Mekanisme Difusi Zat Padat

Difusi, secara perspektif atomik adalah migrasi suatu atom dari lattice satu ke lattice yang lain. Pada kenyataannya atom zat padat berada pada keadaan yang tetap dan konstan tidak berubah, maka sebuah atom untuk dapat berpindah harus memenuhi syarat : (1) harus ada celah kosong di antara atom (2) atom harus mempunyai energi yang cukup untuk memutuskan ikatan atom.

Difusi Vacancy / Kosong

Mekanisme difusi kosong memerlukan kekosongan struktur atom dalam prosesnya, sehingga atom terdekatnya dapat berpindah ke daerah kosong tersebut. 

Gambar 1 Proses Difusi Vacancy/Kosong

Kekosongan dalam struktur atom dapat terjadi pada suatu material logam yang dipanaskan. Karena pada difusi jenis ini, atom dan daerah kosongnya berpindah posisi, difusi atom ini dapat dikatakan sebagai pergerakan dari daerah kosong itu sendiri.

Difusi Interstisial 

Jenis kedua dari difusi zat padat adalah difusi interstisial, difusi jenis ini merupakan migrasi dari sebuah posisi interstisial atom ke tetangganya yang kosong. Mekanisme ini dapat terjadi pada sebuah senyawa yang tidak murni, contohnya adalah senyawa yang mengandung hidrogen, carbon, nitrogen, dan oksigen. Dimana atom-atom ini mempunyai ukuran yang tidak sama dengan atom lain dalam ikatannya, sehingga atom tersebut dapat terselip ke posisi interstisial.

Gambar 2 Proses Difusi Interstisial

Di alam kebanyakan logam campuran lebih sering terjadi difusi secara interstisial dibandingkan difusi secara vacancy.  Hal ini terjadi karena atom interstisial lebih kecil sehingga dapat bergerak secara bebas, hal ini diperkuat karena lebih banyak posisi interstisial dibanding posisi kosong dalam suatu struktur atom, oleh sebab itu kemungkinan terjadinya pergerakan atomik interstisial lebih besar dari difusi vacancy.

Sumber :
Materials Science and Engineering an Introduction - W.D. Callister

Continue

Pengertian Proses Difusi Zat Padat

Pada proses dan reaksi pembentukan material banyak diantaranya bergantung pada transfer masa pembentuk material tersebut. Bentuk material yang dipengaruhi bisa berwujud zat padat yang spesifik, cair,  gas, maupun fase zat padat yang lain. Transfer massa tersebut membuthkan proses yang disebut difusi, yaitu fenomena transportasi material yang disebabkan oleh gerak atom.

Fenomena difusi ini bisa diperlihatkan pada diffusion couple – pasangan difusi, yaitu suatu material yang terbentuk dari perpaduan 2 batang logam yang berbeda. Pada gambar di bawah adalah contoh  diffusion couple untuk tembaga dan nikel yang berada pada suhu ruangan.

Gambar 1 (a) Pasangan difusi tembaga-nikel sebelum penambahan suhu tinngi (b) Skema atom Cu (lingkaran merah) dan atom Ni (lingkaran biru) (c) Konsentrasi tembaga dan nikel sebagai fungsi dari lintas posisi dalam pasangam

Pasangan difusi ini kemudian dipanaskan pada suhu tinggi namun masih di bawah suhu leleh kedua metal tersebut) kemudian didinginkan pada suhu ruang. Perubahan secara kimiawi akan terjadi pada logam tersebut, dimana dua logam tembaga dan nikel murni akan dipisahkan oleh daerah pencampuran.

Gambar 2 (a) Pasangan difusi tembaga-nikel setelah diberi suhu tinggi akan membentuk daerah pencampuran (b) Skema atom Cu (lingkaran merah) dan Ni (lingkaran biru) (c) Konsentrasi tembaga dan nikel sebagai fungsi dari lintas posisi dalam pasangam

Proses ini, dimana atom dari suatu metal berpndah ke atom yang lain disebut interdifusi. Interdifusi dapat dimengerti sebagai perspektif makroskopis dari perubahan konsentrasi yang berlangsung beberapa waktu.

Sumber :
Materials Science and Engineering an Introduction - W.D. Callister

Continue

Kerapatan Kristal

Kerapatan Kristal Linear

Kerapatan linear/Linear Density (LD) didefinisikan sebagai jumlah atom per satuan panjang yang pusatnya terletak pada vektor arah untuk arah kristalografi tertentu, sehingga dapat dituliskan :

Gambar 1 : Struktur Kristal FCC dengan koordinat arah [110]

Contoh pada gambar kristal FCC dengan koordinat arah [110], langkah pertama adalah menentukan jumlah atom yang melintasi vektor. Pada gambar tampak terdapat 5 atom, yaitu satu atom yang terletak di pusat dan empat atom yang terletak di ujung-ujungnya. Namun jika dilihat berdasarkan jumlah atom pada sel satuan maka akan didapatkan 2 atom, yaitu 1 dari pusat dan 1 dari masing-masing seperempat dari 4 ujung sel satuan. Sedangkan untuk panjang arah vektor didapatkan 4R, sehingga kerapatan linear untuk FCC adalah :

Kerapatan Kristal Bidang

Kerapatan Bidang/Planar Density (PD) didefinisikan sebagai jumlah atom per satuan luas bidang yang pusatnya terletak pada vektor bidang untuk arah kristalografi tertentu, sehingga dapat dituliskan :

Gambar 2 : Struktur Kristal FCC dengan koordinat arah [110]

Sebagai contoh dapat dilihat pada gambar struktur kristal FCC dengan arah [110]. Berdasarkan gambar didapat jumlah atom sebanyak 2 atom. Untuk penghitungan luas bidang terlebih dahulu harus menentukan komponen horizontal dan vertikal, sehingga akan didapatkan jarak horizontal sebesar 4R dan jarak vertikal sebesar 2RV2, jadi luas bidang didapatkan sebesar 4R²V2. Maka kerapatan bidang dapat dihitung :

Sumber : 

Materials Science and Engineering an Introduction - W.D. Callister

Continue

Geometri Bidang

Bidang kristalografi dituliskan dengan indeks Miller dalam format (h k l). Bidang-bidang yang paralel satu sama lain adalah ekivalen dan mempunyai indeks yang identik. Prosedur dalam menentukan indeks Miller adalah sebagai berikut:

1. Jika bidang melalu titik awal, buat bidang paralel lainnya di dalam sel satuan dengan translasi. Atau dengan membuat titik awal lain di sudut lain sel satuan.
2.  Bidang yang dicari bisa berpotongan atau sejajar dengan sumbu. Panjang bidang yang berpotongan ditulis dalam satuan parameter kisi a, b dan c.
3. Ambil kebalikan dari angka-angka perpotongan tersebut. Bidang yang sejajar dengan sumbu dianggap berpotongan di tak berhingga sehingganya kebalikannya adalah nol.
4. Bila perlu robah ketiga bilangan ini ke bilangan bulat terkecil dengan mengali atau membaginya dengan suatu faktor tertentu.
5. Tulis indeks ini tanpa koma dengan diapit tanda kurung biasa, (h k l).

Gambar 1 : Geometri Bidang (a) (001), (b) (110), (c) (111)

Susunan Atomik

Susunan atom pada bidang kristalografi tergantung pada struktur atom tersebut. Contoh pada gambar menunjukkan geometri bidang (100) untuk struktur kristal FCC dan BCC

Gambar 2: FCC untuk bidang (110)

Gambar 3 : BCC untuk bidang (110)

Kristal Heksagonal

Untuk kristal heksagonal penulisan indeks sama seperti kristal yang lain, namun tetap menggunakan sistem koordinat 4 sumbu, dalam hal ini adalah (hkil). Namun untuk indeks i merupakan penjumlahan dari indeks h dan k, dan dituliskan sebagai : i = -(h + k)

Sumber : 

Materials Science and Engineering an Introduction - W.D. Callister

Continue

Geometri Arah

Ketika berurusan dengan material kristal, diperlukan penentuan beberapa bidang kristalografi atau arah kristalografi. Arah kristalografi didefinisikan sebagai sebuah garis antara dua titik, atau sebuah vektor. Langlah-langkah dalam menentukan indeks arah:

1. Sebuah vektor dengan panjang tertentu diletakkan sedemikian sehingga vektor tersebut melewati titik asal sistem koordinat. Vektor bisa ditranslasikan di sepanjang kisi kristal tanpa perubahan, jika keparalelannya dijaga.
2. Tentukan panjang proyeksi vektor pada masing-masing sumbu; Proyeksi diukur dalam dimensi sel satuan yaitu a, b, dan c.
3. Ketiga angka ini dikali atau dibagi dengan suatu faktor untuk mendapatkan bilangan bulat terkecil.
4. Tiga indeks yang didapat, ditulis tanpa memakai koma dan diberi tanda kurung persegi, [u v w]. u, v, dan w adalah harga proyeksi pada sumbu x, y dan z.

Gambar 1 : Koordinat [110],[100],[111]

Dalam penulisan notasi untuk arah yang negatif berbeda dengan arah positif, yaitu dengan pemberian garis di atas indeks (namun kali ini tidak diberikan tanda demikian).

Untuk beberapa struktur kristal, beberapa arah nonparallel dengan indeks yang berbeda adalah ekuivalen/setara secara kristalografi, ini berarti bahwa jarak atom sepanjang masing-masing arah adalah sama. Misalnya, dalam kristal kubik, semua arah yang diwakili dengan indeks berikut adalah sama : [100], [-100], [001], [00-1], [010], dan [0-10]. Untuk memudahkan, arah yang setara dikelompokkan bersama dalam sebuah kelompok tertentu, dalam hal ini adalah <100>. Namun hal ini tidak selalu berlaku untuk kristal jenis yang lain, misalnya : untuk kristal simetri tetragonal, [100] dan [010] merupakan arah yang setara, sedangkan [100] dan [001] tidak.

Kristal Heksagonal

Untuk kristal heksagonal, aturan indeks yang digunakan berbeda, terdapat 4 sumbu yang digunakan dalam penentuan arah kristalografi atau disebut dengan sistem koordinat Miller-Bravais.

Gambar 2 : Sistem Koordinat Miller-Bravais

Tiga sumbu a1, a2, dan a3 terletak pada satu bidang (disebut bidang basal) dan membentuk sudut 120⁰ satu sama lain. Sumbu z tegak lurus terhadap bidang basal. Seperti indeks arah sebelumnya, sistem koordinat ini dinotasikan dengan empat indeks, yaitu [uvtw], dengan tiga indeks pertama merepresentasikan a1, a2, dan a3 pada bidang basal sedang w merupakan pada sumbu z. Konversi dari sistem 3 sumbu menjadi sistem 4 sumbu, 

[u'v'w'] --> [uvtw]

menggunakan rumus berikut ini :

Gambar 3 : Contoh Sistem Kristal Heksagonal (4 sumbu)

Sumber : 

Materials Science and Engineering an Introduction - W.D. Callister

Continue

Struktur Kristal Hexagonal Close-Packed

Struktur Kristal Hexagonal Close-Packed

Gambar 1 : Struktur Kristal Face-Centered Cubic, (a) hard-sphere dan (b) gabungan sel satuan HCP

Tidak semua logam mempunyai struktur kristal yang simetri, sebagian besar mempunyai struktur heksagonal. Dimana pada struktur ini tersusun dari beberapa bagian, bagian muka atas dan bawah yang terdiri dari 6 atom dan mengelilingi 1 atom pusat serta diantara muka unit sel ini terdapat 3 atom. Sel satuan HCP mempunyai enam buah atom, yang diperoleh dari jumlah dua-belas kali seperenam atom pada dua belas titik sudut lapisan atas dan bawah ditambah  dua kali setengah atom pada pusat lapisan atas dan bawah serta tiga atom pada lapisan sela/tengah. Jika a dan c merupakan dimensi sel satuan yang panjang dan pendek (lihat Gambar 3), maka rasio c/a umumnya adalah 1.633. Akan tetapi, untuk beberapa logam HCP, nilai rasio ini berubah dari nilai idealnya. Bilangan koordinasi struktur HCP dan faktor tumpukannya (APF) sama dengan struktur FCC, yaitu 12 untuk bilangan koordinasi dan 0.74 untuk faktor tumpukan. Contoh dari logam berstruktur HCP adalah cadmium, magnesium, titanium, dan seng.

Sumber : 

Materials Science and Engineering an Introduction - W.D. Callister

Continue

Struktur Kristal Body-Centered Cubic

Struktur Kristal Body-Centered Cubic

Gambar 1 : Struktur Kristal Face-Centered Cubic, (a) hard-sphere, (b) reduced-sphere, dan (c) gabungan sel satuan BCC

Logam–logam dengan struktur BCC mempunyai sebuah atom pada pusat kubus dan sebuah atom pada setiap titik sudut kubus (seperti terlihat pada gambar 2a). Sel satuan BCC mempunyai dua buah atom, yang diperoleh dari jumlah delapan kali seperdelapan atom pada delapan titik sudutnya ditambah satu atom pada pusat kubus. Atom-atom atau inti ion bersentuhan satu sama lain sepanjang diagonal ruang. Hubungan panjang sisi kristal BCC, a, dengan jari-jari atomnya, R, diberikan sebagai berikut : a = 4R/ √3

Tiap atom dalam sel satuan BCC ini dikelilingi oleh delapan (8) atom tetangga (lihat Gambar 2a), sehingga bilangan koordinasi yang dimiliki struktur BCC adalah 8 yang mana lebih kecil daripada struktur FCC. Struktur kristal BCC juga mempunyai APF lebih kecil daripada jenis FCC yaitu sebesar 0,68. Contoh logam BCC adalah kromium, besi, dan tungsten. 

Sumber : 

Materials Science and Engineering an Introduction - W.D. Callister

Continue

Struktur Kristal Face-Centered Cubic

Struktur Kristal  Face-Centered Cubic

Gambar 1 : Struktur Kristal Face-Centered Cubic,
(a) hard-sphere, (b) reduced-sphere, dan (c) gabungan sel satuan FCC

Pada FCC struktur kristal yang terbentuk memiliki sel satuan pada geometri kubusnya dengan atom terletak di setiap sudut dan pusat dari setiap muka kubus. Beberapa logam yang memiliki struktur kristal ini adalah tembaga , aluminium , perak , dan emas. Pada gambar 1a menunjukkan model hard - sphere untuk sel satuan FCC , sedangkan pada Gambar 1b pusat atom yang diwakili oleh lingkaran kecil untuk memberikan perspektif yang lebih baik dari posisi atom . Sedangkan pada gambar 1c menunjukkan bagian dari kristal yang terdiri dari banyak sel satuan FCC. Sel satuan FCC mempunyai empat (4) buah atom, yang diperoleh dari jumlah delapan kali seperdelapan-atom pada delapan titik sudutnya ditambah enam kali setengah-atom pada enam sisi kubusnya. Atom-atom atau inti ion bersentuhan satu sama lain sepanjang diagonal sisi. Hubungan panjang sisi kristal FCC, a, dengan jari-jari atomnya, R, ditunjukkan oleh persamaan berikut : a = 2R√ 2

Pada analisis struktur kristal ada dua karakteristik penting yaitu coordination number dan the atomic packing factor (APF). Untuk logam, setiap atom memiliki jumlah yang sama-atom tetangga terdekat atau atom menyentuh, yang merupakan bilangan koordinasi. Tiap atom dalam sel satuan FCC dikelilingi oleh duabelas (12) atom tetangga, hal ini berlaku untuk setiap atom, baik yang terletak pada titk sudut maupun atom dipusat sel satuan (lihat Gambar 1a). Jumah atom tetangga yang mengelilingi setiap atom dalam struktur kristal FCC yang nilainya sama untuk setiap atom disebut dengan bilangan koordinasi (coordination number). Ini dapat dibuktikan pada gambar 1a, atom pada muka depan memiliki empat atom tetangga terdekat di sekitarnya, empat atom yang berada di belakang, dan empat atom yang berada di sel unit berikutnya di depannya, yang tidak ditampilkan. Jadi bilangan koordinasi dari struktur FCC adalah 12. Sedangkan APF adalah jumlah dari volume lingkup semua atom dalam sel satuan ( dengan asumsi atom model hard - sphere ) dibagi dengan sel satuan volume. Untuk struktur FCC , faktor penumpukan atom (APF) adalah 0,74 , yang merupakan jumlah maksimum dari kemungkinan bola (spheres) mempunyai diameter yang sama.

Sumber : 

Materials Science and Engineering an Introduction - W.D. Callister

Continue

Geometri Kristal - Koordinat Titik

Koordinat Titik

Posisi setiap titik yang terletak di dalam sel satuan dapat ditentukan sebagai koordinat fraksional dari sel unit dikali panjang tepi (a, b​​, dan c). Sebagai penggambaran dapat dilihat titik P yang berada di dalam sel unit pada Gambar 5.

Gambar 1 : Koordinat titik P

Pada gambar ditunjukkan penentuan posisi P menggunakan koordinat q, r, dan s di mana q adalah panjang fraksional a sepanjang sumbu x; r adalah panjang fraksional b sepanjang sumbu y; s adalah panjang fraksional c sepanjang sumbu z

Sumber : 

Materials Science and Engineering an Introduction - W.D. Callister

Continue

Sistem Kristal

Sistem kristal adalah cara untuk mengklasifikasikan bentuk kristal berdasarkan geometri sel unit yaitu berdasarkan letak atom dalam sumbu xyz. Geometri sel unit didefinisikan sebagai analisis terhadap 6 parameter yaitu : panjang tepi a,b,c dan tiga sudut interaksial α,β, γ.

Gambar 1 : Sebuah sel satuan dengan sumbu koordinat x, y, z ,menunjukkan panjang aksial (a, b, dan c) dan sudut interaxial (α,β, γ)

Parameter ini sering dinyatakan sebagai lattice parameter dari struktur kristal. Atas dasar ini ada tujuh kemungkinan kombinasi yang berbeda dari a,b​,c , serta α,β,γ, masing-masing mewakili sistem kristal yang berbeda . Ketujuh kristal sistem ini adalah : kubik, tetragonal, heksagonal, ortorombik, rhombohedral, 2 monoklinik, dan triklinik . Hubungan lattice parameter dan sketsa unit sel dapat dilihat pada tabel 1.

Tabel 1 :  7 Sistem Kristal

Sumber : 

Materials Science and Engineering an Introduction - W.D. Callister

Continue