Vickers Hardness: Metode Pengujian Kunci untuk Kualitas & Daya Tahan Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Kekerasan Vickers (VHN atau HV) adalah metode pengujian mikrokeras yang banyak digunakan untuk mengukur ketahanan material terhadap deformasi plastik lokal. Ini didefinisikan oleh ukuran indentasi yang dibuat oleh penekan berbentuk berlian di bawah beban tertentu, memberikan penilaian kuantitatif terhadap kekerasan baja pada skala mikro atau sub-mikro.

Secara fundamental, pengujian Kekerasan Vickers melibatkan penekanan penekan berbentuk piramida berlian ke permukaan baja di bawah beban yang terkontrol selama durasi tetap. Ukuran indentasi yang dihasilkan, diukur secara diagonal, berkorelasi langsung dengan kekerasan material. Uji ini signifikan dalam mengevaluasi kekerasan permukaan komponen baja, terutama setelah perlakuan panas, modifikasi permukaan, atau dalam analisis mikrostruktur.

Dalam kerangka yang lebih luas dari jaminan kualitas baja, Kekerasan Vickers berfungsi sebagai indikator penting dari sifat mekanik seperti kekuatan, ketahanan aus, dan duktilitas. Ini melengkapi pengujian kekerasan lainnya seperti Rockwell atau Brinell, menawarkan wawasan mendetail tentang variasi mikrostruktur, tegangan sisa, dan integritas permukaan. Oleh karena itu, pengujian kekerasan Vickers sangat penting untuk memastikan produk baja memenuhi kriteria kinerja yang ditentukan dan cocok untuk aplikasi yang dimaksudkan.

Sifat Fisik dan Dasar Metalurgi

Manifestasi Fisik

Di tingkat makro, pengujian kekerasan Vickers tidak menghasilkan cacat yang terlihat tetapi menghasilkan indentasi yang dapat diamati pada permukaan baja. Di bawah mikroskop optik, indentasi muncul sebagai jejak persegi atau berbentuk berlian dengan tepi yang terdefinisi dengan baik, biasanya berukuran beberapa mikrometer hingga ratusan mikrometer tergantung pada beban.

Secara mikroskopis, indentasi mengungkapkan zona lokal deformasi plastik yang ditandai dengan permukaan yang datar dan sedikit terentang. Mikrostruktur di dalam dan sekitar indentasi dapat menunjukkan fitur seperti kusut dislokasi, mikroretakan, atau transformasi fase, terutama pada baja yang dikeraskan atau dipanaskan. Ukuran dan morfologi indentasi, bersama dengan fitur mikrostruktur, berfungsi sebagai pengidentifikasi utama tingkat kekerasan material.

Mekanisme Metalurgi

Uji kekerasan Vickers mengukur ketahanan material terhadap deformasi plastik, yang diatur oleh karakteristik mikrostrukturnya. Ketika penekan berlian menerapkan gaya, dislokasi dalam mikrostruktur baja bergerak dan berkembang biak, mengakomodasi deformasi.

Pada baja, mikrostruktur—yang terdiri dari fase seperti ferit, perlit, bainit, martensit, atau struktur yang dipanaskan—secara signifikan mempengaruhi kekerasan. Misalnya, baja martensitik menunjukkan kepadatan dislokasi yang tinggi dan ikatan atom yang kuat, menghasilkan nilai kekerasan yang lebih tinggi. Sebaliknya, fase yang lebih lunak seperti ferit atau struktur yang dipanaskan menunjukkan ketahanan yang lebih rendah terhadap deformasi.

Komposisi kimia, terutama elemen paduan seperti karbon, kromium, molibdenum, dan nikel, mempengaruhi pembentukan fase dan kekerasan. Proses perlakuan panas seperti pendinginan dan pemanasan mengubah fitur mikrostruktur, sehingga memodifikasi kekerasan. Kehadiran tegangan sisa, ukuran butir, dan homogenitas mikrostruktur juga mempengaruhi kekerasan yang diukur.

Sistem Klasifikasi

Nilai kekerasan Vickers dikategorikan berdasarkan besarnya pengukuran, yang mencerminkan keadaan mikrostruktur dan sifat mekanik baja. Klasifikasi standar melibatkan rentang seperti:

• Baja sangat lunak: HV kurang dari 150
• Baja lunak: HV 150–250
• Baja dengan kekerasan sedang: HV 250–400
• Baja keras: HV 400–600
• Baja sangat keras: HV di atas 600

Klasifikasi ini membantu dalam memilih baja yang sesuai untuk aplikasi tertentu, seperti alat pemotong, permukaan tahan aus, atau komponen struktural. Dalam praktik industri, ambang kekerasan diselaraskan dengan persyaratan kinerja, dengan kekerasan yang lebih tinggi menunjukkan ketahanan aus yang lebih besar tetapi berpotensi mengurangi ketangguhan.

Interpretasi klasifikasi ini tergantung pada konteks—misalnya, keadaan mikrostruktur, riwayat perlakuan panas, dan kondisi layanan—menjadikan sistem klasifikasi sebagai alat praktis untuk kontrol kualitas dan pemilihan material.

Metode Deteksi dan Pengukuran

Teknik Deteksi Utama

Metode inti untuk mengukur kekerasan Vickers melibatkan penekanan penekan berbentuk piramida berlian ke permukaan baja di bawah beban tertentu, biasanya berkisar antara 1 hingga 100 kgf (9,8 hingga 980 N). Proses ini dapat dilakukan secara otomatis atau manual, dengan penekan dipegang di tempatnya selama waktu tinggal yang telah ditentukan, biasanya 10 hingga 15 detik.

Setelah indentasi, pengukuran diagonal dari jejak persegi dilakukan menggunakan mikroskop optik yang dilengkapi dengan lensa pengukur atau sistem pencitraan digital. Diagonal diukur di beberapa titik untuk memastikan akurasi, dan nilai rata-rata digunakan untuk perhitungan.

Prinsip fisik yang mendasari metode ini adalah proporsionalitas antara ukuran indentasi dan kekerasan material. Indentasi yang lebih kecil menunjukkan kekerasan yang lebih tinggi, sementara yang lebih besar menunjukkan material yang lebih lunak. Penggunaan penekan berlian memastikan deformasi minimal pada penekan itu sendiri, memberikan hasil yang konsisten dan dapat diandalkan.

Standar dan Prosedur Pengujian

Standar internasional seperti ASTM E384, ISO 6507, dan EN 10545 menetapkan prosedur untuk pengujian kekerasan Vickers. Prosedur pengujian yang khas mencakup:

• Persiapan permukaan spesimen: Permukaan harus halus, bersih, dan bebas dari cacat permukaan atau kontaminan. Polishing hingga hasil akhir cermin sering kali diperlukan untuk memastikan pengukuran yang akurat.
• Pemilihan parameter uji: Besar beban, waktu tinggal, dan jumlah indentasi dipilih berdasarkan ketebalan material, mikrostruktur, dan rekomendasi standar.
• Proses indentasi: Penekan diterapkan secara tegak lurus ke permukaan dengan gaya terkontrol, dipertahankan selama waktu tinggal yang ditentukan.
• Pengukuran diagonal: Setelah pengurangan beban, diagonal dari indentasi diukur di beberapa titik untuk memperhitungkan ketidakberaturan.
• Perhitungan kekerasan: Angka kekerasan Vickers dihitung menggunakan rumus:

$$
HV = \frac{1.854 \times F}{d^2}
$$

di mana $F$ adalah beban yang diterapkan dalam kilogram-gaya, dan (d) adalah panjang rata-rata diagonal dalam milimeter.

Parameter kritis seperti beban, waktu tinggal, dan presisi pengukuran mempengaruhi akurasi dan keterulangan hasil. Kalibrasi peralatan yang tepat dan kepatuhan terhadap standar sangat penting untuk data yang dapat diandalkan.

Persyaratan Sampel

Spesimen harus disiapkan dengan permukaan yang datar, halus, dan bersih untuk memastikan kontak yang konsisten dengan penekan. Hasil akhir permukaan biasanya melibatkan penghalusan dengan abrasif yang semakin halus untuk mencapai permukaan yang mirip cermin, meminimalkan kekasaran permukaan yang dapat mendistorsi pengukuran.

Contoh harus representatif dari mikrostruktur material dan bebas dari cacat permukaan, retakan, atau tegangan sisa yang dapat mempengaruhi indentasi. Untuk material tipis, ketebalan harus cukup untuk mencegah efek substrat, umumnya setidaknya tiga kali kedalaman indentasi.

Pemilihan lokasi uji harus mempertimbangkan heterogenitas mikrostruktur, seperti batas butir atau antarmuka fase, untuk memperoleh nilai kekerasan yang representatif. Pengukuran ganda di berbagai daerah disarankan untuk keandalan statistik.

Akurasi Pengukuran

Presisi pengukuran kekerasan Vickers tergantung pada kalibrasi peralatan, keterampilan operator, dan persiapan spesimen. Keterulangan (operator yang sama, spesimen yang sama, kondisi yang sama)