Penempaan Tekan: Pembentukan Logam Presisi untuk Integritas Struktural yang Unggul

Definisi dan Konsep Dasar

Pemalsuan tekan adalah proses pembentukan logam di mana sebuah benda kerja ditekan di antara cetakan menggunakan tekanan kontinu daripada gaya benturan. Teknik manufaktur ini membentuk logam dengan menerapkan deformasi yang terkendali dan relatif lambat untuk mencapai dimensi yang tepat dan meningkatkan sifat mekanik. Berbeda dengan pemalsuan palu atau jatuh yang menggunakan energi benturan, pemalsuan tekan menggunakan press hidrolik atau mekanik untuk memberikan tekanan yang stabil sepanjang proses deformasi.

Pemalsuan tekan menempati posisi penting dalam teknologi pembentukan logam, menjembatani proses pengecoran dan pemesinan presisi. Ini memungkinkan produsen untuk memproduksi komponen dengan rasio kekuatan-terhadap-berat yang lebih baik sambil meminimalkan limbah material. Dalam pemrosesan metalurgi, pemalsuan tekan mewakili metode deformasi yang terkendali yang memanfaatkan plastisitas logam untuk meningkatkan mikrostruktur dan sifat arah.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, pemalsuan tekan menyebabkan deformasi plastis melalui pergerakan dislokasi dalam kisi kristal. Ketika tekanan melebihi kekuatan luluh material, dislokasi menyebar sepanjang bidang slip, menyebabkan deformasi permanen. Pergerakan yang terkendali ini menghancurkan struktur cor asli, memperhalus ukuran butir dan menghilangkan porositas.

Penerapan tekanan lambat dan kontinu dalam pemalsuan tekan memungkinkan deformasi yang lebih seragam di seluruh benda kerja dibandingkan dengan metode berbasis benturan. Ini mendorong proses rekristalisasi di mana butir yang terdeformasi digantikan oleh butir baru yang bebas regangan. Mikrostruktur yang dihasilkan memiliki butir yang halus dan ekuiaxial dengan sifat arah yang lebih baik dan segregasi yang berkurang.

Model Teoretis

Kerangka teoretis utama untuk pemalsuan tekan adalah teori deformasi plastis, yang menggambarkan bagaimana logam mengalami deformasi permanen di bawah tegangan yang diterapkan. Pemahaman awal berkembang melalui pengamatan empiris, tetapi analisis modern menggunakan mekanika kontinu dan model plastisitas kristal untuk memprediksi aliran material.

Perkembangan sejarah bergerak dari model kompresi sederhana ke simulasi analisis elemen hingga (FEA) yang canggih. Kriteria luluh von Mises berfungsi sebagai model dasar, menentukan kapan deformasi plastis dimulai pada logam yang ulet. Pendekatan yang lebih maju termasuk persamaan Prandtl-Reuss untuk regangan plastis incremental dan model plastisitas kristal yang memperhitungkan perilaku anisotropik.

Pendekatan teoretis bervariasi antara model fenomenologis (fokus pada perilaku makroskopik) dan model mikrostruktur (menekankan deformasi tingkat butir). Metode komputasi modern sering menggabungkan kedua perspektif, mengintegrasikan evolusi mikrostruktur dengan prediksi deformasi makroskopik.

Dasar Ilmu Material

Pemalsuan tekan secara langsung mempengaruhi struktur kristal dengan menghancurkan struktur dendritik dan memperhalus ukuran butir. Proses ini menciptakan batas butir baru melalui rekristalisasi dinamis, terutama pada material dengan energi cacat tumpukan yang rendah. Batas baru ini meningkatkan sifat mekanik dengan menghambat pergerakan dislokasi.

Deformasi yang terkendali mengarahkan butir dan menciptakan mikrostruktur berserat yang mengikuti pola aliran material. Mikrostruktur arah ini secara signifikan meningkatkan sifat mekanik di sepanjang sumbu tertentu. Selain itu, pemalsuan tekan menutup rongga internal dan memecah inklusi, mendistribusikannya lebih merata di seluruh material.

Proses ini menggambarkan prinsip dasar ilmu material tentang pengerasan regangan, pemulihan, dan rekristalisasi. Ketika dislokasi terakumulasi selama deformasi, mereka berinteraksi dan berlipat ganda, meningkatkan kekuatan material. Perlakuan panas selanjutnya dapat mengoptimalkan keseimbangan antara kekuatan dan keuletan melalui proses pemulihan yang terkendali.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Rumus Definisi Dasar

Persamaan dasar yang mengatur pemalsuan tekan menghubungkan tekanan yang diterapkan dengan tegangan aliran material:

$$P = K \cdot \sigma_f$$

Di mana:
- $P$ = tekanan pemalsuan yang diperlukan (MPa)
- $K$ = faktor geometris (tanpa dimensi)
- $\sigma_f$ = tegangan aliran material (MPa)

Faktor geometris $K$ memperhitungkan geometri cetakan, kondisi gesekan, dan pola aliran material, biasanya berkisar antara 1.0 hingga 3.0 untuk operasi pemalsuan tekan yang umum.

Rumus Perhitungan Terkait

Tegangan aliran selama pemalsuan dapat dihitung menggunakan persamaan konstitutif:

$$\sigma_f = C \cdot \varepsilon^n \cdot \dot{\varepsilon}^m \cdot e^{Q/RT}$$

Di mana:
- $C$ = konstanta material
- $\varepsilon$ = regangan sejati
- $n$ = eksponen pengerasan regangan
- $\dot{\varepsilon}$ = laju regangan
- $m$ = sensitivitas laju regangan
- $Q$ = energi aktivasi untuk deformasi
- $R$ = konstanta gas universal
- $T$ = suhu absolut

Untuk perhitungan beban pemalsuan, rumus berikut berlaku:

$$F = A_p \cdot \sigma_f \cdot (1 + \frac{\mu \cdot D}{6h})$$

Di mana:
- $F$ = gaya pemalsuan (N)
- $A_p$ = area proyeksi benda kerja (mm²)
- $\mu$ = koefisien gesekan
- $D$ = diameter benda kerja atau dimensi karakteristik (mm)
- $h$ = tinggi benda kerja (mm)

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Rumus ini berlaku terutama untuk kondisi deformasi isothermal dan steady-state. Mereka mengasumsikan sifat material yang homogen dan deformasi yang seragam di seluruh benda kerja. Pada suhu atau laju regangan ekstrem, faktor tambahan harus dipertimbangkan.

Model matematis memiliki batasan saat berhadapan dengan geometri kompleks atau distribusi suhu yang tidak merata. Sebagian besar rumus mengasumsikan kondisi gesekan yang konstan, yang jarang terjadi dalam praktik karena efektivitas pelumas berubah selama deformasi.

Model biasanya mengasumsikan perilaku material isotropik, yang mungkin tidak secara akurat mewakili material dengan tekstur awal yang kuat atau sifat arah. Untuk prediksi yang tepat dalam geometri kompleks, analisis elemen hingga lebih disukai daripada rumus analitis.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

• ASTM E968: Praktik Standar untuk Pengujian Ultrasonik Pemalsuan Logam
• ASTM E112: Metode Uji Standar untuk Menentukan Ukuran Butir Rata-rata
• ISO 17781: Pemalsuan Baja untuk Tujuan Tekanan
• ASTM A788: Spesifikasi Standar untuk Pemalsuan Baja, Persyaratan Umum
• EN 10228: Pengujian tidak merusak pemalsuan baja

ASTM E968 mencakup metode inspeksi ultrasonik untuk mendeteksi diskontinuitas internal dalam pemalsuan. ASTM E112 menyediakan prosedur untuk penentuan ukuran butir, yang penting untuk mengevaluasi penyempurnaan mikrostruktur. ISO 17781 menetapkan persyaratan untuk pemalsuan bejana tekan, sementara ASTM A788 menetapkan standar kualitas umum untuk pemalsuan baja.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Peralatan umum untuk evaluasi pemalsuan tekan mencakup mesin uji universal untuk penilaian sifat mekanik, mikroskop metalografi untuk analisis mikrostruktur, dan peralatan pengujian ultrasonik untuk deteksi cacat. Penguji kekerasan (Rockwell, Brinell, Vickers) memberikan penilaian cepat terhadap kekuatan material.

Pengujian ultrasonik bergantung pada propagasi gelombang suara melalui material, dengan diskontinuitas menyebabkan refleksi yang menunjukkan cacat. Analisis metalografi melibatkan persiapan sampel melalui pemotongan, pemasangan, penghalusan