Sifat Fisik Baja: Pengukuran Kunci untuk Desain Rekayasa

Definisi dan Konsep Dasar

Sifat fisik pada baja mengacu pada karakteristik bawaan yang menggambarkan perilakunya di bawah berbagai kondisi tanpa mengubah komposisi kimianya. Sifat-sifat ini termasuk densitas, konduktivitas termal, konduktivitas listrik, sifat magnetik, ekspansi termal, titik lebur, dan kapasitas panas spesifik. Sifat fisik adalah dasar untuk memahami perilaku baja dalam berbagai aplikasi dan lingkungan.

Sifat fisik berbeda dari sifat mekanik karena mereka menggambarkan karakteristik material bawaan daripada respons terhadap gaya yang diterapkan. Mereka membentuk dasar untuk pemilihan material dalam aplikasi teknik di mana kondisi lingkungan, manajemen termal, atau kebutuhan listrik adalah pertimbangan kritis.

Dalam metalurgi, sifat fisik menjembatani kesenjangan antara struktur atom dan perilaku makroskopik. Mereka mewakili manifestasi dari ikatan atom, struktur kristal, dan fitur mikrostruktur yang mendefinisikan perilaku baja dalam berbagai lingkungan dan kondisi tanpa beban mekanis eksternal.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Sifat fisik baja berasal dari tingkat atom, terutama ditentukan oleh struktur elektronik dan karakteristik ikatan besi dan unsur paduannya. Struktur kristal kubik berpusat tubuh (BCC) atau kubik berpusat wajah (FCC) dari baja, bersama dengan cacat kisi, mengatur sifat-sifat seperti konduktivitas termal dan resistivitas listrik.

Mobilitas elektron dalam kisi kristal menentukan konduktivitas listrik, sementara getaran fonon dan pergerakan elektron mengontrol konduktivitas termal. Sifat magnetik muncul dari putaran elektron yang tidak berpasangan di orbital-d atom besi, menciptakan domain magnetik yang penyelarasan menentukan respons magnetik keseluruhan.

Ekspansi termal dihasilkan dari getaran atom asimetris saat suhu meningkat, menyebabkan atom menempati posisi rata-rata yang lebih besar. Fenomena tingkat atom ini secara kolektif muncul sebagai sifat fisik yang dapat diukur pada skala makroskopik.

Model Teoretis

Model Drude-Lorentz memberikan kerangka klasik untuk memahami konduktivitas listrik dan termal dalam logam, memperlakukan elektron sebagai gas partikel bebas yang bergerak melalui kisi ion positif. Model ini kemudian disempurnakan oleh pendekatan mekanika kuantum seperti model Sommerfeld, yang menggabungkan statistik Fermi-Dirac.

Pemahaman historis tentang sifat fisik berkembang dari pengamatan empiris pada abad ke-19 hingga penjelasan mekanika kuantum pada abad ke-20. Pengembangan teori pita lebih lanjut menjelaskan perbedaan konduktivitas antara logam, semikonduktor, dan isolator.

Untuk sifat magnetik, teori medan molekuler Weiss dan model mekanika kuantum yang lebih canggih menjelaskan ferromagnetisme pada baja. Sifat termal dijelaskan menggunakan model Debye untuk kapasitas panas spesifik dan berbagai model untuk ekspansi termal berdasarkan getaran kisi anharmonik.

Dasar Ilmu Material

Struktur kristal secara fundamental mempengaruhi sifat fisik, dengan ferrit BCC dan austenit FCC menunjukkan konduktivitas, respons magnetik, dan karakteristik ekspansi termal yang berbeda. Batas butir bertindak sebagai pusat penyebaran untuk elektron dan fonon, mengurangi baik konduktivitas listrik maupun termal.

Fitur mikrostruktur seperti distribusi fase, presipitasi, dan dislokasi menciptakan variasi lokal dalam sifat fisik. Misalnya, struktur pearlitik dengan lapisan ferrit dan semenit yang bergantian menunjukkan konduktivitas anisotropik karena sifat yang berbeda dari setiap fase.

Sifat-sifat ini terhubung dengan prinsip dasar ilmu material seperti aturan Hume-Rothery yang mengatur larutan padat, dan hubungan antara struktur elektronik dan perilaku fisik seperti yang dijelaskan oleh mekanika kuantum dan fisika keadaan padat.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Untuk konduktivitas termal, persamaan definisi dasar adalah:

$$q = -k \nabla T$$

Di mana $q$ adalah fluks panas (W/m²), $k$ adalah konduktivitas termal (W/m·K), dan $\nabla T$ adalah gradien suhu (K/m). Tanda negatif menunjukkan bahwa panas mengalir dari daerah suhu yang lebih tinggi ke daerah suhu yang lebih rendah.

Untuk konduktivitas listrik, hubungan dinyatakan oleh hukum Ohm:

$$J = \sigma E$$

Di mana $J$ adalah kerapatan arus (A/m²), $\sigma$ adalah konduktivitas listrik (S/m), dan $E$ adalah medan listrik (V/m).

Formula Perhitungan Terkait

Ketergantungan suhu dari resistivitas listrik dalam logam dapat diperkirakan dengan:

$$\rho(T) = \rho_0$$1 + \alpha(T - T_0)$$$$

Di mana $\rho(T)$ adalah resistivitas pada suhu $T$, $\rho_0$ adalah resistivitas pada suhu referensi $T_0$, dan $\alpha$ adalah koefisien suhu dari resistivitas.

Hukum Wiedemann-Franz menghubungkan konduktivitas termal ($k$) dengan konduktivitas listrik ($\sigma$):

$$\frac{k}{\sigma T} = L$$

Di mana $L$ adalah angka Lorenz (sekitar 2.44 × 10⁻⁸ W·Ω/K² untuk sebagian besar logam), dan $T$ adalah suhu absolut.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini mengasumsikan material homogen, isotropik di bawah kondisi keadaan tetap. Untuk baja dengan mikrostruktur kompleks, variasi lokal mungkin memerlukan model yang lebih canggih atau koreksi empiris.

Hukum Wiedemann-Franz paling baik berlaku untuk logam murni pada suhu sedang hingga tinggi di mana penyebaran elektron-elektron minimal. Penyimpangan terjadi pada suhu yang sangat rendah atau dalam paduan dengan penyebaran kotoran yang signifikan.

Hubungan ekspansi termal linier hanya berlaku untuk perubahan suhu kecil, biasanya di bawah 50% dari suhu lebur. Di luar rentang ini, istilah nonlinier menjadi signifikan.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM E1461: Metode Uji Standar untuk Difusivitas Termal dengan Metode Flash, mencakup pengukuran difusivitas termal dari mana konduktivitas termal dapat dihitung.

ASTM B193: Metode Uji Standar untuk Resistivitas Material Konduktor Listrik, merinci prosedur untuk mengukur resistivitas listrik dari material logam.

ISO 17359: Pemantauan kondisi dan diagnostik mesin - Pedoman umum, termasuk metode untuk mengukur sifat fisik sebagai bagian dari pemantauan kondisi.

ASTM E228: Metode Uji Standar untuk Ekspansi Termal Linier Material Padat Dengan Dilatometer Push-Rod, menentukan prosedur untuk mengukur koefisien ekspansi termal.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Perangkat laser flash mengukur difusivitas termal dengan memanaskan satu sisi spesimen tipis dengan pulsa laser dan mengukur kenaikan suhu di sisi yang berlawanan. Konduktivitas termal dihitung menggunakan difusivitas yang diukur, kapasitas panas spesifik, dan densitas.

Sistem probe empat titik mengukur resistivitas listrik dengan mengalirkan arus melalui kontak luar sambil mengukur penurunan tegangan di antara kontak dalam, menghilangkan efek resistansi kontak.

Dilatometer mengukur ekspansi termal dengan melacak perubahan dimensi spesimen selama siklus pemanasan dan pendinginan yang terkontrol. Dilatometer push-rod, optik, dan kapasitansi menawarkan tingkat presisi yang bervariasi.

Magnetometer sampel bergetar (VSM) dan perangkat interferensi kuantum superkonduktor (SQUID) mengkarakterisasi sifat magnetik dengan mengukur momen magnetik sebagai fungsi dari medan yang diterapkan, suhu, atau orientasi.

Persyaratan Sampel

Untuk pengujian konduktivitas termal, spesimen biasanya memerlukan permukaan datar paralel dengan dimensi diameter 10-25 mm dan ketebalan 1-3 mm untuk metode flash. Rata-rata datar permukaan dalam 0.01 mm sering kali diperlukan.