Pengaruh struktur kisi pada daktilitas
Artikel ini memberikan jawaban atas pertanyaan-pertanyaan berikut,
antara lain:
- Apa itu bidang
kisi?
- Apa yang
dimaksud dengan sistem slip?
- Mengapa struktur
kisi yang terdeformasi dengan baik memiliki sistem slip sebanyak mungkin?
- Dalam kapasitas
apa perbedaan logam tempa dengan logam cor ?
- Berapa banyak
sistem slip yang dimiliki kisi kubus yang berpusat pada tubuh?
- Mengapa kisi
kubik yang berpusat pada wajah lebih mudah dibentuk daripada kisi kubik
yang berpusat pada tubuh, meskipun keduanya memiliki jumlah sistem slip
yang sama?
- Berapa banyak
bidang slip yang dimiliki kisi heksagonal terdekat?
- Apa yang
dimaksud dengan polimorfisme atau alotropi?
Sistem Slip
Seperti dijelaskan dalam artikel tentang Fundamentals of
Deformation , proses deformasi plastis pada logam dapat dikaitkan dengan
selipnya blok atom pada bidang kisi. Sebuah bidang kisi adalah bidang
imajiner sewenang-wenang yang secara teratur diisi dengan atom. Tidak hanya
bidang-bidang itu yang dianggap sebagai bidang kisi yang dengannya struktur
berbagai jenis kisi dijelaskan dalam bab Jenis-jenis penting dari
struktur kisi !
Bidang kisi mengacu pada bidang dalam struktur kisi yang secara teratur ditutupi dengan atom!
Gambar di atas menunjukkan bidang kisi yang mungkin secara
skematis dalam kristal. Pada titik ini, harus secara tegas disebutkan bahwa
"batang" tidak mewakili ikatan dalam pencitraan sel satuan. Hanya
karena dua atom dihubungkan oleh batang tidak selalu berarti ada ikatan yang
sangat kuat antara atom-atom ini! Jadi, misalnya, dalam jenis kisi kubik tidak
hanya permukaan luar dari kubus membentuk bidang kisi, tetapi juga bidang
miring yang sewenang-wenang. Orang harus membayangkan struktur kisi hanya tanpa
"palang" ketika datang ke bidang kisi.
Jika geser seluruh lapisan atom dapat terjadi pada bidang kisi,
itu disebut sebagai bidang slip .
Bidang Slip adalah bidang kisi di mana seluruh lapisan atom dapat meluncur!
Meskipun ada banyak bidang kisi dalam struktur kisi, tidak semua
cocok sebagai bidang slip. Alasan untuk ini adalah gaya elektrostatik yang
bekerja di antara atom-atom, yang mengikat bidang atom kurang lebih kuat satu
sama lain. Dalam struktur kisi, bidang-bidang kisi tersebut lebih disukai
berfungsi sebagai bidang selip, yang memiliki jarak kemungkinan terbesar satu
sama lain ("gaya tarik rendah antar bidang"). Selain itu, bidang kisi
harus mengandung atom sebanyak mungkin ("geser bidang dengan
lembut").
Pemindahan bidang slip pada dasarnya tidak diberikan di semua arah
karena alasan energetik. Dengan demikian, bidang slip sangat sulit untuk
bergerak ke arah di mana urutan susun akan berubah. Untuk itu, misalnya, kisi
kubik berpusat pada wajah akan membuat kisi heksagonal. Tetapi akhirnya ada
alasan energetik mengapa kisi mengkristal dalam jenis kisi tertentu.
Untuk daktilitas yang baik, karena itu, logam harus, selain
sejumlah besar bidang slip yang berbeda, juga memiliki jumlah tertinggi yang
mungkin disebut arah slip . Ini adalah kombinasi dari jumlah bidang slip
dan jumlah arah slip yang menentukan opsi keseluruhan slip dan dengan demikian
deformabilitas. Kombinasi bidang slip dan arah slip disebut sebagai
sistem slip .
Jumlah sistem slip menggambarkan kemungkinan geser struktur kisi dan karenanya merupakan ukuran keuletannya.
Perhatikan bahwa deformabilitas yang baik tidak selalu berarti
bahwa struktur kisi harus sudah dideformasi oleh kekuatan kecil. Daktilitas
yang baik lebih berarti, bahwa struktur kisi harus berubah bentuk tanpa
kerusakan ("retak"). Oleh karena itu struktur kisi harus memiliki
sistem slip sebanyak mungkin.
Logam dan struktur kisi mereka
Struktur kisi yang berbeda (fcc, bcc, hcp, dll.) Masing-masing
memiliki jumlah sistem slip yang berbeda baik secara kuantitas maupun kualitas.
Ini adalah alasan utama mengapa logam dapat dideformasi ke derajat yang berbeda
tergantung pada jenis kisi.
Logam seperti magnesium, kobalt, seng atau titanium sulit
dideformasi secara plastis dalam kondisi normal. Mereka lebih suka retak. Semua
logam ini memiliki kesamaan bahwa mereka hadir dalam struktur kisi heksagonal
yang paling dekat (hcp-lattice). Jenis kisi ini jelas hanya menawarkan beberapa
sistem slip.
Sebaliknya, logam seperti aluminium, timah, tembaga dan nikel
memiliki deformabilitas yang sangat baik. Ini jelas karena struktur kubik
berpusat pada wajah mereka (fcc-lattice), yang menawarkan banyak sistem slip.
Daktilitas kisi kubus yang berpusat pada tubuh (bcc-lattice)
terletak di antara jenis kisi yang disebutkan di atas. Perwakilan khas dari
struktur ini adalah logam seperti besi, kromium, molibdenum dan vanadium.
Daktilitas terus menurun mulai dari kisi fcc melalui kisi bcc sampai ke hcp-lattice!
Karena daktilitas yang baik dari struktur kisi kubik berpusat muka
dari tembaga dan aluminium (atau paduannya), logam ini sering digunakan sebagai
logam tempa . Di sisi lain, logam magnesium dan seng terutama digunakan sebagai
logam cor karena kisi mereka yang sulit dideformasi.
Struktur kubik berpusat pada tubuh
Kisi kubik berpusat-tubuh (bcc) terutama memiliki 6 bidang selip
di mana blok kisi lebih disukai meluncur. Ini sesuai dengan tingkat yang selain
dua atom pada tepi kubus juga termasuk atom yang berpusat pada tubuh serta atom
yang berlawanan secara diagonal.
Ada 2 kemungkinan arah slip untuk setiap bidang slip. Ini sesuai
dengan area diagonal bidang yang ditentukan (ditandai dengan warna kuning).
Arah lain untuk meluncur adalah tidak mungkin karena kekuatan tarik yang kuat.
Karenanya, bcc-lattice memiliki 12 kemungkinan geser (= 6 bidang slip x arah
slip), bagaimana blok atom dapat saling mencukur.
Struktur kisi kubik yang berpusat pada tubuh memiliki 12 sistem slip!
Tidak hanya bidang diagonal tetapi juga bidang atom lainnya dapat
berfungsi sebagai bidang selip jika gaya yang lebih besar diterapkan. Namun,
karena bidang slip ini hanya diaktifkan dengan gaya yang lebih tinggi karena
gaya tarik elektrostatik yang lebih besar, mereka tidak menentukan
deformabilitas untuk gaya kecil. Jadi itu tetap di 12 bidang slip dioperasikan
terutama di kisi kubik berpusat tubuh. Jika semua opsi geser diperhitungkan,
maka satu akan mencapai total 48 sistem slip.
Pada kekuatan tinggi, hingga 48 sistem slip dapat diaktifkan di kisi kubik yang berpusat pada tubuh!
Struktur kubik berpusat pada wajah
Berbeda dengan bcc-lattice, total 4 empat bidang slip dapat
ditemukan di kisi kubik berpusat-wajah (fcc), di mana blok atom lebih disukai meluncur.
Ini adalah lapisan yang paling dekat yang dijalankan secara diagonal melalui
sel satuan. Ada 3 arah slip untuk masing-masing bidang slip ini.
Perhatikan bahwa geser hanya terjadi pada arah di mana urutan
penumpukan (ABCABC ...) dipertahankan. Karena dengan mengubah urutan penumpukan
(misalnya dalam ABAB ...), misalnya, kisi-fcc akan menjadi sebagian struktur
terpaket terdekat heksagonal. Namun, kondisi ini sulit direalisasikan karena
kekuatan tinggi yang diperlukan. Lagi pula, ada alasan (energetik) mengapa
struktur kisi adalah kubik yang berpusat pada wajah dan bukan heksagonal.
Seperti bcc-lattice, maka fcc-lattice memiliki total 12 sistem
slip (= 4 bidang slip x arah 3 slip).
Struktur kisi kubik berpusat pada wajah memiliki total 12 sistem slip!
Karena jumlah sistem slip yang sama, orang dapat menyimpulkan
secara prematur bahwa kedua kisi (fcc dan bcc) sama-sama dapat dideformasi.
Namun dalam praktiknya, ditemukan bahwa kisi-fcc menunjukkan keuletan yang jauh
lebih tinggi.
Alasan untuk ini adalah bahwa bidang slip dalam struktur fcc
paling dekat dikemas dibandingkan dengan bcc-lattice. "Mengangkat" blok
atom dari "lubang" dengan demikian membutuhkan pengeluaran energi
yang jauh lebih rendah. Oleh karena itu proses pemotongan berlangsung dengan
sedikit usaha.
Selain kriteria utama jumlah sistem slip (kuantitas), kualitas bidang
slip juga berperan dalam keuletan.
Karena bidang selip terpaket terdekat, kisi kubik berpusat pada wajah lebih ulet meskipun jumlah sistem selip yang sama dengan kisi kubik berpusat tubuh!
Catatan: Slip bidang yang atom-atomnya paling dekat dikemas juga
disebut slip bidang primer . Level dikemas terdekat seperti itu tidak ada
dalam bcc-latticed (lihat artikel tipe penting dari struktur kisi )!
Struktur kisi heksagonal yang paling dekat
Berbeda dengan fcc-lattice dengan total 4 bidang slip primer, kisi
dikemas terdekat heksagonal (hcp) hanya memiliki 1 bidang slip primer. Ini
adalah dasar heksagonal dari sel satuan. Ada 3 arah slip untuk bidang slip ini,
sehingga hcp-lattice memiliki total 3 sistem slip.
Struktur kisi terdekat heksagonal hanya memiliki 3 sistem slip!
Perhatikan bahwa untuk penentuan jumlah bidang slip, hanya lapisan
atom non-paralel yang penting, yang dengan demikian dapat diaktifkan secara
independen satu sama lain. Tingkat atom yang terletak di atas pangkalan pada
akhirnya identik; mereka hanya bergeser satu sama lain. Hcp-lattice dengan
demikian hanya memiliki daktilitas kecil dibandingkan dengan fcc-lattice dan
bcc-lattice.
Bahkan dalam hcp-lattice, bidang slip tambahan dapat diaktifkan
dengan kekuatan yang lebih besar. Jadi, misalnya, permukaan luar sel unit juga
dapat berfungsi sebagai bidang slip. Namun, ini membutuhkan gaya yang sangat
tinggi, itulah sebabnya deformabilitas logam dengan hcp-lattice sangat rendah
dalam kondisi normal.
Ringkasan
Struktur kisi yang paling penting dibandingkan dengan
daktilitasnya dalam tabel di bawah ini.
|
|
Kubik Berpusat Muka
(Fcc)
|
Kubik Berpusat Badan
(Bcc)
|
Heksagonal Terdekat Dikemas (Hcp)
|
|
Struktur Kisi
|
 |
 |
 |
|
Jumlah Pesawat Slip
Yang Disukai
|
4
|
6
|
1
|
|
Jumlah Arah Slip
|
3
|
2
|
3
|
|
Jumlah Sistem Slip
Yang Disukai
|
12
|
12
|
3
|
|
Kepadatan Pengepakan
|
74% (dikemas
terpadat)
|
68% (dikemas secara
longgar)
|
74% (dikemas
terpadat)
|
|
Daktilitas
|
tinggi
|
medium
|
rendah
|
|
Logam
|
γ-besi (<1392 °
C), aluminium, β-kobalt (> 417 ° C), timah, tembaga, nikel
|
α-besi (<911 °
C), chrome, molybdenum, β-titanium (> 882 ° C), vanadium, tungsten
|
α-kobalt (<417 °
C), α-titanium (<882° C), seng, magnesium
|
Untuk deformabilitas yang baik, struktur kisi harus memiliki
setidaknya 5 sistem slip yang akan diaktifkan selama proses deformasi, sehingga
benda kerja dapat berubah bentuk ke segala arah sesuai keinginan.
Untuk deformabilitas yang baik, struktur grid harus memiliki setidaknya 5 sistem slip!
Polimorfisme (alotropi)
Beberapa logam dapat mengubah struktur kisi mereka dengan pengaruh
termodinamika eksternal seperti tekanan dan suhu, di mana hanya pengaruh suhu
yang relevan untuk teknik mesin.
Meskipun besi memiliki kisi kubik yang berpusat pada tubuh pada
suhu kamar, ia adalah kubik yang berpusat pada wajah di atas 911° C. Pada suhu
1392° C, besi kembali ke modifikasi kisi kubik yang berpusat pada tubuh,
sebelum suhu leleh tercapai pada 1536° C dan struktur kisi larut. Transisi ini
dari bcc-lattice, yang hanya sedikit terdeformasi, ke fcc-lattice yang jauh
lebih baik juga merupakan alasan mengapa besi atau baja dipanaskan selama
penempaan.
Titanium juga memiliki sifat mengubah struktur kisi. Pada suhu 882° C titanium berpindah dari struktur heksagonal ke struktur kisi kubik yang
berpusat pada tubuh.
Properti logam untuk mengubah struktur kisi mereka, tergantung
pada suhu atau tekanan, disebut alotropi atau polimorfisme .
Penyebab allotropi terletak pada kondisi energik yang lebih
menguntungkan pada suhu yang sesuai, sehingga struktur kisi yang tidak stabil
"terurai" menjadi modifikasi yang lebih stabil.
Modifikasi kisi yang berbeda dari logam polimorfik digantikan oleh
huruf-huruf Yunani di depan simbol elemen. Sebagai contoh, struktur kisi
heksagonal titanium pada suhu kamar juga dikenal sebagai α-titanium (atau
α-Ti). Akhirnya, setelah transformasi kisi pertama, β-titanium (atau β-Ti).
Transformasi lebih lanjut pada suhu lebih tinggi selanjutnya disebut γ (Namun,
konversi kisi lebih lanjut seperti itu tidak terjadi dengan titanium).