Kekuatan Hasil: Ambang Kritis untuk Kinerja & Desain Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Kekuatan luluh adalah tegangan di mana suatu material mulai mengalami deformasi plastis, beralih dari perilaku elastis ke plastis. Ini mewakili tegangan maksimum yang dapat diterapkan pada suatu material tanpa menyebabkan deformasi permanen. Sifat ini mendefinisikan batas praktis untuk aplikasi desain rekayasa, karena struktur biasanya harus beroperasi di bawah ambang ini untuk mempertahankan stabilitas dimensi.

Dalam metalurgi, kekuatan luluh menempati posisi sentral di antara sifat mekanik, berfungsi sebagai parameter desain kritis bersama dengan kekuatan tarik maksimum, duktilitas, dan ketangguhan. Ini memberikan dasar untuk perhitungan integritas struktural dan mewakili batas antara deformasi yang dapat dipulihkan dan tidak dapat dipulihkan dalam aplikasi yang menanggung beban.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikroskopis, kekuatan luluh muncul melalui resistensi terhadap pergerakan dislokasi dalam kisi kristal baja. Dislokasi adalah cacat garis dalam struktur kristalin yang memungkinkan deformasi plastis melalui propagasinya. Ketika tegangan diterapkan, dislokasi ini mulai bergerak sepanjang bidang slip dalam struktur kristal.

Berbagai rintangan menghalangi pergerakan dislokasi, termasuk dislokasi lainnya, batas butir, presipitat, dan atom solut. Resistensi kolektif yang diberikan oleh rintangan ini menentukan kekuatan luluh makroskopis. Transisi dari perilaku elastis ke plastis terjadi ketika tegangan yang diterapkan mengatasi rintangan ini, memungkinkan dislokasi untuk berlipat ganda dan bergerak lebih bebas.

Model Teoretis

Model teoretis utama yang menggambarkan perilaku luluh adalah kriteria luluh von Mises, yang mendefinisikan luluh sebagai terjadi ketika invariant kedua dari tensor tegangan deviasi mencapai nilai kritis. Kriteria ini secara efektif memprediksi perilaku luluh pada material duktil seperti baja di bawah kondisi pemuatan yang kompleks.

Pemahaman historis tentang fenomena luluh berkembang dari karya awal oleh Tresca pada abad ke-19 hingga model yang lebih canggih oleh von Mises dan Taylor pada awal abad ke-20. Teori dislokasi modern, yang dikembangkan oleh Taylor, Orowan, dan Polanyi pada tahun 1930-an, menetapkan hubungan antara pergerakan dislokasi mikroskopis dan deformasi plastis makroskopis.

Pendekatan alternatif termasuk kriteria Tresca (teori tegangan geser maksimum) dan kriteria Mohr-Coulomb, meskipun kriteria von Mises tetap dominan untuk aplikasi baja karena kemampuan prediktifnya yang lebih baik untuk logam duktil.

Dasar Ilmu Material

Kekuatan luluh berkorelasi kuat dengan struktur kristal, dengan baja kubik berpusat tubuh (BCC) biasanya menunjukkan perilaku luluh yang berbeda dibandingkan dengan struktur kubik berpusat wajah (FCC). Batas butir bertindak sebagai penghalang signifikan terhadap pergerakan dislokasi, dengan struktur butir yang lebih halus umumnya menghasilkan kekuatan luluh yang lebih tinggi sesuai dengan hubungan Hall-Petch.

Mikrostruktur baja—termasuk komposisi fase, distribusi, dan morfologi—secara fundamental menentukan perilaku luluh. Struktur ferritik, pearlitik, bainitik, dan martensitik masing-masing menunjukkan kekuatan luluh yang khas karena hambatan pergerakan dislokasi yang berbeda.

Sifat ini mencerminkan hubungan struktur-sifat yang menjadi pusat ilmu material, di mana susunan atom dan struktur cacat secara langsung mempengaruhi perilaku mekanik makroskopis. Mekanisme penguatan seperti penguatan larutan padat, pengerasan presipitasi, dan pengerasan kerja semuanya beroperasi dengan menghalangi pergerakan dislokasi.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Kekuatan luluh ($\sigma_y$) biasanya ditentukan dari kurva tegangan-regangan menggunakan metode offset 0,2%:

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

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

Formula Perhitungan Terkait

Untuk material tanpa titik luluh yang jelas, kekuatan luluh offset 0,2% dihitung dengan menemukan titik potong kurva tegangan-regangan dengan garis yang sejajar dengan bagian elastis yang di-offset oleh regangan 0,002:

$$\sigma_{0.2} = E \cdot 0.002 + \sigma(\varepsilon = 0.002)$$

Di mana:
- $\sigma_{0.2}$ = kekuatan luluh offset 0,2%
- $E$ = modulus elastis
- $\sigma(\varepsilon = 0.002)$ = tegangan pada titik potong

Hubungan Hall-Petch mengaitkan kekuatan luluh dengan ukuran butir:

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

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 kondisi pemuatan quasi-statis dan sifat material yang seragam di seluruh spesimen. Mereka umumnya berlaku untuk suhu yang jauh di bawah suhu rekristalisasi material.

Metode offset 0,2% menjadi kurang dapat diandalkan untuk material dengan perilaku elastis non-linear atau pengerasan regangan yang nyata. Selain itu, model ini mengasumsikan perilaku material isotropik, yang mungkin tidak berlaku untuk baja yang memiliki tekstur atau yang diproses secara berat.

Faktor lingkungan seperti suhu dan laju regangan dapat secara signifikan mengubah perilaku luluh, membatasi penerapan formulasi standar di bawah kondisi ekstrem. Sebagian besar model juga mengasumsikan material bebas cacat, sedangkan komponen rekayasa nyata mengandung berbagai diskontinuitas.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

• ASTM E8/E8M: Metode Pengujian Standar untuk Pengujian Tarik Material Logam (mencakup persiapan spesimen, prosedur pengujian, dan analisis data untuk menentukan kekuatan luluh)
• ISO 6892-1: Material logam — Pengujian tarik — Bagian 1: Metode pengujian pada suhu ruang (menentukan standar internasional untuk penentuan kekuatan luluh)
• ASTM A370: Metode Pengujian dan Definisi Standar untuk Pengujian Mekanik Produk Baja (memberikan prosedur spesifik industri untuk produk baja)
• JIS Z 2241: Metode pengujian tarik untuk material logam (standar Jepang untuk pengujian tarik termasuk penentuan kekuatan luluh)

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Mesin pengujian universal (UTM) adalah peralatan utama untuk pengukuran kekuatan luluh, dilengkapi dengan sel beban untuk pengukuran gaya dan ekstensi untuk pengukuran regangan. Sistem modern menggabungkan akuisisi data digital dan pemuatan yang dikendalikan komputer.

Prinsip dasar melibatkan penerapan beban tarik uniaxial yang meningkat secara bertahap pada spesimen standar sambil terus memantau baik gaya maupun ekstensi. Titik luluh diidentifikasi baik melalui munculnya penurunan luluh atau melalui metode offset 0,2%.

Peralatan canggih dapat mencakup sistem pengukuran regangan optik non-kontak, ruang lingkungan untuk pengujian non-ambient, dan akuisisi data kecepatan tinggi untuk aplikasi pengujian dinamis.

Persyaratan Sampel

Spesimen tarik standar biasanya memiliki bagian pengukur yang diperkecil dengan penampang melintang bulat (diameter 12,5mm) atau penampang melintang persegi panjang (lebar 12,5mm). Panjang pengukur distandarisasi pada 50mm untuk sebagian besar aplikasi, dengan total panjang spesimen sekitar 200mm.

Persiapan permukaan memerlukan penghilangan tanda pemesinan, lapisan dekarburisasi, atau anomali permukaan lainnya yang