Elongasi Setelah Patah: Indikator Duktilitas Kunci dalam Kinerja Baja
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Definisi dan Konsep Dasar
Peregangan Setelah Patah adalah sifat mekanik dasar yang mengukur duktilitas suatu material dengan mengukur deformasi plastis permanen pada saat kegagalan, dinyatakan sebagai persentase dari panjang pengukur asli. Ini menggambarkan kemampuan suatu material untuk mengalami deformasi plastis sebelum terjadinya keretakan selama pengujian tarik. Sifat ini menunjukkan seberapa banyak suatu material dapat meregang sebelum patah, berfungsi sebagai parameter kritis untuk mengevaluasi kemampuan pembentukan dan memprediksi perilaku selama proses manufaktur.
Dalam konteks yang lebih luas dari metalurgi, Peregangan Setelah Patah berdiri sebagai salah satu sifat tarik kunci di samping kekuatan luluh, kekuatan tarik, dan pengurangan area. Ini memberikan informasi penting tentang kapasitas suatu material untuk mendistribusikan regangan dan menyerap energi sebelum kegagalan, menjadikannya sangat penting untuk pemilihan material dalam aplikasi yang memerlukan deformasi plastis tanpa patah.
Sifat Fisik dan Dasar Teoretis
Mekanisme Fisik
Di tingkat mikrostruktur, Peregangan Setelah Patah terwujud melalui pergerakan dan interaksi dislokasi dalam kisi kristal baja. Ketika stres diterapkan, cacat linier ini bergerak melalui struktur kristal, memungkinkan atom untuk meluncur satu sama lain tanpa memutus ikatan atom. Pergerakan dislokasi ini memungkinkan deformasi plastis terjadi sambil mempertahankan integritas struktural material.
Kapasitas untuk peregangan tergantung pada seberapa bebas dislokasi dapat bergerak melalui mikrostruktur. Dalam baja, faktor-faktor seperti atom larutan padat, presipitat, batas butir, dan fitur mikrostruktur lainnya bertindak sebagai penghalang bagi pergerakan dislokasi. Keseimbangan antara pembangkitan dislokasi dan penghalangan menentukan kemampuan peregangan akhir.
Model Teoretis
Kerangka teoretis utama untuk memahami Peregangan Setelah Patah berakar pada teori dislokasi, yang pertama kali diusulkan secara independen oleh Taylor, Orowan, dan Polanyi pada tahun 1930-an. Teori ini menjelaskan bagaimana deformasi plastis terjadi melalui pergerakan dislokasi daripada pergeseran simultan seluruh bidang atom.
Secara historis, pemahaman tentang peregangan berkembang dari pengamatan empiris menjadi model canggih yang menggabungkan plastisitas kristal. Karya awal oleh Considère pada tahun 1880-an menetapkan hubungan matematis antara stres dan regangan selama penipisan, memberikan dasar untuk analisis modern.
Pendekatan modern termasuk model pengerasan regangan seperti persamaan Hollomon ($\sigma = K\varepsilon^n$), di mana eksponen pengerasan regangan (n) berkorelasi langsung dengan kemampuan peregangan. Model Kocks-Mecking lebih lanjut menyempurnakan pemahaman ini dengan menggabungkan evolusi kepadatan dislokasi selama deformasi.
Dasar Ilmu Material
Peregangan Setelah Patah sangat terkait dengan struktur kristal, dengan logam kubik berpusat muka (FCC) biasanya menunjukkan peregangan yang lebih besar dibandingkan dengan struktur kubik berpusat badan (BCC) karena lebih banyak sistem slip yang tersedia. Batas butir memainkan peran ganda—mereka memperkuat material dengan menghalangi pergerakan dislokasi tetapi juga dapat berfungsi sebagai lokasi pembentukan rongga selama deformasi yang luas.
Mikrostruktur baja sangat mempengaruhi sifat peregangan. Struktur butir halus umumnya memberikan kombinasi kekuatan dan duktilitas yang lebih baik dibandingkan dengan rekan-rekan butir kasar. Komposisi fase juga sangat penting—ferit berkontribusi pada duktilitas sementara semenit dan martensit biasanya mengurangi peregangan.
Sifat ini mencerminkan prinsip dasar ilmu material tentang hubungan struktur-sifat, di mana susunan atom dan struktur cacat secara langsung menentukan perilaku mekanik makroskopis. Keseimbangan antara kekuatan dan duktilitas merupakan salah satu tantangan utama dalam rekayasa material.
Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan
Formula Definisi Dasar
Persamaan dasar untuk Peregangan Setelah Patah adalah:
$$\varepsilon = \frac{L_f - L_0}{L_0} \times 100\%$$
Di mana:
- $\varepsilon$ adalah persentase peregangan setelah patah
- $L_f$ adalah panjang pengukur akhir setelah patah
- $L_0$ adalah panjang pengukur asli sebelum pengujian
Formula Perhitungan Terkait
Untuk spesimen non-proporsional, hukum Barba memberikan hubungan antara peregangan dan panjang pengukur:
$$\varepsilon_1 = \varepsilon_2 \times \sqrt{\frac{L_2}{L_1}}$$
Di mana:
- $\varepsilon_1$ adalah peregangan pada panjang pengukur $L_1$
- $\varepsilon_2$ adalah peregangan pada panjang pengukur $L_2$
Peregangan seragam (sebelum penipisan dimulai) dapat dihitung sebagai:
$$\varepsilon_u = \frac{L_u - L_0}{L_0} \times 100\%$$
Di mana $L_u$ adalah panjang pengukur pada beban maksimum sebelum penipisan dimulai.
Kondisi dan Batasan yang Berlaku
Formula ini mengasumsikan deformasi homogen dalam panjang pengukur, yang menjadi tidak valid setelah penipisan dimulai. Perhitungan hanya valid untuk pengujian yang dilakukan dalam kondisi quasi-statis pada laju regangan konstan.
Pengukuran peregangan standar sangat bergantung pada geometri spesimen, khususnya rasio panjang pengukur terhadap area penampang. Hasil dari geometri spesimen yang berbeda tidak dapat dibandingkan secara langsung tanpa faktor konversi yang sesuai.
Formula ini mengasumsikan sifat material isotropik, yang mungkin tidak berlaku untuk baja yang diproses secara berat dengan tekstur atau sifat arah yang signifikan. Efek suhu tidak diperhitungkan dalam formula dasar ini, memerlukan koreksi tambahan untuk kondisi pengujian non-ambient.
Metode Pengukuran dan Karakterisasi
Spesifikasi Pengujian Standar
- ASTM E8/E8M: Metode Uji Standar untuk Pengujian Tarik Material Logam (mencakup persiapan spesimen, prosedur pengujian, dan metode perhitungan untuk berbagai logam termasuk baja)
- ISO 6892-1: Material logam — Pengujian tarik — Bagian 1: Metode uji pada suhu ruang (memberikan pedoman komprehensif untuk pengujian tarik termasuk pengukuran peregangan)
- EN 10002-1: Material logam - Pengujian tarik - Bagian 1: Metode uji pada suhu ambient (standar Eropa dengan ruang lingkup serupa dengan ISO 6892-1)
- JIS Z 2241: Metode uji tarik untuk material logam (standar Jepang yang menetapkan prosedur pengujian tarik)
Peralatan dan Prinsip Pengujian
Mesin pengujian universal (UTM) adalah peralatan utama untuk mengukur Peregangan Setelah Patah. Mesin ini menerapkan gaya tarik yang terkontrol sambil merekam data beban dan perpindahan. Sistem modern menggabungkan sel beban untuk pengukuran gaya dan ekstensi untuk penentuan regangan yang tepat.
Prinsip dasar melibatkan penerapan tegangan uniaxial pada laju yang terkontrol hingga terjadinya patah spesimen. Sepanjang pengujian, gaya yang diterapkan dan peregangan yang sesuai terus-menerus dicatat untuk menghasilkan kurva stres-regangan.
Teknik pengukuran canggih termasuk sistem korelasi citra digital (DIC) yang melacak pola permukaan untuk mengukur distribusi regangan di seluruh bidang, dan ekstensi laser yang memberikan pengukuran tanpa kontak untuk pengujian di ruang lingkungan.
Persyaratan Sampel
Spesimen tarik datar standar biasanya memiliki panjang pengukur 50mm dengan penampang persegi panjang, sementara spesimen bulat sering menggunakan panjang pengukur 50mm dengan diameter antara 6-12.5mm. Rasio antara panjang pengukur dan area penampang harus sesuai dengan spesifikasi standar.
Persiapan permukaan memerlukan penghilangan bekas pemesinan, burr, dan cacat lain yang dapat bertindak sebagai konsentrator stres. Spesimen harus bebas dari stres residual yang dapat mempengaruhi akurasi pengukuran.
Tanda panjang pengukur harus