Fretting: Wawasan Kunci tentang Aus Baja dan Pencegahan Kerusakan

Definisi dan Konsep Dasar

Fretting adalah bentuk kerusakan permukaan yang ditandai dengan gerakan osilasi amplitudo kecil antara permukaan yang bersentuhan, yang mengarah pada keausan, degradasi permukaan, dan sering kali inisiasi retakan. Dalam konteks industri baja, fretting biasanya muncul sebagai deteriorasi permukaan lokal di titik kontak yang terkena beban siklik atau getaran, terutama pada komponen yang dirakit seperti sambungan baut, bantalan, atau antarmuka kontak dalam mesin.

Secara fundamental, fretting melibatkan gerakan mikro berulang yang menyebabkan penghilangan material, kelelahan permukaan, dan perubahan mikrostruktur di antarmuka kontak. Ini adalah perhatian kritis dalam pengendalian kualitas baja karena dapat mengompromikan integritas struktural, umur lelah, dan keandalan komponen baja yang digunakan dalam berbagai aplikasi teknik.

Dalam kerangka yang lebih luas dari jaminan kualitas baja dan karakterisasi material, fretting adalah baik cacat yang harus diminimalkan maupun fenomena pengujian yang digunakan untuk mengevaluasi daya tahan permukaan dan perilaku kontak. Mengenali dan mengendalikan fretting sangat penting untuk memastikan umur panjang dan keamanan bagian baja yang terkena stres kontak dinamis.

Sifat Fisik dan Dasar Metalurgi

Manifestasi Fisik

Di tingkat makro, fretting muncul sebagai bekas keausan permukaan kecil yang sering kali hampir tidak terlihat, terkadang disertai pola karakteristik seperti bekas keausan berbentuk bulan sabit atau pitting lokal. Zona kerusakan ini biasanya ditemukan di titik kontak di mana gerakan osilasi terjadi, seperti ulir baut, permukaan bantalan, atau gigi roda.

Secara mikroskopis, fretting muncul sebagai goresan halus, alur, dan akumulasi serpihan di permukaan baja. Permukaan dapat menunjukkan "bekas fretting" yang khas, yang muncul sebagai serangkaian tanda pemotongan mikro yang saling tumpang tindih, sering kali dengan pola yang menunjukkan gerakan mikro berulang. Pada tahap lanjut, fretting dapat menyebabkan inisiasi retakan, delaminasi permukaan, atau pembentukan serpihan oksida.

mekanisme Metalurgi

Kerusakan fretting dihasilkan dari interaksi kompleks antara keausan mekanis, kelelahan permukaan, dan proses kimia. Gerakan mikro berulang menyebabkan deformasi plastik lokal di antarmuka kontak, menyebabkan mikroretakan mulai terbentuk di dalam permukaan atau mikrostruktur dekat permukaan.

Perubahan mikrostruktur termasuk pembentukan mikrovoid, mikroretakan, dan lapisan oksida akibat pemanasan gesekan dan stres mekanis. Selip berulang menyebabkan penghilangan material melalui pemotongan mikro dan keausan abrasif, sementara stres siklik mendorong inisiasi dan propagasi retakan kelelahan. Komposisi baja mempengaruhi kerentanan fretting; misalnya, baja dengan kekerasan tinggi lebih tahan terhadap keausan tetapi mungkin lebih rentan terhadap inisiasi retakan, sedangkan baja yang lebih lunak mungkin menunjukkan lebih banyak deformasi permukaan tetapi kurang pembentukan retakan.

Kondisi pemrosesan seperti penyelesaian permukaan, stres residual, dan fitur mikrostruktur (ukuran butir, distribusi fase) secara signifikan mempengaruhi perilaku fretting. Perlakuan panas yang menyebabkan pengerasan permukaan atau stres kompresif residual dapat meningkatkan ketahanan fretting.

Sistem Klasifikasi

Fretting sering diklasifikasikan berdasarkan tingkat keparahan, penampilan, dan tingkat kerusakan. Kriteria klasifikasi umum meliputi:

• Tipe I (Fretting Ringan): Goresan permukaan kecil dengan penghilangan material yang dapat diabaikan; tidak ada inisiasi retakan.
• Tipe II (Fretting Sedang): Bekas keausan yang terlihat, mikroretakan kecil, dan serpihan; beberapa deformasi permukaan.
• Tipe III (Fretting Parah): Kerusakan permukaan yang luas, retakan dalam, delaminasi, dan kehilangan material yang signifikan.

Sistem penilaian yang distandarisasi, seperti yang diuraikan dalam ASTM F1044 atau ISO 15363, memberikan nilai numerik atau kategori deskriptif untuk mengukur tingkat keparahan fretting. Klasifikasi ini membantu dalam mengevaluasi daya tahan komponen, memprediksi umur layanan, dan menetapkan kriteria penerimaan untuk manufaktur dan pemeliharaan.

Metode Deteksi dan Pengukuran

Teknik Deteksi Utama

Metode utama untuk mendeteksi fretting melibatkan inspeksi visual, pemeriksaan mikroskopis, dan profilometri permukaan. Inspeksi visual dapat mengidentifikasi bekas keausan yang jelas dan serpihan, sementara mikroskopi optik mengungkapkan mikroretakan dan goresan permukaan.

Mikroskop Elektron Pemindaian (SEM) memberikan citra resolusi tinggi dari bekas fretting, memungkinkan analisis mendetail tentang mekanisme keausan dan lokasi inisiasi retakan. Profilometer permukaan mengukur topografi area kontak, mengkuantifikasi dimensi bekas keausan dan perubahan kekasaran.

Fretting juga dapat dideteksi melalui metode pengujian non-destruktif seperti pengujian ultrasonik atau inspeksi arus eddy, yang mengidentifikasi retakan di bawah permukaan yang terkait dengan kerusakan fretting.

Standar dan Prosedur Pengujian

Standar internasional yang relevan termasuk ASTM F1044 ("Metode Uji Standar untuk Korosi Fretting dari Pelapis Logam") dan ISO 15363 ("Pengujian korosi fretting dari pelapis logam"). Standar ini menetapkan kondisi pengujian, persiapan spesimen, dan kriteria evaluasi.

Prosedur tipikal meliputi:

• Mempersiapkan spesimen uji dengan permukaan kontak yang ditentukan.
• Menerapkan beban normal yang terkontrol untuk membangun kontak.
• Menempatkan spesimen pada gerakan tangensial siklik di bawah amplitudo dan frekuensi yang ditentukan.
• Mempertahankan kondisi lingkungan seperti kelembaban atau atmosfer korosif jika relevan.
• Secara berkala memeriksa spesimen untuk kerusakan permukaan, inisiasi retakan, dan akumulasi serpihan.

Parameter kritis termasuk magnitudo beban, amplitudo osilasi, frekuensi, jumlah siklus, dan kondisi lingkungan. Ini mempengaruhi tingkat kerusakan fretting dan reproduktifitas hasil.

Persyaratan Sampel

Sampel harus dipersiapkan dengan penyelesaian permukaan yang distandarisasi, sering kali dipoles hingga kekasaran tertentu (misalnya, Ra < 0.2 μm), untuk memastikan kondisi kontak yang konsisten. Kondisi permukaan dapat melibatkan pembersihan untuk menghilangkan kontaminan atau lapisan oksida yang dapat mempengaruhi hasil.

Spesimen biasanya dipotong dengan dimensi yang tepat, dengan area kontak ditentukan sesuai dengan standar pengujian. Penjajaran dan desain fixture yang tepat sangat penting untuk mereplikasi kondisi layanan dengan akurat.

Akurasi Pengukuran

Presisi pengukuran tergantung pada resolusi profilometer permukaan dan peralatan mikroskopi. Reproduktivitas ditingkatkan melalui persiapan spesimen yang distandarisasi dan parameter pengujian yang konsisten.

Sumber kesalahan termasuk ketidakselarasan, tekanan kontak yang tidak konsisten, fluktuasi lingkungan, dan variabilitas operator. Kalibrasi instrumen pengukuran dan pengujian berulang membantu memastikan keandalan data.

Untuk meningkatkan kualitas pengukuran, disarankan untuk melakukan beberapa pengujian, menggunakan standar referensi, dan mendokumentasikan semua kondisi pengujian dengan teliti.

Kuantifikasi dan Analisis Data

Satuan dan Skala Pengukuran

Kerusakan fretting diukur menggunakan parameter seperti:

• Dimensi bekas keausan: panjang, lebar, dan kedalaman, diukur dalam milimeter atau mikrometer.
• Kekasaran permukaan: Ra (kekasaran rata-rata), Rz (tinggi maksimum rata-rata), dalam mikrometer.
• Panjang retakan: diukur dalam milimeter.
• Indeks kerusakan fretting: skor komposit yang berasal dari area keausan, kepadatan retakan, dan jumlah serpihan.

Secara matematis, volume keausan dapat dihitung dari data profil