Shear: Mekanisme Gaya Kritis dalam Pengolahan Baja & Desain Struktural

Definisi dan Konsep Dasar

Shear dalam industri baja mengacu pada deformasi yang terjadi ketika suatu material mengalami gaya yang diterapkan sejajar dengan permukaan atau penampang, menyebabkan lapisan material tergelincir relatif satu sama lain. Sifat mekanik ini menggambarkan respons material terhadap gaya yang menyebabkan bidang-bidang yang berdekatan dalam material tergelincir satu sama lain dalam arah yang berlawanan.

Sifat shear sangat penting dalam menentukan bagaimana komponen baja berperforma di bawah kondisi beban kompleks yang dihadapi dalam aplikasi struktural, proses manufaktur, dan lingkungan layanan. Ketahanan terhadap deformasi shear sangat penting untuk memprediksi perilaku material selama operasi pembentukan dan kinerja struktural.

Dalam metalurgi, shear menempati posisi sentral di antara sifat mekanik, melengkapi perilaku tarik dan tekan untuk memberikan pemahaman yang lengkap tentang respons material. Ini menjembatani karakteristik mikrostruktur dengan kinerja mekanik makroskopik dan berfungsi sebagai parameter kunci dalam pemilihan material, optimasi pemrosesan, dan desain struktural.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, deformasi shear dalam baja terjadi melalui pergerakan dislokasi sepanjang bidang slip dalam kisi kristal. Dislokasi ini, yang merupakan cacat linier dalam struktur kristalin, bergerak ketika tegangan shear yang diterapkan melebihi nilai kritis yang dikenal sebagai tegangan shear yang teratasi kritis.

Ketahanan terhadap pergerakan dislokasi menentukan kekuatan shear material. Hambatan seperti batas butir, presipitasi, dan dislokasi lainnya menghalangi pergerakan ini, memerlukan tegangan yang lebih tinggi untuk melanjutkan deformasi. Mekanisme ini menjelaskan mengapa baja butir halus umumnya menunjukkan kekuatan shear yang lebih tinggi dibandingkan dengan varian butir kasar.

Dalam baja polikristalin, deformasi shear menjadi lebih kompleks karena melibatkan banyak butir dengan orientasi kristalografi yang berbeda. Respons shear keseluruhan mewakili perilaku kolektif dari butir yang terorientasi berbeda, dengan deformasi terkonsentrasi sepanjang jalur terlemah melalui mikrostruktur.

Model Teoretis

Teori klasik shear dalam logam didasarkan pada kriteria hasil von Mises, yang memprediksi bahwa hasil mulai terjadi ketika invariant kedua dari tensor tegangan deviasi mencapai nilai kritis. Model ini secara efektif menggambarkan awal deformasi plastik di bawah keadaan tegangan kompleks.

Secara historis, pemahaman tentang shear berkembang dari teori tegangan shear maksimum Tresca pada abad ke-19 hingga model plastisitas kristal yang lebih canggih di era modern. Tresca mengusulkan bahwa hasil terjadi ketika tegangan shear maksimum mencapai nilai kritis, memberikan pendekatan yang lebih sederhana tetapi kurang akurat dibandingkan von Mises.

Pendekatan kontemporer mencakup pemodelan elemen hingga plastisitas kristal (CPFEM), yang menggabungkan sistem slip kristalografi dan interaksinya untuk memprediksi perilaku shear pada berbagai skala. Model dinamika dislokasi memberikan deskripsi yang lebih rinci dengan mensimulasikan pergerakan dan interaksi dislokasi individu.

Dasar Ilmu Material

Sifat shear dalam baja sangat terkait dengan struktur kristalnya, dengan struktur kubik berpusat badan (BCC) dalam ferit berperilaku berbeda dari struktur kubik berpusat muka (FCC) dalam austenit. Jumlah dan orientasi sistem slip yang tersedia dalam setiap struktur secara signifikan mempengaruhi respons shear.

Batas butir bertindak sebagai penghalang terhadap pergerakan dislokasi, berkontribusi pada penguatan melalui hubungan Hall-Petch. Ketika ukuran butir menurun, peningkatan area batas butir memberikan lebih banyak hambatan terhadap pergerakan dislokasi, meningkatkan ketahanan shear.

Komposisi fase dan distribusi sangat mempengaruhi perilaku shear, dengan baja multiphase menunjukkan respons kompleks berdasarkan sifat fase individu dan antarmukanya. Misalnya, martensit memberikan kekuatan shear tinggi tetapi ductility terbatas, sementara ferit menawarkan kekuatan lebih rendah tetapi kapasitas lebih besar untuk deformasi shear.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Definisi dasar dari tegangan shear ($\tau$) dinyatakan sebagai:

$$\tau = \frac{F}{A}$$

Di mana:
- $\tau$ = tegangan shear (MPa atau psi)
- $F$ = gaya yang diterapkan sejajar dengan area penampang (N atau lbf)
- $A$ = area di mana gaya diterapkan (mm² atau in²)

Formula Perhitungan Terkait

Strain shear ($\gamma$) mewakili deformasi sudut dan didefinisikan sebagai:

$$\gamma = \tan(\theta) \approx \theta \text{ (untuk sudut kecil)}$$

Di mana $\theta$ adalah perpindahan sudut dalam radian.

Hubungan antara tegangan shear dan strain shear di daerah elastis diberikan oleh:

$$\tau = G\gamma$$

Di mana $G$ adalah modulus shear (GPa atau psi), juga disebut modulus kekakuan.

Untuk aplikasi torsi, tegangan shear maksimum dalam poros melingkar dihitung sebagai:

$$\tau_{max} = \frac{Tr}{J}$$

Di mana:
- $T$ = torsi yang diterapkan (N·m atau lbf·in)
- $r$ = jarak dari sumbu netral (mm atau in)
- $J$ = momen inersia polar (mm⁴ atau in⁴)

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini mengasumsikan material yang homogen dan isotropik dan hanya berlaku secara ketat dalam rezim deformasi elastis. Di luar batas elastis, model konstitutif yang lebih kompleks diperlukan untuk memperhitungkan deformasi plastik.

Formula tegangan shear sederhana mengasumsikan distribusi tegangan yang seragam di seluruh bidang shear, yang jarang dicapai dalam praktik karena konsentrasi tegangan dan faktor geometris. Faktor koreksi sering diterapkan dalam perhitungan praktis.

Model ini biasanya mengabaikan efek laju strain, yang menjadi signifikan dalam operasi pembentukan kecepatan tinggi atau kondisi beban dampak. Efek suhu juga tidak diperhitungkan dalam formula dasar ini, memerlukan pertimbangan tambahan untuk aplikasi suhu tinggi.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM E143: Metode Uji Standar untuk Modulus Shear pada Suhu Ruang - Mencakup prosedur untuk menentukan modulus shear menggunakan pengujian torsi.

ASTM B769: Metode Uji Standar untuk Pengujian Shear Rivet Aluminium dan Paduan Aluminium serta Kawat dan Batang Cold-Heading - Menyediakan metode yang berlaku untuk pengikat baja juga.

ISO 12579: Material logam - Uji shear - Menentukan metode untuk menentukan kekuatan shear material logam.

ASTM A370: Metode dan Definisi Uji Standar untuk Pengujian Mekanik Produk Baja - Termasuk ketentuan untuk pengujian shear berbagai produk baja.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Mesin pengujian torsi menerapkan beban torsi murni pada spesimen silindris, mengukur torsi dan perpindahan sudut untuk menentukan sifat shear. Mesin ini biasanya dilengkapi dengan sel torsi presisi dan transduser perpindahan sudut.

Fixture pengujian shear langsung menerapkan gaya sejajar dengan penampang spesimen, sering menggunakan jig khusus untuk memastikan penyelarasan yang tepat dan meminimalkan momen pembengkokan. Pengaturan pengujian double-shear umum digunakan untuk menciptakan keadaan tegangan yang lebih seragam.

Peralatan pengujian shear punch memaksa punch melalui spesimen pelat, menciptakan keadaan tegangan shear di sekitar perimeter punch. Metode ini sangat relevan untuk aplikasi pelat logam.

Sistem korelasi citra digital (DIC) yang canggih dapat digunakan bersamaan dengan pengujian konvensional untuk memetakan bidang strain dan mengidentifikasi pola deformasi lokal selama pengujian shear.

Persyaratan Sampel

Spesimen uji shear standar biasanya memiliki geometri tertentu tergantung pada metode uji. Untuk pengujian shear langsung, spesimen persegi panjang dengan notches yang dipotong dengan tepat adalah umum, dengan dimensi yang ditentukan oleh standar yang relevan.

Persyaratan pers