Autofrettage: Meningkatkan Kekuatan Wadah Tekanan Melalui Stres Residual

Definisi dan Konsep Dasar

Autofrettage adalah proses mekanis yang digunakan untuk meningkatkan umur lelah dan kapasitas tekanan silinder dinding tebal dengan sengaja menciptakan distribusi tegangan sisa yang menguntungkan. Proses ini melibatkan pemampatan silinder melebihi titik hasilnya, menyebabkan bagian dalam mengalami deformasi plastis sementara bagian luar tetap elastis. Setelah pelepasan tekanan, pemulihan elastis dari bagian luar menekan bagian dalam yang terdeformasi plastis, menciptakan tegangan sisa kompresif di dekat lubang.

Teknik ini sangat penting dalam aplikasi tekanan tinggi di mana komponen mengalami beban siklik, karena tegangan sisa kompresif mengimbangi tegangan tarik operasional. Hasilnya adalah peningkatan ketahanan lelah dan kapasitas tekanan pecah yang signifikan tanpa meningkatkan berat atau dimensi komponen.

Dalam bidang metalurgi yang lebih luas, autofrettage mewakili aplikasi khusus dari rekayasa tegangan sisa. Ini menunjukkan bagaimana deformasi plastis yang terkontrol dapat dimanfaatkan untuk meningkatkan kinerja material di luar sifat inheren dari logam dasar, melengkapi mekanisme penguatan lainnya seperti pengerasan kerja, pemurnian butir, dan pengerasan presipitasi.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, autofrettage menginduksi pergerakan dan perkalian dislokasi di daerah yang terdeformasi plastis. Ketika bagian dalam silinder mengalami deformasi, dislokasi bergerak sepanjang bidang slip dan terakumulasi di penghalang seperti batas butir dan presipitat. Deformasi plastis ini secara permanen mengubah susunan atom di daerah yang terpengaruh.

Sementara itu, bagian luar yang elastis mempertahankan struktur kristal aslinya. Setelah pelepasan tekanan, daerah elastis ini berusaha kembali ke keadaan tidak terdeformasi tetapi dibatasi oleh daerah dalam yang terdeformasi secara permanen. Ketidakcocokan ini menciptakan medan tegangan sisa yang seimbang sendiri dengan kompresi di lubang dan ketegangan di daerah luar.

Struktur dislokasi yang dihasilkan juga berkontribusi pada pengerasan kerja di daerah yang terdeformasi plastis, lebih meningkatkan ketahanan material terhadap deformasi selanjutnya.

Model Teoretis

Model teoretis utama untuk autofrettage didasarkan pada teori silinder dinding tebal elastoplastik. Awalnya dikembangkan oleh Jacob Lamé pada abad ke-19 untuk analisis elastis, teori ini diperluas untuk deformasi plastis oleh von Sanden dan Gunther pada awal abad ke-20.

Pemahaman historis berkembang secara signifikan ketika Hill, Lee, dan Tupper mengembangkan solusi elastoplastik lengkap pada tahun 1947. Karya mereka memberikan dasar matematis untuk analisis autofrettage modern.

Pendekatan kontemporer termasuk model Bauschinger Effect-Modified (BEM), yang memperhitungkan pelunakan material selama yielding terbalik, dan Unified Yield Theory (UYT), yang memberikan prediksi yang lebih akurat tentang tegangan sisa. Analisis Elemen Hingga (FEA) sebagian besar menggantikan solusi bentuk tertutup untuk geometri kompleks dan perilaku material non-linear.

Dasar Ilmu Material

Efektivitas autofrettage berkaitan langsung dengan struktur kristal material. Struktur kubik berpusat badan (BCC) yang khas dalam baja bejana tekan menawarkan banyak sistem slip yang memfasilitasi deformasi plastis yang terkontrol yang diperlukan.

Batas butir memainkan peran penting karena mereka bertindak sebagai penghalang terhadap pergerakan dislokasi. Struktur butir yang lebih halus umumnya meningkatkan efektivitas autofrettage dengan memberikan deformasi plastis yang lebih seragam dan ketahanan lelah yang lebih baik pada komponen akhir.

Proses ini secara fundamental bergantung pada prinsip deformasi elastis-plastis, pengerasan kerja, dan pengembangan tegangan sisa. Prinsip-prinsip ini menghubungkan autofrettage dengan konsep inti ilmu material termasuk kriteria hasil, pengerasan regangan, dan transisi elastis-plastis.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Rumus Definisi Dasar

Tekanan autofrettage dasar ($P_a$) yang diperlukan untuk menciptakan zona plastis tertentu dapat dinyatakan sebagai:

$$P_a = \sigma_y \left(\frac{b^2-a^2}{2b^2}\right) \ln\left(\frac{c}{a}\right)$$

Di mana:
- $\sigma_y$ = kekuatan hasil material
- $a$ = jari-jari dalam silinder
- $b$ = jari-jari luar silinder
- $c$ = jari-jari batas elastis-plastis

Rumus Perhitungan Terkait

Tegangan hoop sisa ($\sigma_{\theta r}$) pada jari-jari $r$ setelah autofrettage dapat dihitung sebagai:

$$\sigma_{\theta r}(r) = \sigma_y \left$$\frac{b^2}{b^2-a^2}\left(1-\frac{a^2}{r^2}\right) - \ln\left(\frac{b}{r}\right)\right$$$$

Untuk permukaan dalam di mana $r = a$, ini disederhanakan menjadi:

$$\sigma_{\theta r}(a) = -\sigma_y \ln\left(\frac{b}{a}\right)$$

Persentase autofrettage sering digunakan untuk menggambarkan intensitas proses:

$$\text{Persentase autofrettage} = \frac{c-a}{b-a} \times 100\%$$

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Rumus ini mengasumsikan perilaku material elastis-sempurna plastis tanpa pengerasan regangan atau efek Bauschinger. Mereka hanya berlaku untuk silinder dinding tebal dengan rasio $b/a > 1.2$.

Model-model ini mengasumsikan sifat material isotropik dan mengabaikan efek suhu. Untuk prediksi yang akurat dalam aplikasi nyata, penyederhanaan ini harus ditangani menggunakan model yang lebih kompleks.

Selain itu, rumus ini hanya berlaku untuk geometri silindris tanpa diskontinuitas. Komponen dengan geometri kompleks memerlukan metode numerik seperti analisis elemen hingga.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM E837: Metode Uji Standar untuk Menentukan Tegangan Sisa dengan Metode Lubang-Pengeboran Strain-Gage. Standar ini mencakup pengukuran tegangan sisa di dekat permukaan material isotropik.

ASTM E915: Metode Uji Standar untuk Memverifikasi Penyelarasan Instrumen Difraksi Sinar-X untuk Pengukuran Tegangan Sisa. Standar ini memastikan pengaturan yang akurat untuk pengukuran tegangan sisa XRD.

ISO 26203: Material logam - Pengujian tarik pada laju regangan tinggi. Standar ini relevan untuk mengkarakterisasi perilaku material di bawah laju regangan tinggi yang dialami selama autofrettage.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Gauge regangan umumnya digunakan untuk mengukur regangan permukaan selama dan setelah autofrettage. Sensor berbasis resistansi listrik ini mendeteksi perubahan dimensi kecil dan mengubahnya menjadi nilai regangan.

Difraksi sinar-X (XRD) mengukur tegangan sisa dengan mendeteksi perubahan dalam jarak kisi kristal. Teknik ini bersifat non-destruktif tetapi terbatas pada pengukuran permukaan.

Difraksi neutron memberikan pengukuran tegangan sisa melalui ketebalan dengan menembus lebih dalam ke dalam material. Teknik ini mengukur perubahan jarak kisi pada berbagai kedalaman untuk membangun profil tegangan yang lengkap.

Teknik canggih termasuk metode pemotongan kontur, yang melibatkan pemotongan komponen dan mengukur deformasi yang dihasilkan untuk menghitung kembali tegangan sisa.

Persyaratan Sampel

Spesimen uji standar biasanya mencakup bagian cincin yang dipotong dari silinder yang telah di-autofrettage, dengan rasio ketebalan terhadap diameter yang sesuai dengan komponen asli.

Persiapan permukaan memerlukan penggilingan dan pemolesan yang hati-hati untuk menghilangkan bekas pemesinan tanpa mengubah tegangan sisa. Pengikisan kimia mungkin diperlukan untuk menghilangkan lapisan permukaan yang terpengaruh oleh pemesinan.

Sp