Penuaan Regangan pada Baja: Mekanisme, Efek & Implikasi Industri

Definisi dan Konsep Dasar

Penuaan regangan mengacu pada fenomena metalurgi di mana sifat mekanik logam, khususnya baja, berubah seiring waktu setelah deformasi plastis. Proses ini terwujud sebagai peningkatan kekuatan luluh dan penurunan ketangguhan yang terjadi ketika logam yang terdeformasi dibiarkan beristirahat (menua) selama periode waktu tertentu, terutama pada suhu yang sedikit lebih tinggi.

Penuaan regangan merupakan pertimbangan penting dalam pengolahan dan aplikasi baja karena dapat secara signifikan mengubah perilaku mekanik setelah operasi pembentukan. Fenomena ini bisa bersifat menguntungkan atau merugikan tergantung pada persyaratan aplikasi dan sejauh mana hal itu terjadi.

Dalam bidang metalurgi yang lebih luas, penuaan regangan berada di persimpangan teori dislokasi, kinetika difusi, dan mekanisme penguatan larutan padat. Ini merupakan salah satu dari beberapa proses metalurgi yang bergantung pada waktu yang mempengaruhi kinerja layanan komponen baja, bersamaan dengan fenomena seperti pengerasan presipitasi, pengerasan kerja, dan proses pemulihan.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, penuaan regangan terjadi akibat interaksi antara dislokasi yang bergerak dan atom solut interstisial dalam matriks baja. Ketika baja terdeformasi secara plastis, dislokasi dihasilkan dan bergerak melalui kisi kristal. Dislokasi ini menciptakan medan regangan lokal di dalam material.

Atom interstisial, terutama karbon dan nitrogen dalam baja, tertarik ke medan regangan ini karena mereka dapat mencapai keadaan energi yang lebih rendah dengan menempati posisi dekat dislokasi. Seiring waktu, atom solut ini berdifusi menuju dan tersegregasi di sekitar dislokasi, secara efektif "menjepit" mereka di tempat.

Efek penjepitan menciptakan hambatan bagi pergerakan dislokasi selanjutnya, memerlukan tegangan yang lebih tinggi untuk memulai deformasi plastis ketika material dimuat ulang. Ini terwujud secara makroskopis sebagai peningkatan kekuatan luluh dan sering kali munculnya fenomena titik luluh yang berbeda.

Model Teoretis

Teori Cottrell-Bilby merupakan model teoretis utama untuk penuaan regangan, yang diusulkan pada tahun 1949. Model ini menggambarkan kinetika migrasi atom solut ke dislokasi dan mengkuantifikasi sifat bergantung pada waktu dari proses penjepitan.

Secara historis, pemahaman tentang penuaan regangan berkembang dari pengamatan empiris pada awal abad ke-20 menjadi model tingkat atom yang lebih canggih pada pertengahan abad. Para pembuat baja awal mengamati kembalinya titik luluh setelah penuaan tetapi tidak memiliki kerangka teoretis untuk menjelaskannya.

Pendekatan teoretis alternatif termasuk model pengurutan Snoek, yang berfokus pada pengurutan atom interstisial yang dipicu oleh tegangan, dan model komputasi terbaru yang menggabungkan simulasi atomistik untuk memprediksi perilaku penuaan regangan dalam sistem paduan yang kompleks.

Dasar Ilmu Material

Penuaan regangan sangat terkait dengan struktur kristal, yang paling menonjol terjadi pada logam kubik berpusat badan (BCC) seperti ferit dalam baja, di mana situs interstisial menciptakan distorsi kisi yang signifikan. Fenomena ini kurang terlihat pada struktur kubik berpusat wajah (FCC) seperti austenit.

Batas butir memainkan peran ganda dalam penuaan regangan, berfungsi baik sebagai penghalang dislokasi maupun sebagai jalan difusi untuk atom solut. Struktur butir yang lebih halus biasanya menunjukkan efek penuaan regangan yang lebih nyata karena area batas butir yang meningkat dan jarak difusi yang lebih pendek.

Fenomena ini terhubung dengan prinsip dasar ilmu material termasuk hukum difusi Fick, teori dislokasi, dan mekanisme penguatan larutan padat. Ini merupakan contoh klasik bagaimana mobilitas atom dan interaksi cacat mengatur perilaku material makroskopis.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Kinetika penuaan regangan dapat dinyatakan menggunakan persamaan Cottrell-Bilby:

$$N(t) = N_0 \left(1 - \exp\left(-A\left(\frac{Dt}{kT}\right)^{2/3}\right)\right)$$

Di mana $N(t)$ adalah jumlah atom solut yang telah bermigrasi ke dislokasi pada waktu $t$, $N_0$ adalah jumlah maksimum atom yang dapat tersegregasi, $A$ adalah konstanta yang terkait dengan energi ikatan, $D$ adalah koefisien difusi, $k$ adalah konstanta Boltzmann, dan $T$ adalah suhu mutlak.

Formula Perhitungan Terkait

Ketergantungan suhu dari penuaan regangan mengikuti hubungan Arrhenius:

$$t_a = C \exp\left(\frac{Q}{RT}\right)$$

Di mana $t_a$ adalah waktu penuaan yang diperlukan untuk mencapai tingkat penuaan tertentu, $C$ adalah konstanta material, $Q$ adalah energi aktivasi untuk difusi, $R$ adalah konstanta gas, dan $T$ adalah suhu mutlak.

Peningkatan kekuatan luluh akibat penuaan regangan dapat diperkirakan dengan:

$$\Delta\sigma_y = K \cdot C_s^{2/3} \cdot \left(1 - \exp\left(-\left(\frac{t}{t_0}\right)^n\right)\right)$$

Di mana $\Delta\sigma_y$ adalah peningkatan kekuatan luluh, $K$ adalah konstanta, $C_s$ adalah konsentrasi solut, $t$ adalah waktu penuaan, $t_0$ adalah konstanta waktu referensi, dan $n$ adalah eksponen yang biasanya antara 0.5 dan 0.67.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Model matematis ini umumnya berlaku untuk larutan padat encer di mana konsentrasi atom interstisial di bawah 0.1 wt%. Di luar konsentrasi ini, efek presipitasi mungkin mendominasi dibandingkan dengan segregasi sederhana.

Model ini mengasumsikan distribusi dislokasi yang seragam dan mengabaikan efek kusut dislokasi atau struktur sel yang terbentuk selama deformasi berat. Mereka juga tidak memperhitungkan efek penuaan regangan dinamis yang terjadi selama deformasi pada suhu tinggi.

Sebuah asumsi kunci adalah bahwa difusi mengikuti perilaku klasik, yang mungkin tidak berlaku pada suhu yang sangat rendah atau di hadapan situs penjebakan yang kuat seperti batas butir atau presipitat.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM E8/E8M menyediakan metode pengujian standar untuk pengujian tarik material logam, yang dapat mengungkapkan efek penuaan regangan melalui perubahan perilaku luluh.

ISO 6892-1 menetapkan metode untuk pengujian tarik material logam pada suhu ambien, memungkinkan deteksi kembalinya titik luluh setelah penuaan.

ASTM A1018 mencakup spesifikasi untuk lembaran dan strip baja yang mencakup persyaratan khusus mengenai kerentanan penuaan regangan untuk kelas tertentu.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Mesin pengujian universal yang dilengkapi dengan ekstensi adalah peralatan utama yang digunakan untuk mengukur efek penuaan regangan melalui pengujian tarik. Mesin ini mendeteksi kembalinya titik luluh yang khas dan peningkatan kekuatan luluh.

Perangkat pengukuran gesekan internal beroperasi berdasarkan prinsip bahwa atom solut menyebabkan redaman getaran mekanis, memungkinkan deteksi mobilitas dan segregasi atom solut.

Teknik karakterisasi canggih termasuk tomografi probe atom dan mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi, yang dapat secara langsung memvisualisasikan segregasi atom solut ke dislokasi.

Persyaratan Sampel

Sampel tarik standar biasanya mengikuti dimensi ASTM E8 dengan panjang gauge 50mm dan area penampang yang sesuai untuk kekuatan material.

Persiapan permukaan harus memastikan bebas dari kerusakan pemesinan atau dekarburisasi yang dapat mempengaruhi perilaku penuaan regangan. Sampel sering dipoles untuk menghilangkan oksida permukaan.

Sampel harus memiliki sejarah termal dan mekanis yang terdokumentasi dengan baik, karena pemrosesan sebelumnya