Memahami Modulus Elastisitas: 5 Faktor yang Mempengaruhi Bahan

1. Hubungan antara elemen paduan dan modulus elastisitas baja

Modulus elastisitas baja terutama ditentukan oleh sifat intrinsik atom logam dan struktur kisi kristal. Hubungan mendasar ini muncul dari gaya antar atom, yang sebagian besar bergantung pada struktur elektronik atom logam dan pengaturan spasialnya di dalam kisi.

Meskipun elemen paduan dapat menyebabkan perubahan pada parameter kisi baja, dampaknya terhadap modulus elastisitas umumnya minimal untuk sebagian besar paduan baja konvensional. Efek yang terbatas ini disebabkan oleh perubahan yang relatif kecil pada jarak antar atom dan ikatan yang terjadi pada penambahan paduan yang khas. Akibatnya, nilai modulus elastisitas baja paduan dan baja karbon cenderung sangat mirip.

Secara kuantitatif, variasi modulus elastisitas antara baja paduan dan baja karbon biasanya kurang dari 12%. Perbedaan yang relatif kecil ini menggarisbawahi dominasi sifat inheren besi dalam menentukan perilaku elastis baja, bahkan ketika dipadukan dengan sejumlah besar elemen lain.

Perlu dicatat bahwa meskipun modulus elastisitas tetap relatif konstan, elemen paduan dapat secara signifikan memengaruhi sifat mekanis lainnya seperti kekuatan luluh, kekuatan tarik, dan keuletan melalui berbagai mekanisme penguatan (misalnya penguatan larutan padat, pengerasan presipitasi, atau penghalusan butiran).

2. Pengaruh perlakuan panas pada modulus elastisitas

Perlakuan panas pada umumnya memberikan pengaruh minimal pada modulus elastisitas logam. Hal ini dibuktikan dengan beberapa pengamatan utama:

1. Variasi ukuran butiran, yang biasanya diubah melalui proses perlakuan panas, memiliki dampak yang dapat diabaikan pada modulus elastisitas.
2. Ukuran dan distribusi fase sekunder, yang dapat dimodifikasi dengan perlakuan panas, juga menunjukkan sedikit pengaruh pada modulus elastisitas.
3. Meskipun quenching dapat menurunkan modulus elastisitas untuk sementara waktu, namun temper berikutnya biasanya mengembalikannya ke nilai kondisi sebelum dianil.

Namun, hubungan antara perlakuan panas dan sifat elastis menjadi lebih kompleks ketika mempertimbangkan paduan dan sifat mekanik tertentu:

1. Dalam kasus baja pegas (60Si2MnA), modulus elastisitasnya tetap relatif stabil setelah perlakuan panas (quenching + tempering).
2. Sebaliknya, modulus geser 60Si2MnA menunjukkan perubahan yang signifikan ketika ditempa pada suhu yang berbeda. Perbedaan antara respons modulus elastisitas dan modulus geser terhadap perlakuan panas ini sangat penting untuk pertimbangan desain untuk menghindari potensi kesalahan.
3. Respons diferensial dari modulus elastisitas (E) dan modulus geser (G) terhadap perlakuan panas pada 60Si2MnA dapat dianalisis dengan menggunakan hubungan antara sifat-sifat ini dan rasio Poisson (υ): G = E / (2(1 + υ)) Persamaan ini menunjukkan bahwa perlakuan panas mempengaruhi rasio Poisson (υ) material, mengingat perubahan yang diamati pada modulus geser sementara modulus elastisitas tetap relatif konstan.

Penting untuk dicatat bahwa meskipun perilaku ini diamati pada 60Si2MnA, universalitas hubungan ini pada berbagai paduan dan proses perlakuan panas memerlukan penyelidikan lebih lanjut. Insinyur dan ilmuwan material harus mempertimbangkan variasi potensial ini ketika merancang komponen atau struktur yang mengandalkan sifat elastis dan geser yang presisi, terutama untuk aplikasi berkinerja tinggi seperti pegas atau instrumen presisi.

3. Pengaruh pengerasan regangan pada modulus elastisitas

Jika benda uji adalah bahan plastik, yang dimuat ke tahap plastik dan kemudian dibongkar, ketika bahan kembali ke kondisi kesetimbangan, regangan elastis akan hilang, sedangkan regangan plastis tidak akan hilang, sehingga mengakibatkan deformasi permanen pada bahan, seperti yang ditunjukkan pada Gbr. a.

Proses ini disebut pengerasan regangan atau pengerasan kerja dingin.

Jadi, meskipun batas proporsional ditingkatkan, namun plastisitasnya berkurang sampai batas tertentu dan kerapuhannya meningkat.

Dapat dilihat dari gambar a bahwa sebelum dan sesudah penguatan, garis lurus bagian linier kurva cenderung sejajar, kemiringannya sama, dan modulus elastisitasnya sama.

Faktanya, spesimen akan kehilangan sejumlah panas atau energi ketika dibongkar dari titik a 'dan kemudian dimuat ke titik yang sama.

Oleh karena itu, kurva proses bongkar muat tidak bersamaan.

Seperti ditunjukkan oleh garis putus-putus pada Gbr. b, akan ada zona histeresis mekanis.

Ketika memilih bahan peredam untuk struktur bergetar atau peralatan mekanis, karakteristik histeretik mekanis harus diperhitungkan.

Diagram skematik proses penguatan material

4. Pengaruh deformasi plastis dingin pada modulus elastisitas

Deformasi plastis dingin menginduksi sedikit penurunan modulus elastisitas logam, biasanya berkisar antara 4% hingga 6%. Fenomena ini terutama disebabkan oleh pengembangan tegangan sisa dalam struktur mikro material selama proses deformasi.

Besarnya deformasi plastis secara signifikan memengaruhi anisotropi modulus elastisitas. Seiring dengan meningkatnya derajat deformasi, material menunjukkan ketergantungan arah dalam sifat elastisitasnya. Khususnya, modulus elastisitas mencapai nilai maksimum di sepanjang arah utama deformasi, sebuah konsekuensi dari evolusi tekstur kristalografi dan pembentukan substruktur dislokasi.

Perubahan modulus elastisitas akibat deformasi plastis dingin ini memiliki implikasi penting untuk pembentukan komponen presisi secara dingin. Anisotropi yang diinduksi dan pengurangan keseluruhan modulus elastisitas dapat menyebabkan:

1. Variasi pegas: Pemulihan elastis diferensial dalam berbagai arah, yang memengaruhi geometri bagian.
2. Distribusi tegangan sisa: Kondisi tegangan yang tidak seragam yang dapat menyebabkan distorsi dari waktu ke waktu.
3. Ketidakstabilan dimensi: Potensi deformasi yang tidak terduga selama langkah produksi berikutnya atau kondisi dalam layanan.

Untuk mengurangi efek ini dan mencapai pembentukan dingin dengan presisi tinggi, produsen harus mempertimbangkannya:

• Mengkompensasi modulus elastisitas yang berkurang dan anisotropik dalam desain perkakas dan parameter proses.
• Menerapkan perawatan penghilang stres jika diperlukan untuk meminimalkan efek stres yang tersisa.
• Memanfaatkan simulasi elemen hingga tingkat lanjut yang memperhitungkan perubahan properti material yang disebabkan oleh deformasi.

5. Pengaruh suhu terhadap modulus elastisitas

Seiring dengan meningkatnya suhu, jarak antar atom dalam struktur kristal material meluas, yang menyebabkan penurunan modulus elastisitas. Perilaku yang bergantung pada suhu ini sangat penting dalam aplikasi teknik, khususnya di lingkungan bersuhu tinggi.

Untuk baja karbon, bahan yang signifikan dalam aplikasi industri, modulus elastisitas menunjukkan sensitivitas suhu yang penting. Secara khusus, untuk setiap kenaikan suhu 100°C, modulus elastisitas baja karbon berkurang sekitar 3% hingga 5%. Penurunan ini disebabkan oleh melemahnya ikatan antar atom dan meningkatnya getaran atom pada suhu yang lebih tinggi.

Namun, penting untuk dicatat bahwa dalam rentang suhu -50°C hingga 50°C, yang mencakup sebagian besar kondisi operasi sekitar, modulus elastisitas baja tetap relatif stabil. Kestabilan sifat elastis dalam rentang ini berkontribusi pada kinerja struktur dan komponen baja yang dapat diprediksi dan dapat diandalkan dalam kondisi lingkungan normal.

Perilaku modulus elastisitas yang bergantung pada suhu memiliki implikasi yang signifikan terhadap desain dan pemilihan material dalam berbagai aplikasi, seperti peralatan pemrosesan suhu tinggi, komponen kedirgantaraan, dan struktur yang mengalami variasi suhu ekstrem. Insinyur harus memperhitungkan perubahan ini saat merancang komponen yang akan beroperasi pada rentang suhu yang luas untuk memastikan integritas dan kinerja struktural selama masa pakai yang diinginkan.

6. Pengaruh laju pembebanan pada modulus elastisitas

Karena deformasi elastis merambat dalam medium dengan kecepatan suara, maka kecepatan suara dalam medium logam cukup besar, misalnya 4982 m/s pada baja;

Dalam uji benturan pendulum biasa, laju deformasi absolut hanya 4 ~ 5,5 m / s, dan bahkan dalam uji benturan kecepatan tinggi, laju deformasi berada dalam 10³m / s.

Di bawah beban tumbukan seperti itu, deformasi elastis selalu dapat mengikuti perubahan gaya tumbukan eksternal, sehingga laju regangan tidak berpengaruh pada perilaku elastis dan modulus elastisitas bahan logam.

Pada mesin modern, tingkat regangan berbagai bagian berkisar antara 10^-6 hingga 10⁶s^-1.

Sebagai contoh, laju regangan uji tarik statis adalah 10^-5 ~ 10^-2s^-1 (disebut sebagai laju regangan kuasi-statis), dan laju regangan beban benturan adalah 10² ~ 10⁴s^-1disebut sebagai tingkat regangan tinggi.

Selain itu, ada uji laju regangan sedang dengan laju regangan 10^-2 ~ 10²s^-1seperti palu jatuh dan roda gila yang berputar.

Praktik menunjukkan bahwa ketika laju regangan berada dalam kisaran 10^-4 ~ 10^-2s^-1sifat mekanik material tidak mengalami perubahan yang jelas dan dapat diperlakukan sebagai beban statis.

Ketika tingkat beban regangan lebih besar dari 10^-2s^-1sifat mekanik material akan berubah secara signifikan, yang harus memperhitungkan serangkaian perubahan sifat mekanik yang disebabkan oleh peningkatan laju regangan.

Pada tahap deformasi plastis, deformasi meningkat secara perlahan seiring dengan peningkatan laju pembebanan.

Oleh karena itu, apabila laju pembebanan sangat cepat, deformasi plastis tidak dapat dilakukan sepenuhnya, yang dimanifestasikan sebagai peningkatan batas elastis, kekuatan luluh dan ketahanan deformasi plastik mikro lainnya.

Juga ditemukan bahwa deformasi plastis di bawah beban impak terkonsentrasi di beberapa area lokal, yang mencerminkan bahwa deformasi plastis sangat tidak merata.

Ketidakseragaman ini juga membatasi perkembangan deformasi plastis, sehingga deformasi plastis tidak dapat dilakukan sepenuhnya, mengakibatkan peningkatan kekuatan luluh dan kekuatan tarik, dan peningkatan kekuatan luluh lebih banyak dan peningkatan kekuatan tarik lebih sedikit.