Temper Keras: Baja Dingin Rolled Kekuatan Maksimum untuk Penggunaan Industri

Definisi dan Konsep Dasar

Temper keras mengacu pada kondisi tertentu dari lembaran atau strip baja yang dilaminasi dingin yang ditandai dengan kekuatan hasil tinggi, ductility yang berkurang, dan kekerasan yang meningkat akibat pengurangan dingin yang substansial tanpa annealing selanjutnya. Kondisi ini mewakili kekerasan dan kekuatan maksimum yang dapat dicapai melalui proses pengerjaan dingin untuk produk baja yang dilaminasi datar.

Baja temper keras berada di ujung ekstrem spektrum pengerasan kerja dalam sistem klasifikasi metalurgi. Ini mewakili keadaan material di mana logam telah mengalami pengerasan regangan yang signifikan, menghasilkan kepadatan dislokasi yang tinggi dalam struktur kristal.

Dalam bidang metalurgi yang lebih luas, temper keras adalah bagian dari kontinuum penunjukan temper (termasuk lembut mati, seperempat keras, setengah keras, keras penuh, dan ekstra keras) yang menggambarkan sifat mekanik logam yang dikerjakan dingin. Penunjukan ini sangat penting untuk menentukan sifat material dalam aplikasi manufaktur dan rekayasa di mana karakteristik mekanik yang tepat diperlukan.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, temper keras dihasilkan dari deformasi plastis yang parah selama penggulungan dingin, menciptakan kepadatan dislokasi yang tinggi dalam kisi kristal. Dislokasi ini saling berinteraksi dan menghalangi pergerakan satu sama lain, secara signifikan meningkatkan ketahanan material terhadap deformasi lebih lanjut.

Proses pengerjaan dingin menyebabkan perpanjangan butir dalam arah penggulungan dan pemurnian butir yang tegak lurus terhadapnya. Struktur butir anisotropik ini berkontribusi pada sifat mekanik yang terarah. Selain itu, deformasi yang parah menciptakan orientasi kristalografi yang diutamakan (tekstur) yang lebih lanjut mempengaruhi perilaku mekanik material.

Model Teoretis

Model teoretis utama yang menggambarkan temper keras adalah teori dislokasi dari pengerasan kerja, yang menghubungkan kekuatan mekanik dengan kepadatan dislokasi melalui hubungan Taylor: $\tau = \tau_0 + \alpha G b \sqrt{\rho}$, di mana τ adalah tegangan geser, τ₀ adalah ketahanan kisi intrinsik, 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 yang dikembangkan oleh Taylor, Orowan, dan lainnya pada tahun 1930-an hingga 1950-an. Pendekatan modern menggabungkan teori plastisitas gradien regangan untuk memperhitungkan efek ukuran dan deformasi heterogen.

Pendekatan teoretis alternatif termasuk model plastisitas kristal yang mempertimbangkan sistem slip dan evolusi tekstur, serta model plastisitas kontinu yang fokus pada hubungan tegangan-regangan makroskopik daripada mekanisme mikrostruktur.

Dasar Ilmu Material

Temper keras secara langsung berkaitan dengan struktur kristal melalui interaksi dislokasi dengan kisi kubik pusat tubuh (BCC) dari ferit dalam baja karbon rendah atau kisi kubik pusat wajah (FCC) dalam baja austenitik. Proses pengerjaan dingin menciptakan batas butir sudut tinggi yang lebih lanjut memperkuat material melalui pengerasan batas butir.

Mikrostruktur baja temper keras biasanya menunjukkan butir yang memanjang dengan rasio aspek tinggi dan energi regangan yang tersimpan yang signifikan. Mikrostruktur yang terdeformasi ini mengandung banyak pita slip, kembar deformasi, dan mungkin martensit yang diinduksi regangan dalam jenis baja tertentu.

Sifat ini terhubung dengan prinsip dasar ilmu material termasuk pengerasan kerja, penguatan Hall-Petch, dan pengembangan tekstur. Hubungan antara kepadatan dislokasi dan kekuatan hasil menggambarkan hubungan struktur-sifat yang menjadi pusat ilmu material.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Derajat pengurangan dingin mendefinisikan temper keras dan dapat dinyatakan sebagai:

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

Di mana $R$ adalah persentase pengurangan, $t_0$ adalah ketebalan awal sebelum penggulungan dingin, dan $t_f$ adalah ketebalan akhir setelah penggulungan dingin. Untuk temper keras, $R$ biasanya melebihi 50%.

Formula Perhitungan Terkait

Perilaku pengerasan kerja dapat dijelaskan oleh persamaan Hollomon:

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

Di mana $\sigma$ adalah tegangan sejati, $\varepsilon$ adalah regangan sejati, $K$ adalah koefisien kekuatan, dan $n$ adalah eksponen pengerasan regangan. Untuk baja temper keras, $n$ mendekati nol, menunjukkan kapasitas pengerasan kerja yang tersisa terbatas.

Hubungan antara kekerasan dan kekuatan tarik dapat diperkirakan dengan:

$$UTS \approx k \times HV$$

Di mana $UTS$ adalah kekuatan tarik maksimum dalam MPa, $HV$ adalah angka kekerasan Vickers, dan $k$ adalah konstanta yang bergantung pada material (sekitar 3.3 untuk banyak baja).

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini berlaku terutama untuk baja karbon rendah dan sedang dengan kandungan karbon di bawah 0.3%. Untuk baja karbon lebih tinggi atau baja paduan tinggi, hubungan menjadi lebih kompleks karena pembentukan karbida dan beberapa mekanisme penguatan.

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

Model ini mengasumsikan sifat material yang homogen dan mungkin tidak dapat memprediksi perilaku dengan akurat dalam kasus dengan heterogenitas mikrostruktur yang signifikan atau ketika tegangan sisa ada.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM A109/A109M: Spesifikasi Standar untuk Baja, Strip, Karbon (0.25 Persen Maksimum), Dingin-Dilaminasi. Menyediakan penunjukan temper termasuk temper keras untuk strip baja karbon yang dilaminasi dingin.

ASTM E8/E8M: Metode Uji Standar untuk Pengujian Tarik Material Logam. Menyediakan prosedur untuk menentukan sifat tarik termasuk kekuatan hasil dan perpanjangan.

ISO 6892-1: Material logam — Pengujian tarik — Bagian 1: Metode uji pada suhu ruang. Menentukan metode untuk pengujian tarik untuk menentukan sifat mekanik.

ASTM E18: Metode Uji Standar untuk Kekerasan Rockwell Material Logam. Merinci prosedur untuk pengujian kekerasan yang umum digunakan untuk verifikasi temper.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Mesin pengujian universal dengan kapasitas beban 10-100 kN biasanya digunakan untuk pengujian tarik spesimen lembaran temper keras. Mesin ini mengukur gaya yang diterapkan dan perpindahan untuk menghasilkan kurva tegangan-regangan.

Penguji kekerasan (Rockwell, Vickers, atau Brinell) mengukur ketahanan material terhadap penekanan. Pengujian kekerasan Rockwell (terutama skala B dan C) umum digunakan untuk verifikasi cepat kondisi temper.

Mikroskop optik dan elektron memungkinkan karakterisasi mikrostruktur untuk menilai ukuran, bentuk, dan orientasi butir. Teknik canggih seperti EBSD (Difraksi Elektron Backscatter) dapat mengkuantifikasi tekstur kristalografi dan karakteristik batas butir.

Persyaratan Sampel

Spesimen tarik standar mengikuti dimensi ASTM E8/E8M, biasanya dengan panjang gauge 50mm dan lebar berdasarkan ketebalan material. Untuk material lembaran tipis, lebar spesimen biasanya 12.5mm.

Persiapan permukaan memerlukan penghilangan skala, oksida, atau kontaminan lain yang mungkin mempengaruhi hasil uji. Tepi harus bebas dari notches atau titik kasar yang dapat memicu kegagalan prematur.

Spesimen harus representatif dari material bulk dan harus diorientasikan untuk memperhitungkan potensi anisotropi (biasanya diuji dalam arah penggulungan dan transversal).

Parameter Uji

Kembali ke blog

Tulis komentar

Nama *

Email *

Komentar *