Kekuatan Tekan: Properti Kritis untuk Kinerja Struktur Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Kekuatan tekan mengacu pada stres maksimum yang dapat ditahan oleh suatu material di bawah beban tekan sebelum kegagalan terjadi. Ini menggambarkan kemampuan suatu material untuk menahan gaya yang mendorong ke dalam, menyebabkan material tersebut menyusut atau terkompresi.

Dalam ilmu material dan rekayasa, kekuatan tekan adalah sifat mekanik dasar yang menentukan kesesuaian suatu material untuk aplikasi yang menanggung beban. Ini sangat penting dalam komponen struktural di mana material harus mendukung berat atau menahan gaya penghancuran.

Dalam metalurgi, kekuatan tekan berdampingan dengan kekuatan tarik, kekuatan luluh, dan kekerasan sebagai salah satu sifat mekanik inti yang mendefinisikan kinerja baja. Berbeda dengan beberapa material lainnya, baja biasanya menunjukkan nilai kekuatan yang serupa baik dalam ketegangan maupun kompresi, meskipun hubungan ini dapat bervariasi dengan komposisi paduan dan mikrostruktur tertentu.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, kekuatan tekan pada baja dihasilkan dari ketahanan ikatan atom terhadap deformasi ketika gaya eksternal mencoba mendorong atom lebih dekat satu sama lain. Ketahanan ini terwujud melalui interaksi dislokasi—cacat linier dalam kisi kristal—dengan rintangan seperti batas butir, presipitat, dan dislokasi lainnya.

Di bawah kompresi, dislokasi bergerak melalui struktur kristal tetapi menghadapi ketahanan dari rintangan ini. Kesulitan dalam memindahkan dislokasi ini menentukan kekuatan tekan material. Seiring dengan meningkatnya stres kompresi, kepadatan dislokasi meningkat, menyebabkan pengerasan kerja hingga material akhirnya gagal melalui deformasi plastis atau, dalam kasus rapuh, melalui patahan geser.

Model Teoretis

Model teoretis utama yang menggambarkan kekuatan tekan didasarkan pada teori plastisitas kristal, yang mengaitkan kekuatan material dengan pergerakan dan interaksi dislokasi. Hubungan Hall-Petch ($\sigma_y = \sigma_0 + k_y d^{-1/2}$) memberikan kerangka dasar yang menghubungkan ukuran butir dengan kekuatan.

Secara historis, pemahaman tentang kekuatan tekan berkembang dari pengamatan empiris pada abad ke-19 hingga teori dislokasi yang canggih pada pertengahan abad ke-20. Model awal oleh Tresca dan von Mises menetapkan kriteria luluh yang berlaku untuk beban tekan.

Pendekatan modern mencakup model mekanika kontinuum untuk perilaku makroskopik dan simulasi atomistik yang menangkap fenomena skala nano. Metode elemen hingga plastisitas kristal (CPFEM) menjembatani skala ini dengan menggabungkan sistem slip kristalografi ke dalam model skala yang lebih besar.

Dasar Ilmu Material

Kekuatan tekan secara langsung terkait dengan struktur kristal, dengan struktur kubik berpusat badan (BCC) pada baja feritik berperilaku berbeda dibandingkan dengan struktur kubik berpusat wajah (FCC) pada baja austenitik. Batas butir bertindak sebagai penghalang bagi pergerakan dislokasi, memperkuat material saat ukuran butir berkurang.

Mikrostruktur secara signifikan mempengaruhi perilaku kompresi, dengan martensit memberikan kekuatan lebih tinggi dibandingkan ferit karena kisi yang sangat terdistorsi dan struktur halus. Presipitat dan partikel fase kedua menciptakan rintangan tambahan bagi pergerakan dislokasi, meningkatkan kekuatan tekan melalui pengerasan presipitasi.

Hubungan ini terhubung dengan prinsip dasar ilmu material seperti mekanisme penguatan, transformasi fase, dan interaksi cacat. Persaingan antara pembangkitan dan penghancuran dislokasi selama deformasi mengikuti prinsip inti termodinamika dan kinetika dalam material.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Definisi dasar kekuatan tekan dinyatakan sebagai:

$$\sigma_c = \frac{F_{max}}{A_0}$$

Di mana:
- $\sigma_c$ adalah kekuatan tekan (MPa atau psi)
- $F_{max}$ adalah gaya tekan maksimum sebelum kegagalan (N atau lbf)
- $A_0$ adalah luas penampang asli yang tegak lurus terhadap gaya (mm² atau in²)

Formula Perhitungan Terkait

Regangan kompresi selama pengujian dihitung sebagai:

$$\varepsilon = \frac{\Delta L}{L_0}$$

Di mana:
- $\varepsilon$ adalah regangan kompresi (tanpa dimensi)
- $\Delta L$ adalah perubahan panjang (mm atau in)
- $L_0$ adalah panjang asli (mm atau in)

Modulus kompresi (analog dengan modulus Young) ditentukan oleh:

$$E_c = \frac{\sigma_c}{\varepsilon}$$

Di mana:
- $E_c$ adalah modulus kompresi (MPa atau psi)
- $\sigma_c$ adalah stres kompresi (MPa atau psi)
- $\varepsilon$ adalah regangan kompresi (tanpa dimensi)

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini mengasumsikan distribusi stres yang seragam di seluruh penampang spesimen, yang hanya berlaku untuk spesimen pendek dan kekar di mana pembengkokan tidak terjadi. Untuk spesimen ramping, rumus pembengkokan Euler menjadi relevan.

Perhitungan mengasumsikan perilaku material yang homogen dan isotropik, yang mungkin tidak berlaku untuk baja yang sangat anisotropik atau yang memiliki cacat internal yang signifikan. Selain itu, formula ini berlaku untuk deformasi elastis dan awal deformasi plastis tetapi tidak sepenuhnya menggambarkan perilaku pasca-luluh.

Perhitungan standar biasanya mengasumsikan kondisi pemuatan kuasi-statis pada suhu kamar. Pemuatan dinamis atau suhu tinggi memerlukan pendekatan yang dimodifikasi yang memperhitungkan sensitivitas laju regangan dan sifat material yang bergantung pada suhu.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

• ASTM E9: Metode Uji Standar Pengujian Kompresi Material Logam pada Suhu Kamar
• ISO 7500-1: Material logam - Verifikasi mesin pengujian uniaxial statis - Bagian 1: Mesin pengujian tarik/kompresi
• ASTM E209: Praktik Standar untuk Uji Kompresi Material Logam pada Suhu Tinggi
• JIS Z 2248: Material logam - Metode uji kompresi

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Mesin uji universal yang dilengkapi dengan pelat kompresi adalah peralatan standar untuk pengujian kekuatan tekan. Mesin ini menerapkan gaya tekan yang terkontrol sambil mengukur beban dan perpindahan.

Prinsip dasar melibatkan penerapan beban tekan yang meningkat pada spesimen dengan laju yang terkontrol hingga kegagalan terjadi. Sel beban mengukur gaya yang diterapkan, sementara ekstensi atau transduser perpindahan memantau deformasi.

Peralatan canggih mungkin termasuk sistem pengujian kompresi suhu tinggi dengan pemanasan induksi atau tungku, dan fixture khusus untuk menguji lembaran tipis atau geometri kompleks. Sistem korelasi citra digital dapat memberikan pemetaan regangan lapangan penuh selama pengujian kompresi.

Persyaratan Sampel

Spesimen uji kompresi standar biasanya berbentuk silinder dengan rasio tinggi terhadap diameter antara 1,5 dan 2,0. Dimensi umum termasuk diameter 12,7mm (0,5 inci) dengan tinggi 25,4mm (1 inci), meskipun dimensi bervariasi berdasarkan standar.

Persiapan permukaan memerlukan wajah akhir yang sejajar dan tegak lurus terhadap sumbu spesimen, biasanya digiling hingga hasil akhir permukaan 0,8μm Ra atau lebih baik. Wajah akhir harus datar dalam 0,025mm dan sejajar dalam 0,025mm per 25mm.

Spesimen harus bebas dari cacat yang terlihat dan representatif dari material yang diuji. Untuk material anisotropik, orientasi spesimen relatif terhadap arah pemrosesan harus didokumentasikan.

Parameter Uji

Pengujian standar dilakukan pada suhu kamar (23±5°C) dan kondisi atmosfer normal. Untuk pengujian