Titik Hasil: Transisi Kritis dalam Perilaku Elastis-Plastik Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Titik hasil adalah nilai tegangan spesifik dalam kurva tegangan-regangan material di mana deformasi plastik dimulai tanpa peningkatan tegangan yang diterapkan. Ini mewakili transisi dari perilaku elastis ke plastik pada material tertentu, terutama baja karbon rendah dan beberapa paduan ferrous lainnya. Properti ini sangat mendasar dalam desain struktural dan pemilihan material karena mendefinisikan tegangan maksimum yang dapat ditahan oleh material sebelum deformasi permanen terjadi.

Dalam metalurgi, titik hasil dibedakan dari kekuatan hasil, dengan yang pertama dicirikan oleh penurunan yang jelas dalam kurva tegangan-regangan diikuti oleh daerah tegangan yang hampir konstan (pita Lüders). Fenomena ini sangat penting dalam operasi pengolahan baja seperti pembentukan dan penarikan, di mana perilaku material yang dapat diprediksi di bawah beban sangat penting untuk kontrol kualitas dan optimasi proses.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, fenomena titik hasil terutama disebabkan oleh interaksi antara dislokasi dan atom interstitial dalam kisi kristal. Dalam baja ringan, atom karbon dan nitrogen berdifusi untuk membentuk atmosfer di sekitar dislokasi (atmosfer Cottrell), secara efektif menjepit mereka di tempat. Ketika tegangan yang cukup diterapkan, dislokasi ini lepas dari atom penjepitnya sekaligus, menghasilkan penurunan hasil yang khas.

Pelepasan mendadak dan pergerakan sejumlah besar dislokasi menciptakan pita deformasi lokal (pita Lüders) yang menyebar di seluruh spesimen. Penghilangan penjepitan dan pergerakan kolektif dislokasi ini menjelaskan mengapa titik hasil muncul sebagai penurunan tegangan yang jelas daripada transisi yang bertahap.

Model Teoretis

Model teoretis utama yang menggambarkan fenomena titik hasil adalah teori Cottrell-Bilby, yang dikembangkan pada tahun 1940-an oleh A.H. Cottrell dan B.A. Bilby. Teori ini mengkuantifikasi bagaimana atom interstitial bermigrasi ke dislokasi, membentuk atmosfer yang memerlukan tegangan tambahan untuk diatasi.

Secara historis, pemahaman tentang titik hasil berkembang dari pengamatan awal oleh Lüders pada tahun 1860-an tentang pita deformasi yang terlihat, melalui karya Piobert tentang front propagasi plastisitas, hingga pengamatan langsung Johnston dan Gilman tentang gerakan dislokasi pada tahun 1950-an.

Pendekatan teoretis alternatif termasuk model Haasen-Kelly yang fokus pada perkalian dislokasi dan model komputasi yang lebih baru yang menggabungkan plastisitas gradien regangan untuk lebih baik memprediksi perilaku yielding yang bergantung pada skala.

Dasar Ilmu Material

Fenomena titik hasil sangat terkait dengan struktur kristal kubik berpusat badan (BCC) dari ferit dalam baja, yang memungkinkan atom interstitial menciptakan titik penjepit yang kuat pada dislokasi. Ukuran dan distribusi butir secara signifikan mempengaruhi titik hasil, dengan struktur butir yang lebih halus umumnya menunjukkan nilai titik hasil yang lebih tinggi karena penguatan batas butir.

Dari segi mikrostruktur, titik hasil tergantung pada distribusi dislokasi, densitasnya, dan interaksinya dengan atom pelarut. Kandungan pearlite, distribusi inklusi, dan batas fase semuanya mempengaruhi bagaimana dislokasi bergerak selama proses hasil.

Properti ini mencerminkan prinsip dasar ilmu material bahwa perilaku mekanik makroskopik secara langsung dihasilkan dari interaksi skala atom dan fitur mikrostruktur. Ini menunjukkan bagaimana sejumlah kecil elemen interstitial dapat secara dramatis mengubah sifat mekanik melalui interaksinya dengan cacat kristal.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Titik hasil biasanya dinyatakan dalam istilah tegangan:

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

Di mana:
- $\sigma_{YP}$ adalah tegangan titik hasil (MPa atau psi)
- $F_{YP}$ adalah gaya pada titik hasil (N atau lbf)
- $A_0$ adalah luas penampang asli spesimen (mm² atau in²)

Formula Perhitungan Terkait

Peregangan titik hasil (YPE) mengkuantifikasi rentang regangan di mana pita Lüders menyebar:

$$YPE = \frac{\Delta L_{YP}}{L_0} \times 100\%$$

Di mana:
- $YPE$ adalah peregangan titik hasil (%)
- $\Delta L_{YP}$ adalah perpanjangan selama fenomena titik hasil (mm atau in)
- $L_0$ adalah panjang gauge asli (mm atau in)

Hubungan antara titik hasil dan ukuran butir mengikuti persamaan Hall-Petch:

$$\sigma_{YP} = \sigma_0 + \frac{k_y}{\sqrt{d}}$$

Di mana:
- $\sigma_0$ adalah tegangan gesekan (konstanta material)
- $k_y$ adalah koefisien penguatan (konstanta material)
- $d$ adalah diameter butir rata-rata

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini berlaku terutama untuk material yang menunjukkan perilaku titik hasil yang jelas, biasanya baja karbon rendah dengan kandungan karbon di bawah 0,25%. Hubungan Hall-Petch berlaku untuk ukuran butir yang biasanya antara 1-100 μm, dengan deviasi terjadi pada struktur butir yang sangat halus atau kasar.

Fenomena titik hasil sensitif terhadap suhu dan laju regangan, dengan formula ini paling akurat pada suhu kamar dan laju pengujian konvensional (10⁻³ hingga 10⁻⁴ s⁻¹). Pada suhu tinggi atau laju regangan yang sangat tinggi, mekanisme deformasi yang berbeda mungkin mendominasi.

Model ini mengasumsikan material homogen tanpa tekstur signifikan, tegangan sisa, atau pra-regangan, yang dapat secara signifikan mengubah atau menghilangkan fenomena titik hasil.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

• ASTM E8/E8M: Metode Uji Standar untuk Pengujian Tarik Material Logam (mencakup prosedur rinci untuk menentukan sifat hasil)
• 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

Titik hasil biasanya diukur menggunakan mesin uji universal yang dilengkapi dengan sel beban yang tepat dan ekstensiometer. Sistem modern memiliki akuisisi data digital yang mampu menangkap penurunan beban cepat yang khas dari fenomena titik hasil.

Prinsip dasar melibatkan penerapan beban tarik uniaxial yang meningkat secara bertahap pada spesimen standar sambil terus memantau baik beban maupun perpanjangan. Ekstensiometer resolusi tinggi (baik jenis kontak atau non-kontak laser/video) sangat penting untuk pengukuran regangan yang akurat selama transisi hasil.

Karakterisasi lanjutan dapat menggunakan sistem korelasi citra digital (DIC) untuk memvisualisasikan dan mengkuantifikasi penyebaran pita Lüders di permukaan spesimen.

Persyaratan Sampel

Spesimen tarik standar biasanya mengikuti geometri persegi panjang atau silindris dengan dimensi yang tepat. Untuk material lembaran, ASTM E8 menetapkan spesimen dengan panjang gauge 50mm dan lebar 12.5mm, sementara spesimen bulat biasanya memiliki diameter gauge 12.5mm dan panjang gauge 50mm.

Persiapan permukaan memerlukan pemesinan yang hati-hati untuk menghindari pengenalan tegangan sisa atau cacat permukaan. Tepi harus halus dan bebas dari notches yang dapat bertindak sebagai konsentrator tegangan.

Spesimen harus bebas dari riwayat deformasi sebelumnya yang dapat menghilangkan fenomena titik hasil, memerlukan penanganan yang hati-hati dan kadang-kadang perlakuan annealing pelepasan tegangan sebelum pengujian.

Parameter Uji

Pengujian standar dilakukan pada suhu kamar (23±5°C) dengan kelembapan relatif di bawah 90%. Untuk studi yang