TUGAS MATERIAL TEKNIK III
DISUSUN OLEH :
NAMA
: OKKY CANDRA SADEWA
NO.MHS
: 210009030
JURUSAN
: TEKNIK MESIN
PRODI
: S1
SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI NASIONAL YOGYAKARTA
2010
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
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 7
Umur lelah ( fatigue life) biasanya 10 siklus Perkiraan dari jumlah siklus yang dialami oleh suatu piston mobil lebih dari 100.000 mil (~330.000 km)
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)
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 Bahan yg berbeda
penyebaran
, n a g n a g e t
, n a g n a g e t
kegagalan
batas lelah
batas ketahanan siklus, (log S)
pertumbuhan inti siklus, (log S)
Efek dari Tegangan rerata dari kurva T-S •
Umur lelah ditingkatkan oleh tegangan tekan
•
Persamaan Goodman
•
= batas ketahanan pada
a
a
m
, n a g n a g e t
m
fat 1 m UTS
peningkatan tegangan tekan rerata
= tegangan rerata siklus, (log S)
fat
= batas ketahanan pada
m
=0
misal 10 7 siklus
UTS
= kekuatan tarik
Kerusakan Kumulatif dari kurva T-S •
Struktur senantiasa mempunyai spektrum pembebanan dan variabel amplitudo pembebanan
•
Efek kerusakan kumulatif dapat diperkirakan
, n a g n a g e t
Ni
ni
siklus, (log S)
Hukum kerusakan kumulatif Miner-Palmgren k
Hukum Miner
ni
N i 1
1
i
Kelelahan terjadi ketika kerusakan kumulatif = 1
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
Siklus Kelelahan Tinggi dan Rendah •
Kurva T-S dan R-S saling berhubungan T-S
f
0 2 N f
b
p 0 2 N f
c
Persamaan Basquin
Persamaan Coffin-Manson
R-S •
Nf = umur lelah, 0, 0, b dan c adalah konstan n a g n a g e t
f regangan
e p
Siklus Kelelahan Tinggi dan Rendah •
Siklus Lelah Tinggi = regangan hampir seluruhnya elastis
•
Siklus Lelah Rendah = Regangan hampir seluruhnya plastis
e p
2
f
E
2 N
b
f
0 2 N f
c
3
Daerah transisi terjadi sekitar 10 siklus 3
Siklus rendah < 10 siklus 3
7
8
Siklus tinggi > 10 (sampai 10 -10 siklus)
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
Mekanisme Kelelahan •
Pengertian terhadap mekanisme kelelahan dapat digunakan untuk meningkatkan ketahanan lelah ( fatigue resistance)
Logam
Keramik
Keretakan dipengaruhi lingkungan
Polimer
Slip tetap (irreversible) kumulatif
Pemanasan histeresis ( hysteresis)
Komposit
Retakan mikro
Penipisan lapisan (delamination)
Kerusakan penekanan
Kelelahan pada logam sudah dikenal dengan baik/meluas
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
Kelelahan dalam Logam •
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
•
Kerugian
Menurunkan kekuatan
Nonkarburisasi
Pemanasan berlebih
Pelunakan (annealling)
Tegangan sisa
Pelapisan Cr-Ni
Rendah tingkat kebersihan
Pengerjaan akhir permukaan
Permesinan penanda (machining marks)
Pencegahan Kelelahan •
Dengan pengikat ( fastenings)
•
Ekspansi dingin menggunakan madrel (contoh paku keling)
Pelubangan mandiri ( autofrettage)
Ekspansi dingin oleh penekanan (contoh ketel bertekanan) tegangan
tegangan
x
peluluhan
x
tegangan tekan sisa
Pertumbuhan Retak Lelah (Fatigue Crack Growth) •
LEFM dapat digunakan untuk mengukur dan memprediksi laju pertumbuhan retak lelah dalam daerah Paris ( Paris Regime)
•
Persamaan Paris
da
A K m
dN m~2-4
N d / a d k a t e r n a h u b m u t r e p u j a l
Daerah Paris (tidak sensitif thd tegangan rerata) Aw alKth (sensitif thd tegangan rerata) Daerah Instensitas tegangan K
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
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)
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
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
Perpatahan ( Fracture ) Kata fraktur sering diterapkan pada tulang makhluk hidup (yaitu, patah tulang ), atau untuk kristal atau bahan kristalin, seperti batu permata atau logam . Kadang-kadang, bahan kristal, kristal individu fraktur tanpa tubuh benar-benar memisahkan menjadi dua atau lebih bagian. Tergantung pada substansi yang retak, patah tulang mengurangikekuatan (zat kebanyakan) atau menghambat transmisi dari cahaya ( optik kristal).
Pemahaman yang rinci tentang bagaimana fraktur terjadi pada bahan dapat dibantu oleh studi mekanika fraktur .
Kekuatan Retak Kekuatan retak , juga dikenal sebagai kekuatan putus , adalah tegangan di mana spesimen gagal melalui fraktur. Ini biasanya ditentukan untuk spesimen yang diberikan oleh uji tarik , yang grafik yang -regangan kurva tegangan (lihat gambar). Titik akhir adalah mencatat kekuatan fraktur. Ulet bahan memiliki kekuatan fraktur lebih rendah dari kekuatan tarik ultimate (UTS), sedangkan pada rapuh bahan kekuatan patah setara dengan UTS. Jika bahan ulet mencapai kekuatan tarik utama dalam sebuah situasi yang dikendalikan beban, akan terus merusak, tanpa load aplikasi tambahan, sampai pecah . Namun, jika loading adalah perpindahandikendalikan, deformasi bahan dapat meringankan beban, mencegah pecah. Jika kurva tegangan-regangan diplot dalam hal tegangan benar dan regangan benar kurva akan ke atas lereng selalu dan tidak pernah mundur, seperti stres yang benar adalah dikoreksi untuk penurunan-sectional area lintas. Tegangan yang benar pada material pada saat pecahnya dikenal sebagai kekuatan putus.Ini adalah tegangan maksimum pada kurva tegangan-regangan benar, diberikan oleh 3 titik pada kurva B. Stress vs strain khas dari aluminium kurva 1. Ultimate kekuatan tarik 2. Kekuatan luluh 3. Batas proporsional stres 4. Patah 5. Offset strain (biasanya 0,2%)
Jenis Fraktur Mengular
Rapuh patah tulang pada kaca .
Fraktur Aluminium sebuah Crank Arm. Bright: rapuh fraktur. Dark: Kelelahan fraktur.
Dalam rapuh patah , tidak jelas deformasi plastis terjadi sebelum fraktur. Dalam material kristalin rapuh, fraktur dapat terjadi oleh perpecahan sebagai akibat dari tegangan tarik bertindak normal untuk bidang kristalografi dengan ikatan rendah (pesawat belahan dada). Dalam padatan amorf , Sebaliknya, kurangnya hasil struktur kristal dalam fraktur conchoidal , dengan retak melanjutkan normal terhadap ketegangan diterapkan. Kekuatan teoritis bahan kristal adalah (kasar)
dimana: E adalah modulus Young's material, γ
adalah energi permukaan , dan
r o adalah jarak keseimbangan antara pusat atom.
Di sisi lain, celah memperkenalkan konsentrasi tegangan dimodelkan oleh
(Untuk retak tajam) dimana: σ
diterapkan adalah tegangan loading,
yang adalah setengah panjang retak, dan ρ
adalah jari-jari kelengkungan di ujung retak.
Puting kedua persamaan bersama-sama, kita mendapatkan
Melihat dekat, kita dapat melihat bahwa retak tajam (kecil
ρ
) dan cacat besar (besar a )
keduanya menurunkan kekuatan fraktur material. Baru-baru ini, para ilmuwan telah menemukan patah supersonik , fenomena gerakan retak lebih cepat dari kecepatan suara
dalam suatu material. Fenomena ini baru-baru ini juga diverifikasi oleh eksperimen rekahan pada karet seperti bahan.
Fraktur Ulet
Ulet kegagalan dari spesimen tegang aksial.
Gambaran skematis langkah-langkah dalam patah ulet (dalam ketegangan murni).
Dalam ulet fraktur , deformasi plastis luas terjadi sebelum fraktur. Istilah pecah atau pecah ulet menggambarkan kegagalan
ketegangan. Daripada
retak,
utama dari tangguh bahan materi
"menarik
terpisah,"
daktail
dimuat
umumnya
dalam
meninggalkan
permukaan kasar. Dalam hal ini ada propagasi lambat dan penyerapan energi jumlah yang besar sebelum fraktur. Banyak ulet logam, terutama bahan dengan kemurnian tinggi, dapat mempertahankan besar deformasi sangat 50-100% atau lebih strain sebelum retak pada kondisi pembebanan yang menguntungkan dan kondisi lingkungan. Strain di mana fraktur terjadi adalah dikendalikan oleh kemurnian bahan. Pada suhu kamar, murnibesi dapat mengalami deformasi sampai 100% regangan sebelum melanggar, sedangkan besi tuang ataubaja karbon tinggi hampir tidak bisa mempertahankan 3% dari strain. Karena pecah ulet melibatkan tingkat tinggi deformasi plastik, perilaku retak celah menyebarkan sebagai model di atas perubahan fundamental. Beberapa energi dari konsentrasi tegangan di ujung retak lenyap oleh deformasi plastik sebelum retak benarbenar menyebar. Langkah-langkah dasar: void formasi, void koalesensi (juga dikenal sebagai
formasi retak), perambatan retak, dan kegagalan, sering mengakibatkan kegagalan permukaan cangkir-dan-berbentuk kerucut.
Pemisahan Mode Crack
Tiga fraktur mode.
Ada tiga cara untuk menerapkan kekuatan yang memungkinkan celah untuk menyebarkan:
Mode I crack - mode Pembukaan (a tegangan tarik yang normal terhadap bidang retak)
Mode II crack - sliding mode (suatu tegangan geser bertindak sejajar terhadap bidang retak dan tegak lurus ke depan retak)
Mode III crack - mode Tearing (suatu tegangan geser bertindak sejajar terhadap bidang retak dan sejajar dengan bagian depan retak)
Untuk informasi lebih lanjut, lihat mekanika fraktur .
