Mekanisme Penguatan pada Logam
Insinyur metalurgi dan material sering merancang paduan yang memiliki kekuatan namun beberapa keuletan dan ketangguhan; biasanya, keuletan dikorbankan ketika paduan diperkuat. Beberapa teknik pengerasan tersedia bagi seorang insinyur, dan seringkali pemilihan paduan tergantung pada kapasitas material yang akan disesuaikan dengan karakteristik mekanis yang diperlukan untuk aplikasi tertentu.
Penting untuk memahami mekanisme penguatan adalah hubungan antara gerak dislokasi dan perilaku mekanik logam. Karena deformasi makroskopik plastik sesuai dengan gerakan sejumlah besar dislokasi, kemampuan logam untuk berubah bentuk secara plastis tergantung pada kemampuan dislokasi untuk bergerak. Karena kekerasan dan kekuatan (baik luluh dan tarik) terkait dengan kemudahan penggunaan deformasi plastik dapat muncul, dengan mengurangi mobilitas dislokasi, kekuatan mekanik dapat ditingkatkan. Gaya mekanik yang lebih besar diperlukan untuk memulai deformasi plastis. Sebaliknya, semakin tidak terbatas gerak dislokasi, semakin besar fasilitas yang dengannya logam dapat berubah bentuk, dan semakin lunak, semakin lemah terjadinya deformasi. Hampir semua teknik penguatan bergantung pada prinsip sederhana ini yaitu membatasi atau menghambat gerakan dislokasi membuat material lebih keras dan lebih kuat.
Penguatan dengan Pengurangan Ukuran Butir Atom
Ukuran butir, atau diameter butir rata-rata, memengaruhi sifat mekanik logam polikristalin. Butir yang berdekatan biasanya memiliki orientasi kristalografi berbeda dan, tentu saja, batas butir yang sama. Selama deformasi plastis, gerakan slip atau dislokasi harus terjadi di sepanjang batas umum katakanlah, dari butir A ke butir B. Batas butir bertindak sebagai penghalang gerakan dislokasi karena dua alasan:
- Karena dua butir memiliki orientasi yang berbeda, dislokasi melewati butir B harus mengubah arah geraknya; ini menjadi lebih sulit karena misorientasi kristalografi meningkat.
- Ketidakteraturan atom dalam daerah batas butir menghasilkan diskontinuitas bidang slip dari satu butir ke butir lainnya.
Perlu disebutkan bahwa, untuk batas butir sudut tinggi, mungkin tidak demikian dislokasi melintasi batas butir selama deformasi; sebaliknya, dislokasi cenderung “menumpuk” (atau mundur) pada batas butir. Tumpukan ini memperkenalkan konsentrasi tegangan di depan bidang slip mereka, yang menghasilkan dislokasi baru pada butir yang berdekatan.
Perlu juga disebutkan bahwa pengurangan ukuran butir tidak hanya meningkatkan kekuatan, tetapi juga ketangguhan banyak paduan. Batas butir sudut kecil tidak efektif dalam mengganggu proses slip karena misalignment kristalografi sedikit melintasi batas. Namun, batas kembar secara efektif memblokir slip dan meningkatkan kekuatan dari bahan. Batas antara dua fase yang berbeda juga merupakan hambatan untuk gerakan dislokasi; ini penting dalam penguatan paduan yang lebih kompleks. Ukuran dan bentuk fase konstituen secara signifikan mempengaruhi sifat mekanik dari paduan multifase.
Penguatan Larutan-Padatan
Teknik lain untuk memperkuat dan mengeraskan logam adalah paduan dengan atom pengotor yang masuk ke dalam larutan padat substitusi atau interstisial. Oleh karena itu, ini disebut penguatan larutan padat. Logam dengan kemurnian tinggi hampir selalu lebih lunak dan lebih lemah daripada paduan yang terdiri dari logam dasar yang sama.
Paduan lebih kuat dari logam murni karena atom pengotor yang masuk ke larutan padat biasanya memaksakan regangan kisi pada atom inang sekitarnya. Interaksi medan regangan kisi antara dislokasi dan atom pengotor ini menghasilkan, dan, akibatnya, pergerakan dislokasi dibatasi. Misalnya, atom pengotor yang lebih kecil dari atom inang yang digantikannya memberikan regangan tarik pada kisi kristal di sekitarnya. Sebaliknya, atom substitusi yang lebih besar memaksakan gaya tekan regangan di sekitarnya. Atom-atom terlarut ini cenderung berdifusi dan memisahkan di sekitar dislokasi sedemikian rupa untuk mengurangi energi regangan keseluruhan membatalkan beberapa regangan dalam kisi yang mengelilingi dislokasi. Untuk menyelesaikan ini, Sebuah atom pengotor yang lebih kecil terletak di mana regangan tariknya sebagian meniadakan beberapa dislokasi regangan tekan. Untuk dislokasi tepi ini akan menjadi bersebelahan terhadap garis dislokasi dan di atas bidang slip.
Ketahanan slip lebih besar ketika atom pengotor hadir karena keseluruhan regangan kisi harus meningkat jika dislokasi terlepas darinya. Selanjutnya, interaksi regangan kisi yang sama ada di antara atom pengotor dan dislokasi yang bergerak selama deformasi plastis. Dengan demikian, tegangan yang diterapkan lebih besar untuk memulai dan kemudian melanjutkan deformasi plastis untuk larutan padat paduan, sebagai lawan dari logam murni; ini dibuktikan dengan peningkatan kekuatan dan kekerasan.
Pengerasan Regangan
Pengerasan regangan adalah fenomena dimana logam ulet menjadi lebih keras dan lebih kuat karena terdeformasi plastis. Kadang-kadang juga disebut pengerasan kerja, atau, karena suhu di mana deformasi terjadi adalah “dingin” relatif terhadap suhu leleh mutlak logam, pengerjaan dingin. Sebagian besar regangan logam mengeras pada suhu kamar.
Fenomena pengerasan regangan dijelaskan berdasarkan dislokasi- interaksi medan regangan dislokasi. Dislokasi densitas dalam logam meningkat dengan deformasi atau kerja dingin karena dislokasi perkalian atau pembentukan dislokasi baru, seperti disebutkan sebelumnya. Akibatnya, jarak pisah rata-rata antara dislokasi berkurang, dislokasi diposisikan lebih dekat bersama-sama. Rata-rata, interaksi dislokasi–dislokasi regangan saling menolak. Hasil akhirnya adalah gerakan dislokasi terhalang oleh kehadiran dari dislokasi lainnya. Saat densitas dislokasi meningkat, resistensi terhadap gerakan dislokasi ini oleh dislokasi lain menjadi lebih jelas. Jadi, tegangan yang dikenakan diperlukan untuk merusak logam meningkat dengan meningkatnya kerja dingin.
>> KLIK DI SINI UNTUK MEMBACA ARTIKEL SEPUTAR MATERIAL TEKNIK LAINNYA!
Kontributor: Daris Arsyada
Sumber:
Callister, William D. Jr, dan Rethwisch, David G. 2018. Materials Science and Engineering An Introduction (10th ed). Amerika Serikat: John Wiley & Sons, Inc.
