Tiga Perempat Keras Temper: Properti Utama & Aplikasi dalam Pengolahan Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Tiga-Kuart Keras Temper mengacu pada tingkat tertentu dari kerja dingin atau pengerasan regangan yang diterapkan pada baja atau logam lainnya, yang menghasilkan sekitar 75% dari kekerasan maksimum yang dapat dicapai melalui kerja dingin. Penunjukan temper ini menunjukkan material yang telah digulung dingin atau ditarik untuk mengurangi ketebalan atau luas penampangnya sebesar jumlah tertentu, biasanya sekitar 21-25%, yang mengakibatkan peningkatan kekuatan dan kekerasan dengan mengorbankan duktilitas.

Tiga-Kuart Keras Temper menempati posisi menengah dalam spektrum penunjukan temper, berada di antara Setengah Keras dan Keras Penuh. Ini mewakili kompromi yang seimbang antara kekuatan dan kemampuan dibentuk, menjadikannya berharga untuk aplikasi yang memerlukan kekuatan yang baik tanpa mengorbankan sepenuhnya kemampuan kerja.

Dari segi metalurgi, penunjukan temper ini adalah bagian dari sistem standar yang mengukur derajat pengerasan regangan pada logam, terutama pada produk yang digulung datar dan kawat. Sistem ini memberikan insinyur sifat mekanis yang dapat diprediksi, memungkinkan pemilihan material yang tepat untuk aplikasi tertentu di mana kekuatan sedang dikombinasikan dengan kemampuan dibentuk yang terbatas diperlukan.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Pada tingkat mikrostruktur, Tiga-Kuart Keras Temper dihasilkan dari pengenalan dan perkalian dislokasi dalam kisi kristal logam. Kerja dingin menciptakan kepadatan dislokasi yang tinggi yang menghalangi pergerakan satu sama lain, memerlukan stres yang lebih tinggi untuk menyebabkan deformasi lebih lanjut.

Mekanisme pengerasan regangan melibatkan interaksi antara dislokasi dan fitur mikrostruktur lainnya seperti batas butir, presipitat, dan atom solut. Seiring dengan meningkatnya kepadatan dislokasi akibat kerja dingin, jalur bebas rata-rata untuk pergerakan dislokasi menurun, memerlukan stres yang lebih tinggi untuk deformasi plastis terus berlanjut.

Pada material Tiga-Kuart Keras, kepadatan dislokasi biasanya mencapai sekitar 10¹² hingga 10¹³ dislokasi per sentimeter persegi, menciptakan jaringan kompleks yang secara signifikan memperkuat material sambil mempertahankan beberapa kapasitas untuk deformasi lebih lanjut.

Model Teoretis

Model teoretis utama yang menggambarkan pengerasan regangan adalah hubungan Taylor, yang menghubungkan stres aliran dengan kepadatan dislokasi. Model ini menetapkan bahwa peningkatan kekuatan luluh sebanding dengan akar kuadrat dari kepadatan dislokasi, dinyatakan sebagai $\Delta\tau = \alpha Gb\sqrt{\rho}$, di mana $\tau$ adalah stres geser, $G$ adalah modulus geser, $b$ adalah vektor Burgers, dan $\rho$ adalah kepadatan dislokasi.

Pemahaman tentang pengerasan regangan berkembang dari pengamatan empiris awal oleh metalurgis pada abad ke-19 hingga teori berbasis dislokasi yang lebih canggih yang dikembangkan pada pertengahan abad ke-20 oleh Taylor, Orowan, dan lainnya. Teori-teori ini menetapkan hubungan dasar antara deformasi plastis, pergerakan dislokasi, dan penguatan material.

Pendekatan modern menggabungkan model plastisitas kristal dan simulasi komputasi untuk memprediksi perilaku pengerasan regangan di berbagai orientasi kristalografi dan kondisi pemuatan yang kompleks, memberikan prediksi yang lebih akurat untuk material Tiga-Kuart Keras dengan berbagai mikrostruktur.

Dasar Ilmu Material

Tiga-Kuart Keras Temper secara langsung terkait dengan struktur kristal melalui interaksi dislokasi dengan bidang dan arah kristalografi. Pada baja kubik berpusat badan (BCC), slip terjadi terutama pada bidang {110}, sementara logam kubik berpusat wajah (FCC) menunjukkan slip pada bidang {111}, mempengaruhi bagaimana pengerasan regangan berlangsung.

Batas butir memainkan peran penting dalam pengembangan sifat Tiga-Kuart Keras dengan bertindak sebagai penghalang terhadap pergerakan dislokasi. Ukuran butir yang lebih halus meningkatkan efek penguatan dari kerja dingin dengan menyediakan lebih banyak area batas butir per unit volume, mengikuti hubungan Hall-Petch.

Kondisi temper secara fundamental terhubung dengan prinsip-prinsip ilmu material tentang pengerasan kerja, pemulihan, dan rekristalisasi. Tiga-Kuart Keras mewakili keadaan di mana pengerasan kerja yang signifikan telah terjadi tanpa mencapai titik di mana proses pemulihan dinamis secara substansial mengimbangi efek penguatan.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Derajat kerja dingin pada Tiga-Kuart Keras Temper dapat diukur menggunakan formula:

$$\% \text{ Kerja Dingin} = \left(\frac{A_0 - A_f}{A_0}\right) \times 100\%$$

Di mana $A_0$ adalah luas penampang awal dan $A_f$ adalah luas penampang akhir setelah kerja dingin. Untuk Tiga-Kuart Keras Temper, ini biasanya berkisar antara 21% hingga 25%.

Formula Perhitungan Terkait

Hubungan antara kekerasan dan kerja dingin dapat diperkirakan dengan:

$$H = H_0 + K(\% \text{ Kerja Dingin})^n$$

Di mana $H$ adalah kekerasan akhir, $H_0$ adalah kekerasan awal, $K$ adalah konstanta spesifik material, dan $n$ adalah eksponen pengerasan regangan, biasanya antara 0.2 dan 0.5 untuk sebagian besar baja.

Peningkatan kekuatan tarik dapat diperkirakan menggunakan:

$$\sigma_f = \sigma_0 + \alpha \cdot \sqrt{\rho} = \sigma_0 + \beta \cdot (\% \text{ Kerja Dingin})^{1/2}$$

Di mana $\sigma_f$ adalah kekuatan akhir, $\sigma_0$ adalah kekuatan awal, $\rho$ adalah kepadatan dislokasi, dan $\alpha$ serta $\beta$ adalah konstanta material.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini umumnya berlaku untuk persentase kerja dingin di bawah 50%, di luar itu faktor tambahan seperti pengembangan tekstur dan perubahan mikrostruktur memperumit hubungan tersebut.

Model-model ini mengasumsikan deformasi homogen di seluruh material, yang mungkin tidak valid untuk geometri kompleks atau proses kerja dingin yang tidak merata.

Hubungan ini sensitif terhadap suhu dan mengasumsikan deformasi pada suhu kamar; suhu yang lebih tinggi dapat memicu proses pemulihan yang mengurangi efek penguatan dari kerja dingin.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM E18: Metode Uji Standar untuk Kekerasan Rockwell Material Logam - Menyediakan metode pengujian kekerasan utama untuk material Tiga-Kuart Keras.

ASTM E8/E8M: Metode Uji Standar untuk Pengujian Tarik Material Logam - Menyediakan prosedur untuk menentukan sifat tarik material Tiga-Kuart Keras.

ISO 6892-1: Material logam — Pengujian tarik — Metode uji pada suhu kamar - Menetapkan standar internasional untuk pengujian tarik yang berlaku untuk material Tiga-Kuart Keras.

ASTM E140: Tabel Konversi Kekerasan Standar untuk Logam - Memungkinkan konversi antara berbagai skala kekerasan untuk membandingkan spesifikasi Tiga-Kuart Keras.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Pengujian kekerasan biasanya menggunakan penguji kekerasan Rockwell (sering menggunakan skala B untuk paduan yang lebih lunak atau skala C untuk baja yang lebih keras), yang mengukur kedalaman penetrasi dari indentor di bawah beban tertentu.

Mesin pengujian tarik dengan ekstensi mengukur hubungan stres-regangan, kekuatan luluh, kekuatan tarik, dan perpanjangan, memberikan data sifat mekanis yang komprehensif untuk material Tiga-Kuart Keras.

Mikroskop optik dan elektron memungkinkan karakterisasi mikrostruktur untuk menghubungkan sifat mekanis dengan struktur butir, pengaturan dislokasi, dan fitur mikrostruktur lainnya.

Persyaratan Sampel

Sampel tarik standar biasanya mengikuti dimensi ASTM E8 dengan panjang gauge 50mm dan luas penampang yang sesuai untuk ketebalan material, dengan perhatian khusus pada kualitas tepi.

Sampel uji kekerasan memerlukan permukaan