Perubahan Fasa pada Material
Pengembangan satu set karakteristik mekanik yang diinginkan untuk suatu bahan sering kali dihasilkan dari perubahan fase yang dilakukan oleh perlakuan panas. Ketergantungan waktu dan suhu dari beberapa perubahan fase dengan mudah diwakili pada diagram fase yang dimodifikasi. Penting untuk mengetahui bagaimana menggunakan diagram ini untuk merancang perlakuan panas untuk beberapa paduan yang akan menghasilkan sifat mekanik suhu kamar yang diinginkan. Misalnya, kekuatan tarik besi- karbon paduan komposisi eutektoid (0,76 wt% C) dapat bervariasi antara sekitar 700 MPa (100.000 psi) dan 2000 MPa (300.000 psi) tergantung pada perlakuan panas yang digunakan.
Berbagai perubahan fase penting dalam pemrosesan bahan, dan biasanya melibatkan beberapa perubahan struktur mikro. Untuk keperluan pembahasan ini, perubahan ini dibagi menjadi tiga klasifikasi. Dalam satu kelompok adalah perubahan sederhana yang bergantung pada difusi di mana tidak ada perubahan baik jumlah atau komposisi fase yang ada. Ini termasuk pemadatan murni logam, perubahan alotropik, dan rekristalisasi dan pertumbuhan butir.
Kinematika Perubahan Fasa
Dengan perubahan fase, biasanya setidaknya satu fase baru terbentuk yang memiliki perbedaan sifat fisik/kimia dan/atau struktur yang berbeda dari fase induknya. Selain itu, sebagian besar perubahan fase tidak terjadi secara instan. Lebih tepatnya, mereka dimulai dengan pembentukan banyak partikel kecil dari fase baru, yang meningkat dalam ukuran sampai perubahan telah mencapai penyelesaian. Kemajuan suatu perubahan fasa dapat dipecah menjadi dua tahap yang berbeda: nukleasi dan pertumbuhan. Nukleasi melibatkan penampilan partikel yang sangat kecil, atau inti dari fase baru (sering hanya terdiri dari beberapa ratus atom), yang mampu tumbuh. Selama tahap pertumbuhan, inti ini bertambah besar, yang mengakibatkan hilangnya beberapa (atau semua) dari fase induk. Perubahan mencapai penyelesaian jika pertumbuhan dari partikel fase baru ini dibiarkan berjalan sampai fraksi kesetimbangan tercapai.
Nukleasi
Ada dua jenis nukleasi: homogen dan heterogen. Perbedaannya antara mereka dibuat sesuai dengan di mana peristiwa nukleasi terjadi. Untuk tipe homogen, inti dari fase baru terbentuk secara seragam di seluruh induknya fase, sedangkan untuk tipe heterogen, nukleus terbentuk lebih disukai pada struktur ketidakhomogenan, seperti permukaan wadah, pengotor yang tidak larut, batas butir, dan dislokasi.
Pertimbangan Kinetik Perubahan Benda Padat
Laju ketergantungan waktu (yang sering disebut kinetika transformasi) juga merupakan pertimbangan penting, terutama dalam bahan perlakuan panas. Dengan banyak penyelidikan kinetik, fraksi reaksi yang telah terjadi diukur sebagai fungsi waktu sementara suhu dipertahankan konstan. Progres perubahan biasanya dipastikan dengan pemeriksaan mikroskopis atau pengukuran beberapa sifat fisik (seperti konduktivitas listrik) yang besarnya berbeda dari fase baru. Data diplot sebagai fraksi bahan yang dirubah versus logaritma waktu; sebuah Kurva berbentuk S mewakili perilaku kinetik yang khas untuk reaksi benda padat. Tahap nukleasi dan pertumbuhan juga ditunjukkan pada gambar. Suhu memiliki pengaruh besar pada kinetika dan pada laju perubahan.
>> KLIK DI SINI UNTUK MEMBACA ARTIKEL SEPUTAR MATERIAL TEKNIK LAINNYA!
Kontributor: Daris Arsyada
Sumber:
Callister, William D. Jr, dan Rethwisch, David G. 2018. Materials Science and Engineering An Introduction (10th ed). Amerika Serikat: John Wiley & Sons, Inc.
Mekanisme Penguatan pada Logam
Insinyur metalurgi dan material sering merancang paduan yang memiliki kekuatan namun beberapa keuletan dan ketangguhan; biasanya, keuletan dikorbankan ketika paduan diperkuat. Beberapa teknik pengerasan tersedia bagi seorang insinyur, dan seringkali pemilihan paduan tergantung pada kapasitas material yang akan disesuaikan dengan karakteristik mekanis yang diperlukan untuk aplikasi tertentu.
Penting untuk memahami mekanisme penguatan adalah hubungan antara gerak dislokasi dan perilaku mekanik logam. Karena deformasi makroskopik plastik sesuai dengan gerakan sejumlah besar dislokasi, kemampuan logam untuk berubah bentuk secara plastis tergantung pada kemampuan dislokasi untuk bergerak. Karena kekerasan dan kekuatan (baik luluh dan tarik) terkait dengan kemudahan penggunaan deformasi plastik dapat muncul, dengan mengurangi mobilitas dislokasi, kekuatan mekanik dapat ditingkatkan. Gaya mekanik yang lebih besar diperlukan untuk memulai deformasi plastis. Sebaliknya, semakin tidak terbatas gerak dislokasi, semakin besar fasilitas yang dengannya logam dapat berubah bentuk, dan semakin lunak, semakin lemah terjadinya deformasi. Hampir semua teknik penguatan bergantung pada prinsip sederhana ini yaitu membatasi atau menghambat gerakan dislokasi membuat material lebih keras dan lebih kuat.
Penguatan dengan Pengurangan Ukuran Butir Atom
Ukuran butir, atau diameter butir rata-rata, memengaruhi sifat mekanik logam polikristalin. Butir yang berdekatan biasanya memiliki orientasi kristalografi berbeda dan, tentu saja, batas butir yang sama. Selama deformasi plastis, gerakan slip atau dislokasi harus terjadi di sepanjang batas umum katakanlah, dari butir A ke butir B. Batas butir bertindak sebagai penghalang gerakan dislokasi karena dua alasan:
- Karena dua butir memiliki orientasi yang berbeda, dislokasi melewati butir B harus mengubah arah geraknya; ini menjadi lebih sulit karena misorientasi kristalografi meningkat.
- Ketidakteraturan atom dalam daerah batas butir menghasilkan diskontinuitas bidang slip dari satu butir ke butir lainnya.
Perlu disebutkan bahwa, untuk batas butir sudut tinggi, mungkin tidak demikian dislokasi melintasi batas butir selama deformasi; sebaliknya, dislokasi cenderung “menumpuk” (atau mundur) pada batas butir. Tumpukan ini memperkenalkan konsentrasi tegangan di depan bidang slip mereka, yang menghasilkan dislokasi baru pada butir yang berdekatan.
Perlu juga disebutkan bahwa pengurangan ukuran butir tidak hanya meningkatkan kekuatan, tetapi juga ketangguhan banyak paduan. Batas butir sudut kecil tidak efektif dalam mengganggu proses slip karena misalignment kristalografi sedikit melintasi batas. Namun, batas kembar secara efektif memblokir slip dan meningkatkan kekuatan dari bahan. Batas antara dua fase yang berbeda juga merupakan hambatan untuk gerakan dislokasi; ini penting dalam penguatan paduan yang lebih kompleks. Ukuran dan bentuk fase konstituen secara signifikan mempengaruhi sifat mekanik dari paduan multifase.
Penguatan Larutan-Padatan
Teknik lain untuk memperkuat dan mengeraskan logam adalah paduan dengan atom pengotor yang masuk ke dalam larutan padat substitusi atau interstisial. Oleh karena itu, ini disebut penguatan larutan padat. Logam dengan kemurnian tinggi hampir selalu lebih lunak dan lebih lemah daripada paduan yang terdiri dari logam dasar yang sama.
Paduan lebih kuat dari logam murni karena atom pengotor yang masuk ke larutan padat biasanya memaksakan regangan kisi pada atom inang sekitarnya. Interaksi medan regangan kisi antara dislokasi dan atom pengotor ini menghasilkan, dan, akibatnya, pergerakan dislokasi dibatasi. Misalnya, atom pengotor yang lebih kecil dari atom inang yang digantikannya memberikan regangan tarik pada kisi kristal di sekitarnya. Sebaliknya, atom substitusi yang lebih besar memaksakan gaya tekan regangan di sekitarnya. Atom-atom terlarut ini cenderung berdifusi dan memisahkan di sekitar dislokasi sedemikian rupa untuk mengurangi energi regangan keseluruhan membatalkan beberapa regangan dalam kisi yang mengelilingi dislokasi. Untuk menyelesaikan ini, Sebuah atom pengotor yang lebih kecil terletak di mana regangan tariknya sebagian meniadakan beberapa dislokasi regangan tekan. Untuk dislokasi tepi ini akan menjadi bersebelahan terhadap garis dislokasi dan di atas bidang slip.
Ketahanan slip lebih besar ketika atom pengotor hadir karena keseluruhan regangan kisi harus meningkat jika dislokasi terlepas darinya. Selanjutnya, interaksi regangan kisi yang sama ada di antara atom pengotor dan dislokasi yang bergerak selama deformasi plastis. Dengan demikian, tegangan yang diterapkan lebih besar untuk memulai dan kemudian melanjutkan deformasi plastis untuk larutan padat paduan, sebagai lawan dari logam murni; ini dibuktikan dengan peningkatan kekuatan dan kekerasan.
Pengerasan Regangan
Pengerasan regangan adalah fenomena dimana logam ulet menjadi lebih keras dan lebih kuat karena terdeformasi plastis. Kadang-kadang juga disebut pengerasan kerja, atau, karena suhu di mana deformasi terjadi adalah “dingin” relatif terhadap suhu leleh mutlak logam, pengerjaan dingin. Sebagian besar regangan logam mengeras pada suhu kamar.
Fenomena pengerasan regangan dijelaskan berdasarkan dislokasi- interaksi medan regangan dislokasi. Dislokasi densitas dalam logam meningkat dengan deformasi atau kerja dingin karena dislokasi perkalian atau pembentukan dislokasi baru, seperti disebutkan sebelumnya. Akibatnya, jarak pisah rata-rata antara dislokasi berkurang, dislokasi diposisikan lebih dekat bersama-sama. Rata-rata, interaksi dislokasi–dislokasi regangan saling menolak. Hasil akhirnya adalah gerakan dislokasi terhalang oleh kehadiran dari dislokasi lainnya. Saat densitas dislokasi meningkat, resistensi terhadap gerakan dislokasi ini oleh dislokasi lain menjadi lebih jelas. Jadi, tegangan yang dikenakan diperlukan untuk merusak logam meningkat dengan meningkatnya kerja dingin.
>> KLIK DI SINI UNTUK MEMBACA ARTIKEL SEPUTAR MATERIAL TEKNIK LAINNYA!
Kontributor: Daris Arsyada
Sumber:
Callister, William D. Jr, dan Rethwisch, David G. 2018. Materials Science and Engineering An Introduction (10th ed). Amerika Serikat: John Wiley & Sons, Inc.
Uji Kekerasan Pada Material Teknik
Sifat Kekerasan merupakan ukuran ketahanan material terhadap deformasi plastis lokal (misalnya, penyok kecil atau goresan). Tes kekerasan awal didasarkan pada mineral alami dengan skala yang dibangun hanya pada kemampuan satu bahan untuk menggores bahan lain yang lebih lembut. Sebuah skema pengindeksan kekerasan kualitatif dan dirancang sederhana, disebut skala Mohs, yang berkisar dari 1 pada ujung lunak untuk mineral talek hingga 10 untuk intan. Teknik kekerasan kuantitatif telah dikembangkan selama bertahun-tahun di mana indentor kecil dipaksa masuk ke dalam permukaan bahan yang akan diuji dalam kondisi beban yang terkendali. Kedalaman atau ukuran lekukan yang dihasilkan diukur dan dikaitkan dengan nomor indeks kekerasan; semakin lembut bahannya, semakin besar dan dalam lekukannya, dan semakin rendah nomor indeks kekerasan. Kekerasan yang diukur hanya bersifat relatif (bukan absolut), dan kehati-hatian harus dilakukan ketika membandingkan nilai yang ditentukan oleh teknik yang berbeda.
Uji kekerasan dilakukan lebih sering daripada uji mekanis lainnya untuk beberapa alasan:
- Sederhana dan mura biasanya tidak perlu spesimen khusus disiapkan, dan peralatan pengujian relatif murah.
- Pengujian tidak merusak spesimen tidak retak atau berlebihan cacat; lekukan kecil adalah satu-satunya deformasi.
- Sifat mekanik lainnya sering dapat diperkirakan dari data kekerasan seperti kekuatan tekanan.
Uji Kekerasan
Beberapa metode pengujian menggunakan bahan dan bentuk indentor yang berbeda telah dikembangkan untuk mengukur kekerasan bahan. Uji kekerasan yang umum digunakan dijelaskan selanjutnya.
Metode Brinell
Diperkenalkan oleh J.A. Brinell pada tahun 1900, tes ini melibatkan menekan baja atau bola tungsten-karbida berdiameter 10 mm (0,4 in.) pada permukaan, dengan beban 500, 1500, atau 3000 kg. Angka kekerasan Brinell (HB) didefinisikan sebagai: rasio beban P dengan luas permukaan lekukan lekukan. Semakin sulit bahan yang akan diuji, semakin kecil lekukan; karenanya, beban 1500 kg atau 3000 kg biasanya direkomendasikan untuk mendapatkan lekukan yang cukup besar agar akurat. Tergantung pada kondisi bahannya, salah satu dari dua jenis kesan berkembang di permukaan setelah kinerja tes ini atau salah satu tes lain yang dijelaskan dalam bagian ini. Lekukan dalam logam anil umumnya memiliki profil bulat dalam logam pengerjaan dingin, mereka biasanya memiliki profil yang tajam.
Metode Rockwell
Dikembangkan oleh S.P. Rockwell pada tahun 1922, tes ini mengukur kedalaman penetrasi bukan diameter lekukan. Indentor ditekan ke permukaan, pertama dengan beban kecil dan kemudian dengan beban besar; perbedaan kedalaman penetrasi adalah ukuran dari kekerasan material. Uji kekerasan superfisial Rockwell menggunakan jenis indentor yang sama, tetapi pada beban yang lebih ringan, juga telah dikembangkan.
Metode Vickers
Tes ini, dikembangkan pada tahun 1922 dan sebelumnya dikenal sebagai uji kekerasan piramida, menggunakan indentor berlian berbentuk piramida dan beban yang berkisar dari 1 kg sampai 120 kg. Angka kekerasan Vickers ditunjukkan oleh HV. Hasil yang diperoleh biasanya kurang dari 0,5 mm (0,020 inci) pada diagonal. Tes Vickers pada dasarnya memberikan angka kekerasan yang sama terlepas dari beban, dan cocok untuk menguji bahan dengan berbagai kekerasan, termasuk baja yang diberi perlakuan panas. Baru-baru ini, prosedur pengujian telah dikembangkan untuk melakukan Tes tipe Vickers dalam mikroskop kekuatan atom dan nanoindenters, untuk memperkirakan kekerasan pada kedalaman penetrasi serendah 20 nm.
Metode Knoop
Tes ini, dikembangkan oleh F. Knoop pada tahun 1939, menggunakan indentor berlian di bentuk piramida memanjang, dengan beban yang diterapkan umumnya berkisar dari 25 g menjadi 5kg. Angka kekerasan Knoop ditunjukkan oleh HK. Karena beban ringan yang diterapkan, uji Knoop adalah uji kekerasan mikro. Oleh karena itu, sangat cocok untuk spesimen kecil atau sangat tipis, dan untuk bahan rapuh seperti karbida, keramik, dan kaca.
>> KLIK DI SINI UNTUK MEMBACA ARTIKEL SEPUTAR MATERIAL TEKNIK LAINNYA!
Kontributor: Daris Arsyada
Sumber:
Kalpakjian, Serope dan Schmid, Steven R. (2009). Manufacturing Engineering and Technology (6th ed). New Jersey: Prentice Hall.