Peregangan Pembentukan: Pembentukan Logam Presisi untuk Dirgantara & Otomotif

Definisi dan Konsep Dasar

Pembentukan regangan adalah proses pembentukan logam di mana lembaran atau ekstrusi diregangkan dan secara bersamaan dibengkokkan di atas cetakan untuk menciptakan bentuk tertentu. Teknik ini menghasilkan bagian dengan sedikit pemulihan, stabilitas dimensi yang sangat baik, dan ketebalan material yang seragam.

Proses ini melibatkan penerapan gaya tarik yang melebihi kekuatan luluh material sambil secara bersamaan membentuknya di atas cetakan yang terkontur. Berbeda dengan operasi pembengkokan murni, pembentukan regangan menciptakan deformasi plastis yang terkontrol di seluruh benda kerja, menghasilkan bagian yang lebih stabil.

Dari segi metalurgi, pembentukan regangan menempati posisi unik antara operasi regangan murni dan proses pembengkokan. Ini memanfaatkan karakteristik pengerasan regangan logam sambil mengelola aliran material untuk mencapai kontur kompleks yang sulit diproduksi dengan metode pembentukan konvensional.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, pembentukan regangan melibatkan pergerakan dislokasi yang terkontrol melalui kisi kristal logam. Ketika tegangan tarik melebihi kekuatan luluh, dislokasi berlipat ganda dan bergerak sepanjang bidang slip, menyebabkan deformasi permanen.

Penerapan tegangan dan pembengkokan secara bersamaan menciptakan keadaan stres yang kompleks di seluruh material. Distribusi stres ini menghasilkan gradien deformasi plastis yang bervariasi dari radius luar ke radius dalam bengkokan, dengan sumbu netral bergeser ke arah radius dalam.

Deformasi plastis yang terkontrol menghasilkan pengerasan regangan, di mana kerapatan dislokasi meningkat dan dislokasi saling berinteraksi, membuat deformasi lebih lanjut menjadi lebih sulit. Fenomena ini berkontribusi pada kekuatan dan stabilitas dimensi bagian akhir.

Model Teoretis

Model teoretis utama untuk pembentukan regangan didasarkan pada teori deformasi plastis yang dikombinasikan dengan analisis stres membran. Pendekatan ini menganggap material sebagai membran tipis di bawah tegangan biaxial sambil menyesuaikan dengan kontur tiga dimensi.

Pemahaman historis berkembang dari teori pembengkokan sederhana di awal abad ke-20 menjadi model yang lebih canggih pada tahun 1940-an dan 1950-an ketika produsen pesawat membutuhkan teknik pembentukan lanjutan untuk komponen aluminium besar. Kriteria luluh anisotropik Hill (1948) memberikan kemajuan signifikan dalam pemodelan perilaku logam lembar.

Pendekatan modern mencakup model analisis elemen hingga (FEA) yang menggabungkan anisotropi material, pengerasan regangan, dan sensitivitas laju regangan. Diagram batas pembentukan (FLD) juga digunakan untuk memprediksi perilaku material selama operasi pembentukan regangan, sementara model plastisitas kristal memberikan wawasan di tingkat mikrostruktur.

Dasar Ilmu Material

Perilaku pembentukan regangan sangat dipengaruhi oleh struktur kristal, dengan logam kubik berpusat muka (FCC) seperti aluminium dan baja tahan karat austenitik biasanya menunjukkan formabilitas yang lebih baik dibandingkan dengan logam kubik berpusat badan (BCC) seperti baja ferritik. Perbedaan ini berasal dari jumlah sistem slip yang tersedia di setiap struktur.

Batas butir memainkan peran penting dalam pembentukan regangan dengan menghambat pergerakan dislokasi. Material dengan butir halus umumnya menunjukkan formabilitas yang lebih baik tetapi memerlukan kekuatan yang lebih tinggi. Ukuran dan orientasi butir (tekstur) secara signifikan mempengaruhi respons material terhadap pembentukan regangan.

Proses ini secara fundamental bergantung pada prinsip pengerasan kerja dan deformasi plastis. Hubungan antara stres dan regangan di daerah plastis, khususnya eksponen pengerasan regangan (nilai-n) dan rasio regangan plastis (nilai-r), secara langsung mempengaruhi formabilitas regangan dan sifat bagian akhir.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Proses pembentukan regangan dasar dapat dicirikan oleh hubungan antara tegangan yang diterapkan dan regangan yang dihasilkan:

$$\sigma = K\varepsilon^n$$

Di mana:
- $\sigma$ adalah stres sejati
- $\varepsilon$ adalah regangan sejati
- $K$ adalah koefisien kekuatan
- $n$ adalah eksponen pengerasan regangan

Formula Perhitungan Terkait

Radius bengkok minimum yang dapat dicapai dalam pembentukan regangan dapat dihitung sebagai:

$$R_{min} = \frac{Et}{2\sigma_y} \cdot \frac{1}{1+\varepsilon_t}$$

Di mana:
- $R_{min}$ adalah radius bengkok minimum
- $E$ adalah modulus Young
- $t$ adalah ketebalan material
- $\sigma_y$ adalah kekuatan luluh
- $\varepsilon_t$ adalah perpanjangan total

Gaya regangan yang diperlukan dapat diperkirakan menggunakan:

$$F = \sigma_f \cdot A \cdot (1 + \frac{t}{2R})$$

Di mana:
- $F$ adalah gaya yang diperlukan
- $\sigma_f$ adalah stres aliran
- $A$ adalah luas penampang
- $t$ adalah ketebalan material
- $R$ adalah radius kelengkungan

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini mengasumsikan kondisi isotermal dan umumnya berlaku untuk suhu di bawah 0,3 dari titik leleh material (dalam Kelvin). Pada suhu yang lebih tinggi, mekanisme creep menjadi signifikan dan model yang berbeda harus diterapkan.

Model ini mengasumsikan material yang kontinu dan homogen tanpa cacat atau inklusi yang signifikan. Material dunia nyata mungkin menyimpang dari perilaku yang diprediksi karena variasi mikrostruktur atau sejarah pemrosesan.

Perhitungan ini biasanya mengasumsikan jalur pemuatan proporsional dan mungkin tidak secara akurat memprediksi perilaku di bawah jalur deformasi yang kompleks dan tidak proporsional. Selain itu, efek anisotropi sering disederhanakan atau diabaikan dalam perhitungan dasar.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM E8/E8M: Metode Uji Standar untuk Pengujian Tarik Material Logam - Menyediakan dasar untuk menentukan sifat mekanik dasar yang relevan dengan pembentukan regangan.

ISO 6892-1: Material logam — Pengujian tarik — Metode uji pada suhu ruang - Menetapkan prosedur untuk menentukan sifat tarik yang digunakan dalam perhitungan pembentukan regangan.

ASTM E517: Metode Uji Standar untuk Rasio Regangan Plastis r untuk Logam Lembaran - Mencakup penentuan rasio regangan plastis, yang penting untuk memprediksi perilaku pembentukan regangan.

ISO 12004-2: Material logam — Lembaran dan strip — Penentuan kurva batas pembentukan - Menetapkan metode untuk menentukan kurva batas pembentukan yang digunakan dalam analisis pembentukan regangan.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Pembentukan regangan biasanya menggunakan peralatan khusus dengan aktuator hidrolik atau mekanis yang menerapkan tegangan terkontrol sambil membentuk material di atas cetakan. Transduser gaya mengukur beban yang diterapkan, sementara sensor perpindahan melacak pergerakan material.

Sistem pengukuran optik menggunakan korelasi citra digital (DIC) memungkinkan pengukuran medan regangan tanpa kontak di seluruh bagian yang dibentuk. Teknik ini memberikan informasi rinci tentang distribusi regangan dan lokasi potensi kegagalan.

Pengujian lanjutan dapat mencakup mikroskopi in-situ atau teknik difraksi untuk mengamati perubahan mikrostruktur selama deformasi. Kamera berkecepatan tinggi dapat menangkap peristiwa dinamis selama operasi pembentukan yang cepat.

Persyaratan Sampel

Spesimen uji standar untuk karakterisasi material biasanya mengikuti dimensi ASTM E8/E8M, dengan panjang gauge 50mm atau 2 inci dan lebar yang sesuai berdasarkan ketebalan material. Untuk percobaan pembentukan regangan yang sebenarnya, dimensi sampel tergantung pada geometri bagian tertentu.

Persiapan permukaan memerlukan penghilangan skala, lapisan oksida, dan kontaminan yang dapat mempeng