Baja Tarik Keras: Kekuatan Ditingkatkan Melalui Proses Pengerjaan Dingin
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Definisi dan Konsep Dasar
Hard drawn mengacu pada proses kerja dingin di mana kawat atau batang baja ditarik melalui cetakan untuk mengurangi luas penampangnya tanpa pemanasan sebelumnya, yang mengakibatkan peningkatan kekuatan tarik dan kekerasan. Teknik manufaktur ini menghasilkan baja dengan sifat mekanik yang ditingkatkan melalui pengerasan regangan, menjadikannya cocok untuk aplikasi yang memerlukan rasio kekuatan-terhadap-berat yang tinggi.
Baja hard drawn mewakili kategori penting dari bahan yang dikerjakan dingin dalam metalurgi, yang terletak di antara keadaan yang dinormalisasi (lunak) dan yang dikerjakan dingin secara parah. Proses ini menggambarkan bagaimana sifat mekanik dapat dimanipulasi melalui pemrosesan deformasi daripada perlakuan panas atau paduan, menunjukkan hubungan mendasar antara pemrosesan, struktur, dan sifat dalam ilmu material.
Sifat Fisik dan Dasar Teoretis
Mekanisme Fisik
Di tingkat mikrostruktur, hard drawing memperkenalkan kepadatan dislokasi yang tinggi dalam kisi kristal logam. Dislokasi ini saling berinteraksi dan menghalangi pergerakan satu sama lain, menciptakan jaringan kusut yang membatasi deformasi lebih lanjut.
Pengerasan regangan terjadi saat kristal logam mengalami deformasi dan memanjang dalam arah penarikan, menciptakan mikrostruktur berserat dengan orientasi kristalografi yang diutamakan. Mikrostruktur arah ini berkontribusi pada sifat mekanik anisotropik, dengan kekuatan yang lebih tinggi dalam arah penarikan.
Batas butir menjadi memanjang dan terdistorsi selama penarikan, yang lebih berkontribusi pada efek penguatan dengan memberikan penghalang tambahan terhadap pergerakan dislokasi.
Model Teoretis
Model teoretis utama yang menggambarkan hard drawing adalah teori dislokasi dari pengerasan regangan, yang mengaitkan peningkatan kekuatan dengan kepadatan dislokasi sesuai dengan hubungan Taylor. Model ini menjelaskan bagaimana dislokasi berlipat ganda dan berinteraksi selama deformasi plastik.
Secara historis, pemahaman tentang hard drawing berkembang dari pengetahuan kerajinan empiris menjadi pemahaman ilmiah pada awal abad ke-20, dengan kemajuan signifikan setelah pengembangan teori dislokasi pada tahun 1930-an oleh Taylor, Orowan, dan Polanyi.
Pendekatan alternatif termasuk model mekanika kontinuum yang menggambarkan perilaku deformasi makroskopik dan model pengembangan tekstur yang memperhitungkan perubahan orientasi kristalografi selama penarikan.
Dasar Ilmu Material
Hard drawing secara signifikan mengubah struktur kristal dengan memanjangkan butir dalam arah penarikan dan menciptakan orientasi kristalografi yang diutamakan (tekstur). Batas butir menjadi lebih memanjang dan kurang ekuiaxial, berkontribusi pada sifat kekuatan arah.
Mikrostruktur berubah dari butir yang relatif ekuiaxial menjadi struktur berserat dengan butir yang memanjang yang mengandung kepadatan dislokasi yang tinggi. Mikrostruktur arah ini menciptakan sifat mekanik anisotropik.
Proses ini menunjukkan prinsip dasar ilmu material termasuk pengerasan kerja, pengembangan tekstur, dan hubungan antara pemrosesan, mikrostruktur, dan sifat—konsep inti dalam metalurgi fisik.
Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan
Formula Definisi Dasar
Tingkat kerja dingin dalam hard drawing diukur dengan pengurangan luas:
$$r = \frac{A_0 - A_f}{A_0} \times 100\%$$
Di mana:
- $r$ adalah persentase pengurangan luas
- $A_0$ adalah luas penampang awal
- $A_f$ adalah luas penampang akhir setelah penarikan
Formula Perhitungan Terkait
Hubungan antara kekuatan tarik dan pengurangan luas dapat diperkirakan dengan:
$$\sigma_f = \sigma_0 (1 + Kr^n)$$
Di mana:
- $\sigma_f$ adalah kekuatan tarik akhir
- $\sigma_0$ adalah kekuatan tarik awal
- $K$ adalah konstanta spesifik material
- $r$ adalah persentase pengurangan luas
- $n$ adalah eksponen pengerasan regangan
Stres penarikan yang diperlukan dapat dihitung menggunakan:
$$\sigma_d = \sigma_y (1 + \frac{\mu}{\alpha})(\ln\frac{A_0}{A_f})$$
Di mana:
- $\sigma_d$ adalah stres penarikan
- $\sigma_y$ adalah kekuatan luluh
- $\mu$ adalah koefisien gesekan
- $\alpha$ adalah sudut cetakan
- $A_0$ dan $A_f$ adalah luas penampang awal dan akhir
Kondisi dan Batasan yang Berlaku
Formula ini berlaku untuk pengurangan sedang (biasanya hingga 30-40% per pass) sebelum pemanasan antara menjadi diperlukan. Di luar rentang ini, material dapat patah akibat pengerasan kerja yang berlebihan.
Model ini mengasumsikan deformasi homogen dan tidak memperhitungkan efek lokal seperti pita geser atau cacat permukaan yang mungkin berkembang selama penarikan yang parah.
Hubungan ini paling akurat untuk material fase tunggal dan menjadi lebih kompleks untuk baja multi-fase di mana fase yang berbeda merespons deformasi dengan cara yang berbeda.
Metode Pengukuran dan Karakterisasi
Spesifikasi Pengujian Standar
- ASTM A510: Spesifikasi Standar untuk Persyaratan Umum untuk Kawat Batang dan Kawat Bulat Kasar, Baja Karbon
- ASTM A938: Metode Uji Standar untuk Pengujian Torsi Kawat
- ISO 6892: Material logam — Pengujian tarik
- ASTM E8/E8M: Metode Uji Standar untuk Pengujian Tarik Material Logam
Peralatan dan Prinsip Pengujian
Mesin pengujian tarik dengan pegangan yang sesuai untuk spesimen kawat adalah peralatan utama untuk mengevaluasi sifat baja hard drawn. Mesin ini menerapkan tegangan uniaxial hingga kegagalan sambil mengukur beban dan perpanjangan.
Penguji kekerasan (Rockwell, Vickers, atau mikrohardness) mengukur ketahanan terhadap penekanan, memberikan penilaian cepat terhadap efek pengerasan kerja. Prinsipnya melibatkan penerapan gaya standar pada indenter dan mengukur impresi yang dihasilkan.
Karakterisasi lanjutan dapat menggunakan difraksi elektron backscatter (EBSD) untuk menganalisis tekstur kristalografi dan perubahan orientasi yang dihasilkan dari proses penarikan.
Persyaratan Sampel
Spesimen tarik standar untuk kawat biasanya memerlukan panjang minimum 10 inci (254 mm) dengan panjang tambahan yang cukup untuk pegangan. Untuk pengujian presisi, diameter kawat harus diukur di beberapa titik dan arah.
Persyaratan persiapan permukaan termasuk penghilangan residu pelumas dan penanganan yang hati-hati untuk mencegah deformasi tambahan atau kerusakan permukaan yang dapat mempengaruhi hasil.
Spesimen harus bebas dari lekukan, bengkokan, atau cacat permukaan yang dapat bertindak sebagai konsentrator stres selama pengujian.
Parameter Uji
Pengujian biasanya dilakukan pada suhu kamar (23 ± 5°C) di bawah kondisi kelembaban yang terkontrol untuk mencegah efek lingkungan pada hasil.
Pengujian tarik standar menggunakan laju regangan antara 0.001 dan 0.01 s⁻¹ untuk memastikan kondisi pemuatan kuasi-statis yang memungkinkan pengukuran akurat dari sifat mekanik.
Parameter pengujian torsi termasuk kecepatan rotasi dan sudut maksimum putaran, yang harus dikendalikan untuk memastikan hasil yang konsisten.
Pengolahan Data
Data beban-pergeseran dari pengujian tarik diubah menjadi kurva stres-regangan teknik dengan membagi gaya dengan luas penampang asli dan perpanjangan dengan panjang gauge asli.
Analisis statistik biasanya mencakup perhitungan nilai rata-rata dan deviasi standar dari beberapa spesimen (minimum tiga) untuk memperhitungkan variabilitas material.
Kurva stres-regangan sejati dapat dihitung dari data teknik untuk lebih memahami perilaku material di luar perpanjangan seragam, menggunakan hubungan: $σ_{true} = σ