Pengurangan Stres pada Baja: Menghilangkan Stres Residual untuk Integritas Struktural

Definisi dan Konsep Dasar

Pelepasan stres adalah proses perlakuan panas yang diterapkan pada logam dan paduan untuk mengurangi atau menghilangkan stres residu internal yang terakumulasi selama proses manufaktur seperti pengecoran, pembentukan, pemesinan, pengelasan, atau pendinginan. Proses ini melibatkan pemanasan material hingga suhu di bawah titik transformasi kritisnya, mempertahankannya pada suhu tersebut selama waktu tertentu, dan kemudian mendinginkannya perlahan untuk meminimalkan perkembangan stres baru.

Dalam ilmu dan teknik material, pelepasan stres sangat penting untuk stabilitas dimensi, mencegah distorsi, dan mengurangi risiko retak korosi stres atau kegagalan prematur selama layanan. Proses ini biasanya tidak menghasilkan perubahan signifikan pada mikrostruktur atau sifat mekanik material, membedakannya dari perlakuan panas lainnya seperti annealing atau normalisasi.

Dalam bidang metalurgi yang lebih luas, pelepasan stres menempati posisi penting antara proses manufaktur primer dan penerapan produk akhir. Ini mewakili langkah kontrol kualitas yang kritis yang memastikan integritas dan kinerja jangka panjang komponen baja, terutama yang memiliki geometri kompleks atau yang terkena operasi pemesinan presisi.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat atom, pelepasan stres terjadi melalui pergerakan dislokasi yang diaktifkan secara termal dan pengaturan ulang dalam kisi kristal. Stres residu ada sebagai energi regangan elastis yang tersimpan dalam struktur kristal logam yang terdistorsi. Ketika energi termal yang cukup diberikan, atom mendapatkan mobilitas, memungkinkan dislokasi untuk naik dan meluncur.

Mobilitas atom yang meningkat ini memungkinkan material mengalami deformasi plastis lokal di titik konsentrasi stres. Proses ini memfasilitasi redistribusi stres internal melalui penghancuran dislokasi, poligonisasi (pembentukan subbutir), dan proses pemulihan terbatas. Namun, tidak seperti rekristalisasi, pelepasan stres mempertahankan struktur butir asli sambil mengurangi energi regangan internal.

Model Teoretis

Model teoretis utama yang menggambarkan pelepasan stres didasarkan pada aktivasi termal dan mengikuti persamaan Arrhenius untuk proses laju. Model ini mengaitkan laju relaksasi stres dengan suhu, energi aktivasi, dan waktu sesuai dengan prinsip termodinamika dan kinetika difusi keadaan padat.

Secara historis, pemahaman tentang pelepasan stres berkembang dari pengamatan empiris pada awal abad ke-20 hingga model yang lebih canggih pada tahun 1950-an. Pekerjaan awal oleh peneliti seperti Zener dan Wert menetapkan hubungan antara gesekan internal dan relaksasi stres pada logam.

Pendekatan modern mencakup pemodelan elemen hingga (FEM) untuk memprediksi distribusi stres residu dan evolusinya selama perlakuan panas. Model viskoelastik dan viskoplastik juga digunakan untuk menggambarkan sifat waktu dari relaksasi stres, terutama untuk geometri kompleks dan distribusi suhu yang tidak merata.

Dasar Ilmu Material

Pelepasan stres sangat terkait dengan struktur kristal, dengan struktur kubik pusat badan (BCC) seperti yang ada pada baja feritik umumnya menunjukkan pelepasan stres yang lebih cepat dibandingkan dengan struktur kubik pusat muka (FCC) yang ditemukan pada baja austenitik. Batas butir memainkan peran penting karena dapat bertindak sebagai sumber dan penampung dislokasi selama proses pelepasan stres.

Mikrostruktur material secara signifikan mempengaruhi efektivitas pelepasan stres. Struktur butir yang lebih halus biasanya memfasilitasi pelepasan stres yang lebih cepat karena area batas butir yang lebih besar tersedia untuk pergerakan dislokasi. Presipitat dan partikel fase kedua dapat menghambat atau meningkatkan pelepasan stres tergantung pada ukuran, distribusi, dan koherensi dengan matriks.

Proses ini secara fundamental terhubung dengan prinsip pemulihan dalam ilmu material, mewakili pemulihan sebagian dari sifat fisik yang diubah oleh deformasi plastis, tanpa rekonstruksi lengkap dari mikrostruktur yang terjadi selama rekristalisasi.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Persamaan dasar yang menggambarkan relaksasi stres selama pelepasan stres mengikuti model kinetik orde pertama:

$$\sigma(t) = \sigma_0 \exp(-kt)$$

Di mana $\sigma(t)$ adalah stres residu pada waktu $t$, $\sigma_0$ adalah stres residu awal, dan $k$ adalah konstanta laju relaksasi yang mengikuti hubungan Arrhenius.

Formula Perhitungan Terkait

Konstanta laju relaksasi $k$ dapat dinyatakan menggunakan persamaan Arrhenius:

$$k = A \exp\left(-\frac{Q}{RT}\right)$$

Di mana $A$ adalah faktor pra-eksponensial, $Q$ adalah energi aktivasi untuk mekanisme pelepasan stres, $R$ adalah konstanta gas universal, dan $T$ adalah suhu absolut.

Parameter Larson-Miller (LMP) sering digunakan untuk memprediksi efektivitas pelepasan stres di berbagai kombinasi waktu-suhu:

$$\text{LMP} = T(C + \log t)$$

Di mana $T$ adalah suhu (dalam Kelvin), $t$ adalah waktu (dalam jam), dan $C$ adalah konstanta spesifik material, biasanya sekitar 20 untuk banyak baja.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Model matematis ini umumnya berlaku untuk suhu antara 0,3 dan 0,5 dari suhu leleh material (dalam Kelvin). Di bawah rentang ini, mobilitas atom tidak cukup untuk pelepasan stres yang signifikan, sementara di atasnya, perubahan mikrostruktur mungkin terjadi.

Model ini mengasumsikan distribusi suhu yang seragam di seluruh komponen, yang mungkin tidak berlaku untuk geometri besar atau kompleks. Mereka juga mengasumsikan bahwa material bersifat homogen dan isotropik, yang mungkin tidak berlaku untuk material yang telah diproses secara berat atau yang memiliki tekstur.

Formula ini biasanya tidak memperhitungkan transformasi fase atau reaksi presipitasi yang mungkin terjadi bersamaan dengan pelepasan stres pada suhu tertentu, yang dapat menyebabkan prediksi yang tidak akurat dalam kasus tersebut.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM E1928: Praktik Standar untuk Memperkirakan Stres Sirkumferensial Residual yang Mendekati pada Pipa Dinding Tipis Lurus. Standar ini mencakup metode untuk mengukur stres residu sebelum dan setelah pelepasan stres.

ISO 6892: Material Logam - Pengujian Tarik. Meskipun tidak spesifik untuk pelepasan stres, standar ini digunakan untuk mengevaluasi sifat mekanik yang mungkin dipengaruhi oleh stres residu.

ASTM E837: Metode Uji Standar untuk Menentukan Stres Residual dengan Metode Lubang-Pengeboran Strain-Gage. Metode ini mengukur stres residu pada kedalaman yang berbeda dalam material.

SAE J784: Pengukuran Stres Residual dengan Difraksi Sinar-X. Standar ini merinci prosedur untuk mengukur stres residu menggunakan teknik difraksi sinar-X.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Peralatan difraksi sinar-X (XRD) mengukur perubahan jarak kisi atom yang disebabkan oleh stres residu. Teknik ini bersifat non-destruktif dan memberikan pengukuran stres permukaan berdasarkan hukum difraksi Bragg.

Sistem strain gauge pengeboran lubang melibatkan pengeboran lubang kecil pada material dan mengukur pelepasan regangan yang dihasilkan dengan strain gauge presisi. Regangan yang diukur kemudian dikonversi menjadi stres menggunakan teori elastisitas.

Instrumen difraksi neutron menawarkan penetrasi yang lebih dalam dibandingkan XRD, memungkinkan pemetaan tiga dimensi dari stres residu di seluruh komponen. Teknik ini menggunakan prinsip yang mirip dengan XRD tetapi dengan neutron alih-alih sinar-X.

Peralatan pengujian ultrasonik mengukur perubahan kecil dalam kecepatan gelombang suara yang disebabkan oleh stres residu. Metode ini didasarkan pada efek akustik elastis, di mana propagasi gelombang elastis dipengaruhi oleh keadaan stres material.

Persyaratan Sampel

Spesimen standar untuk pengukuran stres residu biasanya memerlukan permukaan datar dan bersih dengan dimensi minimum 10mm × 10mm untuk teknik XRD. Kek