DEFORMASI PLASTIK
•
•
•
Deformasi pada logam dapat terjadi karena dapat terjadi deformasi pada kristalnya Bila kristal menerima gaya (gambar a), barisan atom bagian atas akan terdorong ke kanan sedang bagian bawah terdorong ke kiri Bila gaya cukup kuat, barisan terdepan terdorong sedemikian hingga ikatan atom antara baris atas dan bawah terputus. Baris tsb terdorong lebih jauh dan barisan berikutnya juga terdorong sehingga ikatan atomnya terlepas, baris pertama atas akan berikatan dengan baris kedua bawah. Baris kedua atas tidak ada sambungannya. Terjadi dislokasi (gambar b)
•
•
•
•
•
•
Bila gaya terus bekerja maka dislokasi akan bergeser (gambar c) Bila dislokasi bergeser sampai menyeberang butiran maka dikatakan terjadi slip (gambar d). Bidang dimana terjadi slip ini dinamakan bidang slip. Bila gaya masih terus bekerja maka slip-slip dapat terjadi pada bidang slip yang lain Ini dapat digambarkan seperti mendorong tumpukan kartu (gambar e dan f) Bila terjadi banyak slip maka deformasi akan tampak pada bendanya.
a
b
dislokasi
c
dislokasi
slip d
bidang slip
e
f
Macam-macam dislokasi
dislokasi
Di sekitar dislokasi, di bagian atas terjadi tegangan tekan, di bagian bawah terjadi tegangan tarik
Strukturmikro sebelum dan sesudah deformasi plastis
Bila logam dideformasi maka: •
Tampak bahwa butir kristalnya jadi memanjang
•
Di dalam butir terdapat banyak bidang slip
•
Pada masing2 bidang slip terdapat banyak dislokasi
•
•
•
Pada masing2 dislokasi, di sekitar dislokasi terjadi tegangan Berarti logam yang terdeformasi kristalnya akan menjadi lebih tegang Karenanya sebagai akibat dari deformasi maka logam akan menjadi lebih keras, lebih kuat, tetapi juga menjadi lebih getas
Kekerasan Kekuatan k i n a k e m t a f i S
Keuletan
Derajat deformasi
Bila logam yang terdeformasi dipanaskan kembali, seiring dengan naiknya temperatur: •
•
•
•
Atom2nya akan memiliki energi untuk mulai menata diri agar dapat bebas dari tegangan, atom2 akan membentuk kristal baru yang tidak terdistorsi (rekristalisasi) Sejumlah atom (terutama di sekitar dislokasi dan batas butir) mulai membentuk inti membentuk inti kristal baru Kemudian atom lain ikut bergabung, inti menjadi makin besar, kristal mengalami pertumbuhan
Dengan terjadinya rekristalisasi akan terjadi penurunan kekerasan/ kekuatan dan naiknya keuletan
Recovery Kekerasan l a t s i r k r i t u b n a r u k u n a d k i n a k e m t a f i S
Grain growth Rekristalisasi
Kekuatan
Keuletan
Kristal lama Kristal baru
Temperatur pemanasan
Cold worked
Pengintian mulai
Inti mulai Rekristalisasi Kristal makin Kristal lebih tumbuh selesai besar besar lagi
Metalurgi Fisik
Dislokasi dan Deformasi pada material
Deformasi
Deformasi elastis = Perubahan bentuk sementara yang terjadi pada material yang diberi gaya dari luar setelah gya dihilangkan material kembali ke bentuk awal
Deformasi Plastis = Perubahan bentuk tetap yang terjadi pada material yang diberi gaya gaya dari luar walaupun kemudian gaya itu dihilangkan
Mekanisme deformasi
Mekanisme deformasi a. Mekanisme Kembaran ( terjadinya perubahan orientsi dari suatu bagian kristal membentuk kembaran yang simetris terhadap kisi semula ) b. Mekanisme Slip ( pergeseran atom berpindah menempati kedudukan yang baru )
Dislokasi
Dislokasi merupakan Cacat satu dimensi pada material dimana terjadinya ketidak teraturan susunan atom
Dislokasi pada material menentukan kekuatan dari material, Jika dislokasi semakin susah berpindah maka berarti material semakin kuat
Model dislokasi pada Deformasi Plastis
Stress field dari dislokasi Ulir
Elastic stress and strain field around screw dislocation: –
= b/2 r
–
= Gb/2 r
Stress field dari dislokasi sisi
D
Gb
2 (1 )
Perbanyakan Perbanyakan dislokasi dislokasi Frank read Mechanism
Hubungan Dislokasi dan Deformasi plastik
deformasi pada Pemberian deformasi
material akan menggerakkan dislokasi sehingga mencapai batas butir. Makin banyak dislokasi yang sampai kebatas butir maka material akan semakin ulet/lunak
Strain Energy x
F
Perhatikan sistim pegas sederhana perpindahan x; F=kx. kerja yang dilakukan ketika F= F o , W
1
2
F o xo
Energi iini tersimpan dalam pegas dan dilepaskan kembali ketika Gaya kembali
Strain Energy Density y Consider a cube of material acted upon by a force, Fx, creating stress sx=Fx /a2 causing an elastic displacement, d in the x direction, and strain e x=d /a
a a a
x
W
1
2 1
y Fx
U
2
u
a
x d
1 s
V
1
2
s x a e x a
U
F xd
2
2 3
e a / a
x x
s x e x a
3
1
3
s
2
e
x x
Where U is called the Strain Energy, and u is the Strain Energy Density.
For a linear elastic e lastic material 500
) 400 a P M ( 300 s s e r t 200 S
CONTINUED
100
0 0.000
0.002
0.004
0.006
Strain
0.008
0.010
Consider elastic-perfectly plastic
Bidang Luncur Material
Bidang Luncur Material
Slip pada Kristal Tunggal
Mekanisme Penguatan Logam Mengapa Material harus Kuat? •
Menambah daya daya
dukung beban •
Meningkatkan ketahanan
dan umur pakai komponen •
Mengurangi volume/tonase bahan (Membuat komponen lebih ringan)
•
Mereduksi biaya bahan
•
Memenuhi sifat produk industri
Mekanisme Penguatan Logam Metoda Penguatan
Kunci dari mekanisme penguatan logam ialah bagaimana menghalangi pergerakan dislokasi. Material dengan dislokasi yang sukar bergerak membutuhkan tegangan yang besar untuk menggesernya atau dengan kata lain material lebih kuat Sebaliknya material yang mempunyai dislokasi yang mudah bergerak lebih lunak dan lebih mudah dibentuk.
1. 2. 3. 4. 5.
Peng Pengua uata tan n Laru Larutt Pada Padatt Peng Pengua uata tan n Fasa Fasa Ke Kedu dua a Peng Penger eras asan an Pr Presip esipit itas asii Peng Penger eras asan an Disp Disper ersi si Peng Pengua uata tan n de deng ngan an Penghalusan Butir 6. Peng Penger eras asan an Rega Regang ngan an 7. Peng Pengua uata tan n Tek ekst stur ur 8. Peng Penger eras asan an Mart Marten ensi sitt
1. Penguatan Larut Padat (SOLID SOLUTION STRENGTHENING)
Penguatan dengan cara cara menambahkan sejumlah atom lain (atom asing) ke dalam sebuah gugusan atom induk (Pemaduan dalam jumlah tertentu dimana semua unsur pemadu terlarut padat dalam logam induk) tersebut dapat larut padat intertisi atau substitusi Atom atom asing tersebut tergantung tergantung pada ukurannya. Bila atom asing berukuran besar (d > 0.15D). maka larut padat substitusi. Kalau berukuran kecil (d < 0.15D) akan larut padat interstisi. interstisi. (d = diameter atom terlarut, D = diameter atom pelarut (atom induk)).
Mekanisme Penguatan Larut Padat Atom asing yang larut
padat akan menimbulkan medan tegangan tegangan disekitarnya. disekitarnya. Medan tegangan tegangan tersebut akan menghambat pergerakan pergerakan dislokasi, sehingga dibutuhkan tegangan tegangan yang lebih besar untuk bisa mendeformasi material tersebut (logam (logam lebih kuat)
Atom Asing
Medan Tegangan
Gerakan Dislokasi Terhalang
Material Kuat
Contoh Penguatan Larut Padat Paduan Cu-Ni, keduanya dapat saling larut padat (sempurna) pada semua komposisi komposisi kimia
Sifat Mekanik Paduan dengan Penguatan Larut Padat Untuk paduan yang saling larut larut sempurna spt spt Cu-Ni, kekuatan kekuatan meningkat (sebaliknya keuletan menurun) dengan meningkatnya jumlah atom (unsu)r terlarut. Kondisi kekuatan maksimum (keuletan minimum) adalah pada kondisi jumlah komponen terlarut dan pelarut hampir sama (seimbang).
2. Penguatan dengan Fasa Kedua
(Second Phase Strengthening)
Penguatan fasa kedua kedua terjadi ketika penambahan unsur paduan menghasilkan fasa kedua (second phase) atau fasa sekunder.
A+ B
AxBy
Fasa kedua kedua bersifat keras keras (kuat) dan getas (Fasa kedua penghalang gerakan dislokasi )
Kekerasan (kekuatan) material meningkat dengan bertambahnya jumlah (fraksi berat) berat) fasa kedua kedua
Contoh paduan yang menghasilkan (memiliki) fasa kedua: 1. Baja (Steel)
Fe + C
+ Fe3C
Besi (Fe) yang dipadu dengan karbon karbon (C) menghasilkan fasa kedua senyawa senyawa Fe3C (sementit) disamping fasa utama Ferit (α) larut padat dalam Fe) . Fasa ferit bersifat lebih lunak dan ulet sedangkan sementit sangat keras tapi rapuh.
•
Dari segi aspek mikro, mikro, gerakan dislokasi lebih mudah terjadi terjadi pada ferit, namun lebih sulit pada Fe 3C. Atau Fe 3C penghalang gerakan dislokasi. Dengan demikian dapat dimengerti bahwa baja dengan kadar karbon lebih tinggi memilki kekerasan (kekuatan) yang lebih tinggi, karena karena memiliki Fe3C yang lebih banyak.
a terang (putih), Fe3C gelap (hitam)
Sifat Mekanik Baja sebagai Fungsi Jumlah Fasa Sementit
1. Paduan Aluminium-Tembaga
Al + C
+ θ (CuAl3)
Aluminium (Al) yang dipadu dengan tembaga (Cu) menghasilkan fasa kedua senyawa senyawa CuAl3 (θ) disamping fasa utama α-Al (Cu larut padat dalam Al) . Fasa α bersifat lunak dan ulet sedangkan θ sangat keras tapi rapuh. Paduan Al dengan 33% Cu akan lebih keras (kuat) dari paduan yang hanya mengandung 20% Cu. Karena paduan Al-33%Cu memiliki fasa kedua yang lebih banyak. Diagram Fasa Al-Cu
Tugas: Tentukan jumlah jumla h (fraksi berat) fasa theta pada paduan Al-20Cu dan Al33Cu. Contoh Produk:
Aluminium Copper
3.Pengerasan Presipitasi (Precipitation (Precipitation Hardening) Keberadaan persipitat akan menghambat pergerakan dari dislokasi
3. Precipitation Strengthening shear. Ex: Ceramics in metals (SiC in Iron • Hard precipitates are difficult to shear. or Aluminum). precipitate Large shear stress needed to move dislocation toward precipitate and shear it.
Side View
Top View
Unslipped part of slip plane
S Slipped part of slip plane
• Result:
s
~
y
1
S
Dislocation “advances” but precipitates act as “pinning” sites with spacing S. which “multiplies” Dislocation density
Application: Precipitation Strengthening • Internal wing structure structure on Boeing 767 Adapted from chapteropening photograph, Chapter 11, Callister 5e. (courtesy of G.H. Narayanan and A.G. Miller, Boeing Commercial Airplane Company.)
• Aluminum is strengthened with precipitates formed by alloying & H.T.
Adapted from Fig. 11.26, Callister 7e. (Fig. 11.26 is courtesy of G.H. Narayanan and A.G. Miller, Boeing Commercial Airplane Company.)
1.5mm
4.Pengerasan Dispersi (Dispersion (Dispersion Hardening) Logam paduan bisa ditingkatkan kekerasannya dengan penambahan partikel oksida yang akan menghalangi pergerakan pergerakan dari dislokasi Partikel oksida tidak larut dalam Partikel matriknya matriknya pada suhu tinggi. Penambahan partikel Al2O3 pada produk SAP (sintered aluminium product) akan memberikan memberikan kekuatan kekuatan yang lebih tinggi dibandingkan padual Al biasa pada suhu tinggi.
5. Penguatan dengan Penghalusan Butir/Sub-butir (STRENGTHENING BY BY GRAIN AND SUB GRAIN G RAIN BOUNDARIES)
• Batas butir adalah penghalang dislokasi penghalang slip • Kemampuan menghalangi bertambah dengan peningkatan sudut mis-orientasi butir (angle of misorientation). • Butir halus mempunyai batas butir lebih banyak penghalang dislokasi lebih banyak lebih susah slip lebih kuat
Adapted from Fig. 7.14, Callister 7e. Textbook of Materials (Fig. 7.14 is from A Textbook Technology , by Van Vlack, Pearson Education, Inc., Upper Saddle River, NJ.)
• Persamaan Hall-Petch: syield so
k y d 1 / 2
Makin halus ukuran butir maka bidang slip akan semakin pendek sehingga dislokasi akan cepat sampai kebatas butir
Semakin halus ukuran butir maka material akan semakin kuat.
Pengaruh ukuran butir kekuatan luluh kuningan 70 Cu –30 Zn. Diameter butir meningkat dari kanan ke kiri dan tidak linier.
Cara menghaluskan Butir •
•
Increase Rate of solidification from the liquid phase. Perform Plastic deformation followed by an appropriate heat treatment. Notes:
Grain size reduction also improves toughness of many alloys.
Small-angle
grain boundaries are not effective in interfering with the slip process because of the small crystallographic misalignment across the boundary.
Boundaries
between two different phases are also impediments to movements of dislocations.
6.Pengerasan 6.Pengerasan Regangan Regangan (STRAIN HARDENING)
Pengerasan Regangan adalah pengerasan logam yang terjadi akibat penerapan deformasi plastis ketika ketika pengerjaan dingin (cold work). Pengerasan terjadi karena peningkatan jumlah dislokasi sehingga dislokasi bertumpuk Tumpukan dislokasi ini menghalangi gerakan gerakan dislokasi selanjutnya
6.Pengerasan 6.Pengerasan Regangan Regangan (STRAIN HARDENING)
Untuk masing masing kenaikan regangan plastis, dibutuhkan tegangan yang lebih besar untuk menggerakkan dislokasi dibandingkan sebelumya sebelumya karena dislokasi telah banyak yang sampai kebatas butir. Ini berarti logam bertambah kekerasan dan kekuatannya
During Cold Work • Ti alloy after cold working: • Dislocations entangle and multiply • Thus, Dislocation motion becomes more difficult.
0.9 mm
Adapted from Fig. 4.6, Callister 7e. (Fig. 4.6 is courtesy of M.R. Plichta, Michigan Technological University.)
Impact of Cold Work As cold work is increased • Yield strength (sy ) increases. • Tensile ensil e strength (TS) increases. • Ductility (%EL or % AR) decreases.
Lo-Carbon Steel! Adapted from Fig. 7.20, Callister 7e.
7. Penguatan dengan tekstur
Proses defornasi akan menyebabkan butir-butir dari logam mengarah pada orientasi tertentu. Logam yang orientasi kristalnya mengarah pada orientasi tertentu dikatakan memiliki tekstur kristalografis. Dengan adanya orientasi yang tertentu tersebut, maka logam tidak lagi bersifat isotrop melainkan justru bersifat anisotrop khususnya dalam hal kekuatannya
ANISOTROPI ISOTROPI
8. Pengerasan Martensit (Martensite HARDENING) Martensit memiliki susunan atom BCT sehingga dislokasi menjadi susah untuk bergerak bergerak Baja dipanaskan sampai fasa austenit lalu dilakukan pendinginan cepat sehingga atom-atom karbon pada austenit tidak sempat berdifusi keluar, akibatnya austenit akan bertransformasi menjadi martensit yang memiliki sel satuan BCT Kekerasan martensit akan semakin tinggi dengan semakin banyaknya atom karbon yang larut didalamnya didalamnya
