Stres pada Baja: Gaya Mekanik, Pengukuran & Integritas Struktural

Definisi dan Konsep Dasar

Stres adalah ketahanan internal atau reaksi suatu material terhadap gaya eksternal, diukur sebagai gaya per unit area. Ini menggambarkan intensitas gaya internal yang bekerja dalam tubuh yang dapat berubah bentuk sebagai respons terhadap beban yang diterapkan. Dalam ilmu material dan rekayasa, stres adalah parameter dasar yang menentukan perilaku material di bawah kondisi pemuatan dan kemampuannya untuk menahan gaya tanpa kegagalan.

Analisis stres merupakan dasar dari desain mekanik dan penilaian integritas struktural dalam aplikasi metalurgi. Ini memungkinkan insinyur untuk memprediksi perilaku material, mencegah kegagalan, dan mengoptimalkan desain untuk kondisi pemuatan tertentu. Konsep ini menjembatani ilmu material teoritis dengan aplikasi rekayasa praktis.

Dalam metalurgi, stres menempati posisi sentral yang menghubungkan sifat mekanik, karakteristik mikrostruktur, dan parameter pemrosesan. Ini berfungsi sebagai penghubung kritis antara struktur atom material dan kinerjanya secara makroskopis, mempengaruhi segala hal mulai dari desain komponen hingga pemilihan material dan jalur pemrosesan.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat atom, stres muncul sebagai gangguan dalam jarak antaratom dan gaya ikatan. Ketika gaya eksternal diterapkan pada suatu material, atom-atom dipindahkan dari posisi keseimbangan mereka, menciptakan gaya antaratom yang menahan perpindahan ini. Ketahanan pada tingkat atom ini secara kolektif muncul sebagai stres makroskopis.

Pada material baja, transmisi stres terjadi melalui kisi kristal logam, dengan dislokasi memainkan peran penting dalam proses deformasi. Di bawah stres yang cukup, dislokasi bergerak melalui struktur kristal, memungkinkan terjadinya deformasi plastis. Ketahanan terhadap pergerakan dislokasi sebagian besar menentukan sifat kekuatan baja.

Distribusi stres dalam suatu material jarang seragam pada tingkat mikroskopis. Konsentrasi stres terjadi pada fitur mikrostruktur seperti batas butir, antarmuka fase, dan di sekitar inklusi atau cacat, sering kali menjadi lokasi inisiasi untuk kegagalan material.

Model Teoretis

Model teoretis utama untuk analisis stres adalah teori elastisitas linier, yang mengasumsikan proporsionalitas antara stres dan regangan dalam batas elastis. Kerangka kerja ini, yang dikembangkan terutama pada abad ke-19 oleh ilmuwan seperti Hooke, Cauchy, dan Navier, memberikan dasar untuk analisis stres modern.

Pemahaman historis tentang stres berkembang dari konsep ketegangan sederhana menjadi representasi tensor tiga dimensi yang komprehensif. Insinyur awal seperti Galileo memeriksa kekuatan material, tetapi baru setelah kontribusi Cauchy pada tahun 1820-an stres didefinisikan secara formal sebagai kuantitas tensor matematis.

Pendekatan teoretis alternatif termasuk model elastisitas non-linier untuk deformasi besar, teori viskoelastisitas untuk perilaku yang bergantung pada waktu, dan teori plastisitas yang menangani deformasi permanen. Setiap pendekatan menawarkan keuntungan untuk perilaku material dan kondisi pemuatan tertentu.

Dasar Ilmu Material

Respon stres pada baja sangat terkait dengan struktur kristalnya, dengan kisi kubik berpusat badan (BCC) dan kisi kubik berpusat wajah (FCC) menunjukkan perilaku stres-regangan yang berbeda. Batas butir bertindak sebagai penghalang terhadap pergerakan dislokasi, berkontribusi pada mekanisme penguatan dan mempengaruhi distribusi stres.

Mikrostruktur baja—termasuk fase yang ada, ukuran butir, dan distribusi presipitat—secara langsung mempengaruhi respon stresnya. Struktur martensitik biasanya menunjukkan kekuatan tinggi tetapi ductility terbatas, sementara struktur ferritik menawarkan kekuatan lebih rendah dengan ductility yang lebih besar di bawah stres.

Prinsip dasar ilmu material seperti penguatan Hall-Petch (yang menghubungkan kekuatan luluh dengan ukuran butir) dan penguatan larutan padat menunjukkan bagaimana fitur mikrostruktur menentukan respon material terhadap stres yang diterapkan. Prinsip-prinsip ini membimbing desain paduan dan jalur pemrosesan untuk mencapai kemampuan penanganan stres yang diinginkan.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Definisi dasar stres dinyatakan sebagai:

$$\sigma = \frac{F}{A}$$

Di mana:
- $\sigma$ (sigma) mewakili stres, biasanya diukur dalam pascal (Pa) atau megapascals (MPa)
- $F$ adalah gaya yang diterapkan dalam newton (N)
- $A$ adalah area penampang yang tegak lurus terhadap gaya dalam meter persegi (m²)

Formula Perhitungan Terkait

Untuk keadaan stres tiga dimensi, tensor stres dinyatakan sebagai:

$$\sigma_{ij} = \begin{bmatrix}
\sigma_{xx} & \tau_{xy} & \tau_{xz} \
\tau_{yx} & \sigma_{yy} & \tau_{yz} \
\tau_{zx} & \tau_{zy} & \sigma_{zz}
\end{bmatrix}$$

Di mana komponen stres normal dilambangkan dengan $\sigma$ dan komponen stres geser dengan $\tau$.

Stres utama dapat dihitung menggunakan persamaan karakteristik:

$$\sigma^3 - I_1\sigma^2 + I_2\sigma - I_3 = 0$$

Di mana $I_1$, $I_2$, dan $I_3$ adalah invariant stres yang independen dari sistem koordinat.

Stres ekuivalen Von Mises, yang umum digunakan untuk kriteria luluh, dihitung sebagai:

$$\sigma_{VM} = \sqrt{\frac{1}{2}$$(\sigma_1-\sigma_2)^2 + (\sigma_2-\sigma_3)^2 + (\sigma_3-\sigma_1)^2$$}$$

Di mana $\sigma_1$, $\sigma_2$, dan $\sigma_3$ adalah stres utama.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini mengasumsikan kontinuitas material dan berlaku untuk deformasi kecil di mana elastisitas linier berlaku. Di luar batas elastis, model konstitutif yang lebih kompleks diperlukan untuk memperhitungkan deformasi plastis.

Formula stres sederhana ($\sigma = F/A$) mengasumsikan distribusi stres yang seragam dan hanya berlaku untuk pemuatan aksial murni dari anggota prismatik. Untuk geometri atau kondisi pemuatan yang kompleks, metode numerik seperti analisis elemen hingga diperlukan.

Semua model matematis ini mengasumsikan kondisi isotermal dan perilaku yang tidak tergantung pada laju. Pada suhu tinggi atau laju regangan tinggi, istilah tambahan yang memperhitungkan efek termal dan sensitivitas laju regangan harus dimasukkan.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM E8/E8M: Metode Uji Standar untuk Pengujian Tarik Material Logam, mencakup prosedur untuk menentukan kekuatan luluh, kekuatan tarik, dan hubungan stres-regangan.

ISO 6892-1: Material logam — Pengujian tarik — Bagian 1: Metode uji pada suhu kamar, menyediakan prosedur yang diakui secara internasional untuk penentuan sifat terkait stres.

ASTM E9: Metode Uji Standar Pengujian Kompresi Material Logam pada Suhu Kamar, membahas metodologi pengujian stres kompresi.

ASTM E466: Praktik Standar untuk Melakukan Uji Fatigue Amplitudo Konstan Terkendali Gaya pada Material Logam, mencakup prosedur pengujian stres siklik.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Mesin uji universal (UTM) adalah peralatan utama untuk pengukuran stres, menerapkan gaya terkendali sambil mengukur perpindahan. Sistem modern menggabungkan sel beban untuk pengukuran gaya dan ekstensi untuk penentuan regangan yang tepat.

Gauge regangan beroperasi berdasarkan prinsip bahwa resistansi listrik berubah secara proporsional terhadap regangan yang diterapkan, memungkinkan pengukuran stres secara tidak langsung ketika sifat material diketahui. Ini dapat diterapkan langsung pada komponen yang sedang beroperasi.

Teknik canggih termasuk korelasi citra digital (DIC), yang melacak pola permukaan untuk memetakan distribusi stres di seluruh