BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Struktur Kristal Dalam usaha mengklasifikasikan material perlu ditentukan apakah material berbentuk kristalin (logam paduan konversional), nonkristal (gelas) atau campuran dari kedua jenis struktur tersebut. Perbedaan yang perlu diperhatikan antara struktur kristalin dan non kristalin dapat dilakukan dengan menerapkan konsep tatanan. Susunan bahan padat tergantung pada susunan atom-atom, ion-ion atau molekulmolekul yang saling berkaitan. Kristal adalah bahan padat yang atom-atomnya tersusun dalam stu pola yang berulang dalam tiga dimensi yang juga disebut sebagai padatan kristalin (crytaline solid). Susunan atom-atom yang beraturan disebut struktur kristal. Keteraturan atau kristalin suatu struktur tidak dapat dijumpai pada gas atau cairan. Diantara padatan, logam, keramik dan polimer dapat berupa
kristalin
tergantung
pada
proses,
pembuatannya
atau
parameter
komposisinya.keteraturan susunan atom ini dapat digambarkan dengan tiga sistem sumbu (x,y,z). (Nova, 2012)
4 http://digilib.mercubuana.ac.id/z
5
Gambar 2.1. Struktur kristal dalam sistem sumbu X,Y,Z. (Sumber : Cham, 2012) Ikatan logam dapat divisualisasikan secara sederhana sebagai sebaran ion positif yang terkait satu sama lain oleh elektron yang seolah oleh berfungsi sebagai perekat. Ion-ion positif yang saling tolak menolak ini tertarik oleh perekat tersebut yang dikenal istilah awan elektron. (Arif, 2008) 2.2 Kisi Kubik (Cubic Lattices) Kristal kubik terdiri dari 3 bentuk kisi, kisi kubik sederhana (sc, simple cubic), kubik pemusatan ruang (bcc) dan kubik pemusatan sisi (fcc). Sebagian besar logam memiliki kisi kisi kubik pemusatan ruang atau kisi kubik pemusatan sisi. (Mujio, 2014) 2.2.1 Kubik Pemusatan Ruang (BCC) Besi merupakan struktur kubik. Pada suhu ruang sel satuan besi mempunyai atom pada tiap titik suduk kubus dan satu atom pada pusat kubus (Gambar 2.2). Tiap atom besi dalam struktur kubik pemusatan ruang ini dikelingi oleh delapan atom tetangga.
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
6
Gambar 2.2 Kubik Pemusatan Ruang (BCC) (Sumber : Cham, 2012) Pada gambar isolated unit cell terdapat satu atom utuh terletak ditengah sel satuan dan 1/8 atom terdapat tiap tiap sudut sel satuan, sehingga dalam satu sel satuan BCC terdapat 2 atom. Berdasarkan gambar dapat ditentukan jarijari atomnya dengan menggunakan: √3 = 4 atau = √
(2.1)
dimana a adalah konstata kisi. Dapat dikembangkan konsep mengenai faktor penumpukan atomik dari suatu logam bcc dengan mengamsusikan atom-atomnya berbentuk bola dan kemudian menghitung fraksi volume dari sel satua yang ditempati oleh atomatom tersebut:
faktor penumpukan =
(2.2)
Ada dua atom per sel satuan didalam suatu logam bcc, dan dianggap atom berbentuk bola, sehingga:
FP =
2[4
/3]
=
2[4
/3
[4 /√3]
= 0,68
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
7
2.2.2
Logam Pemusatan Sisi (FCC) Susunan atomik dalam tembaga tidak sama dengan susunan atomik dalam besi, meski keduanya berstruktur kubik. Selain sebuah atom setiap sudut sel satuan tembaga, ada satu atom lagi dipusat setiap sisi kubus, tetapi tidak ada satu atom pun di pusat kubus. Struktur kubik pemusatan sisi (fcc) seperti halnya bcc, merupakan struktur umum dari berbagai logam. Alumunium, tembaga, timbal, perak dan nikel memiliki struktur ini (begitu juga pada besi suhu tinggi). Struktur logam fcc memiliki empat logam atom per sel satuan. Kedelapan oktan sudutnya jika dijumlahkan menghasilkan satu atom dan masing-masing dari keenam pemusatan sisi menambahkan setengah atom sehingga jumlah atom totalnya adalah empat atom per sel satuan. Karena atom-atom tersbut saling bersinggungan disepanjang diagonal sisi (d.d.), dapat dituliskan: (d. s. )
=4 =
√2
(2.2a)
atau, untuk konstata sisi,
=4
√2
(2.2b)
Gambar 2.3 Logam Pemusatan Sisi (FCC) (Sumber : Cham, 2012)
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
8
2.2.3 Hexagonal Close Packed (HCP)
Gambar 2.4 HCP (Sumber : Cham, 2012) Gambar struktur krisatal heksagonal tumpukan padat (HCP), (a) sel satuan HCP digambarkan dengan bola padat kecil, (b) sel satuan HCP yang berulang dalam padatan kristalin. a. Ciri khas logam-logam dengan struktur HCP adalah setiap atom dalam lapiasan tertentu terletak tepat diatas atau dibawah sela antara tiga atom pada lapisan. b. Sel satuan HCP mempunyai 6 bauh atom, yang diperoleh dari jumlah dua-belas seperenam atom pada dua belas titik sudut lapisan atas dan bawah plus dau setengah atom pada pusat lapisan atas dan bawah plus tiga atom pada lapisan sela/tengah (12 + 2 + 3) c. Jika a dan c merupakan dimensi sel satuan yang panjang dan pendek maka rasio c/a umumnya adalah 1.633. akan tetapi untuk beberapa logam HCP, nilai rasio ini berubah dari idealnya.
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
9
d. Bilangan koordinasi struktur HCP dan faktor tumpukannya sama dengan struktur FCC, yaitu 12 untuk bilangan koordinasi dan 0.74 untuk faktor tumpukan. 2.3
Arah Kristal Apabila kita membuat korelasi anatara berbagai sifat dengan struktur kristal kita perlu mengindentifikasi arah kristal spesifik, karena banyak sifat bergantung pada arah. Sebagai contoh, modulus elastis dari besi fcc dalam arah pararel dengan diagonal ruang lebih besar daripada modulus elastis dalam arah rusuk kubus. Sebaliknya, permeabilitas magnetik besi memiliki nilai terbesar dalam arah pararel dengan rusuk sel satuan. (Vlack, 2004) 2.3.1
Indeks Arah Semua arah pararel menggunakan penandaan atau indeks yang sama. Oleh karena itu, untuk menandai suatu arah, ambil arah garis pararel yang melalui titik asal, yaitu 0,0,0. Arah diberi tanda dengan koefisien dari suatu titik pada garis tersebut. Akan tetapi, karena jumlah titik pada garis tak terhingga banyaknya, kita secara khusus memilih titikdengan set bilangan bulat terkecil. Jadi, arah [111] bergerak dari 0,0,0 melewati 1,1,1. Namun perlu dicatat bahwa arah ini juga melalui , , (dan 2,2,2). Begitu pula [112] melalui
, , 1; tetapi demi kemudahan kita menggunakan notasi bilangan
bulat. Untuk indeks arah digunakan kurung siku [uvw], dan huruf u, v dan w adalah koefisien yang berasal dari tiga arah utama x, y dan z. Arah pararel selalu memiliki indeks yang sama. Akhirnya, perhatikan lah bahwa kita
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
10
mungkin saja memiliki koefisien negatif, yang kita beri tanda garis-atas; arah [111] memiliki komponen dalam arah minus -z. (Vlack, 2004)
Gambar 2.5 Indeks arah (Sumber : Cham, 2012) 2.3.2 Sudut Antara Arah Sudut antar arah [110] dan [112] (artinya [110] ∡ [112]) adalah arctan 2 √
. jika sel satuannya kubik dan bukan ortorhombik, maka
, sudutnya adalah arctan 2
=
=
√2, atau arccors √2 /a√6. Kenyataannya,
(hanya) untuk kristal kubik, kita dapat menentukan cos [uvw] ∡ [u’ v’ w’] dengan hasil kali titik. (Vlack, 2004) 2.3.4 Jarak Pengulangan Jarak pengulangan adalah vektor antara posisi-posisi identik dalam suatu kristal. Jarak pengulangan berbeda dari arah ke arah dan dari struktur ke struktur tertentu. Sebagai contoh, pada arah [111] logam bcc, terdapat pengulangan setiap 2R (yaitu √3 /2). Jarak pengulangan dalam arah [110] adalah √2 untuk bcc, tetapi untuk fcc adalah
√
.
Sebaliknya, kebalikan dari jarak pengulangan ini adalah densitas inear. Dalam arah [110] untuk alumunium, yang memiliki struktur fcc dengan a
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
11
sama dengan 0,405 nm, pengulangannya adalah satu titik kisi [ √2], dengan kebalikan √2/(0,405 × 10 mm), yang sama dengan 3,5 × 10 /mm untuk densitas linear. (Vlack, 2004) 2.4
Mekanikal Alloying Pemaduan mekanik adalah suatu proses penggilingan bola dimana suatu serbuk yang ditempatkan dalam suatu wadah penggilingan dipadu dengan cara dikenai benturan bola-bola berenergi tinggi. Paduan yang terbentuk melalui metode tersebut sangat tergantung pada komponen, parameter proses dan mekanisme pemaduan mekaniknya. (Mujio, 2014)
2.5
Mekanisme Penyinaran Sinar-X Sinar-x yang dipancarkan dari sistem pembangkit sinar-x merupakan pancaran foton dari interaksi elektron dengan inti atom di anoda. Pencaran foton tiap satuan luas disebut penyinaran atau exposure. Foton yang dihasilkan dari sitem pembangkit sinar-x dipancarkan ketika elektron menumbuk anoda. Beda tegangan antara katoda dan anoda menentukan besar energi sianr-x, juga mempengaruhi pancaran sinar-x. Foton sinar-x yang masuk sampel mengeluarkan elektron jika energi foton diatas ambang ambang ionisasi. Elektron yang dikeluarkan itu disebut fotoelektron. Intensitas sinar-x diukur sebelum dan sebuah melewati sampel. Intensitas sinar-x yang melewati bahan ketebalan x mematuhi hukum Beer – Lambert; =
(2.5a)
Dimana I0 adalah intensitas sinar x saat membentur material, I adalah intensitas yang ditransmisikan material, dan µ adalah koefisien absorbsi material.
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
12
Secara umum, µ(E) turun teraproksimasi sebanding E-3 sesuai persamaan,
≈
(2.5b)
Dimana Z adalah nomor atom
kerapatan dan A masa atomik. Selain dari pada itu
µ mempunyai absorpsi yang tepisesuai karakteristik energi level inti atom. (Conradson, 2000) 2.6
Extended X-ray Absorption Fine Structure (EXAFS) EXAFS adalah metode untuk menentukan struktur lokal material, yang mengacu pada variasi osilasi penyerapan sinar-x sebagai fungsi energi tepi. EXAFS merupakan proses toeritis yang kompleks, melibatkan efek fotolistrik dan interferensi konstruktif dan destruktif fotoelektron. Fenomena EXAFS ini disebabkan oleh penciptaan fotoelektron dengan penyerapan foton diatas ambang batas ionisasi, serta efek gangguan elektronik fungsi gelombang antara gelombang keluar dari atom pusat dan gelombang yang besar dari tetangganya. EXAFS merupakan bagian osilasi spektrum penyerapan X-Ray dari 40 eV ke 100 (atau lebih) eV diatas fungsi energi tapi spesifik dari elemen. EXAFS digunakan untuk menentukan lingkungan lokal disekitar elemen target berupa jarak, bilangan koordinasi dan spesies tetangga dari atom penyerap. EXAFS dapat bekerja untuk segala macam bahan dan bekerja secara in-situ. Spektroskopi EXAFS berbasiskan asobsi foton sinar-x yang cukup tinggi untuk mengeluarkan sebuah elektron dari atom absorbs sehingga paket gelombang foto elektron merupakan energi kinetik, = ℎ −
(2.6)
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
13
Dimana sinar-x yang masuk mempunyai energi hv dan energi ikat elektron . Disini menggunakan notasi siegbahan, idensitas elektron pada sel n = 1 (1s state) sebagai elektron K, pada n = 2 (2p states) sebagai elektron L dan seterusnya.
Gambar 2.6 Set up Experimental EXAFS (Sumber : Offi, 2002) Kemapuan EXAFS untuk meberikan informasi tentang lingkungan setempat atom memiliki aplikasi luas, terutama untuk analisa geometrik padatan kristal amorf. Seiring waktu, EXAFS telah menjadi lebih berlaku untuk analisis kuantitif bahan bentuk non-kristal. Ketika menganalisis atom tunggal dalam suatu material, sifat dianalisis termasuk bilangan koordinasi, gangguan atom tetangga dan jarak dari atom tetangga. Sifat ketiga, jarak radial adalah satu-satunya properti andal diukur. Secara teoritis
diperoleh informasi struktural menjadi lebih akurat lebih wilayah
EXAFS,~ 0,02 Angstrom atau lebih baik. Eksperimental juga telah menunjukan bahwa
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
14
penerapan teknik EXAFS paling akurat untuk sistem gangguan termal atau statis rendah. 2.7
Besi (Fe) Kegunaan besi sangat bergantung dari pada sifat-sifat yang sangat bervariasi yang diperoleh dari pemaduan dan penerapan proses perlakuan panas. Sifat mekanik dari besi sangan bergantung pada struktur mikronya. Sedangkan struktur mikronya sangat mudah dirubah melalui proses erlakuan panas. Baja adalah paduan besi dengan kandungan karbon sampai maksimum sekitar 1,7%. Paduan besi dengan karbon diatas 1.7% disebut besi cor. Beberapa jenis baja memiliki sifat-sifat yang tertentu sebagaimana akibat penambahan unsur paduan. Salah satu unsur paduan yang sangat penting yang dapat mengontrol sifat baja adalah karbon (C). Jika besi dipadukan dengan karbon, transformasi yang terjadi rentang temperatur tertentu erat kaitannya dengan kandungan karbon.
2.8
Mangan (Mn) Logam mangan berwarna putih keabu-abuan. Mangan termasuk logam berat dan sangat rapuh tetapi mudah teroksidasi. Logam dan ion mangan bersifat paramagnetic. Magan memiliki titik lebur yang tinggi sekitar 1250 0C. Mangan memiliki kekerasan yang sedang akibat dari cepa t tersedianya elektron dan orbital untuk membentuk ikatan logam. (Octavianto, 2005)
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
15
2.9
Alumunium (Al) Alumunium adalah logam yang memiliki kekuatan relatif rendah dan lunak. Alumunium merupakan logam yang ringan dan memiliki ketahanan korosi yang baik, hantaran listrik yang baik dan sifat-sifat lainnya. Umumnya alumunium dengan logam lainya sehingga membentuk alumunium paduan. (Nayiroh, 2015)
2.10
Software Athena Athena adalah utilitas grafis interaktif untuk mengolah data EXAFS. Menangani sebagian besar data umum penanganan tugas-tugas yang menarik digaris balok atau untuk mempersiapkan data untuk memulai analisis. Athena dimaksudkan untuk memberikan analisis kualitas tinggi dengan antarmuka yang sangat berguna. Hal ini memungkinkan kontrol berbutir sangat baik atas pengolahan dan merencanakan set data individu sementara masih memungkinkan pengolahan dan visualisasi data dalam jumlah besar. (Ravel, 2009) Di antaranya dapat menentukan :
Mengkonversi data mentah untuk μ (E)
Berkas plugin impor untuk membaca file data sewenang-wenang
Proses dan plot beberapa pemindaian data secara bersamaan
Menggabungkan data sebagai μ (E), μ dinormalisasi (E), atau χ (k)
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
