Dalam proses pengolahan dan pembuatan material, tegangan sisa merupakan fenomena umum yang berdampak penting terhadap kinerja dan masa pakai material. Memahami penyebab tegangan sisa, karakteristik distribusi spasial dan dampaknya terhadap sifat material, untuk meningkatkan kualitas produk, pencegahan kecelakaan keselamatan sangatlah penting.
I. Penyebab tegangan sisa
Tegangan sisa mengacu pada akhir pemrosesan material, benda kerja masih menahan tegangan internal. Stres ini timbul terutama dari aspek-aspek berikut:
1. Deformasi plastis tidak merata
Ketika benda kerja terkena beban kompleks (seperti pengerolan dingin, penarikan, ekstrusi, dan peening permukaan, penggulungan, dll.), akibat gaya yang tidak merata pada penampang, tempat yang diberi gaya besar dapat menghasilkan deformasi plastis, sedangkan tempat yang diberi gaya kecil masih dapat mengalami deformasi elastis. Saat dibongkar, deformasi plastis yang tidak merata ini dapat menyebabkan tegangan sisa pada benda kerja. Khususnya, area yang diregangkan akan menerima tegangan tekan setelah pembongkaran, sedangkan area di dekatnya akan menerima tegangan tarik. Tegangan sisa akibat deformasi plastis yang tidak merata ini merupakan bentuk tegangan yang umum dalam proses pemesinan.
2. Efek termal dari medan suhu yang tidak homogen
Dalam pemrosesan termal, proses pemanasan dan pendinginan biasanya sangat kompleks, melibatkan pemanasan dan pendinginan cepat serta pemanasan dan pendinginan lokal. Karena panas hanya dapat ditransfer melalui permukaan, benda kerja akan mengalami perbedaan muai panas akibat ketidakhomogenan suhu selama pemanasan dan pendinginan, yang pada gilirannya menghasilkan tekanan termal sementara. Ketika nilai tegangan termal transien ini melebihi batas leleh suhu tinggi material, maka terjadi deformasi plastis di area tertentu. Ketika proses pemanasan selesai, meskipun benda kerja telah mendingin hingga mencapai suhu kamar, tegangan sisa akan timbul di dalam benda kerja karena deformasi plastis yang tidak merata selama proses pemanasan. Tegangan sisa yang disebabkan oleh medan suhu yang tidak merata sangat umum terjadi dalam proses perlakuan panas.
3. Efek transisi fase
Selama pemrosesan material, perubahan dalam organisasi metalurgi (misalnya transformasi austenit menjadi martensit selama pendinginan) menyebabkan perubahan volume spesifik internal material, yang pada gilirannya menghasilkan tekanan transisi fase. Tegangan transisi fase ini juga akan tetap berada di dalam benda kerja setelah pemrosesan, sehingga membentuk tegangan sisa.
Kedua, distribusi spasial karakteristik tegangan sisa
Distribusi spasial dari tegangan sisa bergantung pada penyebabnya dan kondisi spesifik pemrosesan. Secara umum, tegangan sisa dapat dibagi menjadi tiga kategori: tegangan sisa makro, tegangan sisa mikro, dan tegangan sisa ultra-mikro.
1. Tegangan sisa makro
Tegangan sisa makroskopis berada pada benda kerja secara keseluruhan atau kisaran tegangan sisa makro untuk mencapai keseimbangan. Distribusi tegangan ini biasanya lebih seragam, sehingga kinerja benda kerja secara keseluruhan mempunyai pengaruh yang lebih besar. Dalam prosesnya, akibat deformasi plastis yang tidak merata atau medan suhu efek termal yang tidak merata, benda kerja akan menghasilkan tegangan sisa tarik atau tekan makro.
2. Tegangan sisa mikro
Tegangan sisa mikroskopis adalah tegangan sisa yang mencapai keseimbangan dalam beberapa butir benda kerja. Distribusi tekanan ini biasanya lebih kompleks, dan bentuk, ukuran dan orientasi butiran serta faktor lainnya. Selama deformasi plastis, tegangan sisa tarik atau tekan mikroskopis dihasilkan karena interaksi butir dan adanya batas butir. Tegangan-tegangan ini mempunyai pengaruh penting terhadap sifat-sifat lokal material, seperti kekuatan lelah dan laju perluasan retak.
3. Tegangan sisa ultra-mikroskopis
Tegangan sisa ultra-mikroskopis adalah sejumlah besar permukaan atom pada benda kerja, kolom atom di dekat kesetimbangan tegangan sisa. Distribusi tegangan ini lebih kompleks, dan berhubungan dengan struktur mikro material dan cacat serta faktor lainnya. Selama transformasi fasa, tegangan sisa tarik atau tekan ultramikroskopik dihasilkan karena distorsi dan cacat kisi. Tegangan-tegangan ini mempunyai pengaruh terhadap sifat fisik dan kimia material.
Karakteristik distribusi spasial dari tegangan sisa tidak hanya bergantung pada penyebabnya, namun juga berkaitan erat dengan kondisi spesifik dari proses tersebut. Misalnya, selama proses pengelasan, lapisan las dan area di sekitarnya mengalami pemanasan dan pendinginan yang cepat, sehingga menghasilkan distribusi tegangan sisa yang kompleks di area tersebut. Ketidakhomogenan distribusi tegangan ini dapat mempunyai pengaruh penting terhadap kekuatan dan ketangguhan las.
Ketiga, dampak tegangan sisa terhadap sifat material
Tegangan sisa mempunyai pengaruh yang signifikan terhadap sifat mekanik bahan. Dari segi kekuatan luluh, bila terdapat tegangan tarik sisa pada material maka akan menurunkan kekuatan luluh material sehingga material lebih mudah mengalami deformasi plastis. Sebaliknya, tegangan tekan sisa meningkatkan kekuatan luluh material sampai batas tertentu. Untuk kekuatan tarik, adanya tegangan sisa akan mengubah distribusi tegangan material pada proses tarik sehingga mempengaruhi kekuatan tariknya. Selain itu tegangan sisa juga akan berdampak pada plastisitas, ketangguhan dan kekerasan material serta indikator lainnya. Misalnya, tegangan tarik sisa meningkatkan pemanjangan material, sedangkan tegangan tekan sisa menurunkan pemanjangan material. Dari segi kekerasan, tegangan tarik sisa menurunkan pengukuran kekerasan, sedangkan tegangan tekan sisa meningkatkan pengukuran kekerasan.
Pengaruh tegangan sisa pada umur lelah suatu material bahkan lebih penting lagi. Di bawah pengaruh beban bolak-balik, tegangan tarik sisa akan ditumpangkan dengan beban yang diterapkan, mempercepat munculnya dan perluasan retakan, dan secara signifikan mengurangi umur kelelahan material. Oleh karena itu, dalam perancangan dan pembuatan komponen mekanis, dampak tegangan sisa harus benar-benar diperhatikan agar terhindar dari kegagalan kelelahan akibat tegangan sisa yang berlebihan.
2. Dampak terhadap sifat fisik
Tegangan sisa juga akan berdampak pada sifat fisik material. Misalnya, dalam hal koefisien muai panas, tegangan sisa akan mengubah struktur kisi internal material, yang pada gilirannya mempengaruhi karakteristik muai panasnya. Ketika tegangan sisa terdapat pada suatu material, koefisien ekspansi termal dapat berubah, yang pada beberapa aplikasi yang sensitif terhadap suhu (misalnya, sistem kontrol termal di ruang angkasa) dapat menyebabkan masalah pada kesesuaian komponen. Selain itu, tegangan sisa berpengaruh terhadap konduktivitas termal dan listrik material. Penelitian telah menunjukkan bahwa tegangan sisa dapat mendistorsi susunan atom dalam suatu material, meningkatkan kemungkinan hamburan fonon dan elektron, sehingga mengurangi konduktivitas termal dan listrik material. Pada perangkat elektronik, di mana pembuangan panas dan konduktivitas listrik sangat penting, efek tegangan sisa ini dapat menyebabkan penurunan efisiensi termal dan peningkatan resistansi perangkat, yang pada gilirannya mempengaruhi kinerja dan stabilitas perangkat.
