View
3.106
Download
71
Category
Preview:
Citation preview
MODUL II. STRUKTUR KRISTAL
2.1. Pendahuluan
2.1.1.Deskripsi Singkat
Kristalisasi adalah proses pembentukan kristal padat dari suatu larutan
induk yang homogen. Proses ini adalah salah satu teknik pemisahan padat-cair
yang sangat penting dalam industri, karena dapat menghasilkan kemurnian produk
hingga 100%. Contoh proses kristalisasi : pembuatan gula pasir dari jus tebu/beet,
pembuatan kristal pup uk dari larutan induknya, dll.
Kristal itu sendiri merupakan susunan atom yang beraturan dan
berulang, yang bentuknya dapat berupa kubik, tetragonal, orthorombik,
heksagonal, monoklin, triklin dan trigonal. Bentuk itu nantinya, tergantung dari
proses downstream ( pemurnian ) yang dilakukan dan juga spesifikasi produk yang
diharapkan pasar. Kristal merupakan susunan atom yang teratur dan membentuk pola
yang berulang. Menurut Bravais, struktur Kristal dapat dikelompokkan menjadi 14
macam, beberapa diantaranya sangat kompleks. Pada bahan logam hanya dikenal 3
jenis Kristal yaitu kubus pusat badan atau body-centre cubic (bcc), kubus pusat muka
atau face-centre cubic (fcc) dan hexagonal rapat atau hexagonalclose-packed (hcp).
Desain, operasional, dan properties pada material-material logam sangat
tergantung pada bidang pengolahan logam, ilmu metalurgi, material teknik, dan ilmu
rekayasa material sehingga diharuskan bagi mahasiswa yang mengikuti kuliah ini,
sudah sangat akrab dengan bidang ilmu ini.
Materi pembahasan modul metalurgi ini, tidak membahas lagi persoalan
pengolahan logam dan material tetapi hanya membahas struktur Kristal logam serta
hubungan antara jari-jari atom dengan panjang sisi kubus. Bilangan koordinasi dan
factor kerapatan atom atau atomic packing factor (APF) merupakan dua karakteristik
penting dari Kristal yang akan dibahas secara lebih mendatail pada bagian ini.
2-1
2.1.2.Uraian Modul
Setelah mempelajari teknologi manufaktur, pemilihan bahan dan proses, serta
teknik material maka kita dapatlebih memahami beberapa konsep tentang logam,
pemilihan bahan, dan rekayasa material dan ilmu metalurgi dalam bidang teknik
mesin. Sehingga tujuan pembahasan bab ini adalah menjelaskan lingkup struktur
kristal yang mencakup: pengertian kristal, macam-macam kristal dan bidang kristal,
sel unit atau kesatuan yang berulang di dalam kisi ruang, dan faktor kerapatan atom.
2.1.3.Kompetensi Khusus
Setelah Mahasiswa mempelajari modul ini, anda diharapkan dapat
menjelaskan tentang struktur dan karakteristik kristal logam, indeks miller serta
susunan atom dan struktur mikro suatu logam.
2.2. Penyajian Materi
2.2.1.Pengertian Struktur Kristal
Kristal merupakan susunan atom-atom yang teratur dalam ruang tiga dimensi.
Keteraturan susunan tersebut terjadi karena kondisi geometris yang harus memenuhi
adanya ikatan atom yang berarah dan susunan yang rapat. Walaupun tidak mudah
untuk menyatakan bagaimana atom tersusun dalam padatan, namun ada hal-hal yang
diharapkan menjadi faktor penting yang menentukan terbentuknya polihedra
koordinasi susunan atom-atom.
Secara ideal, susunan polihedra koordinasi paling stabil adalah yang
memungkinkan terjadinya energi per satuan volume yang minimum. Keadaan
tersebut dicapai jika:
1. kenetralan listrik terpenuhi,
2. ikatan kovalen yang diskrit dan terarah terpenuhi,
3. gaya tolak ion-ion menjadi minimal,
4. Susunan atom serapat mungkin.
2.2.2.Kisi Ruang Bravais Dan Susunan Atom Pada Kristal
Kisi ruang (space lattice) adalah susunan titik-titik dalam ruang tiga dimensi
di mana setiap titik memiliki lingkungan yang serupa. Titik dengan lingkungan yang
2-2
serupa itu disebut simpul kisi (lattice points). Simpul kisi dapat disusun hanya dalam
14 susunan yang berbeda, yang disebut kisi-kisi Bravais.
Jika atom-atom dalam kristal membentuk susunan teratur yang berulang maka
atomatom dalam kristal haruslah tersusun dalam salah satu dari 14 bentuk kisi-kisi
tersebut. Perlu dicatat bahwa setiap simpul kisi bisa ditempati oleh lebih dari satu
atom, dan atom atau kelompok atom yang menempati tiap-tiap simpul kisi haruslah
identik dan memiliki orientasi sama sesuai dengan pengertian simpul kisi.
Karena kristal yang sempurna merupakan susunan atom secara teratur dalam
kisi ruang, maka susunan atom tersebut dapat dinyatakan secara lengkap dengan
menyatakan posisi atom dalam suatu kesatuan yang berulang. Kesatuan yang
berulang di dalam kisi ruang itu disebut sel unit (unit cell). Jika posisi atom dalam
padatan dapat dinyatakan dalam sel unit ini, maka sel unit itu merupakan sel unit
struktur kristal. Rusuk dari suatu sel unit dalam struktur kristal haruslah merupakan
translasi kisi, yaitu vektor yang menghubungkan dua simpul kisi. Jika sel unit disusun
bersentuhan antar bidang sisi, mereka akan mengisi ruangan tanpameninggalkan
ruang kosong dan membentuk kisi ruang. Satu kisi ruang yang sama mungkin bisa
dibangun dari sel unit yang berbeda; akan tetapi yang disebut sel unit dipilih yang
memiliki geometri sederhana dan mengandung hanya sejumlah kecil simpul kisi. Sel
unit dari 14 kisi Bravais diperlihatkan pada Gambar.2.1.
Gambar 2.1. Sel unit dari 14 kisi ruang Bravais.
2-3
Gambar 2.2. Sel satuan dengan kisi non-Bravais : 1. Intan, 2. Sengblende, 3.
Wurtzit,4.
Jika kita pilih tiga rusuk non-paralel pada suatu sel sedemikian rupa sehingga simpul
kisi hanya terletak pada sudut-sudut sel, sel itu disebut sel sederhana atau sel primitif.
Pada Gambar.2.2. sel primitif diberi tanda huruf P. Sel primitif hanya berisi satu
simpul kisi; jika kita lakukan translasi sepanjang rusuknya, simpul kisi yang semula
ada pada sel menjadi tidak lagi berada pada sel tersebut. Sel dengan simpul kisi yang
terletak pada pusat dua bidang sisi yang paralel diberi tanda C (center); sel dengan
simpul kisi di pusat setiap bidang kisi diberi tanda F (face); sel dengan simpul kisi di
pusat bagian dalam sel unit ditandai dengan huruf I. Huruf R menunjuk pada sel
primitif rhombohedral.
Sel unit yang paling sederhana adalah kubus yang semua rusuk dan sudutnya
samayaitu, a-a-a, α= ß = γ = 900. Ada tiga variasi pada kubus ini yaitu kubus
sederhana(primitive), face centered cubic, dan body centered cubic. Jika salah satu
rusuk tidak sama dengan dua rusuk yang lain tetapi sudut tetap sama 900, kita dapatkan
bentuk tetragonal a-a-a, α = ß = γ = 900; ada ada dua variasi seperti terlihat pada Gb.2.2.
2-4
Jika rusuk-rusuk tidak sama tetapi sudut tetap sama 900kita dapatkan bentuk orthorombic
dengan 4 variasi. Selanjutnya lihat Gambar.2.1.
2.2.3.Kristal Unsur
Dari empat keadaan yang harus dipenuhi untuk terbentuknya struktur kristal
sebagaimana disebutkan pada sub-bab 2.1, dua keadaan telah pasti dipenuhi oleh unsur-unsur
yang membentuk kristal yaitu kenetralan listrik dan gaya tolak antar ion yang minimal. Dua
keadaan lagi yang diperlukan adalah pemenuhan persyratan ikatan kovalen dan terjadinya
susunan yang rapat. Kita akan melihat terlebih dahulu unsur metal dan gas mulia.
Unsur grup VIII dan Metal. Gas mulia, Ne dengan kofigurasi [He] 2S2, 2p6,
dan Ar [Ne]3s2, 3p6, serta Kr[Ar]3d10, 4s2, 4p6, memiliki delapan elektron di kulit
terluarnya. Konfigurasi ini sangat mantap. Oleh karena itu mereka tidak membentuk
ikatan dengan sesama atom atau dengan kata lain atom-atom ini merupakan atom
bebas. Dalam membentuk padatan (membeku) atom-atom gas mulia tersusun dalam
susunan yang rapat. Konfigurasi yang mantap dari gas mulia menjadi konfigurasi
yang cenderung untuk dicapai oleh unsur-unsur lain dalam membentuk ikatan atom.
Selain gas mulia, atom metal juga membentuk susunan rapat dalam padatan.
Hal disebabkan karena ikatan metal merupakan ikatan tak berarah. Syarat utama yang
harus dipenuhi dalam membentuk padatan adalah terjadinya susunan yang rapat. Tiga
sel satuan yang paling banyak dijumpai pada metal (dan gas mulia dalam keadaan
beku) adalah FCC, HCP, dan BCC yang diperlihatkan pada Gb.2.3.
Gambar.2.3. Sel unit BCC, FCC, dan HCP.
2-5
Tabel 2.1. Sistem kristal, parameter kisi dan kisi Bravais
Unsur grup IV. Atom S [Ne] 3s2 3p4, Se [Ar] 3d10 4s2 4p4, Te [Kr] 4d10, 5s2
5p4, memiliki 6 elektron di kulit terluarnya. Setiap akan mengikat dua atom lain untuk
memenuhi konfigurasi gas mulia dengan delapan elektron di kulit terluar masingmasing.
Ikatan semacam ini dapat dipenuhi dengan membentuk molekul rantai spiral atau cincin di
mana setiap atom berikatan dengan dua atom yang lain dengan sudut ikatan tertentu. Molekul
rantai spiral atau cincin ini berikatan satu sama lain dengan ikatan sekunder yang lemah
membentuk kristal. Contoh ikatan telurium yang membentuk spiral diberikan pada Gb.2.4.
Satu rantaian spiral ikatan Te bergabung dengan spiral Te yang lain membentuk kristal
hexagonal.
Gb.2.4. Rantai spiral Te membentuk kristal hexagonal.
2-6
Unsur Grup V. Atom P [Ne] 3s2 3p3, As [Ar]3d10 4s2 4p3, Sb [Kr]4d10, 5s2 5p3
dan Bi [Xe]4f 14 5d10 6s2 6p3 memiliki 5 elektron di kulit terluarnya dan setiap atom
akan berikatan dengan tiga atom lain dengan sudut ikatan tertentu. Atom-atom
berikatan membentuk lapisan bergelombang dan lapisan-lapisan ini berikatan satu
dengan lainnya melalui ikatan yang lemah. Contoh salah satu lapisan dari kristal As
diperlihatkan pada Gambar.2.5.
Gambar.2.5.Salah satu lapisan Kristal As
Unsur Grup VI. Pada Grup IV hanya unsur ringan yang membentuk krital
dimana semua ikatan yang menyatukan kristal adalah kovalen. Ikatan ini merupakan
hasil dari orbital hibrida sp3 tetrahedral yang saling terkait dan membentuk kristal
kubik pada C (intan), Si, Ge, Sn. (lihat tentang hibridisasi). Sebagian dari unsusr grup
ini dapat pula membentuk struktur dengan ikatan kristal tidak kovalen, seperti pada
grafit. Atom-atom pada grafit terikat secara kovalen heksagonal membentuk bidang
datar yang terikat dengan bidang yang lain melalui ikatan yang lemah. (Gambar.2.6.).
Dalam hal ini ikatan kovalen terjadi antar orbital sp2 sedangkan ikatan antar bidang
lebih bersifat ikatan metal. Oleh karena itu grafit lebih mudah mengalirkan arus listrik
dan panas pada arah sejajar dengan bidang ini dibandingkan dengan arah tegak lurus.
Gambar.2.6. Kristal grafit
2-7
2.2.3.1. Struktur Kristal BCC
Struktur Kristal BCC adalah struktur Kristal dimana didalam unit cell terdapat
1 atom pada pusat kubus dan 1 atom pada tiap-tiap sudut kubus seperti terlihat pada
Gambar 2.7. berikut ini.
Gambar 2.7. Hubungan antara R dan a pada struktur BCC
Jumlah atom tiap unit cell adalah : 1 atom + 1/8 atom x 8 = 2 atom/unit cell
sehingga volume atom tiap unit cell :
Dua karakteristik Kristal yang penting adalah bilangan koordinasi
(coordination number) dan factor kerapatan atom atau atomic packing factor (APF).
Bilangan koordinasi adalah jumlah atom tetangga terdekat yang bersentuhan dengan
2-8
suatu atom. Setiap atom pada BCC dikelilingi oleh 8 atom tetangga sehingga bilangan
koordinasinya sama dengan delapan.
Factor kerapatan adalah fraksi volume atom di dalam unit cell atau dinyatakan
dengan persamaan :
2.2.3.2. Struktur Kristal FCC
Jika struktur Kristal logam mempunyai unit cell kubus dengan atom-atom
menempati pusat sisi (permukaan) kubus dan pada tiap-tiap sudutnya terdapat atom-
atom, maka struktur Kristal tersebut dinamakan struktur Kristal FCC, seperti terlihat
pada Gambar 2.8. dibawah ini.
Gambar 2.8. Hubungan antara a dan R pada struktur FCC
Hubungan antara jari-jari atom (R) dengan panjang sisi kubus (a) :
2-9
Volume unit cell
Jumlah atom tiap unit cell : ½ atom x 6 + 1/8 atom x 8 = 4 atom/unit cell
sehingga volume atom tiap unit cell :
4.(4/3) πR3 =
Bilangan koordinasi adalah pada struktur Kristal FCC adalah 12.
Factor kerapatan untuk struktur Kristal FCC :
Dari hasil perhitungan diketahui bahwa APF untuk FCC lebih besar daripada
BCC sehingga dapat disimpulkan bahwa struktur atom FCC lebih rapat dibanding
BCC.
2.2.3.3. Struktur Kristal Hexagonal Rapat (Close Packed Hexagonal)
Beberapa logam mempunyai unit cell berbentuk hexagonal dengan permukaan
atas dan bawahnya terdapat enam atom yang mengelilingi atom pusat seperti terlihat
pada Gambar 2.9.
Gambar 2.9. Struktur Kristal hexagonal rapat.
2.2.3.4. Anisotropy dan Texture
Suatu bahan disebut isotropy jika sifat-sifat fisis dan mekanisnya tidak
tergantung kepada arah atau orientasi. Bahan berkristal tunggal bersifat tidak isotropy
atau anisotropy. Bahan Kristal tunggal hanya bias di produksi di laboratorium
sedangkan pada kenyataannya kebanyakan logam bersifat polikristal. Secara
makrokopis, logam polikristal bersifat isotropy jika setiap butir (grain) logam
2-10
mempunyai orientasi Kristal acak (random). Namun demikian, proses manufaktur
seperti pengerolan menyebabkan perubahan orientasi Kristal pada arah yang disukai
(preffered orientation) dan bersifat anisotropy. Fenomena ini dinamakan texture.
2.2.3.5. Indeks Miller
Indeks miler digunakan untuk notasi arah dan bidang Kristal. Indaks miler
digunakan untuk unit cell kubus.
a) Arah Kristal
Gambar di bawah adalah sistem koordinat Cartesian dangan sumbu X,Y,Z sejajar
sisi – sisi unit cell kubus. Jika a b dan c masing – masing adalah vektor satuan
pada arah X,Y,Z dan u,v,w adalah proyeksi pada sumbu X,Y,Z maka arah Kristal
bias dinyatakan dengan cara sebagai berikut :
Gambar 2.10 Arah Kristal dalam unit cell kubus
Tanda <> digunakan untuk notasi himpunan arah Kristal yang ekuivalen,sebagai
contohnya :
Arah Kristal pada stuktur heksagonal diberi notasi menurut sistem Miler-Bravais
dengan sumbu a1,a2 dan a3 masing – masing membentuk sumbu 1200 pada
bidang basal (dasar) dan sumbu z.
Tranformasi dari indeks miler ke indaks miler-Bravais sebagai berikut :
2-11
Gambar 2.11 Arah Kristal menurut indeks miler-Bravvais
Tranformasi arah [ 1 0 0 ] ke sistem struktur heksagonal akan menghasilkan [2 1
1 0 ] seperti pada gambar.
b) Bidang kristal
Indeks miler untuk bidang Kristal dinyatakan dengan bentuk (h k l).prosedur
untuk menentukan nilai h.k dan l sebagai berikut :
1. Cari titik potong bidang dengan sumbu X,Y dan Z misal a,b dan c
2. Ambil kebalikan nilai di atas yaitu : 1/a,1/b dan 1/c
3. Kalikan dengan kelipatan terkecil untuk mendapatkan bilangan integer
terkecil, sehingga menghasilkan : h, k dan l
4. Tulis dalam bentuk (h k l), tanpa koma
Gambar 2.12 Contoh – contoh penulisan indeks miler untuk bidang kristal
2-12
Gambar 2.12 adalah contoh – contoh indeks miler untuk bidang – bidang yang
penting pada Kristal. Bidang a pada bidang A di atas berpotongan dengan sumbu X
pada nilai 1 dan sejajar dengan sumbu Y dan Z sehingga indeks miler bias ditulis:
atau jika di tulis dalam indeks miler menjadi (1 0 0).
Pada prinsipnya pemberian indeks miler untuk bidang Kristal pada unit cell
heksagonal sama seperti pada kubus dengan penambahan sumbu a3 sehingga
Gambar 2.13 Di bawah adalah contoh – contoh indeks miler-bravais untuk
bidang basal,prisma dan piramida pada struktur Kristal heksagonal.
Gambar 2.13 Contoh – contoh indeks miler-bravais untuk bidang basal,prisma dan
piramida pada struktur Kristal heksagonal.
2.2.3.6. Proyeksi Stereografi
Proyeksi Sstereografi merupakan alat yang berguna di bidang metalurgi yang
memuungkinkan pemetaann dan arah Kristal dalam 2 dimensi.
2-13
Gambar 2.14 Proyeksi Stereografi
Pada proyeksi ini :1. Kristal ditempatkan pada pusat bola dan normalnya memotong bola2. Bidang Kristal dinyatakan dengan arah normal bidang Kristal, contoh :
bidang (111) pada gambar di atas diwakili oleh P3. Potongan normal dan bola ini kemudian proyeksike bidang wulff net
dengan cara mengukur sudut ɸ yaitu busur antara P dan P’
4. Wulff net tersusun dari garis – garis meridiam (bujur) dengan jarak 200
dari atas kebawah dan garis – garis latitube (lintang) dari sisi ke sisi.
Gambar 1.14 Wulff net
Gambar di bawah adalah contoh proyeksi stereografi (001) standard untuk bidang {100},{110} dan {111}.Tedrad (□)mempunyai system 4 simetri
2-14
putar, triad (∆) mempuunyai 3 simetri putar dan diad (0) mempunyai 2 simetri putar.
Gambar 1.15 Proyeksi bidang – bidang utama kubus pada standard (001) stereographic projection
2.3. Penutup
2.3.1.Rangkuman
Kristal merupakan susunan atom-atom yang teratur dalam ruang tiga dimensi.
Keteraturan susunan tersebut terjadi karena kondisi geometris yang harus memenuhi
adanya ikatan atom yang berarah dan susunan yang rapat. Walaupun tidak mudah
untuk menyatakan bagaimana atom tersusun dalam padatan, namun ada hal-hal yang
diharapkan menjadi faktor penting yang menentukan terbentuknya polihedra
koordinasi susunan atom-atom. Jika atom-atom dalam kristal membentuk susunan
teratur yang berulang maka atomatom dalam kristal haruslah tersusun dalam salah
satu dari 14 bentuk kisi-kisi tersebut. Perlu dicatat bahwa setiap simpul kisi bisa
ditempati oleh lebih dari satu atom, dan atom atau kelompok atom yang menempati
tiap-tiap simpul kisi haruslah identik dan memiliki orientasi sama sesuai dengan
pengertian simpul kisi. Karena kristal yang sempurna merupakan susunan atom
secara teratur dalam kisi ruang, maka susunan atom tersebut dapat dinyatakan secara
lengkap dengan menyatakan posisi atom dalam suatu kesatuan yang berulang.
Kesatuan yang berulang di dalam kisi ruang itu disebut sel unit (unit cell). Jika posisi
2-15
atom dalam padatan dapat dinyatakan dalam sel unit ini, maka sel unit itu merupakan
sel unit struktur kristal. Rusuk dari suatu sel unit dalam struktur kristal haruslah
merupakan translasi kisi, yaitu vektor yang menghubungkan dua simpul kisi.
2.3.2.Latihan
1. Jelaskan susunan Atom dalam Material! Berikan contoh!
2. Definisikan tipe-tipe padatan dalam proses pembentukan kristal!
3. Jelaskan jenis-jenis ketidaksempurnaan kristal!
4. Sebutkan kondisi yang perlu dicapai untuk mendapatkan susunan polihedra
kondisi paling stabil struktur kristal!
5. Jelaskan tentang kisi ruang Bravais dan hubungannya dengan susunan ruang
atom pada strutur kristal.
6. Jelaskan apa yang anda ketahui tentang Lever Rule dan apa kegunaannya dalam
ilmu metalurgi. Berikan contoh penggunaannya dalam ilmu metalurgi!
2.3.3.TEST
2.3.3.1. Test
1. Gambarkan proses pemadatan/ kristal
2. Jelaskan konsep Ketidaksempurnaan Kristal
3. Gambar bidang (111) dalam sel satuan tetragonal sederhana yang mempunyai
perbandingan c/a = 0,62
2.3.3.2. Umpan Balik
1. Proses Pemadatan/Kristalisasi dapat digambarkan sebagai berikut :
2-16
2. Dalam kenyataannya Kristal yang demikian jarang ditemui bahkan tidak pernah
ada suatu Kristal yang sempurna. Hal ini karena selalu terjadi distorsi kisi dan
ketidaksempurnaan di dalamnya. Penyebabnya adalah karena atom-atom logam
tidak pernah diam tetapi selalu bergetar dan bergerak dalam kisi, denagn
frekwensi yang ditentukan oleh gaya antar atom dan amplitude yang tergantung
pada temperatur Kristal. Slain itu juga karena dalam Kristal mengandung atom-
atom asing baik oleh pengaruh unsur paduan (alloy) maupun ketakmurnian
(impurities) akibat ukuran atomiknya berbeda sehingga terjadi distorsi local pada
kisi pelarut (solute) mungkin tersebar secara acak dalam Kristal, yakni bila
dijumpai pada larutan padat (solid solution) atau mungkin menggumpal dengan
sesamanya membentuk partikel-partikel fase kedua. Ketidakteraturan lainnya
adalah yang digolongkan dengan ketidaksempurnaan atau cacat kisi. Ada tiga
macam cacat kisi yaitu cacat volum, karena adanya retakan atau rongga; cacat
garis, misalnya karena dislokasi dan cacat titik, misalnya karena adanya
kedudukan kisi yang kosong dan adanya atom interstisi. Dalam gambar
menggambarkan baik adanya kedudukan kosong pada kisi, yang pada Kristal
sempurna seharusnya ditempati sebuah atom, maupun adanya atom interstisi,
yaitu atom yang menempati rongga diantara atom-atom
2-17
normal.ketidaksempurnaan dalam Kristal akan sangat berpengaruh terhadap sifat-
sifat Kristal yang erat kaitannya dengan struktur dan pada akhirnya berpengaruh
pada sifat-sifat logam baik fisik maupun mekanik.
3. Bidang yang dimaksud adalah yang berwarna gelap. Bidang (111) memotong
sumbu-sumbu pada jarak satuan. Akan tetapi jarak satuan pada sumbu-z lebih
pendek dari pada jarak satuan pada sumbu-x dan y. Perpotongan bukan kubik
ketiga sumbu Kristal pada jarak satuan. Karena c dan a tidak sama, jarak
perpotongan sesunguhnya berbeda.
2-18
Recommended