Elongasi: Ukuran Duktilitas Kritis untuk Kinerja & Kualitas Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Elongasi adalah sifat mekanik dasar yang mengukur kemampuan material untuk mengalami deformasi plastis di bawah tegangan tarik sebelum terjadi patah. Ini mewakili persentase peningkatan panjang dari spesimen uji relatif terhadap panjang pengukur aslinya setelah ditarik hingga gagal dalam uji tarik.

Sifat ini berfungsi sebagai indikator kritis dari duktilitas material, yang sangat penting untuk proses manufaktur seperti pembentukan, penarikan, dan pembengkokan. Elongasi memberikan informasi berharga kepada insinyur tentang kapasitas baja untuk mengalami deformasi plastis tanpa patah, memungkinkan prediksi perilaku material selama fabrikasi dan kondisi layanan.

Dalam bidang metalurgi yang lebih luas, elongasi berdampingan dengan kekuatan luluh, kekuatan tarik, dan ketangguhan sebagai salah satu sifat mekanik inti yang digunakan untuk mengkarakterisasi dan mengklasifikasikan produk baja. Ini mewakili parameter kontrol kualitas kunci dalam produksi baja dan berfungsi sebagai persyaratan spesifikasi kontraktual untuk banyak kelas dan aplikasi baja.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, elongasi dihasilkan dari pergerakan dan perkalian dislokasi dalam kisi kristal baja. Ketika tegangan yang cukup diterapkan, cacat garis ini bergerak melalui struktur kristal, memungkinkan bidang atom untuk meluncur satu sama lain tanpa memutuskan ikatan atom sepenuhnya.

Kemampuan dislokasi untuk bergerak bebas melalui mikrostruktur menentukan sejauh mana elongasi yang mungkin. Dalam ferit kubik berpusat badan (BCC), dislokasi mengalami gesekan kisi yang lebih tinggi dibandingkan dengan austenit kubik berpusat wajah (FCC), yang sebagian menjelaskan mengapa baja tahan karat austenitik biasanya menunjukkan elongasi yang lebih besar dibandingkan dengan kelas feritik.

Batas butir, presipitat, dan fitur mikrostruktur lainnya bertindak sebagai penghalang bagi pergerakan dislokasi. Interaksi antara penghalang ini dan dislokasi menciptakan perilaku stres-regangan yang khas yang diamati selama pengujian tarik, yang secara langsung mempengaruhi nilai elongasi yang diukur.

Model Teoretis

Deformasi plastis yang menghasilkan elongasi terutama dijelaskan oleh teori dislokasi, yang pertama kali diusulkan oleh Taylor, Orowan, dan Polanyi pada tahun 1930-an. Teori ini menjelaskan bagaimana deformasi plastis terjadi melalui pergerakan dislokasi daripada dengan memutuskan semua ikatan atom secara bersamaan di seluruh bidang.

Dari segi sejarah, pemahaman tentang elongasi berkembang dari pengamatan empiris menjadi model matematis. Pekerjaan awal oleh Considère (1885) menetapkan kriteria untuk awal terjadinya necking, yang menandai transisi dari elongasi seragam menjadi lokal.

Pendekatan modern mencakup model plastisitas kristal yang menggabungkan efek orientasi butir dan analisis elemen hingga yang dapat memprediksi perilaku deformasi dalam geometri kompleks. Model yang bergantung pada laju seperti persamaan Johnson-Cook lebih lanjut memperluas kerangka ini untuk memperhitungkan efek laju regangan dan suhu pada elongasi.

Dasar Ilmu Material

Elongasi sangat terkait dengan struktur kristal, dengan logam kubik berpusat wajah (FCC) umumnya menunjukkan elongasi yang lebih tinggi dibandingkan dengan struktur kubik berpusat badan (BCC) atau kemasan rapat heksagonal (HCP) karena jumlah sistem slip yang tersedia lebih besar.

Batas butir secara signifikan mempengaruhi elongasi dengan bertindak sebagai penghalang bagi pergerakan dislokasi. Baja dengan butir halus biasanya menunjukkan kekuatan luluh yang lebih tinggi tetapi elongasi yang lebih rendah dibandingkan dengan varian butir kasar dari komposisi yang sama, menunjukkan trade-off klasik antara kekuatan dan duktilitas.

Prinsip dasar pengerasan kerja (strain hardening) menjelaskan mengapa elongasi menurun saat baja dikerjakan dingin. Ketika dislokasi terakumulasi dan berinteraksi selama deformasi, pergerakannya menjadi semakin terbatas, mengurangi kapasitas material untuk deformasi plastis lebih lanjut.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Persamaan dasar untuk elongasi adalah:

$$\varepsilon = \frac{L_f - L_0}{L_0} \times 100\%$$

Di mana:
- $\varepsilon$ adalah persentase elongasi
- $L_f$ adalah panjang pengukur akhir setelah patah
- $L_0$ adalah panjang pengukur asli sebelum pengujian

Formula Perhitungan Terkait

Strain teknik, yang terkait erat dengan elongasi, dihitung sebagai:

$$e = \frac{\Delta L}{L_0} = \frac{L - L_0}{L_0}$$

Strain sejati, yang memperhitungkan perubahan panjang instan, dinyatakan sebagai:

$$\varepsilon_{true} = \ln\left(\frac{L}{L_0}\right) = \ln(1 + e)$$

Untuk logam yang mematuhi model pengerasan hukum kekuatan, hubungan antara stres sejati dan strain sejati di daerah plastis dapat dinyatakan sebagai:

$$\sigma_{true} = K\varepsilon_{true}^n$$

Di mana $K$ adalah koefisien kekuatan dan $n$ adalah eksponen pengerasan regangan, yang berkorelasi dengan elongasi seragam melalui:

$$\varepsilon_{uniform} \approx n$$

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini mengasumsikan deformasi homogen di seluruh panjang pengukur, yang hanya berlaku hingga awal terjadinya necking. Setelah necking dimulai, deformasi menjadi terlokalisasi dan formula strain teknik sederhana tidak lagi secara akurat mewakili strain lokal.

Perhitungan mengasumsikan kondisi pemuatan kuasi-statis dan tidak langsung berlaku untuk deformasi dengan laju regangan tinggi tanpa modifikasi. Efek suhu juga tidak diperhitungkan dalam formula dasar ini.

Pengukuran elongasi standar mengasumsikan bahwa spesimen uji telah diproses dan disiapkan dengan benar sesuai dengan standar yang relevan, tanpa cacat yang sudah ada sebelumnya yang dapat menyebabkan kegagalan prematur.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM E8/E8M: Metode Uji Standar untuk Pengujian Tarik Material Logam (AS) - Mencakup prosedur rinci untuk melakukan uji tarik dan mengukur elongasi untuk berbagai geometri spesimen.

ISO 6892-1: Material logam - Pengujian tarik - Bagian 1: Metode uji pada suhu kamar - Menyediakan prosedur yang diakui secara internasional untuk menentukan elongasi dan sifat tarik lainnya.

EN 10002-1: Material logam - Pengujian tarik - Bagian 1: Metode uji pada suhu lingkungan - Standar Eropa dengan ruang lingkup yang mirip dengan ISO 6892-1.

JIS Z 2241: Metode uji tarik untuk material logam - Standar Jepang yang menentukan prosedur pengujian tarik termasuk pengukuran elongasi.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Mesin uji universal (UTM) adalah peralatan utama yang digunakan untuk pengukuran elongasi. Mesin ini menerapkan gaya tarik yang terkontrol pada spesimen sambil merekam data beban dan perpindahan.

Ekstensometer dipasang pada bagian pengukur spesimen uji untuk mengukur elongasi secara langsung selama pengujian. Sistem modern menggunakan ekstensometer kontak mekanis atau ekstensometer video non-kontak untuk pengukuran regangan yang tepat.

Prinsip dasar melibatkan penerapan gaya tarik uniaxial pada laju terkontrol hingga spesimen patah, sambil terus memantau beban yang diterapkan dan deformasi yang dihasilkan. Sistem akuisisi data digital merekam informasi ini untuk analisis selanjutnya.

Persyaratan Sampel

Spesimen tarik datar standar biasanya memiliki panjang pengukur 50mm atau 2 inci, dengan rasio lebar terhadap ketebalan yang dirancang untuk memastikan distribusi stres yang seragam. Spesimen bulat umumnya memiliki diameter pengukur 12,5mm atau 0,5 inci.

Persiapan permukaan memerlukan penghilangan tanda pemesinan, burr, atau ketidakteraturan permukaan lainnya yang dapat bertindak sebagai konsentrator stres. Spes