Pekerjaan Mekanis: Membentuk Kembali Sifat Baja Melalui Gaya yang Diterapkan

Definisi dan Konsep Dasar

Pekerjaan mekanis mengacu pada proses mengubah bentuk, ukuran, atau sifat fisik logam melalui penerapan gaya mekanis. Ini mencakup berbagai operasi manufaktur yang mendeforasi logam secara plastis untuk mencapai bentuk yang diinginkan dan meningkatkan sifat mekanis. Proses ini melibatkan penerapan tegangan di luar batas elastis material tetapi di bawah titik patahnya.

Pekerjaan mekanis sangat penting dalam pengolahan baja karena mengubah struktur cor menjadi produk tempa dengan kekuatan, duktilitas, dan ketangguhan yang lebih baik. Ini berfungsi sebagai penghubung kritis antara pembuatan baja primer dan produk jadi, memungkinkan produksi komponen dengan persyaratan dimensi dan mekanis tertentu.

Dalam metalurgi, pekerjaan mekanis menjembatani kesenjangan antara komposisi material dan kinerja akhir. Ini merupakan salah satu metode utama untuk mengontrol mikrostruktur dan, akibatnya, sifat mekanis produk baja. Proses ini melengkapi perlakuan metalurgi lainnya seperti perlakuan panas dan paduan untuk mencapai kinerja material yang optimal.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, pekerjaan mekanis menyebabkan deformasi plastis melalui pergerakan dislokasi dalam kisi kristal. Dislokasi adalah cacat garis yang memungkinkan bidang atom meluncur satu sama lain saat tegangan diterapkan. Pergerakan ini menghasilkan perubahan bentuk permanen tanpa patah.

Proses ini meningkatkan kerapatan dislokasi dalam material, yang mengarah pada pengerasan regangan (work hardening). Saat dislokasi berlipat ganda dan berinteraksi, mereka menghalangi pergerakan satu sama lain, memerlukan tegangan yang lebih tinggi untuk melanjutkan deformasi. Fenomena ini menjelaskan mengapa logam yang dikerjakan dingin menjadi lebih kuat tetapi kurang duktil.

Pekerjaan mekanis juga menghancurkan struktur dendrit cor, memperhalus ukuran butir, dan menghilangkan porositas. Pada suhu tinggi (pekerjaan panas), proses pemulihan dinamis dan rekristalisasi terjadi secara bersamaan dengan deformasi, memungkinkan penyempurnaan mikrostruktur yang berkelanjutan tanpa pengerasan berlebihan.

Model Teoretis

Teori plastisitas membentuk dasar teoretis utama untuk pekerjaan mekanis. Teori ini menggambarkan bagaimana material mengalami deformasi plastis di bawah beban yang diterapkan dan memprediksi aliran material selama operasi pembentukan. Kontribusi awal datang dari Tresca (1864) dan von Mises (1913), yang mengembangkan kriteria hasil yang tetap fundamental untuk teori plastisitas modern.

Pemahaman historis berkembang dari pengetahuan kerajinan empiris menjadi prinsip ilmiah selama Revolusi Industri. Pengembangan teknik difraksi sinar-X pada awal abad ke-20 memungkinkan para peneliti untuk mengamati perubahan kristalografi selama deformasi, yang mengarah pada teori dislokasi pada tahun 1930-an.

Pendekatan modern mencakup model plastisitas kristal yang mempertimbangkan orientasi butir individu dan interaksi, metode elemen hingga yang mensimulasikan proses deformasi kompleks, dan model berbasis fisik yang menggabungkan evolusi mikrostruktur selama deformasi. Pendekatan ini menawarkan prediksi yang semakin akurat tentang perilaku material selama pekerjaan mekanis.

Dasar Ilmu Material

Pekerjaan mekanis secara langsung mempengaruhi struktur kristal dengan memperkenalkan dislokasi dan cacat lainnya. Dalam besi kubik berpusat tubuh (BCC), deformasi terjadi terutama sepanjang bidang slip {110}, sementara austenit kubik berpusat wajah (FCC) mengalami deformasi sepanjang bidang {111}. Preferensi kristalografi ini mempengaruhi bagaimana fase baja yang berbeda merespons pekerjaan mekanis.

Batas butir memainkan peran penting selama pekerjaan mekanis. Mereka bertindak sebagai penghalang terhadap pergerakan dislokasi, berkontribusi pada penguatan. Proses kerja dapat memecah butir, menciptakan batas baru dan memperhalus mikrostruktur secara keseluruhan. Hubungan Hall-Petch mengkuantifikasi bagaimana penyempurnaan butir meningkatkan kekuatan.

Prinsip dasar ilmu material tentang hubungan struktur-sifat dicontohkan dalam pekerjaan mekanis. Dengan memanipulasi mikrostruktur melalui deformasi yang terkontrol, profil sifat tertentu dapat dicapai. Hubungan ini memungkinkan insinyur merancang proses pekerjaan mekanis yang mengoptimalkan kinerja material untuk aplikasi tertentu.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Regangan sejati ($\varepsilon$) dalam pekerjaan mekanis didefinisikan sebagai:

$$\varepsilon = \ln\frac{A_0}{A_f} = \ln\frac{l_f}{l_0}$$

Di mana $A_0$ adalah luas penampang awal, $A_f$ adalah luas akhir, $l_0$ adalah panjang awal, dan $l_f$ adalah panjang akhir. Definisi logaritmik ini memperhitungkan sifat kontinu dari deformasi.

Formula Perhitungan Terkait

Tegangan aliran ($\sigma_f$) selama pekerjaan mekanis dapat dinyatakan menggunakan hubungan hukum kekuatan:

$$\sigma_f = K\varepsilon^n$$

Di mana $K$ adalah koefisien kekuatan dan $n$ adalah eksponen pengerasan regangan. Persamaan ini menggambarkan bagaimana material menguat saat deformasi berlangsung.

Untuk pekerjaan panas, parameter Zener-Hollomon ($Z$) menghubungkan laju deformasi dan suhu:

$$Z = \dot{\varepsilon}\exp\left(\frac{Q}{RT}\right)$$

Di mana $\dot{\varepsilon}$ adalah laju regangan, $Q$ adalah energi aktivasi untuk deformasi, $R$ adalah konstanta gas, dan $T$ adalah suhu absolut. Parameter ini membantu memprediksi evolusi mikrostruktur selama pekerjaan panas.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini mengasumsikan deformasi homogen di seluruh material, yang jarang terjadi dalam proses industri yang kompleks. Efek tepi, gesekan, dan anisotropi material menciptakan pola deformasi yang tidak seragam.

Batasan suhu sangat penting—formula untuk pekerjaan dingin biasanya berlaku di bawah 0.3Tm (suhu leleh dalam Kelvin), sementara formula pekerjaan panas berlaku di atas 0.6Tm. Rentang pekerjaan hangat yang sedang memerlukan pendekatan yang dimodifikasi.

Kebanyakan model mengasumsikan perilaku material isotropik, meskipun baja nyata sering menunjukkan anisotropi akibat sejarah pemrosesan sebelumnya. Model lanjutan yang menggabungkan tekstur kristalografi diperlukan untuk prediksi yang akurat dalam kasus ini.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM E8/E8M menstandarkan pengujian tarik material logam, memberikan data tentang kekuatan, duktilitas, dan perilaku pengerasan kerja setelah pekerjaan mekanis.

ISO 6892-1 mencakup pengujian tarik material logam pada suhu kamar, dengan prosedur untuk menentukan sifat mekanis yang dipengaruhi oleh proses kerja.

ASTM E18 menetapkan metode pengujian kekerasan Rockwell, yang umum digunakan untuk mengukur peningkatan kekerasan yang dihasilkan dari pekerjaan dingin.

ASTM E112 menstandarkan metode pengukuran ukuran butir, yang penting untuk mengkuantifikasi penyempurnaan butir yang dicapai melalui pekerjaan mekanis.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Mesin pengujian universal menerapkan gaya terkontrol pada spesimen sambil mengukur perpindahan, memungkinkan penentuan hubungan tegangan-regangan. Sel beban mengukur gaya sementara ekstensi atau sistem optik melacak perubahan dimensi.

Penguji kekerasan (Rockwell, Brinell, Vickers) mengukur ketahanan terhadap penekanan, memberikan penilaian cepat tentang efek pengerasan kerja. Perangkat ini menerapkan beban standar melalui penekan tertentu dan mengukur kedalaman penetrasi atau ukuran jejak.

Mikroskop optik dan elektron mengungkapkan perubahan mikrostruktur yang diinduksi oleh pekerjaan mekanis. Mikroskop cahaya memeriksa struktur butir setelah etsa, sementara mikroskop elektron pemindaian memberikan resolusi lebih tinggi dan dapat dipasangkan dengan difraksi balik elektron (EBSD) untuk menganalisis perubahan orientasi kristalografi.

Persyaratan Sampel

Spesimen tarik standar biasanya memiliki panjang gauge 50mm dengan penampang persegi panjang atau bulat proporsional. Untuk material lembaran, ASTM E8 menetapkan spesimen datar