Perpatahan dan Kelelahan ( Fracture and Fatigue )

1. Perpatahan dan Kelelahan(Fracture and Fatigue) Oleh: Ellyawan Arbintarso, MSc.

2. Silabus • TUJUAN PERKULIAHAN • Mengenalkan mekanika perpatahan pada bahan • Mahasiswa dapat mengetahui teori mekanika perpatahan • Mahasiwa dapat memahami pendekatan teori perpatahan ke dalam perancangan struktur • Mahasiswa dapat mengetahui pengujian ketangguhan patah dan analisa yang dibutuhkan Ellyawan Arbintarso

3. Silabus • Pendahuluan Mekanika Perpatahan • Efek takikan terhadap konsentrasi tegangan • Pengukuran ketangguhan patah • Mekanika Perpatahan Elastis lurus • Pendekatan mekanika perpatahan berdasar energi • Ketangguhan patah dan Faktor intensitas tegangan • Fatik dan mekanisme • Pertumbuhan retak fatik • Perhitungan umur lelah Ellyawan Arbintarso

4. Info dan Kontak • Laboratorium Pengujian Bahan ISTA • Jl. I Dewa Nyoman Oka 32 Kotabaru Yk • Email: arbintarso@yahoo.co.uk • Email: ellyawansa@yahoo.co.uk • Email: pakwawan@fastmail.fm Ellyawan Arbintarso

5. Pustaka • Colangelo, VJ., Heiser, FA., 1974, Analysis of Metallurgical Failures, John Wiley & Son, USA • Dieter, (alih bahasa Djaprie), 1989, Metalurgi Mekanik, jilid 1, Erlangga, Jakarta • Dieter, (alih bahasa Djaprie), 1989, Metalurgi Mekanik, jilid 2, Erlangga, Jakarta • Erwalds, Wanhill, 2001, Fracture Mechanic, John Wiley & Son, London • Smallman RE, alih bahasa Djaprie Sriati, Metalurgi Fisik Modern, Gramedia Pustaka Utama, Jakarta, 1985 Ellyawan Arbintarso

6. Penilaian • UAS berbobot 20% • UTS berbobot 20% • Tugas/kuis berbobot 50% • Tugas yang dikumpulkan tidak tepat waktu tidak akan dinilai! • Kuis dilakukan dikelas pada waktu tertentu • Kehadiran berbobot 10% Ellyawan Arbintarso

7. Mengapa perlu mempelajari Mekanika Perpatahan? • Bahan yang mempunyai kekuatan tinggi dapat gagal dengan beban yang rendah • Banyak penyebab kegagalan produk yang tidak bisa dijelaskan dengan teori elastisitas dan plastisitas • Perancangan struktur mesin perlu menambahkan aspek kemungkinan terjadi retak Ellyawan Arbintarso

8. Pendahuluan Mekanika Perpatahan • PENDAHULUAN • Filosofi perancangan konvensional • Perubahan: • Peningkatan NDE • Cacat bukan akhir dari segalanya • Biaya pengantian dan perbaikan • Kemungkinan perawatan berkala - Kekuatan - Tekukan - Defleksi Meniadakan Konsentrasi Tegangan Mekanika Perpatahan Ellyawan Arbintarso

9. Sejarah Kegagalan • Kegagalan pada Kapal Liberty • Selama Perang Dunia II • Dibangun lebih dari 2500 Kapal kelas Liberty • Sekitar 700 struktur gagal terpotong • Sekitar 145 patah menjadi 2 bagian • Alasan • Serabut retak pada sambungan las • Menggunakan bahan berkekuatan tinggi (ketangguhan patah rendah) • Temperatur rendah menurunkan ketangguhan patah Ellyawan Arbintarso

10. Sejarah Kegagalan • Penelitian Biro Nasional Standar 1982 • Harga berhubungan dengan: • Kehilangan langsung dan keterkaitan biaya • Rancangan struktur berlebihan karena: • Kualitas bahan tidak seragam • Inspeksi, perbaikan dan penggantian komponen yang rusak • Sekitar 120 trilyun USD per tahun • Penghematan dapat dilakukan dari: • Teknologi Mekanika Perpatahan modern sekitar 35 trilyun USD (30%) • Teknologi Mekanika Perpatahan lanjut: tambahan 28 trilyun USD Ellyawan Arbintarso

11. Evolusi Rancangan Struktur Adaptasi Empiris dari Rancangan yg Sukses: Prosedur coba-coba Piramid di Mesir dan Katedral Agung di Eropa Penemuan abad 19 oleh Cauchy dll Pendekatan kekuatan bahan Dengan teori Elastisitas dgn Faktor keamanan yg besar Inglis (1913, USA) Kolosov (USSR) Paradok: Pd R = 0, nom  0 Pengenalan Konsentrasi Tegangan  = nom [1+2 (a/R)1/2] Ellyawan Arbintarso

12. Evolusi Rancangan Struktur Mekanika Perpatahan Besar toleransi serabut retak untuk beban yg Diberikan/beban aman operasi untuk Ukuran serabut yang diberikan Dengan menggunakan LEFM K(a, , B) = KIc Griffith (1922) Teori Pecah/Remuk (Theory of Rupture) Perkembangan lanjut oleh: Obriemoff (1930) Westerfaard (1939) Irwin dan Orowan (1948) Rice dan Cherepanov, (1960) • Pendekatan Toleransi Rusak • Laju pertumbuhan serabut • Ukuran kritis dlm perawatan Ellyawan Arbintarso

13. Sejarah Perkembangan Mekanika Perpatahan • Abad 15 - Leonardo da Vinci • Test kekuatan pada kabel besi dgn panjang berbeda • Kekuatan berbanding terbalik proporsional dgn volume bahan • Abad 19 – Cauchy • Hubungan tegangan-regangan pada kondisi istemewa dan Konsentrasi tegangan • 1922 – Teori Perpatahan Griffith • Hubungan kuantitatif pertama antara kekuatan material dengan ukuran retak Ellyawan Arbintarso

14. Sejarah Perkembangan Mekanika Perpatahan (a) Teori Kekuatan Antar Atom • Sifat-sifat kristal dapat dihitung berdasarkan sifat latis-latis • Kekuatan teoritis • Dimana E = modulus elastisitas, b = jarak atom atom seimbang,  = Energi total pemisahan antar atom • Untuk banyak bahan  = Eb/40 • Teg. Luluh th = E/6 Ellyawan Arbintarso

15. Sejarah Perkembangan Mekanika Perpatahan (b) Teori Perpatahan - Menggunakan persamaan matematika Inglis untuk konsentrasi tegangan, ditunjukkan untuk bahan seperti kaca “Energi permukaan yang dihamburkan oleh pembentukan permukaan retak baru adalah setara dengan ketahanan pertumbuhan retak” Ellyawan Arbintarso

16. Sejarah Perkembangan Mekanika Perpatahan - Westergaard melanjutkan teori Griffith dan menunjukkan bahwa kekuatan patah dari bentuk retak adalah dimana a adalah panjang retak Batasan-batasan: 1.  adalah valid untuk bahan getas 2. Perhitungan  tidak jelas 3. Nilai  lebih besar untuk bahan teknik Ellyawan Arbintarso

17. Sejarah Perkembangan Mekanika Perpatahan • 1948 George Irwin (Lab. Riset AL USA) • Melanjutkan teori Griffith untuk logam • Mengembangkan metode matematika untuk menghitung parameter patah dan mengukur parameter patah kritis (ketangguhan) • p = energi plastis pada ujung retak Ellyawan Arbintarso

18. Sejarah Perkembangan Mekanika Perpatahan • Karena pembilang adalah sifat bahan, kita dapat mendifinisikan sebagai • Dimana K = faktor intensitas tegangan pada ujung retak,  adalah tegangan yg kecil • Kita dapat menghubungkan K dan G, laju perubahan energi total potensial w.r.t. panjang retak a. • G = K2/E* • E* = modulus elastis efektif • Teori ini disebut Teori Perpatahan Griffith-Irwin-Orowan Ellyawan Arbintarso

19. Sejarah Perkembangan Mekanika Perpatahan • James Rice (1967) dan Cherepanov (1966) • Mekanika Perpatahan Non-linier • J = /a • Dimana  (pi) adalah energi potensial total dari bahan (elastis-plastis) non-linier yang mempunyai retak Ellyawan Arbintarso

20. Matematika Definisi dari Retak • Difinisi • Retak adalah suatu takikan elips dengan sumbu panjang a yang agak besar (panjang retak) dan sumbu pendek b adalah nol. Dengan kata lain, jari-jari kelengkungan pada ujung retak adalah nol. Retak Takikan elips Ellyawan Arbintarso

21. Matematika Definisi dari Retak • Aliran Tegangan sekitar Takikan dan Retak • Pembebanan melintang thd sumbu utama • Takikan • Konsentrasi Tegangan (Kt);  = nom (1+2 (a/Rmin)1/2) • Rmin adalah jari-jari kelengkungan ujung sumbu utama • Retak • Faktor Intensitas Tegangan (K); K = nom (a)1/2 Ellyawan Arbintarso

22. Pembebanan sejajar thd sumbu utama • Takikan • Konsentrasi Tegangan (Kt);  = nom (1+2 (a/Rmak)1/2) • Rmak adalah jari-jari kelengkungan ujung sumbu utama • Retak • Faktor Intensitas Tegangan (K); K = 0 shg  = nom Ellyawan Arbintarso

23. Pengaruh Retak pada Struktur Pembebanan Statis Grafik Kekuatan Sisa Ellyawan Arbintarso

24. Pengaruh Retak pada Struktur Pembebanan Fatik Spektrum beban Ellyawan Arbintarso

25. Tujuan Teknologi Mekanika Perpatahan • Perkembangan metode prediksi dan perhitungan dari seberapa cepat retak akan tumbuh dan seberapa cepat kekuatan sisa akan menurun • Kekhususan: • Seberapa kekuatan tegangan sebagai fungsi ukuran retak? • Seberapa ukuran retak dapat ditoleransikan pada beban kerja (ukuran retak kritis)? • Seberapa panjang suatu retak tumbuh dari suatu ukuran awal tertentu terhadap suatu ukuran kritis? • Berapa ukuran serabut yang diijinkan ketika struktural mulai digunakan? • Seberapa sering struktur tsb diinspeksi? Ellyawan Arbintarso

26. Disiplin ilmu Mekanika Perpatahan • Meliputi 4 disiplin ilmu: • Teknik – pembebanan 7 analisa tegangan • Mekanika Terapan – tegangan ujung retak dan pergerakan gaya • Pengujian – Kuantitatif parameter kritis dan pencocokan parameter analitis • Ilmu Bahan – proses kegagalan pada skala atom. Meliputi dislokasi dan ketidak-murnian Ellyawan Arbintarso

27. Mekanika Perpatahan Ellyawan Arbintarso