Duktibilitas pada Baja: Properti Kritis untuk Pembentukan & Integritas Struktural

Definisi dan Konsep Dasar

Duktilitas adalah kemampuan suatu material untuk mengalami deformasi plastis yang signifikan sebelum patah atau retak, biasanya ditandai dengan kapasitas material untuk diregangkan, ditarik, atau dibengkokkan tanpa patah. Sifat mekanik ini sangat mendasar dalam ilmu material dan rekayasa karena menentukan bagaimana suatu material akan berperilaku di bawah stres tarik dan menunjukkan formabilitasnya untuk proses manufaktur.

Dalam metalurgi, duktilitas mewakili parameter kinerja kritis yang membedakan antara material yang cocok untuk operasi pembentukan versus yang lebih cocok untuk pengecoran atau metalurgi serbuk. Ini berfungsi sebagai lawan dari kerapuhan dan bekerja bersama dengan sifat kekuatan untuk mendefinisikan profil perilaku mekanik keseluruhan dari baja. Keseimbangan antara kekuatan dan duktilitas sering kali menjadi pertimbangan desain kunci dalam pemilihan material untuk aplikasi struktural.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, duktilitas muncul melalui pergerakan dislokasi dalam kisi kristal baja. Ketika stres diterapkan, cacat garis ini menyebar melalui struktur kristal, memungkinkan lapisan atom untuk meluncur satu sama lain tanpa sepenuhnya memutus ikatan atom.

Pergerakan dislokasi ini memungkinkan deformasi plastis melalui mekanisme slip di sepanjang bidang kristalografi yang diinginkan. Dalam baja, struktur kubik berpusat badan (BCC) dari ferit dan struktur kubik berpusat muka (FCC) dari austenit menyediakan sistem slip yang berbeda yang mempengaruhi duktilitas keseluruhan. Kemampuan dislokasi untuk berlipat ganda dan bergerak bebas menentukan sejauh mana deformasi plastis yang mungkin terjadi sebelum patah.

Model Teoretis

Model teoretis utama yang menggambarkan duktilitas adalah teori dislokasi, yang dikembangkan pada awal abad ke-20 oleh Taylor, Orowan, dan Polanyi. Teori ini menjelaskan bagaimana deformasi plastis terjadi melalui pergerakan dislokasi daripada melalui pemutusan semua ikatan atom secara bersamaan di seluruh bidang.

Secara historis, pemahaman tentang duktilitas berkembang dari pengamatan empiris menjadi model kuantitatif. Metalurgis awal mencatat hubungan antara perlakuan panas dan kelenturan tanpa memahami mekanisme yang mendasarinya. Pendekatan modern mencakup model plastisitas kristal yang menggabungkan efek orientasi butir dan teori plastisitas kontinu yang menggambarkan perilaku makroskopik.

Pendekatan teoretis yang bersaing termasuk model atomistik yang mensimulasikan pergerakan atom individu versus model kontinu yang memperlakukan material sebagai media kontinu dengan sifat rata-rata. Setiap pendekatan menawarkan wawasan yang berbeda tergantung pada skala yang diminati.

Dasar Ilmu Material

Duktilitas sangat berkorelasi dengan struktur kristal, dengan logam kubik berpusat muka (FCC) biasanya menunjukkan duktilitas yang lebih besar daripada struktur kubik berpusat badan (BCC) atau kemasan heksagonal rapat (HCP) karena jumlah sistem slip yang tersedia lebih banyak. Dalam baja, batas butir bertindak sebagai penghalang bagi pergerakan dislokasi, dengan material butir halus umumnya menunjukkan karakteristik duktilitas yang berbeda dibandingkan dengan varian butir kasar.

Mikrostruktur baja—termasuk distribusi fase, ukuran butir, dan kandungan inklusi—secara langsung mempengaruhi duktilitas. Fase feritik dan austenitik biasanya menunjukkan duktilitas yang lebih tinggi dibandingkan dengan struktur martensitik. Pearlite, dengan struktur lamel ferit dan semenit, menunjukkan duktilitas menengah.

Sifat ini terhubung dengan prinsip dasar ilmu material termasuk Hukum Schmid, yang memprediksi tegangan geser yang teratasi kritis yang diperlukan untuk memulai slip, dan hubungan Hall-Petch, yang menggambarkan bagaimana ukuran butir mempengaruhi kekuatan luluh dan, dengan demikian, awal deformasi plastis.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Rumus Definisi Dasar

Duktilitas biasanya dinyatakan sebagai persentase perpanjangan atau persentase pengurangan area:

Persentase Perpanjangan: $\epsilon = \frac{L_f - L_0}{L_0} \times 100\%$

Di mana:
- $\epsilon$ adalah persentase perpanjangan
- $L_0$ adalah panjang gauge asli
- $L_f$ adalah panjang gauge akhir pada saat patah

Rumus Perhitungan Terkait

Persentase Pengurangan Area: $RA = \frac{A_0 - A_f}{A_0} \times 100\%$

Di mana:
- $RA$ adalah persentase pengurangan area
- $A_0$ adalah area penampang asli
- $A_f$ adalah area penampang akhir pada titik patah

Perpanjangan seragam dapat dihitung sebagai: $\epsilon_u = \ln\left(\frac{A_0}{A_u}\right)$

Di mana:
- $\epsilon_u$ adalah perpanjangan seragam
- $A_u$ adalah area penampang pada beban maksimum

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Rumus ini berlaku di bawah kondisi pemuatan tarik uniaxial dan mengasumsikan deformasi homogen dalam panjang gauge. Mereka berlaku untuk geometri spesimen standar seperti yang ditentukan dalam standar pengujian.

Perhitungan mengasumsikan kondisi isotermal dan laju regangan dalam parameter pengujian standar. Pada suhu tinggi atau laju regangan tinggi, faktor tambahan harus dipertimbangkan, termasuk sensitivitas laju regangan dan efek pelunakan termal.

Model matematis ini mengasumsikan material kontinu tanpa cacat yang sudah ada sebelumnya yang signifikan. Inklusi besar, rongga, atau retakan dapat membatalkan asumsi deformasi seragam yang mendasari rumus ini.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

• ASTM E8/E8M: Metode Uji Standar untuk Pengujian Tarik Material Logam (mencakup prosedur pengujian tarik suhu ruang untuk menentukan perpanjangan dan pengurangan area)
• ISO 6892-1: Material logam — Pengujian tarik — Bagian 1: Metode uji pada suhu ruang
• ASTM A370: Metode Uji dan Definisi Standar untuk Pengujian Mekanik Produk Baja
• ISO 2566: Baja — Konversi nilai perpanjangan (memberikan metode untuk mengonversi nilai perpanjangan antara panjang gauge yang berbeda)

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Mesin pengujian universal (UTM) dengan kapasitas beban berkisar antara 5 kN hingga 1000 kN umumnya digunakan untuk pengujian tarik. Mesin ini menerapkan gaya tarik yang terkontrol sambil mengukur beban dan perpindahan secara bersamaan.

Prinsip dasar melibatkan penerapan stres tarik uniaxial pada laju yang terkontrol hingga spesimen patah. Ekstensometer atau gauge regangan mengukur perpanjangan selama pengujian, dengan sistem modern sering kali menggabungkan korelasi citra digital (DIC) untuk pemetaan regangan bidang penuh.

Karakterisasi lanjutan dapat menggunakan tahap tarik SEM in-situ untuk mengamati perubahan mikrostruktur selama deformasi atau difraksi sinar-X sinkrotron untuk melacak perubahan kristalografi selama regangan.

Persyaratan Sampel

Spesimen tarik standar biasanya memiliki bagian gauge yang diperkecil dengan dimensi yang ditentukan oleh standar pengujian. Spesimen bulat umumnya memiliki diameter gauge 6-12,5 mm, sementara spesimen datar memiliki rasio lebar terhadap ketebalan yang distandarisasi.

Persiapan permukaan memerlukan penghilangan bekas pemesinan, penghalusan tepi, dan kadang-kadang pemolesan untuk menghilangkan konsentrasi stres. Kekasaran permukaan biasanya harus Ra ≤ 0,8 μm di bagian gauge.

Spesimen harus bebas dari stres sisa yang dapat mempengaruhi hasil, sering kali memerlukan perlakuan panas penghilang stres setelah pemesinan. Tanda identifikasi harus ditempatkan di luar panjang gauge untuk menghindari mempengaruhi perilaku deformasi.

Parameter Uji

Pengujian standar biasanya dilakukan pada suhu ruang (23 ±