Tegangan Sisa dalam Material: Jenis, Penyebab, dan Aplikasi Praktis
Dalam bahan padat, tegangan sisa adalah stres yang tetap di dalamnya setelah penyebab asli stresnya dihapus. Tegangan sisa dapat sia-sia dan berguna dalam bahan. yaitu, mungkin diinginkan atau tidak diinginkan. Tegangan sisa yang tidak disengaja dalam bahan dapat menyebabkan gagal terlalu dini, sementara dapat digunakan dalam kaca diperkaya untuk memungkinkan kaca smartphone yang tipis, anti-retak dan anti-gores.
Hari ini kita akan melihat definisi, aplikasi, jenis, penyebab, efek, diagram, kontrol, dan cara mengukur tegangan sisa.
Apa itu Tegangan Sisa?
Tegangan sisa adalah stres yang tetap di dalam bahan (umum dalam komponen yang dipake) bahkan tanpa beban eksternal atau gradien panas. Tegangan sisa dapat menghasilkan deformasi plastik yang signifikan, yang dapat menyebabkan distorsi atau kerucutan bahan. Mereka dapat mempengaruhi kerentanan terhadap retak dan kelelahan dalam beberapa kasus.
Tegangan sisa juga dikatakan sebagai stres yang terkunci dalam objek logam, bahkan ketika objek bebas dari gaya eksternal. Stres dapat menghasilkan satu wilayah logam dibatasi oleh wilayah terdekat dari menyusut, melebar, atau melepaskan strain elastis. Karena tegangan sisa dapat berupa stres tarik atau tekan, mereka dapat coexist di dalam sebuah komponen.
Apa Penyebab Tegangan Sisa?
Tegangan sisa terjadi ketika objek atau komponen ditegangkan melebihi batas elastisnya, menghasilkan deformasi plastik. Deformasi plastik mungkin karena hal berikut:
- Transformasi fase selama pendinginan dari suhu tinggi.
- Perawatan permukaan seperti enameling, electroplating PVD dan CVD coating.
- Deformasi plastik yang tidak seragam selama pemanasan dan pendinginan.
- Heterogenitas urutan kimia atau kristalografi (nitriding atau case hardening)
- Deformasi non-plastik selama pemrosesan mekanis seperti selama rolling, operasi forming (bending atau drawing), machining, dan perawatan permukaan mekanis (shot peening dan roller burnishing).
Berikut adalah tiga penyebab tegangan sisa:
Variasi Termal:
Variasi termal adalah ketika sebuah objek didinginkan dari suhu, ini sering terjadi pada juntungan pake karena panas intens yang digunakan untuk penggabungan. Karena ini, ada perbedaan besar dalam tingkat pendinginan di seluruh tubuh yang menghasilkan variasi lokal pada permukaan dan interior bahan. Tingkat kontraksi termal yang berbeda ini menciptakan stres yang tidak seragam di dalam objek.
Selama pendinginan, permukaan didinginkan dengan cepat, dan bahan yang dipanaskan ditekan di tengah. Sementara bagian tengah bahan memerlukan waktu untuk didinginkan, dibatasi oleh bahan luar yang lebih dingin. Ini menyebabkan bagian dalam memiliki tegangan sisa tarik dan bagian luar bahan akan memiliki tegangan sisa tekan.
Pemrosesan Mekanis:
Tegangan sisa yang terjadi karena deformasi plastik disebabkan oleh pemrosesan mekanis. Ini terjadi ketika deformasi plastik tidak seragam melalui cross-section bahan yang melalui proses manufaktur, seperti bending, drawing, extruding, rolling, dll.
Selama proses deformasi, satu bagian bahan elastis dan bagian lain plastik. Jadi, ketika beban dihapus, bahan mencoba memulihkan bagian elastis dari deformasi. Namun, terhambat untuk sepenuhnya pulih karena bahan plastik yang bersebelahan.
Transformasi Fase:
Transformasi fase adalah cara lain tegangan sisa dapat disebabkan. Ini terjadi ketika bahan melalui transformasi fase, yaitu, perbedaan volume antara fase yang baru terbentuk dan bahan di sekitarnya yang belum melalui transformasi fase. Perbedaan volume ini menyebabkan ekspansi atau kontraksi dalam bahan, menghasilkan tegangan sisa
Apa Efek Tegangan Sisa?
Tegangan sisa bermanfaat dalam beberapa situasi, tergantung pada apakah stres tarik atau tekan. Tegangan sisa tarik dapat cukup besar untuk menyebabkan distorsi atau retakan bahan. Juga, stres tarik diperlukan dalam kelelahan dan stress corrosion cracking. Ini karena tegangan sisa ditambah secara aljebraik dengan stres yang diterapkan. Tegangan sisa tarik permukaan digabungkan dengan stres tarik yang diterapkan dapat mengurangi keandalan bahan. Juga, tegangan sisa tarik terkadang cukup untuk menyebabkan stress corrosion cracking.
Secara umum, tegangan sisa tekan permukaan mengurangi efek stres tarik yang diterapkan. Faktanya, stres tekan permukaan berkontribusi pada peningkatan kekuatan kelelahan dan resistensi stress-corrosion cracking.
Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, tegangan sisa adalah positif atau negatif, tergantung pada aplikasi. Efek positif diperoleh ketika tegangan sisa diterapkan dalam desain beberapa aplikasi, yang dapat dicapai dengan laser peening. Sebuah laser peening memberikan tegangan sisa tekan pada permukaan bahan. Ini memperkaya permukaan rapuh atau memperkuat bagian tipis.
Secara umum, tegangan sisa juga dapat menghasilkan efek negatif. Meskipun stres sering tidak terlihat oleh produsen, kecuali jika menghasilkan distorsi yang signifikan. Integritas struktural dapat dipengaruhi secara negatif, misalnya, struktur dinding tebal yang dipake lebih rapuh terhadap retak rapuh dibandingkan struktur yang di-stress relieved.
Jenis Tegangan Sisa
Berikut adalah berbagai jenis tegangan sisa:
Tegangan Sisa Tarik:
Tegangan sisa tarik mengurangi kekuatan kelelahan dan menghasilkan kegagalan kelelahan. Biasanya merupakan efek samping produksi yang menghasilkan grinding yang agresif yang menyebabkan pertumbuhan retak. Mereka juga dapat memperkenalkan menyusut, fitting, bending, atau torsion. Torsion selalu tetap pada komponen cor sebagai tegangan sisa yang dapat menyebabkan retak pada permukaan komponen. Lebih lanjut, stress corrosion cracking adalah peristiwa yang terjadi di mana ada tegangan sisa tarik.
Tegangan Sisa Tekan:
Tegangan sisa tekan meningkatkan kekuatan kelelahan dan resistensi stress corrosion cracking. Mereka dapat dihasilkan secara sengaja melalui proses seperti shot peening, laser peening, low plasticity burnishing, dan autofrettage. Bahan strain hardens atau cold work bahan. Sebagian besar, pentingnya untuk memberikan tegangan sisa tekan adalah untuk menyeimbangkan efek buruk dari stres tarik. Proses heat treatment yang dikenal sebagai stress-relief annealing juga digunakan untuk mengurangi tegangan sisa tarik.
Tegangan sisa juga dapat diklasifikasikan menjadi tiga jenis:
Tegangan Sisa Tipe-1:
Jenis tegangan sisa ini dikenal sebagai macro-residual stress yang sering dikembangkan dalam grain. Ini adalah hasil dari perubahan dalam keseimbangan tegangan sisa yang akan menghasilkan perubahan dalam dimensi makroskopis. Perlakuan atau proses yang menyebabkan distribusi strain yang tidak homogen akan menghasilkan tegangan sisa tipe-1.
Tegangan Sisa Tipe-2:
Jenis tegangan sisa tipe-2 adalah micro-residual stress yang dikembangkan dalam satu grain. Mereka dapat berukuran berbeda dalam grain yang berbeda. Martensitic transformation adalah yang terbaik dalam menghasilkan tegangan sisa ini. Selama proses transformasi, transformasi austenite yang tidak lengkap diperoleh. Namun, volume martensite lebih besar dari austenite, menghasilkan berbagai bentuk tegangan sisa.
Tegangan Sisa Tipe-3:
Tegangan sisa tipe-3 adalah sub-micro residual stress yang dikembangkan dalam beberapa jarak atomik dari grain. Pembentukan mereka disebabkan oleh cacat kristal seperti vacancies, dislocations, dll.
Cara Mengukur Tegangan Sisa?
Ada berbagai teknik yang dapat digunakan untuk mengukur tegangan sisa, yang secara luas dikategorikan menjadi Destructive, Semi-destructive, Non-destructive. Mereka sering digunakan tergantung pada informasi yang diperlukan.
Mari kita pahami teknik pengukuran tegangan sisa ini!
Destructive:
Teknik pengukuran destruktif dari tegangan sisa dilakukan dengan merusak objek atau bahan yang akan diukur. Biasanya dilakukan untuk tujuan penelitian dan pengembangan. Dan merupakan metode pengukuran dan deteksi tegangan sisa yang lebih murah dibandingkan non-destructive testing.
Pengujian destruktif dapat dilakukan dengan dua cara:
Contour methods menentukan tegangan sisa dengan memotong objek menjadi dua dan mengukur peta ketinggian permukaan mereka terhadap bidang bebas yang dibuat oleh pemotongan. Metode ini menentukan deformasi yang disebabkan oleh distribusi tegangan sisa dan digunakan untuk mengetahui jumlah tegangan sisa melalui model elemen hingga elastis dari spesimen. Hasilnya adalah peta 2-D dari tegangan sisa yang normal terhadap bidang pengukuran.
Slitting methods adalah teknik yang digunakan untuk mengukur melalui ketebalan tegangan sisa normal terhadap bidang yang dipotong melalui objek. Ini melibatkan pemotongan celah tipis dalam increment kedalaman melalui ketebalan workpiece. Deformasi yang diukur yang dihasilkan dicapai oleh kedalaman celah. Dan tegangan sisa dihitung oleh posisi melalui ketebalan, yang ditentukan dengan menyelesaikan masalah invers menggunakan deformasi yang diukur.
Semi-destructive:
Teknik pengukuran tegangan sisa semi-destructive mirip dengan tipe destruktif. Ini karena mereka menggunakan prinsip pelepasan strain untuk menentukan tegangan sisa. Tetapi hanya sejumlah kecil bahan yang dihapus alih-alih merusak. Ini memungkinkan struktur untuk lebih baik mempertahankan integritasnya.
Pengujian semi-destructive juga dilakukan dengan dua cara:
Deep drilling dicapai dengan membuat lubang melalui ketebalan bahan, mengukur diameter lubang. Memotong slot lingkaran di sekitar lubang untuk menghapus inti bahan di sekitar lubang dan kemudian mengukur ulang diameter lubang. Tegangan sisa ditemukan di sini oleh perubahan geometris.
Centre hole drilling techniques dilakukan dengan membuat lubang kecil ke dalam objek. Jadi, ketika bahan yang mengandung tegangan sisa dihapus sisa bahan mencapai keadaan seimbang baru. Dengan ini, deformasi di sekitar lubang terkait. Strain gauges atau metode optik digunakan untuk mengukur deformasi di sekitar lubang selama analisis. Tegangan sisa asli dalam bahan dihitung dari deformasi yang diukur.
Non-destructive:
Non-destructive adalah metode lain untuk mengukur dan menguji tegangan sisa dalam bahan. Ini melibatkan pengukuran efek hubungan antara tegangan sisa dan perubahan material dalam jarak lattice kristal.
Metode non-destructive dapat dicapai dengan tiga cara:
Neutrons digunakan untuk mengukur jarak lattice kristal dalam bahan. Neutrons yang ada dalam objek memiliki energi yang serupa dengan neutrons insiden. Ini memungkinkan tegangan sisa untuk ditentukan dari jarak lattice.
- Synchrotron X-ray diffraction
Sebuah synchrotron digunakan untuk mempercepat radiasi elektromagnetik untuk memungkinkan ketebalan yang benar yang mengetahui jarak lattice material. Pendekatan yang mirip dengan neutron diffraction digunakan untuk menghitung tegangan sisa.
Pengukuran tegangan sisa permukaan dicapai dengan metode ini karena x-ray hanya menembus permukaan objek beberapa ratus mikron.
Cara Mengontrol Tegangan Sisa
Mengontrol tegangan sisa umum pada bahan karena akan memberikan manfaat untuk memerlukan sejumlah stres pada aplikasi. Bahan terpapar kelelahan atau kondisi stress corrosion cracking atau jika tegangan sisa cukup besar untuk menyebabkan deformasi atau retakan komponen.
Mengontrol tegangan sisa dapat dicapai melalui perawatan mekanis seperti shot peening, light cold rolling, dan stretching. Jumlah kompresi kecil digunakan untuk menimbulkan tegangan sisa tekan pada permukaan komponen. Stress relief heat treatment, kontrol proses heat-treating, dan pilihan alloy adalah metode lain untuk mengontrol tegangan sisa.
Karena kekuatan leleh logam menurun seiring meningkatnya suhu, logam dapat di-stress relieved dengan memanaskan ke suhu di mana kekuatan leleh logam sama atau lebih kecil dari magnitudo tegangan sisa. Jika ini terjadi, logam dapat mengalami deformasi plastik mikroskopik, yang akan melepaskan setidaknya sebagian dari tegangan sisa. Setelah stress-relieving, tegangan sisa maksimum yang tersisa dalam objek akan sama dengan kekuatan leleh bahan pada suhu stress-relieving.
Tegangan sisa dapat dikurangi dengan menggunakan tingkat pendinginan yang lebih rendah untuk menurunkan variasi suhu, sehingga transformasi fase dapat terjadi lebih seragam melalui cross-section komponen. Nah, ini akan berdasarkan pada perspektif pemrosesan komponen. Dalam hal ini, alloy dengan tingkat pendinginan yang lebih lambat dapat dipilih, sementara transformasi fase yang diinginkan masih akan terjadi.
Kesimpulan
Tegangan sisa telah dilihat sebagai positif atau negatif pada bahan. Mereka dapat terjadi dan mengurangi ketahanan bahan dan juga, mereka dapat dengan sengaja diterapkan dalam objek untuk mendapatkan beberapa tegangan sisa tertentu. Dalam artikel ini, kita telah melihat definisi, jenis, penyebab, efek, kontrol, dan cara mengukur tegangan sisa.
Semoga Anda menikmati pembacaannya, jika ya, mohon komentar pada bagian favorit Anda dalam postingan ini. Dan jangan lupa bagikan dengan mahasiswa teknik lain. Terima kasih!
