Pengurangan Area: Indikator Duktilitas Kritis dalam Pengujian Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Pengurangan Area (RA) adalah sifat mekanik dasar yang mengukur persentase penurunan area penampang dari spesimen tarik pada titik patah dibandingkan dengan area penampang aslinya. Sifat ini berfungsi sebagai indikator penting dari duktilitas material dan kemampuannya untuk mengalami deformasi plastis sebelum patah terjadi.

Pengurangan area memberikan informasi penting kepada insinyur tentang kapasitas material untuk menahan deformasi lokal, terutama selama penipisan di daerah deformasi plastis. Berbeda dengan perpanjangan, yang mengukur pemanjangan keseluruhan spesimen, pengurangan area secara khusus mengukur deformasi lokal pada titik patah.

Dalam metalurgi, pengurangan area menempati posisi penting di antara sifat mekanik, melengkapi kekuatan luluh, kekuatan tarik, dan perpanjangan untuk memberikan pemahaman yang komprehensif tentang perilaku mekanik material. Ini sangat berharga untuk mengevaluasi material yang dimaksudkan untuk aplikasi yang melibatkan deformasi plastis yang signifikan, seperti operasi pembentukan atau komponen yang terkena kondisi kelebihan beban.

Sifat Fisik dan Dasar Teoritis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, pengurangan area mencerminkan kemampuan material untuk mengakomodasi deformasi plastis melalui pergerakan dislokasi. Ketika stres yang cukup diterapkan, dislokasi dalam kisi kristal mulai bergerak sepanjang bidang slip, memungkinkan material untuk mengalami deformasi plastis.

Selama penipisan, dislokasi terkonsentrasi di daerah yang menipis, menciptakan pengerasan regangan lokal. Konsentrasi dislokasi ini menyebabkan pembentukan mikrovoid di batas butir, inklusi, atau partikel fase kedua. Seiring deformasi berlanjut, mikrovoid ini tumbuh dan bergabung, yang akhirnya menyebabkan patah.

Pengurangan area akhir mewakili efek kumulatif dari mekanisme deformasi mikroskopis ini, memberikan ukuran makroskopis dari kemampuan material untuk mengakomodasi regangan plastis sebelum patah terjadi.

Model Teoritis

Model teoritis utama yang menggambarkan pengurangan area didasarkan pada konsep ketidakstabilan plastis dan penipisan. Menurut kriteria Considère, penipisan dimulai ketika peningkatan stres akibat pengerasan regangan diimbangi oleh penurunan area penampang.

Secara historis, pemahaman tentang pengurangan area berkembang seiring dengan perkembangan teori plastisitas pada awal abad ke-20. Karya awal oleh Ludwig Prandtl dan Richard von Mises menetapkan dasar untuk analisis deformasi plastis, sementara kontribusi selanjutnya oleh Considère memformalkan kriteria penipisan.

Pendekatan modern menggabungkan model mekanika kerusakan, seperti model Gurson-Tvergaard-Needleman (GTN), yang memperhitungkan nukleasi void, pertumbuhan, dan koalesensi selama deformasi plastis. Model-model ini memberikan prediksi yang lebih canggih tentang pengurangan area dengan mempertimbangkan evolusi mikrostruktur selama deformasi.

Dasar Ilmu Material

Pengurangan area sangat terkait dengan struktur kristal material dan karakteristik batas butir. Dalam logam kubik berpusat badan (BCC) seperti baja ferritik, slip terjadi pada beberapa bidang, umumnya memberikan duktilitas yang baik dan nilai pengurangan area yang tinggi.

Mikrostruktur secara signifikan mempengaruhi pengurangan area, dengan material butir halus biasanya menunjukkan nilai yang lebih tinggi karena deformasi yang lebih seragam. Batas butir bertindak sebagai penghalang bagi pergerakan dislokasi, dan karakternya (sudut tinggi versus sudut rendah) mempengaruhi bagaimana deformasi berlangsung.

Sifat ini terhubung dengan prinsip dasar ilmu material termasuk pengerasan regangan, pemulihan, dan rekristalisasi. Keseimbangan antara pengerasan regangan (yang meningkatkan kekuatan) dan proses pemulihan (yang mengembalikan duktilitas) secara langsung mempengaruhi kemampuan material untuk mengalami pengurangan penampang yang signifikan sebelum patah.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Rumus Definisi Dasar

Pengurangan area secara matematis dinyatakan sebagai:

$$RA(\%) = \frac{A_0 - A_f}{A_0} \times 100$$

Di mana:
- $RA(\%)$ adalah persentase pengurangan area
- $A_0$ adalah area penampang asli dari spesimen
- $A_f$ adalah area penampang minimum di lokasi patah

Rumus Perhitungan Terkait

Untuk spesimen dengan penampang melingkar, rumus dapat dinyatakan dalam hal diameter:

$$RA(\%) = \frac{D_0^2 - D_f^2}{D_0^2} \times 100 = \left(1 - \frac{D_f^2}{D_0^2}\right) \times 100$$

Di mana:
- $D_0$ adalah diameter asli dari spesimen
- $D_f$ adalah diameter di lokasi patah

Untuk spesimen dengan penampang persegi panjang:

$$RA(\%) = \frac{(w_0 \times t_0) - (w_f \times t_f)}{w_0 \times t_0} \times 100$$

Di mana:
- $w_0$ dan $t_0$ adalah lebar dan ketebalan asli
- $w_f$ dan $t_f$ adalah lebar dan ketebalan di lokasi patah

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Rumus ini mengasumsikan sifat material yang seragam di seluruh spesimen dan perilaku material isotropik. Untuk material anisotropik, pengurangan area dapat bervariasi tergantung pada arah pemuatan relatif terhadap arah pemrosesan material.

Perhitungan hanya berlaku untuk spesimen yang gagal dengan cara duktil dengan daerah yang menipis yang terdefinisi dengan baik. Patah rapuh tanpa penipisan yang signifikan akan menunjukkan pengurangan area yang minimal, sehingga pengukuran menjadi kurang berarti.

Rumus ini juga mengasumsikan bahwa pengukuran diambil segera setelah patah, karena pemulihan elastis dapat sedikit mengubah dimensi akhir. Selain itu, mereka tidak memperhitungkan keadaan stres kompleks yang mungkin ada dalam geometri spesimen non-standar.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

• ASTM E8/E8M: Metode Uji Standar untuk Pengujian Tarik Material Logam (mencakup prosedur rinci untuk mengukur pengurangan area dalam berbagai jenis spesimen)
• ISO 6892-1: Material logam — Pengujian tarik — Bagian 1: Metode uji pada suhu ruang
• JIS Z 2241: Metode pengujian tarik untuk material logam
• EN 10002-1: Material logam - Pengujian tarik - Bagian 1: Metode uji pada suhu lingkungan

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Pengurangan area biasanya diukur menggunakan mesin pengujian tarik yang dilengkapi dengan ekstensi dan sel beban. Mesin menerapkan beban tarik uniaxial yang meningkat secara bertahap hingga patah spesimen terjadi.

Prinsip dasar melibatkan pengukuran dimensi penampang asli sebelum pengujian dan dimensi akhir di lokasi patah setelah pengujian. Sistem modern dapat menggabungkan sistem pengukuran optik atau mikrometer laser untuk pengukuran dimensi yang tepat.

Peralatan canggih dapat mencakup sistem korelasi citra digital (DIC) yang melacak pola deformasi permukaan selama pengujian, memberikan pengukuran kontinu dari perubahan penampang selama penipisan.

Persyaratan Sampel

Spesimen tarik standar biasanya memiliki penampang melingkar dengan diameter 12,5 mm atau penampang persegi panjang dengan dimensi proporsional. Panjang gauge biasanya 50 mm untuk spesimen standar, dengan panjang total yang cukup untuk menampung pegangan yang tepat.

Persiapan permukaan memerlukan penghilangan bekas pemesinan, burr, atau ketidakteraturan permukaan lain yang dapat bertindak sebagai konsentrator stres. Finishing permukaan 0,8 μm Ra atau lebih baik biasanya direkomendasikan untuk hasil yang akurat.

Spesimen harus bebas dari stres residual yang dapat mempengaruhi perilaku deformasi, sering kali memerlukan perlakuan panas penghilang stres setelah pemesinan. Penjajaran yang tepat dengan sumbu pemuatan sangat