Uji Erichsen: Metode Kunci untuk Menilai Duktilitas dan Kualitas Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Uji Erichsen adalah uji mekanik standar yang digunakan untuk mengevaluasi duktilitas dan kemampuan pembentukan baja lembaran dan pelat. Uji ini mengukur kemampuan material untuk mengalami deformasi plastis tanpa retak ketika dikenakan indentasi lokal. Uji ini sangat penting dalam proses kontrol kualitas, terutama untuk menilai kemampuan pembentukan baja yang dimaksudkan untuk penarikan dalam, stamping, atau operasi pembentukan lainnya.

Dalam kerangka yang lebih luas dari jaminan kualitas baja, uji Erichsen memberikan wawasan penting tentang kapasitas material untuk menahan deformasi selama proses manufaktur dan layanan. Uji ini melengkapi uji mekanik lainnya seperti kekuatan tarik dan perpanjangan, menawarkan ukuran spesifik dari ketahanan material terhadap deformasi lokal. Hasil uji membantu produsen menentukan apakah lembaran baja memenuhi standar yang diperlukan untuk aplikasi pembentukan tertentu, memastikan keandalan dan kinerja produk.

Sifat Fisik dan Dasar Metalurgi

Manifestasi Fisik

Uji Erichsen melibatkan penekanan punch bulat ke dalam lembaran baja hingga kedalaman tertentu tercapai atau retak muncul. Manifestasi fisik utama adalah kedalaman indentasi, yang berkorelasi dengan duktilitas material. Nilai Erichsen yang lebih tinggi menunjukkan kemampuan pembentukan yang lebih besar, sementara nilai yang lebih rendah menunjukkan kerapuhan atau duktilitas yang buruk.

Di tingkat makro, uji ini menghasilkan indentasi hemispherical yang terlihat di permukaan baja. Permukaan mungkin menunjukkan tanda-tanda penipisan lokal atau retak jika duktilitas material tidak mencukupi. Secara mikroskopis, zona deformasi di sekitar indentasi menunjukkan butiran yang memanjang, mikrovoid, atau mikroretak, terutama pada baja dengan duktilitas lebih rendah atau kerapuhan lebih tinggi.

Mechanisme Metalurgi

Mechanisme dasar dari uji Erichsen melibatkan perilaku deformasi plastis baja di bawah stres kompresif lokal. Ketika punch menekan ke permukaan baja, pergerakan dislokasi dan penyesuaian mikrostruktur mengakomodasi deformasi. Kemampuan baja untuk mengalami deformasi ini tanpa retak tergantung pada mikrostruktur, ukuran butir, dan distribusi fase.

Fitur mikrostruktur seperti ukuran butir yang halus, distribusi fase yang seragam, dan keberadaan fase duktil seperti ferit meningkatkan kapasitas material untuk deformasi plastis. Sebaliknya, butir kasar, fase rapuh (misalnya, martensit atau bainit), atau stres residual dapat mengurangi duktilitas dan menyebabkan retak lebih awal selama uji.

Komposisi baja mempengaruhi hasil uji secara signifikan. Misalnya, baja dengan kandungan karbon tinggi atau elemen paduan mungkin menunjukkan duktilitas yang berkurang, menghasilkan nilai Erichsen yang lebih rendah. Kondisi pemrosesan seperti penggulungan panas, annealing, dan pengerjaan dingin juga memodifikasi mikrostruktur dan keadaan stres residual, mempengaruhi hasil uji.

Sistem Klasifikasi

Hasil uji Erichsen biasanya diklasifikasikan berdasarkan kedalaman indentasi yang diukur, yang dinyatakan dalam milimeter (mm). Klasifikasi standar meliputi:

• Excellent (E > 8 mm): Menunjukkan duktilitas tinggi yang cocok untuk aplikasi penarikan dalam.
• Good (6 mm < E ≤ 8 mm): Cocok untuk sebagian besar proses pembentukan dengan duktilitas sedang.
• Fair (4 mm < E ≤ 6 mm): Kemampuan pembentukan terbatas; mungkin memerlukan penyesuaian proses.
• Poor (E ≤ 4 mm): Menunjukkan perilaku rapuh; tidak cocok untuk operasi pembentukan.

Klasifikasi ini membantu dalam memilih grade baja yang sesuai untuk proses manufaktur tertentu. Misalnya, baja untuk penarikan dalam sering memerlukan nilai Erichsen di atas 8 mm, sementara baja struktural mungkin mentolerir nilai yang lebih rendah.

Metode Deteksi dan Pengukuran

Teknik Deteksi Utama

Metode utama untuk menilai nilai Erichsen melibatkan uji indentasi standar. Proses ini menggunakan punch hemispherical, biasanya terbuat dari baja keras atau karbida tungsten, yang ditekan ke dalam lembaran baja yang dijepit dalam fixture. Punch didorong pada laju yang terkontrol hingga beban atau perpindahan yang telah ditentukan tercapai.

Prinsip fisik kunci adalah pengukuran kedalaman indentasi maksimum yang dicapai tanpa retak. Pengaturan peralatan mencakup sel beban untuk memantau gaya yang diterapkan, pengukur perpindahan atau indikator dial untuk mengukur kedalaman indentasi, dan fixture untuk menahan spesimen dengan aman.

Standar dan Prosedur Pengujian

Standar internasional yang mengatur uji Erichsen termasuk ASTM E643, ISO 20482, dan EN 10130. Prosedur tipikal meliputi:

• Menyiapkan spesimen baja datar dan bersih dengan ketebalan tertentu (biasanya 0,5 hingga 2 mm).
• Menjepit spesimen dengan aman dalam fixture pengujian untuk mencegah pergerakan.
• Menyelaraskan punch hemispherical secara sentral di atas permukaan spesimen.
• Menerapkan beban yang meningkat secara bertahap pada laju tertentu, sering kali sekitar 2 mm/menit.
• Mencatat kedalaman indentasi maksimum ketika beban mencapai nilai tertentu atau tepat sebelum retak terjadi.
• Mencatat setiap retak atau patahan permukaan secara visual setelah uji.

Parameter kritis termasuk diameter punch (umumnya 10 mm), laju penerapan beban, dan suhu spesimen, karena ini mempengaruhi repeatabilitas dan akurasi uji.

Persyaratan Sampel

Spesimen standar biasanya berupa lembaran persegi panjang dengan ketebalan seragam, bebas dari cacat permukaan, minyak, atau korosi. Kondisi permukaan melibatkan pembersihan dan pemolesan untuk memastikan kontak yang konsisten dan pengukuran yang akurat. Tepi spesimen harus halus dan bebas dari burr untuk mencegah konsentrasi stres lokal.

Pemilihan sampel mempengaruhi validitas uji; spesimen harus mewakili mikrostruktur dan sifat mekanik dari batch produksi. Beberapa sampel diuji untuk memperhitungkan variabilitas, dan nilai Erichsen rata-rata memberikan ukuran yang dapat diandalkan dari duktilitas material.

Akurasi Pengukuran

Presisi pengukuran tergantung pada kalibrasi pengukur perpindahan dan sel beban. Repeatabilitas dicapai melalui persiapan spesimen yang konsisten, prosedur pengujian yang distandarisasi, dan kondisi lingkungan yang terkontrol. Reproducibility dapat dipengaruhi oleh teknik operator, kalibrasi peralatan, dan variabilitas spesimen.

Sumber kesalahan termasuk ketidakselarasan punch, penjepitan spesimen yang tidak merata, atau ketidakrataan permukaan. Untuk memastikan kualitas pengukuran, kalibrasi rutin peralatan pengujian, kepatuhan terhadap prosedur yang distandarisasi, dan pengulangan uji yang banyak disarankan.

Kuantifikasi dan Analisis Data

Satuan dan Skala Pengukuran

Pengukuran utama adalah kedalaman indentasi maksimum, yang dinyatakan dalam milimeter (mm). Nilai Erichsen berkorelasi langsung dengan duktilitas material; nilai yang lebih tinggi menunjukkan kemampuan pembentukan yang lebih baik.

Secara matematis, angka Erichsen $E$ adalah kedalaman indentasi yang diukur pada beban tertentu, sering dinormalisasi terhadap ketebalan spesimen. Misalnya:

$$E = \frac{\text{Kedalaman Indentasi (mm)}}{\text{Ketebalan Spesimen (mm)}} $$

Faktor konversi umumnya tidak diperlukan, karena satuan pengukuran telah distandarisasi.

Interpretasi Data

Hasil uji diinterpretasikan berdasarkan sistem klasifikasi yang dijelaskan sebelumnya. Nilai Erichsen yang melebihi 8 mm menandakan kemampuan pembentukan yang sangat baik, cocok untuk aplikasi penarikan dalam seperti panel bodi mobil. Nilai di bawah 4 mm menunjukkan kerapuhan, membatasi proses pembentukan.

Kriteria penerimaan tergantung pada grade baja dan aplikasi yang dimaksudkan. Misalnya, baja otomotif mungkin memerlukan nilai Erichsen di atas 8 mm, sementara baja struktural mungkin menerima nilai yang lebih rendah. Hasil dikorelasikan dengan sifat mekanik lainnya,