Peening: Teknik Penguatan Permukaan untuk Meningkatkan Kinerja Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Peening adalah proses perlakuan permukaan mekanis yang melibatkan pemboman permukaan logam dengan partikel kecil berkecepatan tinggi atau alat untuk menginduksi tegangan sisa kompresif di lapisan permukaan material. Teknik pengerjaan dingin ini mendekatkan deformasi plastis pada permukaan tanpa menghilangkan material, menciptakan lapisan yang mengeras akibat kerja yang meningkatkan ketahanan terhadap kelelahan dan kinerja korosi tegangan.

Peening merupakan teknik pasca-proses yang penting dalam rekayasa material yang memodifikasi sifat permukaan tanpa mengubah komposisi bulk. Deformasi yang terkontrol menciptakan perubahan sifat mekanik yang menguntungkan yang memperpanjang umur layanan komponen dalam aplikasi yang menuntut.

Dalam bidang metalurgi yang lebih luas, peening berdiri sebagai metode rekayasa permukaan yang menonjol di samping pelapisan, pelapisan, dan perlakuan termal. Ini menunjukkan bagaimana pemrosesan mekanis dapat secara fundamental mengubah kinerja material melalui modifikasi mikrostruktur daripada perubahan kimia.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mechanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, peening menciptakan deformasi plastis lokal di lapisan permukaan logam. Energi dampak dari media peening menyebabkan pergerakan dan perkalian dislokasi dalam kisi kristal, meningkatkan kerapatan dislokasi dekat permukaan.

Proses ini menciptakan gradien deformasi plastis yang menurun dengan kedalaman dari permukaan. Lapisan permukaan berusaha untuk mengembang secara lateral karena deformasi plastis ini, tetapi dibatasi oleh material bawah permukaan yang tidak terdeformasi, menghasilkan tegangan sisa kompresif.

Bidang tegangan kompresif melawan tegangan tarik yang diterapkan selama layanan, secara efektif meningkatkan ambang yang diperlukan untuk inisiasi dan propagasi retakan. Secara bersamaan, pengerasan kerja terjadi saat dislokasi berinteraksi dan menghambat pergerakan lebih lanjut, meningkatkan kekerasan permukaan.

Model Teoretis

Model intensitas Almen berfungsi sebagai kerangka teoretis utama untuk mengukur intensitas peening. Dikembangkan oleh John Almen pada tahun 1940-an saat bekerja di General Motors, model ini mengukur tinggi busur dari strip uji standar yang dikenakan peening sebagai ukuran tidak langsung dari tegangan kompresif yang diinduksi.

Pemahaman sejarah tentang peening berkembang dari pengamatan empiris dalam pandai besi menjadi model kuantitatif di awal abad ke-20. Dasar ilmiah ditetapkan selama Perang Dunia II ketika studi sistematis mengungkapkan manfaat peening untuk daya tahan komponen pesawat terbang.

Pendekatan modern mencakup pemodelan elemen hingga (FEM) untuk memprediksi profil tegangan sisa dan simulasi dampak dinamis yang memperhitungkan sifat material, kecepatan dampak, dan karakteristik media. Model komputasi ini melengkapi pengukuran intensitas Almen tradisional.

Dasar Ilmu Material

Efek peening sangat terkait dengan struktur kristal, dengan struktur kubik pusat tubuh (BCC) dan kubik pusat wajah (FCC) merespons secara berbeda karena sistem slip dan karakteristik pengerasan kerja yang berbeda. Batas butir bertindak sebagai penghalang terhadap pergerakan dislokasi, mempengaruhi kedalaman dan besarnya lapisan tegangan kompresif.

Mikrostruktur menentukan efektivitas peening, dengan material berbutir halus umumnya mengembangkan lapisan tegangan kompresif yang lebih seragam dibandingkan dengan rekan-rekan berbutir kasar. Komposisi fase dalam baja multi-fase mempengaruhi perilaku deformasi lokal, menciptakan pola tegangan sisa yang kompleks.

Peening mencerminkan prinsip dasar ilmu material termasuk pengerasan kerja, deformasi elastis-plastis, dan pengembangan tegangan sisa. Proses ini memanfaatkan kemampuan material untuk mengeras saat regangan sambil mempertahankan stabilitas dimensi, menunjukkan bagaimana deformasi yang terkontrol dapat meningkatkan kinerja.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Hubungan dasar yang mengatur pengembangan tegangan sisa selama peening dapat dinyatakan sebagai:

$$\sigma_r(z) = E \cdot \varepsilon_p(z) \cdot \left(1 - \frac{z}{h}\right)$$

Di mana $\sigma_r(z)$ adalah tegangan sisa pada kedalaman $z$, $E$ adalah modulus Young, $\varepsilon_p(z)$ adalah regangan plastis pada kedalaman $z$, dan $h$ adalah total kedalaman lapisan yang terpengaruh.

Formula Perhitungan Terkait

Intensitas Almen (I) dapat dihitung menggunakan pengukuran tinggi busur:

$$I = \frac{h_a}{t^2} \cdot k$$

Di mana $h_a$ adalah tinggi busur yang diukur, $t$ adalah ketebalan strip Almen, dan $k$ adalah konstanta kalibrasi yang bergantung pada jenis strip.

Persentase cakupan (C) dalam peening tembakan mengikuti hubungan eksponensial:

$$C = 100 \cdot (1 - e^{-A \cdot t})$$

Di mana $A$ adalah konstanta yang terkait dengan ukuran dan kecepatan tembakan, dan $t$ adalah waktu peening. Formula ini membantu menentukan waktu yang diperlukan untuk mencapai tingkat cakupan tertentu.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Model matematis ini mengasumsikan sifat material yang homogen dan perilaku isotropik, yang mungkin tidak berlaku untuk material yang sangat tertekstur atau anisotropik. Formula menjadi kurang akurat untuk geometri kompleks di mana konsentrasi tegangan ada.

Kondisi batas mencakup asumsi bahwa deformasi plastis hanya terjadi dekat permukaan sementara material bulk tetap elastis. Asumsi ini tidak berlaku untuk komponen tipis di mana efek ketebalan menjadi signifikan.

Model biasanya mengasumsikan kondisi suhu ruangan dan mungkin memerlukan modifikasi untuk aplikasi suhu tinggi di mana relaksasi tegangan sisa terjadi lebih cepat.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

SAE J442: Strip Uji, Pemegang, dan Gage untuk Peening Tembakan - Mendefinisikan strip uji standar dan prosedur pengukuran untuk menentukan intensitas peening.

SAE J443: Prosedur untuk Menggunakan Strip Uji Peening Tembakan Standar - Menetapkan prosedur untuk mengembangkan kurva saturasi dan menentukan nilai intensitas.

ASTM E915: Metode Uji Standar untuk Memverifikasi Penyelarasan Instrumen Difraksi Sinar-X untuk Pengukuran Tegangan Sisa - Mencakup metode difraksi sinar-X untuk pengukuran tegangan sisa.

ISO 26203-2: Material logam - Pengujian tarik pada laju regangan tinggi - Menentukan metode untuk pengujian material dinamis yang relevan dengan proses peening.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Gage Almen mengukur tinggi busur dari strip uji standar dengan presisi biasanya hingga 0.001 mm. Perangkat ini menggunakan indikator dial atau mikrometer digital untuk mengukur kelengkungan yang diinduksi oleh proses peening.

Peralatan difraksi sinar-X mengukur regangan kisi melalui pergeseran puncak, memungkinkan penentuan tegangan sisa yang tidak merusak hingga kedalaman sekitar 5-50 μm tergantung pada material dan sumber radiasi.

Metode gage regangan bor melibatkan pengeboran lubang kecil secara bertahap sambil mengukur pelepasan regangan dengan gage regangan roset. Teknik semi-destruktif ini dapat mengukur profil tegangan sisa hingga kedalaman sekitar 1-2 mm.

Persyaratan Sampel

Strip Almen standar tersedia dalam tiga ketebalan: N (0.79 mm), A (1.29 mm), dan C (2.38 mm), dengan dimensi 76 mm × 19 mm. Material strip harus berupa baja pegas SAE 1070 dengan persyaratan kekerasan tertentu.

Persiapan permukaan biasanya memerlukan pembersihan untuk menghilangkan kontaminan tetapi harus menghindari mengubah keadaan tegangan sisa. Untuk pengukuran difraksi sinar-X, pemolesan elektrolitik mungkin diperlukan untuk pemprofilan kedalaman.

Spesimen harus representatif dari geometri komponen dan kondisi material yang sebenarnya. Untuk