Manfaat dapat diperoleh dengan mendapatkan wawasan tentang satu lapisan struktur butiran yang mengontrol perilaku mekanis baja tahan karat.Getty Images
Pemilihan baja tahan karat dan paduan aluminium umumnya berpusat pada kekuatan, keuletan, kemuluran, dan kekerasan. Sifat-sifat ini menunjukkan bagaimana blok penyusun logam merespons beban yang diterapkan. Sifat-sifat ini merupakan indikator yang efektif untuk mengelola kendala bahan baku;yaitu, berapa banyak yang akan ditekuk sebelum pecah. Bahan baku harus mampu menahan proses pencetakan tanpa putus.
Uji tarik dan kekerasan destruktif adalah metode yang andal dan hemat biaya untuk menentukan sifat mekanik. Namun, uji ini tidak selalu dapat diandalkan begitu ketebalan bahan baku mulai membatasi ukuran sampel uji. Uji tarik produk logam datar tentu saja masih bermanfaat, tetapi manfaat dapat diperoleh dengan melihat lebih dalam pada satu lapisan struktur butiran yang mengontrol perilaku mekanisnya.
Logam terdiri dari serangkaian kristal mikroskopis yang disebut butiran. Mereka didistribusikan secara acak ke seluruh logam. Atom elemen paduan, seperti besi, kromium, nikel, mangan, silikon, karbon, nitrogen, fosfor, dan belerang dalam baja tahan karat austenitik, adalah bagian dari butiran tunggal. Atom-atom ini membentuk larutan padat ion logam, yang terikat ke dalam kisi kristal melalui elektron bersama mereka.
Komposisi kimia dari paduan menentukan susunan atom yang disukai secara termodinamika dalam butiran, yang dikenal sebagai struktur kristal. Porsi homogen dari logam yang mengandung struktur kristal berulang membentuk satu atau lebih butiran yang disebut fase. Sifat mekanik paduan adalah fungsi dari struktur kristal dalam paduan. Hal yang sama berlaku untuk ukuran dan susunan butiran dari setiap fase.
Kebanyakan orang akrab dengan tahapan air.Ketika air cair membeku, itu menjadi es padat.Namun, ketika berbicara tentang logam, tidak hanya ada satu fase padat.Keluarga paduan tertentu dinamai sesuai fase mereka.Di antara baja tahan karat, paduan seri 300 austenitik terutama terdiri dari austenit saat dianil.Namun, 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 kamar - alfa, beta, atau campuran keduanya. Ada paduan alfa, alfa, alfa-beta, beta, dan beta dekat.
Ketika logam cair memadat, partikel padat dari fase yang disukai secara termodinamika akan mengendap di mana tekanan, suhu, dan komposisi kimia memungkinkan. Hal ini biasanya terjadi pada antarmuka, seperti kristal es di permukaan kolam hangat pada hari yang dingin. Ketika butir berinti, struktur kristal tumbuh dalam satu arah sampai butir lain bertemu. Batas butir terbentuk di persimpangan kisi yang tidak cocok karena orientasi struktur kristal yang berbeda. Bayangkan menempatkan sekumpulan kubus Rubik dengan ukuran berbeda dalam sebuah kotak. Masing-masing kubus memiliki pengaturan kotak persegi, tetapi semuanya akan diatur dalam arah acak yang berbeda. Benda kerja logam yang sepenuhnya dipadatkan terdiri dari serangkaian butiran yang tampaknya berorientasi acak.
Setiap kali butiran terbentuk, ada kemungkinan cacat garis. Cacat ini adalah bagian yang hilang dari struktur kristal yang disebut dislokasi. Dislokasi ini dan pergerakan selanjutnya di seluruh butir dan melintasi batas butir sangat penting untuk keuletan logam.
Penampang benda kerja dipasang, digiling, dipoles, dan digores untuk melihat struktur butiran. Ketika seragam dan disejajarkan, struktur mikro yang diamati pada mikroskop optik terlihat seperti teka-teki jigsaw. Pada kenyataannya, butiran adalah tiga dimensi, dan penampang setiap butiran akan bervariasi tergantung pada orientasi penampang benda kerja.
Ketika struktur kristal diisi dengan semua atomnya, tidak ada ruang untuk bergerak selain peregangan ikatan atom.
Saat Anda membuang setengah baris atom, Anda menciptakan peluang bagi baris atom lain untuk menyelinap ke posisi tersebut, yang secara efektif menggerakkan dislokasi. Ketika gaya diterapkan pada benda kerja, gerakan gabungan dislokasi dalam struktur mikro memungkinkannya untuk membengkok, meregang, atau mengompres tanpa patah atau putus.
Ketika gaya bekerja pada paduan logam, sistem meningkatkan energi. Jika energi yang cukup ditambahkan untuk menyebabkan deformasi plastis, deformasi kisi dan bentuk dislokasi baru. Tampaknya logis bahwa ini akan meningkatkan keuletan, karena membebaskan lebih banyak ruang dan dengan demikian menciptakan potensi lebih banyak gerakan dislokasi. Namun, ketika dislokasi bertabrakan, mereka dapat saling memperbaiki.
Ketika jumlah dan konsentrasi dislokasi meningkat, semakin banyak dislokasi yang disatukan, mengurangi keuletan. Akhirnya begitu banyak dislokasi muncul sehingga pembentukan dingin tidak mungkin lagi. Karena dislokasi penjepit yang ada tidak dapat lagi bergerak, ikatan atom dalam kisi meregang hingga putus atau putus. Inilah sebabnya paduan logam bekerja mengeras, dan mengapa ada batasan jumlah deformasi plastis yang dapat ditahan logam sebelum putus.
Butir juga memainkan peran penting dalam anil. Menganil bahan yang diperkeras dengan kerja pada dasarnya mengatur ulang struktur mikro dan dengan demikian mengembalikan keuletan. Selama proses anil, butiran diubah dalam tiga langkah:
Bayangkan seseorang berjalan melalui gerbong kereta yang penuh sesak. Kerumunan hanya dapat diperas dengan meninggalkan celah di antara barisan, seperti dislokasi pada kisi-kisi. Saat mereka maju, 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 untuk lewat sekaligus, penumpang yang mencoba memberi ruang untuk pergerakan mereka akan bertabrakan satu sama lain dan menabrak dinding gerbong kereta, membuat semua orang terjepit di tempatnya. Semakin banyak dislokasi yang muncul, semakin sulit bagi mereka untuk bergerak pada saat yang bersamaan.
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 melebihi ukuran aslinya.
Sifat mekanik dapat disetel dengan mengendalikan pertumbuhan butir. Batas butir pada dasarnya adalah dinding dislokasi. Mereka menghalangi gerakan.
Jika pertumbuhan butir dibatasi, jumlah butir kecil yang lebih tinggi akan dihasilkan. Butir yang lebih kecil ini dianggap lebih halus dalam hal struktur butir. Batas butir yang lebih banyak berarti gerakan dislokasi yang lebih sedikit dan kekuatan yang lebih tinggi.
Jika pertumbuhan butir tidak dibatasi, struktur butir menjadi lebih kasar, butir lebih besar, batas lebih kecil, dan kekuatan lebih rendah.
Ukuran butir sering disebut sebagai angka tanpa satuan, antara 5 dan 15. Ini adalah rasio relatif dan terkait dengan diameter butir rata-rata. Semakin tinggi angkanya, semakin halus granularitasnya.
ASTM E112 menguraikan metode untuk mengukur dan mengevaluasi ukuran butir. Ini melibatkan penghitungan jumlah butir di area tertentu. Hal ini biasanya dilakukan dengan memotong penampang bahan baku, menggiling dan memolesnya, dan kemudian mengetsa dengan asam untuk mengekspos partikel. Penghitungan dilakukan di bawah mikroskop, dan perbesaran memungkinkan pengambilan sampel butir yang memadai. Menetapkan nomor ukuran butir ASTM menunjukkan tingkat keseragaman yang wajar dalam bentuk dan diameter butir. Bahkan mungkin menguntungkan untuk membatasi variasi dalam ukuran butir menjadi dua atau tiga poin untuk memastikan konsistensi kinerja di seluruh benda kerja.
Dalam kasus pengerasan kerja, kekuatan dan keuletan memiliki hubungan terbalik. Hubungan antara ukuran butir ASTM dan kekuatan cenderung positif dan kuat, umumnya elongasi berbanding terbalik dengan ukuran butir ASTM. Namun, pertumbuhan butir yang berlebihan dapat menyebabkan material “lunak mati” tidak lagi mengeras secara efektif.
Ukuran butir sering disebut sebagai angka tanpa satuan, antara 5 dan 15. Ini adalah rasio relatif dan terkait dengan diameter butir rata-rata. Semakin tinggi nilai ukuran butir ASTM, semakin banyak butir per satuan luas.
Ukuran butiran bahan anil bervariasi dengan 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. Ini akan mulai meleleh sekitar 2.550 derajat Fahrenheit. Sebaliknya, titanium kelas 1 murni komersial harus dianil pada 1.292 derajat Fahrenheit dan meleleh sekitar 3,0 00 derajat Fahrenheit.
Selama anil, proses pemulihan dan rekristalisasi bersaing satu sama lain sampai butiran yang direkristalisasi menghabiskan semua butiran yang cacat. Laju rekristalisasi bervariasi dengan suhu. Setelah rekristalisasi selesai, pertumbuhan butir 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 untuk waktu yang sama.
Jika material tidak ditahan dalam rentang anil yang tepat cukup lama, struktur yang dihasilkan mungkin merupakan kombinasi dari butiran lama dan baru. Jika sifat seragam diinginkan di seluruh logam, proses anil harus bertujuan untuk mencapai struktur butiran yang seragam.
Untuk mendapatkan struktur mikro yang seragam dan seimbang, setiap benda kerja harus terpapar panas yang sama untuk jumlah waktu yang sama dan harus mendingin dengan kecepatan yang sama. Hal ini tidak selalu mudah atau mungkin dilakukan dengan anil batch, jadi penting untuk setidaknya menunggu hingga seluruh benda kerja jenuh pada suhu yang sesuai sebelum menghitung waktu perendaman. Waktu perendaman yang lebih lama dan suhu yang lebih tinggi akan menghasilkan struktur butiran yang lebih kasar/bahan yang lebih lembut dan sebaliknya.
Jika ukuran dan kekuatan butiran terkait, dan kekuatannya diketahui, mengapa menghitung butiran, bukan? Semua uji destruktif memiliki variabilitas. Pengujian tarik, terutama pada ketebalan yang lebih rendah, sebagian besar bergantung pada persiapan sampel. Hasil kekuatan tarik yang tidak mewakili sifat material yang sebenarnya mungkin mengalami kegagalan prematur.
Jika sifat-sifatnya tidak seragam di seluruh benda kerja, mengambil spesimen atau sampel uji tarik dari satu sisi mungkin tidak menceritakan keseluruhan cerita. Persiapan dan pengujian sampel juga dapat memakan waktu. Berapa banyak pengujian yang mungkin dilakukan untuk logam tertentu, dan dalam berapa arah yang memungkinkan? Mengevaluasi struktur butiran merupakan jaminan tambahan terhadap kejutan.
Anisotropik, isotropik. Anisotropi mengacu pada arah sifat mekanik. Selain kekuatan, anisotropi dapat lebih dipahami dengan memeriksa struktur butir.
Struktur butiran yang seragam dan seimbang harus isotropik, yang berarti ia memiliki sifat yang sama di semua arah.Isotropi sangat penting dalam proses deep drawing di mana konsentrisitet sangat penting.Ketika benda kerja ditarik ke dalam cetakan, bahan anisotropik tidak akan mengalir secara seragam, yang dapat menyebabkan cacat yang disebut anting. Anting terjadi saat bagian atas cawan membentuk siluet bergelombang.Memeriksa struktur butiran dapat mengungkap lokasi ketidakhomogenan pada benda kerja dan membantu mendiagnosis akar penyebabnya.
Anil yang tepat sangat penting untuk mencapai isotropi, tetapi juga penting untuk memahami tingkat deformasi sebelum anil. Saat material berubah bentuk secara plastis, butiran mulai berubah bentuk. Dalam kasus penggulungan dingin, mengubah ketebalan menjadi panjang, butiran akan memanjang ke arah penggulungan. Saat rasio aspek butiran berubah, begitu pula isotropi dan sifat mekanik keseluruhan. Dalam kasus benda kerja yang sangat terdeformasi, beberapa orientasi dapat dipertahankan bahkan setelah anil. Ini menghasilkan anisotropi. Untuk material yang ditarik dalam, terkadang perlu membatasi jumlah deformasi sebelum anil akhir untuk menghindari keausan.
kulit jeruk.Mengambil bukan satu-satunya cacat deep-drawing yang terkait dengan mati.Kulit jeruk terjadi ketika bahan mentah dengan partikel yang terlalu kasar ditarik.Setiap butiran berubah bentuk 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 butiran yang terlihat pada permukaan dinding cangkir.
Sama seperti piksel pada layar TV, dengan struktur berbutir halus, perbedaan antara setiap butir akan kurang terlihat, secara efektif meningkatkan resolusi. Menentukan sifat mekanik saja mungkin tidak cukup untuk memastikan ukuran butir yang cukup halus untuk mencegah efek kulit jeruk. Ketika perubahan ukuran benda kerja kurang dari 10 kali diameter butir, sifat masing-masing butir akan mendorong perilaku pembentukan. Ini tidak berubah bentuk secara merata pada banyak butir, tetapi mencerminkan ukuran dan orientasi spesifik setiap butir. Hal ini dapat dilihat dari efek kulit jeruk pada dinding gambar yang digambar cangkir.
Untuk ukuran butir ASTM 8, diameter butir rata-rata adalah 885 µin. Ini berarti bahwa pengurangan ketebalan sebesar 0,00885 inci atau kurang dapat dipengaruhi oleh efek pembentukan mikro ini.
Meskipun butiran kasar dapat menyebabkan masalah deep drawing, mereka kadang-kadang direkomendasikan untuk pencetakan. Stamping adalah proses deformasi di mana blank dikompresi untuk memberikan topografi permukaan yang diinginkan, seperti seperempat kontur wajah George Washington. Tidak seperti wire drawing, stamping biasanya tidak melibatkan banyak aliran material curah, tetapi memerlukan banyak gaya, yang mungkin hanya merusak permukaan blank.
Untuk alasan ini, meminimalkan tegangan aliran permukaan dengan menggunakan struktur butiran yang lebih kasar dapat membantu meringankan gaya yang diperlukan untuk pengisian cetakan yang tepat. Hal ini terutama berlaku dalam kasus pencetakan cetakan bebas, di mana dislokasi pada butiran permukaan dapat mengalir bebas daripada terakumulasi pada batas butir.
Tren yang dibahas di sini adalah generalisasi yang mungkin tidak berlaku untuk bagian tertentu. Namun, mereka menyoroti manfaat pengukuran dan standarisasi ukuran partikel bahan mentah saat merancang komponen baru untuk menghindari kesalahan umum dan mengoptimalkan parameter pencetakan.
Produsen mesin stempel logam presisi dan operasi deep-drawing pada logam untuk membentuk bagian-bagian mereka akan bekerja dengan baik dengan ahli metalurgi pada re-roller presisi yang memenuhi syarat secara teknis yang dapat membantu mereka mengoptimalkan bahan hingga ke tingkat butiran. Ketika pakar metalurgi dan teknik di kedua sisi hubungan diintegrasikan ke dalam satu tim, ini dapat memiliki dampak transformatif dan menghasilkan hasil yang lebih positif.
Jurnal STAMPING adalah satu-satunya jurnal industri yang didedikasikan untuk melayani kebutuhan pasar stempel logam. Sejak 1989, publikasi ini telah meliput teknologi mutakhir, tren industri, praktik terbaik, dan berita untuk membantu para profesional stempel menjalankan bisnis mereka dengan lebih efisien.
Kini dengan akses penuh ke edisi digital The FABRICATOR, akses mudah ke sumber daya industri yang berharga.
Edisi digital The Tube & Pipe Journal sekarang dapat diakses sepenuhnya, 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 metal stamping.
Sekarang dengan akses penuh ke edisi digital The Fabricator en Español, akses mudah ke sumber daya industri yang berharga.