Spall dalam Baja: Deteksi, Penyebab, dan Pencegahan dalam Pengendalian Kualitas

Definisi dan Konsep Dasar

Spall dalam konteks industri baja mengacu pada jenis cacat permukaan atau bawah permukaan yang ditandai dengan terlepasnya atau mengelupasnya fragmen material dari permukaan atau interior baja. Ini muncul sebagai serpihan kecil hingga besar, skala, atau fragmen yang telah terpisah dari logam induk, sering kali disebabkan oleh stres mekanis, termal, atau metalurgi.

Cacat ini signifikan karena secara langsung mempengaruhi integritas permukaan, penampilan estetika, dan kadang-kadang kinerja mekanis produk baja. Spall dapat berfungsi sebagai indikator masalah yang mendasari seperti pemrosesan yang tidak tepat, stres residual, atau kelemahan mikrostruktur, sehingga deteksi dan pengendaliannya sangat penting dalam jaminan kualitas.

Dalam kerangka yang lebih luas dari pengendalian kualitas baja, spall dianggap sebagai cacat permukaan atau bawah permukaan yang kritis yang dapat mengompromikan umur lelah, ketahanan korosi, dan kapasitas beban. Mereka sering dievaluasi selama pengujian non-destruktif (NDT) dan prosedur inspeksi permukaan untuk memastikan kepatuhan terhadap standar industri dan spesifikasi pelanggan.

Sifat Fisik dan Dasar Metalurgi

Manifestasi Fisik

Di tingkat makro, spall muncul sebagai fragmen atau serpihan yang terlokalisasi, sering kali berbentuk tidak teratur yang telah terpisah dari permukaan baja. Ini dapat berkisar dari skala mikroskopis—hanya terlihat di bawah pembesaran—hingga serpihan yang lebih besar yang terlihat dengan mata telanjang. Permukaan mungkin menunjukkan area kasar dan tidak rata di mana material telah terlepas, kadang-kadang disertai dengan retakan atau kekasaran permukaan.

Secara mikroskopis, spall ditandai oleh area delaminasi, mikroretakan, atau rongga di bawah permukaan. Batas antara daerah yang terkelupas dan material yang utuh sering menunjukkan tanda-tanda deformasi, koalesensi mikrovoid, atau mikroretakan, yang dapat diamati melalui pemeriksaan metalografi.

Mekanisme Metalurgi

Pembentukan spall terutama diatur oleh mekanisme metalurgi dan fisik seperti perkembangan stres internal, kelemahan mikrostruktur, atau gradien termal. Stres residual yang diperkenalkan selama pendinginan, penempaan, atau pengelasan dapat menyebabkan retakan permukaan atau bawah permukaan, yang mengarah pada spalling di bawah kondisi layanan atau pengujian.

Perubahan mikrostruktur seperti kerapuhan batas butir, segregasi inklusi, atau transformasi fase dapat melemahkan kohesi antara konstituen mikrostruktur, membuat material lebih rentan terhadap spallation. Misalnya, mikrostruktur kasar atau keberadaan inklusi non-logam dapat bertindak sebagai konsentrator stres, memulai retakan yang menyebar dan mengakibatkan spalling.

Komposisi baja mempengaruhi kerentanan; kandungan sulfur atau fosfor yang tinggi dapat meningkatkan kerapuhan, meningkatkan risiko spall. Parameter pemrosesan seperti pendinginan cepat, perlakuan panas yang tidak tepat, atau deformasi berlebihan dapat menyebabkan stres residual atau inhomogenitas mikrostruktur yang mendukung pembentukan spall.

Sistem Klasifikasi

Klasifikasi standar spall umumnya mempertimbangkan ukuran, lokasi, dan tingkat keparahan. Kategori umum meliputi:

• Spall Kecil: Serpihan kecil atau chip, sering kali kurang dari 1 mm dalam diameter, biasanya superfisial dan tidak mempengaruhi integritas struktural.
• Spall Sedang: Serpihan yang lebih besar, antara 1-5 mm, mungkin menjangkau di bawah permukaan, dengan potensi untuk mempengaruhi umur lelah.
• Spall Parah: Lepas yang luas melibatkan kehilangan material yang signifikan, sering kali melebihi 5 mm, yang dapat mengompromikan sifat mekanis.

Beberapa standar, seperti ASTM A370 atau ISO 4967, menetapkan kriteria penerimaan berdasarkan ukuran, jumlah, dan lokasi spall. Misalnya, suatu komponen mungkin dapat diterima jika spall terbatas pada area non-kritis atau di bawah ambang ukuran tertentu, sedangkan spall yang lebih besar atau banyak di zona yang menanggung beban dapat menyebabkan penolakan.

Interpretasi klasifikasi membimbing keputusan manufaktur, protokol inspeksi, dan kriteria penerimaan, memastikan pengendalian kualitas yang konsisten di seluruh batch produksi.

Metode Deteksi dan Pengukuran

Teknik Deteksi Utama

Deteksi spall bergantung pada metode non-destruktif dan destruktif. Teknik pengujian non-destruktif (NDT) termasuk inspeksi visual, pengujian ultrasonik, inspeksi partikel magnetik, dan pengujian arus eddy.

• Inspeksi Visual: Metode yang paling sederhana, melibatkan pengamatan langsung permukaan baja di bawah pencahayaan dan pembesaran yang memadai. Ketidakteraturan permukaan, serpihan, atau fragmen longgar diidentifikasi secara visual.

• Pengujian Ultrasonik (UT): Menggunakan gelombang suara frekuensi tinggi untuk mendeteksi diskontinuitas bawah permukaan yang terkait dengan spalling. Variasi dalam sinyal yang dipantulkan menunjukkan adanya delaminasi atau retakan internal.

• Inspeksi Partikel Magnetik (MPI): Cocok untuk baja ferromagnetik, MPI mendeteksi retakan atau cacat permukaan dan dekat permukaan dengan menerapkan medan magnet dan partikel besi yang berkumpul di lokasi cacat.

• Pengujian Arus Eddy: Sensitif terhadap cacat permukaan dan dekat permukaan, terutama pada baja non-ferromagnetik, dengan mengukur perubahan dalam sifat elektromagnetik.

Metode destruktif, seperti pemeriksaan metalografi dan analisis patah, melibatkan pemotongan dan penghalusan sampel untuk mengamati fitur mikrostruktur yang terkait dengan spalling.

Standar dan Prosedur Pengujian

Standar yang relevan termasuk ASTM E1245 (Metode Uji Standar untuk Menentukan Keberadaan Cacat Permukaan dalam Baja), ISO 4967, dan EN 10228. Prosedur tipikal meliputi:

1. Persiapan Sampel: Bersihkan permukaan untuk menghilangkan kotoran, minyak, atau produk korosi yang dapat mengaburkan cacat.
2. Inspeksi Visual Awal: Dilakukan di bawah pencahayaan dan pembesaran yang tepat.
3. Penerapan Metode NDT: Pengujian ultrasonik atau partikel magnetik dilakukan sesuai dengan parameter yang ditentukan.
4. Pencatatan Data: Dokumentasikan lokasi, ukuran, dan sifat spall yang terdeteksi.
5. Evaluasi: Bandingkan temuan dengan kriteria penerimaan yang diuraikan dalam standar yang relevan.

Parameter kritis termasuk frekuensi probe, pengaturan sensitivitas, dan kondisi permukaan, yang mempengaruhi akurasi deteksi.

Persyaratan Sampel

Sampel harus representatif dari batch produksi, dengan permukaan yang disiapkan sesuai dengan prosedur standar—bersih, halus, dan bebas dari kontaminan permukaan. Kondisi permukaan, seperti penggilingan atau penghalusan, mungkin diperlukan untuk meningkatkan sensitivitas deteksi.

Ukuran dan lokasi sampel sangat penting; pengujian harus mencakup area kritis, terutama yang terkena stres tinggi atau siklus termal. Untuk komponen besar, pengambilan sampel di beberapa titik memastikan penilaian yang komprehensif.

Akurasi Pengukuran

Presisi pengukuran tergantung pada kalibrasi peralatan, keterampilan operator, dan kondisi permukaan. Repetabilitas dan reproduktifitas ditingkatkan melalui prosedur standar dan kalibrasi terhadap standar yang diketahui.

Sumber kesalahan termasuk kekasaran permukaan, kebisingan dalam sinyal ultrasonik, atau magnetisasi yang tidak tepat. Untuk memastikan kualitas pengukuran, kalibrasi rutin, pelatihan operator, dan kepatuhan terhadap protokol pengujian sangat penting.

Kuantifikasi dan Analisis Data

Satuan dan Skala Pengukuran

Ukuran spall biasanya dinyatakan dalam milimeter (mm), mewakili dimensi maksimum dari fragmen yang terlepas atau panjang retakan. Jumlah spall