Definisi creep adalah aliran plastis yang dialami material pada tegangan tetap. Meskipun sebagian besar pengujian dilakukan dengan kondisi beban tetap, tersedia peralatan yang mampu mengurangi pembebanan selama pengujian sebagai kompensasi terhadap pengurangan penampang benda uji. Pada temperatur relatif tinggi, creep terhadi pada semua level tegangan, tetapi pada temperatur tertentu laju creep bertambah dengan meningkatnya tegangan.
Pengukuran dimensi memerlukan kehati-hatian, karena dengan peningkatan temperatur beberapa per sepuluh derajat sudah terjadi penggandaan laju creep. Kurva a pada Gambar 1 menampilkan karakteristik kurva creep dan setelah regangan seketika akibat pembebanan tiba-tiba, proses creep dapat dibagi menjadi tiga tahapan, yaitu creep primer atau creep transien, creep sekunder atau creep keadaan-stasioner dan creep tersier atau creep dipercepat.
KURVA MULUR
Untuk menentukan kurva mulur rekayasa suatu logam, maka pada benda tarik dikenakan beban tetap sedang suhu benda uji dijaga tetap, regangan (perpanjangan) yang terjadi ditentukan sebagai fungsi waktu. Waktu yang diperlukan dapat berbulan-bulan, bahkan beberapa pengujian memerlukan waktu lebih dari 10 tahun.
Kurva A pada Gambar 2 merupakan bentuk kurva mulur ideal. Kemiringan pada kurva (de/dt atau e) tersebut dinyatakan sebagai laju mulur. Mula-mula benda uji mengalami perpanjangan sangat cepat, e0, kemudian laju mulur akan turun terhadap waktu hingga mencapai keadaan hampir seimbang, dimana laju mulurnya mengalami perubahan yang kecil terhadap waktu.
Dalam melakukan uji mulur rekayasa, biasanya beban uji dipertahankan konstan. Jadi sejalan dengan memanjangnya benda uji serta mengecilnya luas penampang lintang, maka tegangan sesumbu (uniaxial) bertambah besar.
Andrade menyatakan bahwa kurva mulur tegangan tetap merupakan superposisi dua buah proses mulur yang berbeda yang terjadi setelah regangan mendadak yang dihasilkan oleh beban yang dikenakan. Komponen pertama kurva mulur adalah kurva transien, dimana laju mulurnya turun terhadap waktu. Komponen yang kedua adalah mulur viskos dengan laju mulur tetap. Andrade mengajukan suatu persamaan empiris untuk menyatakan kurva mulur:
e = e0 (1 + bt1/3) e(kt) (1)
dimana e adalah regangan selama waktu t dan b serta k merupakan konstanta. Mulur transien yang dinyatakan oleh b dan persamaan (1) akan mempunyai harga sama bila k = 0. Konstanta k menggambarkan perpanjangan tiap satuan panjang yang terjadi pada laju tetap. Suatu persamaan yang lebih sesuai dibandingkan persamaan Andrade, walaupun pengujiannya dilakukan pada jumlah bahan yang terbatas, dikemukakan oleh Garafalo.
e = e0 + et (1 – e – rt) + est (2)
dimana e0 = regangan yang terjadi segera setelah pembebanan
et = batas mulur transien
r = perbandingan antara laju mulur transien terhadap regangan mulur transien
es = laju mulur keadaan tunak (steady-state)
Gambar 3 memperlihatkan efek tegangan yang dikenakan terhadap kurva mulur pada suhu tetap. Jelas kelihatan bahwa kurva mulur dengan 3 tahap dengan jelas pada kombinasi tegangan dan suhu tertentu saja. Sekumpulan kurva yang serupa didapatkan untuk mulur pada tegangan tetap dan suhu yang berbeda. Makin besar suhu, makin besar pula laju mulurnya.
parameter rancangan yang paling penting yang dijabarkan dari kurva mulur adalah laju mulur minimum. Biasanya digunakan 2 buah standar, yakni: (1) tegangan untuk menghasilkan laju mulur 0,0001 persen tiap jam atau 1 % tiap 10.000 jam; atau (2) tegangan untuk menghasilkan laju, mulur 0,00001 persen tiap jam atau 1 % tiap 100.000 jam (kira-kira 11 ½ tahun). Kriteria yang pertama cocok untuk paduan yang digunakan pada mesin jet, sedangkan kriteria yang kedua digunakan bagi bahan untuk turbin-turbin uap dan peralatan yang sejenis.
PERUBAHAN STRUKTUR SELAMA MULUR
Jika gradien kurva mulur (Gambar 2) dipetakan terhadap regangan, akan diperoleh kurva yang menghubungkan laju mulur terhadap regangan total (Gambar 4). Kurva ini secara dramatis menggambarkan perubahan laju mulur besar yang terjadi selama uji mulur. Karena tegangan dan suhu tetap, maka variasi laju mulur tersebut ditimbulkan oleh perubahan struktur internal bahan dengan adanya regangan mulur dan waktu.
Logam-logam yang berada pada suhu tinggi mengalami sejumlah proses deformasi sekunder. Proses ini terdiri atas pergelinciran ganda, pembentukan pita gelincir yang sangat kasar, pita-pita tertekuk, pembentukan lipatan pada batas-batas butir, dan migrasi batas butir.
MEKANISME DEFORMASI MULUR
Mekanisme deformasi mulur utama dapat dikelompokkan sebagai berikut:
– Pergelinciran dislokasi – mencakup pergerakan dislokasi sepanjang bidang slip dan melintasi hambatan oleh aktivasi termal. Mekanisme ini terjadi pada tegangan tinggi, s/G > 10-2.
– Mulur dislokasi – mencakup pergerakan dislokasi yang dapat melampaui habatan oleh mekanisme termal meliputi difusi kekosongan atau interstisi. Terjadi pada 10-4 < s/G < 10-2.
– Mulur difusi – mencakup aliran kekosongan dan interstisi melalui kristal di bawah pengaruh tegangan luar. Terjadi pada s/G < 10-4. Mulur Nabarro-Herring dan Mulur Coble termasuk dalam kelompok ini.
– Gelincir batas butir – mencakup pergelinciran dari butir yang satu terhadap butir lainnya.
Seringkali, lebih dari satu mekanisme bekerja pada waktu yang bersamaan. Bila beberapa mekanisme beroperasi secara paralel, yaitu mereka tidak tergantung satu dengan lainnya, maka laju mulur tunak (steady state) adalah:
(3)
dimana adalah laju mulur untuk mekanisme i. Bila mekanisme beroperasi secara paralel, maka mekanisme tercepat akan mendominasi perilaku mulur. Bila beberapa mekanisme beroperasi secara seri, maka mekanisme tersebut beroperasi secara berurutan,
(4)
dan mekanisme yang paling lambat akan mengendalikan deformasi mulur.
Pergelinciran Dislokasi
Mekanisme pergelinciran dislokasi bekerja pada level tegangan yang relatif tinggi untuk deformasi mulur biasa. Laju mulur ditentukan oleh kecepatan gerak dislokasi melampaui rintangan seperti endapan, atom larut dan dislokasi lainnya.
Mulur Dislokasi
Mulur dislokasi terjadi akibat pergelinciran dislokasi yang terjadi akibat pengaruh difusi kekosongan. Kerangka dasar berbagai teori dicetuskan oleh Orawan dan Bailey yang menyatakan bahwa laju mulur tunak mencerminkan antara faktor yang saling bersaingan yaitu: lau pergeseran regangan h = ¶s/¶e dan laju pemulihan termal hasil pengaturan kembali dan peniadaan dislokasi, r = –¶s/¶t. Keadaan tunak tercapai bila laju pemulihan cukup besar dan laju pergeseran regang cukup rendah sehingga tercapai keseimbangan antara kedua faktor ini.
(5)
Model fisis untuk mulur dislokasi harus dapat menentukan h dan r. Mekanisme yang dikemukakan oleh Gituus memberikan hasil yang sesuai dengan percobaan. Gagasannya didasarkan pada model pergerakan dislokasi oleh pengaruh tegangan dan difusi dalam jaringan tiga dimensi (substruktur).
(6)
dimana: cj = konsentrasi jog
Dv = koefisien difusi-sendiri kisi atau bahan
G = modulus geser
b = vektor Burgers dislokasi
s = tegangan luar
k = konstanta Boltzmann
T = temperatur mutlak
Mulur Difusi
Pada suhu tinggi dan tegangan yang relatif rendah, s/G < 10-4 mulur difusi merupakan mekanisme pengendali. Nabarro dan Herring mengemukakan bahwa proses mulur dikendalikan oleh difusi atom yang digerakkan oleh tegangan. Tegangan mengubah potensial kimia atom pada permukaan butir dalam polikristal sedemikian sehingga ada aliran kekosongan (vacancies) dari batas butir yang mengalami tegangan tarik ke batas butir yang mengalami tekanan. Bersamaan dengan itu terjadi aliran atom dalam arah yang berlawanan, yang menyebabkan terjadinya perpanjangan butir. Persamaan mulur Nabarro-Herring adalah:
(7)
dimana d adalah diameter butiran dan Dv adalah koefisien difusi kisi. Kita lihat bahwa laju mulur berkurang dengan bertambahnya besar butir.
Pada suhu yang lebih rendah, difusi batas butir memegang peran utama. Mulur jenis Cobble dinyatakan oleh persamaan berikut:
(8)
dimana d adalah diameter butir dan Dgb adalah koefisien difusi batas butir.
Pergelinciran Batas-Butir
Meskipun pergelinciran batas-butir tidak begitu besar pengaruhnya terhadap mulur tunak, pergelinciran batas-butir penting memegang peran penting dalam tahap awal kepatahan intergranular. Namun telah dibuktikan bahwa pergelinciran batas-butir harus ada untuk mempertahankan kemuluran butir selama mekanisme alir difusi.
DAFTAR PUSTAKA
George E. Dieter, 1992, Metalurgi Mekanik, Jilid 2, Jakarta
Gere, Timoshenko, 1996, Mekanik Bahan, Jilid 2, Jakarta
M.J. Smith, 1985, Bahan Konstruksi dan Struktur Teknik, Jakarta
Popov, E.P., 1996, Mekanika Bahan, Edisi 2, Erlangga, Jakarta