Regangan pada Baja: Mekanika Deformasi & Implikasi Metalurgi

Definisi dan Konsep Dasar

Regangan adalah ukuran geometris dari deformasi yang mewakili pergeseran relatif antara partikel dalam suatu benda material. Ini mengukur seberapa banyak pergeseran tertentu berbeda secara lokal dari pergeseran benda kaku.

Regangan adalah parameter dasar dalam ilmu material dan rekayasa yang menggambarkan perubahan dimensi yang terjadi pada material di bawah gaya yang diterapkan. Ini memberikan informasi penting tentang respons material terhadap kondisi beban, berfungsi sebagai indikator langsung dari perilaku deformasi.

Dalam metalurgi, regangan menempati posisi sentral yang menghubungkan tegangan yang diterapkan dengan respons material. Ini menjembatani kesenjangan antara gaya mekanis eksternal dan perubahan mikrostruktur internal, menjadikannya penting untuk memahami fenomena seperti pengerasan kerja, rekristalisasi, dan pengembangan tekstur dalam pemrosesan baja.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat atom, regangan mewakili pergeseran atom dari posisi keseimbangan mereka dalam kisi kristal. Ketika gaya eksternal diterapkan, ikatan antaratom meregang atau terkompresi, mengubah jarak antara atom.

Dalam material baja, regangan muncul melalui berbagai mekanisme termasuk distorsi elastis dari kisi kristal, pergerakan dislokasi, penggandaan, dan transformasi fase. Mekanisme ini beroperasi pada skala dan energi aktivasi yang berbeda, berkontribusi pada deformasi makroskopik secara keseluruhan.

Akumulasi regangan dalam mikrostruktur baja terjadi melalui interaksi kompleks antara dislokasi, batas butir, dan partikel fase kedua. Interaksi ini menentukan apakah deformasi tetap elastis (reversible) atau menjadi plastik (permanen).

Model Teoretis

Model teoretis utama untuk regangan adalah pendekatan mekanika kontinu, yang memperlakukan material sebagai media kontinu daripada struktur atom diskrit. Model ini memungkinkan deskripsi matematis dari deformasi tanpa memerlukan perhitungan tingkat atom.

Pemahaman historis tentang regangan berkembang dari karya Hooke pada abad ke-17 melalui kontribusi Saint-Venant dan Cauchy pada abad ke-19, yang berpuncak pada deskripsi berbasis tensor modern. Progresi ini sejalan dengan kemajuan dalam alat matematis dan teknik eksperimental.

Pendekatan teoretis alternatif termasuk model atomistik yang secara langsung mensimulasikan pergeseran atom, model plastisitas kristal yang memperhitungkan sistem slip kristal, dan model fenomenologis yang menangkap perilaku empiris tanpa mekanisme fisik yang terperinci.

Dasar Ilmu Material

Perilaku regangan dalam baja sangat dipengaruhi oleh struktur kristal, dengan struktur kubik berpusat badan (BCC) dalam ferit berperilaku berbeda dari struktur kubik berpusat wajah (FCC) dalam austenit. Batas butir bertindak sebagai penghalang untuk propagasi regangan, berkontribusi pada penguatan.

Mikrostruktur baja—termasuk ukuran butir, distribusi fase, dan morfologi presipitat—menentukan akomodasi dan distribusi regangan. Struktur butir halus biasanya mendistribusikan regangan lebih merata dibandingkan dengan struktur butir kasar.

Regangan terhubung dengan prinsip dasar ilmu material melalui konsep seperti tegangan Peierls (resistensi terhadap pergerakan dislokasi), hubungan Hall-Petch (efek ukuran butir), dan pengerasan kerja (perbanyakan dan interaksi dislokasi).

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Rumus Definisi Dasar

Regangan teknik ($\varepsilon$) didefinisikan sebagai:

$$\varepsilon = \frac{\Delta L}{L_0}$$

Di mana $\Delta L$ adalah perubahan panjang dan $L_0$ adalah panjang asli. Rasio tanpa dimensi ini mewakili perubahan fraksional dalam dimensi.

Rumus Perhitungan Terkait

Regangan sejati ($\varepsilon_t$), yang memperhitungkan perubahan dimensi yang terus menerus selama deformasi, dinyatakan sebagai:

$$\varepsilon_t = \ln\left(\frac{L}{L_0}\right) = \ln(1+\varepsilon)$$

Untuk analisis tiga dimensi, regangan diwakili sebagai tensor orde kedua dengan komponen:

$$\varepsilon_{ij} = \frac{1}{2}\left(\frac{\partial u_i}{\partial x_j} + \frac{\partial u_j}{\partial x_i}\right)$$

Di mana $u_i$ mewakili komponen pergeseran dan $x_j$ mewakili koordinat spasial.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Rumus regangan teknik hanya berlaku untuk deformasi kecil (biasanya <0.2% untuk deformasi elastis dalam baja) di mana perubahan geometri minimal mempengaruhi perhitungan.

Untuk deformasi besar, rumus regangan sejati harus digunakan untuk memperhitungkan dimensi referensi yang terus berubah. Tidak ada pendekatan yang sepenuhnya menangkap keadaan deformasi kompleks multiaxial tanpa notasi tensor.

Rumus ini mengasumsikan deformasi homogen di seluruh material, yang jarang benar dalam komponen baja nyata dengan diskontinuitas geometris, heterogenitas mikrostruktur, atau deformasi terlokalisasi.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM E8/E8M: Metode Uji Standar untuk Pengujian Tarik Material Logam, mencakup prosedur untuk menentukan perilaku regangan selama pemuatan tarik.

ISO 6892-1: Material logam — Pengujian tarik — Bagian 1: Metode uji pada suhu ruang, menyediakan prosedur yang diselaraskan secara internasional untuk pengukuran regangan.

ASTM E83: Praktik Standar untuk Verifikasi dan Klasifikasi Sistem Ekstensometer, memastikan akurasi perangkat pengukuran regangan.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Gauge regangan adalah perangkat pengukuran umum yang terdiri dari pola foil logam yang mengubah resistensi listrik secara proporsional terhadap regangan yang diterapkan. Mereka memberikan pengukuran lokal dengan presisi tinggi.

Ekstensometer secara langsung mengukur pergeseran antara dua titik pada spesimen selama pengujian. Mereka mencakup varian mekanis, optik, laser, dan berbasis video dengan tingkat akurasi dan rentang pengukuran yang bervariasi.

Sistem Digital Image Correlation (DIC) melacak pola permukaan untuk menghitung distribusi regangan lapangan penuh tanpa kontak fisik dengan spesimen. Teknik canggih ini mengungkapkan lokalisasi dan gradien regangan.

Persyaratan Sampel

Spesimen tarik standar biasanya memiliki panjang gauge empat kali diameter untuk spesimen bulat atau lebar untuk spesimen datar. Dimensi umum termasuk panjang gauge 50mm dengan diameter 12.5mm.

Persyaratan persiapan permukaan mencakup penghilangan skala, dekarburisasi, dan bekas pemesinan. Untuk gauge regangan, permukaan harus dibersihkan dengan pelarut dan diratakan hingga tingkat kekasaran tertentu.

Spesimen harus bebas dari tegangan sisa yang dapat mempengaruhi pengukuran. Ini mungkin memerlukan perlakuan panas penghilang tegangan sebelum pengujian.

Parameter Uji

Pengujian standar biasanya dilakukan pada suhu ruang (23±5°C) dengan kelembapan relatif di bawah 90%. Pengujian suhu tinggi atau kriogenik memerlukan ruang lingkungan khusus.

Standar ASTM menetapkan laju regangan antara 0.00007 dan 0.0007 s⁻¹ untuk daerah elastis dan 0.05 hingga 0.5 min⁻¹ untuk daerah plastik. Sensitivitas laju sangat penting untuk baja berkekuatan tinggi.

Kondisi pra-pemuatan, penyelarasan pegangan, dan isolasi getaran harus dikendalikan untuk mencegah artefak pengukuran, terutama untuk penentuan regangan elastis yang tepat.

Pengolahan Data

Pengumpulan data utama melibatkan pencatatan kurva gaya-pergeseran, yang diubah menjadi hubungan tegangan-regangan menggunakan dimensi spesimen awal.

Analisis statistik biasanya mencakup perhitungan nilai rata-rata dan deviasi standar dari beberapa spesimen. Deteksi dan penghapusan outlier mengikuti prosedur yang ditentukan dalam standar yang relevan.

Titik lul