Relaksasi Stres Temper: Meningkatkan Stabilitas & Kinerja Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Stress Relieve Temper adalah proses perlakuan panas yang dikendalikan yang diterapkan pada baja dan paduan logam lainnya untuk mengurangi atau menghilangkan stres residual internal tanpa secara signifikan mengubah mikrostruktur atau sifat mekanik material. Proses ini melibatkan pemanasan material hingga suhu tertentu di bawah suhu transformasi kritis bawahnya, mempertahankannya pada suhu tersebut untuk waktu yang telah ditentukan, dan kemudian mendinginkannya dengan laju yang terkontrol.

Tujuan utama dari tempering pelepasan stres adalah untuk meminimalkan distorsi, retak, dan perubahan dimensi yang mungkin terjadi selama operasi manufaktur berikutnya atau selama masa pakai komponen. Ini berfungsi sebagai langkah kritis antara atau akhir dalam urutan pemrosesan termal dari banyak produk baja.

Dalam bidang metalurgi yang lebih luas, tempering pelepasan stres menempati posisi penting antara annealing dan proses quench-and-temper. Berbeda dengan annealing penuh, ini tidak berusaha untuk secara substansial melunakkan material atau sepenuhnya merekristalisasi mikrostruktur. Sebaliknya, ini memberikan pendekatan seimbang untuk mempertahankan sifat mekanik sambil mengurangi stres internal yang berbahaya.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, tempering pelepasan stres bekerja dengan memberikan energi termal yang cukup untuk memungkinkan mobilitas atom terbatas tanpa menyebabkan transformasi fase. Suhu yang meningkat meningkatkan laju difusi atom, memungkinkan dislokasi untuk mengatur ulang diri mereka dan sebagian menghilang.

Stres internal pada baja muncul dari pendinginan yang tidak merata, transformasi fase, atau deformasi mekanik yang menciptakan distorsi kisi. Distorsi ini mewakili energi elastis yang tersimpan. Selama pelepasan stres, atom berpindah jarak pendek ke posisi energi yang lebih rendah, mengurangi energi regangan keseluruhan dalam kisi kristal.

Proses ini juga mendorong pemulihan terbatas dari struktur yang dikerjakan dingin melalui pergerakan dislokasi, poligonisasi, dan pembentukan subgrain. Namun, biasanya terjadi di bawah suhu rekristalisasi, sehingga mempertahankan banyak dari mikrostruktur yang ada.

Model Teoretis

Model teoretis utama yang menggambarkan pelepasan stres didasarkan pada proses difusi yang diaktifkan secara termal mengikuti perilaku tipe Arrhenius. Laju pelepasan stres dapat dinyatakan menggunakan persamaan Zener-Wert-Avrami, yang menghubungkan pengurangan stres dengan waktu dan suhu.

Secara historis, pemahaman tentang pelepasan stres berkembang dari pengamatan empiris di awal abad ke-20 hingga model yang lebih canggih pada tahun 1950-an. Pandai besi dan pekerja logam awal menyadari bahwa pemanasan komponen logam mengurangi kecenderungan mereka untuk melengkung, meskipun mereka tidak memiliki pemahaman ilmiah tentang alasannya.

Pendekatan modern menggabungkan model komputasi yang dapat memprediksi pelepasan stres berdasarkan parameter waktu-suhu, sementara perlakuan yang lebih maju mempertimbangkan dinamika dislokasi spesifik dan migrasi cacat titik yang terjadi selama proses.

Dasar Ilmu Material

Tempering pelepasan stres secara langsung berinteraksi dengan struktur kristal dengan memungkinkan dislokasi untuk naik dan melintasi lebih mudah pada suhu yang lebih tinggi. Di batas butir, proses ini memungkinkan relaksasi terbatas dari daerah batas di mana konsentrasi stres sering terjadi karena salah orientasi kristalografi.

Mikrostruktur sebagian besar menentukan efektivitas pelepasan stres. Material dengan struktur butir halus umumnya melepaskan stres lebih cepat daripada material dengan butir kasar karena area batas butir yang lebih besar tersedia untuk penyerapan dan penghilangan dislokasi.

Proses ini terhubung dengan prinsip dasar ilmu material tentang difusi, teori dislokasi, dan mekanisme pemulihan. Ini mewakili aplikasi praktis dari prinsip kinetik di mana waktu dan suhu seimbang untuk mencapai hasil metalurgi tertentu.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Proses pelepasan stres mengikuti hubungan peluruhan eksponensial:

$$\sigma_r = \sigma_i \cdot e^{-kt}$$

Di mana:
- $\sigma_r$ adalah stres residual setelah perlakuan
- $\sigma_i$ adalah stres residual awal
- $k$ adalah konstanta laju pelepasan stres
- $t$ adalah waktu perlakuan

Formula Perhitungan Terkait

Konstanta laju pelepasan stres mengikuti persamaan Arrhenius:

$$k = A \cdot e^{-\frac{Q}{RT}}$$

Di mana:
- $A$ adalah faktor frekuensi
- $Q$ adalah energi aktivasi untuk mekanisme pelepasan stres
- $R$ adalah konstanta gas universal
- $T$ adalah suhu absolut

Parameter Larson-Miller (LMP) sering digunakan untuk menentukan kombinasi waktu-suhu yang setara:

$$LMP = T(C + \log t)$$

Di mana:
- $T$ adalah suhu absolut
- $C$ adalah konstanta spesifik material (biasanya 20 untuk baja)
- $t$ adalah waktu dalam jam

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini umumnya berlaku untuk suhu antara 30-80% dari suhu leleh (dalam Kelvin) material. Di bawah rentang ini, difusi menjadi terlalu lambat untuk pelepasan stres yang efektif.

Model-model ini mengasumsikan laju pemanasan dan pendinginan yang seragam dan kurang akurat untuk geometri kompleks dengan variasi ketebalan yang signifikan. Mereka juga menganggap bahwa tidak ada transformasi fase yang terjadi selama proses.

Hubungan matematis ini didasarkan pada asumsi bahwa pelepasan stres mengikuti kinetika orde pertama, yang merupakan penyederhanaan dari proses metalurgi aktual yang terjadi secara bersamaan.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

• ASTM E1928: Praktik Standar untuk Memperkirakan Stres Sirkumferensial Residual yang Mendekati dalam Pipa Dinding Tipis Lurus
• ISO 6892-1: Material logam — Pengujian tarik — Metode pengujian pada suhu ruang
• ASTM E837: Metode Uji Standar untuk Menentukan Stres Residual dengan Metode Lubang-Pengeboran Strain-Gage
• ASTM E915: Metode Uji Standar untuk Memverifikasi Penyelarasan Instrumen Difraksi Sinar-X untuk Pengukuran Stres Residual

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Peralatan difraksi sinar-X (XRD) mengukur perubahan jarak kisi atom yang disebabkan oleh stres residual. Teknik non-destruktif ini mendeteksi pergeseran puncak difraksi yang diinduksi oleh regangan sesuai dengan hukum Bragg.

Metode strain gauge lubang-pengeboran melibatkan pengeboran lubang kecil di permukaan material dan mengukur pelepasan regangan yang dihasilkan dengan strain gauge presisi. Teknik semi-destruktif ini memberikan profil kedalaman stres residual.

Teknik difraksi neutron yang lebih canggih memungkinkan penetrasi yang lebih dalam dibandingkan XRD, memungkinkan pengukuran stres residual di seluruh bagian yang lebih tebal tanpa merusak spesimen.

Persyaratan Sampel

Sampel standar untuk pengukuran stres residual biasanya memerlukan permukaan datar dan bersih dengan dimensi minimum 10mm × 10mm untuk teknik XRD.

Persiapan permukaan umumnya melibatkan pembersihan yang hati-hati dan kadang-kadang elektropolishing untuk menghilangkan stres yang diinduksi oleh pemesinan yang dapat membingungkan pengukuran.

Untuk metode pengeboran lubang, permukaan harus dapat menampung pemasangan roset strain gauge, biasanya memerlukan area datar minimal 20mm × 20mm dengan kekasaran permukaan yang sesuai (Ra < 3.2μm).

Parameter Uji

Pengukuran biasanya dilakukan pada suhu ruang (20-25°C) di bawah kondisi kelembaban yang terkontrol untuk mencegah efek ekspansi termal atau gangguan lingkungan.

Untuk metode XRD, laju pemindaian biasanya 0.05-0.1° per detik dengan ukuran langkah 0.02-0