Sifat Mekanis Keramik

Sebelum Zaman Perunggu, perkakas dan bejana terbuat dari batu (keramik). Antara 3000 dan 4000 tahun yang lalu, logam mulai digunakan secara luas karena ketangguhan mereka yang berasal dari keuletan mereka. Dalam zaman sejarah itu, keramik cukup terbatas dalam penerapannya karena sifatnya yang getas. Meskipun banyak komposit baru dan keramik multifase lainnya dengan ketangguhan yang berguna sedang dikembangkan (sering meniru keramik komposit alami seperti kulit kerang), sebagian besar bahan keramik yang digunakan saat ini getas.

Patah Getas Keramik

Pada suhu kamar, baik keramik kristalin maupun nonkristalin hampir selalu retak sebelum deformasi plastis dapat terjadi sebagai respons terhadap beban tarik yang diterapkan. Topik patah getas dan mekanisme patah juga berhubungan dengan perpatahan bahan keramik; mereka akan ditinjau secara singkat di sini.

Proses patah getas terdiri dari pembentukan dan perambatan retak melalui penampang material dalam arah tegak lurus terhadap beban yang diterapkan. Pertumbuhan retak pada keramik kristal dapat berupa transgranular (yaitu, melalui butiran) atau intergranular (yaitu, di sepanjang batas butir); untuk fraktur transgranular, retakan merambat sepanjang bidang kristalografi (atau belahan) tertentu, bidang dengan kerapatan atom tinggi.

Kekuatan patah terukur dari sebagian besar bahan keramik jauh lebih rendah dari yang diprediksi oleh teori dari kekuatan ikatan antar atom. Hal ini dapat dijelaskan dengan kekurangan yang sangat kecil dan ada di mana-mana dalam materi yang berfungsi sebagai pemicu tegangan—menunjukkan pada dimana besarnya tegangan tarik yang diterapkan diperkuat dan tidak ada mekanisme seperti itu karena deformasi plastis ada untuk memperlambat atau mengalihkan retakan tersebut. Untuk fase tunggal (yaitu, monolitik) keramik, laju penguatan tegangan tergantung pada panjang retak dan jari-jari ujung kelengkungan, yang terbesar untuk panjang dan runcing kekurangan. Pemicu tegangan ini dapat berupa retakan permukaan atau interior kecil (retak mikro), internal pori-pori, inklusi, dan sudut butir, yang hampir tidak mungkin dihilangkan atau kontrol. Misalnya, bahkan kelembaban dan kontaminan di atmosfer dapat menyebabkan permukaan retakan pada serat kaca yang baru ditarik, sehingga mempengaruhi kekuatan secara merusak. Tegangan konsentrasi pada ujung cacat dapat menyebabkan retakan yang dapat merambat sampai akhirnya kegagalan.

Dalam beberapa keadaan, fraktur bahan keramik akan terjadi secara perlahan perambatan retak, ketika tegangan bersifat statis. Fenomena ini disebut kelelahan statis, atau tertunda patah; penggunaan istilah kelelahan agak menyesatkan karena fraktur dapat terjadi pada tidak adanya tegangan siklik. Jenis fraktur ini sangat sensitif terhadap kondisi lingkungan, khususnya ketika kelembaban hadir di atmosfer. Berkenaan dengan mekanisme, proses stres-korosi mungkin terjadi di ujung retakan. Yaitu, kombinasi dari tegangan tarik yang diterapkan dan kelembaban atmosfer di ujung retakan menyebabkan ikatan ionik putus; ini mengarah ke menajamkan dan memanjangkan retakan hingga akhirnya satu retakan tumbuh menjadi suatu ukuran mampu memperbanyak dengan cepat. Selanjutnya, durasi penerapan tegangan sebelum patah berkurang dengan meningkatnya tegangan. Akibatnya, saat menentukan kekuatan kelelahan statis, waktu penerapan tegangan juga harus ditetapkan. Kaca silikat sangat rentan terhadap jenis fraktur ini; itu juga telah diamati pada bahan keramik lainnya, seperti porselen, semen Portland, aluminium tinggi keramik, barium titanat, dan silikon nitrida.

Fractografi Keramik

Kadang-kadang diperlukan untuk memperoleh informasi mengenai penyebab fraktur keramik sehingga tindakan dapat diambil untuk mengurangi kemungkinan insiden di masa depan. Analisis kegagalan biasanya berfokus pada penentuan lokasi, jenis, dan sumber cacat awal retak. Sebuah studi fraktografi biasanya merupakan bagian dari analisis, yang melibatkan pemeriksaan jalur perambatan retak, serta karakteristik mikroskopis permukaan fraktur. Seringkali dapat dilakukan penyelidikan tentang jenis ini menggunakan peralatan sederhana dan murah—misalnya, kaca pembesar dan/atau mikroskop optik binokular stereo daya rendah yang dihubungkan ke sumber cahaya. Ketika perbesaran yang lebih tinggi diperlukan, mikroskop elektron digunakan.

Setelah nukleasi dan selama perambatan, retak dipercepat sampai kecepatan kritis tercapai; untuk kaca, nilai kritis ini kira-kira setengah dari kecepatan dari suara. Setelah mencapai kecepatan kritis ini, retakan dapat bercabang (atau bercabang), sebuah proses yang dapat diulang secara berturut-turut sampai retakan dihasilkan. Lokasi nukleasi sering dapat ditelusuri kembali ke titik di mana satu set retakan bertemu. Lebih-lebih lagi, tingkat percepatan retak meningkat dengan meningkatnya laju tegangan; sesuai, tingkat percabangan juga meningkat dengan meningkatnya tegangan. Misalnya dari pengalaman kita tahu bahwa ketika sebuah batu besar menghantam (dan mungkin memecahkan) sebuah jendela, lagi hasil percabangan retak [yaitu, semakin banyak retakan yang terbentuk (atau lebih banyak pecahan yang pecah diproduksi)] daripada dampak kerikil kecil.

Untuk bahan keramik getas, skema representasi asal crack dan konfigurasi yang dihasilkan dari (a) pembebanan tumbukan (kontak titik), (b) pembengkokan, (c) pembebanan puntir, dan (d) tekanan internal.
Skema retak pada keramik

>> KLIK DI SINI UNTUK MEMBACA ARTIKEL SEPUTAR MATERIAL TEKNIK LAINNYA!

Kontributor: Daris Arsyada

By Caesar Wiratama

Sumber:

Callister, William D. Jr, dan Rethwisch, David G. 2018. Materials Science and Engineering An Introduction (10th ed). Amerika Serikat: John Wiley & Sons, Inc.

Subscribe
Notify of
guest
0 Comments
Inline Feedbacks
View all comments