Setengah Keras Temper: Properti Kunci & Aplikasi dalam Pemrosesan Logam

Definisi dan Konsep Dasar

Temper Setengah Keras mengacu pada kondisi tertentu dari logam yang telah dikerjakan dingin, terutama pada baja dan paduan lainnya, di mana material telah diperkeras regangan hingga sekitar 50% dari potensi kekerasan maksimumnya melalui proses pengerjaan dingin. Kondisi temper menengah ini mewakili keadaan yang seimbang antara keadaan yang sepenuhnya dianil (lunak) dan keadaan keras penuh, menawarkan kompromi strategis antara kekuatan dan kemampuan bentuk.

Dalam ilmu material dan rekayasa, penunjukan temper sangat penting untuk menentukan sifat mekanik yang diperlukan untuk aplikasi tertentu. Temper Setengah Keras menempati posisi signifikan dalam spektrum kondisi material yang tersedia, memberikan kekuatan sedang dengan duktilitas yang wajar.

Dalam bidang metalurgi yang lebih luas, kondisi temper seperti Setengah Keras mewakili keadaan mikrostruktur yang terkontrol yang dicapai melalui jalur pemrosesan tertentu. Penunjukan temper ini adalah bagian dari sistem standar yang memungkinkan insinyur untuk menentukan material dengan sifat mekanik yang dapat diprediksi, yang penting untuk desain komponen yang dapat diandalkan dan proses manufaktur.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, Temper Setengah Keras dihasilkan dari pengenalan dislokasi dan interaksi mereka selanjutnya dalam kisi kristal. Proses pengerjaan dingin seperti penggulungan, penarikan, atau peregangan menciptakan kepadatan dislokasi yang tinggi yang menghambat pergerakan dislokasi lebih lanjut.

Mekanisme pengerasan regangan yang bertanggung jawab untuk Temper Setengah Keras melibatkan keterikatan dislokasi dan penumpukan di penghalang seperti batas butir dan presipitat. Ini menciptakan jaringan dislokasi yang kompleks yang memerlukan stres yang lebih tinggi untuk memungkinkan deformasi plastis lebih lanjut, secara efektif memperkuat material.

Kondisi setengah keras mewakili kepadatan dislokasi tertentu yang kira-kira berada di tengah antara keadaan yang dianil (kepadatan dislokasi rendah) dan keadaan keras penuh (kepadatan dislokasi praktis mendekati maksimum). Pengaturan mikrostruktur ini memberikan keseimbangan karakteristik dari sifat-sifat yang terkait dengan temper ini.

Model Teoretis

Model teoretis utama yang menggambarkan Temper Setengah Keras adalah teori dislokasi dari pengerasan regangan, yang menghubungkan kekuatan material dengan kepadatan dislokasi melalui hubungan Taylor. Model ini menetapkan bahwa kekuatan luluh meningkat sebanding dengan akar kuadrat dari kepadatan dislokasi.

Secara historis, pemahaman tentang keadaan temper berkembang dari pengamatan empiris pada awal abad ke-20 hingga model kuantitatif pada tahun 1950-an. Karya G.I. Taylor tentang teori dislokasi memberikan dasar untuk pemahaman modern tentang mekanisme pengerasan regangan.

Pendekatan teoretis alternatif termasuk hubungan Hall-Petch, yang membahas penguatan batas butir, dan berbagai model pengerasan kerja seperti persamaan Hollomon dan persamaan Voce. Model-model ini menawarkan perspektif pelengkap tentang fenomena pengerasan regangan yang mendasari Temper Setengah Keras.

Dasar Ilmu Material

Temper Setengah Keras secara langsung berkaitan dengan struktur kristal melalui pengenalan cacat kisi yang mendistorsi susunan atom yang teratur. Pada logam kubik berpusat muka (FCC) seperti baja tahan karat austenitik, dislokasi bergerak pada bidang yang padat, sementara pada logam kubik berpusat badan (BCC) seperti baja ferritik, pergerakan dislokasi lebih kompleks.

Batas butir memainkan peran penting dalam pengembangan Temper Setengah Keras, bertindak sebagai penghalang terhadap pergerakan dislokasi. Interaksi antara dislokasi dan batas butir berkontribusi secara signifikan terhadap efek penguatan, dengan struktur butir yang lebih halus biasanya menunjukkan respons pengerasan yang lebih besar.

Kondisi temper ini mencerminkan prinsip-prinsip dasar ilmu material termasuk pengerasan regangan, pemulihan, dan hubungan antara pemrosesan, struktur, dan sifat. Keadaan Setengah Keras mewakili titik tertentu dalam kurva pengerasan kerja di mana sekitar setengah dari potensi pengerasan regangan telah direalisasikan.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Hubungan antara pengurangan kerja dingin dan kekerasan dalam mencapai Temper Setengah Keras dapat dinyatakan sebagai:

$$R_{HH} = \frac{H_{HH} - H_A}{H_{FH} - H_A} \times 100\%$$

Di mana $R_{HH}$ adalah persentase pengurangan untuk Temper Setengah Keras, $H_{HH}$ adalah kekerasan pada kondisi Setengah Keras, $H_A$ adalah kekerasan dalam kondisi yang dianil, dan $H_{FH}$ adalah kekerasan dalam kondisi keras penuh.

Formula Perhitungan Terkait

Perilaku pengerasan regangan yang mengarah pada Temper Setengah Keras dapat dimodelkan menggunakan persamaan Hollomon:

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

Di mana $\sigma$ adalah stres nyata, $\varepsilon$ adalah regangan nyata, $K$ adalah koefisien kekuatan, dan $n$ adalah eksponen pengerasan regangan. Untuk Temper Setengah Keras, material biasanya telah mengalami regangan yang cukup untuk mencapai sekitar setengah dari potensi pengerasan regangannya.

Hubungan antara kepadatan dislokasi dan kekuatan luluh mengikuti persamaan Taylor:

$$\sigma_y = \sigma_0 + \alpha G b \sqrt{\rho}$$

Di mana $\sigma_y$ adalah kekuatan luluh, $\sigma_0$ adalah kekuatan luluh awal, $\alpha$ adalah konstanta, $G$ adalah modulus geser, $b$ adalah vektor Burgers, dan $\rho$ adalah kepadatan dislokasi.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Model matematis ini umumnya berlaku untuk logam yang menunjukkan perilaku pengerasan regangan yang kontinu, terutama logam FCC dan BCC pada suhu kamar. Mereka mungkin tidak secara akurat menggambarkan material dengan mikrostruktur kompleks atau yang menunjukkan pelunakan yang tidak kontinu.

Formula ini mengasumsikan deformasi seragam di seluruh material, yang mungkin tidak valid untuk geometri kompleks atau material non-homogen. Variasi lokal dalam regangan dapat menyebabkan kondisi temper yang tidak konsisten di seluruh komponen.

Model-model ini biasanya mengasumsikan kondisi deformasi isotermal dan tidak memperhitungkan sensitivitas laju regangan atau efek termal yang mungkin terjadi selama pemrosesan industri. Selain itu, mereka umumnya berlaku untuk kondisi pemuatan monotonik daripada keadaan stres siklik atau kompleks.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM E18: Metode Uji Standar untuk Kekerasan Rockwell Material Logam - Menyediakan metode pengujian kekerasan utama yang digunakan untuk memverifikasi Temper Setengah Keras pada banyak produk baja.

ASTM E8/E8M: Metode Uji Standar untuk Pengujian Tarik Material Logam - Menyediakan prosedur untuk menentukan sifat tarik yang mengonfirmasi status Temper Setengah Keras.

ISO 6892-1: Material logam — Pengujian tarik — Bagian 1: Metode uji pada suhu kamar - Menetapkan standar internasional untuk pengujian tarik untuk memverifikasi kondisi temper.

ASTM E140: Tabel Konversi Kekerasan Standar untuk Logam - Memungkinkan konversi antara berbagai skala kekerasan yang digunakan untuk menentukan Temper Setengah Keras.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Penguji kekerasan Rockwell umumnya digunakan untuk memverifikasi Temper Setengah Keras, biasanya menggunakan skala B (HRB) untuk paduan yang lebih lunak dan skala C (HRC) untuk material yang lebih keras. Instrumen ini mengukur kedalaman indentasi di bawah beban tertentu.

Mesin pengujian tarik yang dilengkapi dengan ekstensi mengukur perilaku stres-regangan, kekuatan luluh, kekuatan tarik, dan nilai perpanjangan yang menggambarkan Temper Setengah Keras. Uji ini secara langsung mengukur sifat mekanik yang dihasilkan dari kondisi temper.

Penguji mikrohardness, termasuk instrumen Vickers dan Knoop, memungkinkan pengukuran kekerasan lokal untuk menilai keseragaman temper di seluruh bagian tipis atau fitur mikrostruktur tertentu.

Persyaratan Sampel

Sampel tarik standar untuk verifikasi Temper Setengah K