Pengertian FCC, BCC dan HCP pada Struktur Kristal Logam
Ada 14 jenis struktur unit kristal yang ditemukan di alam. Namun sebagian besar logam dan banyak padatan lainnya memiliki struktur unit sel yang digambarkan sebagai Body-Centered Cubic (bcc), Face Centered Cubic (fcc) atau Hexagonal Close Packed (hcp). Karena struktur ini paling umum, mereka akan dibahas secara lebih rinci.
Struktur Body-Centered Cubic (BCC)
Sel unit kubus yang berpusat pada tubuh memiliki atom di masing-masing dari delapan sudut kubus (seperti sel unit kubik) ditambah satu atom di tengah kubus (gambar kiri di bawah). Setiap atom sudut adalah sudut kubus lain sehingga atom sudut dibagi di antara delapan sel satuan. Dikatakan memiliki jumlah koordinasi 8. Sel unit bcc terdiri dari total bersih dua atom; satu di tengah dan delapan per delapan dari atom sudut seperti yang ditunjukkan pada gambar tengah di bawah (gambar tengah di bawah). Gambar di bawah ini menyoroti sel satuan di bagian yang lebih besar dari strukrur kristal.
Pengaturan bcc tidak memungkinkan atom untuk dikemas bersama-sama sedekat pengaturan fcc atau hcp. Struktur bcc sering berupa logam bersuhu tinggi yang dikemas rapat pada suhu rendah. Volume atom dalam sel per total volume sel disebut faktor pengepakan . Sel unit bcc memiliki faktor pengemasan 0,68.
Beberapa bahan yang memiliki struktur bcc termasuk litium, natrium, kalium, kromium, barium, vanadium, alfa-besi dan tungsten. Logam yang memiliki struktur bcc biasanya lebih keras dan lebih lunak dari logam yang dikemas rapat seperti emas. Ketika logam berubah bentuk, bidang-bidang atom harus saling tergelincir, dan ini lebih sulit dalam struktur bcc. Perlu dicatat bahwa ada mekanisme penting lainnya untuk bahan pengerasan, seperti memasukkan kotoran atau cacat yang membuat tergelincir lebih sulit. Mekanisme pengerasan ini akan dibahas belakangan.
Struktur Face Centered Cubic (FCC)
Struktur kubus centered wajah (FCC) memiliki atom yang terletak di setiap sudut dan pusat semua wajah kubik (gambar kiri di bawah). Setiap atom sudut adalah sudut kubus lain sehingga atom sudut dibagi di antara delapan sel satuan. Selain itu, masing-masing dari enam atom yang berpusat pada wajah dibagi dengan atom yang berdekatan. Karena 12 atomnya terbagi, dikatakan memiliki angka koordinasi 12. Sel satuan fcc terdiri dari total bersih empat atom; delapan per delapan dari sudut atom dan enam bagian dari atom wajah seperti yang ditunjukkan pada gambar tengah di atas. Gambar di bawah ini menyoroti sel satuan di bagian yang lebih besar dari struktur kristal.
Dalam struktur fcc (dan struktur hcp) atom-atom dapat berkemas lebih dekat daripada yang mereka dapat dalam struktur bcc. Atom-atom dari satu lapisan bersarang di ruang kosong antara atom-atom dari lapisan yang berdekatan. Untuk menggambarkan pengaturan pengemasan, bayangkan sebuah kotak berisi lapisan bola yang disejajarkan dalam kolom dan baris. Ketika beberapa bola tambahan dilemparkan ke dalam kotak, mereka tidak akan menyeimbangkan langsung di atas bola di lapisan pertama tetapi sebaliknya akan datang untuk beristirahat di saku yang dibuat antara empat bola dari lapisan bawah. Karena lebih banyak bola ditambahkan, mereka akan dikemas bersama untuk mengisi semua kantong. Faktor pengepakan (volume atom dalam sel per total volume sel) adalah 0,74 untuk kristal fcc. Beberapa logam yang memiliki struktur fcc termasuk aluminium, tembaga, emas, iridium, timah, nikel, platinum, dan perak.
Struktur Hexagonal Close Packed (HCP)
Struktur lain yang tertutup rapat adalah paket tutup heksagonal. Struktur heksagonal dari lapisan bolak-balik bergeser sehingga atom-atomnya sejajar dengan celah lapisan sebelumnya. Atom-atom dari satu lapisan bersarang di ruang kosong antara atom-atom dari lapisan yang berdekatan seperti dalam struktur fcc. Namun, alih-alih menjadi struktur kubik, polanya adalah heksagonal. (Lihat gambar di bawah.) Perbedaan antara struktur HCP dan FCC dibahas kemudian di bagian ini.
Struktur hcp memiliki tiga lapisan atom. Di setiap lapisan atas dan bawah, ada enam atom yang mengatur diri mereka sendiri dalam bentuk segi enam dan atom ketujuh yang duduk di tengah-tengah segi enam. Lapisan tengah memiliki tiga atom bersarang di "alur" segitiga dari bidang atas dan bawah. Perhatikan bahwa ada enam "alur" yang mengelilingi masing-masing atom dalam bidang heksagonal, tetapi hanya tiga di antaranya yang dapat diisi oleh atom.
Seperti yang ditunjukkan pada gambar tengah di atas, ada enam atom dalam sel unit hcp. Masing-masing dari 12 atom di sudut-sudut lapisan atas dan bawah menyumbang 1/6 atom ke unit sel, dua atom di pusat segi enam dari lapisan atas dan bawah masing-masing menyumbang ½ atom dan masing-masing dari tiga atom di lapisan tengah berkontribusi 1 atom. Gambar di kanan atas mencoba menampilkan beberapa sel unit hcp dalam struktur kristal yang lebih besar.
Jumlah koordinasi atom dalam struktur ini adalah 12. Ada enam tetangga terdekat di lapisan yang sama, tiga di lapisan di atas dan tiga di lapisan di bawah. Faktor pengepakan adalah 0,74, yang sama dengan sel satuan fcc. Struktur hcp sangat umum untuk logam unsur dan beberapa contoh termasuk berilium, kadmium, magnesium, titanium, seng dan zirkonium.
Struktur Body-Centered Cubic (BCC)
Sel unit kubus yang berpusat pada tubuh memiliki atom di masing-masing dari delapan sudut kubus (seperti sel unit kubik) ditambah satu atom di tengah kubus (gambar kiri di bawah). Setiap atom sudut adalah sudut kubus lain sehingga atom sudut dibagi di antara delapan sel satuan. Dikatakan memiliki jumlah koordinasi 8. Sel unit bcc terdiri dari total bersih dua atom; satu di tengah dan delapan per delapan dari atom sudut seperti yang ditunjukkan pada gambar tengah di bawah (gambar tengah di bawah). Gambar di bawah ini menyoroti sel satuan di bagian yang lebih besar dari strukrur kristal.
Beberapa bahan yang memiliki struktur bcc termasuk litium, natrium, kalium, kromium, barium, vanadium, alfa-besi dan tungsten. Logam yang memiliki struktur bcc biasanya lebih keras dan lebih lunak dari logam yang dikemas rapat seperti emas. Ketika logam berubah bentuk, bidang-bidang atom harus saling tergelincir, dan ini lebih sulit dalam struktur bcc. Perlu dicatat bahwa ada mekanisme penting lainnya untuk bahan pengerasan, seperti memasukkan kotoran atau cacat yang membuat tergelincir lebih sulit. Mekanisme pengerasan ini akan dibahas belakangan.
Struktur Face Centered Cubic (FCC)
Struktur kubus centered wajah (FCC) memiliki atom yang terletak di setiap sudut dan pusat semua wajah kubik (gambar kiri di bawah). Setiap atom sudut adalah sudut kubus lain sehingga atom sudut dibagi di antara delapan sel satuan. Selain itu, masing-masing dari enam atom yang berpusat pada wajah dibagi dengan atom yang berdekatan. Karena 12 atomnya terbagi, dikatakan memiliki angka koordinasi 12. Sel satuan fcc terdiri dari total bersih empat atom; delapan per delapan dari sudut atom dan enam bagian dari atom wajah seperti yang ditunjukkan pada gambar tengah di atas. Gambar di bawah ini menyoroti sel satuan di bagian yang lebih besar dari struktur kristal.
Struktur Hexagonal Close Packed (HCP)
Struktur lain yang tertutup rapat adalah paket tutup heksagonal. Struktur heksagonal dari lapisan bolak-balik bergeser sehingga atom-atomnya sejajar dengan celah lapisan sebelumnya. Atom-atom dari satu lapisan bersarang di ruang kosong antara atom-atom dari lapisan yang berdekatan seperti dalam struktur fcc. Namun, alih-alih menjadi struktur kubik, polanya adalah heksagonal. (Lihat gambar di bawah.) Perbedaan antara struktur HCP dan FCC dibahas kemudian di bagian ini.
Seperti yang ditunjukkan pada gambar tengah di atas, ada enam atom dalam sel unit hcp. Masing-masing dari 12 atom di sudut-sudut lapisan atas dan bawah menyumbang 1/6 atom ke unit sel, dua atom di pusat segi enam dari lapisan atas dan bawah masing-masing menyumbang ½ atom dan masing-masing dari tiga atom di lapisan tengah berkontribusi 1 atom. Gambar di kanan atas mencoba menampilkan beberapa sel unit hcp dalam struktur kristal yang lebih besar.
Jumlah koordinasi atom dalam struktur ini adalah 12. Ada enam tetangga terdekat di lapisan yang sama, tiga di lapisan di atas dan tiga di lapisan di bawah. Faktor pengepakan adalah 0,74, yang sama dengan sel satuan fcc. Struktur hcp sangat umum untuk logam unsur dan beberapa contoh termasuk berilium, kadmium, magnesium, titanium, seng dan zirkonium.