Kekerasan: Properti Kunci yang Menentukan Kinerja dan Aplikasi Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Kekerasan adalah ketahanan material terhadap deformasi permanen, biasanya diukur sebagai ketahanan terhadap penekanan, goresan, atau pemotongan. Ini menggambarkan kemampuan suatu material untuk menahan deformasi plastik lokal ketika dikenakan gaya terkonsentrasi.

Dalam ilmu material dan teknik, kekerasan berfungsi sebagai sifat dasar yang berkorelasi dengan ketahanan aus, kemampuan mesin, dan daya tahan keseluruhan komponen baja. Sifat ini secara langsung mempengaruhi umur layanan komponen dalam aplikasi di mana interaksi permukaan terjadi.

Dalam metalurgi, kekerasan menempati posisi sentral di antara sifat mekanik, sering kali berfungsi sebagai parameter kontrol kualitas dan indikator proxy untuk sifat lainnya seperti kekuatan tarik. Ini menghubungkan karakteristik mikrostruktur dengan kinerja makroskopik, menjadikannya penting untuk pemilihan material dan keputusan pemrosesan.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, kekerasan muncul sebagai ketahanan terhadap pergerakan dislokasi dalam kisi kristal baja. Ketika sebuah penekan bersentuhan dengan permukaan, stres yang diterapkan harus melebihi kekuatan luluh material untuk menciptakan deformasi permanen.

Dislokasi menghadapi berbagai rintangan termasuk batas butir, presipitat, atom pelarut, dan dislokasi lainnya. Rintangan ini menghambat gerakan dislokasi, memerlukan stres yang lebih tinggi untuk mencapai deformasi, sehingga meningkatkan kekerasan.

Kepadatan dan distribusi rintangan ini menentukan kekerasan keseluruhan. Struktur martensitik, dengan kisi yang sangat terdistorsi dan kepadatan dislokasi yang tinggi, menunjukkan kekerasan yang lebih besar dibandingkan dengan struktur feritik atau austenitik yang memiliki lebih sedikit rintangan terhadap pergerakan dislokasi.

Model Teoretis

Model teoretis utama untuk kekerasan didasarkan pada mekanika kontak, khususnya teori kontak Hertz, yang menggambarkan distribusi stres ketika benda elastis bersentuhan di bawah beban. Dasar ini diperluas oleh Heinrich Hertz pada akhir abad ke-19.

Pemahaman historis berkembang dari pengamatan empiris oleh mineralogis seperti Friedrich Mohs (1822), yang mengembangkan skala kekerasan relatif pertama, hingga pendekatan kuantitatif oleh Johan August Brinell (1900), yang memperkenalkan uji kekerasan teknik pertama yang banyak diadopsi.

Pendekatan modern mencakup model nanoindentasi berdasarkan metodologi Oliver-Pharr, yang memungkinkan pengukuran pada skala mikroskopis, dan model komputasi yang mensimulasikan interaksi atom selama proses deformasi. Pendekatan ini berbeda dalam skala dan aplikasi tetapi berbagi konsep dasar ketahanan terhadap deformasi permanen.

Dasar Ilmu Material

Kekerasan secara langsung berkaitan dengan struktur kristal, dengan struktur kubik berpusat badan (BCC) dan kubik berpusat wajah (FCC) dalam baja menunjukkan karakteristik kekerasan yang berbeda karena sistem slip dan mobilitas dislokasi yang berbeda.

Batas butir secara signifikan mempengaruhi kekerasan melalui hubungan Hall-Petch, di mana ukuran butir yang lebih kecil meningkatkan kekerasan dengan memberikan lebih banyak penghalang terhadap pergerakan dislokasi. Batas fase antara ferit, austenit, martensit, dan konstituen lainnya juga menghambat gerakan dislokasi.

Sifat ini terhubung dengan prinsip dasar ilmu material termasuk pengerasan regangan, penguatan larutan padat, pengerasan presipitat, dan penguatan transformasi fase—semua mekanisme yang meningkatkan ketahanan terhadap pergerakan dislokasi dan dengan demikian meningkatkan kekerasan.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Rumus Definisi Dasar

Definisi dasar untuk sebagian besar uji kekerasan mengikuti rumus:

$$H = \frac{P}{A}$$

Di mana $H$ mewakili nilai kekerasan, $P$ adalah beban yang diterapkan, dan $A$ adalah area penekanan yang dihasilkan. Hubungan dasar ini mendasari sebagian besar metode pengujian kekerasan.

Rumus Perhitungan Terkait

Untuk kekerasan Brinell secara khusus:

$$HB = \frac{2P}{\pi D(D-\sqrt{D^2-d^2})}$$

Di mana $HB$ adalah angka kekerasan Brinell, $P$ adalah gaya yang diterapkan (kgf), $D$ adalah diameter penekan (mm), dan $d$ adalah diameter penekanan (mm). Rumus ini menghitung kekerasan berdasarkan rasio beban terhadap area permukaan melengkung dari penekanan.

Untuk kekerasan Vickers:

$$HV = \frac{1.8544P}{d^2}$$

Di mana $HV$ adalah angka kekerasan Vickers, $P$ adalah gaya yang diterapkan (kgf), dan $d$ adalah panjang diagonal rata-rata dari penekanan (mm). Rumus ini diterapkan saat mengukur mikrokeras dari fase tertentu atau bagian tipis.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Rumus ini mengasumsikan material homogen, isotropik dengan perilaku elastis-plastik. Mereka menjadi kurang akurat untuk material yang sangat anisotropik atau yang memiliki pemulihan elastis yang signifikan.

Kondisi batas termasuk ketebalan spesimen minimum (biasanya 10 kali kedalaman penekanan), jarak tepi minimum (biasanya 2,5 kali diameter penekanan), dan jarak minimum antara penekanan (biasanya 3 kali diameter penekanan).

Rumus ini mengasumsikan kondisi suhu ambient; koreksi suhu harus diterapkan untuk pengujian suhu tinggi. Selain itu, sensitivitas laju regangan tidak diperhitungkan dalam rumus penekanan statis ini.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM E10: Metode Uji Standar untuk Kekerasan Brinell Material Logam—mencakup prosedur pengujian menggunakan penekan bola karbida tungsten dengan berbagai beban.

ISO 6506: Material Logam—Uji Kekerasan Brinell—memberikan cakupan serupa dengan ASTM E10 tetapi dengan spesifikasi metrik dan parameter uji yang sedikit berbeda.

ASTM E18/ISO 6508: Metode Uji Standar untuk Kekerasan Rockwell Material Logam—merinci prosedur untuk berbagai skala Rockwell (A, B, C, dll.) menggunakan penekan dan beban yang berbeda.

ASTM E92/ISO 6507: Metode Uji Standar untuk Kekerasan Vickers Material Logam—mencakup pengujian mikrokeras dengan penekan piramida berlian.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Penguji kekerasan Brinell menggunakan bola karbida tungsten (biasanya diameter 10mm) di bawah beban 500-3000 kgf, mengukur diameter penekanan yang dihasilkan secara optik. Metode ini memberikan nilai kekerasan bulk yang cocok untuk material heterogen.

Penguji Rockwell menggunakan penekan kerucut berlian (skala C) atau bola baja (skala B) dengan beban yang lebih rendah (60-150 kgf), mengukur kedalaman penekanan secara langsung. Ini memberikan pengujian yang lebih cepat dengan persiapan permukaan yang lebih sedikit.

Penguji mikrokeras (Vickers, Knoop) menggunakan penekan piramida berlian di bawah beban yang sangat ringan (1-1000 gf), memerlukan pengukuran mikroskopis dari diagonal penekanan. Ini memungkinkan pengujian konstituen mikrostruktur individu atau bagian tipis.

Persyaratan Sampel

Spesimen standar memerlukan permukaan datar dan paralel dengan ketebalan minimum 10 kali kedalaman penekanan. Jarak tepi harus melebihi 2,5 kali diameter penekanan.

Persiapan permukaan biasanya melibatkan penggilingan hingga 120-320 grit untuk pengujian Brinell dan Rockwell, sementara pengujian mikrokeras memerlukan pemolesan hingga 1μm atau hasil yang lebih halus untuk memungkinkan pengukuran optik yang akurat.

Spesimen harus bebas dari pelumas, skala, dekarburisasi, atau lapisan yang mengeras akibat kerja yang dapat mempengaruhi hasil. Dukungan harus mencegah pergerakan spesimen selama pengujian.

Parameter Uji