Hukum alam yang tak terbantahkan menyatakan: “Tidak ada yang sempurna”. Hukum ini berlaku baik untuk manusia dan untuk kristal padat. Kristal sempurna dibentuk dari sel unit dasar sepanjang tiga sumbu kristalografi secara kontinu. Namun dalam praktiknya, kristal dengan susunan atom yang teratur sempurna tidak mungkin ada; ketidaksempurnaan, ketidakteraturan, dan cacat selalu ada sampai batas tertentu di semua kristal. Misalnya, beberapa sel satuan kristal mungkin memiliki terlalu sedikit atom, sedangkan yang lain mungkin memiliki atom ekstra atau atom pengotor.
Harga yang dibayarkan untuk berlian dengan ukuran tertentu ditentukan terutama berdasarkan jumlah dan jenis cacat kristalnya, dan itu adalah generasi, akumulasi interaksi cacat tersebut. Meskipun kata cacat biasanya memiliki konotasi negatif, cacat kristal sering kali memberikan sifat dan kinerja yang baik bagi material. Metode pemrosesan yang umum digunakan seperti paduan dan perlakuan panas dilakukan dengan sengaja untuk meningkatkan konsentrasi cacat yang memperkuat logam. Paduan Al 7075 yang dikeraskan dengan presipitas, misalnya, memiliki kekuatan luluh
ratusan kali lebih besar dari kristal tunggal Al dengan kemurnian tinggi. Padahal, tugas pokok insinyur metalurgi dapat digambarkan secara ringkas sebagai rekayasa cacat kristal. Semua cacat dan ketidaksempurnaan dapat dengan mudah dikelompokkan menjadi empat kategori, berdasarkan geometrinya: cacat titik, cacat garis (dislokasi), cacat planar, dan cacat volume.
- POINT DEFECT
Cacat Titik adalah ketidakteraturan dalam kisi yang terkait dengan atom yang hilang (kekosongan), tambahan atom (interstitial), atau atom pengotor. Untuk semua suhu di atas 0 K, terdapat konsentrasi kekosongan dan atom interstisial yang stabil secara termodinamika. Cacat titik pada kristal meningkatkan energi internalnya kristal yang sempurna. Jumlah cacat di kesetimbangan pada suhu tertentu dapat ditentukan sebagai berikut:
Keterangan:
Nd : jumlah cacat yang ada,
N : jumlah total situs atom yang ada,
Ed : adalah energi aktivasi yang diperlukan untuk membentuk cacat,
k : konstanta Boltzmann,
T : absolut suhu.
- LINE DEFECTS (DISLOCATIONS)
Cacat kristal satu dimensi yang utama adalah dislokasi. Dalam kristal yang sempurna, atom berada di bidang pada kisi. Namun, jika setengah bidang atom hilang, akan menyebabkan cacat garis ada di sepanjang tepi bawah setengah bidang yang tersisa. Cacat garis disebut dislokasi karena atom ter-dislokasi dari posisinya dalam struktur kristal sempurna. Kehadiran dislokasi menjelaskan dua hal pengamatan penting tentang deformasi plastis pada logam kristal:
(1) Tekanan yang diperlukan untuk mendeformasi kristal secara plastis jauh lebih kecil daripada tegangan yang dihitung untuk aliran plastik dalam kristal bebas cacat; dan
(2) Logam mengeras. Setelah logam mengalami deformasi plastis, ia membutuhkan
stres yang lebih besar untuk cacat lebih lanjut.
Ada dua tipe dasar dislokasi: : pure edge dan pure screw dislocation (Gambar 2.2). Edge dislocations terdiri dari setengah bidang atom ekstra dalam struktur kristal (Gambar 2.2a). Ketidaksempurnaan dapat meluas dalam garis lurus sepanjang kristal, atau mengikuti jalur yang tidak teratur. Screw dislocations (Gbr. 2.2b) terjadi ketika salah satu ujung kristal mengalami tegangan geser dan telah berpindah setidaknya satu jarak antarplanar, sedangkan pada ujung lainnya kristal tidak bergerak dari posisi awalnya. Nama tersebut berasal dari fakta bahwa bidang kristal di sekitar garis dislokasi diubah menjadi heliks oleh dislokasi. Meskipun geometri screw dislocation sedikit lebih sulit untuk divisualisasikan daripada geometri edge dislocation, banyak dari sifatnya yang serupa. Distorsi linier yang baik menghasilkan medan tegangan di area yang menahan kristal. Bagian yang lebih besar dari Energi regangan dislokasi ini adalah regangan elastis murni pada kisi yang mengelilingi dislokasi… Sisanya, energi regangan nonelastis dikaitkan dengan pusat dislokasi, yang dikenal sebagai inti. Ukuran pasti dari inti tersebut sulit untuk diukur, tetapi diameternya biasanya diperkirakan satu hingga empat jarak atom. Energi regangan per satuan panjang sekitar 50% lebih besar untuk dislokasi tepi daripada screw dislocation.
-
PLANAR DEFECTS
Cacat planar (antarmuka) terjadi di area struktur kristal yang terputus-putus melintasi bidang. Beberapa contoh cacat planar adalah free surfaces, grain boundaries, twins,
dan phase boundaries. -
VOLUME DEFECT
Logam sering kali memiliki volume yang tidak mengandung bahan padat; cacat seperti itu termasuk rongga, gelembung gas, dan retakan. Cacat ini dalam beberapa hal mirip dengan free surface, tetapi volumenya cacat sebagian besar atau seluruhnya dikelilingi oleh logam di semua sisi. Cacat volume biasanya merusak properti, tetapi ada beberapa contoh (misalnya, volume rongga dalam logam berbusa) di dimana cacat memperbaiki sifat tertentu, seperti rasio momen lentur / berat.
Sumber:
Russell, Alan M. 2005. Structure-Property Relations In Nonferrous Metals. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, Canada.