Baja Dingin Rolled Keras Penuh: Kekerasan Maksimum untuk Aplikasi Industri

Definisi dan Konsep Dasar

Full Hard Cold Rolled mengacu pada lembaran atau strip baja yang telah digulung dingin dan dikurangi hingga ketebalan akhirnya tanpa proses annealing selanjutnya, yang menghasilkan kekerasan dan kekuatan maksimum yang dapat dicapai melalui pengerjaan dingin. Material ini mewakili kondisi kekuatan tertinggi yang dapat dicapai hanya melalui proses penggulungan dingin, biasanya dengan pengurangan ketebalan sekitar 60-80% dari material awal yang digulung panas.

Baja Full Hard Cold Rolled dicirikan oleh kekuatan tarik dan kekuatan luluh yang tinggi, ductility yang berkurang, dan kekerasan yang meningkat dibandingkan dengan varian yang telah di-anneal. Ini berfungsi sebagai produk akhir untuk aplikasi yang memerlukan kekuatan tinggi dan sebagai produk antara untuk pemrosesan lebih lanjut seperti temper rolling atau annealing.

Dalam istilah metalurgi, baja Full Hard Cold Rolled mewakili material pada pengerasan kerja maksimum, di mana mikrostruktur mengandung butir yang sangat terdeformasi dengan kepadatan dislokasi yang signifikan. Kondisi ini menempatkannya di ujung ekstrem spektrum kekuatan-ductility dalam produk baja yang digulung dingin, menjadikannya sebagai tolok ukur untuk memahami mekanisme pengerasan regangan dalam metalurgi ferrous.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, baja Full Hard Cold Rolled memperoleh sifatnya dari deformasi plastis yang parah selama penggulungan dingin. Proses penggulungan menciptakan kepadatan dislokasi yang tinggi dalam struktur kristal, dengan dislokasi yang saling terjerat dan menghambat pergerakan dislokasi lainnya.

Interaksi dislokasi ini menciptakan efek penguatan yang dikenal sebagai pengerasan kerja atau pengerasan regangan. Struktur butir menjadi memanjang dalam arah penggulungan, dan butir yang awalnya ekuiaxial berubah menjadi struktur berserat. Tekstur kristalografi berkembang saat butir berputar menuju orientasi yang diinginkan selama deformasi, yang lebih mempengaruhi sifat mekanik.

Deformasi yang parah juga memperkenalkan tegangan sisa di seluruh material, yang berkontribusi pada kekerasan dan kekuatan keseluruhan sambil mengurangi ductility dengan membatasi kemampuan material untuk mengalami deformasi plastis lebih lanjut.

Model Teoretis

Model teoretis utama yang menggambarkan pengerasan kerja pada baja Full Hard Cold Rolled adalah teori dislokasi dari deformasi plastis. Model ini mengaitkan peningkatan kekuatan dengan kepadatan dislokasi melalui hubungan Taylor: $\tau = \tau_0 + \alpha G b \sqrt{\rho}$, di mana τ adalah tegangan geser, τ₀ adalah tegangan luluh awal, G adalah modulus geser, b adalah vektor Burgers, ρ adalah kepadatan dislokasi, dan α adalah konstanta.

Secara historis, pemahaman tentang pengerasan kerja berkembang dari pengamatan empiris pada awal abad ke-20 hingga teori berbasis dislokasi yang canggih pada tahun 1950-an. Karya perintis G.I. Taylor menetapkan hubungan antara dislokasi dan pengerasan regangan, sementara peneliti selanjutnya seperti Cottrell dan Nabarro menyempurnakan model-model ini.

Pendekatan modern mencakup model plastisitas kristal yang menggabungkan evolusi tekstur dan interaksi antar butir, serta model mekanika kontinuum yang memprediksi perilaku makroskopik berdasarkan evolusi mikrostruktur selama deformasi.

Dasar Ilmu Material

Baja Full Hard Cold Rolled menunjukkan struktur kristal kubik berpusat badan (BCC) yang khas dari baja ferritik, dengan distorsi kisi yang parah akibat pengerjaan dingin. Batas butir menjadi memanjang dan kurang jelas, dengan konsentrasi dislokasi yang tinggi di batas-batas ini.

Mikrostruktur menunjukkan anisotropi yang signifikan, dengan sifat yang bervariasi antara arah penggulungan, transversal, dan normal. Ketergantungan arah ini dihasilkan dari perkembangan orientasi kristalografi yang diinginkan (tekstur) selama penggulungan.

Perubahan sifat pada baja Full Hard Cold Rolled mencerminkan prinsip dasar ilmu material termasuk pengerasan kerja, perkembangan tekstur, dan hubungan antara pemrosesan, struktur, dan sifat. Material ini mewakili keadaan non-ekuilibrium dengan energi tersimpan yang tinggi, yang memberikan gaya pendorong untuk rekristalisasi selama perlakuan annealing selanjutnya.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Derajat pengerjaan dingin pada baja Full Hard Cold Rolled diukur dengan persentase pengurangan dingin:

$\%CR = \frac{t_i - t_f}{t_i} \times 100\%$

Di mana:
- $\%CR$ = persentase pengurangan dingin
- $t_i$ = ketebalan awal sebelum penggulungan dingin
- $t_f$ = ketebalan akhir setelah penggulungan dingin

Untuk baja Full Hard Cold Rolled, nilai ini biasanya berkisar antara 60% hingga 80%.

Formula Perhitungan Terkait

Hubungan antara kekuatan tarik dan pengurangan dingin dapat diperkirakan dengan:

$UTS = UTS_0 + K \times (\%CR)^n$

Di mana:
- $UTS$ = kekuatan tarik maksimum setelah penggulungan dingin
- $UTS_0$ = kekuatan tarik awal sebelum penggulungan dingin
- $K$ = koefisien penguatan spesifik material
- $n$ = eksponen pengerasan regangan (biasanya 0.5-0.7 untuk baja karbon rendah)

Peningkatan kekerasan dapat diperkirakan menggunakan:

$HV = HV_0 + C \times \sqrt{\%CR}$

Di mana:
- $HV$ = kekerasan Vickers setelah penggulungan dingin
- $HV_0$ = kekerasan Vickers awal sebelum penggulungan dingin
- $C$ = konstanta spesifik material

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini umumnya berlaku untuk baja karbon rendah hingga sedang dengan kandungan karbon di bawah 0.25%. Untuk baja karbon tinggi atau paduan, hubungan menjadi lebih kompleks dan spesifik material.

Model-model ini mengasumsikan deformasi seragam di seluruh ketebalan, yang mungkin tidak akurat untuk lembaran yang sangat tebal atau ketika kondisi gesekan sangat parah selama penggulungan.

Hubungan ini akan rusak pada pengurangan yang sangat tinggi (>85%) di mana pembentukan pita geser atau ketidakstabilan lainnya dapat terjadi, atau pada suhu tinggi di mana proses pemulihan dinamis menjadi signifikan.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

• ASTM A1008/A1008M: Spesifikasi Standar untuk Baja, Lembaran, Digulung Dingin, Karbon, Struktural, Paduan Rendah Kekuatan Tinggi, Paduan Rendah Kekuatan Tinggi dengan Formabilitas yang Ditingkatkan, Kekerasan yang Diperlukan, Dikeraskan Solusi, dan Dapat Dikeraskan dengan Pemanggangan
• ASTM E8/E8M: Metode Uji Standar untuk Pengujian Tarik Material Logam
• ISO 6892-1: Material logam — Pengujian tarik — Bagian 1: Metode uji pada suhu ruang
• ASTM E18: Metode Uji Standar untuk Kekerasan Rockwell Material Logam
• ASTM E384: Metode Uji Standar untuk Kekerasan Mikro Material

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Mesin pengujian tarik dengan sel beban yang sesuai (biasanya 50-200 kN) digunakan untuk menentukan sifat kekuatan. Mesin ini menerapkan tegangan uniaxial pada spesimen standar sambil mengukur beban dan perpanjangan.

Pengujian kekerasan menggunakan penguji kekerasan Rockwell (biasanya menggunakan skala B atau C) atau penguji kekerasan mikro Vickers. Instrumen ini mengukur ketahanan material terhadap indentasi menggunakan indentor dan beban standar.

Karakterisasi mikrostruktur menggunakan mikroskop optik dan mikroskop elektron pemindai (SEM) untuk memeriksa struktur butir dan pola deformasi. Difraksi elektron backscatter (EBSD) memberikan informasi tekstur kristalografi yang penting untuk memahami sifat