Makalah Ilmu Logam, Cacat Pada Kristal.

MAKALAH ILMU LOGAM

CACAT KRISTAL dan MANFAATNYA

                  Disusun oleh :

1.     Wahyu Fitra                   (F1C011092)

2.     Yusmawi Ashary            (F1C011094)

3.     M. Qadrihan Mandhita   (F1C011054)

4.     Khadaffi Akbar              (F1C011038)

5.     Sopiandi                        (F1C011088)

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MATARM

2011

BAB I

PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Istilah "kristal" memiliki makna yang sudah ditentukan dalam ilmu logam, dalam kehidupan sehari-hari "kristal" merujuk pada benda padat yang menunjukkan bentuk geometri tertentu, dan kerap kali sedap di mata. Berbagai bentuk kristal tersebut dapat ditemukan di alam. Bentuk-bentuk kristal ini bergantung pada jenis ikatan molekuler antara atom-atom untuk menentukan strukturnya, dan juga keadaan terciptanya kristal tersebut. Bunga salju, intan, dan garam dapur adalah contoh-contoh kristal.

 Susunan yang sempurna ada di keseluruhan material kristal pada skala atom tidaklah ada. Semua bahan padat mengandung sejumlah besar cacat atau ketaksempurnaan. Beberapa material kristalin mungkin menunjukkan sifat-sifat elektrik khas, seperti efek feroelektrik atau efek piezoelektrik. Kebanyakan material kristalin memiliki berbagai jenis cacat kristalografis. Jenis dan struktur cacat-cacat tersebut dapat berefek besar pada sifat-sifat material tersebut.

B. Tujuan

Tujuan dari penyusunan makalah tentang Cacat Kristal dan Manfaatnya ini adalah :

1.    Mengetahui dan memahami karakteristik material penyusun zat padat

2.    Mengetahui dan memahami cacat kristal pada zat padat, dimana kristal merupakan penyusun zat padat.

3.    Mengetahui dan memahami manfaat dari cacat kristal yang terjadi.

C. Permasalahan

Permasalahan yang mendukung disusunnya makalah ilmu logam tentang  “Cacat Kristal dan Manfaatnya” ini adalah menjelaskan komponen penyusun material pada zat padat yang berupa kristal, macam-macam cacat kristal dan penyebabnya serta manfaat dari cacat kristal.

D. Sistematika Laporan

Makalah ilmu logam dengan judul “CACAT KRISTAL dan MANFAATNYA” ini terdiri dari empat bab. Makalah secara garis besar berisi tentang komponen penyusun kristal, macam-macam dan penyebab terbentuknya cacat kristal serta manfaat dari cacat kristal yang terjadi untuk lebih jelasnya maka susunan laporan adalah sebagai berikut. Bab I pendahuluan yang di dalamnya berisi tentang latar belakang, tujuan, permasalahan, sistematika laporan. Bab II dasar teori merupakan penjelasan dan ulasan singkat tentang teori -teori dasar penyusun material yang berupa kristal, macam-macam dan penyebab dari cacatnya kristal serta manfaat dari cacat kristal tersebut. Bab III pembahasan, dalam penyusunan makalah ini tentunya akan memperoleh data-data dari berbagai referensi yang ada sehingga perlu adanya penganalisaan dan pembahasan lebih lanjut Bab IV kesimpulan, memberikan kesimpulan dari keseluruhan makalah yang didasarkan pada tujuan.

BAB II

DASAR TEORI

    A.  Pengertian Kristal

Kristal merupakan susunan atom-atom yang teratur dalam ruang tiga dimensi.

Keteraturan susunan tersebut terjadi karena kondisi geometris yang harus  memenuhi adanya ikatan atom yang berarah dan susunan yang rapat. Walaupun tidak mudah untuk menyatakan bagaimana atom tersusun dalam padatan, namun ada hal-hal yang diharapkan menjadi faktor penting yang menentukan terbentuknya polihedra koordinasi susunan atom-atom.

Secara umum, zat cair membentuk kristal ketika mengalami proses pemadatan. Pada kondisi ideal, hasilnya bisa berupa kristal tunggal, yang semua atom-atom dalam padatannya "terpasang" pada kisi atau struktur kristal yang sama, tapi secara umum kebanyakan kristal terbentuk secara simultan sehingga menghasilkan padatan polikristalin. Misalnya, kebanyakan logam yang kita temui sehari-hari merupakan polikristal. Kristal terbentuk karena proses kristalisasi. Pengertian kristalisasi sendiri yaitu proses pembentukan kristal yang terjadi pada saat pembekuan, perubahan dari fasa cair ke fasa padat. Jika ditinjau dari mekanismenya, kristalisasi terjadi melalui 2 tahap :

1. Tahapan Nucleation (pembentukan inti)

2. Tahapan Crystal Growth (Pertumbuhan Kristal)

B. Proses Terbentuknya Kristal

 Dalam keadaaan cair, atom-atom tidak memiliki susunan yang teratur (selalu mudah bergerak) dan mempunyai temperature yang relatip tinggi serta atom-atomnya memiliki energi yang cukup banyak sehingga mudah bergerak dan tidak ada pengaturan letak atom relatip terhadap atom lainnya. Dengan semakin turunnya temperature maka energy atom akan semakin rendah dan semakin sulit bergerak sehingga atom-atom ini mulai mencari atau mengatur kedudukan relatip terhadap atom lainnya dan mulai membentuk lattice. Proses ini terjadi pada temperature yang relatip lebih dingin dimana sekelompok atom menyusun diri membentuk inti Kristal. Inti-inti ini akan menjadi pusat dari proses kristalisasi sel

BABA III

PEMBAHASAN

A. Cacat Kristal (Imperfection)

Kristal yang sempurna adalah kristal yang susunan atomnya seluruhnya teratur mengikuti susunan atom dalam krista pola tertentu. Cacat yang dimaksud disini adalah cacat/ ketidaksempur sempurnaan sususnan atom dalam kristal (lattice). Cacat dapat terjadi karena adanya solidifikasi (pendinginan) ataupun akibat dari luar.  Dalam kenyataan, kristal tidaklah selalu merupakan susunan atom-atom identik yang tersusun secara berulang di seluruh volumenya. Kristal biasanya mengandung ketidak-sempurnaan, yang kebanyakan terjadi pada kisi-kisi kristalnya. Karena kisikisi kristal merupakan suatu konsep geometris, maka ketidak-sempurnaan kristal juga diklasifikasikan secara geometris. Kita mengenal ketidak-sempurnaan berdimensi nol (ketidak-sempurnaan titik), ketidak-sempurnaan berdimensi satu (ketidak-sempurnaan garis), ketidak-sempurnaan berdimensi dua (ketidaksempurnaan bidang). Selain itu terjadi pula ketidak-sempurnaan volume.

1.  Cacat Titik (Point Defect)

            Ketidak-sempurnaan titik terjadi karena beberapa sebab, seperti ketiadaan atom matriks (yaitu atom yang seharusnya ada pada suatu posisi dalam kristal yang sempurna), hadirnya atom asing, atau atom matriks yang berada pada posisi yang tidak semestinya. Ketidak-sempurnaan yang umum terjadi pada kristal unsur murni adalah seperti digambarkan pada gambar.

Kekosongan: tidak ada atom pada tempat yang seharusnya terisi.

Interstisial: atom dari unsur yang sama (unsur sendiri) berada di antara atom

matriks yang seharusnya tidak terisi atom, atau atom asing yang menempati

tempat tersebut (pengotoran).

Substitusi: atom asing menempati tempat yang seharusnya ditempati oleh unsur

sendiri (pengotoran).

Dalam kristal ionik, kation dapat meninggalkan tempat di mana seharusnya ia

berada dan masuk ke tempat di antara anion; tempat kosong yang ditinggalkan

dan kation yang meninggalkannya disebut ketidak-sempurnaan Frenkel. Jika

kekosongan kation berpasangan dengan kekosongan anion, pasangan ini disebut

ketidak-sempurnaan Schottky. Ketidak-sempurnaan Schottky lebih umum terjadi

dibandingkan dengan ketidak-sempurnaan Frenkel.

Gambar cacat titik pada kristal

2. Cacat garis (line defect)

      Dislokasi merupakan ketidak-sempurnaan kristal karena penempatan atom yang tidak pada tempat yang semestinya.

Dislokasi dinyatakan dengan vektor Burger yang menggambarkan baik besarmaupun arah dislokasi. Suatu untaian atom ke atom mengelilingi sumbudislokasi akan terputus oleh vektor Burger. Hal ini diperlihatkan pada gambar.

 

                                                      G ambar dislokasi

Cacat yang menimbulkan distorsi pada lattice yang berpusat pada suatu garis. Sering pula disebut dengan dislokasi. Secara umum ada 3 jenis dislokasi, yakni : dislokasi ulir, dislokasi sisi/pinggir, dan dislokasi campuran. Dislokasi ulir terbentuk karena gaya geser yang diberikan menghasilkan distorsi seperti yang ditunjukkan Gambar  di bawah. Daerah depan bagian atas kristal tergeser sebesar satu atom kekanan relatif terhadap bagian bawah. Dislokasi ini disimbolkan dengan (.).

Dislokasi Ulir

Dislokasi sisi/pinggir adalah terdapatnya bidang atom ekstra atau setengah bidang, dimana sisinya terputus di dalam kristal. Gambar di bawah memperlihatkan skematik dari dislokasi sisi. Dislokasi sisi disimbolkan dengan ┴

Gambar dislokasi Sisi/Pinggir

Jika pada material dijumpai kedua jenis dislokasi diatas maka disebut material mempunyai dislokasi campuran. Contoh dislokasi campuran bisa dilihat pada gambar di bawah.

Gambar Dislokasi Campuran

3.  Cacat bidang (interfacial defect)

Pada bahan polikristal, zat padat tersusun oleh kristal-kristal kecil yang disebut butir (grain). Setiap butir dapat berukuran mulai dari nanometer hingga mikrometer. Pada setiap butir atom-atom tersusun pada arah tertentu, dan arah keteraturan atom ini bervariasi dari satu butir ke butir lain.  Batasan antara 2 buah dimensi dan umumnya memisahkan daerah dari material yang mempunyai struktur kristal berbeda dan atau arah kristalnya berbeda, misalnya : Batas Butir (karena bagian batas butir inilah yang membeku paling akhir dan mempunyai orientasi serta arah atom yang tidak sama. Semakin banyak batas butir maka akan semakin besar peluang menghentikan dislokasi. Kemudian contoh yang berikutnya adalah Twin (Batas butir tapi special, maksudnya : antara butiran satu dengan butiran lainnya merupakan cerminan) dan ini menimbulkan cacat pada daerah batas butir, sehingga disebut cacat batas butir.

4.   Cacat Ruang (Bulk defect)

Perubahan bentuk secara permanen disebut dengan Deformasi Plastis, deformasi plastis terjadi dengan mekanisme :

a. Slip, yaitu : Perubahan dari metallic material oleh pergerakan dari luar sepanjang Kristal. Bidang slip dan arah slip terjadi pada bidang grafik dan arah atom yang paling padat karena dia butuh energi yang paling ringan atau kecil.

b. Twinning terjadi bila satu bagian dari butir berubah orientasinya sedemikian rupa sehingga susunan atom di bagian tersebut akan membentuk simetri dengan bagian kristal yang lain yang tidak mengalami twinning.

B. Manfaat Cacat Kristal

Cacat pada Kristal dapat mengubah sifat listrik dan mekanik bahan. Kekosongan pada Kristal dapat  mengubah sifat listrik bahan. Sebagai contoh, kita memanfaatkan kekosongan pada Kristal silicon untuk pendopingan oleh phospor sehingga terbentuk semikonduktor tipe n. Selain itu cacat Kristal seperti kekosongan, dislokasi, dan boundaries dapat meingubah sifat mekanik bahan. Grain Boundaries dapat menghambat difusi atom dan gerak dislokasi sehingga deformasi bahan sulit terjadi. Semakin kecil grain, semakin kuat bahan tersebut.

Ukuran grain dapat diatur dengan laju pendinginan. Laju pendinginan yang cepat menghasilkan grain-grain yang kecil sedangkan proses-proses pendinginan yang lambat menghasilkan grain-gran yang besar.

Terdapat beberapa jenis cacat Kristal pada susunan atom dalam Kristal. Kita perlu ketahui bahwa kehadiran cacat Kristal yang sedikit memiliki pengaruh yang sangat besar dalam menentukan sifat suatu bahan dan pengaturan cacat sangat penting dalam pemrosesan bahan.

Contoh relevansi cacat Kristal dalam kehidupan pada umumnya dan dalam bahan pada khususnya yaitu, ketika kita membeli cincin berlian, sebenarnya kita membayar banyak dan tipe cacat pada Kristal pada cincin berlian tersebut. Pembuatan device semikonduktor tidak hanya membutuhkan Silikon murni tetapi juga meliputi cacat Kristal tertentu pada sample. Menempa suatu logam akan menghasilkan cacat pada logam tersebut dan meningkatkan kekuatan dan kelenturan logam. Catatan, sifat-sifat tersebut dicapai tanpa mengubah komposisi penyusun bahan tetapi hanya manipulasi cacat Kristal.

BAB IV

KESIMPULAN

1. Kristal merupakan padatan yang atom, molekul, atau ion penyusunnya terkemas secara teratur dan polanya berulang melebar secara tiga dimensi. Kristal terbentuk dari zat cair yang mengalami proses pemadatan. Pada keadaan ideal, zat cair yang membentuk Kristal tersebut hasilnya bias berupa Kristal tunggal, tapi secara umum kebanyakan kristal terbentuk secara simultan sehingga menghasilkan padatan polikristalin.
2. Kristal merupakan suatu bahan penyusun zat padat, sehingga keadaan Kristal harus diketahui. Adapun macam-macam cacat pada Kristal antara lain cacat titik, cacat garis, cacat bidang dan cacat ruang.
3. Cacat kristal ternyata dapat memberikan manfaat, misal kita memanfaatkan kekosongan pada Kristal silicon untuk pendopingan oleh phospor sehingga terbentuk semikonduktor  tipe n.