metalurgi fisik, struktur kristal logam dan non logam

-

1. METALURGI FISIKMETALURGI FISIK
Disusun OlehDisusun Oleh
Jurusan Teknik MesinJurusan Teknik Mesin
FT - UNSFT - UNS

2. MK. Metalurgi fisik MK. Metalurgi fisik
Standar Kompetensi :Standar Kompetensi :
mampu menganilisis struktur mikro logam mampu menganilisis struktur mikro logam
dalam kaitannya dengan sifat mekaniknyadalam kaitannya dengan sifat mekaniknya
Materi Pokok :Materi Pokok :
1. Struktur kristal logam1. Struktur kristal logam
2. Diagram fasa2. Diagram fasa
3. Perlakuan panas3. Perlakuan panas
4. Pengaruh proses pembentukan dan anil 4. Pengaruh proses pembentukan dan anil
thd strukt. Mikro & sifat mekanik logamthd strukt. Mikro & sifat mekanik logam

3. STRUKTUR KRISTAL LOGAMSTRUKTUR KRISTAL LOGAM
 Struktur atomStruktur atom
 Struktur kristalStruktur kristal
 Ketidaksempurnaan kristalKetidaksempurnaan kristal
 Mekanisme deformasiMekanisme deformasi

4. Pertemuan ke-2 membahas :Pertemuan ke-2 membahas :
 Struktur atomStruktur atom
 Struktur kristalStruktur kristal

5. STRUKTUR ATOMSTRUKTUR ATOM
Konsep dasar :Konsep dasar :
 Atom terdiri atas inti yang dikelilingi Atom terdiri atas inti yang dikelilingi
oleh elektron oleh elektron
 Inti tersusun atas proton dan netronInti tersusun atas proton dan netron
 Proton bermuatan positif, netron Proton bermuatan positif, netron
bermuatan netral, dan elektron bermuatan netral, dan elektron
bermuatan negatifbermuatan negatif

6. Model Atom BohrModel Atom Bohr
 Atom tersusun atas inti yang
dikelilingi oleh elektron dengan
tingkat energi tertentu
 Elektron bergerak pada
lintasan/
posisi yang dinamakan orbital
 Elektron dapat berpindah
orbital
dengan menyerap atau
melepaskan energi

7. Model Atom Mekanika Model Atom Mekanika
GelombangGelombang
 Elektron memiliki karakteristik sebagai Elektron memiliki karakteristik sebagai
gelombang dan partikelgelombang dan partikel
 Posisi elektron dideskripsikan dengan Posisi elektron dideskripsikan dengan
“distrubusi kemungkinan” atau awan elektron“distrubusi kemungkinan” atau awan elektron
 Elektron (posisi & energi) dikarakterisasikanElektron (posisi & energi) dikarakterisasikan
oleh bilangan kuantumoleh bilangan kuantum

8. Perbandingan antara Model Atom Bohr Perbandingan antara Model Atom Bohr
vs Model Atom Mekanika Gelombang vs Model Atom Mekanika Gelombang
(a) Model Atom Bohr
(b) Model Atom
Mekanika
Gelombang

9. Bilangan KuantumBilangan Kuantum
Dinyatakan dalam 4 parameter :Dinyatakan dalam 4 parameter :
 Bilangan kuantum utama yang menunjukkan Bilangan kuantum utama yang menunjukkan
nomor kulit (n=1, 2, 3, 4 .. atau K, L, M, N…)nomor kulit (n=1, 2, 3, 4 .. atau K, L, M, N…)
 Bilangan kuantum kedua menunjukkan sub-Bilangan kuantum kedua menunjukkan sub-
kulit yang ditempati elektron (s, p, d, atau f)kulit yang ditempati elektron (s, p, d, atau f)
 Bilangan kuantum ketiga menunjukkan Bilangan kuantum ketiga menunjukkan
banyaknya tingkat energi (s=1, p=3, d=5, & f=7)banyaknya tingkat energi (s=1, p=3, d=5, & f=7)
 Bilangan kuantum ke-empat menunjukkan arah Bilangan kuantum ke-empat menunjukkan arah
putaran elektron (searah atau berlawanan putaran elektron (searah atau berlawanan
dengan arah jarum jam)dengan arah jarum jam)

10. Energi relatif elektron pada kulit dan Energi relatif elektron pada kulit dan
sub-kulitsub-kulit

11. Banyaknya elektron pada kulit Banyaknya elektron pada kulit
dan sub-kulitdan sub-kulit

13. Ikatan AtomIkatan Atom
 Ikatan atom dapat diilustrasikan dengan Ikatan atom dapat diilustrasikan dengan
menganalisis interaksi 2 atom yang menganalisis interaksi 2 atom yang
didekatkan dari jarak pisah yang jauhdidekatkan dari jarak pisah yang jauh
 Jika atom terpisah pada jarak yang jauh Jika atom terpisah pada jarak yang jauh
maka interaksi 2 atom tersebut maka interaksi 2 atom tersebut
diabaikan, sedangkan jika jarak atom diabaikan, sedangkan jika jarak atom
semakin dekat maka terjadi gaya (gaya semakin dekat maka terjadi gaya (gaya
tarik & tolak) antara 2 atom tersebut.tarik & tolak) antara 2 atom tersebut.

14. Skema pengaruh jarak atom Skema pengaruh jarak atom
terhadap gaya & energi antara 2 terhadap gaya & energi antara 2
atomatom

15. Tipe ikatan atomTipe ikatan atom
Terdapat 3 tipe ikatan primer pada bahan Terdapat 3 tipe ikatan primer pada bahan
padat :padat :
 Ikatan ionIkatan ion
- paduan antara unsur logam dgn - paduan antara unsur logam dgn
non-non-
logamlogam
- elektron valensi atom unsur logam - elektron valensi atom unsur logam
diberikan ke atom unsur diberikan ke atom unsur

16. Skema yang menggambarkan ikatan Skema yang menggambarkan ikatan
ionion

17.  Ikatan kovalen :Ikatan kovalen :
- 2 atom atau lebih melakukan - 2 atom atau lebih melakukan
sharingsharing
elektronelektron
- ikatan kovalen dapat mempunyai - ikatan kovalen dapat mempunyai
ikatan yang sangat kuat seperti ikatan yang sangat kuat seperti
pada pada
intan & juga dapat lemah seperti intan & juga dapat lemah seperti
bismuthbismuth

18. Skema yang menggambarkan ikatan Skema yang menggambarkan ikatan
kovalenkovalen

19.  Ikatan logamIkatan logam
- elektron valensi tidak terikat kuat - elektron valensi tidak terikat kuat
ke ke
atom sehingga dapat bergerak atom sehingga dapat bergerak
bebasbebas
di seluruh logamdi seluruh logam
- Ditemukan pada logam & - Ditemukan pada logam &
paduannyapaduannya

20. Skema yang menggambarkan ikatan Skema yang menggambarkan ikatan
logamlogam

21. STRUKTUR KRISTALSTRUKTUR KRISTAL
 Di dalam logam padat, atom-atom tersusunDi dalam logam padat, atom-atom tersusun
secara teratur dan berulang dalam pola tigasecara teratur dan berulang dalam pola tiga
dimensi. Struktur seperti itu disebut dengan dimensi. Struktur seperti itu disebut dengan
kristalkristal
 Struktur kristal berpengaruh terhadap sifat Struktur kristal berpengaruh terhadap sifat
bahanbahan
 Untuk mendeskripsikan struktur kristal, Untuk mendeskripsikan struktur kristal,
atom dianggap sebagai bulatan (bola) padat atom dianggap sebagai bulatan (bola) padat
yang memiliki diameter tertentuyang memiliki diameter tertentu

22. Contoh struktur kristalContoh struktur kristal

23. Sel satuanSel satuan
Pengertian : Pengertian :
Pola geometri terkecil dan Pola geometri terkecil dan
berulangberulang

24. Jenis-jenis sel satuanJenis-jenis sel satuan
1. FCC (Face Centered Cubic)1. FCC (Face Centered Cubic)

25. 2. BCC (Body Centered Cubic) 2. BCC (Body Centered Cubic)

26. 3. Hexagonal Close Packed3. Hexagonal Close Packed

27. Struktur kristal dari beberapa logamStruktur kristal dari beberapa logam

28. Bidang kristalografiBidang kristalografi
Dinyatakan dalam indeks Miller (h k l) Dinyatakan dalam indeks Miller (h k l)

29. cara menentukan indeks Miller :cara menentukan indeks Miller :
- cari panjang potong pada sumbu - cari panjang potong pada sumbu
x, yx, y
dan zdan z
- Lakukan pembalikan dari angka - Lakukan pembalikan dari angka
yangyang
diperolehdiperoleh
- Kalikan (dengan faktor pengali) hasil - Kalikan (dengan faktor pengali) hasil
pembalikan sehingga diperoleh pembalikan sehingga diperoleh
bilangan bulat yang terkecilbilangan bulat yang terkecil

30. Contoh bidang kristalografiContoh bidang kristalografi

31. Arah kristalografiArah kristalografi
Dinyatakan dalam [u v w] yang Dinyatakan dalam [u v w] yang
merupakan vektor.merupakan vektor.
Contoh :Contoh :
Indeks arah di atas = [120]

32. Struktur Kristal susunan rapatStruktur Kristal susunan rapat
Sel satuan FCC dan HCP merupakan Sel satuan FCC dan HCP merupakan
kristal susunan rapat. Dapat kristal susunan rapat. Dapat
dideskripsikan di dalam bidang dideskripsikan di dalam bidang
susunan rapat. Jika pusat atom pada susunan rapat. Jika pusat atom pada
bidang susunan rapat diberi label, bidang susunan rapat diberi label,
maka susunan kedua kristal (FCC & maka susunan kedua kristal (FCC &
HCP) dapat digambarkan sebagai HCP) dapat digambarkan sebagai
berikut : berikut :

33. Susunan rapat FCC dan HCPSusunan rapat FCC dan HCP
(a) FCC dengan susunan :
ABCABC….
(a) HCP dengan susunan :
ABAB…..

34. Susunan rapat FCCSusunan rapat FCC

35. Susunan rapat HCPSusunan rapat HCP

36. ButirButir
Kumpulan sel satuan yang mempunyai Kumpulan sel satuan yang mempunyai
orientasi kristal yang samaorientasi kristal yang sama
Kebanyakan kristal logam padat Kebanyakan kristal logam padat
tersusun atas sejumlah banyak butir, tersusun atas sejumlah banyak butir,
dimana bahan seperti ini disebut dimana bahan seperti ini disebut
dengan polikristaldengan polikristal

37. Tahapan proses pembekuan yang Tahapan proses pembekuan yang
menggambarkan terbentuknya butirmenggambarkan terbentuknya butir

38. Tugas 1 :Tugas 1 :
Jawablah pertanyaan di buku “Materials Jawablah pertanyaan di buku “Materials
Science and Engineering – An Science and Engineering – An
Introduction” – Karangan William D Introduction” – Karangan William D
Callister, Jr – soal :Callister, Jr – soal :
1) 3.21) 3.2
2) 3.32) 3.3
3) 3.34 3) 3.34

39. Pertemuan ke-3 membahas :Pertemuan ke-3 membahas :
 Ketidaksempurnaan Ketidaksempurnaan
kristalkristal
 Mekanisme deformasiMekanisme deformasi

40. KETIDAKSEMPURNAAN KRISTALKETIDAKSEMPURNAAN KRISTAL
Di dalam kristal logam nyata terdapat cacat Di dalam kristal logam nyata terdapat cacat
atau ketidaksempurnaan atau ketidaksempurnaan
 Keberadaan dari ketidaksempurnaan ini Keberadaan dari ketidaksempurnaan ini
berpengaruh terhadap karakteristik bahanberpengaruh terhadap karakteristik bahan
 Beberapa jenis ketidaksempurnaan kristal Beberapa jenis ketidaksempurnaan kristal
: kekosongan, self instertistitials, : kekosongan, self instertistitials,
ketidakmurnian, dislokasi, cacat ketidakmurnian, dislokasi, cacat
interfasial interfasial

41. Cacat kekosongan & self insterstitialCacat kekosongan & self insterstitial

42. Cacat ketidakmurnianCacat ketidakmurnian
a.Instertisi
b. Substitusi

43. Cacat dislokasiCacat dislokasi
a. Dislokasi sisi

44. b. Dislokasi ulirb. Dislokasi ulir

45. Cacat interfasialCacat interfasial
a. Kembaran

46. b. Batas butirb. Batas butir

47. Pemeriksaan mikroskopiPemeriksaan mikroskopi
Pengamatan butir :
a.Permukaan yang sudah
dipolish
& dietsa terbentuk lekukan di
batas butir sehingga
memberikan karekteristik
pemantulan yang berbeda
b. Hasil foto spesimen paduan
besi-kromium

48. MEKANISME DEFORMASIMEKANISME DEFORMASI
Suatu logam jika diberi gaya maka akan Suatu logam jika diberi gaya maka akan
mengalami deormasi atau perubahan bentukmengalami deormasi atau perubahan bentuk
Terdapat 2 jenis deformasi yaitu :Terdapat 2 jenis deformasi yaitu :
- deformasi elastis : - deformasi elastis :
terdeformasi pada saat pembebanan & terdeformasi pada saat pembebanan &
akan kembali ke bentuk semula pada saatakan kembali ke bentuk semula pada saat
beban dilepaskanbeban dilepaskan
- deformasi plastis :- deformasi plastis :
deformasi yang bersifat permanendeformasi yang bersifat permanen
 Kekuatan bahan terkait dengan seberapa Kekuatan bahan terkait dengan seberapa
mudah atau sulit suatu logam mengalami mudah atau sulit suatu logam mengalami
deformasi plastis pada saat pembebanandeformasi plastis pada saat pembebanan

49. Makanisme deformasi pada skala Makanisme deformasi pada skala
mikroskopismikroskopis
a. Deformasi elastis :a. Deformasi elastis :

50. b. Deformasi plastisb. Deformasi plastis
- Terjadi slip atau pergeseran atom-atom
- Pada saat bergeser, terjadi pemutusan
ikatan
atom

51. Kekuatan material teoritisKekuatan material teoritis

th
= G/2

52. Deformasi plastis melalui pergerakan Deformasi plastis melalui pergerakan
dislokasidislokasi
 Kekuatan logam nyata jauh lebih rendah Kekuatan logam nyata jauh lebih rendah
dibandingkan dengan kekuatan teoritisnyadibandingkan dengan kekuatan teoritisnya
Contoh :Contoh :
baja : G = 83000 Kgf/mmbaja : G = 83000 Kgf/mm
22


th
= 13200 Kgf/mm= 13200 Kgf/mm
22

Sedangkan Sedangkan  luluh baja : 20 Kgf/mmKgf/mm
22

 Perbedaan tersebut disebabkan karena pada Perbedaan tersebut disebabkan karena pada
logam nyata logam nyata mempunyai cacat dislokasimempunyai cacat dislokasi yang yang
menyebabkan atom-atom logam mudah menyebabkan atom-atom logam mudah
mengalami slip pada saat pembebananmengalami slip pada saat pembebanan

53. (lanjutan)(lanjutan)
 Mekanisme pergerakan dislokasiMekanisme pergerakan dislokasi

54. (a)(a) Pergerakan dislokasi sisiPergerakan dislokasi sisi
(b)(b) Pergerakan dislokasi ulirPergerakan dislokasi ulir

55. Sistem slipSistem slip
 Pergerakan dislokasi lebih mudah Pergerakan dislokasi lebih mudah
terjadi pada bidang dan arah tertentu terjadi pada bidang dan arah tertentu
dalam kristal logam. Kombinasi bidang dalam kristal logam. Kombinasi bidang
dan arah slip ini diistilahkan sistem slipdan arah slip ini diistilahkan sistem slip
 Bidang slip merupakan bidang yang Bidang slip merupakan bidang yang
mempunyai kerapatan atomnya paling mempunyai kerapatan atomnya paling
tinggitinggi
 Arah slip mengarah ke arah yang Arah slip mengarah ke arah yang
kerapatan atomnya paling tinggikerapatan atomnya paling tinggi

56. Contoh sistem slip pada FCCContoh sistem slip pada FCC

57. Sistem slip pada FCC, BCC, HCPSistem slip pada FCC, BCC, HCP

58. Mekanisme penguatan logamMekanisme penguatan logam
 Kekuatan logam dipengaruhi oleh Kekuatan logam dipengaruhi oleh
mudahmudah
tidaknya dislokasi bergerak pada saattidaknya dislokasi bergerak pada saat
pembebananpembebanan
 Semakin dislokasi sulit bergerak maka Semakin dislokasi sulit bergerak maka
kekuatan logam akan semakin tinggikekuatan logam akan semakin tinggi
 Penguatan logam dilakukan dengan Penguatan logam dilakukan dengan
caracara
menghambat pergerakan dislokasimenghambat pergerakan dislokasi

59. Contoh metoda penguatan logamContoh metoda penguatan logam
a. Penghalusan ukuran butira. Penghalusan ukuran butir
Batas butir merupakan penghambat Batas butir merupakan penghambat
pergerakan dislokasi, karena :pergerakan dislokasi, karena :
- antar butir satu dengan yang lainnya- antar butir satu dengan yang lainnya
mempunyai arah kristalografi yangmempunyai arah kristalografi yang
tidak samatidak sama
- di batas butir, terdapat ketidakteraturan- di batas butir, terdapat ketidakteraturan
susunan atom sehingga terbentuk susunan atom sehingga terbentuk
diskoniuitas sistem slip antar butirdiskoniuitas sistem slip antar butir

60. Pergerakan dislokasi antar butirPergerakan dislokasi antar butir
Dari penjelasan di atas maka dapat
disimpulkan bahwa penguatan dapat
dilakukan dengan cara menghaluskan butir
karena semakin halus ukuran butir
menyebabkan semakin banyaknya
keberadaan batas butir di suatu logam

61. b. Penguatan/pengerasan reganganb. Penguatan/pengerasan regangan
- Logam meningkat kekerasannya jika - Logam meningkat kekerasannya jika
mengalami pengerjaan dingin (deformasi mengalami pengerjaan dingin (deformasi
plastis yang dilakukan di bawah plastis yang dilakukan di bawah
temperatur rekristalisasi)temperatur rekristalisasi)
- Peningkatan kekerasan tersebut - Peningkatan kekerasan tersebut
disebabkan karena pada saat pengerjaan disebabkan karena pada saat pengerjaan
dingin terjadi peningkatan jumlah dislokasidingin terjadi peningkatan jumlah dislokasi
- Tingginya peningkatan kekuatannya - Tingginya peningkatan kekuatannya
dipengaruhi oleh besarnya deformasi dipengaruhi oleh besarnya deformasi
plastisplastis

62. Pengaruh besarnya deformasi plastis Pengaruh besarnya deformasi plastis
terhadap kekuatan dan keuletan logamterhadap kekuatan dan keuletan logam

63. Model pertambahan jumlah dislokasi Model pertambahan jumlah dislokasi
setelah dilakukan deformasi plastissetelah dilakukan deformasi plastis
Titik D dan D’
merupakan
pengahambat
gerakan dislokasi

65. Deformasi plastis melalui terbentuknya Deformasi plastis melalui terbentuknya
kembaran kembaran
Perubahan bentuk yang terjadi relatif lebih Perubahan bentuk yang terjadi relatif lebih
kecil dibandingkan dengan deformasi plastis kecil dibandingkan dengan deformasi plastis
melalui slipmelalui slip

66. Jawablah pertanyaan di buku “Materials Jawablah pertanyaan di buku “Materials
Science and Engineering – An Science and Engineering – An
Introduction” – Karangan William D Introduction” – Karangan William D
Callister, Jr – soal :Callister, Jr – soal :
1) 4.221) 4.22
2) 7.162) 7.16
3) 7.173) 7.17
4) 7.194) 7.19

Tugas 2Tugas 2