Menggambar: Proses Deformasi Dingin untuk Meningkatkan Sifat Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Penarikan adalah proses pembentukan logam di mana sebuah benda kerja logam ditarik melalui cetakan dengan area penampang yang lebih kecil daripada benda kerja asli, yang mengakibatkan pengurangan diameter dan peningkatan panjang. Proses kerja dingin ini menyebabkan deformasi plastis yang memperkuat material melalui pengerasan regangan sambil secara bersamaan meningkatkan akurasi dimensi dan hasil permukaan.

Penarikan merupakan operasi pembentukan dasar dalam pengolahan baja yang mengubah baja mentah atau setengah jadi menjadi kawat, batang, tabung, dan berbagai profil struktural. Proses ini dibedakan dari metode deformasi lainnya dengan penggunaan gaya tarik untuk menarik material melalui cetakan daripada gaya tekan untuk mendorong material.

Dalam bidang metalurgi yang lebih luas, penarikan menempati posisi penting sebagai proses hilir yang menyempurnakan mikrostruktur, meningkatkan sifat mekanik, dan memungkinkan produksi komponen presisi. Ini menjembatani operasi pembuatan baja primer dan manufaktur produk akhir, memungkinkan penciptaan produk baja khusus dengan dimensi yang ketat dan karakteristik mekanik yang superior.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mechanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, penarikan melibatkan deformasi plastis kristal logam saat mereka melewati cetakan. Tegangan tarik yang diterapkan melebihi kekuatan luluh material, menyebabkan dislokasi bergerak sepanjang bidang slip dalam kisi kristal. Dislokasi ini berinteraksi satu sama lain dan dengan hambatan seperti batas butir dan presipitat.

Proses deformasi memperpanjang butir dalam arah penarikan, menciptakan mikrostruktur berserat dengan orientasi kristalografi yang diutamakan (tekstur). Penyelarasan arah butir ini berkontribusi pada sifat mekanik anisotropik dalam produk yang ditarik. Secara bersamaan, kerapatan dislokasi meningkat secara dramatis, menyebabkan pengerasan kerja yang memperkuat material tetapi mengurangi ketangguhan.

Deformasi plastis yang parah juga menghasilkan panas melalui konversi energi mekanik, yang dapat sebagian mengimbangi pengerasan kerja melalui proses pemulihan dinamis jika kecepatan penarikan cukup tinggi untuk menyebabkan peningkatan suhu yang signifikan.

Model Teoretis

Model teoretis utama untuk penarikan didasarkan pada teori plastisitas, khususnya pendekatan kerja ideal yang dikembangkan oleh Siebel dan Sachs pada awal abad ke-20. Model ini menghitung tegangan penarikan dengan menganalisis kerja deformasi homogen, kerja deformasi redundan, dan komponen kerja gesekan.

Pemahaman sejarah tentang penarikan berkembang dari pengetahuan kerajinan empiris menjadi analisis ilmiah yang dimulai dengan studi awal Leonardo da Vinci tentang penarikan kawat. Kemajuan besar terjadi pada tahun 1920-an hingga 1940-an dengan pengembangan teori bidang slip-line dan metode batas atas, diikuti oleh pendekatan pemodelan elemen hingga pada tahun 1970-an hingga 1990-an.

Pendekatan teoretis modern mencakup model plastisitas kristal yang memperhitungkan evolusi tekstur, simulasi dinamika dislokasi yang memprediksi perilaku pengerasan regangan, dan model termo-mekanik terikat yang menggabungkan efek suhu selama operasi penarikan kecepatan tinggi.

Dasar Ilmu Material

Penarikan secara mendalam mempengaruhi struktur kristal dengan memperpanjang butir dan menciptakan orientasi kristalografi yang diutamakan. Deformasi menyebabkan batas butir sejajar dengan arah penarikan, menciptakan struktur berserat yang mempengaruhi anisotropi mekanik dalam produk akhir.

Perubahan mikrostruktur selama penarikan mencakup peningkatan kerapatan dislokasi, pembentukan sel dislokasi dan subbutir, serta potensi transformasi fase dalam baja metastabil. Dalam baja pearlitik, penarikan dapat menyebabkan penyelarasan dan bahkan pelarutan sebagian dari lamela sementit, sementara dalam baja martensitik, dapat menyebabkan efek tempering regangan.

Penarikan terhubung dengan prinsip dasar ilmu material termasuk pengerasan kerja, pengembangan tekstur, dan transformasi fase yang diinduksi oleh regangan. Proses ini menggambarkan bagaimana deformasi plastis yang terkontrol dapat dimanfaatkan untuk merancang mikrostruktur dan sifat tertentu dalam material logam.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Tegangan penarikan ($\sigma_d$) yang diperlukan untuk menarik material melalui cetakan dinyatakan sebagai:

$$\sigma_d = Y_f \ln\left(\frac{A_0}{A_1}\right)(1+\mu\cot\alpha)$$

Di mana:
- $Y_f$ adalah tegangan aliran rata-rata material
- $A_0$ adalah area penampang awal
- $A_1$ adalah area penampang akhir
- $\mu$ adalah koefisien gesekan
- $\alpha$ adalah sudut setengah cetakan

Formula Perhitungan Terkait

Pengurangan area ($r$) dihitung sebagai:

$$r = \frac{A_0 - A_1}{A_0} \times 100\%$$

Regangan penarikan ($\varepsilon$) diberikan oleh:

$$\varepsilon = \ln\left(\frac{A_0}{A_1}\right) = \ln\left(\frac{1}{1-r/100}\right)$$

Gaya penarikan ($F$) ditentukan oleh:

$$F = \sigma_d \times A_1$$

Formula ini diterapkan untuk merancang cetakan penarikan, menentukan pengurangan maksimum yang mungkin per pass, dan menghitung kebutuhan daya untuk peralatan penarikan.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini berlaku untuk material homogen, isotropik di bawah kondisi penarikan dingin di mana efek laju regangan minimal. Mereka mengasumsikan deformasi seragam di seluruh penampang dan kondisi penarikan keadaan tetap.

Batasan termasuk mengabaikan efek sensitivitas laju regangan, kenaikan suhu selama deformasi, dan perilaku material anisotropik. Model juga menyederhanakan geometri cetakan menjadi bentuk kerucut dan mengasumsikan kondisi gesekan yang konstan.

Formula mengasumsikan bahwa aliran material mengikuti kriteria luluh von Mises dan bahwa deformasi terjadi di bawah kondisi regangan bidang. Mereka menjadi kurang akurat untuk rasio pengurangan yang sangat tinggi (>45%) di mana deformasi redundan menjadi signifikan.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

• ASTM A370: Metode dan Definisi Pengujian Standar untuk Pengujian Mekanik Produk Baja - mencakup pengujian tarik produk kawat dan batang yang ditarik
• ASTM E8/E8M: Metode Pengujian Standar untuk Pengujian Tarik Material Logam - menyediakan prosedur untuk mengevaluasi material yang ditarik
• ISO 6892-1: Material logam - Pengujian tarik - Metode pengujian pada suhu kamar
• ASTM E112: Metode Pengujian Standar untuk Menentukan Ukuran Butir Rata-rata - untuk mengevaluasi perubahan mikrostruktur setelah penarikan

Setiap standar menyediakan prosedur spesifik untuk persiapan sampel, kondisi pengujian, dan analisis data untuk memastikan evaluasi yang dapat direproduksi dari produk baja yang ditarik.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Peralatan umum termasuk mesin pengujian universal yang dilengkapi dengan pegangan yang sesuai untuk sampel kawat, batang, atau tabung. Sel beban mengukur gaya penarikan sementara ekstensi atau sistem optik melacak perubahan dimensi selama pengujian.

Analisis metalografi menggunakan mikroskop optik dan elektron untuk memeriksa struktur butir, tekstur, dan cacat. Sistem difraksi sinar-X mengukur tekstur kristalografi dan tegangan sisa yang diinduksi oleh penarikan.

Peralatan khusus termasuk pengukur ketegangan dalam garis untuk pemantauan produksi dan bangku penarikan yang dilengkapi instrumen yang secara bersamaan mengukur gaya penarikan, suhu cetakan, dan parameter pelumasan selama proses.

Persyaratan Sampel

Sampel standar tarik dari produk yang ditarik biasanya mempertahankan penampang penuh untuk kawat dan batang, dengan panjang gauge ditentukan oleh persamaan L = 5.65√A₀ (di mana A₀ adalah area penampang asli) sesuai