Mekanika Perpatahan III

Mekanika Perpatahan III Bab 7 Ellyawan Arbintarso

Kelelahan / Fatigue • Kelelahan • Kegagalan lelah terjadi ketika sebuah bahan telah mengalami siklus tegangan dan regangan yang menghasilkan kerusakan yang permanen • Kelelahan dapat terjadi dibawah atau diatas tegangan luluh • Kegagalan lelah pada umumnya meliputi pertumbuhan inti dan penyebaran dari sebuah retak Ellyawan Arbintarso

Penyebab Kelelahan • Kelelahan yang dikontrol oleh tegangan • Lengkung rotasi (rotating bending) • Getaran (vibration) • Penekanan (pressurisation) • Kontak Gelinding (rolling contacts) • Kelelahan yang dikontrol oleh regangan • Siklus termal (thermal cycles) • Takikan besar (severe notches) • Terbuka/tertutup Umur lelah (fatigue life) biasanya 107 siklus Perkiraan dari jumlah siklus yang dialami oleh suatu piston mobil lebih dari 100.000mil (~330.000 km) Ellyawan Arbintarso

Pengukuran Kelelahan • Struktur presisi (smooth) dan bertakik (notched): • Kelelahan meliputi pertumbuhan inti dan penyebaran retakan (propagation of crack) • Karakterisasi dengan umur lelah T-S (Tegangan-Siklus, S-N) atau R-S (Regangan-Siklus, - N) • Takikan mengkonsentrasikan tegangan dan regangan • Struktur retak • Kelelahan meliputi penyebaran retakan • Karakterisasi dengan laju pertumbuhan retak lelah (fatigue crack growth rate) Tujuan memprediksi umur lelah atau siklus pembebanan maksimum untuk menentukan umur tak terbatas (infinite life) Ellyawan Arbintarso

Kurva Tegangan-Siklus (S-N Curve) • Kelelahan dibawah tegangan luluh (batas elastis) • Beberapa bahan mempunyai batas lelah (fatigue limit) Sebuah batas ketahanan (endurance limit) dapat ditentukan dengan membandingkan batas lelah bahan lain Ellyawan Arbintarso

Efek dari Tegangan rerata dari kurva T-S • Umur lelah ditingkatkan oleh tegangan tekan Persamaan Goodman a = batas ketahanan pada m m = tegangan rerata fat = batas ketahanan pada m = 0 UTS = kekuatan tarik Ellyawan Arbintarso

Efek dari Tegangan rerata dari kurva T-S • Contoh Sebuah paduan baja berkekuatan tinggi mempunyai batas ketahanan 500 MPa dan kekuatan tarik 1000 MPa. Apakah kegagalan dapat diperkirakan jika siklus tegangan antara 0 dan 400? Pengelasan mempunyai tegangan tarik sisa (residual tensile stress) sebesar 500 MPa. Efek apakah yang dipunyai bahan tersebut setelah pengelasan? Ellyawan Arbintarso

Kerusakan Kumulatif dari kurva T-S • Struktur senantiasa mempunyai spektrum pembebanan dan variabel amplitudo pembebanan • Efek kerusakan kumulatif dapat diperkirakan Hukum kerusakan kumulatif Miner-Palmgren Hukum Miner Kelelahan terjadi ketika kerusakan kumulatif = 1 Ellyawan Arbintarso

Tipe kendaran Umur lelah Mobil 108 Bis 3 x 108 Kereta listrik 1 x 106 Kerusakan Kumulatif dari kurva T-S • Contoh: Sebuah jembatan digunakan oleh mobil, bis dan kereta listrik. Sebuah analisa tegangan telah digunakan untuk menghitung umur lelah untuk terhadap pembebanan dari setiap tipe kendaraan. Setelah tiga tahun, ditemukan bahwa bentuk lalu lintas yang melewati jembatan berbeda dari awal rancangan. Jembatan digunakan oleh 600 mobil, 200 bis, dan 100 kereta listrik setiap hari. Pengguna jembatan cenderung mobil dan bis. Efek apa yang akan terjadi terhadap umurpakai (lifetime) jembatan? Ellyawan Arbintarso

Kurva Regangan-Siklus (-N Curve) • Regangan mengendalikan kelelahan yang umum terjadi diatas batas elastis (tegangan luluh) • Serupa dengan T-S dibawah batas elastis ( = E ) • Siklus pengerasan atau pelunakan mungkin terjadi • Pengerasan/pelunakan dicapai setelah beberapa ratus siklus Total regangan = regangan elastis + regangan plastis  = e + p Ellyawan Arbintarso

T-S Persamaan Basquin R-S Persamaan Coffin-Manson Siklus Kelelahan Tinggi dan Rendah • Kurva T-S dan R-S saling berhubungan • Nf = umur lelah, 0, 0, b dan c adalah konstan Ellyawan Arbintarso

Siklus Kelelahan Tinggi dan Rendah • Siklus Lelah Tinggi = regangan hampir seluruhnya elastis • Siklus Lelah Rendah = Regangan hampir seluruhnya plastis Daerah transisi terjadi sekitar 103 siklus Siklus rendah < 103 siklus Siklus tinggi > 103 (sampai 107-108siklus) Ellyawan Arbintarso

Pengaruh Kekuatan dan Ketangguhan terhadap Kelelahan • Peningkatan kekuatan • Meningkatkan umur lelah siklus tinggi (penurunan regangan plastis) • Menurunkan umur lelah siklus rendah (penurunan ketangguhan) Ketangguhan dan keuletan menurun dengan kenaikan kekuatan Ellyawan Arbintarso

Mekanisme Kelelahan • Pengertian terhadap mekanisme kelelahan dapat digunakan untuk meningkatkan ketahanan lelah (fatigue resistance) • Logam • Slip tetap (irreversible) kumulatif • Keramik • Keretakan dipengaruhi lingkungan • Polimer • Pemanasan histeresis (hysteresis) • Komposit • Retakan mikro • Penipisan lapisan (delamination) • Kerusakan penekanan Kelelahan pada logam sudah dikenal dengan baik/meluas (lihat artikel) Ellyawan Arbintarso

Kelelahan dalam Logam • Deformasi plastis terjadi pada butir-butir orentasi yang sesuai, meskipun dibawah batas elastis • Pada logam murni • langkah slip ekstrusi mengawali terjadinya retakan (memerlukan banyak siklus) • Pada logam komesial • akumulasi regangan plastis menumbuhkan inti retakan kecil di tempat inklusi (memerlukan sedikit siklus) • Batas lelah (fatigue limit) adalah tegangan dibawah dimana sebuah retak dapat menum-buhkan inti tetapi tidak menyebarkan retakan Ellyawan Arbintarso

Kelelahan dalam Logam • Kerugian • Menurunkan kekuatan • Nonkarburisasi • Pemanasan berlebih • Pelunakan (annealling) • Tegangan sisa • Pelapisan Cr-Ni • Rendah tingkat kebersihan • Pengerjaan akhir permukaan • Permesinan penanda (machining marks) • Keuntungan • Peningkatan kekuatan • Karburisasi • Nitridisasi • Pengerasan induksi • Pengerjaan dingin • Tegangan sisa (residual stress) • Penembakan mimis (shot-peening) • Penembakan mimis (shot-peening) • Peningkatan tingkat kebersihan • Pengerjaan akhir permukaan • Elektropolishing Ellyawan Arbintarso

Pencegahan Kelelahan • Dengan pengikat (fastenings) • Ekspansi dingin menggunakan madrel (contoh paku keling) • Pelubangan mandiri (autofrettage) • Ekspansi dingin oleh penekanan (contoh ketel bertekanan) Ellyawan Arbintarso

Pertumbuhan Retak Lelah (Fatigue Crack Growth) • LEFM dapat digunakan untuk mengukur dan memprediksi laju pertumbuhan retak lelah dalam daerah Paris (Paris Regime) • Persamaan Paris m ~ 2 - 4 Ellyawan Arbintarso

Desain untuk Kelelahan • Prinsip filosofi rancangan teknik adalah: • Umur aman (Safe-Life) • Kerusakan akibat kelelahan (fatigue damage) harus tidak terjadi selama umur rancang (design life) • Komponen diganti setelah umur rancang terlampaui • Pengamanan gagal (Fail-Safe) • Kerusakan akibat kelelahan terjadi selama umur rancang • Kegagalan harus tidak terjadi selama umur rancang • Komponen diperiksa untuk diuji perkembangan terhadap kerusakan lelah • Komponen digunakan kembali atau diganti setelah pemeriksaan Ellyawan Arbintarso

Umur Lelah Aman (Safe-Life Fatigue) • Rancangan untuk umur terbatas maupun umur takterbatas • Tegangan dan regangan diuji terhadap perhitungan umur lelah menggunakan kurva T-S atau R-S • Pengendalian tegangan dibawah batas lelah • Digunakan ketika pemeriksaan tidak memungkinkan atau tidak ekonomis • Paku keling • Ruang angkasa (satelit) Ellyawan Arbintarso

Pengamanan Gagal Lelah (Fail-Safe Fatigue) • Perancangan struktur masih cukup kuat untuk umur pemakaian setelah kerusakan akibat lelah terjadi • Ketentuan jangka waktu pemeriksaan memerlukan beberapa pengetahuan tentang: • Ukuran awal cacat (initial defect size) Pengujian Tidak Merusak • Laju pertumbuhan retak lelah Persamaan Paris • Ukuran kritis cacat untuk kegagalan Ketangguhan lelah • Pengujian ulang dari umur sisa (residual life) setelah pemerik-saan membolehkan memperpanjang umur pemakaian total Ellyawan Arbintarso

Perhitungan Umur Lelah • Contoh: Sebuah lempeng MnS (magnesium sulfate) yang besar diinklusi pada gulungan lempeng panas (hot-rolled plate), tegangan tegak lurus terhadap pengelasan sambungan T. a = radius cacat Ds = jarak/selisih tegangan Ketika retak tumbuh, DK meningkat. Ketika DK meningkat, laju pertumbuhan meningkat Ellyawan Arbintarso

Perhitungan Umur Lelah a0 = ukuran cacat awal af = ukuran cacat akhir Ellyawan Arbintarso

Perhitungan Umur Lelah Pada umumnya a0 << af Umur lelah tidak sensitif terhadap ketangguhan patah Ellyawan Arbintarso

Retak-retak Kecil • Kurva T-S dan R-S adalah didominasi oleh pertumbuhan dari retak-retak kecil (< 0,5 mm) • Persamaan Paris digunakan untuk pertum-buhan dari retak-retak besar (> 1 mm) • Retak-retak kecil menyebar dengan mekanisme yang sama pada retak-retak panjang • Retak-retak kecil sensitif terhadap struktur mikro • LEFM biasanya tidak akurat untuk retak-retak kecil Prediksi umur lelah pada retak-retak kecil sangat sulit diperoleh Ellyawan Arbintarso

Ringkasan • Kelelahan adalah pertumbuhan inti dan pertumbuhan dari retakan dibawah kondisi siklus tegangan dan regangan • Umur lelah dapat ditingkatkan dengan: • Mengontrol tegangan • Mengontrol struktur mikro • Mengontrol penyelesaian permukaan • Umur lelah dapat dapat diprediksi dengan • komponen presisi dan bertakik kurva T-S, R-S • komponen dengan retakan Persamaan Paris Truly grateful to Dr. Marrow Ellyawan Arbintarso

Mekanika Perpatahan III