Penempaan: Membentuk Baja Melalui Deformasi Terkontrol & Perlakuan Panas

Definisi dan Konsep Dasar

Penempaan adalah proses manufaktur di mana logam dibentuk menggunakan gaya kompresif lokal yang diterapkan melalui pemukulan, penekanan, atau operasi penggulungan. Ini melibatkan deformasi plastik dari benda kerja logam untuk mencapai bentuk yang diinginkan dan meningkatkan sifat mekanik. Proses ini biasanya terjadi pada suhu tinggi di mana logam menunjukkan peningkatan plastisitas, meskipun penempaan dingin juga dipraktikkan untuk aplikasi tertentu.

Penempaan merupakan salah satu proses pengolahan logam tertua, yang berasal dari peradaban kuno, namun tetap penting dalam manufaktur industri modern. Ini menciptakan produk dengan sifat mekanik yang lebih unggul dibandingkan dengan pengecoran atau pemesinan saja, terutama dalam aplikasi yang memerlukan kekuatan dan keandalan tinggi.

Dalam metalurgi, penempaan menempati posisi sentral di antara teknik pemrosesan termomekanik. Ini secara fundamental mengubah mikrostruktur material melalui deformasi yang terkontrol, menghasilkan pemurnian butir dan tekstur kristalografi yang menguntungkan. Proses ini menjembatani produksi logam primer dan manufaktur komponen akhir, memungkinkan transformasi stok logam mentah menjadi komponen rekayasa berkinerja tinggi.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, penempaan menyebabkan deformasi plastik melalui pergerakan dislokasi dalam kisi kristal. Dislokasi ini adalah cacat linier yang memungkinkan bidang atom meluncur satu sama lain ketika tegangan melebihi kekuatan luluh material. Selama penempaan panas, proses pemulihan dinamis dan rekristalisasi terjadi secara bersamaan dengan deformasi, menghasilkan struktur butir yang lebih halus.

Gaya kompresif yang diterapkan menyebabkan logam mengalir secara plastik ke bentuk yang diinginkan sambil mempertahankan kontinuitas material. Perilaku aliran ini tergantung pada suhu, laju regangan, dan struktur kristalografi material. Berbeda dengan proses pengecoran, penempaan mempertahankan dan sering kali meningkatkan struktur butir fibrous logam awal, meningkatkan sifat kekuatan arah.

Deformasi selama penempaan juga menghancurkan struktur dendritik dari pengecoran dan menyebarkan elemen yang terpisah lebih merata di seluruh mikrostruktur. Homogenisasi ini meningkatkan sifat mekanik dan mengurangi anisotropi pada komponen akhir.

Model Teoretis

Kerangka teoretis utama untuk menganalisis penempaan logam adalah teori plastisitas, yang menggambarkan perilaku material di luar batas elastis. Model tegangan aliran mengaitkan tegangan yang diterapkan dengan regangan plastik, laju regangan, dan suhu menggunakan persamaan konstitutif yang memprediksi perilaku material selama deformasi.

Pemahaman historis berkembang dari pengetahuan kerajinan empiris menjadi analisis ilmiah yang dimulai dengan kriteria luluh Tresca pada abad ke-19, diikuti oleh kriteria von Mises. Pendekatan komputasi modern menggabungkan analisis elemen hingga (FEA) untuk memprediksi aliran material, distribusi tegangan, dan pengisian cetakan selama operasi penempaan yang kompleks.

Pendekatan teoretis yang berbeda termasuk model plastik-kaku yang mengabaikan deformasi elastis, model elastis-plastik yang memperhitungkan kedua jenis deformasi, dan model viskoplastik yang menggabungkan sensitivitas laju regangan. Setiap pendekatan menawarkan keuntungan yang berbeda tergantung pada proses penempaan dan material yang dianalisis.

Dasar Ilmu Material

Penempaan secara langsung mempengaruhi struktur kristal dengan menginduksi regangan dan rekristalisasi berikutnya. Selama penempaan panas, butir baru yang bebas regangan mengkristal dan tumbuh, menggantikan butir yang terdeformasi dan menghasilkan mikrostruktur yang lebih halus. Batas butir diatur ulang, sering kali menjadi lebih equiaxed dan terdistribusi secara merata.

Perubahan mikrostruktur selama penempaan mencakup pemurnian butir, pengembangan tekstur, dan transformasi fase. Perubahan ini secara signifikan mempengaruhi sifat mekanik, dengan ukuran butir yang lebih halus biasanya menghasilkan kekuatan yang lebih tinggi sesuai dengan hubungan Hall-Petch. Pola aliran butir arah berkembang sepanjang arah deformasi utama, menciptakan sifat mekanik anisotropik.

Penempaan terhubung dengan prinsip dasar ilmu material termasuk pengerasan kerja, pemulihan, rekristalisasi, dan pertumbuhan butir. Keseimbangan antara mekanisme yang bersaing ini, yang dikendalikan melalui parameter proses seperti suhu dan laju regangan, menentukan mikrostruktur dan sifat akhir dari komponen yang ditempa.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Tegangan aliran selama penempaan dapat dinyatakan menggunakan parameter Zener-Hollomon:

$$\sigma = K\varepsilon^n\dot{\varepsilon}^m\exp\left(\frac{Q}{RT}\right)$$

Di mana:
- $\sigma$ adalah tegangan aliran (MPa)
- $\varepsilon$ adalah regangan sejati
- $\dot{\varepsilon}$ adalah laju regangan (s⁻¹)
- $n$ adalah eksponen pengerasan regangan
- $m$ adalah sensitivitas laju regangan
- $Q$ adalah energi aktivasi untuk deformasi (J/mol)
- $R$ adalah konstanta gas universal (8.314 J/mol·K)
- $T$ adalah suhu mutlak (K)
- $K$ adalah konstanta material

Formula Perhitungan Terkait

Gaya penempaan dapat dihitung menggunakan:

$$F = \sigma_f A_p K_f$$

Di mana:
- $F$ adalah gaya penempaan yang dibutuhkan (N)
- $\sigma_f$ adalah tegangan aliran material (MPa)
- $A_p$ adalah area proyeksi benda kerja (mm²)
- $K_f$ adalah faktor penempaan yang memperhitungkan gesekan dan geometri

Energi yang dibutuhkan untuk penempaan dapat diperkirakan dengan:

$$E = \int_{V} \sigma_f d\varepsilon dV$$

Di mana:
- $E$ adalah energi yang dibutuhkan (J)
- $V$ adalah volume material yang sedang dideformasi (mm³)
- $d\varepsilon$ adalah regangan incremental

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini umumnya berlaku untuk material homogen, isotropik di bawah kondisi deformasi yang seragam. Mereka mengasumsikan suhu konstan di seluruh benda kerja, yang jarang terjadi dalam praktik industri karena efek pendinginan cetakan dan pemanasan deformasi.

Kondisi batas mencakup gesekan di antarmuka alat-benda kerja, yang secara signifikan mempengaruhi aliran material dan gaya yang dibutuhkan. Sebagian besar model mengasumsikan kondisi gesekan yang disederhanakan menggunakan model gesekan Coulomb atau gesekan geser konstan.

Model matematis ini biasanya mengasumsikan aliran material yang kontinu tanpa cacat retak atau lipatan. Mereka mungkin tidak memprediksi perilaku dengan akurat dalam geometri yang kompleks atau ketika material mendekati batas formabilitasnya.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

• ASTM E2448: Metode Uji Standar untuk Menentukan Sifat Superplastik dari Material Lembaran Logam
• ISO 17025: Persyaratan umum untuk kompetensi laboratorium pengujian dan kalibrasi
• ASTM E112: Metode Uji Standar untuk Menentukan Ukuran Butir Rata-rata
• ASTM E8/E8M: Metode Uji Standar untuk Pengujian Tarik Material Logam

Standar ini mencakup evaluasi sifat mekanik, analisis mikrostruktur, dan prosedur jaminan kualitas untuk komponen yang ditempa.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Peralatan umum termasuk press hidrolik dan palu mekanis untuk penempaan produksi, dengan versi terinstrumentasi untuk pengujian laboratorium. Mesin ini menerapkan gaya atau energi yang terkontrol untuk mend deformasi spesimen uji sambil mengukur hubungan beban-pergeseran.

Peralatan simulasi fisik seperti simulator termomekanik Gleeble memungkinkan kontrol suhu, regangan, dan laju regangan yang tepat untuk meniru