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

Sifat mekanik

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 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

RecoveryKekerasan

Grain growth Rekristalisasi

Sifat mekanik dan ukuran butir kristal

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 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/2r = Gb/2r

Stress field dari dislokasi sisi

D

Gb 2 (1 )

Perbanyakan dislokasiFrank read Mechanism

Hubungan Dislokasi dan Deformasi plastik

Pemberian deformasi pada material akan menggerakkan dislokasi sehingga mencapai batas butir. Makin banyak dislokasi yang sampai kebatas butir maka material akan semakin ulet/lunak

Strain Energyx F

Perhatikan sistim pegas sederhana perpindahan x; F=kx. kerja yang dilakukan ketika F= Fo,

1 W Fo xo 2Energi iini tersimpan dalam pegas dan dilepaskan kembali ketika Gaya kembali

Strain Energy Densityy a a 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 ex=d/a

ay

x Fx

1 W Fxd 2 1 1 2 U s x a e x a s x ex a 3 2 2

ad

x

U 1 1 3 3 u s x ex a / a s x ex V 2 2Where U is called the Strain Energy, and u is the Strain Energy Density.

For a linear elastic material500

Stress (MPa)

400 300 200 100 0 0.000 0.002 0.004 0.006

CONTINUED

0.008

0.010

Strain

Consider elastic-perfectly plastic

Bidang Luncur Material

Bidang Luncur Material

Slip pada Kristal Tunggal

Mekanisme Penguatan Logam Mengapa Material harus Kuat? Menambah 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 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.

Metoda Penguatan1. 2. 3. 4. 5. Penguatan Larut Padat Penguatan Fasa Kedua Pengerasan Presipitasi Pengerasan Dispersi Penguatan dengan Penghalusan Butir 6. Pengerasan Regangan 7. Penguatan Tekstur 8. Pengerasan Martensit

1. Penguatan Larut Padat (SOLID SOLUTION STRENGTHENING) Penguatan dengan 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) Atom atom asing tersebut dapat larut padat intertisi atau substitusi 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. (d = diameter atom terlarut, D = diameter atom pelarut (atom induk)).

Mekanisme Penguatan Larut PadatAtom asing yang larut padat akan menimbulkan medan tegangan disekitarnya. Medan tegangan tersebut akan menghambat pergerakan dislokasi, sehingga dibutuhkan tegangan yang lebih besar untuk bisa mendeformasi material tersebut (logam lebih kuat)

Atom Asing

Medan Tegangan Material Kuat

Gerakan Dislokasi Terhalang

Contoh Penguatan Larut PadatPaduan Cu-Ni, keduanya dapat saling larut padat (sempurna) pada semua komposisi kimia

Sifat Mekanik Paduan dengan Penguatan Larut PadatUntuk paduan yang saling larut sempurna spt Cu-Ni, 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 terjadi ketika penambahan unsur paduan menghasilkan fasa kedua (second phase) atau fasa sekunder.

A + B AxBy Fasa kedua bersifat keras (kuat) dan getas (Fasa kedua penghalang gerakan dislokasi ) Kekerasan (kekuatan) material meningkat dengan bertambahnya jumlah (fraksi berat) fasa keduaContoh paduan yang menghasilkan (memiliki) fasa kedua: 1. Baja (Steel)

Fe + C a + Fe3C

Besi (Fe) yang dipadu dengan karbon (C) menghasilkan fasa kedua senyawa Fe3C (sementit) disamping fasa utama Ferit () larut padat dalam Fe) . Fasa ferit bersifat lebih lunak dan ulet sedangkan sementit sangat keras tapi rapuh.

Dari segi aspek mikro, gerakan dislokasi lebih mudah terjadi pada ferit, namun lebih sulit pada Fe3C. Atau Fe3C penghalang gerakan dislokasi. Dengan demikian dapat dimengerti bahwa baja dengan kadar karbon lebih tinggi memilki kekerasan (kekuatan) yang lebih tinggi, 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 a + (CuAl3)

Aluminium (Al) yang dipadu dengan tembaga (Cu) menghasilkan fasa kedua senyawa CuAl3 () disamping fasa utama -Al (Cu larut padat dalam Al) . Fasa bersifat lunak dan ulet sedangkan 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. Tugas: Diagram Fasa Al-Cu Tentukan jumlah (fraksi berat) fasa theta pada paduan Al-20Cu dan Al33Cu. Contoh Produk:

Aluminium Copper Reducer Terminal

3.Pengerasan Presipitasi (Precipitation Hardening)Keberadaan persipitat akan menghambat pergerakan dari dislokasi

3. Precipitation Strengthening Hard precipitates are difficult to shear. Ex: Ceramics in metals (SiC in Ironor Aluminum).precipitateSide View

Large shear stress needed to move dislocation toward precipitate and shear it.Unslipped part of slip planeDislocation advances but precipitates act as pinning sites with spacing S. which multiplies Dislocation density

Top View

SSlipped part of slip plane

Result:

1 sy ~ S

Application: Precipitation Strengthening Internal wing structure on Boeing 767Adapted 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 Hardening) Logam paduan bisa ditingkatkan kekerasannya dengan penambahan partikel oksida yang akan menghalangi pergerakan dari dislokasi Partikel oksida tidak larut dalam matriknya pada suhu tinggi. Penambahan partikel Al2O3 pada produk SAP (sintered aluminium product) akan memberikan kekuatan yang lebih tinggi dibandingkan padual Al biasa pada suhu tinggi.

5. Penguatan dengan Penghalusan Butir/Sub-butir(STRENGTHENING BY GRAIN AND SUB GRAIN 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 Persamaan Hall-Petch:

Adapted from Fig. 7.14, Callister 7e. (Fig. 7.14 is from A Textbook of Materials Technology, by Van Vlack, Pearson Education, Inc., Upper Saddle River, NJ.)

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 Cu30 Zn. Diameter butir meningkat dari kanan ke kiri dan tidak linier.

Cara menghaluskan ButirIncrease 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 Regangan(STRAIN HARDENING) Pengerasan Regangan adalah pengerasan logam yang terjadi akibat penerapan deformasi plastis ketika pengerjaan dingin (cold work). Pengerasan terjadi karena peningkatan jumlah dislokasi sehingga dislokasi bertumpuk Tumpukan dislokasi ini menghalangi gerakan dislokasi selanjutnya

6.Pengerasan Regangan(STRAIN HARDENING) Untuk masing masing kenaikan regangan plastis, dibutuhkan tegangan yang lebih besar untuk menggerakkan dislokasi dibandingkan 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 WorkAs cold work is increased Yield strength (sy) increases. Tensile 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 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