minggu 1 - cacat kristal.ppt

8/10/2019 Minggu 1 - Cacat Kristal.ppt

1/60

TIK:

Memahami jenis-jenis cacat pada kristal dan mampu

menganalisa pengaruhnya terhadap sifat material, khususnya

logam

CACAT PADA KRISTAL


2/60

Crystal DefectsSuatu struktur kristal yang ideal dapat digambarkan dalam

bentuk tiga dimensi yang berulang secara periodik, disebut

lattice/ kisi.

Dan sebuah atom dari beberapa atom yang dikumpulkan

dengan kisi2 lainya disebut motif.

Crystal = Lattice + Motif

Pada kenyataanya susunan atom ini dapat mengalamipenyimpangan tidak sebagaimana mestinya. Hal ini disebut

cacat pada kr istal.


3/60

Defects Dimensionali ty Examples

Point 0 Vacancy

Line 1 Dislocation

Surface 2 Free surface,

Grain boundary


4/60

A. Point DefectPada logam murni terdapat dua jenis cacat titik yang mungkin

terjadi, yaitu kekosongan dan interstitial atom.

Kekosongan terbentuk dengan adanya atom yang hilang dari

susunannya. Kedua cacat tersebut diatas dihasilkan olehdeformasi plastis dan energi yang tinggi pada proses irradiasi

material.Vacancy: A point defect


5/60

Gbr. Point defect


6/60

Vacancy/Kekosongan

Gibbs Free Energy G

Ginvolves two terms:

1. EnthalpyH =E+PV E internal energyP pressure

V volume


7/60

2. Entropy S

G=HTS

=kln W

TAbsolute temperature

k Boltzmann constantWnumber of microstates

Kekosongan meningkatkan H dari kristal sepanjang energiyang dibutuhkan untuk memutuskan ikatan.

DH = n D Hf

G= HTS

Hfenergi yang dibutuhkan untuk pembentukan satu buah cacat

n= jumlah kekosongan

k = Boltzmann constant = 1.38066 x 10-23 J/K = 8.617385 x 10-5 eV/K


8/60

Vacancy increases S of the crystal selama

pembentukan entropi

Configurational entropy due to

vacancy

Number of atoms: N

Number of vacancies: n

Total number of sites: N+n


9/60

Contribution of vacancy to thermal expansion

Increase in vacancy concentration increases the volumeof a crystal

Suatu kekosonganmeningkatkan volumesebanding denganvolume dari suatu atomterhadap volume daricrystalcrystal


10/60

....Contribution of vacancy to thermal expansion

Thus vacancy makes a small contribution to thethermal expansion of a crystal

Thermal expansion =

lattice parameter expansion + Increase in volume due tovacancy

NvV

NVvNV DDD

V=volume of crystalv= volume associated with

one atomN=no. of sites

(atoms+vacancy)


11/60

vacancy

Substitutional

impurity

Point Defects

Interstitial

impurity


12/60


13/60


14/60

b t Edge dislocation

b

t Screw dislocation


15/60

Dua jenis dislokasi garis yang sering terjadi

yaitu :1. Dislokasi sisi

- dislokasi sisi terletak tegak lurus terhadap

vektor burger.- Pergerakan dislokasi sisi dalam arah vektor

burger. Karena pengaruh tegangan geserdislokasi positi jika kearah kanan dan negatif

jika kekiri.


16/60

1. Dislokasi ulir

- dislokasi ulir terletak tegak sejajar terhadapvektor burger.

- Pergerakan dislokasi ulir dalam arah tegak lurus

vektor burger atau arah bidang slip.


17/60

Callister FIGURE 4.3

The atom positions around an edgedislocation; extra half-plane of atoms

shown in perspective. (Adapted fromA. G. Guy, Essentials of MaterialsScience, McGraw-Hill Book Company,New York, 1976, p. 153.)


18/60

C. Surface Defects

External Internal

Permukaan

bebas

Batas butir

Stacking fault/salahtumpuk

Twinboundary/kembaran

Interphase boundary

Samephase

Differentphases


19/60

Stacking fault

CBACBACBA

ACBAB

ACBA

Stacking

fault

FCC FCC

HCP


20/60

Permukaan bagian luar : Freesurface/permukaan bebas

Jika ikatan patah melalui suatu

luasan maka dua permukaan akandihasilkan pada permukaan

Area A

Area A

Brokenbonds


21/60


22/60

Surface energy is anisotropic

Energi permukaan akan bergantung padaorientasi dari kristal, yakni indeks miller dari

permukaan yang bebas.nA, nB berbeda untuk setiap permukaan yangberbeda.

Catatan ;Pelajari indeks miller


23/60

Grain 1Grain 2

GrainBoundary

Internal surface: grain boundary

Suatu batas butir merupkan batas antara duadaerah dari struktur kristal yang sama tetapi

berbeda orientasi


24/60

Photomicrograph an iron

chromium alloy. 100X.

Callister, Fig. 4.12

Optical Microscopy, Experiment 4


25/60

Pengamatan terhadap Dislokasi

Ada beberapa metode yang digunakan untuk mengamati

dislokasi yang terjadi pada material, diantaranya adalah :

1. Surface methods

Jika suatu kristal yang mengandung dislokasi terhadap suatu

lingkungan dimana atom2 dilepaskan dari permukaan, laju

pelepasan atom pada suatu titik kemungkinan berbeda dari

suatu matrix. Perbedaan laju pemindahan yang timbul dari satu

atau lebih sifat2 dari dislokasi ;

a. Distorsi kisi dan daerah regangan dari dislokasi

b. Geometri dari bidang

c. Konsentrasi impuriti atom pada daerah dislokasi


26/60

Pada metode permukaan biasa dipergunakan chemical dan

electrolytic etching, metode lainnya termaSuk thermal etching,dimana atom2 yang berpindah oleh penguapan ketika kristal

dipanaskan pada tekanan atmosfer yang rendah pada

temperatur tinggi.

Teknik permukaan ini memiliki

keterbatasan terhadap kristal yang

memiliki densitas dislokasi yang

rendah, kurang dari 104mm-2, hal

ini disebabkan masing2 lubangmemiliki keterbatasan dalam

ukuran.


27/60

2. Decoration methods

Ada beberapa jenis kristal yang bersifat transparan untuk

terlihat cahaya dan radiasi inframerah. Biasanya sangat

mungkin melakukan decorate pada dislokasi dengan pengaruh

endapan sepanjang garis dislokasi.

Posisi dislokasi akan terlihat dengan penghamburan cahaya

pada endapan dan dapat diamati dengan mikroskop optik.


28/60

3. Electron Microscopy

Transmision electron microscopy sangat luas dipergunakan

untuk mengamati dislokasi dan cacat cristal lainnya, seperti

salah tumpuk, kembaran dan batas butir.

Pada pengujian ini spesimen yang dipersiapkan sangatlah tipisdan stabil pada saat diletakan disuatu beam pada energi

elektron diruangan vacum.energi elektron pada pengujian ini

100keV.


29/60

The Transmission Electron Microscope(TEM)

Mikroskop elektron konvensional salah

satunya adalah TEM (transmission

electron microscopy). Berkas elektron

dihasilkan oleh katoda yang

dipanaskan oleh arus. Elektron

didalam vacum dengan suatu

tegangan tinggi oleh anoda.

Tegangan pemercepat antara 50 dan

150 kV. Resolusi dari mikroskop ini

bergantung kepada kualitas dari lensa.Mikroskop modern jenis ini memililiki

resolusi 0,2 - 0,3 nm. Penggunaan

resolusi oleh karena itu hingga

300,000 xhttp://www.b

iologie.uni-hamburg.de


30/60

The Scanning electron microscope (SEM)

Tehnologi yang digunakan

didasarkan kepada teknologi

televisi. Objek biologi dibuat

konduktiv dengan melapisi dengan

lapisan tipis dari logam berat

(biasanya emas).

Resolusi yang dihasilkan lebih kecil

sedikit dibanding TEM,tetapi

fokusnya sedikit lebih besar.

Block diagram of a typical SEM

(Redrawn from J. W. S. HEARLE, J. T. SPARROW, P. M. CROSS, 1972)

http://www.biologie.uni-hamburg.de


31/60

Permukaan dari objek yang di scan oleh berkas elektron titik per

titik dimanapun elektron kedua adalah diset bebas.Intensitas dari radiasi kedua tergantung kepada sudut terhadap

permukaan objek. Elektron kedua dikumpulkan oleh detektor yang

terpasang pada sudut tertentu disebelah atas objek. Signal

kemudian diteruskan secara kelestrikan. Pembesaran dapat dipilih

sesuai keinginan.

http://www.b

iologie.uni-hambu

rg.de


32/60

Plast ic Deformation Methods are :

1. Slip

2. Twinning

3. Grain boundary movement4. Stretch / melar

At low temperature,

but for Twinning so in

high temperature

At high temperature

Slip Character ist ic :1. Slip di rect ion inc l ined to high densi ty atoms

2. Slip always be at the plane with high density atoms

3. Slip start at slip system with maximum shear stres


33/60

Slip System

Slip plane, In single cyrstal there are preferred planes where

dislocation move.

Slip direct ions , the directions for dislocation movement

within the slip planes.

The Set of sl ip p lanes and d irect ion consti tu te SLIP

SYSTEMS


34/60


35/60

BCC and FCC cystals have more slip systems ascompared to HCP.

There are more ways for dislocation to propagate and

FCC, BCC crystal are more ductile than HCP crystals.

Figure 1. slip system of the fcc crystal


36/60

Slip in Single Crystals

Resolv ing the Appl ied Stress on to th e Sl ip System

Dislocation move in particular directions on particular

planes (the slip system) in respons to shear stresses

apllied along these plane and directions.

How the applied stress is resolved onto the slip systems ?

Let us define the resolved shear stress, r, (which producesplastic deformation). That result from application of a simple

tensile stress, , (figure 2)


37/60


38/60

Maximum value ofcorrespons to

Slip will occur first in slip

systems oriented close to

this angel with

respect to the applied stress


39/60


40/60

Twin

Twin merupakan tipe khusus dimana terdapat simetri kisi cermin,

yaitu atom-atom pada sebuah kisi batas berada pada posisi cermin

dari atom-atom pada kisi lainnya (daerah antara batas butir ini

disebut twin/kembaran)


41/60


42/60

Annealing Twinning

Twinning affects properties of a variety of material, including

such technologically important material as superalloys, whose

fat ique behavior at high temperatureis drastically affected by

the presence of twin interfaces.

Mechanism of nucleation and growth of annealing twins, there is

three models to explain this mechanism ;

1.Grow th accid ent ; in this methods, a coherent twin boundry form at a

migrating grain boundary due to faulting on {111} facets during grain

growth

2. Grain encoun tered; twin form when suitably oriented grain meets.

3. Nucleat ion o f twin s by stacking faults or fault packets ; twins form

a migrating boundary such that one of the pseudo-coherent

interfaces.


43/60

The importan factors determining twinning frequency during

grain growth are :

1. Grain s ize D

2. Temperature T and t ime of anneal ing t

3. Veloc i ty of grain boundary migra tion

4. Grain boundary energy

5. Twin boundary energy (or stack ing faul t energy)

Others factors often not considered carefully are :1. Tex tu re

2. Pres t rain or pr io r deformat ion

3. in c lus ions


44/60

A simple reltion between twin density, p, and grain size, D,

as :

Where p = number of twin interface/unit length, B = A

constant and Do= grain size at which p = 0

Number of twins/grain (N) calculated by the following

equation, :

Where ; L = total length traversed, G = total number of grain

boundaries intercepted, M = number of twin boundaries

intercepted. Grain size (D) = L/G, twin frequency (p) = M/L


45/60

Average grain sizes D where measured as a function of time

and temperature, for both pure Nickel and also for borondoped Nickel ;

Where K and D12 are

constants and can be

obtained from the slopeand the intercept of the

straight line in fig. below ;

Fig. A plot of square of grain size

as function of time at constant

annealing temperature.


46/60

Deformation Twinning

The Deformation accompanying mechanical twinning is simpler than

that accompanying martensitic reaction becouse no change in

crystal structure.

The shear associated with deformation tw inning , on th e other hand,

is uni form ly dist r ibuted ov er a volume rather than localized on a

discrete number of slip planes.

Nevertheless, the importance of mechanical twinning is becoming

increasingly more apparent in explaining certain elusive mechanicalproperties of metals. But under certain conditions, a heavily twinned

metal can be more easily deformed than one free of twins.


47/60

Identification Of Deformation TwinsFig. The relationship between

the twining shear and the

second undistorted plane. The

plane of the paper

corresponds to the plane of

shear. The twinning shear

displacement S. the angle

between the first and second

undistorted plane is

K2before twining K 2after twining

h

The determination of K2, the second undistorted plane,with also yield 2

since this is intersection of the second undistorted plane with the plane of

shear.

According to this diagram (fig)

Where , = the angle between K1 and K2

S = the shear displacement of the upper surface relative to the bottomh = the width of the twin


48/60


49/60

Nucleation Of TwinTwin s form as the resul t of the shear-s tress com ponent of

appl ied stressthat is parallel to the twinning plane and lies in

the twinning direction 1.

A great deal of evidence suggests that nucleation centers for

twinning are pos i t ions of h ighly local ized stra in in the latt ice.

Becouse the localized stress fields (o f twin nucleat ion

centers) can be formed in a number of di f ferent ways

dependin g on the geometry and or ientast ion of the

specimen, as well as the nature of applied stress, it is

probable that there can be no universal critical resolved

stress for twinning as there is for slip.


50/60

Theoritical Tensile Strain Due To Twinning Of A SingleCrystal

The following expression by Schmid and Boas

1sincossin21

22 ooot SS

Where :

t = tensile strain due to twinning

S = twinning shear

= angle between the twinning plane and the tensile axiso

For a twin initially oriented so that both are 45o, equation ;oo and

12/1

2 SSt


51/60

SLIP TWIN

-The Atoms movement are multiply

of burgers vektor

- the continiusly of lattice aremaintained

- atoms movement pass through

the certain crystalografy plane

-The Atoms movement doesnt

multiply of burgers vektor

- latice change to be a deformationarea

- atoms movement pass through

many crystalografy plane

The different between Slip and Twin


52/60

Literatur

Guiere, M.R.D, 2002, Introduction to Materials Science &

Engineering,EMSE 201.

Hill.R.R and Abbaschian, R., 1994, Physic al Metalurg y Principle, thirtd

edition, PWS Publishing company, Boston.

Hirth, J., P dan Lothe, J, 1982, Theory of Dislocation, John Willey &Sons,Inc. Canada.

Hull, D dan Bacon, D., J, 1983, Int roduc t ion to Dislocation, Vol.37,

Pergamon Press, England.

Introduction to mater ials science,Chapter 7, Dislocation and

strengthening mechanisms, Dept.of Materials science and enginering,University of Virginia.

Rath,B.B., Imam,M.A. and Pande,C.S., 2000, NucleationAnd Growth Of

Twin Interfaces In FCC Metals And Alloy,Mater.Phys.Mech.1, 61-66.


53/60


54/60

Kekuatan geser teoritis untuk suatu kristal sempurna

Kita mengetahui bahwa logam memiliki struktur kristalin, hal

ini sangat menarik dalam perhitungan kekuatan kristal yang

sempurna. Frenkel , telah membuat hubungan shear-stress-

shear-displacement. Beliau menyatakan periodik dari energi

merupakan bentuk sinusoidal, sehingga ;

b

xtheoritis

2sin

x

x

s

EFig. 1 the periodic lattice potential,

and the equivalent value of th shear

stress accompanying the shear of a

perfect lattice.

1)


55/60

Suatu pergeseran plastis kristal diatas suatu bidang samadengan energi dengan suatu periode b. Jika tegangan bekerja

maka akan diikuti geser x sebanding dengan dW/dx, dimana

Wmerupakan energi perpindahan perluasan area atau bidang.

Pada suatu daerah yang dibatasi dari suatu regangan geser yangkecil, x/d, dimana d merupakan jarak antar bidang, hukum

diaplikasikan dalam bentuk ;

d

x

, merupakan modulus geser, persamaan 1),2) terbatas

terhadap regangan yang kecil.

2)


56/60

bxbx /2/2sin Dimana ;

Nilai theoritisdari tegangan geser dapat dinyatakan sebagai ;

52

d

b

theoritis 3)

Nilai theoritis dibawah /30 hanya pada daerah dekat melting

point. Tetapi pada temperatur kamar /5 > theoritis > /30

Gbr. Posisi atom yang

digunakan untuk estimasi

tegangan geser kritis.


57/60

Increase in entropy Sdue to vacancies:

WkS lnD

The number of microstates:

nnNCW

!!)!(

Nn

nN

!!

)!(ln Nn

nNk

]!ln!ln)![ln( NnnNk

WkS lnD ]!ln!ln)![ln( NnnNk

NNNN ln!ln

]lnln)ln()[( NNnnnNnNkS D

fHnH DD


58/60

DG = DH TDS

neq

Gof a

perfect

crystal

Change in Gof a crystal due to vacancy

n

DG DH

fHnH DD

TDS

]lnln)ln()[( NNnnnNnNkS D

Fig. 6.4


59/60

fHnH DD

]lnln)ln()[( NNnnnNnNTkHnG f DD

0

D

eqnnn

G

With neq


60/60

D

kT

H

n

n ft

eq

exp

Al: DHf= 0.70 ev/vacancy

Ni: DHf

= 1.74 ev/vacancy

n/N 0 K 300 K 900 K

Al 0 1.45x1012 1.12x104

Ni 0 5.59x1030 1.78x10-10

nt jumlah atom

minggu 1 - cacat kristal.ppt

Documents