Set Permanen: Deformasi Tak Terbalik dalam Manufaktur & Desain Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Set permanen mengacu pada deformasi residual yang tetap ada dalam suatu material setelah stres yang diterapkan dihilangkan. Ini mewakili deformasi plastik yang tidak dapat dipulihkan yang terjadi ketika suatu material diberi stres melebihi batas elastis atau titik luluhnya. Properti ini sangat mendasar dalam rekayasa material karena mendefinisikan batas antara perilaku elastis dan plastik, menentukan apakah suatu komponen akan kembali ke dimensi aslinya setelah diberi beban.

Dalam metalurgi, set permanen berfungsi sebagai parameter kritis untuk mengevaluasi kinerja material dalam aplikasi struktural. Ini membedakan antara deformasi elastis sementara dan deformasi plastik permanen, memberikan informasi penting kepada insinyur tentang perilaku material di bawah beban. Memahami set permanen sangat penting untuk memprediksi masa pakai komponen, menetapkan margin keselamatan, dan menentukan parameter desain yang tepat.

Sifat Fisik dan Dasar Teoritis

Mechanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, set permanen terjadi akibat pergerakan dan perkalian dislokasi dalam kisi kristal. Ketika stres melebihi kekuatan luluh, dislokasi mulai bergerak sepanjang bidang slip, menyebabkan perpindahan permanen atom dari posisi aslinya. Pergerakan dislokasi ini menciptakan pita slip dan menghasilkan deformasi yang tidak dapat dipulihkan.

Dalam material baja, ketahanan terhadap pergerakan dislokasi menentukan awal set permanen. Berbagai mekanisme penguatan—seperti penguatan larutan padat, pengerasan presipitasi, dan pengerasan kerja—meningkatkan ketahanan ini dengan menghambat gerakan dislokasi. Interaksi antara dislokasi dan hambatan seperti batas butir, presipitat, dan dislokasi lainnya mengatur ketahanan material terhadap deformasi permanen.

Model Teoritis

Model teoritis utama yang menggambarkan set permanen adalah teori deformasi plastik, yang dibangun di atas konsep kriteria luluh. Kriteria luluh von Mises sering digunakan, menyatakan bahwa luluh dimulai ketika invarian stres deviasi kedua mencapai nilai kritis. Model ini secara efektif memprediksi awal set permanen pada material ductile seperti baja.

Secara historis, pemahaman tentang set permanen berkembang dari pengujian tarikan sederhana yang dilakukan oleh pelopor seperti Robert Hooke dan Thomas Young, yang mendirikan dasar-dasar teori elastisitas. Kemudian, peneliti seperti Ludwig Prandtl dan Richard von Mises mengembangkan model yang lebih canggih yang menggabungkan konsep plastisitas kristal.

Berbagai pendekatan teoritis termasuk kriteria Tresca (teori stres geser maksimum) dan berbagai model pengerasan regangan yang memperhitungkan respons material yang berubah setelah luluh. Setiap model menawarkan keuntungan untuk kondisi pemuatan atau perilaku material tertentu.

Dasar Ilmu Material

Set permanen sangat terkait dengan struktur kristal, dengan baja kubik berpusat badan (BCC) biasanya menunjukkan perilaku set permanen yang berbeda dibandingkan dengan baja kubik berpusat wajah (FCC). Batas butir bertindak sebagai penghalang terhadap pergerakan dislokasi, dengan struktur butir yang lebih halus umumnya menunjukkan ketahanan yang lebih tinggi terhadap deformasi permanen.

Mikrostruktur baja—termasuk distribusi fase, ukuran dan distribusi presipitat, dan kandungan inklusi—secara signifikan mempengaruhi perilaku set permanen. Struktur martensitik biasanya menunjukkan ketahanan yang lebih tinggi terhadap set permanen dibandingkan dengan struktur ferritik atau austenitik karena kepadatan dislokasi dan medan stres internal yang lebih tinggi.

Properti ini terhubung dengan prinsip dasar ilmu material termasuk pengerasan regangan, pemulihan, dan rekristalisasi. Keseimbangan antara proses-proses ini menentukan bagaimana suatu material merespons pemuatan di luar batas elastisnya dan sejauh mana deformasi permanen yang tersisa.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Rumus Definisi Dasar

Set permanen ($\varepsilon_p$) didefinisikan secara matematis sebagai:

$$\varepsilon_p = \varepsilon_t - \varepsilon_e$$

Di mana:
- $\varepsilon_p$ adalah set permanen (regangan plastik)
- $\varepsilon_t$ adalah total regangan yang dialami selama pemuatan
- $\varepsilon_e$ adalah regangan elastis yang pulih saat pengurangan beban

Rumus Perhitungan Terkait

Set permanen juga dapat dihubungkan dengan stres menggunakan hubungan Ramberg-Osgood:

$$\varepsilon = \frac{\sigma}{E} + \alpha\left(\frac{\sigma}{E}\right)^n$$

Di mana:
- $\varepsilon$ adalah total regangan
- $\sigma$ adalah stres yang diterapkan
- $E$ adalah modulus Young
- $\alpha$ adalah konstanta material
- $n$ adalah eksponen pengerasan regangan

Untuk pemuatan siklik, akumulasi set permanen dapat dimodelkan menggunakan:

$$\varepsilon_p(N) = \varepsilon_{p1} \cdot N^b$$

Di mana:
- $\varepsilon_p(N)$ adalah set permanen yang terakumulasi setelah N siklus
- $\varepsilon_{p1}$ adalah set permanen setelah siklus pertama
- $b$ adalah eksponen yang bergantung pada material
- $N$ adalah jumlah siklus pemuatan

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Rumus-rumus ini umumnya berlaku untuk material homogen, isotropik di bawah kondisi pemuatan uniaxial. Mereka mengasumsikan suhu tetap konstan dan laju regangan relatif rendah, menghindari efek dinamis.

Model-model ini memiliki batasan ketika diterapkan pada skenario pemuatan yang kompleks, material yang sangat anisotropik, atau kondisi suhu ekstrem. Selain itu, rumus-rumus ini biasanya mengasumsikan perilaku material yang kontinu tanpa memperhitungkan fenomena lokal seperti pita Lüders atau luluh yang tidak kontinu.

Kebanyakan model matematis untuk set permanen mengasumsikan regangan kecil (biasanya kurang dari 5-10%) dan tidak berlaku pada deformasi besar di mana non-linearitas geometris menjadi signifikan.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

• ASTM E8/E8M: Metode Pengujian Standar untuk Pengujian Tarikan Material Logam
• ISO 6892-1: Material logam — Pengujian tarik — Bagian 1: Metode pengujian pada suhu kamar
• ASTM E646: Metode Pengujian Standar untuk Eksponen Pengerasan Regangan Material Lembaran Logam
• JIS Z 2241: Material Logam - Pengujian Tarik - Metode Pengujian pada Suhu Kamar

Setiap standar memberikan prosedur spesifik untuk menentukan hubungan stres-regangan, termasuk metode untuk mengukur set permanen setelah pemuatan hingga tingkat stres tertentu.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Mesin pengujian universal yang dilengkapi dengan ekstensi adalah peralatan utama untuk mengukur set permanen. Mesin ini menerapkan beban tarik atau tekan yang terkontrol sambil mengukur perpindahan dengan tepat. Sistem modern menggabungkan kemampuan akuisisi dan analisis data digital.

Prinsip dasar melibatkan pemuatan spesimen hingga tingkat stres yang telah ditentukan, kemudian mengurangi beban dan mengukur deformasi residual. Ekstensi atau gauge regangan presisi tinggi mengukur perpindahan kecil dengan resolusi yang biasanya dalam rentang mikrostrain.

Peralatan canggih mungkin termasuk sistem pengukuran optik non-kontak menggunakan korelasi citra digital (DIC) atau interferometri laser untuk pemetaan regangan yang lebih tepat di seluruh permukaan spesimen.

Persyaratan Sampel

Sampel tarik standar biasanya memiliki panjang gauge 50mm (2 inci) dengan dimensi penampang yang sesuai untuk ketebalan material. Sampel bulat umumnya memiliki diameter antara 6-12.5mm, sementara sampel datar mempertahankan rasio lebar terhadap ketebalan tertentu.

Persiapan permukaan memerlukan penghilangan skala, lapisan oksida, atau bekas pemesinan yang dapat mempengaruhi perilaku deformasi. Spesimen harus bebas dari notches atau cacat permukaan yang dapat bertindak sebagai konsentrator stres.

Spesimen harus sejajar dengan sumbu pemuatan untuk mencegah momen pembengkokan yang dapat mempengaruhi hasil. Kondisi suhu mungkin