Daya Deformasi: Properti Deformasi Baja untuk Pembentukan Industri

Definisi dan Konsep Dasar

Malleabilitas adalah sifat suatu material yang memungkinkannya untuk terdeformasi di bawah tekanan kompresif tanpa patah, memungkinkan material tersebut dipukul, ditekan, atau digulung menjadi lembaran tipis. Sifat mekanik ini sangat penting dalam proses pengolahan logam di mana logam perlu dibentuk menjadi berbagai bentuk tanpa retak. Malleabilitas berbeda dari kerapuhan, karena material yang mudah dibentuk dapat mengalami deformasi plastis yang signifikan sebelum gagal.

Dalam bidang metalurgi, malleabilitas merupakan salah satu sifat mekanik inti di samping duktilitas, kekerasan, dan ketangguhan. Sementara duktilitas mengacu pada kemampuan material untuk terdeformasi di bawah tekanan tarik, malleabilitas secara khusus berkaitan dengan deformasi di bawah kompresi. Perbedaan ini sangat penting dalam pemilihan material untuk proses manufaktur seperti penggulungan, penempaan, dan pengepresan, di mana gaya kompresif mendominasi.

Sifat Fisik dan Dasar Teoritis

Mekanisme Fisik

Di tingkat atom, malleabilitas dihasilkan dari kemampuan atom untuk mengubah posisi mereka relatif terhadap atom tetangga tanpa memutus ikatan logam mereka. Ketika tekanan kompresif diterapkan, bidang-bidang atom dalam kisi kristal meluncur satu sama lain sepanjang bidang slip. Pergerakan dislokasi ini memungkinkan deformasi permanen tanpa patah.

Dalam baja secara khusus, struktur kristal kubus berpusat muka (FCC) dari austenit menyediakan banyak sistem slip yang memfasilitasi pergerakan atom ini. Kehadiran elektron bebas dalam ikatan logam memungkinkan atom untuk bergeser posisi sambil mempertahankan kohesi, memungkinkan material untuk terdeformasi daripada patah di bawah gaya kompresif.

Model Teoritis

Teori dislokasi membentuk kerangka teoritis utama untuk memahami malleabilitas. Dikembangkan pada awal abad ke-20 oleh Taylor, Orowan, dan Polanyi, teori ini menjelaskan bagaimana deformasi plastis terjadi melalui pergerakan cacat linier (dislokasi) dalam kisi kristal.

Secara historis, malleabilitas pertama kali dijelaskan secara fenomenologis sebelum pengembangan ilmu material modern. Pengrajin logam kuno secara empiris menemukan bahwa logam tertentu dapat dipukul menjadi lembaran, tetapi pemahaman ilmiah hanya muncul dengan pengembangan kristalografi dan teori dislokasi pada abad ke-20.

Pendekatan yang lebih baru termasuk model plastisitas kristal yang menggabungkan efek batas butir dan evolusi tekstur selama deformasi, memberikan prediksi yang lebih akurat tentang malleabilitas dalam material polikristalin seperti baja komersial.

Dasar Ilmu Material

Struktur kristal secara signifikan mempengaruhi malleabilitas, dengan struktur kubus berpusat muka (FCC) umumnya menunjukkan malleabilitas yang lebih tinggi dibandingkan dengan struktur kubus berpusat badan (BCC) atau kemasan heksagonal (HCP) karena jumlah sistem slip yang tersedia lebih banyak. Dalam baja, transformasi antara struktur-struktur ini melalui perlakuan panas secara langsung mempengaruhi malleabilitas.

Batas butir bertindak sebagai hambatan terhadap pergerakan dislokasi, yang berarti bahwa baja dengan butir halus biasanya menunjukkan malleabilitas yang lebih rendah dibandingkan dengan varian butir kasar. Namun, batas butir juga berkontribusi pada mekanisme penguatan yang mencegah kegagalan yang katastrofik, menciptakan hubungan yang kompleks antara struktur butir dan malleabilitas.

Energi cacat tumpukan (SFE) dari suatu material secara fundamental mempengaruhi perilaku deformasinya. Baja dengan nilai SFE yang lebih tinggi cenderung menunjukkan malleabilitas yang lebih besar karena dislokasi dapat melintasi slip lebih mudah, mendistribusikan deformasi lebih merata di seluruh material.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Rumus Definisi Dasar

Malleabilitas dapat diukur melalui pengurangan ketebalan yang dapat dicapai sebelum patah:

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

Di mana $M$ adalah indeks malleabilitas (%), $t_0$ adalah ketebalan awal, dan $t_f$ adalah ketebalan akhir sebelum patah terjadi.

Rumus Perhitungan Terkait

Regangan sejati selama pengujian kompresi, yang berkaitan dengan malleabilitas, dapat dihitung sebagai:

$$\varepsilon_t = \ln\left(\frac{h_0}{h}\right)$$

Di mana $\varepsilon_t$ adalah regangan sejati, $h_0$ adalah tinggi awal, dan $h$ adalah tinggi saat ini.

Stres aliran selama deformasi plastis, yang relevan untuk pengujian malleabilitas, mengikuti hubungan:

$$\sigma = K\varepsilon_t^n$$

Di mana $\sigma$ adalah stres aliran, $K$ adalah koefisien kekuatan, $\varepsilon_t$ adalah regangan sejati, dan $n$ adalah eksponen pengerasan regangan.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Rumus-rumus ini mengasumsikan deformasi homogen di seluruh material, yang mungkin tidak berlaku untuk mikrostruktur kompleks atau pada laju regangan tinggi. Model-model ini biasanya berlaku di bawah kondisi isotermal dan menjadi kurang akurat pada suhu tinggi di mana pemulihan dinamis dan rekristalisasi terjadi.

Sensitivitas laju regangan tidak diperhitungkan dalam rumus dasar, memerlukan istilah tambahan untuk proses deformasi kecepatan tinggi. Selain itu, ekspresi ini mengasumsikan sifat material isotropik, yang mungkin tidak valid untuk produk baja yang digulung dengan tekstur yang signifikan.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM E290: Metode Uji Standar untuk Pengujian Lentur Material untuk Duktilitas, yang mencakup prosedur yang berlaku untuk penilaian malleabilitas melalui pengujian lentur.

ISO 7438: Material logam - Uji lentur, menyediakan metode standar untuk mengevaluasi kemampuan material logam untuk mengalami deformasi plastis dalam pembengkokan.

ASTM E18: Metode Uji Standar untuk Kekerasan Rockwell Material Logam, sering digunakan sebagai indikator tidak langsung dari malleabilitas melalui korelasi kekerasan.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Mesin pengujian kompresi yang dilengkapi dengan pelat datar dan paralel umumnya digunakan untuk menerapkan gaya kompresif yang terkontrol. Sistem ini biasanya mencakup sel beban untuk pengukuran gaya dan ekstensi atau transduser perpindahan untuk pengukuran deformasi.

Mesin penggulung dengan pengaturan celah yang dapat disesuaikan memungkinkan untuk pengujian pengurangan ketebalan secara progresif, mensimulasikan proses pembentukan industri. Prinsipnya melibatkan pengukuran ketebalan minimum yang dapat dicapai sebelum retak tepi atau patah terjadi.

Peralatan khusus seperti alat uji cupping Erichsen mengevaluasi kemampuan pembentukan lembaran logam dengan menekan punch hemispherical ke dalam spesimen yang dijepit hingga patah, memberikan data yang relevan untuk penilaian malleabilitas.

Persyaratan Sampel

Spesimen uji standar biasanya memerlukan permukaan datar dan paralel dengan rasio lebar terhadap ketebalan setidaknya 8:1 untuk meminimalkan efek tepi. Finishing permukaan harus 0.8 μm Ra atau lebih baik untuk mencegah kegagalan prematur akibat cacat permukaan.

Spesimen harus bebas dari tegangan sisa yang dapat mempengaruhi perilaku deformasi, sering kali memerlukan perlakuan panas penghilang tegangan sebelum pengujian. Kondisi tepi sangat kritis, dengan tepi yang dimesin lebih disukai dibandingkan dengan tepi yang dipotong untuk mencegah retak prematur.

Parameter Uji

Pengujian standar biasanya dilakukan pada suhu ruangan (20-25°C) dan laju pemuatan kuasi-statis (0.001-0.1 s⁻¹). Untuk aplikasi suhu tinggi, pengujian dapat dilakukan pada suhu tinggi hingga suhu rekristalisasi dari kelas baja tertentu.

Laju regangan harus dikendalikan dengan tepat, karena laju yang lebih tinggi biasanya mengurangi malleabilitas yang tampak. Kondisi lingkungan, terutama kelembaban