Manfaat dapat diperoleh dengan memahami salah satu lapisan struktur butiran yang mengontrol perilaku mekanis baja tahan karat. Getty Images
Pemilihan baja tahan karat dan paduan aluminium umumnya berpusat pada kekuatan, keuletan, perpanjangan, dan kekerasan. Sifat-sifat ini menunjukkan bagaimana bahan penyusun logam merespons beban yang diterapkan. Sifat-sifat ini merupakan indikator yang efektif untuk mengelola kendala bahan baku; yaitu, seberapa banyak bahan tersebut dapat ditekuk sebelum patah. Bahan baku harus mampu menahan proses pencetakan tanpa patah.
Pengujian tarik dan kekerasan destruktif adalah metode yang andal dan hemat biaya untuk menentukan sifat mekanik. Namun, pengujian ini tidak selalu dapat diandalkan begitu ketebalan bahan baku mulai membatasi ukuran sampel uji. Pengujian tarik produk logam pipih tentu masih berguna, tetapi manfaat dapat diperoleh dengan meneliti lebih dalam satu lapisan struktur butiran yang mengontrol perilaku mekaniknya.
Logam tersusun dari serangkaian kristal mikroskopis yang disebut butiran. Butiran-butiran ini tersebar secara acak di seluruh logam. Atom-atom unsur paduan, seperti besi, kromium, nikel, mangan, silikon, karbon, nitrogen, fosfor, dan sulfur dalam baja tahan karat austenitik, merupakan bagian dari satu butiran tunggal. Atom-atom ini membentuk larutan padat ion logam, yang terikat ke dalam kisi kristal melalui elektron yang mereka bagi.
Komposisi kimia paduan menentukan susunan atom yang lebih disukai secara termodinamis dalam butiran, yang dikenal sebagai struktur kristal. Bagian homogen dari logam yang mengandung struktur kristal berulang membentuk satu atau lebih butiran yang disebut fase. Sifat mekanik suatu paduan merupakan fungsi dari struktur kristal dalam paduan tersebut. Hal yang sama berlaku untuk ukuran dan susunan butiran dari setiap fase.
Kebanyakan orang sudah familiar dengan tahapan air. Ketika air cair membeku, ia menjadi es padat. Namun, jika berbicara tentang logam, tidak hanya ada satu fase padat. Keluarga paduan tertentu dinamai berdasarkan fasenya. Di antara baja tahan karat, paduan seri 300 austenitik sebagian besar terdiri dari austenit ketika dianil. Namun, paduan seri 400 terdiri dari ferit pada baja tahan karat 430 atau martensit pada paduan baja tahan karat 410 dan 420.
Hal yang sama berlaku untuk paduan titanium. Nama setiap kelompok paduan menunjukkan fase dominannya pada suhu kamar – alfa, beta, atau campuran keduanya. Ada paduan alfa, mendekati alfa, alfa-beta, beta, dan mendekati beta.
Ketika logam cair membeku, partikel padat dari fase yang secara termodinamis lebih disukai akan mengendap di tempat yang memungkinkan berdasarkan tekanan, suhu, dan komposisi kimia. Hal ini biasanya terjadi pada antarmuka, seperti kristal es di permukaan kolam hangat pada hari yang dingin. Ketika butiran terbentuk, struktur kristal tumbuh ke satu arah hingga butiran lain ditemui. Batas butiran terbentuk di persimpangan kisi yang tidak cocok karena orientasi struktur kristal yang berbeda. Bayangkan menempatkan sejumlah kubus Rubik dengan ukuran berbeda dalam sebuah kotak. Setiap kubus memiliki susunan kisi persegi, tetapi semuanya akan tersusun dalam arah acak yang berbeda. Benda kerja logam yang sepenuhnya membeku terdiri dari serangkaian butiran yang tampaknya berorientasi secara acak.
Setiap kali butiran terbentuk, ada kemungkinan terjadinya cacat garis. Cacat ini adalah bagian yang hilang dari struktur kristal yang disebut dislokasi. Dislokasi ini dan pergerakannya selanjutnya di seluruh butiran dan melintasi batas butiran sangat mendasar bagi keuletan logam.
Penampang benda kerja dipasang, digerinda, dipoles, dan dietsa untuk melihat struktur butirannya. Ketika seragam dan berbentuk sama sisi, struktur mikro yang diamati pada mikroskop optik tampak seperti potongan puzzle. Pada kenyataannya, butiran tersebut bersifat tiga dimensi, dan penampang setiap butiran akan bervariasi tergantung pada orientasi penampang benda kerja.
Ketika suatu struktur kristal terisi penuh dengan semua atomnya, tidak ada ruang untuk pergerakan selain peregangan ikatan atom.
Ketika Anda menghilangkan setengah dari satu baris atom, Anda menciptakan peluang bagi baris atom lain untuk masuk ke posisi tersebut, sehingga secara efektif menggeser dislokasi. Ketika gaya diterapkan pada benda kerja, gerakan agregat dislokasi dalam mikrostruktur memungkinkan benda kerja tersebut untuk menekuk, meregang, atau memampatkan tanpa patah atau retak.
Ketika suatu gaya bekerja pada paduan logam, sistem tersebut meningkatkan energi. Jika energi yang ditambahkan cukup untuk menyebabkan deformasi plastis, kisi-kisi akan berubah bentuk dan dislokasi baru akan terbentuk. Tampaknya logis bahwa hal ini akan meningkatkan daktilitas, karena membebaskan lebih banyak ruang dan dengan demikian menciptakan potensi untuk pergerakan dislokasi yang lebih banyak. Namun, ketika dislokasi bertabrakan, mereka dapat saling mengunci.
Seiring bertambahnya jumlah dan konsentrasi dislokasi, semakin banyak dislokasi yang terikat bersama, sehingga mengurangi daktilitas. Akhirnya, begitu banyak dislokasi muncul sehingga pembentukan dingin tidak lagi memungkinkan. Karena dislokasi pengikat yang ada tidak dapat lagi bergerak, ikatan atom dalam kisi meregang hingga putus atau patah. Inilah mengapa paduan logam mengalami pengerasan kerja, dan mengapa ada batasan jumlah deformasi plastis yang dapat ditahan oleh logam sebelum patah.
Butiran juga memainkan peran penting dalam proses anil. Proses anil pada material yang mengalami pengerasan kerja pada dasarnya mengatur ulang struktur mikro dan dengan demikian mengembalikan keuletan. Selama proses anil, butiran diubah dalam tiga langkah:
Bayangkan seseorang berjalan melalui gerbong kereta yang penuh sesak. Kerumunan hanya dapat dipadatkan dengan menyisakan celah di antara barisan, seperti pergeseran pada kisi-kisi. Saat mereka bergerak maju, orang-orang di belakang mereka mengisi kekosongan yang mereka tinggalkan, sementara mereka menciptakan ruang baru di depan. Begitu mereka mencapai ujung gerbong yang lain, susunan penumpang berubah. Jika terlalu banyak orang mencoba lewat pada saat yang bersamaan, penumpang yang mencoba memberi ruang untuk pergerakan mereka akan bertabrakan satu sama lain dan menabrak dinding gerbong kereta, sehingga semua orang terjebak di tempatnya. Semakin banyak pergeseran yang muncul, semakin sulit bagi mereka untuk bergerak pada saat yang bersamaan.
Penting untuk memahami tingkat deformasi minimum yang diperlukan untuk memicu rekristalisasi. Namun, jika logam tidak memiliki energi deformasi yang cukup sebelum dipanaskan, rekristalisasi tidak akan terjadi dan butiran akan terus tumbuh melebihi ukuran aslinya.
Sifat mekanik dapat disesuaikan dengan mengendalikan pertumbuhan butir. Batas butir pada dasarnya adalah dinding dislokasi. Batas butir menghambat pergerakan.
Jika pertumbuhan butir dibatasi, maka akan dihasilkan lebih banyak butir kecil. Butir-butir yang lebih kecil ini dianggap lebih halus dalam hal struktur butir. Lebih banyak batas butir berarti lebih sedikit pergerakan dislokasi dan kekuatan yang lebih tinggi.
Jika pertumbuhan butir tidak dibatasi, struktur butir menjadi lebih kasar, butir menjadi lebih besar, batas butir berkurang, dan kekuatan menjadi lebih rendah.
Ukuran butir sering disebut sebagai angka tanpa satuan, antara 5 dan 15. Ini adalah rasio relatif dan berkaitan dengan diameter butir rata-rata. Semakin tinggi angkanya, semakin halus butirannya.
ASTM E112 menguraikan metode untuk mengukur dan mengevaluasi ukuran butir. Ini melibatkan penghitungan jumlah butir dalam area tertentu. Hal ini biasanya dilakukan dengan memotong penampang bahan mentah, menggiling dan memolesnya, lalu mengikisnya dengan asam untuk mengekspos partikel. Penghitungan dilakukan di bawah mikroskop, dan perbesaran memungkinkan pengambilan sampel butir yang memadai. Pemberian nomor ukuran butir ASTM menunjukkan tingkat keseragaman yang wajar dalam bentuk dan diameter butir. Bahkan mungkin menguntungkan untuk membatasi variasi ukuran butir hingga dua atau tiga titik untuk memastikan kinerja yang konsisten di seluruh benda kerja.
Dalam kasus pengerasan kerja, kekuatan dan keuletan memiliki hubungan terbalik. Hubungan antara ukuran butir ASTM dan kekuatan cenderung positif dan kuat, umumnya perpanjangan berbanding terbalik dengan ukuran butir ASTM. Namun, pertumbuhan butir yang berlebihan dapat menyebabkan material "lunak mati" tidak lagi dapat mengeras secara efektif.
Ukuran butir sering disebut sebagai angka tanpa satuan, antara 5 dan 15. Ini adalah rasio relatif dan terkait dengan diameter butir rata-rata. Semakin tinggi nilai ukuran butir ASTM, semakin banyak butir per satuan luas.
Ukuran butir material yang dianil bervariasi tergantung waktu, suhu, dan laju pendinginan. Proses anil biasanya dilakukan antara suhu rekristalisasi dan titik leleh paduan. Kisaran suhu anil yang direkomendasikan untuk paduan baja tahan karat austenitik 301 adalah antara 1.900 dan 2.050 derajat Fahrenheit. Paduan ini akan mulai meleleh sekitar 2.550 derajat Fahrenheit. Sebaliknya, titanium murni komersial kelas 1 harus dianil pada suhu 1.292 derajat Fahrenheit dan meleleh sekitar 3.000 derajat Fahrenheit.
Selama proses anil, proses pemulihan dan rekristalisasi saling bersaing hingga butiran yang telah direkristalisasi menghabiskan semua butiran yang mengalami deformasi. Laju rekristalisasi bervariasi tergantung suhu. Setelah rekristalisasi selesai, pertumbuhan butiran mengambil alih. Benda kerja baja tahan karat 301 yang dianil pada suhu 1.900°F selama satu jam akan memiliki struktur butiran yang lebih halus daripada benda kerja yang sama yang dianil pada suhu 2.000°F untuk waktu yang sama.
Jika material tidak ditahan dalam rentang anil yang tepat cukup lama, struktur yang dihasilkan mungkin merupakan kombinasi butiran lama dan baru. Jika sifat seragam diinginkan di seluruh logam, proses anil harus bertujuan untuk mencapai struktur butiran equiaxed yang seragam. Seragam berarti bahwa semua butiran memiliki ukuran yang kurang lebih sama, dan equiaxed berarti bahwa butiran tersebut memiliki bentuk yang kurang lebih sama.
Untuk mendapatkan struktur mikro yang seragam dan equiaxed, setiap benda kerja harus terpapar jumlah panas yang sama untuk jangka waktu yang sama dan harus didinginkan dengan laju yang sama. Hal ini tidak selalu mudah atau mungkin dilakukan dengan annealing batch, jadi penting untuk setidaknya menunggu sampai seluruh benda kerja jenuh pada suhu yang tepat sebelum menghitung waktu perendaman. Waktu perendaman yang lebih lama dan suhu yang lebih tinggi akan menghasilkan struktur butir yang lebih kasar/material yang lebih lunak dan sebaliknya.
Jika ukuran butir dan kekuatan saling berhubungan, dan kekuatannya sudah diketahui, mengapa harus menghitung ukuran butir, bukan? Semua uji destruktif memiliki variabilitas. Pengujian tarik, terutama pada ketebalan yang lebih rendah, sangat bergantung pada persiapan sampel. Hasil kekuatan tarik yang tidak mewakili sifat material sebenarnya dapat mengalami kegagalan prematur.
Jika sifat-sifatnya tidak seragam di seluruh benda kerja, mengambil spesimen uji tarik atau sampel dari satu tepi mungkin tidak memberikan gambaran lengkap. Persiapan dan pengujian sampel juga dapat memakan waktu. Berapa banyak pengujian yang mungkin dilakukan untuk logam tertentu, dan dalam berapa banyak arah pengujian yang memungkinkan? Mengevaluasi struktur butir merupakan jaminan tambahan untuk menghindari kejutan.
Anisotropik, isotropik. Anisotropi mengacu pada arah sifat mekanik. Selain kekuatan, anisotropi dapat dipahami lebih baik dengan memeriksa struktur butiran.
Struktur butiran yang seragam dan equiaxed seharusnya isotropik, yang berarti memiliki sifat yang sama di semua arah. Isotropi sangat penting dalam proses deep drawing di mana konsentrisitas sangat penting. Ketika blank ditarik ke dalam cetakan, material anisotropik tidak akan mengalir secara seragam, yang dapat menyebabkan cacat yang disebut earing. Earing terjadi ketika bagian atas cup membentuk siluet bergelombang. Pemeriksaan struktur butiran dapat mengungkapkan lokasi ketidakseragaman pada benda kerja dan membantu mendiagnosis penyebab utamanya.
Proses anil yang tepat sangat penting untuk mencapai isotropi, tetapi penting juga untuk memahami tingkat deformasi sebelum proses anil. Saat material mengalami deformasi plastis, butiran-butiran mulai berubah bentuk. Dalam kasus penggulungan dingin, yang mengubah ketebalan menjadi panjang, butiran-butiran akan memanjang searah penggulungan. Seiring perubahan rasio aspek butiran, isotropi dan sifat mekanik secara keseluruhan juga berubah. Dalam kasus benda kerja yang mengalami deformasi berat, beberapa orientasi mungkin tetap dipertahankan bahkan setelah proses anil. Hal ini mengakibatkan anisotropi. Untuk material yang ditarik dalam (deep-drawn), terkadang perlu untuk membatasi jumlah deformasi sebelum proses anil akhir untuk menghindari keausan.
Kulit jeruk. Pengambilan material bukanlah satu-satunya cacat penarikan dalam yang terkait dengan cetakan. Kulit jeruk terjadi ketika bahan baku dengan partikel yang terlalu kasar ditarik. Setiap butir mengalami deformasi secara independen dan sebagai fungsi dari orientasi kristalnya. Perbedaan deformasi antara butir-butir yang berdekatan menghasilkan tampilan bertekstur yang mirip dengan kulit jeruk. Tekstur adalah struktur granular yang terlihat pada permukaan dinding cangkir.
Sama seperti piksel pada layar TV, dengan struktur butiran halus, perbedaan antara setiap butiran akan kurang terlihat, sehingga secara efektif meningkatkan resolusi. Menentukan sifat mekanik saja mungkin tidak cukup untuk memastikan ukuran butiran yang cukup halus untuk mencegah efek kulit jeruk. Ketika variasi dimensi benda kerja kurang dari 10 kali diameter butiran, sifat butiran individual akan mendorong perilaku pembentukan. Deformasi tidak terjadi secara merata pada banyak butiran, tetapi mencerminkan ukuran dan orientasi spesifik dari setiap butiran. Hal ini dapat dilihat dari efek kulit jeruk pada dinding cangkir yang ditarik.
Untuk ukuran butir ASTM 8, diameter butir rata-rata adalah 885 µin. Ini berarti bahwa pengurangan ketebalan sebesar 0,00885 inci atau kurang dapat dipengaruhi oleh efek pembentukan mikro ini.
Meskipun butiran kasar dapat menyebabkan masalah penarikan yang dalam, butiran tersebut terkadang direkomendasikan untuk pencetakan. Pencetakan adalah proses deformasi di mana suatu benda kerja dikompresi untuk memberikan topografi permukaan yang diinginkan, seperti seperempat kontur wajah George Washington. Tidak seperti penarikan kawat, pencetakan biasanya tidak melibatkan banyak aliran material massal, tetapi membutuhkan banyak gaya, yang mungkin hanya akan mengubah bentuk permukaan benda kerja.
Oleh karena itu, meminimalkan tegangan aliran permukaan dengan menggunakan struktur butiran yang lebih kasar dapat membantu mengurangi gaya yang dibutuhkan untuk pengisian cetakan yang tepat. Hal ini terutama berlaku untuk pencetakan tanpa cetakan (free-die imprinting), di mana dislokasi pada butiran permukaan dapat mengalir bebas, daripada menumpuk di batas butiran.
Tren yang dibahas di sini adalah generalisasi yang mungkin tidak berlaku untuk bagian-bagian tertentu. Namun, hal ini menyoroti manfaat pengukuran dan standardisasi ukuran butir bahan baku saat mendesain komponen baru untuk menghindari cacat umum dan mengoptimalkan parameter pencetakan.
Para produsen mesin pencetak logam presisi dan operasi penarikan dalam pada logam untuk membentuk komponen mereka akan bekerja sama dengan baik dengan para ahli metalurgi yang memiliki kualifikasi teknis pada mesin penggulung ulang presisi yang dapat membantu mereka mengoptimalkan material hingga tingkat butiran. Ketika para ahli metalurgi dan teknik di kedua sisi hubungan diintegrasikan ke dalam satu tim, hal itu dapat memberikan dampak transformatif dan menghasilkan hasil yang lebih positif.
STAMPING Journal adalah satu-satunya jurnal industri yang didedikasikan untuk melayani kebutuhan pasar pencetakan logam. Sejak tahun 1989, publikasi ini telah meliput teknologi mutakhir, tren industri, praktik terbaik, dan berita untuk membantu para profesional pencetakan menjalankan bisnis mereka dengan lebih efisien.
Kini dengan akses penuh ke edisi digital The FABRICATOR, Anda dapat dengan mudah mengakses sumber daya industri yang berharga.
Edisi digital The Tube & Pipe Journal kini sepenuhnya dapat diakses, memberikan akses mudah ke sumber daya industri yang berharga.
Nikmati akses penuh ke edisi digital STAMPING Journal, yang menyediakan perkembangan teknologi terkini, praktik terbaik, dan berita industri untuk pasar pencetakan logam.
Kini dengan akses penuh ke edisi digital The Fabricator en Español, Anda dapat dengan mudah mengakses sumber daya industri yang berharga.