Creep pada Baja: Deformasi Tergantung Waktu pada Suhu Tinggi

Definisi dan Konsep Dasar

Creep adalah deformasi permanen yang bergantung pada waktu dari suatu material di bawah stres mekanis konstan, yang biasanya terjadi pada suhu tinggi relatif terhadap titik lebur material. Fenomena ini muncul sebagai deformasi plastik yang bertahap yang terus berlanjut meskipun stres yang diterapkan tetap di bawah kekuatan luluh material.

Dalam ilmu material dan teknik, creep adalah pertimbangan kritis untuk komponen yang beroperasi pada suhu tinggi untuk jangka waktu yang lama. Sifat ini secara fundamental membatasi umur layanan komponen dalam aplikasi suhu tinggi, menjadikannya penting untuk memprediksi integritas struktural jangka panjang.

Dalam metalurgi, creep mewakili subset perilaku mekanis yang khusus yang menghubungkan teori deformasi elastis-plastik dengan fenomena yang bergantung pada waktu. Berbeda dengan respons deformasi instan, creep melibatkan proses evolusi mikrostruktur yang kompleks yang terjadi selama jangka waktu yang panjang, menjadikannya sangat relevan untuk industri pembangkit listrik, dirgantara, dan petrokimia.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, creep terjadi melalui pergerakan dislokasi yang diaktifkan secara termal dan difusi atom dalam kisi kristal. Pergerakan ini memungkinkan material untuk secara bertahap mengalami deformasi di bawah stres yang tidak cukup untuk menyebabkan deformasi plastik pada suhu yang lebih rendah.

Pada baja, creep biasanya melibatkan beberapa mekanisme yang berlangsung bersamaan: gesekan dan pendakian dislokasi, gesekan batas butir, dan aliran difusional atom. Mekanisme dominan tergantung pada suhu, tingkat stres, dan mikrostruktur, dengan proses yang dikendalikan difusi menjadi semakin penting pada suhu yang lebih tinggi.

Difusi kekosongan memainkan peran penting, terutama di batas butir di mana atom dapat lebih mudah berpindah. Difusi ini menciptakan dan menghilangkan kekosongan, memungkinkan butir untuk memanjang ke arah stres yang diterapkan sambil mempertahankan kohesi di batasnya.

Model Teoretis

Kerangka teoretis utama untuk creep adalah model creep hukum daya, yang dinyatakan sebagai persamaan Norton-Bailey, yang menghubungkan laju regangan dengan stres yang diterapkan dan suhu. Model ini muncul dari pengamatan empiris pada awal abad ke-20, dengan kontribusi signifikan dari peneliti seperti Norton, Bailey, dan Andrade.

Pemahaman historis berkembang dari hubungan empiris sederhana menjadi model berbasis mekanisme. Karya awal oleh Nabarro dan Herring pada tahun 1950-an menetapkan dasar untuk teori creep difusional, sementara kontribusi selanjutnya oleh Coble memperhalus pemahaman tentang efek batas butir.

Pendekatan alternatif termasuk hubungan Monkman-Grant yang menghubungkan laju creep dengan waktu patah, dan metode parameter Larson-Miller untuk ekstrapolasi waktu-suhu. Model-model terbaru menggabungkan evolusi mikrostruktur yang terperinci, termasuk pembesaran presipitat dan transformasi fase selama paparan jangka panjang.

Dasar Ilmu Material

Perilaku creep sangat berkorelasi dengan struktur kristal, dengan baja kubik berpusat badan (BCC) umumnya menunjukkan ketahanan creep yang lebih baik dibandingkan dengan struktur kubik berpusat wajah (FCC) pada suhu sedang. Batas butir secara signifikan mempengaruhi creep, sering kali berfungsi sebagai sumber dan penampung kekosongan.

Stabilitas mikrostruktur pada suhu tinggi secara langsung mempengaruhi ketahanan creep. Dispersi halus dari presipitat yang stabil dapat secara efektif menjepit dislokasi dan batas butir, mengurangi laju creep. Sebaliknya, presipitat kasar atau tidak stabil dapat mempercepat creep melalui mekanisme deformasi lokal.

Secara fundamental, creep mewakili persaingan antara mekanisme pengerasan kerja dan proses pemulihan. Keseimbangan ini mengikuti prinsip termodinamika yang mengatur minimisasi energi dalam material kristalin yang tertekan, dengan suhu memberikan energi aktivasi yang diperlukan untuk mobilitas atom.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Laju creep keadaan mantap (creep sekunder) biasanya dinyatakan menggunakan hukum daya Norton:

$$\dot{\varepsilon} = A\sigma^n e^{-Q/RT}$$

Di mana $\dot{\varepsilon}$ adalah laju regangan creep, $\sigma$ adalah stres yang diterapkan, $A$ adalah konstanta material, $n$ adalah eksponen stres, $Q$ adalah energi aktivasi untuk creep, $R$ adalah konstanta gas universal, dan $T$ adalah suhu absolut.

Formula Perhitungan Terkait

Hubungan Monkman-Grant menghubungkan laju creep minimum dengan waktu patah:

$$\dot{\varepsilon}_{min} \cdot t_r = C$$

Di mana $\dot{\varepsilon}_{min}$ adalah laju creep minimum, $t_r$ adalah waktu untuk patah, dan $C$ adalah konstanta Monkman-Grant.

Parameter Larson-Miller (LMP) memungkinkan ekstrapolasi waktu-suhu:

$$LMP = T(C + \log t_r) \times 10^{-3}$$

Di mana $T$ adalah suhu dalam Kelvin, $t_r$ adalah waktu untuk patah dalam jam, dan $C$ adalah konstanta material (biasanya 20 untuk baja). Formula ini memungkinkan insinyur untuk memprediksi perilaku jangka panjang dari pengujian durasi lebih pendek pada suhu yang lebih tinggi.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Model-model ini umumnya valid ketika suhu melebihi sekitar 0.3-0.4 dari suhu lebur absolut material. Di bawah ambang ini, model plastisitas konvensional biasanya memberikan prediksi yang lebih akurat.

Hukum daya mengalami keruntuhan pada stres yang sangat tinggi (daerah keruntuhan hukum daya), di mana eksponen stres meningkat secara dramatis. Demikian pula, pada stres yang sangat rendah, mekanisme creep difusional mendominasi, mengubah ketergantungan stres.

Formulasi ini mengasumsikan kondisi keadaan mantap dan mikrostruktur homogen. Mereka tidak memperhitungkan evolusi mikrostruktur selama layanan, seperti pembesaran presipitat atau transformasi fase, yang dapat secara signifikan mengubah perilaku creep selama periode yang panjang.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM E139: Metode Uji Standar untuk Melakukan Pengujian Creep, Creep-Rupture, dan Stress-Rupture pada Material Logam. Standar komprehensif ini mencakup prosedur untuk menentukan karakteristik creep dan creep-rupture.

ISO 204: Material logam — Pengujian creep uniaxial dalam ketegangan — Metode pengujian. Standar ini menetapkan metode untuk menentukan deformasi creep di bawah beban konstan dan kondisi suhu konstan.

ASTM E1457: Metode Uji Standar untuk Pengukuran Waktu Pertumbuhan Retak Creep pada Logam. Standar ini membahas pengujian pertumbuhan retak creep untuk penilaian mekanika patah.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Pengujian creep biasanya menggunakan mesin lengan tuas yang mempertahankan beban konstan melalui sistem berat mati. Mesin ini dilengkapi dengan ekstensi presisi yang mampu mengukur deformasi sekecil 1 mikron selama periode yang panjang.

Sistem modern sering kali menggabungkan ruang lingkungan untuk kontrol suhu dalam ±2°C dan sistem akuisisi data komputer untuk pemantauan regangan terus-menerus. Prinsip dasar melibatkan penerapan beban konstan sambil mengukur perpanjangan secara tepat seiring waktu.

Karakterisasi lanjutan dapat menggunakan pengujian creep impresi untuk sampel kecil atau spesimen miniatur, dan peralatan khusus untuk pengujian creep multiaxial di bawah keadaan stres yang kompleks.

Persyaratan Sampel

Sampel creep standar biasanya berbentuk silinder dengan ujung berulir, memiliki panjang gauge 25-50mm dan diameter 6-10mm. Rasio panjang gauge terhadap diameter distandarisasi untuk memastikan distribusi stres yang seragam.

Persiapan permukaan memerlukan pemolesan halus untuk menghilangkan bekas pemesinan dan cacat permukaan yang dapat memicu kegagalan prematur. Toleransi dimensi biasanya dijaga pada ±0.01mm untuk memastikan perhitungan stres yang akurat.

Spesimen harus bebas dari stres residual yang dapat mempengaruhi perilaku creep, sering kali memerlukan perlakuan panas penghilang stres sebelum peng