Temper Ekstra Keras: Kekerasan Maksimum untuk Aplikasi Baja Kekuatan Tinggi

Definisi dan Konsep Dasar

Extra Hard Temper mengacu pada kondisi tertentu dari strip atau lembaran baja yang telah dilalui proses penggulungan dingin secara ekstensif untuk mencapai kekerasan maksimum, kekuatan luluh, dan kekuatan tarik. Kondisi ini mewakili tingkat pengerasan kerja tertinggi yang biasanya diterapkan pada produk baja yang digulung datar dalam praktik komersial.

Extra Hard Temper ditandai dengan ductility minimal dan sifat pemulihan maksimum, menjadikannya cocok untuk aplikasi yang memerlukan kekuatan tinggi dan pemulihan elastis yang sangat baik. Dalam hierarki penunjukan temper untuk baja yang digulung dingin, ia berada di ujung ekstrem spektrum kekerasan, di luar Full Hard Temper.

Dalam sistem klasifikasi metalurgi, Extra Hard Temper diposisikan sebagai keadaan akhir dari pengerasan regangan yang dapat dicapai melalui pengerjaan dingin tanpa annealing perantara. Ini mewakili titik keseimbangan kritis di mana kekuatan maksimum dicapai sambil tetap mempertahankan kelayakan kerja yang cukup untuk operasi pembentukan terbatas.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, Extra Hard Temper dihasilkan dari deformasi plastis yang parah yang memperkenalkan kepadatan dislokasi yang tinggi dalam kisi kristal. Dislokasi ini saling berinteraksi dan terjerat, menciptakan penghalang untuk pergerakan dislokasi lebih lanjut.

Proses penggulungan dingin meratakan dan memperpanjang butir, menciptakan mikrostruktur yang sangat terarah dengan tekstur kristal yang signifikan. Deformasi ini menyebabkan energi regangan disimpan dalam kisi, terutama dalam bentuk dislokasi dan cacat kristal lainnya.

Pengerasan kerja yang ekstrem menciptakan kondisi di mana kekuatan luluh material mendekati kekuatan tarik ultimatumnya, menghasilkan kemampuan deformasi plastis yang minimal sebelum patah terjadi.

Model Teoretis

Model teoretis utama yang menggambarkan Extra Hard Temper adalah teori dislokasi dari pengerasan kerja, yang mengaitkan peningkatan kekuatan dengan kepadatan dislokasi melalui hubungan Taylor: $\tau = \tau_0 + \alpha G b \sqrt{\rho}$.

Pemahaman historis berkembang dari pengamatan empiris pada awal abad ke-20 hingga model berbasis dislokasi kuantitatif yang dikembangkan oleh Taylor, Orowan, dan lainnya pada tahun 1930-an hingga 1950-an. Pendekatan modern menggabungkan plastisitas kristal dan evolusi tekstur.

Model kontemporer mencakup teori plastisitas gradien regangan, yang memperhitungkan efek ukuran, dan pendekatan komputasional yang mensimulasikan dinamika dislokasi selama deformasi plastis yang parah.

Dasar Ilmu Material

Extra Hard Temper secara fundamental mengubah struktur kristal dengan memperkenalkan distorsi kisi dan menciptakan orientasi kristal yang diutamakan. Batas butir menjadi memanjang dan sejajar dengan arah penggulungan.

Mikrostruktur biasanya menunjukkan butir berbentuk pancake dengan rasio aspek yang tinggi dan regangan internal yang signifikan. Deformasi yang parah menciptakan kepadatan tinggi batas butir sudut rendah dan struktur sel dislokasi.

Kondisi ini menggambarkan prinsip pengerasan regangan, di mana sifat mekanik dimanipulasi melalui deformasi plastis yang terkontrol daripada melalui modifikasi komposisi kimia atau perlakuan panas.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Derajat pengerjaan dingin pada Extra Hard Temper diukur dengan persentase pengurangan ketebalan:

$$R = \left(\frac{t_0 - t_f}{t_0}\right) \times 100\%$$

Di mana:
- $R$ adalah persentase pengurangan
- $t_0$ adalah ketebalan awal sebelum penggulungan dingin
- $t_f$ adalah ketebalan akhir setelah penggulungan dingin

Formula Perhitungan Terkait

Hubungan antara kekerasan dan pengurangan pengerjaan dingin dapat diperkirakan dengan:

$$H = H_0 + K \cdot \ln\left(\frac{1}{1-R/100}\right)$$

Di mana:
- $H$ adalah kekerasan akhir
- $H_0$ adalah kekerasan awal sebelum pengerjaan dingin
- $K$ adalah konstanta spesifik material
- $R$ adalah persentase pengurangan

Peningkatan kekuatan luluh akibat pengerasan kerja mengikuti:

$$\sigma_y = \sigma_0 + C \cdot \varepsilon^n$$

Di mana:
- $\sigma_y$ adalah kekuatan luluh setelah pengerjaan dingin
- $\sigma_0$ adalah kekuatan luluh awal
- $\varepsilon$ adalah regangan sejati
- $C$ dan $n$ adalah konstanta material

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini umumnya berlaku untuk pengurangan dingin antara 60% dan 90%, yang merupakan rentang tipikal untuk baja Extra Hard Temper.

Model-model ini mengasumsikan deformasi seragam di seluruh ketebalan material, yang mungkin tidak akurat untuk ukuran yang sangat tipis atau saat menggunakan peralatan penggulungan yang aus.

Hubungan ini menjadi non-linear pada pengurangan ekstrem, dan faktor tambahan seperti laju regangan, kenaikan suhu selama penggulungan, dan riwayat pemrosesan sebelumnya harus dipertimbangkan untuk prediksi yang tepat.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM A109/A109M: Spesifikasi Standar untuk Baja, Strip, Karbon (0,25 Persen Maksimum), Dingin-Gulung, yang mendefinisikan penunjukan temper termasuk Extra Hard.

ASTM E8/E8M: Metode Uji Standar untuk Pengujian Tarik Material Logam, digunakan untuk menentukan sifat tarik dari baja Extra Hard Temper.

ISO 6892-1: Material logam — Pengujian tarik — Bagian 1: Metode uji pada suhu kamar, memberikan standar internasional untuk pengukuran sifat tarik.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Mesin pengujian universal dengan sel beban yang sesuai (biasanya kapasitas 50-250 kN) digunakan untuk pengujian tarik baja Extra Hard Temper.

Penguji kekerasan, khususnya penguji kekerasan Rockwell (skala B atau C) atau penguji mikrohardness Vickers, memberikan penilaian cepat terhadap kondisi temper.

Peralatan pengujian pemulihan khusus dapat digunakan untuk mengukur sifat pemulihan elastis, yang sangat penting untuk aplikasi Extra Hard Temper.

Persyaratan Sampel

Sampel tarik standar mengikuti dimensi ASTM E8/E8M, biasanya menggunakan sampel tipe lembaran dengan panjang gauge 50 mm dan lebar 12,5 mm.

Persiapan permukaan harus memastikan bebas dari goresan, burr, atau cacat lain yang dapat bertindak sebagai konsentrator stres selama pengujian.

Sampel harus dipotong dengan sumbu panjangnya sejajar dengan arah penggulungan untuk mendapatkan sifat yang representatif, karena material Extra Hard Temper menunjukkan anisotropi yang signifikan.

Parameter Uji

Pengujian biasanya dilakukan pada suhu kamar (23 ± 5°C) dan atmosfer laboratorium standar.

Pengujian tarik menggunakan laju regangan antara 0,001 dan 0,008 per detik di daerah elastis, dengan laju yang mungkin lebih tinggi setelah luluh.

Pengujian kekerasan memerlukan dukungan yang kuat dari material tipis untuk mencegah defleksi selama penetrasi, dengan persyaratan ketebalan minimum berdasarkan skala kekerasan spesifik yang digunakan.

Pengolahan Data

Data beban-pergeseran dari pengujian tarik diubah menjadi kurva stres-regangan, dari mana kekuatan luluh, kekuatan tarik, dan perpanjangan ditentukan.

Analisis statistik biasanya mencakup perhitungan nilai rata-rata dan deviasi standar dari beberapa sampel (minimum tiga).

Untuk tujuan kontrol kualitas, pengukuran kekerasan sering dilakukan di beberapa lokasi di seluruh lebar dan panjang material untuk memverifikasi keseragaman kondisi Extra Hard Temper.

Rentang Nilai Tipikal