Pengujian Tarik Besi dan Baja: Wawasan Kinerja Utama untuk Aplikasi Struktural

Perilaku Besi dan Baja selama Pengujian Tarik

Properti mekanis besi dan baja sering dievaluasi melalui pengujian tarik. Teknik pengujian ini telah distandarisasi dan dapat dilakukan secara ekonomis dengan perlengkapan minimum. Karena besi dan bahan baja digunakan dalam aplikasi struktural, mereka harus memiliki properti tarik yang memenuhi persyaratan kode dan standar yang relevan. Persyaratan dalam kode dan standar adalah level kekuatan dan duktilitas minimum. Karena hal ini, informasi yang tersedia dari pengujian tarik sering tidak dimanfaatkan sepenuhnya. Namun, pemeriksaan langsung terhadap banyak interaksi metalurgi yang mempengaruhi hasil pengujian tarik dapat secara signifikan meningkatkan kegunaan data pengujian. Pemeriksaan interaksi ini, dan korelasi dengan variabel metalurgi / bahan / aplikasi seperti perawatan termal, finishing permukaan, lingkungan uji, keadaan stres, dan paparan termo-mekanik yang diantisipasi, dapat menghasilkan peningkatan yang signifikan baik dalam efisiensi maupun kualitas pemanfaatan besi dan bahan baja dalam aplikasi teknik.

Pengujian tarik besi dan bahan baja dilakukan untuk banyak alasan. Properti tarik biasanya disertakan dalam spesifikasi bahan untuk memastikan kualitas dan sering digunakan untuk memprediksi perilaku bahan ini selama berbagai bentuk beban selain tarik aksial. Hasil pengujian tarik biasanya digunakan dalam pemilihan bahan ini untuk penggunaan teknik. Ini memberikan teknik yang relatif mudah dan murah untuk mengembangkan data properti mekanis untuk pemilihan, kualifikasi, dan pemanfaatan bahan ini dalam aplikasi teknik. Data ini biasanya digunakan untuk menentukan kesesuaian bahan ini untuk aplikasi tertentu, dan/atau untuk memberikan dasar perbandingan dengan bahan pengganti lain.

Modulus elastis besi dan bahan baja tergantung pada laju di mana sampel uji diregangkan (laju regangan). Kekuatan leleh (YS) atau stres di mana sejumlah regangan plastis tertentu terjadi juga tergantung pada laju regangan uji. Komposisi bahan, ukuran butir, deformasi sebelumnya, suhu pengujian, dan perawatan termal juga dapat mempengaruhi YS yang diukur. Biasanya, faktor yang meningkat YS mengurangi duktilitas tarik karena faktor ini juga menghambat deformasi plastis. Namun, pengecualian yang signifikan dari tren ini adalah peningkatan duktilitas yang menyertai peningkatan YS saat ukuran butir dikurangi.

Beberapa bahan struktural, ketika diregangkan hingga gagal selama pengujian tarik, pecah melalui proses duktil. Permukaan pecahan terbentuk oleh penggabungan atau kombinasi mikro-void. Mikro-void ini biasanya menuklak selama proses deformasi plastis, dan penggabungan dimulai setelah proses deformasi plastis menjadi sangat terlokalisasi. Laju regangan, suhu pengujian, dan mikrostruktur mempengaruhi proses penggabungan dan, dalam kondisi yang dipilih (seperti penurunan suhu), pecahan dapat mengalami transisi dari proses duktil menjadi rapuh. Transisi semacam ini dapat membatasi kegunaan bahan ini yang mungkin tidak terlihat dari pengukuran kekuatan.

Perilaku Elastis Besi dan Bahan Baja

Struktur besi dan baja biasanya dirancang sehingga bahan yang digunakan dalam konstruksi mengalami beban elastis selama kondisi pelayanan normal. Beban ini menghasilkan regangan elastis atau dapat dibalik dalam bahan. Goyangan bangunan baja tinggi dalam angin kencang adalah contoh di mana regangan elastis dengan mudah terlihat. Bengkoknya poros mobil dan peregangan jembatan dengan lalu lintas kendaraan adalah contoh regangan elastis yang kurang terlihat. Magnitudo regangan tergantung pada modulus elastis bahan yang mendukung beban. Meskipun modulus elastis biasanya tidak ditentukan melalui pengujian tarik, perilaku tarik dapat digunakan untuk menunjukkan pentingnya properti elastis dalam pemilihan dan penggunaan besi dan bahan baja.

Modulus Young untuk besi (Fe) (207 GPa) hampir 2 kali dari tembaga (Cu) (117 GPa) dan sekitar 3 kali dari aluminium (Al) (69 GPa). Karena nilainya yang lebih tinggi, komponen yang dibuat dengan Fe membungkuk lebih sedikit daripada komponen serupa yang dibuat dengan Cu atau Al saat komponen mengalami beban setara. Sebagai contoh, selama pengujian tarik, regangan tarik elastis untuk batang tarik dengan diameter 12,8 mm dari Fe, Cu, dan Al yang dimuat hingga 455 kg adalah 0,00016 mm/mm untuk Fe, 0,00029 mm/mm untuk Cu, dan 0,0005 mm/mm untuk Al. Kemampuan baja untuk menahan deformasi elastis adalah karena properti 'kekakuan'nya, dan modulus Young (E) adalah salah satu ukuran properti ini. Konstruksi teknik yang memerlukan struktur yang sangat kaku harus dilakukan dari komponen yang sangat massif atau dengan bahan yang memiliki nilai modulus elastis yang tinggi. Karena modulus elastis Fe lebih tinggi daripada banyak bahan lainnya, dan oleh karena itu besi dan bahan baja sering digunakan untuk aplikasi yang memerlukan kekakuan tinggi.

Persamaan yang mendefinisikan modulus Young (E), 'S = Ee', berdasarkan pengamatan bahwa regangan tarik (e) berbanding lurus dengan stres yang diterapkan (S). Hubungan linier ini memberikan penjelasan yang baik tentang perilaku besi dan bahan baja dalam sebagian besar situasi praktis. Namun, ketika bahan ini dilemahi beban siklus atau getaran, bahkan penyimpangan yang sedikit dari perilaku elastis linier sepenuhnya dapat menjadi penting. Satu ukuran penyimpangan dari elastisitas linier adalah respons anelastik bahan.

Anelastisitas

Anelastisitas adalah proses deformasi yang dapat dibalik sepenuhnya yang bergantung pada waktu. Ketergantungan waktu ini disebabkan oleh kurangnya pergerakan atom segera selama penerapan beban. Ada banyak mekanisme untuk proses deformasi yang bergantung pada waktu, termasuk gerak difusif atom pengotor. Gerak difusif ini dapat dengan mudah atom melompat ke jaringan dekat yang menjadi menguntungkan karena penerapan beban.

Pemuatan tarik pada besi dan bahan baja, yang merupakan legasi Fe-C (karbon), menghasilkan regangan elastis dalam bahan, dan struktur body centered cubic (bcc)nya merusak menjadi body centered tetragonal (bct). C, dalam larutan, menghasilkan rujakan yang sama dalam jaring Fe. Ada satu perbedaan dasar antara rujakan yang diperkenalkan oleh beban tarik dan yang diperkenalkan oleh pelarutan karbon. Rujakan rata-rata jaring bahan selama pengujian tarik adalah anisotropik yang berarti setiap sel satuan struktur menjadi panjang di arah beban tarik dan karena rasio Poisson bahan juga menyusut di arah lateral. Di sisi lain, rujakan jaring rata-rata yang dihasilkan dari pelarutan C adalah isotropik meskipun setiap atom C individu menghasilkan rujakan anisotropik yang terlokalisasi.

Atom C, dalam larutan dalam Fe, terletak pada situs interstisial seperti yang ditunjukkan secara skematis dalam Gambar 1. Karena atom C yang terlalu besar untuk situs interstisial, atom C pada situs X mendorong atom Fe A dan B menjauh dan menyebabkan sel satuan menjadi panjang di arah x. Demikian pula, atom C pada situs Y mendorong atom Fe B dan C menjauh dan menyebabkan panjang di arah y, dan atom C pada situs Z menyebabkan panjang di arah z. Dalam setiap butir Fe atau alpha yang tidak ditopang, atom C secara acak didistribusikan pada situs X, Y, dan Z. Jadi, meskipun setiap sel satuan merusak dalam satu arah tertentu, rujakan keseluruhan butir yang tidak ditopang pada dasarnya adalah isotropik, atau sama di semua arah.

Penerapan stres tarik menyebabkan situs interstisial yang diuntungkan tertentu. Jika stres tarik sejajar dengan arah x, situs tipe X menjadi lebar dan menjadi situs yang diuntungkan untuk atom C. Situs tipe Y menjadi diuntungkan jika stres berada di arah y, dan situs tipe Z diuntungkan saat stres berada di arah z. Selama pengujian tarik, atom C bermigrasi atau berdifusi ke situs yang menjadi menguntungkan oleh penerapan beban tarik. Migrasi ini bergantung pada waktu dan suhu dan dapat menjadi penyebab deformasi anelastik. Penerapan tiba-tiba beban tarik dapat melegakan jaring bahan pada laju yang sangat tinggi sehingga migrasi C ke situs yang diuntungkan tidak dapat terjadi saat beban diterapkan.

Namun, jika bahan tetap di bawah beban, migrasi yang bergantung pada waktu ke situs yang diuntungkan menghasilkan regangan jaring tambahan karena kecenderungan interstisial C untuk mendorong atom Fe di arah stres yang diterapkan. Regangan tambahan ini adalah regangan anelastik dalam bahan. Demikian pula, jika beban tiba-tiba dilepaskan, regangan elastis segera pulih sedangkan pemulihan regangan anelastik membutuhkan waktu saat atom interstisial C pindah dari situs yang sebelumnya menguntungkan untuk membentuk distribusi yang seragam dalam jaring bahan. Ketergantungan waktu dari regangan elastis dan regangan anelastik ditunjukkan secara skematis dalam Gambar 1.

Gambar 1 Jaring besi dan ketergantungan waktu dari regangan elastis dan anelastik

Kombinasi regangan elastis dan regangan anelastik menyebabkan modulus Young, seperti yang ditentukan selama pengujian tarik, bergantung pada laju pemuatan (atau laju regangan) dan dapat menghasilkan redaman atau gesekan internal dalam bahan yang dilemahi beban siklus atau getaran. Regangan anelastik adalah salah satu penyebab relaksasi stres selama pengujian tarik saat sampel uji dimuat dan dipegang pada perpindahan tetap. Relaksasi stres ini sering disebut 'efek pasca elastis' dan disebabkan oleh penurunan beban yang bergantung pada waktu karena beban yang diperlukan untuk mempertahankan perpindahan tetap menurun saat atom pindah ke situs yang diuntungkan dan deformasi anelastik terjadi. Efek pasca elastis ini menunjukkan pentingnya waktu atau laju pemuatan pada hasil uji.

Total regangan yang dapat dibalik yang menyertai penerapan beban tarik pada sampel uji adalah jumlah dari regangan elastis dan anelastik. Penerapan cepat beban menyebabkan regangan anelastik mendekati nol (waktu pengujian tidak cukup untuk regangan anelastik), sehingga total regangan selama pemuatan sama dengan regangan elastis sebenarnya. Penerapan sangat lambat beban yang sama memungkinkan regangan anelastik menyertai proses pemuatan, sehingga total regangan yang dapat dibalik dalam pengujian ini melebihi regangan yang dapat dibalik selama pemuatan cepat. Nilai yang diukur dari modulus Young dalam pengujian laju regangan rendah lebih rendah daripada yang diukur dalam pengujian laju regangan tinggi, dan oleh karena itu modulus elastis yang diukur bergantung pada laju regangan. Nilai rendah modulus Young disebut 'modulus relaks' dan modulus yang diukur pada laju regangan tinggi disebut 'modulus tidak relaks'.

Kemampuan Redam

Pengujian tarik dan pemuatan siklus sering dilakukan pada laju regangan atau pemuatan yang berada di antara yang diperlukan untuk perilaku relaks sepenuhnya dan yang diperlukan untuk perilaku tidak relaks sepenuhnya. Oleh karena itu, baik pada pemuatan atau pembongkaran, bagian awal atau pendek waktu dari kurva stres-regangan menghasilkan perilaku tidak relaks sedangkan bagian lebih lama waktu dari kurva menghasilkan perilaku yang lebih relaks. Transisi dari perilaku tidak relaks ke relaks menghasilkan histeresis pemuatan-pembongkaran dalam kurva stres-regangan. Histeresis ini mewakili kehilangan energi selama siklus pemuatan-pembongkaran. Jumlah kehilangan energi berbanding lurus dengan magnitudo histeresis. Kehilangan energi semacam ini yang dapat diatribusikan pada efek anelastik dalam jaring bahan disebut 'gesekan internal'. Gesekan internal memainkan peran kunci dalam kemampuan besi dan bahan baja untuk menyerap energi getaran. Serapan semacam ini dapat menyebabkan suhu bahan naik selama siklus pemuatan-pembongkaran. Satu ukuran kerentanan bahan terhadap gesekan internal adalah kapasitas redam.

Karena anelastisitas dan gesekan internal bergantung pada waktu dan suhu, kapasitas redam bahan baik bergantung pada suhu maupun laju regangan. Gesekan internal dan redam memainkan peran kunci dalam respons bahan terhadap getaran. Besi dan bahan baja yang diuji dalam kondisi yang menyebabkan gesekan internal yang signifikan selama siklus pemuatan-pembongkaran mengalami kehilangan energi yang besar dan dikatakan memiliki kapasitas redam yang tinggi. Bahan ini berguna untuk serapan getaran. Contohnya adalah besi cor abu-abu yang memiliki kapasitas redam yang sangat tinggi dan secara teratur digunakan untuk basis instrumen dan peralatan yang harus diisolir dari getaran area. Stander pabrik, bubut, dan pres biasanya menggunakan basis besi cor untuk mengurangi transmisi getaran mesin ke lantai dan area sekitar. Namun, kapasitas redam yang tinggi tidak selalu merupakan kualitas bahan yang berguna.

Anelastisitas, redam, relaksasi stres, dan modulus elastis besi dan bahan baja juga bergantung pada mikrostruktur bahan serta pada kondisi pengujian. Properti ini biasanya tidak ditentukan dengan teknik pengujian tarik. Namun, properti ini, serta parameter mesin, mempengaruhi bentuk kurva stres-regangan.

Batas Proporsional

Stres yang tampak diperlukan untuk menghasilkan awal kelengkungan dalam hubungan stres-regangan tarik adalah batas proporsional (PL). PL didefinisikan sebagai stres maksimum di mana regangan tetap proporsional secara arah terhadap stres. Penyimpangan dari proporsionalitas dapat diatribusikan pada anelastisitas dan/atau awal deformasi plastis. Kemampuan untuk mendeteksi terjadinya fenomena ini selama pengujian tarik bergantung pada akurasi di mana stres dan regangan diukur. Nilai yang diukur dari PL menurun seiring meningkatnya akurasi pengukuran. Karena nilai yang diukur dari PL bergantung pada akurasi pengujian, PL biasanya tidak dilaporkan sebagai properti tarik bahan. Juga, nilai PL memiliki sedikit atau tidak ada kegunaan dalam pemilihan, kualifikasi, dan penggunaan bahan untuk aplikasi teknik. Stres yang jauh lebih dapat direproduksi dan praktis adalah YS bahan.

Pengleyen Bahan dan Awal Plastisitas

YS besi dan bahan baja dapat didefinisikan sebagai stres di mana bahan menunjukkan penyimpangan tertentu dari proporsionalitas antara stres dan regangan. Penyimpangan yang sangat kecil dari proporsionalitas dapat disebabkan oleh efek anelastik, tetapi penyimpangan dari perilaku linier ini sepenuhnya dapat dibalik dan tidak mewakili awal deformasi plastis (tidak dapat dibalik) yang signifikan atau pengleyen. Nilai teoretis YS dihitung dari persamaan YS = E/2p di mana E adalah modulus elastis dan p adalah nilai Pi (3.14159). Secara teoretis, pengleyen tidak terjadi kecuali stres yang diterapkan adalah pecahan signifikan dari modulus elastis. Perkiraan untuk pengleyen ini umumnya melebihi prediksi YS yang diukur dengan faktor setidaknya 150 dalam kasus besi dan bahan baja. Ketidaksesuaian antara YS teoretis dan aktual disebabkan oleh gerakan dislokasi. Dislokasi adalah cacat dalam jaring kristal, dan gerakan cacat ini adalah mekanisme utama deformasi plastis. Teknik yang mengubah YS bahan bergantung pada interaksi cacat untuk mengubah kemudahan gerakan dislokasi.

Mobilitas dislokasi bergantung pada konten legasi, tingkat kerja dingin, ukuran, bentuk, dan distribusi inklusi serta partikel fase kedua, dan ukuran butir bahan. Kekuatan meningkat seiring bertambahnya konten legasi, karena atom legasi (atau pengotor) berinteraksi dengan dislokasi dan mencegah gerakan selanjutnya. Jadi, penguatan jenis ini dihasilkan dari interaksi cacat titik dengan cacat garis.

Kerja dingin adalah teknik yang efektif untuk meningkatkan kekuatan besi dan bahan baja. Mekanisme penguatan ini efektif karena jumlah dislokasi dalam bahan meningkat seiring bertambahnya persentase kerja dingin. Dislokasi tambahan ini membatasi gerakan berlanjut dari dislokasi lain. Kerja dingin adalah contoh penguatan karena interaksi cacat garis dengan cacat garis lain dalam jaring kristal. Penggelaran, stempel, panggangan, tarik, swaging, dan bahkan ekstrusi dapat digunakan untuk memberikan kerja dingin yang diperlukan.

Batas butir dan fase juga menghalangi gerakan dislokasi. Jadi, YS meningkat seiring bertambahnya jumlah batas butir dan/atau seiring bertambahnya persentase fase kedua dalam struktur. Penurunan ukuran butir meningkatkan jumlah batas butir per satuan volume, sehingga meningkatkan kepadatan cacat area dalam jaring bahan. Karena interaksi antara cacat area dan cacat garis membatasi mobilitas dislokasi, YS meningkat seiring berkurangnya ukuran butir dan seiring bertambahnya partikel fase kedua.

Besi dan bahan baja menunjukkan rentang YS yang luas karena mekanisme penguatan yang berbeda. Rentang YS bergantung pada ukuran butir, persentase kerja dingin, distribusi partikel fase kedua, dan parameter mikrostruktur lain yang relatif mudah diukur. Nilai parameter mikrostruktur tergantung pada riwayat termo-mekanik bahan. Oleh karena itu, pengetahuan tentang variabel metalurgi yang penting hampir merupakan keharusan untuk tafsir yang cerdas dari data YS dan untuk desain serta pemanfaatan struktur dan komponen yang dibuat dari bahan ini.

Definisi paling umum dari YS adalah stres yang diperlukan untuk menyebabkan regangan plastis 0,002 mm/mm. Regangan ini mewakili penyimpangan yang mudah diukur dari proporsionalitas, dan stres yang diperlukan untuk menghasilkan penyimpangan ini adalah YS offset 0,2 %. Sejumlah besar gerakan dislokasi diperlukan sebelum penyimpangan 0,2 % dari perilaku linier tercapai. Oleh karena itu, selama pengujian tarik standar, YS offset 0,2 % hampir tidak bergantung pada variabel mesin pengujian, efek pegangan, dan regangan nonlinier dapat dibalik seperti anelastisitas. Karena kemandirian ini, YS offset 0,2 % adalah properti yang dapat direproduksi yang digunakan dalam deskripsi properti mekanis besi dan bahan baja. Masih, penting untuk mengetahui bahwa magnitudo YS, atau properti tarik lainnya, bergantung pada struktur cacat bahan yang diuji. Oleh karena itu, riwayat termo mekanik bahan harus diketahui jika YS akan digunakan sebagai parameter desain yang bermakna.

Titik Pengleyen

Awal gerakan dislokasi dalam beberapa besi dan bahan baja, terutama baja C rendah yang diuji pada suhu ruang, tiba-tiba, bukan proses yang relatif bertahap. Kejadian tiba-tiba pengleyen ini membuat representasi pengleyen dengan metode offset 0,2 % tidak praktis. Karena pengleyen tiba-tiba, kurva stres-regangan pada baja ringan memiliki titik pengleyen (YP), dan YS baja ringan dijelaskan oleh stres pengleyen bawah. YP berkembang karena interaksi antara atom solute (terlarut) dan dislokasi dalam jaring pelarut (tuan rumah). Interaksi solute-dislokasi pada baja ringan melibatkan migrasi C dan interaksi dengan dislokasi. Karena interaksi menyebabkan konsentrasi solute tinggi di sekitar dislokasi, titik YP dikatakan berkembang karena segregasi C ke dislokasi.

Banyak situs interstisial di sekitar dislokasi diperbesar dan oleh karena itu adalah situs energi rendah atau yang diuntungkan untuk ditempati oleh atom solute. Ketika situs diperbesar ini ditempati, konsentrasi tinggi atau atmosfer solute terkait dengan dislokasi. Pada baja ringan, segregasi solute menghasilkan atmosfer kaya C di dislokasi. Gerakan dislokasi dibatasi karena gerakan semacam ini memerlukan pemisahan dislokasi dari atmosfer C. Segera setelah pemisahan terjadi, stres yang diperlukan untuk gerakan dislokasi berlanjut menurun dan, dalam pengujian tarik, YS bawah tercapai. Proses pengleyen ini melibatkan gerakan dislokasi di wilayah terlokalisasi sampel uji. Karena gerakan dislokasi adalah deformasi plastis, wilayah di mana dislokasi bergerak mewakili wilayah atau pita yang terdeformasi dalam bahan. Pita terlokalisasi yang terdeformasi ini disebut pita Lu¨ders. Setelah dimulai, regangan tambahan menyebabkan pita Lu¨ders menyebar sepanjang panjang ukuran sampel uji.

Penyebaran ini terjadi pada stres konstan yang merupakan YS bawah baja. Setelah seluruh bagian ukuran telah mengalami pengleyen, kurva stres-regangan mulai naik karena interaksi dislokasi dengan dislokasi lain, dan pengerasan regangan dimulai. Keberadaan YP dan pita Lu¨ders penting karena dampak dari pemulihan tiba-tiba dan regangan terlokalisasi pada teknik pemrosesan. Sebagai contoh, pengleyen tiba-tiba yang terlokalisasi menyebabkan aliran bahan yang tumpul. Aliran bahan yang tumpul tidak diinginkan dalam operasi tarik karena beban pada alat tarik berubah dengan cepat, sehingga melepaskan energi yang besar yang harus diserap oleh alat pemrosesan. Juga, regangan Lu¨ders yang terlokalisasi menghasilkan markah peregangan dalam bahan selama proses stempel. Markah peregangan ini disebut 'regangan peregangan' dan dengan mudah terlihat pada permukaan stempel. Ini merusak penampilan permukaan dan mengurangi kegunaan komponen. Jika bahan yang tidak memiliki YP di-stempel, permukaan halus dikembangkan karena proses pengerasan regangan menyebarkan deformasi secara serangkaian di seluruh bahan.

Efek Ukuran Butir terhadap Pengleyen

Besi dan bahan baja yang digunakan dalam aplikasi struktural adalah polikristal. Bahan ini biasanya mengandung sejumlah besar kristal mikroskopik atau butir. Ukuran butir sulit didefinisikan dengan tepat karena bentuk tiga dimensi butir cukup kompleks. Jika butir diasumsikan berbentuk bola, maka diameter butir (d) dapat digunakan untuk menentukan ukuran. Untuk menentukan ukuran butir dengan lebih tepat, biasanya termasuk intercept butir rata-rata (I), dan rasio (Sv) dari permukaan batas butir ke volume butir. Kedua parameter ini dapat ditetapkan melalui teknik metalografi kuantitatif.

Namun, karena alasan historis, parameter d adalah ukuran yang paling umum digunakan untuk menjelaskan pengaruh ukuran butir terhadap YS besi dan bahan baja. Pengaruh ini sering diukur melalui hubungan Hall-Petch di mana YS berhubungan dengan ukuran butir melalui persamaan empiris.

Batas butir bertindak sebagai penghalang terhadap gerakan dislokasi, menyebabkan dislokasi tumpuk di belakang batas. Tumpukan dislokasi ini mengonsentrasikan stres di ujung tumpukan, dan saat stres cukup, dislokasi tambahan dapat menuklak di butir berseberangan. Magnitudo stres di ujung tumpukan dislokasi bergantung pada jumlah dislokasi dalam tumpukan. Jumlah dislokasi yang terkandung dalam tumpukan meningkat seiring bertambahnya ukuran butir karena volume butir yang lebih besar. Perbedaan ini dalam jumlah dislokasi dalam tumpukan membuat lebih mudah bagi dislokasi baru untuk menuklak dalam bahan butir besar daripada dalam bahan butir halus dengan kemurnian yang sebanding, dan perbedaan ini dalam kemudahan nucleasi dislokasi ekstrapolasi langsung ke perbedaan YS.

Efek Kerja Dingin dan Pengerasan Regangan

Deformasi plastis besi dan bahan baja pada suhu yang lebih tinggi dari suhu rekristalisasi adalah kerja panas sementara deformasi plastis bahan ini pada suhu yang lebih rendah dari suhu rekristalisasi adalah kerja dingin. Bahan ini selama pengujian tarik di atas suhu rekristalisasi tidak menunjukkan pengerasan regangan yang signifikan, dan YS tarik menjadi stres maksimum yang dapat didukung secara efektif oleh bahan. Kurva stres-regangan untuk bahan ini menunjukkan bahwa stres yang diperlukan untuk menyebabkan deformasi plastis berlanjut meningkat seiring bertambahnya regangan tarik.

Stres yang diperlukan untuk deformasi berlanjut sering ditentukan sebagai stres aliran pada regangan tarik tertentu. Stres aliran yang meningkat dengan regangan adalah dasar untuk meningkatkan kekuatan bahan melalui kerja dingin. Efek ukuran butir terhadap kekuatan bahan dipertahankan selama proses kerja dingin. Fakta bahwa ketergantungan ukuran butir terhadap kekuatan dipertahankan selama proses pengerasan regangan mendirikan kemungkinan interaksi di antara berbagai mekanisme penguatan dalam bahan ini. Sebagai contoh, kerja dingin menyebabkan peningkatan kekuatan melalui interaksi antara cacat titik dan dislokasi, dan efek ini aditif terhadap efek legasi.

Juga, kekuatan bukan properti tarik satu-satunya yang dipengaruhi oleh proses kerja dingin. Duktilitas menurun seiring bertambahnya kerja dingin, dan, jika kerja dingin terlalu ekstensif, batang baja dapat pecah dan patah selama kerja dingin. Efek keseluruhan kerja dingin terhadap kekuatan dan duktilitas adalah peningkatan kekuatan dan penurunan duktilitas menyebabkan luas di bawah kurva stres-regangan berkurang. Ini penting karena luas ini mewakili pekerjaan atau energi yang diperlukan untuk memecah batang baja, dan hasil pengujian tarik menunjukkan bahwa energi ini berkurang seiring bertambahnya persentase kerja dingin.

Kerja dingin, baik melalui penggelaran, tarik, stempel, atau panggangan, mengubah mikrostruktur. Bentuk butir yang dihasilkan ditentukan oleh arah aliran logam selama pemrosesan. Butir dalam sampel yang digiling dingin panjang dan pipih, sehingga berubah dari butir setengah bola menjadi butir berbentuk pita. Proses tarik batang menghasilkan butir berbentuk jarum. Selain perubahan bentuk butir, interior butir merusak oleh operasi kerja dingin. Pita dengan kepadatan dislokasi tinggi (pita deformasi) berkembang, batas kembar menjadi lengket, dan batas butir menjadi kasar dan merusak. Karena perubahan mikrostruktur yang diinduksi deformasi adalah anisotropik, properti tarik bahan baja yang diolah sering anisotropik. Mikrostruktur yang telah dipegar dan properti mekanis yang menyertainya yang dihasilkan dari kerja dingin dapat diubah secara signifikan oleh aneling. Perubahan mikrostruktur yang diperkenalkan dengan pemanasan ke suhu yang lebih tinggi bergantung baik pada waktu maupun suhu aneling. Ketergantungan suhu ini karena gerakan atom diperlukan agar aneling efektif.

Kekuatan Tarik

Kemampuan untuk mepegar regangan adalah salah satu karakteristik normal dalam perilaku mekanis yang memisahkan besi dan bahan baja dari bahan teknik lainnya. Tidak semua bahan logam menunjukkan karakteristik ini. Sebagai contoh, krom (Cr) sangat rapuh dan patah dalam uji tarik tanpa bukti pengerasan regangan. Kurva stres-regangan untuk bahan rapuh mirip dengan bahan seramik. Pecahan terjadi sebelum deformasi plastis yang signifikan terjadi. Bahan rapuh semacam ini tidak memiliki YS sebenarnya, dan stres pecahan adalah stres maksimum yang dapat didukung oleh bahan. Namun, besi dan bahan baja mengalami deformasi plastis sebelum pecahan, dan stres maksimum yang dapat didukung oleh bahan jauh lebih tinggi dari YS. Stres maksimum ini (berdasarkan dimensi asli) adalah kekuatan tarik akhir (TS) bahan.

Selisih antara YS dan TS memberikan faktor keselamatan operasional untuk besi dan bahan baja dalam struktur. Selain selisih keselamatan ini, nilai aktual TS memiliki sangat sedikit kegunaan praktis. Kemampuan struktur untuk menahan beban pelayanan yang kompleks hampir tidak berhubungan dengan TS, dan desain struktural harus didasarkan pada pengleyen. TS mudah diukur dan sering dilaporkan karena merupakan stres maksimum pada kurva stres-regangan. Kode teknik terkadang menentukan bahwa bahan harus memenuhi persyaratan TS tertentu.

Secara historis, TS, dengan pengurangan yang berbasis pengalaman untuk menghindari pengleyen, digunakan dalam perhitungan desain. Seiring meningkatnya akurasi pengukuran kurva stres-regangan, pemanfaatan TS berkurang, dan pada tahun 1940 beberapa kode desain didasarkan pada pengleyen. Ada basis data empiris yang besar yang mengkorelasikan TS dengan kekerasan, kekuatan kelelahan (FS), stres pecahan, dan properti mekanis. Korelasi ini, persyaratan kode historis, dan fakta bahwa desain struktural yang menggunakan bahan rapuh harus didasarkan pada TS memberikan basis teknis untuk pemanfaatan berkelanjutan TS sebagai kriteria desain.

Kerja dingin dan mekanisme penguatan lainnya dari besi dan bahan baja tidak meningkatkan TS secepat mereka meningkatkan YS. Oleh karena itu, proses penguatan sering diiringi dengan penurunan kemampuan untuk mengalami regangan plastis. Penurunan ini mengurangi kemampuan bahan untuk menyerap energi sebelum pecahan dan, dalam banyak kasus, penting untuk pemanfaatan yang berhasil dari bahan ini. Analisis perilaku tarik bahan ini dapat memberikan wawasan tentang kemampuan serapan energi bahan.

Ketawetan

Kemampuan untuk menyerap energi tanpa pecahan adalah karena ketawetan bahan. Dalam kebanyakan kasus, pecahan besi dan bahan baja dimulai pada cacat yang sudah ada. Cacat ini dapat kecil enough untuk menjadi elemen mikrostruktur atau, ketika sedikit lebih besar, dapat menjadi pecahan makroskopik dalam bahan atau, dalam kasus ekstrim, diskontinuitas yang terlihat secara visual dalam struktur. Bahan baja yang tahan memegang resistensi terhadap propagasi cacat melalui proses seperti pengleyen dan deformasi plastis. Maksimum deformasi ini terjadi di dekat ujung cacat. Karena pecahan melibatkan stres tarik dan deformasi plastis, atau regangan, kurva stres-regangan dapat digunakan untuk memperkirakan ketawetan bahan. Namun ada uji spesifik yang dirancang untuk mengukur ketawetan bahan. Mayoritas uji ini dilakukan dengan sampel yang sudah pecah dan melibatkan dampak serta mekanika pecahan. Perhitungan ketawetan berdasarkan perilaku tarik adalah perkiraan dan tidak boleh digunakan untuk desain.

Luas di bawah kurva stres-regangan adalah ukuran energi yang diserap oleh bahan selama pengujian tarik. Luas ini adalah perkiraan kasar dari ketawetan bahan. Karena regangan plastis yang terkait dengan deformasi tarik besi dan bahan baja biasanya beberapa orde magnitudo lebih besar dari regangan elastis yang menyertainya, plastisitas atau gerakan dislokasi sangat penting untuk pengembangan ketawetan. Ini ditunjukkan oleh kurva stres-regangan untuk bahan rapuh, semi-rapuh, dan duktil. Pecahan rapuh terjadi dengan sedikit atau tidak ada regangan plastis, dan oleh karena itu luas (A) di bawah kurva stres-regangan diberikan oleh persamaan A = 0.5 Se. Perkiraan energi pecahan dari properti tarik tipikal sampel uji baja ringan dengan YS 205 MPa, TS 415 MPa, dan nilai regangan hingga pecahan 0,3, menghasilkan 1,12 J/ cu mm dari bagian ukuran sampel uji.

Rasio energi untuk pecahan duktil terhadap energi untuk pecahan rapuh adalah 900. Rasio ini meningkat seiring bertambahnya regangan hingga pecahan dan seiring bertambahnya pengerasan regangan. Hubungan luas dan energi hanya perkiraan. Kegunaan perkiraan ketawetan semacam ini adalah kemudahan pengujian dapat dilakukan dan wawasan yang perkiraan ini berikan tentang pentingnya plastisitas untuk pencegahan pecahan. Selanjutnya, regangan plastis hanya 0,01 % dapat memiliki efek yang luar biasa pada kemampuan bahan untuk menyerap energi tanpa pecahan.

Ketawetan adalah properti yang sangat penting untuk banyak aplikasi struktural. Tangga bentur, badan kapal, poros, gigi, dan kopling semuanya harus menyerap energi selama pelayanan. Kemampuan untuk menahan beban gempa, tekanan berlebih sistem, dan bahkan kecelakaan ringan juga memerlukan ketawetan bahan. Peningkatan kekuatan besi dan bahan baja biasanya mengurangi duktilitas dan, dalam banyak kasus, mengurangi ketawetan. Jadi, meningkatkan kekuatan bahan dapat meningkatkan kemungkinan kegagalan yang diinduksi pelayanan ketika ketawetan bahan penting untuk pelayanan yang memuaskan.

Ini terlihat dengan membandingkan luas di bawah dua kurva stres-regangan dalam Gambar 2. Area yang diiris dalam Gambar 2 menunjukkan properti tarik lain yang merupakan modulus ketahanan lentur. Modulus ketahanan lentur dapat diukur dari kurva stres-regangan tarik. Kemampuan besi dan bahan baja untuk menyerap energi melalui proses elastis adalah ketahanan lentur bahan. Modulus ketahanan lentur didefinisikan sebagai luas di bawah bagian elastis dari kurva stres-regangan. Peningkatan YS dan/atau penurunan modulus Young meningkatkan modulus ketahanan lentur dan meningkatkan kemampuan bahan ini untuk menyerap energi tanpa mengalami deformasi permanen.

Gambar 2 Perbandingan kurva stres-regangan untuk baja ketawetan tinggi dan rendah

Duktilitas Bahan

Duktilitas bahan selama pengujian tarik umumnya ditetapkan dengan mengukur regangan hingga pecahan atau pengurangan luas (RA) pada pecahan. Secara umum, pengukuran duktilitas menarik perhatian dalam tiga cara yaitu (i) untuk menunjukkan sejauh mana baja dapat diubah bentuk tanpa pecahan dalam operasi pengolahan logam seperti penggelaran, pembentukan, atau ekstrusi, (ii) untuk menunjukkan kepada desainer, secara umum, kemampuan baja untuk mengalir plastis sebelum pecahan, dan (iii) untuk berfungsi sebagai indikator perubahan tingkat pengotor atau kondisi pemrosesan. Pengukuran duktilitas harus ditentukan untuk menilai kualitas bahan meskipun tidak ada hubungan langsung antara pengukuran duktilitas dan kinerja.

Duktilitas tarik adalah ukuran yang sangat berguna selama penilaian kualitas bahan. Banyak kode dan standar menentukan nilai minimum untuk duktilitas tarik. Satu alasan untuk spesifikasi ini adalah jaminan ketawetan yang memadai tanpa kebutuhan untuk menuntut spesifikasi ketawetan yang lebih mahal. Sebagian besar perubahan komposisi bahan dan/atau kondisi pemrosesan menghasilkan perubahan duktilitas tarik. Selanjutnya, fitur pengolahan logam besi dan bahan baja lebih berkorelasi dengan kemampuan untuk mepegar regangan daripada dengan duktilitas bahan. Kemampuan pengerasan regangan dari banyak besi dan bahan baja yang digunakan untuk pelayanan teknik telah diukur melalui analisis perilaku stres-regangan sebenarnya.

Hubungan Stres-Regangan Sejati

Konversi perilaku stres-regangan teknik ke hubungan stres-regangan sejati menunjukkan bahwa maksimum dalam kurva stres-regangan teknik disebabkan oleh ketidakstabilan tarik, bukan dari penurunan kekuatan bahan. Penurunan dalam kurva stres-regangan teknik adalah buatan dan terjadi hanya karena perhitungan stres didasarkan pada luas penampang asli. Pengujian dan analisis menunjukkan bahwa, untuk sebagian besar besi dan bahan baja, ketidakstabilan tarik sesuai dengan awal pembengkokan pada sampel uji. Pembengkokan disebabkan oleh lokalisasi regangan. Oleh karena itu, setelah pembengkokan dimulai, regangan sejati tidak dapat dihitung dari peregangan sampel. Karena keterbatasan analitis ini dan keterbatasan lainnya dari data stres-regangan teknik, jika data tarik digunakan untuk memahami dan memprediksi respons metalurgi selama deformasi yang terkait dengan proses pembuatan, maka hubungan stres-sejati-regangan-sejati diprioritaskan.

Deformasi yang dapat ditampung tanpa pecahan dalam operasi tarik dalam variasi dengan bahan. Sebagai contoh, baja tahan karam austenitik dapat dengan sukses ditarik hingga 50 % RA sementara baja feritik mungkin gagal setelah sekitar 20 % hingga 30 % RA dalam operasi tarik yang serupa. Keduanya jenis baja mengalami lebih dari 50 % RA selama pengujian tarik. Perbedaan ini dalam kemampuan tarik berkorelasi dengan eksponen pengerasan regangan (n) dan oleh karena itu terlihat dari kemiringan kurva stres-regangan sejati untuk dua baja tersebut.

Nilai n untuk baja feritik dan austenitik biasanya adalah 0,25 dan 0,5 masing-masing. Bahan plastis sempurna memiliki nilai n nol dan padat elastis sepenuhnya memiliki nilai n satu. Sebagian besar besi dan bahan baja memiliki nilai n antara 0,1 dan 0,5. Eksponen pengerasan regangan berkorelasi dengan kemampuan dislokasi untuk bergerak di sekitar atau di atas dislokasi dan rintangan lain di jalur mereka. Gerakan semacam ini disebut 'cross slip'. Saat cross slip mudah, dislokasi tidak tumpuk di belakang satu sama lain dan nilai n rendah. Baja ringan adalah contoh yang mengalami cross slip dengan mudah. Nilai n meningkat seiring cross slip menjadi lebih sulit. Cross slip sangat sulit pada baja tahan karam austenitik dan nilai n untuk baja ini sekitar 0,5.

Sampel tarik, lembar, plat, kawat, batang, dan bagian logam lainnya memiliki variasi titik-titik dalam ukuran bagian, YS, dan keinhomogenitas mikrostruktur dan struktural lainnya. Deformasi plastis bahan ini dimulai di wilayah yang lemah secara lokal. Dalam pengarahan pengerasan regangan, regangan plastis awal ini mengurangi ukuran bagian bersih dan memfokuskan deformasi berlanjut di wilayah yang lemah. Namun, pengerasan regangan menyebabkan stres aliran di wilayah yang terdeformasi meningkat. Peningkatan ini dalam stres aliran meningkatkan beban yang diperlukan untuk deformasi plastis berlanjut di area dan menyebabkan deformasi menyebar di seluruh bagian. Semakin tinggi nilai n, semakin besar peningkatan stres rendah dan semakin besar kecenderungan deformasi plastis menjadi seragam. Kecenderungan ini memiliki dampak besar pada pembentukan besi dan bahan baja.

Sebagai contoh, RA maksimum yang dapat ditampung dalam operasi tarik sama dengan nilai n seperti yang ditentukan dari perilaku stres-regangan sejati bahan. Karena korelasi semacam ini, efek variabel proses seperti laju regangan dan suhu dapat dievaluasi melalui pengujian tarik. Ini memberikan dasar untuk memperkirakan efek variabel proses tanpa penilaian langsung, dalam proses, dari variabel tersebut.

Efek Suhu dan Laju Regangan

YS sebagian besar besi dan bahan baja meningkat seiring bertambahnya laju regangan dan menurun seiring bertambahnya suhu. Ketergantungan ini dihasilkan dari kombinasi beberapa faktor metalurgi. Sebagai contoh, dislokasi sebenarnya adalah perpindahan dan oleh karena itu tidak dapat bergerak lebih cepat dari kecepatan suara. Juga, saat kecepatan dislokasi mendekati kecepatan suara, cross slip menjadi semakin sulit dan nilai n meningkat. Peningkatan ini dalam nilai n meningkatkan stres aliran pada setiap regangan tertentu, sehingga meningkatkan YS bahan. Penurunan duktilitas dan bahkan transisi dari pecahan duktil ke rapuh juga dapat dikaitkan dengan peningkatan YS yang diinduksi laju regangan.

Dalam banyak hal, penurunan suhu mirip dengan peningkatan laju regangan. Mobilitas dislokasi menurun seiring berkurangnya suhu, dan oleh karena itu untuk sebagian besar besi dan bahan baja, kekuatan meningkat dan duktilitas menurun saat suhu diturunkan. Jika pengurangan mobilitas dislokasi cukup, duktilitas dapat dikurangi hingga titik pecahan rapuh. Besi dan bahan baja yang menunjukkan transisi dari pecahan duktil ke rapuh saat suhu diturunkan tidak boleh digunakan untuk aplikasi struktural pada suhu yang di bawah suhu transisi ini.

Gerakan dislokasi terhambat oleh interaksi antara dislokasi dan oleh atom legasi atau pengotor (asing). Efek interaksi ini baik bergantung pada waktu maupun suhu. Interaksi bertindak untuk meningkatkan YS dan membatasi duktilitas. Proses paling efektif ketika ada cukup waktu untuk atom asing untuk segregasi ke dislokasi dan saat kecepatan dislokasi hampir sama dengan kecepatan difusi atom asing. Oleh karena itu, pada setiap suhu tertentu, interaksi dislokasi-atom asing berada pada maksimum pada beberapa laju regangan menengah. Pada laju regangan rendah, atom asing dapat difusi secepat dislokasi bergerak dan ada sedikit atau tidak ada kecenderungan proses deformasi untuk memaksa pemisahan dislokasi dari atmosfer solutnya. Pada laju regangan tinggi, setelah pemisahan telah tercapai, tidak ada waktu yang cukup yang tersedia untuk atmosfer ditetapkan kembali selama periode pengujian. Gerakan atom meningkat dengan bertambahnya suhu, oleh karena itu laju regangan yang memungkinkan interaksi dislokasi-atom asing terjadi bergantung pada suhu. Karena interaksi ini membatasi duktilitas, peregangan dalam pengujian tarik dapat menunjukkan minimum pada suhu uji menengah di mana interaksi semacam ini sangat efektif.

Efek interaksi dislokasi-atom asing yang bergantung pada waktu pada kurva stres-regangan besi dan bahan baja disebut 'strain aging' dan 'dynamic strain aging'. Strain aging biasanya terlihat ketika pengujian tarik bahan yang menunjukkan YP tajam, terganggu. Jika sampel uji dilepas beban setelah diregangkan melewati YP, melalui daerah regangan Lu¨ders dan ke dalam bagian pengerasan regangan dari kurva stres-regangan, salah satu dari dua perilaku diamati saat uji tarik dilanjutkan.

Jika sampel dimuat ulang dalam waktu singkat, bagian elastis dari kurva pemuatan ulang sejajar dengan kurva pemuatan elastis asli dan deformasi plastis dilanjutkan pada level stres yang tercapai tepat sebelum pengujian terganggu. Namun, jika waktu antara pemuatan ulang dan pemuatan ulang cukup untuk segregasi atom asing ke dislokasi, YP muncul kembali dan regangan plastis tidak dimulai ulang saat level stres pemuatan ulang tercapai. Munculnya kembali YP ini adalah strain aging, dan kekuatan puncak strain aging bergantung baik pada waktu maupun suhu karena difusi atom solut dan segregasi ke dislokasi diperlukan agar puncak berkembang. Jika laju regangan tarik berada dalam rentang di mana segregasi solut dapat terjadi selama pengujian, dynamic strain aging diamati. Segregasi memegang dislokasi yang sebelumnya mobile dan meningkatkan stres aliran, dan saat stres aliran baru, yang lebih tinggi, tercapai dislokasi dipisahkan dari atmosfer solut dan stres aliran menurun. Peningkatan dan penurunan bergantian dalam stres aliran ini menyebabkan kurva stres-regangan menjadi serrated.

Serrated flow biasa pada baja ringan karena mengandung elemen legasi atau pengotor yang mobile. Efek ini awalnya telah dipelajari secara detail oleh Portevin dan LeChatelier dan sering disebut efek Portevin-LeChatelier. Kondisi pemrosesan harus dipilih untuk menghindari efek strain aging. Pemilihan ini pada dasarnya melibatkan kontrol laju regangan pemrosesan dan suhu.

Metode Pengujian Khusus

Uji tarik memberikan informasi dasar tentang respons besi dan bahan baja terhadap beban mekanis. Suhu pengujian dan laju regangan (atau laju pemuatan) biasanya dikontrol karena efek variabel ini pada respons metalurgi sampel. Uji tarik biasanya mengukur kekuatan dan duktilitas. Parameter ini sering sensitif terhadap konfigurasi sampel, lingkungan pengujian, dan cara pengujian dilakukan. Metode pengujian tarik khusus telah dikembangkan untuk mengukur efek kondisi pengujian/sampel terhadap kekuatan dan duktilitas besi dan bahan baja. Metode pengujian ini termasuk uji tarik berlubang dan uji tarik laju regangan lambat.

Pengujian Tarik Berlubang

Besi dan bahan baja yang digunakan dalam aplikasi teknik sering diperlukan untuk menahan beban multi-axial dan konsentrasi stres tinggi karena konfigurasi komponen. Pengujian tarik standar mengukur kinerja bahan pada sampel batang halus yang dilemahi beban uniaxial. Perbedaan ini antara aplikasi dan sampel pengujian dapat mengurangi kemampuan pengujian tarik standar untuk memprediksi respons bahan dalam kondisi aplikasi yang diantisipasi. Juga, penurunan duktilitas yang biasanya diinduksi oleh beban multi-axial dan konsentrasi stres mungkin tidak terlihat dalam hasil pengujian. Oleh karena itu, pengujian tarik berlubang telah dikembangkan untuk meminimalkan kelemahan ini dalam pengujian tarik standar dan untuk memeriksa perilaku bahan dalam kehadiran cacat, lubang, dan konsentrasi stres.

Sampel tarik berlubang biasanya berisi lubang 60 derajat yang memiliki jari akar kurang dari 0,025 mm. Keadaan stres tepat di bawah ujung lubang mendekati stres tarik tri-axial, dan untuk baja duktil keadaan stres ini biasanya meningkatkan YS dan mengurangi duktilitas. Peningkatan ini dalam YS disebabkan oleh efek keadaan stres pada dinamika dislokasi. Geser stres diperlukan untuk gerakan dislokasi. Pemuatan tri-axial murni tidak menghasilkan geser stres apa pun. Oleh karena itu, gerakan dislokasi di ujung lubang terbatas dan nilai YS meningkat. Pembatasan ini dalam gerakan dislokasi juga mengurangi duktilitas sampel berlubang. Untuk baja duktilitas rendah, penurunan duktilitas yang diinduksi lubang dapat sangat parah sehingga kegagalan terjadi sebelum YS offset 0,2 % tercapai.

Sensitivitas besi dan bahan baja terhadap efek lubang disebut 'notch sensitivity'. Sensitivitas ini diukur melalui rasio kekuatan berlubang terhadap TS batang halus. Bahan yang sensitif terhadap lubang memiliki rasio kurang dari satu. Data tarik batang halus untuk bahan ini tidak memprediksi dengan memuaskan perilaku bahan dalam kondisi pelayanan. Bahan duktil yang tahan sering dipegar oleh lubang dan memiliki rasio sensitivitas lubang lebih dari satu, sehingga pengujian tarik standar adalah prediktor konservatif dari kinerja untuk bahan ini.

Pengujian Laju Regangan Lambat

Lingkungan pengujian juga dapat memiliki efek buruk pada perilaku tarik besi dan bahan baja. Karakterisasi efek lingkungan terhadap respons bahan dapat dilakukan dengan melakukan pengujian tarik dalam lingkungan yang diminati. Karena keparahan serangan lingkungan biasanya meningkat seiring bertambahnya waktu, pengujian tarik yang dirancang untuk menentukan efek lingkungan sering dilakukan pada laju regangan sangat rendah. Laju regangan rendah meningkatkan waktu pengujian dan memaksimalkan paparan terhadap lingkungan pengujian. Jenis pengujian ini disebut 'slow strain rate testing' (SSRT) atau 'constant extension rate testing' (CERT). Paparan terhadap lingkungan agresif dapat mengurangi kekuatan dan/atau duktilitas sampel uji. Penurunan ini dapat diiringi dengan awal pecahan permukaan dan/atau perubahan dalam mode pecahan. Studi SSRT atau CERT yang menunjukkan efek buruk pada perilaku tarik, mendirikan bahwa bahan uji rentan terhadap degradasi lingkungan.

Kerentanan ini dapat menyebabkan kekhawatir atas pemanfaatan bahan dalam lingkungan tersebut. Sebaliknya, pengujian dapat menunjukkan bahwa perilaku tarik bahan tidak dipengaruhi oleh lingkungan dan oleh karena itu cocok untuk aplikasi dalam lingkungan tersebut. SSRT atau CERT dapat digunakan untuk saring bahan untuk paparan pelayanan potensial dan/atau memeriksa efek perubahan operasional yang diantisipasi pada bahan yang digunakan dalam sistem proses. Dalam kedua kasus, tujuannya adalah untuk menghindari pemanfaatan bahan dalam kondisi yang dapat menurunkan kekuatan dan duktilitas dan menyebabkan kegagalan dini. Selain data tarik, bukti efek lingkungan yang buruk juga dapat ditemukan melalui pemeriksaan morfologi pecahan dari sampel pengujian CERT dan SSRT.

Karakteristik Pecahan

Pecahan tarik besi dan bahan baja duktil biasanya dimulai secara internal di bagian yang bengkok dari batang tarik. Partikel seperti inklusi, fase kedua yang terdiseminasi, dan/atau penurunan dapat berfungsi sebagai situs menuklak. Proses pecahan dimulai dengan pengembangan lubang kecil, atau mikro-void, pada antarmuka partikel-matriks. Deformasi berlanjut memperbesar mikro-void hingga, pada titik tertentu dalam proses pengujian, mikro-void menyentuh mikro-void lain dan bergabung. Proses ini disebut 'micro-void coalescence' dan menghasilkan topografi permukaan pecahan berlubang yang khas dari proses kegagalan duktil.

Topografi permukaan pecahan rapuh berbeda secara signifikan dari mikro-void coalescence. Pecahan rapuh biasanya dimulai pada ketidaksempurnaan pada permukaan eksternal bahan dan menyebar melalui proses trans-granular seperti pecahan atau melalui pemisahan sepanjang batas butir. Hasil topografi permukaan adalah berfacet, mungkin dengan pola seperti sungai yang khas dari pecahan, atau inter-granular, menghasilkan penampilan seperti 'rock candy'. Bahan uji dapat secara inheren rapuh atau kebrittalan dapat diperkenalkan oleh perawatan termal, penurunan suhu pengujian, kehadiran lingkungan agresif, dan/atau kehadiran lubang tajam pada sampel pengujian.

Suhu, laju regangan, lingkungan pengujian, dan kondisi lain, termasuk finishing permukaan sampel untuk pengujian tarik, umumnya telah ditetapkan dengan baik. Pemahaman tentang efek parameter pengujian semacam ini pada karakteristik pecahan sampel uji dapat sangat berguna dalam menentukan kerentanan besi dan bahan baja terhadap degradasi selama pembuatan atau selama aplikasi. Biasanya, perawatan termal atau kondisi pengujian apa pun yang menyebabkan proses pecahan berubah dari mikro-void coalescence ke mode pecahan yang lebih rapuh mengurangi duktilitas dan ketawetan bahan dan dapat mempromosikan pecahan dini dalam kondisi pelayanan yang dipilih. Karena proses pecahan sangat sensitif baik terhadap kondisi metalurgi sampel dan kondisi pengujian tarik, karakterisasi permukaan pecahan adalah komponen penting dari banyak program pengujian tarik.