Full Hard Temper: Keadaan Kekerasan Maksimum pada Baja Dingin Rolled

Definisi dan Konsep Dasar

Full Hard Temper mengacu pada kondisi kekerasan dan kekuatan maksimum yang dicapai dalam baja yang digulung dingin melalui pengurangan dingin yang ekstensif tanpa perlakuan annealing atau perlakuan panas selanjutnya. Ini mewakili tingkat pengerasan kerja tertinggi yang dapat dicapai secara praktis dalam pemrosesan baja komersial, biasanya ditandai dengan kekuatan hasil yang tinggi, reduksi duktilitas, dan peningkatan sifat springback.

Full Hard Temper adalah penunjukan kritis dalam industri baja yang menunjukkan profil sifat mekanik tertentu yang dihasilkan dari deformasi plastis yang parah selama penggulungan dingin. Kondisi ini sangat penting dalam aplikasi yang memerlukan kekuatan tinggi, stabilitas dimensi, dan ketahanan aus tanpa proses perlakuan panas tambahan.

Dalam konteks yang lebih luas dari metalurgi, Full Hard Temper mewakili keadaan ekstrem dalam spektrum kondisi pengerasan kerja, yang kontras dengan temper annealed, quarter-hard, half-hard, dan three-quarter-hard. Ini menunjukkan bagaimana pemrosesan mekanis saja dapat secara dramatis mengubah sifat material melalui modifikasi mikrostruktur tanpa mengubah komposisi kimia.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, Full Hard Temper dihasilkan dari deformasi plastis yang parah yang memperkenalkan kepadatan dislokasi yang tinggi dalam kisi kristal. Dislokasi ini saling berinteraksi dan terjerat satu sama lain, menciptakan penghalang untuk pergerakan dislokasi lebih lanjut dan dengan demikian meningkatkan ketahanan material terhadap deformasi.

Proses penggulungan dingin meratakan dan memperpanjang butiran dalam arah penggulungan, menciptakan orientasi kristalografi yang diutamakan (tekstur) dan meningkatkan total area batas butir. Penyempurnaan butir ini berkontribusi secara signifikan terhadap penguatan melalui hubungan Hall-Petch, di mana ukuran butir yang lebih kecil menghasilkan kekuatan yang lebih tinggi.

Pengerasan regangan dalam baja Full Hard Temper juga melibatkan pembentukan kembar deformasi dan cacat tumpukan, terutama pada baja dengan energi cacat tumpukan yang lebih rendah. Cacat ini lebih lanjut menghambat pergerakan dislokasi, berkontribusi pada kekerasan dan kekuatan luar biasa yang menjadi ciri khas kondisi temper ini.

Model Teoretis

Model teoretis utama yang menggambarkan Full Hard Temper adalah model pengerasan regangan (work hardening), yang secara matematis dinyatakan melalui persamaan Hollomon. Hubungan hukum kekuatan ini menghubungkan tegangan sejati dengan regangan plastis dan telah menjadi dasar untuk memahami pengerasan kerja sejak tahun 1940-an.

Secara historis, pemahaman tentang pengerasan kerja berkembang dari pengamatan empiris pada abad ke-19 hingga teori dislokasi pada pertengahan abad ke-20. Metalurgis awal mencatat fenomena ini tetapi tidak memiliki kerangka teoretis untuk menjelaskannya sampai mikroskop elektron mengungkapkan struktur dislokasi.

Pendekatan teoretis alternatif termasuk persamaan Voce, yang lebih baik menggambarkan perilaku pengerasan saturasi pada regangan tinggi, dan model Kocks-Mecking, yang menggabungkan evolusi kepadatan dislokasi. Model-model ini memberikan perspektif pelengkap tentang fenomena pengerasan kerja yang mendasari Full Hard Temper.

Dasar Ilmu Material

Full Hard Temper secara langsung terkait dengan struktur kristal melalui kepadatan dan pengaturan dislokasi. Dalam besi kubik berpusat badan (BCC), dislokasi berinteraksi secara berbeda dibandingkan dengan fase kubik berpusat wajah (FCC), mempengaruhi bagaimana material merespons pengerjaan dingin dan pada akhirnya menentukan kekerasan maksimum yang dapat dicapai.

Batas butir dalam baja Full Hard Temper menjadi memanjang dan sejajar dengan arah penggulungan, menciptakan sifat mekanik anisotropik. Batas-batas ini bertindak sebagai penghalang untuk pergerakan dislokasi, berkontribusi secara signifikan terhadap kekuatan material melalui penguatan Hall-Petch.

Prinsip dasar ilmu material tentang penyimpanan energi regangan mendasari Full Hard Temper. Penggulungan dingin memperkenalkan energi yang tersimpan secara substansial dalam bentuk cacat kristal, menciptakan keadaan yang tidak stabil secara termodinamika yang memberikan gaya pendorong untuk rekristalisasi jika material kemudian dipanaskan.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Persamaan Hollomon mewakili hubungan dasar yang mengatur pengerasan kerja dalam baja Full Hard Temper:

$$\sigma = K\varepsilon^n$$

Di mana $\sigma$ adalah tegangan sejati, $K$ adalah koefisien kekuatan (konstanta material), $\varepsilon$ adalah regangan plastis sejati, dan $n$ adalah eksponen pengerasan regangan (biasanya 0.05-0.15 untuk baja Full Hard).

Formula Perhitungan Terkait

Pengurangan ketebalan yang diperlukan untuk mencapai Full Hard Temper dapat dihitung menggunakan:

$$r = \frac{t_0 - t_f}{t_0} \times 100\%$$

Di mana $r$ adalah persentase pengurangan, $t_0$ adalah ketebalan awal, dan $t_f$ adalah ketebalan akhir. Full Hard Temper biasanya memerlukan pengurangan sebesar 60-80%.

Hubungan antara kekerasan dan kekuatan tarik untuk baja Full Hard dapat diperkirakan dengan:

$$UTS \approx k \times HV$$

Di mana $UTS$ adalah kekuatan tarik maksimum (MPa), $HV$ adalah kekerasan Vickers, dan $k$ adalah faktor korelasi (biasanya 3.0-3.5 untuk baja Full Hard).

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini berlaku terutama untuk baja karbon rendah dan menengah dengan kandungan karbon di bawah 0.3%. Untuk baja karbon lebih tinggi atau baja paduan tinggi, hubungan menjadi lebih kompleks dan mungkin memerlukan penentuan empiris.

Persamaan Hollomon mengasumsikan deformasi yang seragam dan menjadi kurang akurat pada tingkat regangan yang sangat tinggi di mana lokalisasi regangan terjadi. Ini juga tidak memperhitungkan sensitivitas laju regangan atau efek suhu selama deformasi.

Model matematis ini mengasumsikan penggulungan dingin yang berkelanjutan tanpa annealing sementara. Setiap proses pemulihan atau rekristalisasi akan membatalkan hubungan ini dan memerlukan kalibrasi ulang parameter model.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM A370: Metode dan Definisi Pengujian Standar untuk Pengujian Mekanik Produk Baja - Mencakup prosedur pengujian tarik untuk menentukan sifat mekanik baja Full Hard.

ASTM E18: Metode Pengujian Standar untuk Kekerasan Rockwell Material Logam - Menentukan prosedur pengujian kekerasan yang umum digunakan untuk memverifikasi Full Hard Temper.

ISO 6892-1: Material logam — Pengujian tarik — Bagian 1: Metode pengujian pada suhu ruang - Menyediakan standar internasional untuk pengujian tarik yang berlaku untuk karakterisasi baja Full Hard.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Mesin pengujian universal dengan kapasitas beban 50-300 kN biasanya digunakan untuk pengujian tarik baja Full Hard. Mesin ini mengukur gaya dan perpindahan untuk menghasilkan kurva tegangan-regangan yang mengungkapkan sifat mekanik kunci.

Penguji kekerasan (Rockwell, Vickers, atau Brinell) mengukur ketahanan material terhadap penekanan. Pengujian kekerasan Rockwell (biasanya skala C atau B) adalah yang paling umum untuk verifikasi cepat Full Hard Temper di lingkungan produksi.

Peralatan mikroskop optik dan elektron memungkinkan karakterisasi mikrostruktur dari struktur butir, kepadatan dislokasi, dan perkembangan tekstur. Teknik canggih seperti EBSD (Electron Backscatter Diffraction) dapat mengkuantifikasi tekstur kristalografi yang menjadi ciri khas Full Hard Temper.

Persyaratan Sampel

Sampel tarik standar mengikuti dimensi ASTM E8/E8M, biasanya dengan panjang gauge 50mm dan area penampang yang sesuai untuk ketebalan material. Untuk lembaran tipis, sampel subukuran dapat digunakan.

Persiapan permukaan untuk pengujian kekerasan memerlukan permukaan datar dan bersih yang bebas dari skala, oksida, atau dekarburisasi. Untuk material