Pendek dalam Baja: Jenis Defek Kerapuhan, Penyebab & Pencegahan

Definisi dan Konsep Dasar

Singkatnya dalam baja mengacu pada kemampuan material yang berkurang untuk mengalami deformasi plastis tanpa retak, terutama pada suhu tinggi selama proses pengerjaan panas. Ini menggambarkan kondisi di mana baja menunjukkan ketangguhan dan kemampuan bentuk yang terbatas, membuatnya rentan terhadap retak atau patah ketika dikenakan deformasi mekanis.

Properti ini sangat penting dalam ilmu material dan rekayasa karena secara langsung mempengaruhi kemampuan produksi produk baja, terutama selama penggulungan panas, penempaan, dan operasi pemrosesan termomekanik lainnya. Singkatnya dapat sangat membatasi efisiensi produksi dan kualitas produk dengan menyebabkan cacat permukaan, retakan internal, atau kegagalan total benda kerja.

Dalam bidang metalurgi yang lebih luas, singkatnya mewakili interaksi kompleks antara komposisi kimia, fitur mikrostruktur, dan kondisi pemrosesan. Ini menjadi pertimbangan dasar dalam metalurgi proses, sering menentukan kelayakan operasi pembentukan dan mempengaruhi pemilihan parameter pemrosesan untuk berbagai jenis baja.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, singkatnya dalam baja dihasilkan dari adanya fase titik lebur rendah yang membentuk film cair di sepanjang batas butir pada suhu tinggi. Film cair ini secara signifikan mengurangi kohesi antara butir, menciptakan jalur kelemahan di mana retakan dapat dengan mudah dimulai dan berkembang ketika stres diterapkan.

Mekanisme mikroskopis terutama melibatkan segregasi elemen pengotor (terutama sulfur, fosfor, tembaga, dan timah) ke batas butir selama pembekuan atau pemanasan. Elemen yang tersegregasi ini membentuk senyawa eutektik dengan besi yang meleleh pada suhu di bawah titik lebur baja secara keseluruhan, menciptakan film cair yang mengkompromikan integritas struktural selama pengerjaan panas.

Fenomena ini sangat terlihat pada rentang suhu di mana fase-fase ini ada dalam keadaan semi-padat, menciptakan rentang suhu "hot-short" kritis di mana kemampuan bentuk sangat terkompromikan.

Model Teoretis

Model teoretis utama yang menggambarkan singkatnya adalah model embrittlement batas butir, yang menjelaskan bagaimana film cair antar butir mengurangi kekuatan kohesif antara butir. Model ini mengkuantifikasi hubungan antara konsentrasi pengotor, suhu, dan sifat mekanis yang dihasilkan.

Secara historis, pemahaman tentang singkatnya berkembang dari pengamatan empiris di awal industri baja hingga penjelasan ilmiah pada pertengahan abad ke-20. Kemajuan signifikan terjadi dengan teknik mikroskop elektron yang memungkinkan pengamatan langsung segregasi batas butir dan pembentukan film cair.

Pendekatan modern mencakup model termodinamika yang memprediksi pembentukan fase berdasarkan komposisi dan suhu, serta model mekanis yang menggabungkan efek laju regangan dan keadaan stres pada inisiasi retakan dalam material yang rapuh.

Dasar Ilmu Material

Singkatnya terkait erat dengan struktur kristal karena muncul di antarmuka antara kristal (batas butir) di mana ikatan atom sudah lebih lemah daripada dalam kisi kristal. Hubungan orientasi antara butir yang berdekatan dapat mempengaruhi kerentanan terhadap singkatnya dengan mempengaruhi energi batas dan perilaku segregasi pengotor.

Mikrostruktur baja secara signifikan mempengaruhi singkatnya, dengan faktor-faktor seperti ukuran butir, karakter batas butir austenit sebelumnya, dan distribusi presipitat memainkan peran penting. Struktur butir yang lebih halus umumnya memberikan ketahanan yang lebih besar terhadap singkatnya dengan mendistribusikan pengotor di lebih banyak batas, mengurangi efek konsentrasi lokal.

Properti ini terhubung dengan prinsip-prinsip dasar ilmu material termasuk keseimbangan fase, kinetika difusi, dan fenomena antarmuka. Ini menggambarkan bagaimana segregasi skala atom dapat secara dramatis mengubah perilaku mekanis makroskopis melalui perubahan dalam kohesi antarmuka.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Kerentanan terhadap singkatnya dapat diukur melalui Indeks Kerentanan Embrittlement (ESI):

$$ESI = \sum_{i} (w_i \times C_i)$$

Di mana $w_i$ mewakili faktor pembobotan untuk elemen $i$ berdasarkan potensi embrittling-nya, dan $C_i$ mewakili konsentrasi elemen $i$ dalam persen berat.

Formula Perhitungan Terkait

Rentang suhu kritis untuk singkatnya dapat diperkirakan menggunakan:

$$T_{critical} = T_m - \Delta T_{depression}$$

Di mana $T_m$ adalah titik lebur besi murni (1538°C) dan $\Delta T_{depression}$ adalah depresiasi titik lebur yang disebabkan oleh elemen pengotor:

$$\Delta T_{depression} = \sum_{i} (k_i \times C_i)$$

Di mana $k_i$ adalah koefisien depresiasi titik lebur untuk elemen $i$.

Duktilitas panas baja dapat terkait dengan singkatnya melalui pengurangan area (RA) dalam uji tarik panas:

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

Di mana $A_0$ adalah area penampang awal dan $A_f$ adalah area penampang akhir pada saat patah.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini umumnya berlaku untuk baja karbon konvensional dan baja paduan rendah dalam rentang suhu pengerjaan panas yang tipikal (900-1300°C). Mereka mengasumsikan kondisi keseimbangan dan mungkin tidak secara akurat memprediksi perilaku di bawah pemanasan atau pendinginan yang cepat.

Model memiliki batasan ketika diterapkan pada baja yang sangat paduan atau ketika interaksi kompleks antara beberapa elemen pengotor terjadi. Mereka juga tidak sepenuhnya memperhitungkan efek rekristalisasi dinamis selama deformasi.

Pendekatan matematis ini mengasumsikan distribusi pengotor yang seragam sebelum segregasi dan tidak memperhitungkan variasi konsentrasi lokal yang mungkin terjadi selama pembekuan atau pemrosesan.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

• ASTM A1033: Praktik Standar untuk Pengukuran Kuantitatif dan Pelaporan Transformasi Fase Baja Karbon dan Paduan Rendah Hypoeutectoid
• ISO 6892-2: Material logam — Pengujian tarik — Bagian 2: Metode pengujian pada suhu tinggi
• ASTM E21: Metode Uji Standar untuk Uji Tarik Suhu Tinggi Material Logam
• JIS G 0567: Metode uji tarik panas untuk besi dan baja

Setiap standar memberikan prosedur spesifik untuk mengevaluasi sifat mekanis suhu tinggi yang terkait dengan singkatnya, dengan fokus khusus pada pengukuran duktilitas pada suhu tinggi.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Mesin uji tarik panas yang dilengkapi dengan ruang lingkungan yang mampu mengontrol suhu dengan tepat biasanya digunakan. Sistem ini biasanya dilengkapi dengan elemen pemanas induksi atau resistensi dan mekanisme penjepit khusus yang dirancang untuk operasi suhu tinggi.

Prinsip dasar melibatkan pengujian spesimen standar yang dikenakan deformasi tarik yang terkontrol pada suhu yang mewakili proses pengerjaan panas sambil mengukur perilaku beban-pergeseran. Beberapa sistem canggih menggabungkan kemampuan pengamatan in-situ menggunakan mikroskopi suhu tinggi.

Peralatan khusus seperti simulator termomekanik Gleeble memungkinkan kontrol suhu, regangan, dan laju regangan yang tepat sambil secara bersamaan mengukur beberapa parameter, memungkinkan replikasi yang lebih akurat dari kondisi pemrosesan industri.

Persyaratan Sampel

Spesimen uji tarik panas standar biasanya memiliki panjang gauge 25-50mm dengan penampang melintang berbentuk lingkaran berdiameter 6-10mm. Ujung berulir biasanya digunakan untuk penjepitan yang aman pada suhu tinggi.

Persiapan permukaan memerlukan pemesinan yang hati-hati untuk menghindari konsentrasi stres, dengan pemolesan akhir untuk menghilangkan cacat permukaan yang dapat memicu kegagalan prematur. Spesimen harus bebas dari deformasi sebelumnya yang dapat mempeng