struktur kristal dan deformasi

Struktur Kristal dan Deformasi

A.    Struktur atom

Semua zat terdiri dari atom, dan atom tersebut terdiri dari inti ( terdir dari proton dan neutron ) yang dikelilingi oleh sejumlah electron. Electron mnempati sebuah shell. Suatu atom mempunyai satu atau lebih shell. Jumlah electron pada shell terluar banyak menentukan sifat dari atom tersebut.

B.     Ikatan atom

Ada 3 ikatan atom :

1.      Ikatan ionic

2.      Ikatan kovalen atau homopolar

3.      Ikatan logam

C.    Struktur kristal

Kristal adalah susunan atom-atom dalam tiga dimensi menurut suatu pola tertentu. Bila dari inti-inti atom dalam suatu kristal ditarik garis – garis imajiner melalui inti atom tetangganya maka akan diperoleh suatu kerangka dimensi  yang disebut space lattice (kisi ruang ). Space lattice tersusun dari sejumlah besar unit cell (sel satuan ). Unit cell merupakan bagian terkecil dari space lattice, yang bila disusun ke arah sumbunya akan membentuk space littice.

Ada 7 macam sistem kristal, yaitu cubic, tetragonal, orthorhombic, monoclinic, triclinic, hexagonal, dan rhombohedral. Dari ketujuh sistem kristal tersebut ada 14 jenis bentuk space lattice yang mungkin terjadi. Dari keempatbelas jenis tersebut ternyata hanya 3 yang sering dijumpai pad logam yang biasa digunakan, yaitu:

1.      Face centered cubic (FCC) atau kubus pemusatan sisi (KPS)

2.      Body ceentered cubic (BCC) atau kubus pemusatan ruang (KPR)

3.      Hexagonal close-packed (HCP) atau hexagonal tumpukan padat (HTP)

Ternyata ada beberapa unsur yang dapat dijumpai dengan sifat space lattice yang berbeda, hal ini dinamakan polimorfi. Logam yang bersifat polimorfi ada yang bersifat polimorfinya bersifat refersibel, pada suatu kondisi jenis space latticenya tertentu dan bila kondisi berubah, space lattice juga akan berubah, dan bila kondisi berubah, dan bila kondisi kembali seperti semula maka space latttice juga kan kembali seperti semula. Sifat ini dinamakan allotropi.besi juga memiliki sifat allotropi.

D.    Bidang kristalografi

Bidang kristalografi atau indeks miller adalah bidang didalam lattice kristal dimana terdapat susunan atom-atom. Untuk menentukan indeks miller dibuat suatui ruang melalui susunan atom, dengan mengambil saatu titik atom dari lattice sebagai  titik pusat koordinat ruang. Selanjutnya :

1.    Tentukan panjang potongan ketiga sumbu koordinat, diukur dari pusat koordinat sampai ke titik potong sumbu dengan bidang  yang dimaksud.

2.    Ambil kebalikan dari harganya

3.    Sederhanakan perbandingan harga tersebut. Bilangan tersebut dinamakan indeks miller

4.    Tulis nama bidang kristalografi denag memberi tanda kurung pada indeks miller

Titik pusat koordianat dapat ditetapkan sembarang titik pada lattice atau unit cell maka bidang yang berbeda akan dapat mempunyai indeks miller yang sama, asal kedudukan nya terhadap titik pusat juga sama. Jadi bidang ini dapat dikatakan ekuivalen.

E.     Kristalisasi

Kristalisasi adalah proses pembentukan kristal, yang terjadi pada saat pembekuan, perubahan dari fase cair ke padat. Dilihat dari mekanismenya kristalisasi terjadi pada dua tahap :

1.      Pembentukan inti atau pengintian ( nucleation )

Inti atom akan menjadi pusat dari proses kristalisasi selanjutnya. Dengan makin turunnya temperatur makin banyak atom yang bergabung dengan inti atau membentuk inti baru.

2.       Pertumbuhan kristal ( crystal growth )

Pertumbuhan ini berlangsung dari tempat yang lebih dingin menuju tempat yang lebih panas. Pertumbuhan membentuk cabang ataupun ranting, struktur seperti ini disebut struktur dendrit. Pertemuan satu dendrit kristal dengan lainnya dinamakan batas butir kristal yang merupakan bidang yang membatasi antara 2 kristal.

F.      Cacat pada kristal

Kristal yang sempurna adalah kristal yang susunan atomnya seluruhnya teratur mengikuti suatu pola tertentu. Cacat disini merupakan keridak sempurnaan susunan atom.cacat dapat terjadi pada saat pembekuan atau dikarenakan mekanik.

Macam-macam cacat:

1.    Cacat fisik ( point defect )

2.    Cacat garis ( line defect )

3.    Cacat bidang ( interfacial defect )

4.    Cacat ruang ( bulk defect )

G.    Deformasi plastik pada kristal

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 yang bekerja melampaui yield. Deformasi tersebut dapat dikarenakan slip atau twinning ataupun kombinasi keduanya.

a.       Deformasi dengan slip

Slip terjadi bila sebagian kristal tergeser relatif terhadap bagian kristal lain sepanjang bidang kristolografi tertentu. Slip terjadi pada bidang yang paling padat atom dan arah slip juga pada daerah yang paling padat karena untuk menggesernya perlu energi paling kecil. Sistem slip adalah slip terjadi pada beberapa bidang dan arah tertentu. Slip terjadi dengan bergesernya garis dislokasi sedikit demi sedikit.

Untuk dapat terjadinya slip harus ada gaya geser yang cukup, bila belum cukup distorsi yang ditimbulkan hanya bersifat sementara dan elastik. Bila slip telah terjadi hingga seberang butir kristal maka slip ini akan diteruskan ke butir berikutnya dan karena butir berikutnya mempunyai orientasi yang berbeda, arah bidang slip  akan berbeda, maka dislokasi akan tertahan pada batas butir.

b.      Deformasi dengan twinning

Twinning terjadi bila satu bagian dari butir kristal berubah orientasinya sedemikian rupa sehingga susunan atom di bagian tersebut akan membentuki simetri dengan bagian kristal lain yang tidak mengalami twinning. Susunan atom pada bagian yang mengalami twinning ini merupakan mirror image dari bagian yang tidak mengalami twinning. Perbedaan antara slip dan twinning, yaitu : 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. Pada twinning pergerakan atom terjadi sekaligus seluruh atom bergerak bersamaan sedangkan pada slip sebagian demi sebagian.

Twinning dapat terjadi bila kemungkinan untuk slip kecil, yaitu bila pada slip system terbatas seperti pada logam dengan kristal HCP. Karena itu twinning biasany tidak terjadi pada BCC dan FCC.

 Twinning dapat terjadi sebagai akibat gaya mekanik, disebut mechanical twins, dan dapat terjadi pada kristal yang telah dideformasi lalu dianneal, disebut annealing twins

H.    Pengaruh pengerjaan dingin terhadap sifat mekanik

Akibat pengerjaan dingin beberapa sifat mekanik akan mengalami perubahan, yaitu tensile strength, yield strength, dan kekerasan akan naik, keuletan akan menurun dan sifat penghantar listrik akan mengalami penurunan.

I.       Rekristalisasi

Bila logam yang telah mengalami pengerjaan dingin ini dipanaskan kembali maka atom-atom akan menerima sejumlah energi panas yang dapat dipakai untuk bergerak menuju atau membentuk sejumlah kristal yang lebih bebas cacat, bebas teganan dalam. Perubahan selama pemanasan terdapat dapat dibagi menjadi 3 tahapan :

1.      Recovery

Terjadi pada awal pemanasan kembali , pada temperatur yang agak rendah, dan perubahan yang terjadi tidak diikuti perubahan struktur mikro. Perubahan yang terjadi hanyalah perubahan tegangan dalam.

2.      Recrystallization

Pemanasan kembali hingga ke temperatur yang lebih tinggi akan menyebabkan munculnya kristal baru dari kristal yang terdistorsi, dengan struktur lattice dengan komponen yang sama seperti pada saat sebelum pengerjaan dingin.

3.      Grain growth

Butir ( grain) kristal yang besar mempunyai free energy yang lebih rendah, karenanya butir kristal cenderung untuk tumbuh lebih besar hingga mencapai ukuran maksimum untuk temperatur tersebut. Mskin tinggi temperatyur pemanasan makin besar juga ukuran butir yang terjadi.