Berbagai protokol pengujian (Brinell, Rockwell, Vickers) memiliki prosedur khusus untuk proyek yang sedang diuji. Uji Rockwell T cocok untuk memeriksa tabung berdinding tipis dengan memotong tabung memanjang dan menguji dinding dari diameter dalam, bukan diameter luar.
Memesan kendaraan agak mirip dengan pergi ke dealer mobil dan memesan mobil atau truk. Saat ini, banyaknya pilihan yang tersedia memungkinkan pembeli untuk menyesuaikan kendaraan dengan berbagai cara — warna interior dan eksterior, paket trim interior, pilihan gaya eksterior, pilihan powertrain, dan sistem audio yang hampir menyaingi sistem hiburan rumah. Dengan semua pilihan ini, Anda mungkin tidak puas dengan kendaraan standar tanpa embel-embel.
Pipa baja memang seperti itu. Ia memiliki ribuan pilihan atau spesifikasi. Selain dimensi, spesifikasi mencantumkan sifat kimia dan beberapa sifat mekanik seperti kekuatan luluh minimum (MYS), kekuatan tarik maksimum (UTS), dan perpanjangan minimum sebelum putus. Namun, banyak orang di industri—insinyur, agen pembelian, dan produsen—menggunakan singkatan industri yang diterima yang mengharuskan penggunaan pipa las "normal" dan hanya menentukan satu karakteristik: kekerasan.
Cobalah memesan mobil hanya berdasarkan satu karakteristik (“Saya butuh mobil dengan transmisi otomatis”) dan Anda tidak akan berhasil berurusan dengan tenaga penjual. Ia harus mengisi formulir pemesanan dengan banyak pilihan. Pipa pun demikian – untuk mendapatkan pipa yang tepat untuk aplikasi tertentu, produsen pipa membutuhkan informasi lebih dari sekadar kekerasan.
Bagaimana kekerasan menjadi pengganti yang diakui untuk sifat mekanik lainnya? Kemungkinan besar dimulai dari produsen pipa. Karena pengujian kekerasan cepat, mudah, dan membutuhkan peralatan yang relatif murah, tenaga penjual pipa sering menggunakan pengujian kekerasan untuk membandingkan dua pipa. Untuk melakukan pengujian kekerasan, yang mereka butuhkan hanyalah sepotong pipa yang halus dan alat uji.
Kekerasan pipa berkorelasi baik dengan UTS, dan sebagai aturan umum, persentase atau rentang persentase sangat membantu dalam memperkirakan MYS, sehingga mudah untuk melihat bagaimana pengujian kekerasan dapat menjadi proksi yang sesuai untuk sifat-sifat lainnya.
Selain itu, pengujian lainnya relatif kompleks. Meskipun pengujian kekerasan hanya membutuhkan waktu sekitar satu menit pada satu mesin, pengujian MYS, UTS, dan elongasi memerlukan persiapan sampel dan investasi signifikan pada peralatan laboratorium yang besar. Sebagai perbandingan, dibutuhkan beberapa detik bagi operator pabrik pipa untuk melakukan pengujian kekerasan dan berjam-jam bagi teknisi metalurgi profesional untuk melakukan pengujian tarik. Melakukan pemeriksaan kekerasan tidaklah sulit.
Ini bukan berarti bahwa produsen pipa rekayasa tidak menggunakan pengujian kekerasan. Dapat dikatakan bahwa sebagian besar memang menggunakannya, tetapi karena mereka melakukan penilaian pengulangan dan reproduksibilitas alat ukur pada semua peralatan uji mereka, mereka sangat menyadari keterbatasan pengujian tersebut. Sebagian besar menggunakan penilaian kekerasan pipa sebagai bagian dari proses produksi, tetapi mereka tidak menggunakannya untuk mengukur sifat-sifat pipa. Ini hanyalah tes lulus/gagal.
Mengapa Anda perlu mengetahui tentang MYS, UTS, dan elongasi minimum? Karena hal tersebut menunjukkan bagaimana tabung akan berperilaku saat dirakit.
MYS adalah gaya minimum yang menyebabkan deformasi permanen pada material. Jika Anda mencoba membengkokkan kawat lurus (seperti gantungan baju) sedikit dan melepaskan tekanan, salah satu dari dua hal akan terjadi: kawat akan kembali ke keadaan semula (lurus) atau akan tetap bengkok. Jika masih lurus, Anda belum melewati MYS. Jika masih bengkok, Anda telah melewatinya.
Sekarang, gunakan tang untuk menjepit kedua ujung kawat. Jika Anda dapat merobek kawat menjadi dua bagian, berarti Anda telah melampaui kekuatan tarik maksimumnya (UTS). Anda memberikan banyak tegangan padanya dan Anda memiliki dua kawat untuk menunjukkan upaya luar biasa Anda. Jika panjang asli kawat adalah 5 inci, dan kedua panjang setelah putus berjumlah 6 inci, kawat tersebut meregang sebesar 1 inci, atau 20%. Uji perpanjangan sebenarnya diukur dalam jarak 2 inci dari titik putus, tetapi apa pun itu – konsep kawat tarik menggambarkan UTS.
Sampel fotomikrograf baja perlu dipotong, dipoles, dan dietsa menggunakan larutan asam lemah (biasanya asam nitrat dan alkohol (nitroetanol)) agar butirannya terlihat. Pembesaran 100x umumnya digunakan untuk memeriksa butiran baja dan menentukan ukuran butirannya.
Kekerasan adalah uji bagaimana suatu material merespons benturan. Bayangkan memasukkan sepotong pipa pendek ke dalam ragum dengan rahang bergerigi dan memutar ragum untuk menutupnya. Selain meratakan pipa, rahang ragum juga meninggalkan lekukan pada permukaan pipa.
Begitulah cara kerja uji kekerasan, tetapi tidak sesederhana itu. Uji ini memiliki ukuran benturan yang terkontrol dan tekanan yang terkontrol. Gaya-gaya ini mengubah bentuk permukaan, menciptakan lekukan atau cekungan. Ukuran atau kedalaman lekukan menentukan kekerasan logam.
Untuk mengevaluasi baja, uji kekerasan yang umum digunakan adalah Brinell, Vickers, dan Rockwell. Masing-masing memiliki skala tersendiri, dan beberapa memiliki beberapa metode pengujian, seperti Rockwell A, B, dan C. Untuk pipa baja, Spesifikasi ASTM A513 merujuk pada uji Rockwell B (disingkat HRB atau RB). Uji Rockwell B mengukur perbedaan penetrasi baja oleh bola baja berdiameter 1/16 inci antara beban awal kecil dan beban utama 100 kgf. Hasil tipikal untuk baja lunak standar adalah HRB 60.
Para ilmuwan material mengetahui bahwa kekerasan berbanding lurus dengan UTS. Oleh karena itu, kekerasan tertentu dapat memprediksi UTS. Demikian pula, produsen pipa mengetahui bahwa MYS dan UTS saling terkait. Untuk pipa las, MYS biasanya 70% hingga 85% dari UTS. Jumlah pastinya bergantung pada proses pembuatan pipa. Kekerasan HRB 60 berkorelasi dengan UTS sebesar 60.000 pound per inci persegi (PSI) dan MYS sebesar 80%, atau 48.000 PSI.
Spesifikasi pipa yang paling umum dalam manufaktur umum adalah kekerasan maksimum. Selain ukuran, insinyur juga memperhatikan spesifikasi pipa las resistansi listrik (ERW) dalam rentang kerja yang baik, yang dapat menghasilkan kekerasan maksimum HRB 60 yang tercantum dalam gambar komponen. Keputusan ini saja mengarah pada berbagai sifat mekanik akhir, termasuk kekerasan itu sendiri.
Pertama, kekerasan HRB 60 tidak banyak memberi tahu kita. Pembacaan HRB 60 adalah angka tanpa dimensi. Material yang dievaluasi dengan HRB 59 lebih lunak daripada material yang diuji dengan HRB 60, dan HRB 61 lebih keras daripada HRB 60, tetapi seberapa keras? Hal ini tidak dapat dikuantifikasi seperti volume (diukur dalam desibel), torsi (diukur dalam pound-feet), kecepatan (diukur dalam jarak relatif terhadap waktu), atau UTS (diukur dalam pound per inci persegi). Pembacaan HRB 60 tidak memberi tahu kita sesuatu yang spesifik. Ini adalah sifat material, tetapi bukan sifat fisik. Kedua, pengujian kekerasan tidak cocok untuk pengulangan atau reproduksibilitas. Mengevaluasi dua lokasi pada spesimen uji, bahkan jika lokasi pengujian berdekatan, seringkali menghasilkan variasi besar dalam pembacaan kekerasan. Yang memperparah masalah ini adalah sifat pengujian itu sendiri. Setelah suatu posisi diukur, posisi tersebut tidak dapat diukur untuk kedua kalinya untuk memverifikasi hasilnya. Pengulangan pengujian tidak mungkin.
Ini bukan berarti pengujian kekerasan itu tidak praktis. Bahkan, pengujian ini memberikan panduan yang baik untuk kekuatan tarik maksimum (UTS) suatu material, dan merupakan pengujian yang cepat dan mudah dilakukan. Namun, semua pihak yang terlibat dalam menentukan spesifikasi, membeli, dan memproduksi pipa harus menyadari keterbatasannya sebagai parameter pengujian.
Karena pipa "normal" tidak didefinisikan dengan baik, bila diperlukan, produsen pipa sering mempersempitnya menjadi dua jenis pipa baja yang paling umum digunakan dan didefinisikan dalam ASTM A513: 1008 dan 1010. Bahkan setelah menghilangkan semua jenis pipa lainnya, kemungkinan dalam hal sifat mekanik dari kedua jenis pipa ini sangat luas. Bahkan, jenis pipa ini memiliki rentang sifat mekanik terluas dari semua jenis pipa.
Sebagai contoh, sebuah tabung digambarkan sebagai lunak jika MYS rendah dan elongasi tinggi, yang berarti bahwa tabung tersebut memiliki kinerja yang lebih baik dalam hal tarik, defleksi, dan deformasi permanen dibandingkan dengan tabung yang digambarkan sebagai keras, yang memiliki MYS yang relatif tinggi dan elongasi yang relatif rendah. Hal ini mirip dengan perbedaan antara kawat lunak dan kawat keras, seperti pada gantungan baju dan bor.
Perpanjangan itu sendiri merupakan faktor lain yang memiliki dampak signifikan pada aplikasi pipa kritis. Pipa dengan perpanjangan tinggi dapat menahan gaya tarik; material dengan perpanjangan rendah lebih rapuh dan karenanya lebih rentan terhadap kegagalan kelelahan yang dahsyat. Namun, perpanjangan tidak berhubungan langsung dengan UTS, yang merupakan satu-satunya sifat mekanik yang berhubungan langsung dengan kekerasan.
Mengapa sifat mekanik tabung sangat bervariasi? Pertama, komposisi kimianya berbeda. Baja adalah larutan padat dari besi dan karbon serta paduan penting lainnya. Untuk menyederhanakan, kita hanya akan membahas persentase karbon di sini. Atom karbon menggantikan beberapa atom besi, membentuk struktur kristal baja. ASTM 1008 adalah standar utama yang mencakup semua aspek dengan kandungan karbon 0% hingga 0,10%. Nol adalah angka yang sangat istimewa yang menghasilkan sifat unik ketika kandungan karbon dalam baja sangat rendah. ASTM 1010 menetapkan kandungan karbon antara 0,08% dan 0,13%. Perbedaan ini tampaknya tidak terlalu besar, tetapi cukup besar untuk membuat perbedaan besar di tempat lain.
Kedua, pipa baja dapat dibuat atau diproduksi dan kemudian diproses dalam tujuh proses manufaktur yang berbeda. ASTM A513 yang berkaitan dengan produksi pipa ERW mencantumkan tujuh jenis:
Jika komposisi kimia baja dan tahapan pembuatan pipa tidak berpengaruh pada kekerasan baja, lalu apa yang berpengaruh? Menjawab pertanyaan ini berarti meneliti detailnya. Pertanyaan ini menimbulkan dua pertanyaan lagi: Detail apa, dan seberapa teliti?
Detail tentang butiran yang membentuk baja adalah jawaban pertama. Ketika baja dibuat di pabrik baja primer, baja tersebut tidak mendingin menjadi blok besar dengan satu ciri tunggal. Saat baja mendingin, molekul baja tersusun dalam pola berulang (kristal), mirip dengan bagaimana kepingan salju terbentuk. Setelah kristal terbentuk, kristal tersebut berkumpul menjadi kelompok yang disebut butiran. Saat pendinginan berlangsung, butiran tumbuh dan terbentuk di seluruh lembaran atau pelat. Butiran berhenti tumbuh ketika molekul baja terakhir diserap oleh butiran. Semua ini terjadi pada tingkat mikroskopis karena ukuran rata-rata butiran baja sekitar 64 µ atau 0,0025 inci. Meskipun setiap butiran mirip dengan butiran berikutnya, butiran tersebut tidak identik. Butiran tersebut sedikit berbeda dalam ukuran, orientasi, dan kandungan karbon. Antarmuka antara butiran disebut batas butiran. Ketika baja mengalami kegagalan, misalnya karena retakan kelelahan, baja cenderung gagal di sepanjang batas butiran.
Seberapa jauh Anda harus melihat untuk melihat butiran yang dapat dibedakan? Pembesaran 100x, atau 100x penglihatan manusia, sudah cukup. Namun, hanya melihat baja yang tidak diolah pada 100 kali daya pembesaran tidak akan mengungkapkan banyak hal. Sampel disiapkan dengan memoles sampel dan mengikis permukaan dengan asam (biasanya asam nitrat dan alkohol) yang disebut etsa nitroetanol.
Butiran dan struktur kisi internalnya lah yang menentukan kekuatan impak, MYS, UTS, dan perpanjangan yang dapat ditahan baja sebelum mengalami kegagalan.
Tahapan pembuatan baja, seperti penggulungan panas dan dingin pada lembaran baja, memberikan tekanan pada struktur butiran; jika butiran tersebut berubah bentuk secara permanen, ini berarti tekanan tersebut mendeforamsi butiran. Tahapan pemrosesan lainnya, seperti menggulung baja menjadi gulungan, membuka gulungan, dan mendeforamsi butiran baja melalui mesin penggiling tabung (untuk membentuk dan menentukan ukuran tabung). Penarikan dingin tabung pada mandrel juga memberikan tekanan pada material, begitu pula tahapan manufaktur seperti pembentukan ujung dan pembengkokan. Perubahan struktur butiran disebut dislokasi.
Langkah-langkah di atas mengurangi keuletan baja, yaitu kemampuannya untuk menahan tegangan tarik (tarik-buka). Baja menjadi rapuh, yang berarti lebih mungkin patah jika terus dikerjakan. Perpanjangan adalah salah satu komponen keuletan (kompresibilitas adalah komponen lainnya). Penting untuk dipahami bahwa kegagalan paling sering terjadi selama tegangan tarik, bukan tekan. Baja sangat tahan terhadap tegangan tarik karena kapasitas perpanjangannya yang relatif tinggi. Namun, baja mudah berubah bentuk di bawah tegangan tekan – baja bersifat ulet – yang merupakan suatu keuntungan.
Beton memiliki kekuatan tekan yang tinggi tetapi daktilitas yang rendah dibandingkan dengan baja. Sifat-sifat ini berlawanan dengan sifat-sifat baja. Itulah mengapa beton yang digunakan untuk jalan, bangunan, dan trotoar sering dilengkapi dengan tulangan baja. Hasilnya adalah produk dengan kekuatan dua material: di bawah tegangan, baja kuat, dan di bawah tekanan, beton.
Selama pengerjaan dingin, seiring dengan penurunan keuletan baja, kekerasannya meningkat. Dengan kata lain, baja akan mengeras. Tergantung pada situasinya, ini mungkin menguntungkan; namun, ini juga bisa menjadi kerugian karena kekerasan disamakan dengan kerapuhan. Artinya, semakin keras baja, semakin kurang elastis; oleh karena itu, semakin besar kemungkinan baja akan rusak.
Dengan kata lain, setiap tahapan proses mengurangi keuletan pipa. Pipa menjadi lebih keras seiring berjalannya proses, dan jika terlalu keras, pada dasarnya tidak berguna. Kekerasan sama dengan kerapuhan, dan pipa yang rapuh cenderung gagal saat digunakan.
Apakah pabrikan memiliki pilihan lain dalam kasus ini? Singkatnya, ya. Pilihan itu adalah proses annealing, dan meskipun tidak sepenuhnya ajaib, ini adalah cara yang paling mendekati keajaiban yang bisa Anda dapatkan.
Secara sederhana, proses anil menghilangkan semua efek tegangan fisik pada logam. Proses ini memanaskan logam hingga suhu penghilang tegangan atau rekristalisasi, sehingga menghilangkan dislokasi. Tergantung pada suhu dan waktu spesifik yang digunakan dalam proses anil, proses ini mengembalikan sebagian atau seluruh keuletan logam.
Pemanasan dan pendinginan terkontrol mendorong pertumbuhan butir. Ini bermanfaat jika tujuannya adalah untuk mengurangi kerapuhan material, tetapi pertumbuhan butir yang tidak terkontrol dapat melunakkan logam terlalu banyak, sehingga tidak dapat digunakan untuk tujuan yang dimaksudkan. Menghentikan proses pemanasan adalah hal lain yang hampir ajaib. Pendinginan cepat pada suhu yang tepat dengan zat pendingin yang tepat pada waktu yang tepat menghentikan proses dengan cepat untuk mendapatkan kembali sifat-sifat baja.
Apakah kita harus menghilangkan spesifikasi kekerasan? Tidak. Karakteristik kekerasan sangat berharga terutama sebagai titik referensi saat menentukan spesifikasi pipa baja. Sebagai ukuran yang berguna, kekerasan adalah salah satu dari beberapa karakteristik yang harus ditentukan saat memesan material tubular dan diperiksa saat diterima (dan harus dicatat pada setiap pengiriman). Ketika pemeriksaan kekerasan menjadi standar pemeriksaan, maka harus memiliki nilai skala dan rentang kontrol yang sesuai.
Namun, ini bukanlah uji yang sebenarnya untuk menentukan kualifikasi (menerima atau menolak) material. Selain kekerasan, produsen sesekali harus menguji pengiriman untuk menentukan sifat relevan lainnya, seperti MYS, UTS, atau perpanjangan minimum, tergantung pada aplikasi tabung tersebut.
Wynn H. Kearns is responsible for regional sales for Indiana Tube Corp., 2100 Lexington Road, Evansville, IN 47720, 812-424-9028, wkearns@indianatube.com, www.indianatube.com.
Tube & Pipe Journal menjadi majalah pertama yang didedikasikan untuk melayani industri pipa logam pada tahun 1990. Hingga kini, majalah ini tetap menjadi satu-satunya publikasi di Amerika Utara yang didedikasikan untuk industri tersebut dan telah menjadi sumber informasi yang paling tepercaya bagi para profesional di bidang perpipaan.
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.
Nikmati akses penuh ke edisi digital The Additive Report untuk mempelajari bagaimana manufaktur aditif dapat digunakan untuk meningkatkan efisiensi operasional dan meningkatkan keuntungan.
Kini dengan akses penuh ke edisi digital The Fabricator en Español, Anda dapat dengan mudah mengakses sumber daya industri yang berharga.