Quarter Hard (No. 3 Temper): Keras Seimbang untuk Pembentukan Logam

Definisi dan Konsep Dasar

Quarter Hard (No. 3 Temper) mengacu pada tingkat tertentu dari pengerjaan dingin yang diterapkan pada baja atau logam lainnya, yang menghasilkan peningkatan kekerasan dan kekuatan yang moderat dibandingkan dengan keadaan yang telah diannealing. Penunjukan temper ini menunjukkan bahwa material telah mengalami pengurangan ketebalan sekitar 10-20% melalui proses penggulungan atau penarikan dingin, mencapai sifat mekanik menengah antara kondisi sepenuhnya annealed (lunak) dan kondisi sepenuhnya keras.

Dalam ilmu material dan rekayasa, penunjukan temper memberikan referensi standar untuk derajat pengerasan kerja dan sifat mekanik yang dihasilkan. Quarter Hard mewakili kompromi yang seimbang antara kekuatan dan kemampuan dibentuk, menjadikannya cocok untuk aplikasi yang memerlukan kekuatan moderat sambil mempertahankan duktilitas yang wajar.

Dalam bidang metalurgi yang lebih luas, kondisi temper membentuk sistem klasifikasi dasar untuk logam yang dikerjakan dingin. Kondisi Quarter Hard menempati posisi tertentu dalam spektrum temper, menawarkan sifat mekanik yang dapat diprediksi yang dapat diandalkan oleh metalurgis dan insinyur untuk berbagai aplikasi.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, temper Quarter Hard dihasilkan dari pengenalan dan perkalian dislokasi dalam kisi kristal logam. Pengerjaan dingin menciptakan cacat linier ini yang menghambat pergerakan dislokasi lebih lanjut, sehingga meningkatkan ketahanan material terhadap deformasi.

Kondisi Quarter Hard mewakili kepadatan dislokasi yang moderat—lebih tinggi dari material yang telah diannealing tetapi lebih rendah dari temper setengah keras atau sepenuhnya keras. Struktur dislokasi yang terkontrol ini menciptakan penghalang yang efektif terhadap deformasi plastis sambil mempertahankan mobilitas yang cukup untuk operasi pembentukan yang moderat.

Mekanisme pengerasan regangan melibatkan baik keterikatan dislokasi maupun interaksi dislokasi dengan batas butir, presipitat, dan fitur mikrostruktur lainnya. Interaksi ini menciptakan mikrostruktur yang diperkuat dengan perilaku mekanik yang dapat diprediksi.

Model Teoretis

Model teoretis utama yang menggambarkan temper Quarter Hard adalah model pengerasan regangan (work hardening), yang menghubungkan tegangan aliran dengan kepadatan dislokasi melalui hubungan Taylor. Model ini menjelaskan bagaimana pengenalan dislokasi yang terkontrol melalui pengerjaan dingin meningkatkan kekuatan luluh.

Secara historis, pemahaman tentang kondisi temper berkembang dari pengamatan empiris pada awal abad ke-20 hingga model kuantitatif pada tahun 1950-an. Teori dislokasi Taylor dan hubungan Hall-Petch memberikan dasar teoretis untuk menjelaskan perubahan sifat mekanik yang diamati pada logam yang dikerjakan dingin.

Pendekatan modern menggabungkan model plastisitas kristal dan simulasi dinamika dislokasi untuk memprediksi perilaku mekanik dengan lebih tepat. Model-model canggih ini memperhitungkan perkembangan tekstur, efek batas butir, dan ketergantungan jalur regangan yang mempengaruhi sifat akhir dari material Quarter Hard.

Dasar Ilmu Material

Temper Quarter Hard secara langsung terkait dengan struktur kristal melalui interaksi dislokasi dengan sistem slip. Pada baja kubik berpusat badan (BCC), dislokasi berinteraksi secara berbeda dibandingkan dengan logam kubik berpusat wajah (FCC), menghasilkan perilaku pengerasan kerja yang berbeda untuk persentase pengurangan yang sama.

Batas butir dalam material Quarter Hard berfungsi sebagai sumber dan penghalang dislokasi. Pengerjaan dingin yang moderat terkait dengan temper ini biasanya memperpanjang butir dalam arah penggulungan tanpa secara signifikan mengurangi ukuran butir, menciptakan mikrostruktur khas dengan sifat arah.

Kondisi temper ini mencerminkan prinsip dasar ilmu material tentang hubungan struktur-sifat. Modifikasi mikrostruktur yang terkontrol melalui proses deformasi secara langsung menentukan sifat mekanik, menunjukkan bagaimana pemrosesan mempengaruhi struktur, yang pada gilirannya menentukan sifat.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Hubungan antara pengurangan pengerjaan dingin dan kekerasan untuk temper Quarter Hard dapat dinyatakan sebagai:

$$H = H_0 + K\sqrt{r}$$

Di mana $H$ mewakili kekerasan akhir, $H_0$ adalah kekerasan awal dalam kondisi annealed, $K$ adalah konstanta spesifik material, dan $r$ adalah persentase pengurangan ketebalan.

Formula Perhitungan Terkait

Peningkatan kekuatan akibat pengerjaan dingin dapat diperkirakan menggunakan:

$$\sigma_y = \sigma_0 + \alpha G b \sqrt{\rho}$$

Di mana $\sigma_y$ adalah kekuatan luluh setelah pengerjaan dingin, $\sigma_0$ adalah kekuatan luluh awal, $\alpha$ adalah konstanta (biasanya 0.3-0.5), $G$ adalah modulus geser, $b$ adalah vektor Burgers, dan $\rho$ adalah kepadatan dislokasi.

Persentase pengurangan untuk mencapai temper Quarter Hard dapat dihitung sebagai:

$$r = \frac{t_0 - t_f}{t_0} \times 100\%$$

Di mana $r$ adalah persentase pengurangan, $t_0$ adalah ketebalan awal, dan $t_f$ adalah ketebalan akhir. Untuk Quarter Hard, $r$ biasanya berkisar antara 10-20%.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini berlaku terutama untuk logam dan paduan fase tunggal dengan mikrostruktur yang relatif sederhana. Material multi-fase mungkin menunjukkan perilaku yang lebih kompleks yang memerlukan model yang dimodifikasi.

Hubungan linier antara kekerasan dan akar kuadrat persentase pengurangan menjadi kurang akurat pada tingkat pengurangan yang sangat tinggi (>50%) di mana efek saturasi menjadi signifikan.

Model-model ini mengasumsikan deformasi yang seragam di seluruh material dan tidak memperhitungkan konsentrasi regangan lokal, distribusi stres residual, atau efek tepi yang mungkin terjadi selama pemrosesan industri.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM E18: Metode Uji Standar untuk Kekerasan Rockwell Material Logam—mencakup metode pengujian kekerasan utama untuk material Quarter Hard.

ASTM E8/E8M: Metode Uji Standar untuk Pengujian Tarik Material Logam—memberikan prosedur untuk menentukan sifat tarik yang mengonfirmasi status Quarter Hard.

ISO 6892-1: Material logam — Pengujian tarik — Metode uji pada suhu kamar—menetapkan standar internasional untuk verifikasi sifat tarik.

ASTM E140: Tabel Konversi Kekerasan Standar untuk Logam—memungkinkan konversi antara berbagai skala kekerasan untuk pelaporan yang konsisten.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Penguji kekerasan Rockwell (biasanya menggunakan skala B untuk paduan yang lebih lunak dan skala C untuk baja yang lebih keras) menerapkan beban standar melalui indentor untuk mengukur ketahanan material terhadap penetrasi.

Mesin pengujian tarik dengan ekstensi mengukur hubungan stres-regangan, memberikan nilai kekuatan luluh, kekuatan tarik, dan perpanjangan yang menggambarkan kondisi Quarter Hard.

Mikroskop optik dan mikroskop elektron pemindai (SEM) memeriksa struktur butir dan pola deformasi untuk memverifikasi karakteristik mikrostruktur yang khas dari temper Quarter Hard.

Persyaratan Sampel

Sampel tarik standar biasanya mengikuti dimensi ASTM E8 dengan panjang gauge 50mm dan area penampang yang sesuai untuk ketebalan material.

Sampel uji kekerasan memerlukan permukaan datar dan paralel dengan persyaratan ketebalan minimum (biasanya >1mm) dan dukungan yang memadai untuk mencegah defleksi selama pengujian.

Persiapan permukaan mencakup penghilangan skala, lapisan oksida, dan daerah yang terdekarburisasi, diikuti dengan penghalusan yang sesuai untuk memastikan pembacaan kekerasan yang akurat.

Parameter Uji

Pengujian biasanya dilakukan pada suhu kamar (23±5°C) di bawah kondisi kelembaban yang terkontrol untuk memastikan reproduktifitas.

Uji tarik