Peregangan pada Baja: Fenomena Deformasi Kritis dalam Pengujian Tarik

Definisi dan Konsep Dasar

Necking mengacu pada pengurangan area penampang yang terlokalisasi yang terjadi pada suatu material di bawah tegangan tarik, biasanya setelah mencapai kekuatan tarik maksimum dan mulai mengalami deformasi plastis. Fenomena ini mewakili transisi kritis dari deformasi seragam ke deformasi terlokalisasi, menandai awal tahap akhir sebelum patah pada material yang ulet.

Dalam ilmu material dan teknik, necking adalah indikator fundamental dari duktilitas suatu material dan kemampuannya untuk menahan deformasi plastis sebelum kegagalan. Awal dan perkembangan necking memberikan informasi penting tentang perilaku material di bawah beban dan kesesuaiannya untuk aplikasi yang memerlukan kemampuan pembentukan.

Dalam bidang metalurgi yang lebih luas, necking berfungsi sebagai parameter kunci dalam memahami hubungan tegangan-regangan dari baja dan logam lainnya. Ini menjembatani pemahaman teoretis tentang kekuatan material dengan aplikasi praktis dalam proses manufaktur seperti penarikan, peregangan, dan operasi pembentukan di mana deformasi yang terkontrol sangat penting.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, necking terjadi ketika dislokasi dalam kisi kristal terkonsentrasi di daerah terlokalisasi, menyebabkan aliran plastis yang dipercepat di area tersebut. Lokalisasi ini terjadi ketika laju pengerasan kerja tidak lagi dapat mengimbangi pengurangan area penampang selama deformasi.

Proses ini melibatkan interaksi kompleks antara pengerasan regangan dan pelunakan geometris. Saat material meregang, peningkatan kerapatan dislokasi awalnya memperkuat material (pengerasan regangan), tetapi akhirnya, pengurangan area penampang (pelunakan geometris) mendominasi, menyebabkan ketidakstabilan dan deformasi terlokalisasi.

Secara khusus pada baja, mobilitas dislokasi, keberadaan presipitat, dan interaksi batas butir semuanya mempengaruhi bagaimana dan kapan necking dimulai. Fitur mikrostruktur seperti ukuran butir, distribusi fase, dan kandungan inklusi secara langsung mempengaruhi perilaku necking.

Model Teoretis

Kriteria Considère mewakili model teoretis utama yang menggambarkan awal necking, menyatakan bahwa necking dimulai ketika tegangan sejati sama dengan laju pengerasan regangan. Secara matematis, ini terjadi pada titik beban maksimum di mana kurva tegangan-regangan teknik mencapai puncaknya.

Secara historis, pemahaman tentang necking berkembang dari pengamatan empiris pada abad ke-19 hingga formulasi matematis oleh Considère pada tahun 1885, diikuti oleh penyempurnaan dari Hollomon, Voce, dan Swift pada pertengahan abad ke-20. Perkembangan ini menetapkan hubungan antara pengerasan kerja dan perilaku necking.

Pendekatan modern mencakup kriteria Hart, yang memperhitungkan sensitivitas laju regangan, dan teknik pemodelan elemen hingga yang dapat memprediksi perilaku necking dalam geometri kompleks. Model-model canggih ini menggabungkan evolusi mikrostruktur selama deformasi, memberikan prediksi yang lebih akurat untuk baja berkekuatan tinggi modern.

Dasar Ilmu Material

Perilaku necking sangat terkait dengan struktur kristal, dengan material kubik berpusat muka (FCC) biasanya menunjukkan necking yang lebih jelas dibandingkan dengan material kubik berpusat badan (BCC) karena perbedaan dalam sistem slip dan mobilitas dislokasi. Batas butir bertindak sebagai penghalang bagi pergerakan dislokasi dan sumber dislokasi baru.

Mikrostruktur baja secara signifikan mempengaruhi perilaku necking, dengan material berbutir halus umumnya menunjukkan deformasi yang lebih seragam sebelum necking. Komposisi fase juga memainkan peran penting, dengan baja multi-fase menunjukkan pola necking yang kompleks berdasarkan sifat mekanik dari fase individu.

Properti ini terhubung dengan prinsip dasar ilmu material termasuk teori dislokasi, mekanisme pengerasan regangan, dan konsep ketidakstabilan plastis. Persaingan antara pengerasan kerja dan pelunakan geometris mewakili contoh klasik dari mekanisme yang bersaing yang menentukan perilaku material.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Kriteria Considère secara matematis mendefinisikan awal necking sebagai titik di mana:

$$\frac{d\sigma}{d\varepsilon} = \sigma$$

Di mana $\sigma$ adalah tegangan sejati dan $\varepsilon$ adalah regangan sejati. Persamaan ini mewakili kondisi di mana laju pengerasan regangan sama dengan tegangan sejati, menandai awal ketidakstabilan plastis.

Formula Perhitungan Terkait

Tegangan sejati dan regangan sejati di daerah necking dapat dihitung menggunakan:

$$\sigma_t = \sigma_e(1+\varepsilon_e)$$
$$\varepsilon_t = \ln(1+\varepsilon_e)$$

Di mana $\sigma_t$ adalah tegangan sejati, $\sigma_e$ adalah tegangan teknik, $\varepsilon_t$ adalah regangan sejati, dan $\varepsilon_e$ adalah regangan teknik. Formula ini penting untuk menganalisis perilaku material di luar daerah perpanjangan seragam.

Pengurangan area selama necking dapat diukur sebagai:

$$RA = \frac{A_0 - A_f}{A_0} \times 100\%$$

Di mana $RA$ adalah persentase pengurangan area, $A_0$ adalah area penampang awal, dan $A_f$ adalah area penampang akhir di daerah necked setelah patah.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini berlaku terutama untuk material isotropik di bawah pemuatan tarik uniaxial pada laju regangan kuasi-statis. Mereka mengasumsikan sifat material yang homogen di seluruh spesimen dan efek yang dapat diabaikan dari sensitivitas laju regangan.

Model matematis memiliki batasan ketika diterapkan pada material yang sangat anisotropik, kondisi pemuatan yang kompleks, atau suhu ekstrem. Selain itu, mereka mungkin tidak memprediksi perilaku dengan akurat pada material dengan sensitivitas laju regangan yang jelas atau yang menunjukkan pengeluaran bergerigi.

Formulasi ini mengasumsikan bahwa necking berkembang secara bertahap dan bahwa sifat material tetap konsisten selama proses deformasi. Untuk material dengan perubahan mikrostruktur selama deformasi (misalnya, baja plastisitas yang diinduksi transformasi), pertimbangan tambahan diperlukan.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM E8/E8M: Metode Uji Standar untuk Pengujian Tarik Material Logam – Menyediakan prosedur komprehensif untuk menentukan sifat tarik termasuk perilaku necking.

ISO 6892-1: Material logam — Pengujian tarik — Bagian 1: Metode uji pada suhu ruang – Menetapkan standar internasional untuk pengujian tarik termasuk evaluasi necking.

JIS Z 2241: Metode uji tarik untuk material logam – Standar Jepang yang merinci prosedur pengujian tarik dengan ketentuan untuk pengukuran necking.

EN 10002-1: Material logam - Pengujian tarik - Bagian 1: Metode uji pada suhu lingkungan – Standar Eropa untuk pengujian tarik termasuk karakterisasi necking.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Mesin uji universal (UTM) dengan kapasitas beban berkisar antara 5 kN hingga 1000 kN umumnya digunakan untuk studi necking, dilengkapi dengan ekstensi untuk mengukur perpanjangan selama pengujian. Sistem modern menggabungkan teknologi korelasi citra digital (DIC) untuk memetakan distribusi regangan di seluruh permukaan spesimen.

Prinsip dasar melibatkan penerapan beban tarik uniaxial yang terus meningkat pada spesimen standar sambil mencatat gaya dan perpindahan. Fenomena necking diamati setelah titik beban maksimum ketika deformasi terlokalisasi.

Karakterisasi canggih dapat menggunakan tahap tarik SEM/TEM in-situ untuk mengamati evolusi mikrostruktur selama necking, atau kamera berkecepatan tinggi untuk menangkap perilaku necking dinamis dalam pengujian laju regangan tinggi.

Persyaratan Sampel

Spesimen tarik datar standar biasanya memiliki panjang gauge 50 mm dengan penampang persegi panjang sekitar 12,5 mm lebar dan ketebalan 2-3 mm. Spesimen bulat umumnya memiliki diameter gauge 6-12,