Suhu Transisi: Ambang Kritis untuk Perilaku Duktile-Patah Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Suhu transisi mengacu pada rentang suhu di mana suatu material, khususnya baja, menunjukkan perubahan dalam perilaku patahnya dari mode kegagalan duktil menjadi rapuh. Properti ini mewakili ambang kritis di mana kemampuan material untuk menyerap energi sebelum patah secara dramatis menurun saat suhu turun di bawah titik ini.

Konsep ini sangat mendasar untuk pemilihan dan desain material dalam aplikasi di mana layanan suhu rendah diharapkan. Suhu transisi berfungsi sebagai indikator kunci dari kesesuaian material untuk digunakan di lingkungan di mana kegagalan rapuh dapat menyebabkan konsekuensi yang bencana.

Dalam metalurgi, suhu transisi menempati posisi sentral dalam mekanika patah dan evaluasi ketangguhan. Ini menghubungkan karakteristik mikrostruktur dengan perilaku mekanik makroskopik, memberikan insinyur informasi penting tentang batas kinerja material di bawah berbagai kondisi layanan.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, perilaku suhu transisi berasal dari interaksi antara dislokasi dan kisi kristal. Saat suhu menurun, energi termal yang tersedia untuk pergerakan dislokasi berkurang, membatasi mekanisme deformasi plastis.

Transisi terjadi ketika aktivasi termal menjadi tidak cukup untuk mengatasi hambatan energi untuk pergerakan dislokasi di sepanjang bidang slip. Pembatasan ini menyebabkan konsentrasi tegangan pada fitur mikrostruktur seperti batas butir, inklusi, dan mikroretakan yang ada.

Dalam logam kubik berpusat tubuh (BCC) seperti baja ferritik, sensitivitas suhu terhadap mobilitas dislokasi sangat terlihat karena stres Peierls-Nabarro yang tinggi, menciptakan rentang suhu transisi yang terdefinisi dengan baik yang tidak biasanya diamati pada logam kubik berpusat wajah (FCC).

Model Teoretis

Transisi duktil ke rapuh terutama dijelaskan menggunakan teori patah Griffith-Irwin, yang menghubungkan stres patah dengan ukuran retakan dan sifat material. Model ini kemudian diperluas oleh diagram Yoffee, yang secara grafis menggambarkan kompetisi antara pemisahan rapuh dan aliran plastis.

Pemahaman historis berkembang dari pengujian dampak awal Charpy pada awal 1900-an hingga pengembangan prinsip mekanika patah oleh Griffith pada tahun 1920-an dan perpanjangannya oleh Irwin pada tahun 1950-an. Perkembangan ini mengikuti kegagalan rapuh yang bencana pada kapal Liberty selama Perang Dunia II.

Pendekatan modern mencakup model pendekatan lokal seperti model Beremin, yang menggabungkan analisis statistik distribusi mikroretakan, dan metode Master Curve, yang menyediakan kerangka kerja terpadu untuk mengkarakterisasi ketergantungan suhu dari ketangguhan patah.

Dasar Ilmu Material

Perilaku suhu transisi sangat berkorelasi dengan struktur kristal, dengan struktur BCC menunjukkan transisi yang jelas sementara struktur FCC biasanya tidak. Batas butir berfungsi sebagai penghalang bagi pergerakan dislokasi dan potensi lokasi inisiasi retakan.

Mikrostruktur secara signifikan mempengaruhi perilaku transisi, dengan material butir halus umumnya menunjukkan suhu transisi yang lebih rendah. Komposisi fase juga memainkan peran penting, dengan fase ferritik menunjukkan transisi yang berbeda sementara fase austenitik biasanya mempertahankan duktilitas pada suhu yang sangat rendah.

Properti ini secara fundamental terhubung dengan teori dislokasi, mekanisme pengerasan regangan, dan prinsip propagasi retakan. Kompetisi antara deformasi plastis dan kebutuhan energi propagasi retakan menentukan apakah kegagalan terjadi dengan cara duktil atau rapuh.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Suhu transisi sering didefinisikan menggunakan hubungan ketergantungan suhu ketangguhan patah:

$$K_{IC}(T) = K_{min} + (K_{max} - K_{min})$$1 + \tanh(\frac{T - T_0}{C})$$$$

Di mana $K_{IC}(T)$ adalah ketangguhan patah pada suhu $T$, $K_{min}$ adalah ketangguhan patah rak bawah, $K_{max}$ adalah ketangguhan patah rak atas, $T_0$ adalah suhu transisi referensi, dan $C$ adalah konstanta material yang menentukan kemiringan transisi.

Formula Perhitungan Terkait

Pendekatan Master Curve mendefinisikan ketangguhan patah median sebagai:

$$K_{JC}(median) = 30 + 70\exp[0.019(T - T_0)]$$

Di mana $K_{JC}$ adalah ketangguhan patah elastis-plastis dalam MPa√m, $T$ adalah suhu uji dalam °C, dan $T_0$ adalah suhu referensi di mana $K_{JC}(median) = 100$ MPa√m.

Transisi energi dampak Charpy dapat dimodelkan menggunakan:

$$E(T) = E_{lower} + \frac{E_{upper} - E_{lower}}{1 + \exp$$\frac{T_{tr} - T}{C}$$}$$

Di mana $E(T)$ adalah energi dampak pada suhu $T$, $E_{lower}$ dan $E_{upper}$ adalah energi rak bawah dan atas, $T_{tr}$ adalah suhu transisi, dan $C$ adalah konstanta yang mengontrol lebar transisi.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Model matematis ini umumnya berlaku untuk baja ferritik dan material BCC lainnya tetapi mungkin tidak secara akurat mewakili baja austenitik atau material FCC yang tidak memiliki transisi yang jelas.

Model ini mengasumsikan mikrostruktur yang homogen dan mungkin tidak memperhitungkan variasi lokal, zona las, atau area yang terpengaruh panas di mana mikrostruktur campuran ada. Mereka juga biasanya berlaku untuk kondisi pemuatan quasi-statis.

Asumsi dasar termasuk homogenitas statistik material, tidak adanya tegangan sisa yang signifikan, dan geometri spesimen yang distandarisasi. Penyimpangan dari kondisi ini mungkin memerlukan pendekatan yang dimodifikasi atau faktor koreksi.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM E23: Metode Uji Standar untuk Pengujian Dampak Batang Berlekuk dari Material Logam – mencakup prosedur pengujian dampak Charpy dan Izod untuk menentukan suhu transisi.

ASTM E1921: Metode Uji Standar untuk Penentuan Suhu Referensi, T₀, untuk Baja Ferritik dalam Rentang Transisi – menetapkan metodologi Master Curve.

ISO 148-1: Material logam – Uji dampak pendulum Charpy – merinci persiapan spesimen dan prosedur pengujian untuk pengukuran energi dampak.

ASTM E1820: Metode Uji Standar untuk Pengukuran Ketangguhan Patah – menyediakan prosedur untuk menentukan ketangguhan patah di seluruh rentang suhu.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Mesin pengujian dampak Charpy terdiri dari palu pendulum yang memukul spesimen berlekuk, mengukur energi yang diserap selama patah. Mesin modern dilengkapi dengan pemukul yang terinstrumentasi yang merekam data beban-pergeseran selama dampak.

Pengujian ketangguhan patah menggunakan mesin uji universal yang digerakkan servo-hidrolik atau sekrup yang dilengkapi dengan ruang lingkungan untuk kontrol suhu. Sistem ini menerapkan pemuatan terkontrol pada spesimen yang telah retak sebelumnya sambil memantau pertumbuhan retakan.

Karakterisasi lanjutan dapat menggunakan sensor emisi akustik, kamera berkecepatan tinggi, atau sistem korelasi citra digital untuk menangkap dinamika inisiasi dan propagasi patah secara real-time.

Persyaratan Sampel

Spesimen Charpy V-notch standar berukuran 10mm × 10mm × 55mm dengan lekukan V 2mm dalam, 45°. Spesimen ketangguhan patah mencakup geometri ketegangan kompak (CT) dan bengkok berlekuk tepi tunggal (SENB) dengan persyaratan dimensi tertentu.

Persiapan permukaan biasanya memerlukan pemesinan yang hati-hati untuk menghindari pengenalan tegangan sisa atau perubahan mikrostruktur. Lekukan harus dipotong dengan tepat, dan spesimen ketangguhan patah memerlukan pra-retak kelelahan.

Spesimen harus represent