Struktur Kristal Pada Material Logam

Ketika logam memadat dari keadaan cair, atom mengatur diri menjadi berbagai konfigurasi yang teratur, yang disebut kristal. Susunan atom ini disebut struktur kristal. Kelompok atom terkecil yang menunjukkan ciri-ciri kisi struktur dari logam tertentu dikenal sebagai unit sel. Unit sel adalah blok bangunan dari kristal, dan kristal tunggal dapat memiliki banyak unit sel.

SUSUNAN ATOM DASAR PADA LOGAM

Berikut ini adalah tiga susunan atom dasar pada logam:

Body-centered cubic (bcc): contohnya besi alpha, chromium, molybdenum, tantalum, tungsten, dan vanadium.
Face-centered cubic (fcc): contohnya besi gamma, aluminum, tembaga, nikel, timah, perak, emas, dan platinum.
Hexagonal close-packed (hcp): contohnya beryllium, cadmium, cobalt, magnesium, alpha titanium, zinc, dan zirconium.

Jarak antara atom dalam kristal ini struktur kira-kira 0,1 nm (10^-8 m). Model yang ditunjukkan pada gambar di bawah adalah dikenal sebagai model hard-ball atau hard-sphere; mereka bisa disamakan dengan bola tenis yang diatur dalam berbagai konfigurasi dalam sebuah kotak.

Struktur kristal Body-centered cubic (bcc): (a) hard-ball model; (b) unit sel; dan (c) kristal tunggal dengan beberapa unit sel

Struktur kristal Face-centered cubic (fcc): (a) hard-ball model;(b) unit sel dan (c) kristal tunggal dengan beberapa unit sel

Struktur kristal hexagonal close-packed (hcp): (a) unit sel; dan (b) kristal tunggal dengan beberapa unit sel

Dalam tiga struktur yang diilustrasikan, kristal hcp memiliki konfigurasi yang paling padat, diikuti oleh fcc dan kemudian bcc. Dalam struktur hcp, bidang atas dan bidang bawah disebut bidang basal. Ketiga pengaturan dapat dimodifikasi dengan menambahkan atom dari beberapa logam atau logam lain, yang dikenal sebagai paduan, sering kali untuk meningkatkan berbagai sifat logam. Struktur kristal memiliki pengaruh utama dalam menentukan sifat-sifat logam tertentu.

Alasan logam membentuk struktur kristal yang berbeda adalah untuk meminimalkan energi dibutuhkan untuk mengisi ruang. Tungsten, misalnya, membentuk struktur bcc karena struktur itu melibatkan lebih sedikit energi daripada struktur lain; demikian juga, aluminium membentuk struktur fcc. Namun, pada suhu yang berbeda, logam yang sama dapat membentuk struktur yang berbeda, karena kebutuhan energi yang lebih rendah. Misalnya, besi membentuk struktur bcc (besi alfa) di bawah 912°C (1674°F) dan di atas 1394°C (2541°F), tetapi membentuk struktur fcc (besi gamma) antara 912° dan 1394°C.

Munculnya lebih dari satu jenis struktur kristal dikenal sebagai alotropisme atau polimorfisme (berarti “banyak bentuk”). Karena sifat dan perilaku logam sangat bergantung pada struktur kristalnya, alotropisme adalah faktor dalam perlakuan panas logam, serta dalam pengerjaan logam dan pengelasan operasi. Logam kristal tunggal sekarang diproduksi sebagai ingot dalam ukuran dengan panjang 1 m (40 in.) dan hingga 300 mm (12 in), dengan diterapkan pada bilah turbin dan semikonduktor. Namun, sebagian besar logam yang digunakan dalam pembuatan adalah polikristalin.

Struktur kristal serta perubahan fasa sangat penting dan erat kaitanya dengan proses manufaktur, seperti misalkan heat treatment, welding, hot forming, dan lain sebagainya. Dengan desain yang baik dari penentuan komposisi material, temperature, dan lain-lain, dapat mempengaruhi hasil akhir dari kualitas produk yang difabrikasi.

Salah satu metode atau tool yang sangat membantu dalam proses desain yang kompleks dan umumnya iteratif ini adalah menggunakan virtual manufacturing, yaitu memanfaatkan metode komputasi untuk menyelesaikan model fisik dari proses manufaktur, baik dari beban, deformasi, tegangan, hingga ke perubahan fasa material serta costing. Selain dapat memperoleh hasil yang lebih cepat dan fleksibel untuk divariasikan, dengan virtual manufacturing, kita dapat mendapatkan insight-insight yang lebih mendalam dibandingkan dengan trial and error fisik.

Video di bawah ini menunjukkan penjelasan dari virtual manufacturing.