Ketidaksempurnaan Struktur Kristal Pada Logam

Kekuatan sebenarnya dari logam didasarkan kira-kira satu hingga dua orde besarnya lebih rendah dari tingkat kekuatan yang diperoleh dari perhitungan teoritis berdasarkan dinamika molekul. Perbedaan ini dijelaskan dalam hal cacat dan ketidaksempurnaan dalam struktur kristal. Tidak seperti dalam model ideal, kristal logam yang sebenarnya mengandung sejumlah besar cacat dan ketidaksempurnaan, yang umumnya dikategorikan sebagai berikut:

Cacat titik, seperti kekosongan (atom yang hilang), atom interstisial (tambahan atom dalam kisi), atau pengotor (atom asing yang menggantikan atom logam murni).
Cacat linier, atau satu dimensi, yang disebut dislokasi.
Ketidaksempurnaan planar, atau dua dimensi, seperti batas butir dan fase batas.
Volume, atau massal, ketidaksempurnaan, seperti rongga, inklusi (unsur nonlogam seperti oksida, sulfida, dan silikat), fase lainnya, atau retak.

Ilustrasi skema jenis cacat pada kisi kristal tunggal: self- interstisial, kekosongan, interstisial, dan substitusi.

Sifat mekanik dan listrik logam seperti tegangan luluh, kekuatan patah, dan konduktivitas elektrik terpengaruh oleh cacat. Sifat-sifat ini dapat disebut sebagai struktur peka. Sebaliknya, sifat fisik dan kimia seperti titik leleh, kalor jenis, koefisien ekspansi termal, dan konstanta elastis (misalnya., modulus elastisitas dan modulus kekakuan), tidak sensitif terhadap cacat ini. Sifat-sifat ini dapat disebut sebagai struktur tidak peka.

Dislokasi

Pertama kali diamati pada tahun 1930-an, dislokasi adalah cacat pada keteraturan susunan struktur atom logam. Karena bidang slip yang mengandung dislokasi membutuhkan lebih sedikit tegangan geser untuk memungkinkan slip daripada yang dilakukan bidang dalam keadaan kisi sempurna. Dislokasi adalah cacat paling signifikan yang menjelaskan perbedaan antara kekuatan aktual dan teoritis logam.

Jenis dislokasi dalam kristal tunggal: (a) dislokasi tepi dan (b) dislokasi sekrup.

Ada dua jenis dislokasi: tepi dan sekrup. Sebuah analogi untuk pergerakan dislokasi tepi adalah kemajuan cacing tanah, yang bergerak maju melalui punuk yang dimulai dari ekor dan bergerak ke arah kepala. Analogi lainnya adalah gerakan karpet besar di lantai dengan terlebih dahulu membentuk punuk di satu ujung dan memindahkan punuk secara bertahap ke ujung yang lain. Kekuatan yang dibutuhkan untuk memindahkan karpet dengan cara ini jauh lebih rendah daripada yang dibutuhkan untuk menggeser seluruh karpet di sepanjang lantai. Dislokasi ulir dinamakan demikian karena bidang atom membentuk jalan spiral.

Pada analisis atau desain engineering sehari-hari, pertimbangan-pertimbangan seperti pemilihan material terhadap performa, atau pengaruhnya terhadap proses manufaktur sangatlah penting untuk dipertimbangkan. Salah satu metode untuk menganalisisnya tanpa harus menggunakan pengujian eksperimen fisik adalah dengan virtual manufacturing: