Tegangan Perlakuan Panas dan Efeknya

I. Definisi dan Sifat Tegangan Perlakuan Panas

II. Penyebab Tegangan Perlakuan Panas

1. Ekspansi dan Kontraksi Termal yang Tidak Merata (Sumber Tegangan Termal)

• Fase pemanasan: Permukaan memanas dan mengembang terlebih dahulu, sementara inti tetap lebih dingin dengan ekspansi yang lebih lambat. Permukaan dibatasi oleh inti, menghasilkan tegangan tekan, dan inti direntangkan oleh permukaan, menghasilkan tegangan tarik.
• Fase pendinginan: Permukaan mendingin dan berkontraksi terlebih dahulu, sementara inti tetap lebih panas dengan kontraksi yang lebih lambat. Permukaan dibatasi oleh inti, menghasilkan tegangan tarik, dan inti dikompresi oleh permukaan, menghasilkan tegangan tekan.
  Laju pendinginan yang lebih cepat (misalnya, quenching) menciptakan gradien suhu yang lebih besar, yang mengintensifkan tegangan termal.

2. Perubahan Volume yang Tidak Terkoordinasi dalam Transformasi Struktural (Sumber Tegangan Struktural)

• Misalnya, selama quenching, permukaan pertama kali mengalami transformasi austenit→martensit (ekspansi volume), sementara inti tetap austenitik. Ekspansi permukaan dibatasi oleh inti, menghasilkan tegangan tekan. Ketika inti kemudian mengembang selama transformasi fase, permukaan—yang sudah berubah dan mungkin mengeras—membatasi inti, yang mengarah ke tegangan tarik di inti dan tegangan tarik tambahan di permukaan.
  Perbedaan yang lebih besar dalam laju dan tingkat transformasi (misalnya, pembentukan martensit yang terkonsentrasi di permukaan selama quenching) meningkatkan tegangan struktural.

3. Pengaruh Batasan Eksternal dan Internal

• Batasan eksternal: Fiksasi oleh klem atau kontak dengan cetakan membatasi ekspansi/kontraksi bebas, memperburuk tegangan.
• Batasan internal: Struktur benda kerja yang kompleks (misalnya, alur, sudut tajam) atau komposisi material yang tidak merata menyebabkan perbedaan sifat antar wilayah, yang memperkuat konsentrasi tegangan.

III. Klasifikasi Tegangan Perlakuan Panas

1. Tegangan Sementara

• Tegangan termal dari gradien suhu selama pemanasan;
• Tegangan struktural sesaat dari perubahan volume selama transformasi fase pendinginan.
  Jika tegangan sementara melebihi kekuatan luluh material pada suhu tersebut, deformasi plastis terjadi; melebihi kekuatan fraktur menyebabkan retakan langsung (misalnya, retakan quenching).

2. Tegangan Sisa

• Benda kerja yang di-quenching biasanya memiliki tegangan tekan sisa di permukaan (karena ekspansi martensit dibatasi oleh inti) dan kemungkinan tegangan tarik sisa di inti;
• Annealing atau tempering mengurangi tegangan sisa, tetapi proses yang tidak tepat dapat menyebabkan akumulasi tegangan baru.

3. Subklasifikasi berdasarkan Sifat Tegangan

• Tegangan termal: Tegangan dari ekspansi/kontraksi termal yang tidak merata saja, tidak terkait dengan transformasi struktural (misalnya, pada logam murni atau paduan yang tidak berubah).
• Tegangan struktural: Tegangan dari perubahan volume selama transformasi fase saja, tidak terkait dengan gradien suhu (misalnya, tegangan transformasi fase di bawah suhu seragam yang ideal).
  Dalam praktiknya, tegangan termal dan struktural seringkali ada bersamaan, secara kolektif membentuk tegangan perlakuan panas.

IV. Efek Utama Tegangan Perlakuan Panas

1. Efek yang Merugikan

(1) Deformasi atau Retak

• Tegangan sisa yang melebihi kekuatan luluh material menyebabkan deformasi plastis (misalnya, pembengkokan, pelengkungan, penyimpangan dimensi);
• Tegangan sisa yang berlebihan (terutama tegangan tarik permukaan) dapat secara langsung menyebabkan retak (misalnya, "retak tertunda" jika tempering ditunda setelah quenching).
  Contoh: Baja karbon tinggi dapat retak di sepanjang batas butir jika tidak ditemper setelah quenching karena tegangan tarik permukaan.

(2) Pengurangan Stabilitas Dimensi

• Tegangan sisa secara bertahap dilepaskan selama pemrosesan atau penggunaan selanjutnya (misalnya, pemotongan, pengelasan, perubahan suhu), menyebabkan deformasi sekunder dan memengaruhi bagian presisi (misalnya, bantalan, cetakan).
  Contoh: Tegangan sisa yang tidak dilepaskan pada roda gigi presisi dapat menyebabkan penyimpangan profil gigi setelah penggunaan jangka panjang karena pelepasan tegangan.

(3) Mengganggu Sifat Mekanik

• Tegangan tarik sisa mengurangi kekuatan lelah (retakan mudah dimulai pada titik konsentrasi tegangan di bawah beban siklik);
• Tegangan internal yang berlebihan dapat meningkatkan kerapuhan dan mengurangi ketangguhan impak.

(4) Gangguan dengan Pemrosesan Selanjutnya

• Distribusi tegangan sisa yang tidak merata menyebabkan deformasi yang tidak konsisten selama pemotongan (misalnya, pelengkungan bagian berdinding tipis setelah pemesinan);
• Wilayah konsentrasi tegangan dapat mengembangkan retakan gerinda selama penggerindaan atau pemolesan.

2. Efek yang Menguntungkan (melalui Regulasi)

• Tegangan tekan sisa permukaan meningkatkan kekuatan lelah (misalnya, roda gigi yang dikarburasi dan di-quenching dengan tegangan tekan permukaan memiliki umur pakai yang lebih lama);
• Prestressing (misalnya, mempertahankan tegangan tekan yang sesuai pada pegas setelah quenching dan tempering) meningkatkan ketahanan deformasi.

V. Pengendalian dan Eliminasi Tegangan Perlakuan Panas

1. Optimalisasi Proses (Mengurangi Pembentukan Tegangan)

• Kontrol laju pemanasan/pendinginan: Gunakan pemanasan bertahap (kenaikan suhu lambat) atau pendinginan bertingkat (misalnya, quenching isotermal) untuk mengurangi gradien suhu;
• Optimalkan struktur benda kerja: Hindari sudut tajam atau ketebalan dinding yang tidak merata untuk meminimalkan konsentrasi tegangan;
• Pilih media yang sesuai: Gunakan pendinginan oli (lebih lambat dari air) selama quenching untuk mengurangi tegangan termal;