Deformasi Plastik: Dasar-dasar & Aplikasi dalam Pengolahan Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Deformasi plastik mengacu pada perubahan bentuk atau ukuran permanen suatu material ketika dikenakan stres melebihi batas elastisnya (kekuatan luluh), tanpa patah. Berbeda dengan deformasi elastis, deformasi plastik bersifat tidak dapat dibalik, yang berarti material tidak kembali ke dimensi aslinya ketika stres yang diterapkan dihilangkan.

Properti ini sangat mendasar untuk proses pengolahan logam seperti penempaan, penggulungan, ekstrusi, dan penarikan, yang secara sengaja mendistorsi logam untuk mencapai bentuk dan sifat yang diinginkan. Deformasi plastik juga memainkan peran penting dalam memahami perilaku material selama kondisi layanan, terutama ketika komponen mengalami beban melebihi parameter desainnya.

Dalam metalurgi, deformasi plastik mewakili jembatan penting antara pemrosesan, struktur, dan sifat. Ini secara langsung mempengaruhi sifat mekanik termasuk kekuatan, kekerasan, dan ketangguhan, sambil juga mempengaruhi fitur mikrostruktur seperti ukuran butir, kerapatan dislokasi, dan tekstur kristalografi. Memahami mekanisme deformasi plastik memungkinkan metalurgis untuk merancang paduan dengan karakteristik kinerja yang dioptimalkan untuk aplikasi tertentu.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat atom, deformasi plastik pada material kristalin seperti baja terjadi terutama melalui pergerakan dislokasi—cacat kristalin linier dalam susunan atom yang teratur. Ketika stres yang cukup diterapkan, dislokasi ini bergerak melalui kisi kristal dengan memutuskan dan membentuk kembali ikatan atom secara berurutan.

Pergerakan dislokasi ini memungkinkan lapisan atom untuk meluncur satu sama lain tanpa sepenuhnya memisahkan material. Saat dislokasi bergerak melalui struktur kristal, mereka menemui hambatan seperti batas butir, presipitat, dan dislokasi lainnya, yang memerlukan energi tambahan untuk mengatasi hambatan ini. Interaksi antara dislokasi dan fitur mikrostruktur membentuk dasar untuk mekanisme penguatan pada baja.

Pada material polikristalin seperti baja komersial, deformasi plastik melibatkan interaksi kompleks antara butir yang memiliki orientasi berbeda, dengan deformasi terjadi sepanjang sistem slip kristalografi tertentu. Perilaku kolektif dari proses deformasi mikroskopis ini terwujud sebagai perubahan bentuk makroskopis.

Model Teoretis

Kerangka teoretis utama untuk memahami deformasi plastik adalah teori dislokasi, yang pertama kali diusulkan secara independen oleh Taylor, Orowan, dan Polanyi pada tahun 1934. Teori ini menjelaskan bagaimana material kristalin dapat mengalami deformasi pada stres yang diterapkan jauh lebih rendah daripada prediksi kekuatan teoretis berdasarkan kristal sempurna.

Secara historis, pemahaman tentang deformasi plastik berkembang dari pengamatan empiris pada abad ke-19 menjadi formulasi matematis pada awal abad ke-20. Pengembangan mikroskop elektron transmisi pada tahun 1950-an memberikan bukti langsung tentang dislokasi, memvalidasi model teoretis.

Pendekatan modern terhadap deformasi plastik mencakup model plastisitas kristal yang menggabungkan efek orientasi kristalografi, teori plastisitas kontinu yang menggambarkan perilaku makroskopis, dan teknik pemodelan multiskala yang menjembatani fenomena tingkat atom dengan prediksi skala rekayasa. Setiap pendekatan menawarkan keuntungan yang berbeda tergantung pada skala yang diminati dan sumber daya komputasi yang tersedia.

Dasar Ilmu Material

Deformasi plastik sangat terkait dengan struktur kristal, dengan logam kubus berpusat wajah (FCC) umumnya menunjukkan ketangguhan yang lebih besar dibandingkan dengan struktur kubus berpusat badan (BCC) atau kemasan rapat heksagonal (HCP) karena ketersediaan lebih banyak sistem slip. Pada baja, struktur BCC dari ferit dan struktur FCC dari austenit menunjukkan perilaku deformasi yang sangat berbeda.

Batas butir secara signifikan mempengaruhi deformasi plastik dengan bertindak sebagai penghalang bagi pergerakan dislokasi. Hubungan Hall-Petch mengkuantifikasi bagaimana penurunan ukuran butir meningkatkan kekuatan luluh. Selain itu, gesekan batas butir dapat berkontribusi pada deformasi pada suhu tinggi.

Deformasi plastik terhubung dengan prinsip dasar ilmu material termasuk termodinamika dan kinetika. Energi yang tersimpan terkait dengan dislokasi yang diperkenalkan selama deformasi memberikan gaya pendorong untuk perubahan mikrostruktur berikutnya seperti pemulihan, rekristalisasi, dan pertumbuhan butir selama perlakuan panas.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Awal deformasi plastik biasanya didefinisikan oleh kriteria luluh. Kriteria luluh von Mises umumnya digunakan untuk logam yang mudah ditempa:

$$\sigma_e = \sqrt{\frac{1}{2}$$(\sigma_1-\sigma_2)^2+(\sigma_2-\sigma_3)^2+(\sigma_3-\sigma_1)^2$$} \geq \sigma_y$$

Di mana:
- $\sigma_e$ adalah stres efektif
- $\sigma_1$, $\sigma_2$, $\sigma_3$ adalah stres utama
- $\sigma_y$ adalah kekuatan luluh material

Formula Perhitungan Terkait

Peningkatan regangan plastik dapat dihitung menggunakan aturan aliran Prandtl-Reuss:

$$d\varepsilon_{ij}^p = d\lambda \frac{\partial f}{\partial \sigma_{ij}}$$

Di mana:
- $d\varepsilon_{ij}^p$ adalah tensor peningkatan regangan plastik
- $d\lambda$ adalah faktor proporsionalitas skalar
- $f$ adalah fungsi luluh
- $\sigma_{ij}$ adalah tensor stres

Untuk material yang mengeras akibat kerja, hubungan antara stres dan regangan plastik dapat dijelaskan oleh persamaan Hollomon:

$$\sigma = K\varepsilon_p^n$$

Di mana:
- $\sigma$ adalah stres sejati
- $\varepsilon_p$ adalah regangan plastik sejati
- $K$ adalah koefisien kekuatan
- $n$ adalah eksponen penguatan regangan

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Model matematis ini mengasumsikan perilaku material isotropik, yang mungkin tidak valid untuk material yang memiliki tekstur atau yang memiliki anisotropi signifikan. Kriteria von Mises bekerja dengan baik untuk logam yang mudah ditempa tetapi kurang akurat untuk material dengan perilaku luluh yang bergantung pada tekanan.

Kebanyakan model plastisitas mengasumsikan perilaku yang tidak tergantung pada laju, yang menjadi tidak valid pada laju regangan tinggi atau suhu tinggi di mana efek viskoplastik menjadi signifikan. Selain itu, model-model ini biasanya mengabaikan evolusi mikrostruktur selama deformasi, membatasi penerapannya untuk regangan besar.

Formulasi yang disajikan mengasumsikan proses deformasi yang kontinu dan mungkin tidak secara akurat menangkap fenomena luluh yang diskontinu seperti pita Lüders atau efek Portevin-Le Chatelier yang diamati pada baja tertentu dalam kondisi tertentu.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

• ASTM E8/E8M: Metode Uji Standar untuk Pengujian Tarik Material Logam
• ISO 6892-1: Material logam — Pengujian tarik — Bagian 1: Metode uji pada suhu kamar
• ASTM E517: Metode Uji Standar untuk Rasio Regangan Plastik r untuk Logam Lembaran
• ISO 10275: Material logam — Lembaran dan strip — Penentuan eksponen penguatan regangan tarik

Setiap standar menyediakan prosedur rinci untuk persiapan spesimen, kondisi pengujian, dan metode analisis data untuk memastikan pengukuran karakteristik deformasi plastik yang dapat direproduksi.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Mesin pengujian universal yang dilengkapi dengan sel beban dan ekstensiometer adalah peralatan utama untuk mengukur sifat deformasi plastik. Sistem modern menggabungkan akuisisi data digital dan kontrol komputer untuk memastikan laju pemuatan yang tepat dan pengukuran yang akurat.

Sistem korelasi citra digital (DIC) menggunakan kamera resolusi tinggi untuk melacak pola permukaan selama deformasi, memungkinkan pemetaan regangan seluruh bidang tanpa kontak fisik dengan spesimen. Teknik ini sangat berharga untuk mengidentifikasi fenomena lokalisasi regangan