Dislokasi

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Dalam ilmu material, dislokasi adalah kristalografi cacat, atau ketidakteraturan, dalam struktur kristal. Teori ini awalnya dikembangkan oleh Vito Volterra pada tahun 1905. Beberapa jenis dislokasi dapat digambarkan sebagai disebabkan oleh penghentian pesawat dari atom di tengah-tengah sebuah kristal. Dalam kasus seperti itu, di sekitar pesawat tidak lurus, tapi tekuk di sekitar tepi menghentikan pesawat sehingga struktur kristal yang tertata dengan sempurna di kedua sisi. Analogi dengan tumpukan kertas sangat tepat, jika setengah secarik kertas dimasukkan ke dalam tumpukan kertas, cacat dalam tumpukan hanya terlihat di pinggir setengah lembar.

1.2 Teori Dislokasi

Dislokasi adalah suatu pergeseran atau pegerakan atom-atom di dalam sistem kristal logam akibat tegangan mekanik yang dapat menciptakan deformasi plastis (perubahan dimensi secara permanen). Kekuatan (strength) dan keuletan (ductility) atom di dalam melalui tingkat kesulitan atau kemudahan gerakan dislokasi di dalam sistem kristal logam. Misalya pada proses pengerjaan dingin (cold work) terjhadi peningkatan dislokasi di dalam kristal logam sehingga kekuatan logam meningkat, namun keuletan menurun. Ada dua tipe utama: dislokasi tepi dan dislokasi ulir. Mixed dislokasi penengah antara ini.

Secara matematis, dislokasi adalah jenis topologi cacat, kadang-kadang disebut soliton. Dua dislokasi berlawanan orientasi, ketika dibawa bersama-sama, dapat membatalkan satu sama lain (ini adalah proses penghancuran), tetapi satu dislokasi biasanya tidak dapat menghilang dengan sendirinya.

BAB II

MACAM-MACAM DISLOKASI

2.1 Dislokasi Geometri

Dua jenis utama dislokasi adalah tepi dan sekrup. Dislokasi ditemukan dalam bahan nyata biasanya dicampur, yang berarti bahwa mereka memiliki karakteristik dari keduanya. Sebuah bahan kristal terdiri dari atom array biasa, disusun dalam bidang kisi.

Gambar 2.2 Skema Diagram (kisi pesawat) menunjukkan dislokasi sisi.

Vektor Burgers hitam, garis dislokasi dengan warna biru.

2.2 Dislokasi Sisi

Sebuah dislokasi sisi merupakan suatu cacat di mana setengah ekstra bidang atom diperkenalkan pertengahan jalan melalui kristal, distorsi pesawat dekat atom. Bila kekuatan yang cukup diberikan dari satu sisi struktur kristal, pesawat tambahan ini melewati atom pesawat pecah dan bergabung dengan ikatan bersama mereka sampai mencapai batas butir. Sebuah diagram skematik sederhana seperti pesawat atom dapat digunakan untuk menggambarkan cacat kisi seperti dislokasi. Dislokasi memiliki dua sifat, garis arah, yang merupakan arah berjalan sepanjang dasar setengah ekstra pesawat, dan vektor Burgers yang menggambarkan besar dan arah distorsi ke kisi. Dalam sebuah dislokasi tepi, Burgers vektor tegak lurus terhadap arah garis.

Tekanan yang disebabkan oleh dislokasi sisi sangat kompleks karena asimetri yang terkandung di dalamnya. Tegangan tersebut dijelaskan oleh tiga persamaan:

Persamaan ini menyarankan halter berorientasi vertikal tegangan yang mengelilingi dislokasi, dengan kompresi yang dialami oleh atom dekat ekstra pesawat, dan ketegangan yang dialami oleh orang-atom dekat hilang pesawat.

2.3 Dislokasi Ulir

Sebuah dislokasi ulir jauh lebih sulit untuk memvisualisasikan. Bayangkan memotong kristal sepanjang pesawat dan tergelincir satu setengah melintasi kisi lain dengan sebuah vektor, yang setengah-setengah akan cocok kembali bersama-sama tanpa meninggalkan cacat. Jika hanya pergi bagian memotong jalan melalui kristal, dan kemudian tergelincir, batas dari memotong adalah dislokasi ulir. Ini terdiri dari sebuah struktur di mana heliks dilacak di sekitar jalan adalah cacat linear (garis dislokasi) oleh pesawat atom dalam kisi kristal (Gambar 2.3). Mungkin analogi yang paling dekat adalah spiral-iris ham. Dislokasi ulir murni, vektor Burgers sejajar dengan garis arah.

Meskipun kesulitan dalam visualisasi, tekanan yang disebabkan oleh dislokasi ulir kurang kompleks daripada sebuah dislokasi sisi. Tegangan tersebut hanya perlu satu persamaan, seperti simetri memungkinkan hanya satu koordinat radial untuk digunakan:

Persamaan ini menunjukkan silinder panjang stres yang memancar keluar dari silinder dan menurun dengan jarak. Model sederhana ini menghasilkan nilai yang tak terhingga untuk inti dislokasi pada r = 0 dan sehingga hanya berlaku untuk menekankan di luar inti dislokasi.

2.4 Dislokasi Campuran

Dalam banyak bahan, dislokasi dapat ditemukan di mana garis arah dan Burgers vektor yang tidak tegak lurus atau paralel dan dislokasi ini disebut dislokasi campuran, yang terdiri dari karakter ulir dan karakter tepi.

BAB III

OBSERVASI DISLOKASI

3.1 Observasi Dislokasi

Gambar 3.1 Transmisi Mikrograf Elektron Dislokasi

Ketika garis dislokasi memotong permukaan bahan logam, medan regangan yang terkait secara lokal meningkatkan kerentanan relatif dari material tersebut untuk asam etsa dan lubang etch format geometris secara teratur. Jika bahan tegang (cacat) dan berulang tergores, serangkaian etch lubang-lubang yang dapat diproduksi secara efektif melacak gerakan dislokasi bersangkutan.

Mikroskopi elektron transmisi dapat digunakan untuk mengamati dislokasi dalam mikrostruktur material. Foil tipis digunakan untuk membuat untuk membuat transparan berkas elektron mikroskop. Elektron-elektron yang mengalami berkas difraksi oleh kisi kristal reguler bidang atom logam, relatif berbeda sudut antara balok dan bidang kisi dari setiap butir dalam mikrostruktur logam dan menghasilkan gambar kontras (antara butir orientasi kristalografi yang berbeda). Struktur atom yang kurang teratur antara batas butir dan medan regangan di sekitar garis dislokasi Diffractive berbeda sifat dari kisi biasa dalam butir, dan karena itu efek kontras yang berbeda dalam mikrograf elektron. (dislokasi dipandang sebagai garis gelap dalam terang, wilayah pusat mikrograf di sebelah kanan). Transmisi mikrograf elektron dislokasi biasanya memanfaatkan magnifications dari 50.000 sampai 300.000 kali.

Perhatikan karakteristik 'Wiggly' kontras pada garis dislokasi ketika mereka melalui ketebalan material. Perhatikan juga bahwa dislokasi tidak berakhir dalam kristal, garis dislokasi dalam gambar ini berakhir pada permukaan sampel. Dislokasi hanya dapat terdapat dalam kristal sebagai sebuah loop.

Field ion microscope dan atom probe menawarkan metode teknik memproduksi magnifications jauh lebih tinggi (biasanya 3 juta kali) dan memungkinkan pengamatan dislokasi pada tingkat atom. Permukaan di mana bantuan dapat diselesaikan dengan tingkat langkah atom, dislokasi ulir spiral yang muncul sebagai fitur unik mengungkapkan mekanisme penting pertumbuhan kristal, ada langkah permukaan, dimana atom dapat lebih mudah menambah kristal, dan permukaan langkah terkait dengan dislokasi ulir tidak pernah hancur tidak peduli berapa banyak atom yang ditambahkan ke dalamnya.

Setelah etsa kimia, terbentuk lubang-lubang kecil di mana solusi etsa serangan preferentially permukaan sampel di mencegat dislokasi permukaan ini, karena keadaan tegang lebih tinggi dari materi. Dengan demikian, fitur gambar yang menunjukkan titik-titik di mencegat dislokasi permukaan sampel. Dengan cara ini, dislokasi dalam silikon, misalnya, secara tidak langsung dapat diamati dengan menggunakan mikroskop interferensi. Orientasi kristal dapat ditentukan dengan bentuk lubang-lubang etch terkait dengan dislokasi.

BAB IV

Sumber Dislokasi

4.1 Sumber Dislokasi

Kerapatan dislokasi dalam suatu material dapat ditingkatkan oleh deformasi plastik oleh hubungan berikut:

Karena kerapatan dislokasi meningkat dengan deformasi plastik, sebuah mekanisme untuk menciptakan dislokasi harus diaktifkan dalam materi. Tiga mekanisme untuk pembentukan dislokasi dibentuk oleh homogen nukleasi, inisiasi batas butir, dan interface kisi dan permukaan, presipitat, tersebar fase, atau memperkuat serat.

Penciptaan dislokasi oleh nukleasi homogen adalah hasil dari pecahnya ikatan atom sepanjang garis dalam kisi. Sebuah pesawat dalam kisi dicukur, sehingga dihadapi setengah pesawat atau dislokasi. Dislokasi ini menjauh antara yang satu dan lainnya melalui kisi. Dalam homogen nukleasi bentuk kristal dislokasi dari sempurna dan melewati simultan dari banyak ikatan, energi yang diperlukan untuk nukleasi homogen tinggi. Misalnya stres diperlukan untuk homogen nukleasi tembaga

Oleh karena itu, dalam deformasi konvensional homogen nukleasi memerlukan terkonsentrasi stres, dan sangat tidak mungkin. Batas butir inisiasi dan antarmuka interaksi yang lebih umum sumber dislokasi.

Langkah-langkah dan tepian di batas butir merupakan sumber penting dislokasi pada tahap awal deformasi plastik, permukaan kristal dapat menghasilkan dislokasi di dalam kristal. Karena langkah-langkah kecil di permukaan kristal, stres di daerah tertentu di permukaan jauh lebih besar daripada rata-rata stres dalam kisi. Dislokasi kemudian disebarkan ke kisi dengan cara yang sama seperti dalam batas butir inisiasi. Dalam monocrystals, mayoritas dislokasi terbentuk di permukaan. Kerapatan dislokasi 200 mikrometer ke permukaan material, telah terbukti menjadi enam kali lebih tinggi daripada kepadatan dalam massal. Namun, dalam bahan polikristalin sumber permukaan tidak dapat memiliki pengaruh yang besar karena sebagian besar butir tidak berhubungan dengan permukaan.

Batas antara logam dan oksida dapat sangat meningkatkan jumlah dislokasi yang terjadi. Lapisan oksida menempatkan permukaan logam dalam ketegangan karena memeras atom oksigen ke dalam kisi, dan atom oksigen di bawah kompresi. Hal ini sangat meningkatkan tekanan pada permukaan logam dan akibatnya jumlah dislokasi terbentuk pada permukaan. Tekanan yang dihasilkan oleh sumber dislokasi dapat divisualisasikan dengan photoelasticity dalam Lif iradiasi gamma-kristal tunggal. Tegangan tarik sepanjang bidang luncur merah. Stres kompresi hijau gelap.

4.2 Dislokasi Terpeleset dan Plastisitas

Salah satu tantangan dalam ilmu material adalah untuk menjelaskan plastisitas dalam istilah mikroskopis. Sebuah usaha untuk menghitung tegangan geser pada bidang yang atom tetangga dapat melewati satu sama lain dalam kristal yang sempurna menunjukkan bahwa, untuk bahan dengan modulus geser G, kekuatan geser τ _m diberikan kira-kira oleh:

Modulus geser = 20.000-150.000 MPa,

Tegangan geser = 0,5-10 Mpa

Pada tahun 1934, Egon Orowan, Michael Polanyi dan GI Taylor, secara simultan menyadari bahwa deformasi plastis dapat dijelaskan dalam kerangka teori dislokasi. Dislokasi dapat bergerak jika atom dari salah satu pesawat sekitar melanggar obligasi dan rebond dengan atom di tepi terminating. Akibatnya, pesawat setengah atom bergerak dalam menanggapi tegangan geser dengan melanggar dan mereformasi garis obligasi, pada satu waktu. Energi yang dibutuhkan untuk memecahkan ikatan tunggal kurang dari yang dibutuhkan untuk memutuskan semua ikatan pada seluruh bidang atom sekaligus. Bahkan model sederhana ini gaya yang dibutuhkan untuk memindahkan dislokasi plastisitas menunjukkan bahwa mungkin pada tegangan jauh lebih rendah dibandingkan dengan kristal yang sempurna. Dalam banyak bahan, terutama bahan ulet, dislokasi adalah pembawa deformasi plastik, dan energi yang dibutuhkan untuk memindahkan kurang dari energi yang dibutuhkan untuk patah tulang material. Dislokasi menimbulkan sifat lunak karakteristik logam.

Ketika logam menjadi sasaran untuk bekerja dingin (deformasi pada suhu yang relatif rendah dibandingkan dengan bahan temperatur leleh absolut, T _m, yaitu biasanya kurang dari 0,3 T _m) meningkatkan kerapatan dislokasi akibat pembentukan dislokasi baru dan dislokasi perkalian. Akibatnya meningkatkan ketegangan tumpang tindih antara bidang dislokasi yang berdekatan secara bertahap meningkatkan ketahanan terhadap gerakan dislokasi lebih lanjut. Ini menyebabkan pengerasan logam sebagai deformasi kemajuan. Efek ini dikenal sebagai pengerasan regangan. Kusut dislokasi ditemukan pada tahap awal deformasi dan muncul sebagai non batas-batas yang terdefinisi dengan baik. Proses dinamis pemulihan pada akhirnya mengarah pada pembentukan struktur selular yang berisi batas-batas dengan salah orientasi lebih rendah dari 15°. Selain itu, menjepit menambahkan poin yang menghambat gerak dislokasi, seperti elemen paduan, dapat memperkenalkan bidang stres yang pada akhirnya memperkuat materi dengan mengharuskan tegangan yang lebih tinggi untuk mengatasi stres dan terus menjepit pergerakan dislokasi.

Efek pengerasan regangan oleh akumulasi dislokasi dan struktur gandum terbentuk pada tekanan tinggi dapat dihilangkan dengan perlakuan panas yang tepat (anil) yang mendorong pemulihan dan selanjutnya recrystallisation material.

Gabungan teknik pemrosesan pekerjaan pengerasan dan anil memungkinkan untuk mengontrol kerapatan dislokasi, dislokasi derajat keterlibatan, dan akhirnya kekuatan luluh material.

4.3 Dislokasi Memanjat

Dislokasi dapat menyelinap dalam bidang yang mengandung dislokasi dan Burgers Vector. Untuk dislokasi ulir, dislokasi dan vektor Burgers sejajar, sehingga dislokasi mungkin akan terpeleset di setiap bidang yang mengandung dislokasi. Untuk dislokasi sisi, dislokasi dan vektor Burgers tegak lurus, sehingga hanya ada satu pesawat di mana dislokasi dapat tergelincir.

Ada mekanisme alternatif gerakan dislokasi, yang secara fundamental berbeda dari slip, yang memungkinkan sebuah dislokasi tepi untuk bergerak keluar dari slip, yang dikenal sebagai memanjat dislokasi. Memanjat memungkinkan dislokasi dislokasi sisi untuk bergerak tegak lurus pada bidang slip. Kekuatan pendorong untuk mendaki dislokasi adalah gerakan kekosongan melalui kisi-kisi kristal. Jika kekosongan bergerak di samping batas bidang tambahan setengah atom yang membentuk dislokasi sisi, atom dalam pesawat setengah terdekat dengan kekosongan dapat melompat dan mengisi kekosongan. Pergeseran atom ini bergerak kekosongan sesuai dengan bidang setengah atom, menyebabkan pergeseran, atau mendaki positif dari dislokasi. Proses kekosongan terserap di batas setengah bidang atom, bukan diciptakan, dikenal sebagai memanjat negatif. Sejak dislokasi memanjat hasil dari masing-masing atom melompat ke kekosongan, memanjat terjadi pada diameter atom tunggal bertahap.

Selama memanjat positif, kristal menyusut dalam arah tegak lurus terhadap bidang tambahan setengah atom atom karena dikeluarkan dari setengah pesawat. Sejak negatif memanjat melibatkan penambahan atom untuk setengah pesawat, kristal tumbuh dalam arah tegak lurus terhadap pesawat setengah. Oleh karena itu, kompresi stres dalam arah tegak lurus terhadap pesawat setengah mempromosikan memanjat positif, sedangkan tegangan tarik mempromosikan memanjat negatif. Ini adalah salah satu perbedaan utama antara slip dan memanjat, karena slip hanya disebabkan oleh tegangan geser.

Salah satu perbedaan tambahan antara dislokasi slip dan memanjat adalah temperatur ketergantungan. Memanjat terjadi jauh lebih cepat pada temperatur tinggi daripada suhu rendah akibat kenaikan kekosongan gerak. Slip, di sisi lain, hanya memiliki sedikit ketergantungan pada suhu.

Penguatan Larutan Padat (solid solution strengthening)

Penguatan ini disebabkan oleh impurities atom dari pemaduan logam sehingga terjadi larutan padat substitusi atau interstisi. Logam yang murni akan bersifat lunak dan lemah. Dengan adanya larutan padat akan meningkatkan kekuatan dan kekerasan.

Logam paduan akan lebih kuat dari logam murni disebabkan oleh impuritis atom pemadu yang dapat menimbulkan regangan elastis di medan antar kisi. Medan antar kisi berinteraksi antara dislokasi yang ada dan impurities atom. Akibatnya gerakan dislokasi menjadi terhambat sehingga terjadi reaks dislokasi yang memicu terjadinya perbanyakan dislokasi. Penguatan larutan padat substitusi dan interstisi ditunjukkan pada Gambar 40 dan 41 di bawah.