Stres Residual pada Baja: Dampak Kritis terhadap Kinerja & Daya Tahan
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Definisi dan Konsep Dasar
Stres residual mengacu pada stres internal yang ada dalam suatu material tanpa penerapan gaya eksternal atau gradien termal. Stres yang seimbang sendiri ini tetap ada dalam material setelah proses manufaktur, perlakuan panas, atau operasi lain yang menyebabkan deformasi plastik yang tidak merata. Stres residual dapat bermanfaat atau merugikan bagi kinerja komponen, tergantung pada besarnya, tanda, dan distribusinya.
Dalam ilmu dan teknik material, stres residual merupakan salah satu sifat yang paling kritis namun sering diabaikan yang mempengaruhi kinerja komponen. Ini secara langsung mempengaruhi perilaku mekanis, umur lelah, stabilitas dimensi, dan ketahanan korosi komponen baja. Kehadiran stres residual dapat meningkatkan atau mengorbankan integritas struktural.
Dalam metalurgi, stres residual menempati posisi unik di persimpangan pemrosesan, struktur, dan sifat. Ini berfungsi sebagai penghubung langsung antara sejarah manufaktur dan kinerja saat digunakan, menjadikannya penting untuk memahami perilaku holistik komponen baja. Manajemen stres residual yang tepat adalah dasar untuk mencapai kinerja material yang diinginkan dalam aplikasi yang menuntut.
Sifat Fisik dan Dasar Teoritis
Mekanisme Fisik
Di tingkat atom, stres residual muncul dari distorsi kisi yang disebabkan oleh deformasi plastik yang tidak merata. Distorsi ini menciptakan daerah lokal di mana atom terkompresi atau diregangkan dari posisi keseimbangannya. Energi regangan elastis yang dihasilkan disimpan dalam mikrostruktur material.
Mekanisme mikroskopis yang mengatur pembentukan stres residual termasuk penumpukan dislokasi, transformasi fase, dan ketidakcocokan ekspansi termal. Dislokasi—cacat kristalografi linier—terakumulasi di penghalang seperti batas butir, menciptakan medan stres lokal. Transformasi fase melibatkan perubahan volume yang, ketika dibatasi, menghasilkan stres internal.
Model Teoritis
Model teoritis utama untuk stres residual adalah teori deformasi elastis-plastis, yang menggambarkan bagaimana deformasi plastik di satu daerah menciptakan stres elastis di daerah yang berdekatan. Model ini memperhitungkan sifat seimbang sendiri dari stres residual di seluruh penampang komponen.
Secara historis, pemahaman tentang stres residual berkembang dari pengamatan empiris pada awal abad ke-20 hingga model kuantitatif pada tahun 1950-an. Pekerjaan perintis oleh peneliti seperti Heyn dan Bauer menetapkan dasar untuk analisis stres residual modern.
Berbagai pendekatan teoritis termasuk metode eigenstrains, yang memperlakukan stres residual sebagai hasil dari regangan yang tidak kompatibel, dan pendekatan termodinamika, yang menganggap stres residual sebagai energi yang tersimpan. Metode elemen hingga telah menjadi dominan untuk geometri dan kondisi beban yang kompleks.
Dasar Ilmu Material
Stres residual berinteraksi secara intim dengan struktur kristal, terutama di batas butir di mana pergerakan dislokasi terhambat. Dalam baja kubik berpusat tubuh (BCC), stres ini dapat secara signifikan mempengaruhi mobilitas dislokasi dan akibatnya mempengaruhi sifat mekanis.
Mikrostruktur baja—termasuk ukuran butir, distribusi fase, dan morfologi presipitat—secara langsung mempengaruhi pola stres residual. Transformasi martensitik, misalnya, menghasilkan stres residual yang signifikan akibat ekspansi volume selama transformasi tanpa difusi.
Secara fundamental, stres residual terhubung dengan prinsip elastisitas, plastisitas, dan termodinamika. Mereka mewakili energi elastis yang tersimpan akibat batasan selama deformasi plastik yang tidak merata, kontraksi termal, atau transformasi fase.
Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan
Formula Definisi Dasar
Definisi dasar dari stres residual mengikuti persamaan stres standar:
$$\sigma_{res} = E \cdot \varepsilon_{res}$$
Di mana $\sigma_{res}$ mewakili stres residual (MPa), $E$ adalah modulus Young (MPa), dan $\varepsilon_{res}$ adalah regangan elastis residual (tanpa dimensi).
Formula Perhitungan Terkait
Untuk komponen dalam keseimbangan statis, stres residual harus seimbang sendiri di seluruh penampang:
$$\int_A \sigma_{res} \, dA = 0$$
$$\int_A \sigma_{res} \cdot y \, dA = 0$$
Di mana $A$ mewakili luas penampang dan $y$ adalah jarak dari sumbu netral. Persamaan ini menyatakan kondisi keseimbangan gaya dan momen, masing-masing.
Untuk stres residual termal:
$$\sigma_{thermal} = E \cdot \alpha \cdot \Delta T \cdot \frac{1}{1-\nu}$$
Di mana $\alpha$ adalah koefisien ekspansi termal (K⁻¹), $\Delta T$ adalah perubahan suhu (K), dan $\nu$ adalah rasio Poisson.
Kondisi dan Batasan yang Berlaku
Formula ini mengasumsikan perilaku material elastis linier dan deformasi kecil. Untuk deformasi besar atau perilaku plastik, model konstitutif yang lebih kompleks diperlukan.
Model matematis memiliki kondisi batas yang memerlukan permukaan eksternal bebas stres kecuali beban eksternal diterapkan. Selain itu, mereka mengasumsikan homogenitas dan isotropi material, yang mungkin tidak berlaku untuk mikrostruktur yang kompleks.
Formulasi ini biasanya mengabaikan efek tergantung waktu seperti relaksasi stres atau creep, yang menjadi signifikan pada suhu tinggi atau selama periode yang panjang.
Metode Pengukuran dan Karakterisasi
Spesifikasi Pengujian Standar
- ASTM E837: Metode Uji Standar untuk Menentukan Stres Residual dengan Metode Lubang-Dorong Strain-Gage
- ISO 21432: Pengujian non-destruktif — Metode uji standar untuk menentukan stres residual dengan difraksi neutron
- ASTM E915: Metode Uji Standar untuk Memverifikasi Penyelarasan Instrumen Difraksi Sinar-X untuk Pengukuran Stres Residual
- BS EN 15305: Pengujian non-destruktif — Metode uji untuk analisis stres residual dengan difraksi sinar-X
Peralatan dan Prinsip Pengujian
Difraktometer sinar-X mengukur perubahan jarak kisi atom yang disebabkan oleh stres residual. Teknik non-destruktif ini memanfaatkan hukum Bragg untuk mendeteksi pergeseran puncak difraksi yang diinduksi oleh regangan.
Sistem lubang-dorong melibatkan pembuatan lubang kecil di material sambil mengukur pelepasan regangan yang dihasilkan dengan gauge regangan. Regangan yang diukur dikonversi menjadi stres menggunakan teori elastisitas.
Teknik canggih termasuk difraksi neutron, yang menawarkan penetrasi lebih dalam daripada sinar-X, dan difraksi sinkrotron, yang memberikan resolusi spasial tinggi untuk pemetaan medan stres yang kompleks.
Persyaratan Sampel
Sampel standar untuk difraksi sinar-X memerlukan permukaan datar dan halus dengan kekasaran biasanya di bawah Ra 0.8μm. Persiapan permukaan sering melibatkan elektro-polishing untuk menghilangkan stres yang diinduksi oleh pemesinan.
Untuk metode lubang-dorong, ketebalan sampel harus setidaknya 1.2 kali diameter lubang. Datar permukaan dalam 0.05mm biasanya diperlukan untuk pemasangan gauge regangan yang tepat.
Sampel harus representatif dari komponen yang sebenarnya dan harus mempertahankan keadaan stres residual asli selama persiapan. Operasi pemotongan harus dikendalikan dengan hati-hati untuk menghindari pengenalan stres tambahan.
Parameter Uji
Pengujian standar biasanya dilakukan pada suhu ruangan (23±5°C) dengan kelembaban relatif di bawah 80% untuk memastikan stabilitas pengukuran. Untuk studi tergantung suhu, peralatan khusus yang mempertahankan stabilitas ±1°C diperlukan.
Untuk lubang-dorong bertahap, laju pengeboran standar berkisar dari 0.1 hingga 0.2 mm/menit dengan turbin berkecepatan tinggi (>20,000 RPM) untuk meminimalkan stres yang diinduksi oleh pengeboran.
Parameter kritis termasuk waktu paparan sinar-X (biasanya 5-30 detik