Ketahanan pada Baja: Kapasitas Penyerapan Energi & Ketahanan Terhadap Patah

Definisi dan Konsep Dasar

Kekerasan adalah kemampuan material untuk menyerap energi dan mengalami deformasi plastis tanpa patah. Ini mewakili total energi per unit volume yang dapat diserap oleh material sebelum patah, menggabungkan sifat kekuatan dan duktilitas. Sifat mekanik ini sangat penting dalam aplikasi rekayasa di mana material harus menahan beban benturan atau menyerap energi selama deformasi.

Dalam metalurgi, kekerasan menempati posisi kritis karena menghubungkan beberapa sifat dasar. Berbeda dengan kekerasan atau kekuatan yang mewakili ketahanan terhadap deformasi, kekerasan menggambarkan respons material terhadap beban dinamis dan kemampuannya untuk menahan propagasi retak. Sifat ini sangat penting dalam aplikasi baja di mana kegagalan mendadak dapat mengakibatkan konsekuensi yang bencana.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, kekerasan terwujud melalui kemampuan material untuk menghambat propagasi retak. Ketika retak terbentuk, konsentrasi tegangan di ujung retak dapat diringankan melalui deformasi plastis, secara efektif membulatkan retak dan mencegah pertumbuhannya. Proses ini melibatkan pergerakan dislokasi, aktivasi bidang slip, dan dissipasi energi melalui kerja plastis.

Mekanisme mikroskopis yang mengatur kekerasan pada baja termasuk penumpukan dislokasi, plastisitas ujung retak, dan penghalang mikrostruktur terhadap propagasi retak. Penghalang ini termasuk batas butir, antarmuka fase, dan presipitasi yang dapat membelokkan retak atau memaksa mereka mengikuti jalur yang lebih berliku, sehingga meningkatkan penyerapan energi sebelum kegagalan.

Model Teoretis

Teori Griffith membentuk dasar teoretis utama untuk memahami kekerasan, khususnya kekerasan patah. Dikembangkan oleh A.A. Griffith pada tahun 1920, teori ini mengaitkan kegagalan material dengan keseimbangan energi antara pelepasan energi regangan dan penciptaan energi permukaan selama propagasi retak.

Pemahaman historis berkembang secara signifikan dengan modifikasi Irwin terhadap teori Griffith pada tahun 1950-an, memperkenalkan konsep faktor intensitas tegangan (K) dan memperhitungkan deformasi plastis di ujung retak. Pendekatan J-integral yang kemudian dikembangkan oleh Rice menyediakan integral kontur yang tidak bergantung pada jalur yang menggambarkan laju pelepasan energi dalam material elastis nonlinier.

Mekanika Patah Elastis Linier (LEFM) dan Mekanika Patah Elastis-Plastis (EPFM) mewakili pendekatan teoretis yang berbeda yang berlaku untuk material rapuh dan duktil masing-masing. EPFM sangat relevan untuk baja yang keras yang menunjukkan deformasi plastis yang signifikan sebelum patah.

Dasar Ilmu Material

Kekerasan sangat berkorelasi dengan struktur kristal, dengan struktur kubik berpusat badan (BCC) biasanya menunjukkan suhu transisi duktil-ke-rapuh yang berbeda dibandingkan dengan struktur kubik berpusat wajah (FCC). Batas butir memainkan peran ganda—mereka dapat menghambat propagasi retak dengan memaksa retak untuk mengubah arah, tetapi juga dapat berfungsi sebagai situs inisiasi retak jika dilemahkan oleh kotoran yang terpisah.

Mikrostruktur sangat mempengaruhi kekerasan melalui ukuran butir, distribusi fase, dan kandungan inklusi. Baja dengan butir halus umumnya menunjukkan kekerasan yang lebih baik karena jumlah batas butir yang meningkat yang dapat menghambat propagasi retak. Demikian pula, fase sekunder yang terdispersi dapat meningkatkan kekerasan dengan menyediakan hambatan terhadap pertumbuhan retak.

Kekerasan terhubung dengan prinsip dasar ilmu material melalui hubungan antara ikatan atom, struktur kristal, dan mekanisme deformasi. Kemampuan material untuk mengakomodasi deformasi plastis melalui pergerakan dislokasi secara langsung mempengaruhi kapasitasnya untuk menyerap energi sebelum patah.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Rumus Definisi Dasar

Definisi dasar kekerasan dapat dinyatakan sebagai area di bawah kurva tegangan-regangan:

$$U_T = \int_0^{\varepsilon_f} \sigma d\varepsilon$$

Di mana:
- $U_T$ adalah kekerasan (energi per unit volume)
- $\sigma$ adalah tegangan
- $\varepsilon$ adalah regangan
- $\varepsilon_f$ adalah regangan pada patah

Rumus Perhitungan Terkait

Kekerasan patah untuk pemuatan mode I (pembukaan tarik) dinyatakan menggunakan faktor intensitas tegangan:

$$K_I = Y\sigma\sqrt{\pi a}$$

Di mana:
- $K_I$ adalah faktor intensitas tegangan (MPa·m^(1/2))
- $Y$ adalah faktor geometris tak berdimensi
- $\sigma$ adalah tegangan yang diterapkan
- $a$ adalah panjang retak

Untuk material elastis-plastis, J-integral memberikan ukuran yang lebih tepat:

$$J = \int_{\Gamma} \left( W dy - \mathbf{T} \cdot \frac{\partial \mathbf{u}}{\partial x} ds \right)$$

Di mana:
- $J$ adalah nilai J-integral
- $W$ adalah kerapatan energi regangan
- $\mathbf{T}$ adalah vektor traksi
- $\mathbf{u}$ adalah vektor perpindahan
- $\Gamma$ adalah jalur di sekitar ujung retak

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Model matematis ini berlaku di bawah kondisi tertentu. LEFM hanya berlaku ketika deformasi plastis terbatas pada zona kecil di dekat ujung retak, biasanya pada material berkekuatan tinggi dengan kekerasan rendah atau di bawah kondisi regangan datar.

Pendekatan J-integral mengasumsikan perilaku elastis nonlinier, yang mendekati perilaku elastis-plastis hanya di bawah pemuatan monotonik. Untuk pemuatan siklik atau deformasi plastis yang luas, model-model ini memerlukan modifikasi.

Formulasi ini mengasumsikan sifat material isotropik dan biasanya diterapkan pada kondisi pemuatan statis atau kuasi-statis. Pemuatan dinamis memperkenalkan kompleksitas tambahan yang memerlukan model yang bergantung pada laju.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

• ASTM E23: Metode Uji Standar untuk Pengujian Dampak Batang Berlekuk pada Material Logam (uji Charpy dan Izod)
• ASTM E1820: Metode Uji Standar untuk Pengukuran Kekerasan Patah
• ISO 148-1: Material logam — Uji dampak pendulum Charpy
• ASTM E1290: Metode Uji Standar untuk Pengukuran Perpindahan Pembukaan Ujung Retak (CTOD) Kekerasan Patah

Setiap standar membahas aspek tertentu dari pengukuran kekerasan. ASTM E23 mencakup prosedur pengujian dampak berlekuk, sementara E1820 menyediakan metode komprehensif untuk menentukan kekerasan patah menggunakan berbagai parameter.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Peralatan umum termasuk penguji dampak pendulum untuk uji Charpy dan Izod, yang mengukur penyerapan energi selama patah pada laju regangan tinggi. Mesin pengujian universal yang dilengkapi dengan fixture khusus melakukan pengujian kekerasan patah seperti konfigurasi ketegangan kompak (CT) atau lentur berlekuk tepi tunggal (SENB).

Teknik-teknik ini beroperasi berdasarkan prinsip yang berbeda. Uji dampak mengukur penyerapan energi selama pemuatan dinamis, sementara uji kekerasan patah biasanya melibatkan pertumbuhan retak yang terkontrol di bawah kondisi kuasi-statis dengan pengukuran yang tepat dari beban, perpindahan, dan panjang retak.

Peralatan canggih termasuk penguji dampak yang terinstrumentasi yang merekam riwayat beban-waktu selama dampak, dan fixture khusus untuk pengujian pada suhu non-ambient atau dalam lingkungan korosif.

Persyaratan Sampel

Sampel Charpy standar mengukur 10×10×55 mm dengan lekukan V sedalam 2 mm. Sampel kekerasan patah berv