Pembengkokan: Proses Pembentukan Fundamental & Sifat Mekanis pada Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Pembengkokan dalam industri baja mengacu pada proses deformasi di mana suatu material dipaksa untuk melengkung atau melipat di sekitar sumbu netral, yang menginduksi tegangan tarik pada serat luar dan tegangan tekan pada serat dalam. Operasi mekanis ini mengubah bagian baja yang datar atau lurus menjadi komponen yang melengkung atau bersudut tanpa mengubah ketebalan atau luas penampang material secara signifikan.

Pembengkokan merupakan salah satu operasi pembentukan logam yang mendasar dalam proses manufaktur dan fabrikasi. Ini memungkinkan penciptaan geometri kompleks dari bahan baku yang sederhana, menjadikannya penting untuk memproduksi komponen struktural, produk konsumen, dan peralatan industri.

Dalam metalurgi, pembengkokan menempati posisi kritis karena menghubungkan sifat material teoritis dengan kemampuan manufaktur praktis. Ini menunjukkan bagaimana karakteristik deformasi elastis dan plastik dari suatu material dapat dimanfaatkan untuk menciptakan bentuk yang berguna sambil mempertahankan integritas struktural.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, pembengkokan melibatkan perpindahan atom dari posisi keseimbangan mereka dalam kisi kristal. Ketika baja mengalami pembengkokan, bidang atom meluncur satu sama lain melalui gerakan dislokasi, menciptakan deformasi permanen setelah kekuatan luluh terlampaui.

Radius luar dari bengkokan mengalami ketegangan, menyebabkan ikatan atom meregang dan berpotensi menciptakan bidang slip sepanjang arah kristalografi. Sebaliknya, radius dalam mengalami kompresi, dengan atom dipaksa lebih dekat satu sama lain. Di antara daerah ini terletak sumbu netral di mana tidak terjadi ketegangan maupun kompresi.

Dislokasi—cacat kristalin linier—memainkan peran penting dalam memfasilitasi deformasi plastik selama pembengkokan. Gerakan mereka melalui kisi kristal memungkinkan perubahan bentuk permanen tanpa kegagalan katastropik dari material.

Model Teoretis

Teori balok berfungsi sebagai model teoretis utama untuk menggambarkan perilaku pembengkokan. Awalnya dikembangkan oleh Euler dan Bernoulli pada abad ke-18, model ini menghubungkan momen yang diterapkan dengan kelengkungan yang dihasilkan melalui sifat material dan geometri penampang.

Pemahaman tentang mekanika pembengkokan berkembang secara signifikan dengan pengembangan teori elastisitas oleh Navier, Saint-Venant, dan Timoshenko. Kontribusi ini memungkinkan prediksi yang lebih akurat tentang distribusi tegangan dan efek springback.

Pendekatan modern mencakup model elastis-plastik yang memperhitungkan perilaku material non-linear, analisis elemen hingga yang menangani geometri kompleks, dan model plastisitas kristal yang menggabungkan fitur mikrostruktur. Setiap pendekatan menawarkan keuntungan yang berbeda tergantung pada akurasi yang diperlukan dan sumber daya komputasi.

Dasar Ilmu Material

Perilaku pembengkokan sangat terkait dengan struktur kristal baja. Struktur kubik berpusat badan (BCC) yang ditemukan pada baja ferritik biasanya menunjukkan karakteristik pembengkokan yang berbeda dibandingkan dengan struktur kubik berpusat muka (FCC) pada baja austenitik karena sistem slip dan mobilitas dislokasi yang berbeda.

Batas butir secara signifikan mempengaruhi kinerja pembengkokan dengan bertindak sebagai penghalang terhadap gerakan dislokasi. Baja dengan butir halus umumnya menunjukkan kekuatan luluh yang lebih tinggi tetapi mungkin menunjukkan deformasi yang kurang seragam selama pembengkokan dibandingkan dengan varian butir kasar.

Prinsip dasar pengerasan regangan, pemulihan, dan rekristalisasi semuanya muncul selama operasi pembengkokan. Fenomena ini menjelaskan mengapa pembengkokan berulang menyebabkan peningkatan kekerasan dan kerapuhan, dan mengapa perlakuan panas mungkin diperlukan setelah operasi pembengkokan yang parah.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Persamaan tegangan pembengkokan yang mendasar adalah:

$$\sigma = \frac{My}{I}$$

Di mana $\sigma$ mewakili tegangan pembengkokan pada titik tertentu, $M$ adalah momen pembengkokan yang diterapkan, $y$ adalah jarak dari sumbu netral ke titik yang diminati, dan $I$ adalah momen inersia area dari penampang.

Formula Perhitungan Terkait

Radius bengkok minimum dapat dihitung menggunakan:

$$R_{min} = \frac{Et}{2\sigma_y} \times \frac{100}{(100-r)}$$

Di mana $E$ adalah modulus Young, $t$ adalah ketebalan material, $\sigma_y$ adalah kekuatan luluh, dan $r$ adalah persentase pengurangan area selama pengujian tarik.

Faktor springback untuk operasi pembengkokan dapat diperkirakan dengan:

$$K = \frac{R_f}{R_i} = \frac{4\left(\frac{R_i}{t}\right)^3 - 3\left(\frac{R_i}{t}\right)}{4\left(\frac{R_i}{t}\right)^3 + 3\left(\frac{R_i}{t}\right)}$$

Di mana $R_f$ adalah radius akhir setelah springback, $R_i$ adalah radius pembentukan awal, dan $t$ adalah ketebalan material.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini mengasumsikan sifat material yang homogen dan isotropik dan paling akurat dalam rentang deformasi elastis. Untuk deformasi plastik, model yang lebih kompleks diperlukan.

Persamaan pembengkokan dasar menjadi kurang akurat untuk defleksi besar di mana non-linearitas geometris menjadi signifikan. Ini juga tidak memperhitungkan deformasi geser, yang menjadi penting pada penampang tebal atau balok pendek.

Model ini mengasumsikan kondisi suhu konstan dan tidak memperhitungkan sensitivitas laju regangan, yang dapat signifikan dalam operasi pembentukan kecepatan tinggi atau saat bekerja dengan sistem paduan tertentu.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM E290 menyediakan metode pengujian standar untuk pengujian bengkok material untuk duktilitas. Ini mencakup prosedur untuk pengujian bengkok terarah untuk mengevaluasi duktilitas dan ketahanan terhadap retak.

ISO 7438 menetapkan metode untuk menentukan kemampuan material logam untuk mengalami deformasi plastik dalam pembengkokan. Ini banyak digunakan untuk kontrol kualitas dalam manufaktur.

ASTM E855 mencakup pengujian bengkok standar untuk menentukan springback pada material lembaran, sementara ISO 5173 membahas pengujian bengkok untuk las dan sambungan las.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Mesin pengujian universal yang dilengkapi dengan fixture bengkok khusus biasanya digunakan untuk pengujian bengkok standar. Mesin ini menerapkan gaya terkontrol sambil mengukur perpindahan dan beban.

Konfigurasi pengujian bengkok tiga titik dan empat titik adalah yang paling umum, dengan yang pertama menciptakan tegangan maksimum pada satu titik dan yang terakhir menghasilkan tegangan seragam di seluruh wilayah. Ini memungkinkan evaluasi yang berbeda terhadap perilaku material.

Sistem pengukuran regangan optik canggih yang menggunakan korelasi citra digital dapat memetakan bidang regangan di seluruh spesimen selama pembengkokan, memberikan wawasan tentang perilaku deformasi lokal.

Persyaratan Sampel

Sampel pengujian bengkok standar biasanya memiliki penampang persegi panjang dengan rasio lebar terhadap ketebalan antara 4:1 dan 8:1. Tepi harus bebas dari notches atau konsentrator stres lainnya.

Persyaratan persiapan permukaan mencakup penghilangan skala, dekaburisasi, dan cacat permukaan lainnya yang mungkin mempengaruhi hasil pengujian. Sampel harus bebas dari stres residual dari pemrosesan sebelumnya.

Orientasi spesimen relatif terhadap arah penggulungan harus ditentukan dan konsisten, karena sifat anisotropik secara signifikan mempengaruhi perilaku pembengkokan pada produk baja yang digulung.

Parameter Uji

Pengujian bengkok standar biasanya dilakukan pada suhu ruangan (20-25°C), meskipun pengujian khusus dapat mengevaluasi kinerja pada suhu tinggi atau kriogenik untuk mensimulasikan kondisi layanan.

Kecepatan pemuatan umumnya ditentukan