Plastisitas dalam Baja: Mekanika Deformasi & Implikasi Manufaktur

Definisi dan Konsep Dasar

Plastisitas adalah kemampuan bahan padat untuk mengalami deformasi permanen tanpa patah ketika dikenakan gaya melebihi batas elastisnya. Sifat dasar ini memungkinkan baja dibentuk, dibentuk, dan dikerjakan menjadi berbagai konfigurasi melalui proses seperti penggulungan, penempaan, penarikan, dan pencetakan.

Dalam ilmu dan teknik material, plastisitas mewakili sifat mekanik kritis yang menentukan kemampuan bentuk dan kerja suatu material. Ini memungkinkan proses manufaktur yang mengubah baja mentah menjadi komponen yang berguna sambil mempertahankan integritas struktural.

Dalam metalurgi, plastisitas menempati posisi antara elastisitas dan patahan dalam spektrum respons mekanik. Ini mewakili rezim deformasi yang tidak dapat dibalik yang terjadi setelah deformasi elastis tetapi sebelum kegagalan akhir, memberikan dasar untuk operasi pembentukan logam di seluruh industri baja.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat atom, plastisitas dalam baja terwujud melalui pergerakan dislokasi—cacat kristalin linier dalam struktur kisi material. Ketika stres yang cukup diterapkan, dislokasi ini bergerak melalui struktur kristal dengan memutuskan dan membentuk kembali ikatan atom secara berurutan daripada secara bersamaan.

Pergerakan dislokasi ini terjadi sepanjang bidang kristalografi tertentu yang disebut bidang slip, yang biasanya memiliki densitas atom tertinggi. Kombinasi bidang slip dan arah slip membentuk sistem slip, yang menentukan bagaimana deformasi berlangsung melalui struktur kristal.

Dalam baja polikristalin, plastisitas melibatkan interaksi kompleks antara dislokasi dan fitur mikrostruktur lainnya seperti batas butir, presipitasi, dan dislokasi lainnya. Interaksi ini menciptakan resistensi terhadap pergerakan dislokasi, berkontribusi pada fenomena pengerasan kerja yang diamati selama deformasi plastis.

Model Teoretis

Kerangka teoretis utama untuk menggambarkan plastisitas adalah teori plastisitas kontinu, yang memperlakukan material sebagai media kontinu daripada struktur atom diskrit. Pendekatan ini menggunakan kriteria luluh untuk mendefinisikan transisi dari perilaku elastis ke plastis dan aturan aliran untuk menggambarkan deformasi selanjutnya.

Pemahaman historis tentang plastisitas berkembang secara signifikan pada awal abad ke-20 dengan kontribusi dari von Mises, Tresca, dan Prandtl, yang mengembangkan model matematis untuk memprediksi perilaku plastis. Konsep dislokasi, yang diusulkan oleh Taylor, Orowan, dan Polanyi pada tahun 1930-an, merevolusi pemahaman mikroskopis tentang deformasi plastis.

Pendekatan teoretis alternatif termasuk model plastisitas kristal, yang memperhitungkan perilaku anisotropik dalam kristal tunggal, dan model mikromechanical yang menjembatani kesenjangan antara deskripsi kontinu dan diskrit dengan menggabungkan fitur mikrostruktur secara eksplisit.

Dasar Ilmu Material

Plastisitas dalam baja sangat terkait dengan struktur kristalnya, dengan struktur kubik berpusat badan (BCC) dalam baja feritik dan struktur kubik berpusat wajah (FCC) dalam baja austenitik menunjukkan perilaku plastis yang berbeda. Struktur BCC biasanya menunjukkan plastisitas yang bergantung pada suhu, sementara struktur FCC menunjukkan perilaku yang lebih konsisten di seluruh suhu.

Batas butir secara signifikan mempengaruhi deformasi plastis dengan bertindak sebagai penghalang terhadap pergerakan dislokasi. Hubungan Hall-Petch mengkuantifikasi bagaimana pengurangan ukuran butir meningkatkan kekuatan luluh, mempengaruhi awal deformasi plastis.

Plastisitas terhubung dengan prinsip dasar ilmu material termasuk teori dislokasi, pengerasan kerja, dan sensitivitas laju regangan. Prinsip-prinsip ini menjelaskan fenomena seperti pita Lüders, efek Portevin-Le Chatelier, dan penuaan regangan dinamis yang terjadi selama deformasi plastis baja.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Regangan plastis ($\varepsilon_p$) didefinisikan secara matematis sebagai selisih antara regangan total ($\varepsilon_t$) dan regangan elastis ($\varepsilon_e$):

$$\varepsilon_p = \varepsilon_t - \varepsilon_e = \varepsilon_t - \frac{\sigma}{E}$$

Di mana $\sigma$ mewakili stres yang diterapkan dan $E$ adalah modulus elastisitas Young.

Formula Perhitungan Terkait

Stres aliran selama deformasi plastis dapat dijelaskan oleh persamaan Hollomon:

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

Di mana $K$ adalah koefisien kekuatan dan $n$ adalah eksponen pengerasan regangan. Persamaan ini digunakan untuk memprediksi perilaku stres-regangan selama operasi pembentukan.

Hubungan Ramberg-Osgood memberikan model lain untuk kurva stres-regangan:

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

Di mana $\alpha$ adalah parameter offset luluh. Formula ini sangat berguna untuk material yang bertransisi secara bertahap dari perilaku elastis ke plastis.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini mengasumsikan kondisi deformasi isothermal, quasi-statis dan umumnya berlaku untuk regangan kecil hingga sedang (biasanya kurang dari 0,5 atau 50%).

Model memiliki batasan pada laju regangan tinggi, suhu tinggi, atau keadaan stres kompleks di mana fenomena tambahan seperti pemulihan dinamis atau rekristalisasi dapat terjadi.

Kebanyakan model plastisitas mengasumsikan isotropi material, yang mungkin tidak valid untuk baja yang memiliki tekstur atau diproses secara berat yang mengembangkan sifat arah.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM E8/E8M: Metode Uji Standar untuk Pengujian Tarik Material Logam—memberikan prosedur untuk menentukan kekuatan luluh, yang menandai awal deformasi plastis.

ISO 6892-1: Material logam—Pengujian tarik—Bagian 1: Metode uji pada suhu kamar—menetapkan metode yang diakui secara internasional untuk mengkarakterisasi perilaku plastis.

ASTM E646: Metode Uji Standar untuk Eksponen Pengerasan Regangan (n-Values) Material Lembaran Logam—secara khusus membahas parameter terkait deformasi plastis.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Mesin pengujian universal yang dilengkapi dengan ekstensi adalah peralatan utama untuk mengukur sifat plastis. Mesin ini menerapkan gaya terkontrol sambil mengukur perpindahan dengan tepat.

Peralatan pengujian khusus termasuk penguji tonjolan untuk keadaan stres biaxial, penguji torsi untuk sifat geser, dan mesin pengujian kecepatan tinggi untuk evaluasi sensitivitas laju regangan.

Teknik karakterisasi lanjutan seperti Digital Image Correlation (DIC) memungkinkan pemetaan regangan lapangan penuh selama deformasi, memberikan informasi rinci tentang perilaku plastis yang terlokalisasi.

Persyaratan Sampel

Sampel tarik standar biasanya mengikuti geometri tulang anjing dengan panjang gauge 50mm untuk material lembaran atau dimensi proporsional berdasarkan diameter untuk sampel bulat.

Persyaratan persiapan permukaan termasuk penghilangan skala, dekarburisasi, atau anomali permukaan lain yang dapat memicu kegagalan prematur atau mempengaruhi pengukuran regangan.

Orientasi sampel harus dikontrol dengan hati-hati relatif terhadap arah penggulungan dalam produk lembaran, karena anisotropi secara signifikan mempengaruhi perilaku plastis.

Parameter Uji

Pengujian standar biasanya dilakukan pada suhu kamar (23±5°C) dan laju regangan quasi-statis (10^-3 hingga 10^-4 s^-1) untuk meminimalkan efek laju regangan.

Untuk aplikasi khusus, pengujian dapat dilakukan pada suhu tinggi (hingga 1000°C) atau pada laju regangan yang lebih tinggi untuk mensimulasikan kondisi pembentukan yang sebenarnya.

Parameter lingkungan seperti kelembaban harus dikontrol dalam kondisi laboratorium standar kecuali efek lingkungan tertentu sedang dipelajari.

Pengolahan Data

Data beban-perpindahan dikumpulkan secara terus-menerus