Hasil: Parameter Kekuatan Kritis dalam Produksi & Aplikasi Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Yield pada baja mengacu pada tegangan di mana suatu material mulai mengalami deformasi plastis, bertransisi dari deformasi elastis ke deformasi plastis. Ini mewakili titik di mana material tidak akan sepenuhnya kembali ke bentuk aslinya ketika beban yang diterapkan dihilangkan. Properti ini sangat mendasar dalam rekayasa material karena mendefinisikan batas praktis dari tegangan yang dapat diterapkan sebelum deformasi permanen terjadi.

Dalam metalurgi, kekuatan yield berfungsi sebagai parameter desain kritis yang menentukan kekuatan yang dapat digunakan dari baja dalam aplikasi struktural. Ini menetapkan batas antara pemuatan yang aman dan dapat dibalik serta deformasi permanen yang berpotensi berbahaya. Insinyur mengandalkan nilai yield untuk memastikan struktur mempertahankan dimensi dan integritas yang dimaksudkan sepanjang masa pakainya.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mechanisme Fisik

Di tingkat mikroskopis, yielding terjadi ketika tegangan yang diterapkan menghasilkan gaya yang cukup untuk mengatasi resistensi terhadap pergerakan dislokasi dalam kisi kristal. Dislokasi adalah cacat garis dalam struktur kristalin yang, ketika dimobilisasi, memungkinkan lapisan atom untuk meluncur satu sama lain, menghasilkan deformasi permanen.

Fenomena yield melibatkan pemutusan ikatan atom dan pembentukan kembali di posisi baru. Awalnya, dislokasi terikat oleh rintangan seperti batas butir, presipitat, atau dislokasi lainnya. Ketika tegangan yang cukup diterapkan, dislokasi ini bebas dari titik pengikatnya dan berlipat ganda, memungkinkan aliran plastis makroskopis.

Model Teoretis

Model teoretis utama yang menggambarkan yielding adalah kriteria yield von Mises, yang memprediksi bahwa yielding dimulai ketika invariant tegangan deviasi kedua mencapai nilai kritis. Model ini memperhitungkan pengamatan bahwa tekanan hidrostatik tidak menyebabkan yielding pada material ductile seperti baja.

Secara historis, pemahaman tentang yielding berkembang dari teori tegangan geser maksimum Tresca pada abad ke-19 hingga model yang lebih canggih. Perkembangan ini berlangsung melalui hubungan Hall-Petch pada tahun 1950-an, yang mengkuantifikasi efek ukuran butir terhadap kekuatan yield.

Pendekatan modern mencakup model plastisitas kristal yang menggabungkan dinamika dislokasi dan efek tekstur. Model-model ini memberikan prediksi yang lebih akurat untuk kondisi pemuatan yang kompleks dan material anisotropik dibandingkan dengan teori fenomenologis klasik.

Dasar Ilmu Material

Kekuatan yield sangat terkait dengan struktur kristal, dengan baja kubik berpusat badan (BCC) biasanya menunjukkan perilaku yielding yang berbeda dibandingkan dengan paduan kubik berpusat wajah (FCC). Batas butir bertindak sebagai penghalang bagi pergerakan dislokasi, dengan ukuran butir yang lebih kecil menghasilkan kekuatan yield yang lebih tinggi.

Mikrostruktur baja sangat mempengaruhi perilaku yielding. Fase seperti martensit memberikan kekuatan yield yang tinggi melalui penghalangan dislokasi, sementara ferrit menawarkan kekuatan yield yang lebih rendah tetapi ketangguhan yang lebih besar. Presipitat dan partikel fase kedua menciptakan rintangan yang mengikat dislokasi, memerlukan tegangan yang lebih tinggi untuk memulai deformasi plastis.

Hubungan ini menghubungkan kekuatan yield dengan prinsip dasar ilmu material seperti penguatan larutan padat, pengerasan presipitat, pengerasan kerja, dan mekanisme penguatan batas butir.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Kekuatan yield ($\sigma_y$) biasanya didefinisikan menggunakan metode offset 0,2% untuk material tanpa titik yield yang jelas:

$$\sigma_y = \frac{F_y}{A_0}$$

Di mana:
- $\sigma_y$ = kekuatan yield (MPa atau psi)
- $F_y$ = gaya pada yield (N atau lbf)
- $A_0$ = luas penampang asli (mm² atau in²)

Formula Perhitungan Terkait

Untuk material yang menunjukkan titik yield atas dan bawah yang jelas, kekuatan yield bawah ($\sigma_{LYS}$) dihitung sebagai:

$$\sigma_{LYS} = \frac{F_{LYS}}{A_0}$$

Hubungan antara kekuatan yield dan ukuran butir dinyatakan oleh persamaan Hall-Petch:

$$\sigma_y = \sigma_0 + \frac{k_y}{\sqrt{d}}$$

Di mana:
- $\sigma_0$ = tegangan gesekan yang menentang pergerakan dislokasi
- $k_y$ = koefisien penguatan
- $d$ = diameter butir rata-rata

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini mengasumsikan material homogen, isotropik yang diuji di bawah kondisi pemuatan uniaxial. Mereka berlaku untuk laju pemuatan quasi-statis pada suhu kamar kecuali dinyatakan lain.

Metode offset 0,2% menjadi kurang akurat untuk material dengan perilaku elastis yang sangat non-linear. Hubungan Hall-Petch tidak berlaku pada ukuran butir yang sangat kecil (di bawah sekitar 10 nm) di mana mekanisme deformasi lain menjadi dominan.

Model-model ini umumnya mengasumsikan material bebas cacat, sedangkan baja nyata mengandung inklusi, rongga, dan cacat lainnya yang dapat secara signifikan mengubah perilaku yielding lokal.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

• ASTM E8/E8M: Metode Uji Standar untuk Pengujian Tarik Material Logam
• ISO 6892-1: Material logam — Pengujian tarik — Bagian 1: Metode uji pada suhu kamar
• JIS Z 2241: Metode uji tarik untuk material logam
• EN 10002-1: Material logam - Pengujian tarik - Bagian 1: Metode uji pada suhu lingkungan

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Kekuatan yield biasanya diukur menggunakan mesin uji universal yang dilengkapi dengan sel beban dan ekstensiometer. Mesin ini menerapkan gaya tarik atau tekan yang terkontrol sambil mengukur dengan tepat baik beban maupun perpindahan.

Prinsip dasar melibatkan penerapan beban uniaxial yang meningkat secara bertahap pada spesimen standar sambil terus memantau tegangan dan regangan. Sistem canggih mungkin menggabungkan teknik korelasi citra digital untuk memetakan bidang regangan di seluruh permukaan spesimen.

Peralatan khusus seperti sistem pengujian servo-hidrolik memungkinkan pengujian pada laju regangan tinggi, sementara ruang lingkungan memungkinkan pengujian pada suhu non-lingkungan untuk mensimulasikan kondisi layanan.

Persyaratan Spesimen

Spesimen tarik standar biasanya memiliki bagian pengukur yang diperkecil dengan dimensi yang ditentukan secara tepat oleh standar pengujian. Spesimen bulat umumnya memiliki diameter pengukur 12,5 mm, sementara spesimen datar dapat memiliki ketebalan 6-12 mm.

Persiapan permukaan memerlukan penghilangan tanda pemesinan, lapisan dekarburisasi, atau cacat permukaan lain yang dapat memicu kegagalan prematur. Spesimen harus bebas dari tegangan sisa yang dapat mempengaruhi akurasi pengukuran.

Orientasi spesimen relatif terhadap arah penggulungan harus didokumentasikan, karena kekuatan yield sering bervariasi dengan orientasi karena tekstur kristal dan mikrostruktur arah.

Parameter Uji

Pengujian standar biasanya dilakukan pada suhu kamar (23±5°C) dengan kelembapan relatif di bawah 90%. Untuk sifat yang bergantung pada suhu, pengujian dapat berkisar dari suhu kriogenik hingga suhu tinggi.

ASTM E8 menetapkan laju regangan antara 0,001 dan 0,015 mm/mm/menit untuk menentukan sifat yield. Laju regangan yang lebih tinggi dapat digunakan untuk aplikasi tertentu tetapi harus dilaporkan bersama hasilnya.

Kondisi preloading, penyelarasan grip, dan laju akuisisi data harus dikendalikan untuk memastikan akurasi dan konsistensi pengukuran.

Pengolahan Data

Pengumpulan data melibatkan pencatatan terus-menerus dari gaya dan ekstensi sepanjang pengujian. Data mentah ini diubah menjadi kurva tegangan-regangan teknik dengan membagi gaya dengan luas