Kerapuhan pada Baja: Penyebab, Pencegahan & Implikasi Struktural

Definisi dan Konsep Dasar

Kerapuhan adalah sifat mekanik yang menggambarkan kecenderungan suatu material untuk patah tanpa deformasi plastis yang signifikan ketika dikenakan stres. Ini mewakili kebalikan dari duktilitas dan menggambarkan material yang pecah secara tiba-tiba, sering kali dengan sedikit atau tanpa peringatan, ketika gaya melebihi kekuatan ultimatumnya.

Kerapuhan adalah pertimbangan kritis dalam pemilihan material untuk aplikasi rekayasa, terutama dalam komponen struktural di mana kegagalan mendadak dapat mengakibatkan konsekuensi yang bencana. Sifat ini menentukan bagaimana material merespons beban benturan, fluktuasi suhu, dan konsentrasi stres.

Dalam metalurgi, kerapuhan menempati posisi sentral dalam memahami perilaku material di bawah berbagai kondisi layanan. Ini mewakili salah satu ujung spektrum duktil-rapuh yang membantu insinyur mengklasifikasikan material dan memprediksi kinerjanya di bawah beban mekanis. Perilaku rapuh pada baja dapat bersifat melekat pada struktur material atau diinduksi oleh faktor lingkungan, metode pemrosesan, atau kondisi layanan.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, kerapuhan muncul sebagai ketidakmampuan suatu material untuk mengakomodasi stres melalui pergerakan dislokasi dan deformasi plastis. Ketika gaya eksternal diterapkan, ikatan atom dalam material rapuh pecah secara langsung daripada membiarkan atom meluncur satu sama lain.

Mekanisme mikroskopis melibatkan propagasi retakan melalui material dengan penyerapan energi minimal. Pada baja rapuh, retakan dapat bergerak dengan cepat sepanjang batas butir atau melalui kisi kristal dengan sedikit resistensi, yang mengarah pada kegagalan bencana. Perilaku ini kontras dengan material duktil di mana energi diserap melalui deformasi plastis sebelum patah terjadi.

Kerapuhan sering kali dihasilkan dari mobilitas dislokasi yang terbatas dalam struktur kristal. Faktor-faktor seperti ikatan atom yang kuat, struktur kristal yang kompleks, atau fitur mikrostruktur yang menghambat pergerakan dislokasi berkontribusi pada perilaku rapuh pada baja.

Model Teoretis

Teori Griffith tentang patahan rapuh, yang dikembangkan oleh A.A. Griffith pada tahun 1921, memberikan dasar teoretis utama. Model ini mengusulkan bahwa patahan terjadi ketika energi yang dilepaskan oleh pertumbuhan retakan melebihi energi yang diperlukan untuk menciptakan permukaan baru, dinyatakan sebagai faktor intensitas stres kritis.

Pemahaman historis berkembang dari karya awal Griffith tentang kaca hingga modifikasi oleh Irwin dan Orowan, yang menggabungkan energi deformasi plastis ke dalam model untuk lebih baik merepresentasikan logam. Pendekatan mekanika patahan elastis linier (LEFM) muncul sebagai aplikasi praktis dari teori-teori ini.

Pendekatan teoretis alternatif termasuk model zona kohesif, yang berfokus pada zona proses di depan ujung retakan, dan pendekatan J-integral, yang memperluas mekanika patahan ke material elastis-plastis. Setiap model menawarkan wawasan berbeda tentang perilaku rapuh di bawah berbagai kondisi pemuatan.

Dasar Ilmu Material

Struktur kristal secara signifikan mempengaruhi kerapuhan, dengan struktur kubik berpusat badan (BCC) seperti yang terdapat pada baja ferritik biasanya menunjukkan perilaku lebih rapuh dibandingkan dengan struktur kubik berpusat wajah (FCC). Batas butir sering kali berfungsi sebagai titik lemah di mana retakan dapat dimulai dan berkembang dalam material rapuh.

Mikrostruktur baja secara langsung mempengaruhi perilaku rapuh-duktilnya. Struktur butir kasar, presipitat di batas butir, dan fase tertentu seperti martensit atau semenit dapat meningkatkan kerapuhan. Sebaliknya, struktur butir halus dengan distribusi fase yang homogen biasanya meningkatkan duktilitas.

Kerapuhan terhubung dengan prinsip dasar ilmu material termasuk teori dislokasi, mekanisme penguatan batas butir, dan kinetika transformasi fase. Persaingan antara propagasi retakan dan proses deformasi plastis menentukan apakah suatu material berperilaku rapuh atau duktil.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Kerapuhan material dapat diukur menggunakan indeks kerapuhan ($B_i$):

$$B_i = \frac{H}{K_{IC}}$$

Di mana $H$ mewakili kekerasan (biasanya dalam GPa) dan $K_{IC}$ adalah ketahanan patah (dalam MPa·m$^{1/2}$). Nilai yang lebih tinggi menunjukkan kerapuhan yang lebih besar.

Formula Perhitungan Terkait

Suhu transisi dari duktil ke rapuh (DBTT) dapat diperkirakan menggunakan hubungan empiris berikut untuk baja paduan rendah:

$$DBTT (°C) = 75 - 11.5 \cdot (\text{ukuran butir})^{-1/2} + 2.2 \cdot \text{Mn\%} + 14.3 \cdot \text{Si\%} + 3000 \cdot \text{N\%}$$

Di mana ukuran butir diukur dalam nomor ASTM, dan persentase elemen berdasarkan berat.

Faktor intensitas stres kritis untuk patahan rapuh dihitung sebagai:

$$K_{IC} = Y\sigma\sqrt{\pi a}$$

Di mana $Y$ adalah faktor geometris, $\sigma$ adalah stres yang diterapkan, dan $a$ adalah panjang retakan.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini umumnya berlaku untuk material homogen di bawah kondisi pemuatan quasi-statis. Pemuatan dinamis mungkin memerlukan pendekatan yang dimodifikasi yang memperhitungkan efek laju regangan.

Indeks kerapuhan memiliki batasan ketika membandingkan material dengan mikrostruktur yang sangat berbeda atau ketika faktor lingkungan sangat mempengaruhi perilaku patahan. Efek suhu tidak secara langsung dimasukkan ke dalam formula dasar.

Model matematis ini mengasumsikan adanya cacat atau retakan yang sudah ada sebelumnya dan mungkin tidak secara akurat memprediksi perilaku pada material yang bebas cacat. Selain itu, mereka biasanya mengasumsikan perilaku elastis linier hingga titik patah.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

• ASTM E23: Metode Uji Standar untuk Pengujian Dampak Batang Notch pada Material Logam
• ASTM E1820: Metode Uji Standar untuk Pengukuran Ketahanan Patah
• ISO 148-1: Material logam - Uji dampak pendulum Charpy
• ASTM E399: Metode Uji Standar untuk Ketahanan Patah Linear-Elastis Plane-Strain pada Material Logam

Setiap standar memberikan prosedur spesifik untuk mengukur aspek perilaku rapuh. ASTM E23 dan ISO 148-1 fokus pada penyerapan energi benturan, sementara E1820 dan E399 membahas parameter mekanika patahan.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Penguji dampak Charpy dan Izod umumnya digunakan untuk mengukur energi yang diserap selama patahan. Mesin berbasis pendulum ini memukul spesimen yang ter-notched dan mengukur perbedaan energi sebelum dan setelah benturan.

Penguji ketahanan patah menggunakan mesin uji universal dengan fixture khusus untuk menerapkan pemuatan terkontrol pada spesimen yang sudah retak. Propagasi retakan dipantau menggunakan metode optik, emisi akustik, atau teknik penurunan potensial listrik.

Karakterisasi lanjutan dapat mencakup pengujian dampak yang diinstrumentasi yang merekam kurva gaya-pergeseran selama patahan, atau pengujian robek berat jatuh untuk bagian yang lebih tebal yang digunakan dalam bejana tekan dan pipa.

Persyaratan Sampel

Spesimen notch V Charpy standar berukuran 10mm × 10mm × 55mm dengan notch V 2mm dalam, 45°. Spesimen ketahanan patah mengikuti geometri spesifik termasuk ketegangan kompak (CT), bengkok notch tepi tunggal (SENB), atau ketegangan kompak berbentuk disk (DCT).

Persiapan permukaan biasanya memerlukan pemesinan yang hati-hati untuk menghindari pengenalan stres residual atau perubahan mikrostruktur. Notch harus diukur dan diposisikan dengan tepat, sering kali memerlukan pem