1

1. Definisi dan Konsep Dasar

Strain adalah ukuran tanpa dimensi yang mengukur deformasi relatif suatu material ketika dikenakan stres. Ini mewakili perubahan geometris dalam bentuk atau ukuran suatu benda sehubungan dengan konfigurasi aslinya. Dalam industri baja, strain adalah parameter dasar yang digunakan untuk menggambarkan perilaku material selama proses manufaktur dan kondisi layanan. Ini berfungsi sebagai indikator kritis dari kemampuan material untuk menahan deformasi sebelum kegagalan dan memberikan informasi penting tentang perilaku elastis dan plastik. Memahami strain sangat penting untuk memprediksi kinerja material, merancang komponen dengan sifat mekanik yang sesuai, dan menganalisis mekanisme kegagalan. Konsep strain membentuk dasar hubungan stres-strain yang mengatur perilaku material di bawah berbagai kondisi beban, menjadikannya parameter yang tak tergantikan dalam ilmu material, teknik mesin, dan analisis struktural.

2. Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme fisik

Di tingkat mikroskopis, strain muncul sebagai perubahan dalam jarak antaratom dan susunan atom dalam kisi kristal baja. Ketika gaya eksternal diterapkan, atom-atom dipindahkan dari posisi keseimbangan mereka, menciptakan distorsi kisi. Di daerah elastis, perpindahan ini bersifat reversibel, dengan atom kembali ke posisi asalnya setelah beban dihilangkan. Di luar batas elastis, deformasi permanen terjadi melalui berbagai mekanisme termasuk pergerakan dislokasi, penggandaan, dan aktivasi bidang slip. Dislokasi, yang merupakan cacat garis dalam struktur kristal, menyebar melalui kisi di bawah stres yang cukup, menciptakan strain permanen. Dalam baja polikristalin, batas butir bertindak sebagai penghalang bagi pergerakan dislokasi, berkontribusi pada fenomena pengerasan strain.

Model teoretis

Beberapa kerangka teoretis menggambarkan perilaku strain, termasuk teori elastisitas linier, teori plastisitas, dan model viskoelastisitas. Model elastis linier berlaku untuk deformasi kecil dan mengikuti hukum Hooke, sementara teori plastisitas seperti kriteria hasil von Mises dan kriteria hasil Tresca menggambarkan perilaku di luar batas elastis. Model konstitutif seperti persamaan Ramberg-Osgood dan Johnson-Cook menggabungkan sensitivitas laju strain dan efek termal untuk kondisi beban dinamis. Model plastisitas kristal memperhitungkan sifat anisotropik dari deformasi dalam material kristalin dengan mempertimbangkan sistem slip dan orientasinya.

Dasar ilmu material

Mikrostruktur baja secara fundamental menentukan respons strain-nya. Faktor-faktor termasuk ukuran butir, komposisi fase, distribusi presipitat, dan kepadatan dislokasi semuanya mempengaruhi perilaku strain. Baja dengan butir halus biasanya menunjukkan kekuatan hasil yang lebih tinggi tetapi elongasi seragam yang lebih rendah dibandingkan dengan varian butir kasar. Partikel fase kedua dan presipitat bertindak sebagai penghalang bagi pergerakan dislokasi, mempengaruhi pengerasan strain. Baja martensitik menunjukkan elongasi seragam yang terbatas tetapi kekuatan tinggi, sementara baja ferritik dan austenitik biasanya menunjukkan ketangguhan yang lebih besar dan kapasitas pengerasan kerja. Tekstur (orientasi kristalografi yang diutamakan) menciptakan respons strain anisotropik dalam produk baja yang diproses.

3. Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Definisi dasar

Strain teknik ($\varepsilon$) didefinisikan sebagai rasio perubahan dimensi terhadap dimensi asli:

$\varepsilon = \frac{\Delta L}{L_0}$

di mana $\Delta L$ adalah perubahan panjang dan $L_0$ adalah panjang asli.

Strain sejati ($\varepsilon_t$) memperhitungkan perubahan kontinu dalam dimensi selama deformasi:

$\varepsilon_t = \ln\left(\frac{L}{L_0}\right) = \ln(1+\varepsilon)$

Untuk kondisi beban multiaxial, strain menjadi tensor orde kedua dengan komponen:

$\varepsilon_{ij} = \frac{1}{2}\left(\frac{\partial u_i}{\partial x_j} + \frac{\partial u_j}{\partial x_i}\right)$

di mana $u_i$ mewakili komponen perpindahan dan $x_j$ mewakili koordinat spasial.

Formula perhitungan terkait

Kepadatan energi strain ($U$) dihitung sebagai:

$U = \int_0^{\varepsilon} \sigma d\varepsilon$

Untuk deformasi elastis, hubungan dengan stres mengikuti hukum Hooke:

$\varepsilon = \frac{\sigma}{E}$

di mana $E$ adalah modulus elastis.

Rasio Poisson ($\nu$) menghubungkan strain transversal dengan strain aksial:

$\nu = -\frac{\varepsilon_{transverse}}{\varepsilon_{axial}}$

Kondisi dan batasan yang berlaku

Formula ini memiliki rentang penerapan tertentu. Aproksimasi strain teknik hanya berlaku untuk deformasi kecil (biasanya <0.1 atau 10%), di luar mana formulasi strain sejati menjadi perlu. Hukum Hooke berlaku secara eksklusif dalam rejim elastis. Untuk deformasi besar, teori strain hingga harus digunakan alih-alih teori strain infinitesimal. Anisotropi material, efek laju strain, dan ketergantungan suhu tidak ditangkap oleh formulasi dasar ini dan memerlukan model konstitutif yang lebih kompleks.

4. Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi pengujian standar

Pengukuran strain dalam baja diatur oleh beberapa standar internasional, termasuk ASTM E8/E8M untuk pengujian tarik material logam, ISO 6892 untuk pengujian tarik pada suhu lingkungan, dan ASTM E9 untuk pengujian kompresi. Untuk pengukuran strain dinamis, ASTM E1820 memberikan pedoman untuk menentukan ketahanan patah di bawah laju strain yang bervariasi. Pengukuran strain di bawah beban siklik mengikuti ASTM E606 untuk pengujian kelelahan siklus rendah dan ASTM E466 untuk pengujian kelelahan siklus tinggi. Untuk aplikasi suhu tinggi, ASTM E21 dan ISO 783 menguraikan prosedur untuk pengujian tarik suhu tinggi dan pengukuran creep.

Peralatan dan prinsip pengujian

Peralatan pengukuran strain yang umum termasuk ekstensi mekanis, gauge strain resistansi listrik, sistem korelasi citra digital (DIC), dan ekstensi laser. Ekstensi mekanis secara fisik menghubungi spesimen dan mengukur perpindahan antara dua titik tetap. Gauge strain berfungsi dengan mengubah resistansi listrik secara proporsional terhadap strain yang diterapkan dan diikat langsung ke spesimen. Sistem DIC melacak pola permukaan untuk menghitung distribusi strain lapangan penuh tanpa kontak fisik. Untuk peristiwa dinamis, fotografi kecepatan tinggi yang dikombinasikan dengan DIC atau sensor piezoelektrik memberikan data strain yang terukur dalam waktu. Untuk karakterisasi skala mikro, mikroskop elektron transmisi (TEM) dan difraksi elektron backscatter (EBSD) dapat mengungkapkan perubahan mikrostruktur yang diinduksi oleh strain.

Persyaratan sampel

Spesimen tarik standar biasanya mengikuti geometri persegi panjang atau silindris dengan panjang gauge dan dimensi penampang yang ditentukan. Persyaratan persiapan permukaan termasuk menghilangkan skala, dekarbonisasi, atau bekas pemesinan yang mungkin mempengaruhi pengukuran. Untuk pemasangan gauge strain, permukaan harus dibersihkan, digosok, dan dirawat dengan perekat yang sesuai. Pengukuran DIC memerlukan spesimen dengan pola bintik kontras tinggi yang diterapkan pada permukaan. Orientasi spesimen relatif terhadap arah penggulungan harus didokumentasikan untuk material anisotropik, dan tanda panjang gauge harus diterapkan dengan tepat sesuai dengan standar yang relevan.

Parameter pengujian

Kondisi pengujian standar termasuk laju strain yang terkontrol (biasanya 0.001-0.008 per menit untuk pengujian quasi-statis), suhu (biasanya 10-35°C untuk pengujian suhu ruangan), dan kontrol kelembapan. Kondisi pra-pemuatan, waktu tahan, dan