Mengganggu: Proses Penempaan Penting untuk Meningkatkan Sifat Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Upsetting adalah proses pembentukan logam di mana benda kerja ditekan sepanjang sumbu longitudinalnya, menghasilkan peningkatan area penampang dengan penurunan panjang yang sesuai. Teknik penempaan ini memusatkan material di daerah tertentu dari suatu bagian untuk meningkatkan area penampang, menciptakan bentuk yang diinginkan, atau meningkatkan sifat mekanik di area lokal.

Upsetting merupakan proses deformasi massal yang mendasar dalam rekayasa metalurgi, berfungsi sebagai operasi pembentukan utama dan langkah persiapan untuk proses manufaktur selanjutnya. Teknik ini memungkinkan metalurgis dan insinyur untuk mendistribusikan material secara strategis, meningkatkan kapasitas beban di daerah kritis sambil mempertahankan efisiensi material.

Dalam bidang metalurgi yang lebih luas, upsetting berdiri sebagai proses dasar dalam teori deformasi plastik, menjembatani prinsip aliran logam teoritis dengan aplikasi manufaktur praktis. Ini menunjukkan bagaimana deformasi yang terkontrol dapat dimanfaatkan untuk meningkatkan sifat material dan mencapai fitur geometris kompleks dalam komponen baja.

Sifat Fisik dan Dasar Teoritis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, upsetting melibatkan pergerakan dislokasi melalui kisi kristal baja. Ketika tegangan kompresif melebihi kekuatan luluh material, dislokasi berlipat ganda dan bergerak sepanjang bidang slip, menyebabkan deformasi permanen dari struktur kristal.

Pergerakan dislokasi ini menghasilkan pemanjangan butir yang tegak lurus terhadap arah kompresi dan kompresi butir yang sejajar dengan gaya yang diterapkan. Proses ini menciptakan pola aliran khas di mana material bergerak keluar dari pusat kompresi, mengikuti jalur dengan resistensi terendah yang ditentukan oleh kondisi gesekan di antarmuka cetakan-benda kerja.

Selama upsetting, pengerasan regangan terjadi saat dislokasi saling berinteraksi dan menghalangi pergerakan satu sama lain, meningkatkan ketahanan material terhadap deformasi lebih lanjut. Fenomena ini berkontribusi pada penguatan daerah yang tertekan melalui peningkatan kepadatan dislokasi.

Model Teoritis

Model teoritis utama untuk upsetting didasarkan pada teori plastisitas, khususnya prinsip konstansi volume. Prinsip ini menyatakan bahwa volume material tetap konstan selama deformasi plastik, dinyatakan sebagai $V_i = V_f$ di mana volume awal dan akhir adalah sama.

Pemahaman historis tentang upsetting berkembang dari pengamatan empiris dalam pandai besi menjadi analisis ilmiah pada awal abad ke-20. Kemajuan signifikan datang dengan kriteria luluh von Mises dan Tresca, yang menyediakan kerangka matematis untuk memprediksi aliran material selama deformasi.

Pendekatan modern mencakup model analisis elemen hingga (FEA) yang menggabungkan sensitivitas laju regangan, efek suhu, dan kondisi gesekan. Model komputasi ini sebagian besar telah menggantikan pendekatan analitis yang lebih sederhana seperti metode analisis slab, meskipun yang terakhir tetap berharga untuk estimasi cepat dalam aplikasi tertentu.

Dasar Ilmu Material

Perilaku upsetting secara langsung berkaitan dengan struktur kristal, dengan baja kubik berpusat tubuh (BCC) biasanya menunjukkan karakteristik aliran yang berbeda dibandingkan dengan paduan kubik berpusat wajah (FCC). Batas butir bertindak sebagai penghalang terhadap pergerakan dislokasi, mempengaruhi ketahanan deformasi dan pola aliran selama proses.

Mikrostruktur baja secara signifikan mempengaruhi kinerja upsetting, dengan material berbutir halus umumnya menunjukkan deformasi yang lebih seragam dibandingkan dengan varian berbutir kasar. Komposisi fase juga memainkan peran penting, karena ferit, austenit, dan berbagai karbida merespons secara berbeda terhadap gaya kompresif.

Upsetting terhubung dengan prinsip dasar ilmu material termasuk pengerasan kerja, rekristalisasi, dan pengembangan tekstur. Prinsip-prinsip ini menjelaskan mengapa komponen baja yang tertekan sering menunjukkan sifat anisotropik dan mengapa deformasi yang terkontrol dapat digunakan untuk meningkatkan karakteristik mekanik tertentu.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Hubungan fundamental dalam upsetting dinyatakan oleh persamaan konstansi volume:

$$A_i \times L_i = A_f \times L_f$$

Di mana $A_i$ adalah area penampang awal, $L_i$ adalah panjang awal, $A_f$ adalah area penampang akhir, dan $L_f$ adalah panjang akhir setelah upsetting.

Formula Perhitungan Terkait

Regangan sejati dalam upsetting dapat dihitung sebagai:

$$\varepsilon = \ln\left(\frac{L_i}{L_f}\right) = \ln\left(\frac{A_f}{A_i}\right)$$

Gaya yang diperlukan untuk upsetting dapat diperkirakan menggunakan:

$$F = A_f \times Y_f \times K$$

Di mana $Y_f$ adalah tegangan aliran material pada keadaan deformasi akhir dan $K$ adalah faktor yang memperhitungkan efek gesekan dan geometri, biasanya berkisar antara 1.0 hingga 3.0.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini mengasumsikan deformasi homogen tanpa pembulatan atau pembengkokan, yang hanya berlaku untuk rasio tinggi terhadap diameter kurang dari sekitar 2.5. Untuk benda kerja yang lebih tinggi, pembengkokan menjadi mode kegagalan dominan daripada upsetting yang seragam.

Model biasanya mengasumsikan kondisi isotermal, meskipun proses industri yang sebenarnya sering melibatkan gradien suhu yang mempengaruhi aliran material. Selain itu, formula ini umumnya berlaku untuk material isotropik, memerlukan modifikasi untuk material dengan sifat arah yang signifikan.

Kebanyakan perhitungan upsetting dasar mengasumsikan perilaku material kaku-plastik, mengabaikan deformasi elastis. Asumsi ini wajar untuk deformasi besar yang khas dalam operasi upsetting industri tetapi dapat memperkenalkan kesalahan dalam aplikasi presisi.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM E9 menyediakan metode pengujian standar untuk pengujian kompresi material logam, termasuk prosedur yang berlaku untuk karakterisasi upsetting. Standar ini mencakup persiapan spesimen, prosedur pengujian, dan metode analisis data.

ISO 6892 membahas pengujian tarik material logam tetapi mencakup prinsip-prinsip yang berlaku untuk pengujian kompresi dalam operasi upsetting. Ini menetapkan pedoman untuk menentukan karakteristik tegangan aliran yang relevan dengan proses upsetting.

DIN 50106 secara khusus membahas pengujian kompresi material logam, menyediakan prosedur rinci untuk menentukan kekuatan luluh kompresi dan kurva aliran yang berlaku untuk operasi upsetting.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Mesin press hidrolik yang dilengkapi dengan sel beban dan transduser perpindahan umumnya digunakan untuk pengujian upsetting. Sistem ini menyediakan data gaya-perpindahan yang dapat diubah menjadi hubungan tegangan-regangan.

Sistem pengujian material (MTS) dengan pelat kompresi menawarkan kontrol yang tepat atas laju deformasi dan pengukuran akurat dari hubungan beban-perpindahan. Sistem ini biasanya menggabungkan akuisisi data terkomputerisasi untuk pemantauan waktu nyata.

Karakterisasi lanjutan dapat menggunakan sistem korelasi citra digital (DIC) yang melacak pola deformasi permukaan selama upsetting. Teknik pengukuran non-kontak ini memberikan pemetaan regangan lapangan penuh yang mengungkapkan perilaku deformasi lokal.

Persyaratan Sampel

Spesimen uji standar biasanya berbentuk silindris dengan rasio tinggi terhadap diameter antara 1.5 dan 2.0. Dimensi umum termasuk diameter 10mm × tinggi 15mm untuk pengujian skala kecil dan spesimen proporsional yang lebih besar untuk aplikasi industri.

Persiapan permukaan memerlukan wajah akhir paralel yang digiling hingga hasil akhir permukaan 0.8μm Ra atau lebih baik. Sisi spesimen harus bebas dari cacat pemesinan yang dapat memicu retakan prematur selama deformasi.

Spesimen harus bebas dari cacat internal seperti porositas atau inklusi yang dapat mempengaruhi perilaku deformasi. Untuk pengujian upsetting panas, spesimen harus dipanaskan secara merata hingga suhu uji dan dipindahkan dengan cepat untuk meminimalkan gradien termal.

Parameter Uji

Pengujian standar biasanya dilakukan pada suhu ruangan