Kekerasan Indentasi: Pengukuran Properti Baja Kunci & Kontrol Kualitas
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Definisi dan Konsep Dasar
Kekerasan indentasi adalah ukuran ketahanan suatu material terhadap deformasi permanen ketika dikenakan beban kompresi konstan dari material yang lebih keras dengan geometri tertentu. Ini mengukur kemampuan suatu material untuk menahan deformasi plastik lokal yang diinduksi oleh indentasi mekanis.
Sifat ini berfungsi sebagai parameter dasar dalam karakterisasi material, memberikan insinyur informasi penting tentang ketahanan aus, kemampuan mesin, dan integritas mekanis secara keseluruhan. Uji kekerasan indentasi banyak digunakan karena sifatnya yang non-destruktif atau minimal destruktif, memerlukan volume sampel kecil dan persiapan minimal.
Dalam metalurgi, kekerasan indentasi menempati posisi sentral karena berkorelasi kuat dengan sifat mekanis lainnya seperti kekuatan tarik, ketahanan aus, dan keuletan. Ini menghubungkan karakteristik mikrostruktural dengan perilaku mekanis makroskopis, menjadikannya alat penyaringan yang penting dalam pemilihan material, kontrol kualitas, dan analisis kegagalan.
Sifat Fisik dan Dasar Teoretis
Mekanisme Fisik
Di tingkat mikrostruktural, kekerasan indentasi mencerminkan ketahanan suatu material terhadap pergerakan dislokasi dalam kisi kristalnya. Ketika sebuah indenter menerapkan stres, dislokasi harus mengatasi hambatan seperti batas butir, presipitat, dan dislokasi lainnya untuk memungkinkan deformasi plastik.
Pada material baja, ketahanan terhadap indentasi berasal dari berbagai mekanisme penguatan termasuk penguatan larutan padat, pengerasan presipitat, pengerasan kerja, dan penguatan batas butir. Mekanisme ini menghambat gerakan dislokasi dengan menciptakan rintangan dalam mikrostruktur.
Zona plastik di bawah indentasi melibatkan medan stres yang kompleks yang menciptakan dislokasi yang secara geometris diperlukan, menghasilkan gradien regangan yang lebih lanjut berkontribusi pada nilai kekerasan yang diukur. Deformasi lokal ini menciptakan kesan karakteristik yang dimensinya berkaitan langsung dengan ketahanan material terhadap aliran plastik.
Model Teoretis
Model teoretis utama untuk kekerasan indentasi ditetapkan oleh Heinrich Hertz pada akhir abad ke-19, menggambarkan mekanika kontak elastis antara permukaan melengkung. Ini kemudian diperluas menjadi perilaku elastis-plastik oleh berbagai peneliti termasuk Tabor, yang menetapkan hubungan antara kekerasan dan kekuatan luluh.
Pemahaman historis berkembang dari pengamatan empiris oleh Mohs pada awal 1800-an hingga model canggih yang menggabungkan teori plastisitas gradien regangan pada akhir abad ke-20. Progresi ini mencerminkan pengakuan yang semakin meningkat terhadap efek tergantung skala dalam pengukuran kekerasan.
Pendekatan modern termasuk metode Oliver-Pharr untuk indentasi terinstrumentasi, pemodelan elemen hingga dari proses indentasi, dan teori nanoindentasi yang memperhitungkan efek ukuran. Setiap pendekatan menawarkan keuntungan yang berbeda tergantung pada sistem material dan skala yang diminati.
Dasar Ilmu Material
Kekerasan indentasi berkorelasi kuat dengan struktur kristal, karena material kubik berpusat wajah (FCC) biasanya menunjukkan kekerasan yang lebih rendah dibandingkan dengan struktur kubik berpusat badan (BCC) atau heksagonal close-packed (HCP) karena perbedaan dalam mobilitas dislokasi. Batas butir bertindak sebagai rintangan terhadap gerakan dislokasi, mengikuti hubungan Hall-Petch di mana kekerasan meningkat seiring dengan penurunan ukuran butir.
Mikrostruktur baja sangat mempengaruhi nilai kekerasan, dengan martensit memberikan kekerasan yang lebih tinggi dibandingkan ferrit, perlit, atau austenit karena strukturnya yang tetragonal sangat tertekan dan kepadatan dislokasi yang tinggi. Presipitat dan partikel fase kedua lebih lanjut meningkatkan kekerasan dengan menjepit dislokasi.
Sifat ini secara fundamental terhubung dengan prinsip ilmu material tentang mekanisme penguatan, menunjukkan bagaimana fitur atom dan mikrostruktural secara kolektif menentukan perilaku mekanis makroskopis. Sifat kekerasan indentasi yang multi-skala menjadikannya sebagai alat yang kuat untuk memahami hubungan struktur-sifat.
Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan
Rumus Definisi Dasar
Definisi dasar kekerasan indentasi dinyatakan sebagai:
$$H = \frac{F}{A}$$
Di mana $H$ mewakili nilai kekerasan, $F$ adalah beban yang diterapkan, dan $A$ adalah area proyeksi dari kesan indentasi. Hubungan dasar ini berlaku di berbagai skala kekerasan dengan modifikasi untuk memperhitungkan geometri indenter tertentu.
Rumus Perhitungan Terkait
Untuk kekerasan Brinell (HB), rumus perhitungannya adalah:
$$HB = \frac{2F}{\pi D(D-\sqrt{D^2-d^2})}$$
Di mana $F$ adalah gaya yang diterapkan (N), $D$ adalah diameter indenter (mm), dan $d$ adalah diameter indentasi (mm).
Untuk kekerasan Vickers (HV), rumusnya menjadi:
$$HV = \frac{1.8544F}{d^2}$$
Di mana $F$ adalah gaya yang diterapkan $N$ dan $d$ adalah panjang diagonal rata-rata dari indentasi (mm).
Untuk pengujian indentasi terinstrumentasi, kekerasan dapat dihitung sebagai:
$$H = \frac{P_{max}}{A(h_c)}$$
Di mana $P_{max}$ adalah beban maksimum yang diterapkan dan $A(h_c)$ adalah area kontak proyeksi pada kedalaman kontak $h_c$.
Kondisi dan Batasan yang Berlaku
Rumus-rumus ini mengasumsikan deformasi plastik yang sepenuhnya berkembang dan hanya berlaku ketika ukuran indentasi cukup besar dibandingkan dengan fitur mikrostruktural tetapi cukup kecil untuk menguji daerah yang diminati. Kedalaman indentasi minimum sebaiknya melebihi 20 kali kekasaran permukaan.
Model matematis memiliki batasan ketika diterapkan pada material yang sangat elastis, di mana pemulihan elastis yang signifikan terjadi setelah pelepasan, atau dengan film yang sangat tipis di mana efek substrat mempengaruhi pengukuran. Sebagian besar rumus kekerasan standar mengasumsikan isotropi dan homogenitas material.
Perhitungan mengasumsikan kondisi suhu ambien dan laju pemuatan quasi-statis. Koreksi harus diterapkan untuk pengujian suhu tinggi, kondisi pemuatan dinamis, atau saat menguji material yang sangat anisotropik di mana sifat arah sangat berbeda.
Metode Pengukuran dan Karakterisasi
Spesifikasi Pengujian Standar
ASTM E10: Metode Uji Standar untuk Kekerasan Brinell Material Logam - mencakup pengujian dengan indenter bola dari berbagai diameter dan beban untuk material massal.
ASTM E92/ISO 6507: Metode Uji Standar untuk Kekerasan Vickers Material Logam - merinci prosedur untuk indentasi piramida berlian di berbagai skala mikro dan makro.
ASTM E18/ISO 6508: Metode Uji Standar untuk Kekerasan Rockwell Material Logam - menetapkan metode menggunakan berbagai geometri indenter dan beban untuk pengujian cepat.
ISO 14577: Uji Indentasi Terinstrumentasi untuk Kekerasan dan Parameter Material - mencakup metode pengujian canggih termasuk nanoindentasi dengan pencatatan beban-pergeseran secara kontinu.
Peralatan dan Prinsip Pengujian
Penguji kekerasan konvensional terdiri dari sistem pemuatan, indenter, dan sistem pengukuran. Ini berkisar dari unit yang dipasang di meja sederhana hingga sistem otomatis sepenuhnya dengan kemampuan pengukuran optik.
Prinsip dasar melibatkan penerapan beban yang dikendalikan dengan tepat melalui indenter yang didefinisikan secara geometris (bola, kerucut, atau piramida) dan mengukur deformasi permanen yang dihasilkan. Sistem terinstrumentasi modern terus-menerus mencatat data beban-pergeseran sepanjang siklus indentasi.
Peralatan canggih termasuk sistem nanoindentasi yang mampu resolusi pergeseran sub-nanometer dan kontrol gaya mikro-Newton, sering kali terintegrasi dengan mikroskop gaya atom atau mikroskop elektron pemindai untuk penempatan yang tepat dan analisis pasca-uji.
Persyaratan Sampel
S