Manfaat dapat diperoleh dengan memperoleh wawasan tentang satu lapisan struktur butiran yang mengendalikan 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 blok penyusun logam bereaksi terhadap beban yang diberikan. Sifat-sifat ini merupakan indikator efektif untuk mengelola kendala bahan baku; yaitu, seberapa jauh bahan tersebut akan tertekuk sebelum patah. Bahan baku harus mampu menahan proses pencetakan tanpa patah.
Pengujian tarik dan kekerasan yang merusak merupakan metode yang andal dan hemat biaya untuk menentukan sifat mekanis. Namun, pengujian ini tidak selalu dapat diandalkan setelah ketebalan bahan baku mulai membatasi ukuran sampel uji. Pengujian tarik pada produk logam datar tentu saja masih berguna, tetapi manfaatnya dapat diperoleh dengan melihat lebih dalam pada satu lapisan struktur butiran yang mengendalikan perilaku mekanisnya.
Logam tersusun atas serangkaian kristal mikroskopis yang disebut butiran. Butiran-butiran tersebut 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-ion logam, yang terikat ke dalam kisi kristal melalui elektron-elektron yang digunakan bersama.
Komposisi kimia dari paduan logam menentukan susunan atom yang disukai secara termodinamika dalam butiran logam, yang dikenal sebagai struktur kristal. Bagian logam yang homogen yang mengandung struktur kristal berulang membentuk satu butiran logam atau lebih yang disebut fase. Sifat mekanis dari paduan logam merupakan fungsi dari struktur kristal dalam paduan logam. Hal yang sama berlaku untuk ukuran dan susunan butiran setiap fase.
Kebanyakan orang familier dengan tahapan-tahapan air. Ketika air cair membeku, ia menjadi es padat. Akan tetapi, ketika menyangkut logam, tidak hanya ada satu fase padat. Keluarga paduan tertentu diberi nama berdasarkan fase-fasenya. Di antara baja tahan karat, paduan austenitik seri 300 terutama terdiri dari austenit ketika dianil. Akan tetapi, paduan seri 400 terdiri dari ferit dalam baja tahan karat 430 atau martensit dalam paduan baja tahan karat 410 dan 420.
Hal yang sama berlaku untuk paduan titanium. Nama setiap kelompok paduan menunjukkan fase dominannya pada suhu ruangan – alfa, beta, atau campuran keduanya. Ada paduan alfa, hampir alfa, alfa-beta, beta, dan hampir beta.
Ketika logam cair membeku, partikel padat dari fase yang disukai secara termodinamika akan mengendap di tempat yang memungkinkan tekanan, temperatur, dan komposisi kimia. Hal ini biasanya terjadi di antarmuka, seperti kristal es di permukaan kolam yang hangat pada hari yang dingin. Ketika butiran berinti, struktur kristal tumbuh dalam satu arah hingga butiran lain ditemukan. Batas butiran terbentuk di persimpangan kisi yang tidak cocok karena orientasi struktur kristal yang berbeda. Bayangkan meletakkan sekelompok kubus Rubik dengan ukuran yang berbeda dalam sebuah kotak. Setiap kubus memiliki susunan kotak persegi, tetapi semuanya akan tersusun dalam arah acak yang berbeda. Benda kerja logam yang telah membeku sepenuhnya terdiri dari serangkaian butiran yang berorientasi secara acak.
Setiap kali butiran terbentuk, ada kemungkinan terjadi cacat garis. Cacat ini adalah hilangnya bagian struktur kristal yang disebut dislokasi. Dislokasi ini dan pergerakannya selanjutnya di seluruh butiran dan melintasi batas butiran merupakan hal mendasar bagi keuletan logam.
Potongan melintang benda kerja dipasang, digiling, dipoles, dan diukir untuk melihat struktur butiran. Bila seragam dan seimbang, struktur mikro yang diamati pada mikroskop optik tampak seperti permainan puzzle. Kenyataannya, butiran bersifat tiga dimensi, dan potongan melintang setiap butiran akan bervariasi bergantung pada orientasi potongan melintang benda kerja.
Ketika struktur kristal diisi dengan semua atomnya, tidak ada ruang untuk pergerakan selain peregangan ikatan atom.
Saat Anda membuang separuh baris atom, Anda menciptakan peluang bagi baris atom lain untuk masuk ke posisi itu, yang secara efektif menggerakkan dislokasi. Saat gaya diberikan pada benda kerja, gerakan agregat dislokasi dalam struktur mikro memungkinkannya untuk ditekuk, diregangkan, atau dipadatkan tanpa patah atau pecah.
Ketika suatu gaya bekerja pada logam paduan, sistem akan meningkatkan energi. Jika energi yang cukup ditambahkan untuk menyebabkan deformasi plastik, kisi akan berubah bentuk dan terbentuklah dislokasi baru. Tampaknya logis jika hal ini akan meningkatkan keuletan, karena akan membebaskan lebih banyak ruang dan dengan demikian menciptakan potensi untuk gerakan dislokasi yang lebih banyak. Namun, ketika dislokasi bertumbukan, mereka dapat saling memperbaiki.
Seiring dengan meningkatnya jumlah dan konsentrasi dislokasi, semakin banyak dislokasi yang dijepit bersama, sehingga mengurangi keuletan. Akhirnya, banyak sekali dislokasi yang muncul sehingga pembentukan dingin tidak lagi memungkinkan. Karena dislokasi penjepit yang ada tidak dapat lagi bergerak, ikatan atom dalam kisi meregang hingga putus atau pecah. Inilah sebabnya mengapa logam paduan mengeras saat bekerja, dan mengapa ada batas pada jumlah deformasi plastik yang dapat ditahan logam sebelum pecah.
Butiran juga memainkan peran penting dalam annealing. Annealing pada material yang telah dikeraskan dengan kerja keras pada dasarnya mengatur ulang struktur mikro dan dengan demikian mengembalikan keuletan. Selama proses annealing, butiran diubah dalam tiga langkah:
Bayangkan seseorang berjalan di dalam gerbong kereta yang penuh sesak. Kerumunan orang hanya dapat didesak dengan menyisakan celah di antara deretan gerbong, seperti dislokasi pada kisi-kisi. Saat mereka berjalan, 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 sama, penumpang yang mencoba memberi ruang bagi pergerakan mereka akan saling bertabrakan dan menghantam dinding gerbong kereta, sehingga semua orang terjepit di tempatnya. Semakin banyak dislokasi yang muncul, semakin sulit bagi mereka untuk bergerak pada saat yang sama.
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 melampaui ukuran aslinya.
Sifat mekanis dapat diatur dengan mengendalikan pertumbuhan butir. Batas butir pada dasarnya adalah dinding dislokasi. Mereka menghambat pergerakan.
Jika pertumbuhan butiran dibatasi, akan dihasilkan butiran-butiran kecil dalam jumlah yang lebih banyak. Butiran-butiran yang lebih kecil ini dianggap lebih halus dalam hal struktur butiran. Batas butiran yang lebih banyak berarti gerakan dislokasi yang lebih sedikit dan kekuatan yang lebih tinggi.
Jika pertumbuhan butiran tidak dibatasi, struktur butiran menjadi lebih kasar, butiran lebih besar, batasnya lebih sedikit, dan kekuatannya lebih rendah.
Ukuran butiran sering disebut sebagai angka tanpa satuan, antara 5 dan 15. Ini adalah rasio relatif dan terkait dengan diameter butiran rata-rata. Semakin tinggi angkanya, semakin halus tingkat granularitasnya.
ASTM E112 menguraikan metode untuk mengukur dan mengevaluasi ukuran butiran. Metode ini melibatkan penghitungan jumlah butiran di area tertentu. Metode ini biasanya dilakukan dengan memotong bagian melintang bahan mentah, menggiling dan memolesnya, lalu mengetsanya dengan asam untuk mengekspos partikel-partikelnya. Penghitungan dilakukan di bawah mikroskop, dan pembesaran memungkinkan pengambilan sampel butiran yang memadai. Penetapan nomor ukuran butiran ASTM menunjukkan tingkat keseragaman yang wajar dalam bentuk dan diameter butiran. Bahkan mungkin menguntungkan untuk membatasi variasi ukuran butiran hingga dua atau tiga titik guna memastikan kinerja yang konsisten di seluruh benda kerja.
Dalam kasus pengerasan kerja, kekuatan dan keuletan memiliki hubungan yang berbanding 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 yang "sangat lunak" tidak dapat lagi dikeraskan secara efektif.
Ukuran butiran sering disebut sebagai angka tanpa satuan, antara 5 dan 15. Ini adalah rasio relatif dan terkait dengan diameter butiran rata-rata. Semakin tinggi nilai ukuran butiran ASTM, semakin banyak butiran per satuan luas.
Ukuran butiran material yang dianil bervariasi tergantung pada waktu, suhu, dan laju pendinginan. Anil biasanya dilakukan antara suhu rekristalisasi dan titik leleh paduan. Kisaran suhu anil yang disarankan untuk paduan baja tahan karat austenitik 301 adalah antara 1.900 dan 2.050 derajat Fahrenheit. Baja tersebut akan mulai mencair pada suhu sekitar 2.550 derajat Fahrenheit. Sebaliknya, titanium kelas 1 yang murni secara komersial harus dianil pada suhu 1.292 derajat Fahrenheit dan mencair pada suhu sekitar 3.000 derajat Fahrenheit.
Selama proses anil, proses pemulihan dan rekristalisasi bersaing satu sama lain hingga butiran yang direkristalisasi memakan semua butiran yang mengalami deformasi. Laju rekristalisasi bervariasi tergantung pada 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 selama waktu yang sama.
Jika material tidak ditahan dalam rentang pemanasan yang tepat cukup lama, struktur yang dihasilkan bisa jadi merupakan kombinasi butiran lama dan baru. Jika diinginkan sifat yang seragam pada seluruh logam, proses pemanasan harus bertujuan untuk mencapai struktur butiran ekuaksial yang seragam. Seragam berarti semua butiran berukuran kira-kira sama, dan ekuaksial berarti bentuknya kira-kira sama.
Untuk memperoleh struktur mikro yang seragam dan seimbang, setiap benda kerja harus terkena jumlah panas yang sama dalam jangka waktu yang sama dan harus didinginkan pada tingkat yang sama. Ini tidak selalu mudah atau memungkinkan dengan batch annealing, 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 butiran yang lebih kasar/material yang lebih lunak dan sebaliknya.
Jika ukuran dan kekuatan butiran saling terkait, dan kekuatannya diketahui, mengapa harus menghitung butiran, bukan? Semua pengujian yang merusak memiliki variabilitas. Pengujian tarik, terutama pada ketebalan yang lebih rendah, sebagian besar bergantung pada persiapan sampel. Hasil kekuatan tarik yang tidak mewakili sifat material sebenarnya dapat mengalami kegagalan dini.
Jika sifat-sifatnya tidak seragam di seluruh benda kerja, pengambilan spesimen uji tarik atau sampel dari satu sisi mungkin tidak menceritakan keseluruhan cerita. Persiapan dan pengujian sampel juga dapat memakan waktu lama. Berapa banyak pengujian yang mungkin dilakukan untuk logam tertentu, dan dalam berapa banyak arah hal itu dapat dilakukan? Mengevaluasi struktur butiran merupakan asuransi tambahan terhadap kejutan.
Anisotropik, isotropik. Anisotropi mengacu pada arah sifat mekanis. Selain kekuatan, anisotropi dapat lebih dipahami dengan memeriksa struktur butiran.
Struktur butiran yang seragam dan sama sumbu harus isotropik, yang berarti memiliki sifat yang sama di semua arah. Isotropi khususnya penting dalam proses penarikan dalam di mana konsentrisitas sangatlah penting. Ketika benda kerja ditarik ke dalam cetakan, material anisotropik tidak akan mengalir secara seragam, yang dapat menyebabkan cacat yang disebut earing. Earing terjadi ketika bagian atas cawan membentuk siluet bergelombang. Pemeriksaan struktur butiran dapat mengungkap lokasi ketidakhomogenan pada benda kerja dan membantu mendiagnosis akar permasalahannya.
Pemanasan yang tepat sangat penting untuk mencapai isotropi, tetapi penting juga untuk memahami luasnya deformasi sebelum pemanasan. Saat material mengalami deformasi plastis, butiran mulai mengalami deformasi. Dalam kasus penggulungan dingin, yang mengubah ketebalan menjadi panjang, butiran akan memanjang dalam arah penggulungan. Saat rasio aspek butiran berubah, isotropi dan keseluruhan sifat mekanis pun berubah. Dalam kasus benda kerja yang mengalami deformasi berat, beberapa orientasi mungkin tetap dipertahankan bahkan setelah pemanasan. Hal ini mengakibatkan anisotropi. Untuk material yang ditarik dalam, terkadang perlu untuk membatasi jumlah deformasi sebelum pemanasan akhir guna menghindari keausan.
kulit jeruk. Terangkatnya bukan satu-satunya cacat penarikan dalam yang terkait dengan cetakan. Kulit jeruk terjadi saat bahan mentah dengan partikel yang terlalu kasar ditarik. Setiap butiran mengalami deformasi secara independen dan sebagai fungsi dari orientasi kristalnya. Perbedaan deformasi antara butiran yang berdekatan menghasilkan tampilan bertekstur yang mirip dengan kulit jeruk. Tekstur adalah struktur granular yang terungkap di permukaan dinding cangkir.
Seperti halnya piksel pada layar TV, dengan struktur butiran halus, perbedaan antara setiap butiran tidak akan terlalu kentara, sehingga resolusinya pun meningkat secara efektif. Menetapkan sifat mekanis saja mungkin tidak cukup untuk memastikan ukuran butiran cukup halus guna mencegah efek kulit jeruk. Bila variasi dimensi benda kerja kurang dari 10 kali diameter butiran, sifat butiran individual akan mendorong perilaku pembentukan. Benda kerja tidak mengalami deformasi yang sama pada banyak butiran, tetapi mencerminkan ukuran dan orientasi spesifik setiap butiran. Hal ini dapat dilihat dari efek kulit jeruk pada dinding cangkir yang digambar.
Untuk ukuran butiran ASTM 8, diameter butiran rata-rata adalah 885 µin. Ini berarti bahwa pengurangan ketebalan apa pun sebesar 0,00885 inci atau kurang dapat dipengaruhi oleh efek pembentukan mikro ini.
Meskipun butiran kasar dapat menyebabkan masalah penarikan yang dalam, terkadang butiran tersebut direkomendasikan untuk pencetakan. Pencetakan adalah proses deformasi di mana bahan kosong dipadatkan 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 dapat merusak permukaan bahan kosong.
Karena alasan ini, meminimalkan tekanan aliran permukaan dengan menggunakan struktur butiran yang lebih kasar dapat membantu meringankan gaya yang dibutuhkan untuk pengisian cetakan yang tepat. Hal ini khususnya berlaku untuk pencetakan cetakan bebas, di mana dislokasi pada butiran permukaan dapat mengalir bebas, daripada terakumulasi pada batas butiran.
Tren yang dibahas di sini adalah generalisasi yang mungkin tidak berlaku untuk bagian tertentu. Namun, tren tersebut menyoroti manfaat pengukuran dan standarisasi ukuran butiran bahan baku saat merancang komponen baru untuk menghindari cacat umum dan mengoptimalkan parameter pencetakan.
Produsen mesin stamping logam presisi dan operasi penarikan dalam pada logam untuk membentuk komponen mereka akan bekerja sama dengan baik dengan para ahli metalurgi pada mesin penggulung ulang presisi yang berkualifikasi secara teknis yang dapat membantu mereka mengoptimalkan material hingga ke 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.
Jurnal STAMPING adalah satu-satunya jurnal industri yang didedikasikan untuk melayani kebutuhan pasar stamping logam. Sejak 1989, publikasi ini telah meliput teknologi mutakhir, tren industri, praktik terbaik, dan berita untuk membantu para profesional stamping menjalankan bisnis mereka secara lebih efisien.
Sekarang dengan akses penuh ke edisi digital The FABRICATOR, akses mudah ke sumber daya industri yang berharga.
Edisi digital The Tube & Pipe Journal sekarang sepenuhnya dapat diakses, menyediakan akses mudah ke sumber daya industri yang berharga.
Nikmati akses penuh ke edisi digital STAMPING Journal, yang menyediakan kemajuan teknologi terkini, praktik terbaik, dan berita industri untuk pasar stamping logam.
Sekarang dengan akses penuh ke edisi digital The Fabricator en Español, akses mudah ke sumber daya industri yang berharga.