Bukti Tegangan: Parameter Hasil Kritis dalam Pengujian Kinerja Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Proof stress adalah ukuran batas elastis suatu material, didefinisikan sebagai stres yang menyebabkan sejumlah deformasi permanen tertentu (biasanya 0,2% atau 0,1% dari dimensi asli). Ini berfungsi sebagai pengganti praktis untuk kekuatan luluh pada material yang tidak menunjukkan titik luluh yang jelas, seperti baja tahan karat austenitik dan logam non-ferrous.

Properti ini sangat mendasar dalam desain rekayasa karena mewakili stres maksimum yang dapat ditahan oleh suatu material sambil mempertahankan perilaku elastis yang dominan. Di luar proof stress, material mengalami deformasi plastis yang signifikan yang dapat mengompromikan integritas struktural dalam kondisi layanan.

Dalam ilmu metalurgi, proof stress menempati posisi kritis antara rezim deformasi elastis dan plastis. Ini menjembatani ilmu material teoritis dengan aplikasi rekayasa praktis, memberikan parameter yang dapat diandalkan untuk pemilihan material, desain komponen, dan kontrol kualitas dalam pembuatan baja.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, proof stress mewakili stres yang diperlukan untuk mengaktifkan dan memindahkan dislokasi melalui kisi kristal secara permanen. Ketika stres diterapkan, dislokasi menghadapi resistensi dari gesekan kisi, presipitat, batas butir, dan fitur mikrostruktur lainnya.

Transisi dari deformasi elastis ke plastis terjadi ketika stres yang diterapkan mengatasi hambatan ini, memungkinkan dislokasi untuk berlipat ganda dan bergerak melalui bidang slip. Pergerakan ini menciptakan deformasi permanen saat ikatan atom putus dan terbentuk kembali di posisi baru.

Resistensi terhadap pergerakan dislokasi bervariasi dengan fitur mikrostruktur seperti ukuran butir, distribusi presipitat, dan komposisi fase. Fitur-fitur ini menentukan besarnya proof stress dan dapat dimanipulasi melalui paduan dan pemrosesan untuk mencapai sifat mekanik yang diinginkan.

Model Teoretis

Model teoretis utama yang menggambarkan proof stress didasarkan pada teori dislokasi, khususnya hubungan Taylor: $\tau = \alpha G b \sqrt{\rho}$, di mana τ adalah stres geser, G adalah modulus geser, b adalah vektor Burgers, ρ adalah densitas dislokasi, dan α adalah konstanta.

Secara historis, pemahaman tentang proof stress berkembang dari karya awal oleh Ludwig Prandtl dan Geoffrey Ingram Taylor pada awal abad ke-20, yang mengembangkan konsep dislokasi untuk menjelaskan deformasi plastis. Ini kemudian disempurnakan oleh Orowan, Polanyi, dan Taylor pada tahun 1930-an.

Pendekatan modern mencakup model plastisitas kristal yang menggabungkan efek orientasi butir dan hubungan Hall-Petch yang memperhitungkan penguatan batas butir. Metode komputasi seperti dinamika molekuler dan analisis elemen hingga kini melengkapi kerangka teoretis ini.

Dasar Ilmu Material

Proof stress sangat terkait dengan struktur kristal, dengan baja kubik berpusat badan (BCC) biasanya menunjukkan proof stress yang lebih tinggi dibandingkan dengan baja kubik berpusat muka (FCC) karena perbedaan dalam sistem slip dan mobilitas dislokasi. Batas butir bertindak sebagai penghalang terhadap pergerakan dislokasi, meningkatkan proof stress saat ukuran butir berkurang.

Mikrostruktur baja—termasuk fase yang ada, morfologinya, dan distribusinya—secara signifikan mempengaruhi proof stress. Struktur martensitik biasanya menunjukkan proof stress yang lebih tinggi dibandingkan dengan struktur ferritik atau austenitik karena densitas dislokasi yang lebih tinggi dan atom karbon interstisial.

Properti ini menggambarkan hubungan struktur-sifat yang menjadi pusat ilmu material. Ini menunjukkan bagaimana susunan atom dan cacat mengontrol perilaku mekanik makroskopik, menggambarkan sifat multi-skala dari sifat material dari dimensi atom hingga rekayasa.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Proof stress ($\sigma_p$) didefinisikan secara matematis sebagai:

$\sigma_p = \frac{F_p}{A_0}$

Di mana:
- $F_p$ adalah gaya yang sesuai dengan regangan permanen yang ditentukan (biasanya 0,2%)
- $A_0$ adalah luas penampang asli dari spesimen

Formula Perhitungan Terkait

Metode offset untuk menentukan proof stress melibatkan:

$\varepsilon_{offset} = \frac{\sigma}{E} + 0.002$

Di mana:
- $\varepsilon_{offset}$ adalah offset regangan (biasanya 0,2% atau 0,002)
- $\sigma$ adalah stres
- $E$ adalah modulus elastis

Proof stress juga dapat terkait dengan kekerasan melalui hubungan empiris:

$\sigma_{0.2} \approx \frac{HV \times 9.807}{3}$

Di mana:
- $\sigma_{0.2}$ adalah proof stress 0,2% dalam MPa
- $HV$ adalah angka kekerasan Vickers

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini mengasumsikan sifat material yang homogen dan distribusi stres yang seragam di seluruh spesimen. Mereka hanya berlaku untuk kondisi pemuatan quasi-statis pada suhu konstan.

Metode offset mengasumsikan perilaku elastis linier hingga proof stress, yang mungkin tidak akurat untuk material yang menunjukkan anelastisitas atau mikroplastisitas yang signifikan pada stres rendah. Korelasi kekerasan bersifat perkiraan dan bervariasi dengan jenis material dan riwayat pemrosesan.

Model matematis ini mengasumsikan perilaku material isotropik, yang mungkin tidak berlaku untuk baja yang memiliki tekstur atau yang telah dikerjakan dingin secara berat. Untuk material yang sangat anisotropik, nilai proof stress yang spesifik arah harus ditentukan.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM E8/E8M: Metode Uji Standar untuk Pengujian Tarik Material Logam (mencakup prosedur rinci untuk menentukan proof stress pada material logam termasuk persiapan spesimen, kondisi uji, dan analisis data).

ISO 6892-1: Material logam — Pengujian tarik — Bagian 1: Metode uji pada suhu kamar (menentukan metode untuk pengujian tarik untuk menentukan proof stress dan sifat mekanik lainnya).

EN 10002-1: Material logam - Pengujian tarik - Bagian 1: Metode uji pada suhu lingkungan (standar Eropa untuk pengujian tarik termasuk penentuan proof stress).

JIS Z 2241: Metode pengujian tarik untuk material logam (standar Jepang yang mencakup prosedur dan persyaratan pengujian proof stress).

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Mesin pengujian universal (UTM) dengan kapasitas beban berkisar antara 5 kN hingga 1000 kN umumnya digunakan untuk menentukan proof stress. Mesin ini menerapkan gaya tarik yang terkontrol sambil mengukur perpanjangan dengan presisi tinggi.

Extensometer mengukur perpanjangan spesimen selama pengujian, dengan sistem modern menggunakan lengan kontak mekanis atau extensometri laser atau video tanpa kontak. Perangkat ini biasanya memiliki resolusi lebih baik dari 0,5 μm dan akurasi ±0,5% atau lebih baik.

Pengujian lanjutan dapat menggunakan sistem korelasi citra digital (DIC) yang melacak pola permukaan untuk mengukur distribusi regangan di seluruh bidang. Teknik ini sangat berharga untuk material dengan perilaku deformasi yang tidak seragam.

Persyaratan Sampel

Spesimen tarik standar biasanya memiliki panjang gauge 50 mm untuk material lembar atau 5 kali diameter untuk spesimen bulat. Spesimen bulat umumnya memiliki diameter 6-14 mm, sementara spesimen datar memiliki ketebalan 0,5-10 mm.

Persiapan permukaan memerlukan penghilangan skala, dekaburisasi, atau bekas pemesinan yang dapat bertindak sebagai konsentrator stres. Finishing permukaan akhir harus 0,8 μm Ra atau lebih baik, tanpa goresan yang terlihat tegak lurus terhadap arah pemuatan.

Spesimen harus bebas dari stres residual yang dapat mempengaruhi hasil, sering kali memerlukan perl