Bagaimana Suhu Mempengaruhi Kinerja Material: Analisis Komprehensif

Ada dua jenis koefisien material yang terkait dengan suhu: satu terkait dengan sifat mekanis material, dan yang lainnya terkait dengan konduksi panas. Yang pertama mencakup faktor-faktor seperti E, G, v, a, sedangkan yang kedua terdiri atas C (kapasitas panas spesifik), ρ (densitas), dan k (konduktivitas termal).

Koefisien ini tidak konstan, tetapi bervariasi dengan suhu. Namun demikian, apabila suhu tidak tinggi, nilai rata-ratanya sering diperlakukan sebagai konstanta. Dalam situasi suhu tinggi atau variasi yang signifikan, sangat penting untuk mempertimbangkan perubahannya dengan suhu.

1. Hubungan Antara Koefisien Elastis dan Suhu

Modulus elastisitas E dan modulus geser G logam menurun dengan meningkatnya suhu, sedangkan rasio Poisson v sedikit berubah dengan suhu. Pengukuran E dan G dengan suhu dapat dilakukan secara statis atau dinamis.

Metode statis melibatkan pengujian dalam tungku bersuhu tinggi dengan menggunakan beban, sedangkan metode dinamis menggunakan teknik getaran atau denyut ultrasonik.

Metode getaran memungkinkan sampel uji mengalami getaran elastis dalam tungku suhu tinggi, dengan konstanta elastisitas yang ditentukan dengan mengukur frekuensinya.

Metode ultrasonik melibatkan penerapan gelombang ultrasonik ke sampel uji, dan E, G, dan v ditentukan dengan mengukur kecepatan rambat gelombang.

2. Hubungan antara Koefisien Panas dan Suhu

Koefisien panas dari bahan logam umumnya menunjukkan hubungan linier dengan suhu. Koefisien ekspansi linier α cenderung meningkat secara linier seiring dengan kenaikan suhu, sedangkan konduktivitas termal k menurun seiring dengan kenaikan suhu, dan kapasitas panas spesifik meningkat seiring dengan kenaikan suhu.

Kemiringan garis atau kelengkungan kurva yang mewakili hubungan antara koefisien panas dan suhu, yang diukur dengan uji eksperimental, mengungkapkan bagaimana koefisien panas bahan tertentu berubah dengan suhu.

Sebagai contoh, variasi koefisien panas baja karbon dengan suhu digambarkan dalam bagan berikut ini, seperti yang berasal dari berbagai sumber data.

3. Kelelahan termal pada material

Ketika suhu bahan ulet naik, bahan tersebut tidak akan langsung gagal meskipun tekanan yang dialaminya melebihi titik leleh. Namun, meskipun tingkat tegangannya rendah, jika perubahan suhu yang cukup besar terjadi berulang kali, pada akhirnya material tersebut akan gagal karena kelelahan, yang mengakibatkan retakan. Fenomena ini dikenal sebagai kelelahan termal.

Pertimbangkan batang uji yang dipasang pada kedua ujungnya, yang mengalami siklus panas berulang antara suhu tertinggi dan terendah, seperti yang digambarkan dalam diagram berikut.

Misalkan pada awal percobaan, batang diamankan pada suhu tertinggi, kemudian didinginkan untuk menghasilkan tegangan tarik, OAF mewakili garis perubahan tegangan. Jika dipanaskan kembali, kurva tegangan-regangan awalnya bergerak sejajar dengan OA ke bawah, menghasilkan tegangan yang lebih rendah daripada gaya tarik siklus pendinginan, akhirnya mencapai titik E.

Jika dipertahankan pada suhu tertinggi untuk sementara waktu, terjadi relaksasi tegangan yang mengakibatkan penurunan tegangan tekan, mencapai titik E'. Jika pendinginan dilanjutkan, tegangan akan naik sepanjang E'F', mencapai titik F' pada suhu terendah.

Karena tidak ada relaksasi tekanan yang terjadi pada suhu terendah, jika pemanasan ulang dimulai, kurva turun di sepanjang F'E", mencapai titik E" pada suhu tertinggi. Karena relaksasi tekanan, tekanan berkurang dan bergerak ke titik E"', jika pendinginan dilanjutkan, kurva mengikuti kurva E"'F" mencapai titik F" pada suhu terendah.

Jika siklus pendinginan dan pemanasan ini diulang, kurva tegangan-regangan akan menelusuri lingkaran histeresis setiap kali, regangan plastik pemulihan yang terkait adalah penyebab kelelahan termal. Suhu maksimum dan minimum dari siklus termal, suhu rata-rata, waktu penahanan pada suhu maksimum, kecepatan pengulangan, dan sifat elastis-plastik material adalah faktor-faktor yang memengaruhi kelelahan termal.

Intensitas kelelahan termal mengacu pada hubungan antara regangan plastis siklus ε_P dan jumlah pengulangan N untuk mencapai kegagalan. Menurut rumus empiris Manson-Coffin:

Di sini, ε_f menunjukkan perpanjangan pada titik kegagalan material selama uji tarik statis pada suhu rata-rata siklus termal.

Deskripsi yang disebutkan di atas hanya berkaitan dengan kelelahan tegangan termal searah dari suatu material. Namun, kelelahan termal pada struktur yang sebenarnya bersifat multidirectional dan merupakan bidang studi khusus.