pemanasan Setelah %CW

Materi #3

37


1 jam perlakuan pada Tannealing

menurunkan TS& mengingkatkan %EL.

Pengaruhnya adalah berbanding terbalik.


66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

n

Kesimpulan


38

Gerak dislokasi berhubungan terhadap deformasi plastis.

Kekuatan meningkat dengan membuat menghambat gerakdislokasi.

Cara-cara untuk meningkatkan kekuatan antara lain:

Decrease grain size (Mengurangi ukuran butir)

Solid-solution strengthening (Penguatan larutan padat)

Precipitate strengthening (Penguatan endapan)

Cold work (Pendinginan)

Pemanasan (heating) atau pendinginan (anneling) dapatmengurangi kerapatan dislokasi dan meningkatkanukuran butir.

Documents

r DISLOKASI DAN MEKANISME PENGUATAN