Stres Aliran: Parameter Kritis untuk Deformasi & Pemrosesan Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Stres aliran adalah nilai stres instan yang diperlukan untuk terus mendekati deformasi plastik suatu material pada regangan, laju regangan, dan suhu tertentu. Ini mewakili ketahanan suatu material terhadap deformasi plastik di bawah kondisi beban.

Stres aliran adalah parameter dasar dalam operasi pembentukan logam, yang secara langsung mempengaruhi kebutuhan gaya dan energi untuk proses seperti penggulungan, penempaan, ekstrusi, dan penarikan. Ini berfungsi sebagai input kritis untuk pemodelan dan simulasi proses di industri baja.

Dalam istilah metalurgi, stres aliran berada di persimpangan antara sifat mekanik dan parameter pemrosesan, menghubungkan karakteristik mikrostruktur dengan perilaku makroskopik selama deformasi. Ini berbeda dari kekuatan luluh dengan mempertimbangkan evolusi terus-menerus dari ketahanan material sepanjang proses deformasi, bukan hanya pada awal aliran plastik.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, stres aliran muncul melalui interaksi antara dislokasi dan berbagai hambatan dalam kisi kristal. Dislokasi adalah cacat garis dalam struktur kristalin yang memungkinkan deformasi plastik dengan memungkinkan bidang atom meluncur satu sama lain.

Seiring dengan kemajuan deformasi, dislokasi berlipat ganda dan berinteraksi dengan hambatan seperti batas butir, presipitat, atom pelarut, dan dislokasi lainnya. Interaksi ini meningkatkan ketahanan terhadap pergerakan dislokasi lebih lanjut, memerlukan stres yang lebih tinggi untuk mempertahankan aliran plastik.

Fenomena pengerasan regangan terjadi karena kerapatan dislokasi meningkat selama deformasi plastik, menciptakan jaringan yang lebih kompleks dari kusut dislokasi yang menghalangi pergerakan lebih lanjut. Pada suhu tinggi, proses pemulihan seperti pendakian dislokasi dan slip silang dapat secara bersamaan mengurangi stres aliran dengan memungkinkan dislokasi untuk melewati hambatan.

Model Teoretis

Model Johnson-Cook merupakan salah satu persamaan konstitutif yang paling banyak digunakan untuk stres aliran, memperhitungkan pengerasan regangan, sensitivitas laju regangan, dan efek pelunakan termal. Model empiris ini muncul pada tahun 1980-an dan telah menjadi standar industri untuk simulasi pembentukan logam.

Dasar teoretis sebelumnya termasuk persamaan Hollomon (1945), yang menggambarkan pengerasan regangan melalui hubungan hukum pangkat sederhana. Parameter Zener-Hollomon kemudian menggabungkan efek suhu melalui persamaan tipe Arrhenius.

Pendekatan modern mencakup model berbasis fisik seperti model Stres Ambang Mekanis dan formulasi plastisitas kristal yang memperhitungkan orientasi kristalografi dan mekanisme deformasi pada berbagai skala. Model-model ini menawarkan akurasi yang lebih baik tetapi memerlukan prosedur identifikasi parameter yang lebih kompleks.

Dasar Ilmu Material

Stres aliran secara langsung berkaitan dengan struktur kristal, dengan baja kubik berpusat tubuh (BCC) biasanya menunjukkan ketergantungan suhu dan laju regangan yang lebih kuat dibandingkan logam kubik berpusat wajah (FCC). Batas butir bertindak sebagai penghalang terhadap pergerakan dislokasi, berkontribusi pada stres aliran melalui hubungan Hall-Petch.

Mikrostruktur secara signifikan mempengaruhi stres aliran, dengan baja multi-fase menunjukkan perilaku kompleks karena karakteristik deformasi yang berbeda dari setiap fase. Ferrit biasanya menunjukkan stres aliran yang lebih rendah dibandingkan martensit atau bainit pada tingkat regangan yang sama.

Prinsip dasar seperti teori dislokasi, pengerasan kerja, pemulihan dinamis, dan rekristalisasi dinamis memberikan dasar teoretis untuk memahami perilaku stres aliran. Mekanisme ini beroperasi secara bersamaan selama deformasi, dengan kontribusi relatif mereka tergantung pada suhu, laju regangan, dan komposisi material.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Stres aliran ($\sigma_f$) umumnya dinyatakan sebagai fungsi dari regangan ($\varepsilon$), laju regangan ($\dot{\varepsilon}$), dan suhu ($T$):

$$\sigma_f = f(\varepsilon, \dot{\varepsilon}, T)$$

Untuk kondisi isothermal dengan laju regangan konstan, representasi yang paling sederhana adalah persamaan Hollomon:

$$\sigma_f = K\varepsilon^n$$

Di mana $K$ adalah koefisien kekuatan dan $n$ adalah eksponen pengerasan regangan.

Formula Perhitungan Terkait

Model Johnson-Cook menggabungkan pengerasan regangan, sensitivitas laju regangan, dan pelunakan termal:

$$\sigma_f = $$A + B\varepsilon^n$$$$1 + C\ln(\frac{\dot{\varepsilon}}{\dot{\varepsilon}_0})$$$$1 - (\frac{T-T_r}{T_m-T_r})^m$$$$

Di mana $A$ adalah stres luluh, $B$ dan $n$ adalah parameter pengerasan regangan, $C$ adalah koefisien sensitivitas laju regangan, $m$ adalah eksponen pelunakan termal, $T_r$ adalah suhu referensi, dan $T_m$ adalah suhu lebur.

Untuk deformasi panas, hukum sinus hiperbolik biasanya diterapkan:

$$\dot{\varepsilon} = A$$\sinh(\alpha\sigma_f)$$^n\exp(-\frac{Q}{RT})$$

Di mana $A$, $\alpha$, dan $n$ adalah konstanta material, $Q$ adalah energi aktivasi untuk deformasi, $R$ adalah konstanta gas, dan $T$ adalah suhu mutlak.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini umumnya berlaku untuk deformasi homogen di bawah keadaan stres uniaxial. Keterapan mereka berkurang dalam keadaan stres kompleks atau kondisi deformasi yang parah.

Model Johnson-Cook mengasumsikan bahwa efek pengerasan regangan, laju regangan, dan suhu bersifat independen dan multiplikatif, yang mungkin tidak secara akurat mewakili efek terikat dalam material atau kondisi pemrosesan tertentu.

Kebanyakan model mengasumsikan perilaku material isotropik dan mengabaikan evolusi mikrostruktur selama deformasi. Pada suhu tinggi dan laju regangan rendah, rekristalisasi dinamis dapat secara signifikan mengubah perilaku stres aliran dengan cara yang tidak ditangkap oleh model konstitutif sederhana.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM E8/E8M: Metode Uji Standar untuk Pengujian Tarik Material Logam, mencakup prosedur pengujian tarik pada suhu ruang.

ISO 6892-1: Material logam — Pengujian tarik — Bagian 1: Metode uji pada suhu ruang, menyediakan standar internasional untuk pengujian tarik.

ASTM E21: Metode Uji Standar untuk Pengujian Tarik Suhu Tinggi Material Logam, membahas protokol pengujian suhu tinggi.

ISO 6892-2: Material logam — Pengujian tarik — Bagian 2: Metode uji pada suhu tinggi, mencakup standar internasional untuk pengujian suhu tinggi.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Mesin uji universal yang dilengkapi dengan sel beban dan ekstensiometer biasanya digunakan untuk pengukuran stres aliran. Sistem ini menerapkan deformasi terkontrol sambil mengukur respons gaya yang dihasilkan.

Simulator termomekanik Gleeble memungkinkan kontrol suhu, regangan, dan laju regangan secara bersamaan, menjadikannya ideal untuk menghasilkan data stres aliran di bawah kondisi yang mewakili proses industri.

Peralatan khusus seperti penguji torsi dan batang tekanan split-Hopkinson memungkinkan pengukuran pada regangan dan laju regangan yang sangat tinggi, masing-masing. Sistem canggih dapat menggabungkan korelasi citra digital untuk pengukuran regangan bidang penuh.

Persyaratan Sampel

Spesimen tarik standar biasanya memiliki panjang gauge 50mm dan diameter 12.5mm, meskipun spesimen yang lebih kecil umum untuk pengujian khusus. Bagian gauge harus memiliki dimensi yang seragam untuk memastikan deformasi homogen.

Persiapan permukaan memerlukan penghilangan skala, dekarbonisasi, atau anomali permukaan lainnya yang dapat mempengaruhi hasil. Permukaan yang dikerjakan harus memiliki kekasaran rendah untuk mencegah kegagalan prematur akibat