Dasar-dasar Deformasi Pada Logam
Artikel ini memberikan jawaban atas pertanyaan-pertanyaan berikut, antara lain:
- Apa perbedaan antara deformasi elastis dan plastik?
- Apa proses deformasi atom?
- Dalam kasus-kasus apa saja springback harus dipertimbangkan selama proses deformasi?
- Apa yang dimaksud dengan sistem slip?
- Apa hubungan antara bidang slip, arah slip dan sistem slip?
- Apa perbedaan antara tegangan normal dan tegangan geser?
- Mengapa hanya tegangan geser yang bertanggung jawab untuk proses deformasi pada tingkat atom?
- Apa yang dimaksud dengan tegangan geser kritis yang teratasi?
Pendahuluan
Deformabilitas logam yang relatif baik (juga disebut sebagai daktilitas ) dibandingkan dengan bahan lain adalah fitur yang signifikan. Alasan untuk ini terletak pada ikatan logam khusus . Formabilitas yang baik adalah dasar untuk banyak proses pembuatan seperti pembengkokan, penarikan dalam, penempaan, dll.
Tidak semua logam dapat dideformasi sama baiknya. Berbagai tingkat keuletan dapat dikaitkan terutama dengan struktur kisi yang berbeda. Untuk memahami hal ini, diperlukan pengetahuan dasar tentang proses atom selama deformasi.
Pada prinsipnya, perbedaan dapat dibuat antara deformasi elastis dan deformasi plastis .
Deformasi elastis
Seseorang berbicara tentang deformasi elastis ketika hanya gaya yang relatif rendah yang bekerja pada atom-atom dalam material masing-masing dan oleh karena itu atom-atom hanya bergerak sedikit. Setelah melepaskan gaya, atom mendapatkan kembali posisi awal mereka. Benda kerja yang cacat pulih sepenuhnya kembali ke bentuk aslinya setelah deformasi elastis.
Deformasi elastis adalah deformasi tidak permanen. Bahan yang cacat kembali ke bentuk aslinya setelah gaya telah dihapus!
Komponen yang dimuat secara mekanis dalam mesin (misalnya baut kepala silinder dalam engine) hanya boleh mengalami deformasi elastis agar tidak mengalami cacat permanen.
Deformasi plastik
Berbeda dengan deformasi elastis, gaya yang diberikan selama deformasi plastis relatif besar. Hal ini menyebabkan meluncurnya bidang atom individu. Pergeseran atom yang dihasilkan dipertahankan setelah pemindahan gaya. Pesawat atom individu tidak lagi kembali ke posisi semula tetapi telah bergerak dengan satu atau lebih jarak atom. Benda kerja tetap cacat permanen setelah melepas kekuatan.
Deformasi plastis adalah deformasi permanen. Bahan yang cacat tidak kembali ke bentuk aslinya setelah gaya telah dihapus!
Dalam beberapa proses pembuatan (misalnya penempaan, pembengkokan atau gambar dalam) seperti deformasi plastik diinginkan dengan cara dimana komponen yang sesuai secara permanen mendapatkan bentuk yang diinginkan.
Perhatikan bahwa dengan setiap deformasi plastis, bahan selalu berubah bentuk secara elastis sampai batas tertentu (lihat animasi di atas). Dengan demikian, bahan kembali sedikit setelah melepaskan kekuatan, bahkan pada deformasi plastis. Ini juga disebut springback .
Springback mengacu pada bagian elastis yang pulih dari bahan cacat ketika gaya dihilangkan!
Pegas seperti itu harus diperhitungkan, misalnya, selama pembengkokan. Ini membuatnya perlu untuk menekuk komponen di luar sudut lentur yang diinginkan untuk mengkompensasi pegas.
Sistem terpeleset
Bidang atom di mana blok atom geser selama deformasi plastis juga disebut bidang slip . Setelah blok atom muncul dari bahan dengan satu atau lebih jarak atom, mereka terlihat di bawah mikroskop sebagai langkah slip.
Karena perilaku refleksi berubah dengan pembentukan langkah-langkah slip, ini memanifestasikan dalam anyaman permukaan. Ini adalah alasan mengapa titik lentur pipa yang dipoles sering kali terlihat kusam.
Perhatikan bahwa pada akhirnya setiap proses deformasi plastis, terlepas dari jenis tegangan (apakah kereta api, tekanan, tekukan, puntir, atau geser) dapat dikaitkan dengan meluncurnya blok atom. Namun, karena gaya elektrostatik yang kuat antara atom individu dan stabilitas yang terkait, bentuk sel unit tidak berubah (secara permanen) selama proses deformasi!
Penyebab deformasi plastis adalah pemotongan blok atom pada bidang slip!
Sebuah logam dapat dideformasi dengan baik, jika ada banyak bidang selip dengan arah geser sebanyak mungkin. Ini berarti bahwa proses deformasi dapat terjadi di berbagai arah pada saat yang bersamaan, tanpa merusak struktur atom. Kombinasi bidang slip dan arah slip juga disebut sebagai sistem slip . Untuk daktilitas tinggi, struktur kisi harus memiliki sistem slip sebanyak mungkin.
Sistem slip adalah kombinasi bidang slip dan arah slip. Semakin banyak sistem slip yang dimiliki struktur kisi, semakin mampudeformasi logam tersebut.
Berbagai jenis struktur kisi , seperti kubik berpusat pada wajah, kubik berpusat pada tubuh dan heksagonal yang paling dekat dikemas, masing-masing memiliki jumlah sistem slip yang berbeda. Ini terutama merupakan penyebab perbedaan bentuk struktur kisi atau logam yang sesuai.
Ketegangan
Seperti dibahas pada bagian sebelumnya, proses deformasi logam didasarkan pada tergelincirnya bidang atom. Ini hanya mungkin jika suatu kekuatan bertindak dengan cara yang tepat. Hanya "memeras" struktur atom hanya akan menyebabkan blok atom mengompres ( regangan normal ).
Tergelincir hanya akan terjadi jika gaya bekerja sedemikian rupa sehingga "pergeseran" lateral dari struktur atom terjadi ( regangan geser ). Oleh karena itu berguna untuk membagi gaya sesuai dengan arah aksi mereka di permukaan. Gaya yang bekerja tegak lurus terhadap permukaan atau penampang disebut sebagai gaya normal (gaya normal pada prinsipnya dapat dibagi lagi menjadi gaya tarik dan gaya tekan ). Gaya yang bekerja paralel dengan permukaan atau penampang disebut gaya geser .
Hanya gaya geser yang diarahkan sejajar dengan bidang atom (tegangan geser) yang menyebabkan tergelincirnya bidang kisi dan dengan demikian memulai proses deformasi!
Apakah suatu gaya mampu menyebabkan lapisan atom tergelincir tidak semata-mata bergantung pada gaya saja. Selain itu, tentu saja, masih penting seberapa besar bidang atom yang harus dipotong. Karena semakin besar permukaan lapisan atom, semakin banyak "titik ikatan" antara dua tingkat atom muncul dan harus dipecah untuk meluncur. Gaya per ikatan atau gaya per area sangat penting!
Kekuatan yang berhubungan dengan area tersebut kemudian juga disebut sebagai tekanan. Untuk gaya normal, tegangan ini disebut tegangan normal. Dalam hal gaya geser tegangan disebut tegangan geser . Perbedaan antara tekanan-tekanan ini juga menjadi jelas dalam simbolisme. Tegangan normal dilambangkan dengan huruf Yunani σ (sigma), tegangan geser diberikan huruf Yunani τ (tau):
Tegangan normal bekerja pada penampang dan geser tegangan pada penampang!
Namun, fakta bahwa hanya tegangan geser yang menyebabkan tergelincirnya bidang atom tidak berarti bahwa tegangan normal yang bekerja pada suatu material tidak akan mengarah pada deformasi! Animasi di bawah ini menunjukkan bahwa tegangan normal yang diterapkan secara eksternal (tegangan tekan) menyebabkan tegangan geser di dalam material dan blok atom terpotong.
Dengan resolusi kekuatan, itu dapat dengan cepat dipahami. Gaya, yang telah diterapkan dari luar, dipecah menjadi komponen vertikal dan paralel mengenai bidang slip. Meskipun hanya tegangan normal yang diterapkan dari luar, tegangan geser diinduksi pada bidang slip.
Tegangan normal yang diterapkan dari luar material menyebabkan tegangan geser di dalam material!
Oleh karena itu, kita harus selalu membedakan: Walaupun pada tingkat makroskopik tegangan geser serta tegangan normal dapat menyebabkan deformasi, proses deformasi pada tingkat mikroskopis selalu dapat dikaitkan dengan tegangan geser.
Untuk memulai proses deformasi, tegangan geser kritis (CRSS) harus dilampaui dalam bidang slip (dan khususnya dalam arah slip) untuk memotong bidang kisi. Karena kekuatan pengikat antara atom, seseorang dapat membuat prediksi teoritis apa tegangan geser kritis diperlukan. Untuk logam, CRSS teoritis berada dalam kisaran 1000 hingga 3000 N / mm² (1 hingga 3 GPa). Secara teoritis, oleh karena itu, gaya 1000 hingga 3000 newton per milimeter persegi harus bertindak dalam bidang slip untuk memotongnya.
Namun, pada kenyataannya hanya sebagian kecil dari tegangan geser teoritis ini diperlukan untuk benar-benar merusak material! Nilai eksperimental berada dalam kisaran satu digit antara 1 dan 30 N / mm²! Dalam prakteknya, deformasi sudah dimulai pada tegangan geser yang jauh lebih rendah daripada yang dihitung secara teoritis. Artikel tentang proses deformasi pada struktur kristal nyata lebih dekat dengan fenomena ini.
Catatan: Kata "diselesaikan" dalam istilah "tegangan geser kritis diselesaikan" berarti bahwa gaya yang bekerja pada bidang slip harus diselesaikan dalam arah slip! The tegangan geser kritis diselesaikan kemudian dihitung dengan paksa ini! Hanya tekanan terlarut ini, yang menentukan untuk proses deformasi, karena CRSS tidak hanya bertindak dalam bidang slip tetapi juga dalam arah slip! Untuk lebih jelasnya lihat hukum Schmid.