Pembentukan: Membentuk Baja Melalui Proses Deformasi Plastik

Definisi dan Konsep Dasar

Pembentukan adalah proses manufaktur yang secara plastis mendekonstruksi material menjadi bentuk yang diinginkan tanpa menambah atau mengurangi material, terutama melalui penerapan gaya mekanis. Ini mewakili kategori dasar dari teknik pengolahan logam yang mengubah geometri baja sambil mempertahankan massa dan kontinuitasnya. Dalam industri baja, proses pembentukan sangat penting untuk mengubah produk baja mentah seperti slab, billet, atau lembaran menjadi komponen yang berguna dengan geometri tertentu dan sifat mekanis yang ditingkatkan.

Dalam bidang metalurgi yang lebih luas, pembentukan menempati posisi kritis antara pembuatan baja primer dan operasi penyelesaian. Ini menjembatani kesenjangan antara produksi baja mentah dan pembuatan produk akhir, memungkinkan penciptaan bentuk kompleks sambil secara bersamaan menyempurnakan mikrostruktur. Proses pembentukan memanfaatkan plastisitas bawaan baja—kemampuannya untuk deformasi secara permanen tanpa patah—untuk menciptakan komponen yang tidak mungkin atau tidak ekonomis untuk diproduksi melalui metode lain.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, pembentukan melibatkan pergerakan dan perkalian dislokasi dalam kisi kristal baja. Ketika stres melebihi kekuatan luluh material, cacat kristalografi linier ini bergerak melalui kisi, memungkinkan bidang atom untuk meluncur satu sama lain. Pergerakan dislokasi ini menciptakan deformasi permanen tanpa memutus ikatan atom.

Proses ini biasanya melibatkan baik daerah deformasi elastis maupun plastis. Beban awal menyebabkan deformasi elastis yang dapat dibalik saat ikatan atom meregang tetapi tidak putus. Setelah titik luluh terlampaui, deformasi plastis terjadi saat dislokasi berlipat ganda dan bergerak, menciptakan perubahan bentuk permanen. Pergerakan ini menghadapi resistensi dari batas butir, presipitat, dan dislokasi lainnya, berkontribusi pada fenomena pengerasan kerja.

Model Teoretis

Teori plastisitas membentuk kerangka teoretis utama untuk memahami pembentukan logam. Teori ini menggambarkan bagaimana material mengalami deformasi plastis di bawah beban yang diterapkan dan memprediksi aliran material selama operasi pembentukan. Pengembangan awal dimulai dengan kriteria tegangan geser maksimum Tresca (1864) dan kriteria energi distorsi von Mises (1913), yang menetapkan kriteria luluh untuk material duktile.

Teori pembentukan modern menggabungkan beberapa pendekatan. Teori bidang slip-line, yang dikembangkan pada pertengahan abad ke-20, menyediakan solusi analitis untuk masalah deformasi regangan datar. Analisis elemen hingga (FEA) telah merevolusi prediksi pembentukan dengan memungkinkan simulasi numerik dari proses deformasi yang kompleks. Teknik batas atas dan batas bawah menawarkan pendekatan analitis untuk beban pembentukan dan pola aliran material.

Dasar Ilmu Material

Perilaku pembentukan secara langsung berkaitan dengan struktur kristal baja, dengan struktur kubik berpusat badan (BCC) dan kubik berpusat wajah (FCC) menunjukkan karakteristik deformasi yang berbeda. Baja BCC (seperti kelas ferritik) biasanya menunjukkan kekuatan luluh yang lebih tinggi tetapi ductility yang lebih rendah dibandingkan dengan baja FCC (seperti baja tahan karat austenitik), mempengaruhi kemampuan pembentukannya.

Batas butir secara signifikan mempengaruhi perilaku pembentukan dengan menghambat pergerakan dislokasi. Baja dengan butir halus umumnya menunjukkan kekuatan yang lebih tinggi dan kemampuan pembentukan yang lebih baik dibandingkan dengan varian butir kasar. Selama pembentukan, butir memanjang searah aliran material, menciptakan sifat anisotropik pada produk akhir.

Komposisi mikrostruktur—termasuk fase yang ada, morfologinya, dan distribusinya—secara fundamental menentukan perilaku pembentukan. Baja multi-fase seperti baja fase ganda (DP) atau plastisitas yang diinduksi transformasi (TRIP) memanfaatkan fitur mikrostruktur tertentu untuk meningkatkan kemampuan pembentukan sambil mempertahankan kekuatan. Presipitat, inklusi, dan partikel fase kedua bertindak sebagai penghalang bagi pergerakan dislokasi, mempengaruhi kemampuan pembentukan dan sifat akhir.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Hubungan dasar dalam pembentukan logam adalah persamaan tegangan aliran:

$$\sigma = K\varepsilon^n$$

Di mana:
- $\sigma$ mewakili tegangan aliran (MPa)
- $K$ adalah koefisien kekuatan (MPa)
- $\varepsilon$ adalah regangan sejati (tanpa dimensi)
- $n$ adalah eksponen pengerasan regangan (tanpa dimensi)

Formula Perhitungan Terkait

Diagram batas pembentukan (FLD) memanfaatkan hubungan antara regangan mayor ($\varepsilon_1$) dan regangan minor ($\varepsilon_2$):

$$\varepsilon_1 = f(\varepsilon_2)$$

Untuk menghitung gaya pembentukan dalam pembentukan lembaran logam:

$$F = \sigma_f \cdot A \cdot K_f$$

Di mana:
- $F$ adalah gaya pembentukan (N)
- $\sigma_f$ adalah tegangan aliran (MPa)
- $A$ adalah area proyeksi (mm²)
- $K_f$ adalah faktor geometris berdasarkan operasi pembentukan

Untuk menghitung kebutuhan daya:

$$P = F \cdot v$$

Di mana:
- $P$ adalah daya (W)
- $F$ adalah gaya (N)
- $v$ adalah kecepatan (m/s)

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini mengasumsikan kondisi isotermal dan sifat material yang homogen. Mereka menjadi kurang akurat pada suhu tinggi di mana pemulihan dinamis dan rekristalisasi terjadi. Persamaan tegangan aliran berlaku terutama untuk material fase tunggal dan menjadi kurang akurat untuk baja multi-fase.

Sensitivitas laju regangan tidak diperhitungkan dalam persamaan tegangan aliran dasar, membatasi penerapannya dalam operasi pembentukan kecepatan tinggi. Sebagian besar model mengasumsikan perilaku material isotropik, yang mungkin tidak secara akurat mewakili produk lembaran yang digulung dengan anisotropi yang signifikan. Efek gesekan dan pelumasan, yang secara signifikan mempengaruhi operasi pembentukan yang sebenarnya, sering disederhanakan atau diabaikan dalam perhitungan dasar.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

• ASTM E8/E8M: Metode Uji Standar untuk Pengujian Tarik Material Logam, mencakup sifat tarik dasar yang relevan untuk pembentukan.
• ISO 12004-2: Material Logam - Lembaran dan Strip - Penentuan Kurva Batas Pembentukan di Laboratorium.
• ASTM E517: Metode Uji Standar untuk Rasio Regangan Plastik r untuk Lembaran Logam, mengukur anisotropi normal.
• ISO 16630: Material Logam - Lembaran dan Strip - Uji Perluasan Lubang, mengevaluasi kemampuan peregangan tepi.
• ASTM E643: Metode Uji Standar untuk Deformasi Punch Bola Material Lembaran Logam.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Mesin uji universal yang dilengkapi dengan ekstensi mengukur sifat tarik dasar termasuk kekuatan luluh, kekuatan tarik, dan perpanjangan. Peralatan uji pembentukan khusus termasuk penguji cupping Erichsen, yang mengukur kemampuan lembaran logam untuk meregang tanpa patah dengan mendorong punch hemispherical ke dalam material lembaran yang terjepit.

Sistem pengukuran regangan optik memanfaatkan korelasi citra digital (DIC) untuk melacak pola deformasi permukaan selama pengujian pembentukan. Peralatan pengujian gelembung menerapkan tekanan hidrolik untuk mendekonstruksi spesimen lembaran, mensimulasikan kondisi peregangan biaxial. Peralatan khusus seperti alat uji Nakajima menciptakan diagram batas pembentukan dengan meregangkan spesimen dengan geometri yang bervariasi hingga kegagalan.

Persyaratan Sampel

Spesimen tarik standar untuk material lembaran biasanya memiliki panjang 200-250mm dengan bagian pengukur sepanjang 50mm