Kelelahan Logam (Fatigue) — Document Transcript
1. KELELAHAN LOGAM DIKTAT KULIAH Disusun Oleh: ABRIANTO AKUAN, ST., MT. JURUSAN TEKNIK METALURGI FAKULTAS TEKNIKUNIVERSITAS JENDERAL ACHMAD YANI BANDUNG 2007 Perkuliahan: 1. Memberikan pemahaman tentang tentang aspek mekanik mekanik dan 2. Tujuan Perkuliahan: metalurgis terhadap kelelahan logam. 2. Memahami fenomena kelelahan pada logam dan struktur serta implikasinya pada desain teknis. 3. Memahami konsep mekanika retakan dan implikasinya pada desain teknis. Materi: 1. Karakteristik kelelahan logam. 2. Aspek metalurgis pada kelelahan logam. 3. Konsep S-N (tegangan-siklus). 4. Konsep ε -N (regangan-siklus). 5. Konsep da-dN (laju penjalaran retakan). 6. Pengaruh takikan pada perilaku kelelahan logam. 7. Kelelahan pada amplitudo berubah (variabel). Referensi: 1. Julie A Bannantine, Fundamentals Fundamentals of Metal Fatigue Analysis, Prentice-Hall, New Jersey, 1990. 2. David Broek, Elementary Engineering Fracture Mechanics, Kluwer Akademic Publishers, 1991. 3. Dieter, Mechanical Metallurgy, 4. Mardjono Siswosuwarno, Fracture Mechanics dan Prediksi Umur Kelelahan, Jurusan Teknik Mesin, ITB. 5. Ahmad Taufik, Aplikasi Mekanika Retakan pada Analisis Kegagalan Logam, Jurusan Teknik Pertambangan, ITB, 2000.Copyright 2000.Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI i 3. I. KARAKTERISTIK KELELAHAN LOGAM Kelelahan (Fatigue) adalah salah satu jenis kegagalan (patah)pada komponen akibat beban dinamis (pembebanan yang berulang-ulang atau berubah-ubah). Diperkirakan 50%-90% (Gambar.1.1)kegagalan (Gambar.1.1)kegagalan mekanis adalah disebabkan oleh kelelahan. Gambar. 1.1 Distribusi mode kegagalan. Modus kegagalan komponen atau struktur dapat dibedakanmenjadi 2 katagori utama yaitu: 1. Modus kegagalan quasi statik (modus kegagalan yang tidak tergantung pada waktu, dan ketahanan terhadap kegagalannya dinyatakan dengan kekuatan). 2. Modus kegagalan yang tergantung pada waktu (ketahanan terhadap kegagalannya dinyatakan dengan umur atau life time).Jenis- jenis j enis modus kegagalan quasi statik yaitu: 1. Kegagalan karena beban tarik.Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 1 4. 2. Kegagalan karena beban tekan. 3. Kegagalan karena beban geser.Patahan yang termasuk jenis modus kegagalan ini adalah patah uletdan patah getas. Sedangkan jenis-jenis modus kegagalan yangtergantung yangtergantung pada waktu yaitu: yaitu: 1. Kelelahan (patah (patah lelah). 2. Mulur. 3. Keausan. 4. Korosi. Fenomena kelelahan logam mulai timbul pada pertengahan abadke-19 abadke-19 yaitu dengan seringnya terjadi patah pada komponen kereta apidimasa itu: Di Versailles (Paris), 1944, menewaskan 40-80 penumpang, akibat patah poros roda. 20 April 1887, 3 orang tewas dan 2 terluka, akibat patah draw bar. 27 Mei 1887, 6 orang tewas, akibat patah roda. 23 Juni 1887, 1 orang tewas, akibat patah rel. 2 Juli 1887, Kecelakaan paling serius, akibat patah poros roda. Pelopor dalam penelitian mengenai kelelahan logam adalahWohler (Jerman) dan Fairbairn (Inggris) tahun 1860. Pengamatanyang Pengamatanyang lebih mendetail terhadap kelelahan logam, dilakukan sejak 1903oleh Ewing dan Humparey yang mengarah pada lahirnya
teori’Mekanisme Patah Lelah’. Hingga saat ini, mekanisme patah lelah adalah terdiri
atas 3tahap kejadian yaitu: 1. Tahap awal terjadinya retakan (crack inisiati on). 2. Tahap penjalaran retakan (crack propagation).Copyright © 2007 b y Abrianto AkuanTeknik AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 2 5. 3. Tahap akhir (final fracture).Pada Gambar. 1.2 dibawah ini ditunjukkan secara skematispenampilan skematispenampilan permukaan patahan dari kegagalan lelah pada berbagaikondisi pembebanan. pembebanan. Karakteristik kelelahan logam lo gam dapat dibedakan menjadi 2
yaitukarakteristik makro dan karakteristik mikro. Karakteristik makromerupakan ciriciri kelelahan yang dapat diamati secara visual(dengan mata telanjang atau dengan kaca pembesar). Sedangkankarakteristik mikro hanya dapat diamati dengan menggunakanmikroskop.Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik MetalurgiUNJANI 3 6. Gambar. 1.2 Skematis permukaan patah lelah dari penampang bulat dan persegi pada berbagai kondisi pembebanan.1.1 Karakteristik Makroskopis Karakteristik makroskopis dari kelelahan logam adalah sebagaiberikut: 1. Tidak adanya deformasi plastis secara makro. 2. Terdapat tanda ’garis -garis pantai’ (beach marks) atau clam shell atau stop/arrest marks, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1.3 dibawah ini.Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 4 7. 1932 1947 1948 1950 1951 Gambar. 1.3 Permukaan patah lelah pada poros. 3.
Terdapat ’Ratchet marks’ seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1.4 dibawah ini.
Gambar. 1.4 Permukaan patah lelah dari baut akibat beban tarik.Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 5 8. Ratchet marks menjalar kearah radial dan merupakan tandapenjalaran retakan yang terjadi bila terdapat lebih dari satu lokasiawal retak, ratchet marks ini merupakan pertemuan beach marks darisatu lokasi awal retak dengan beach marks dari lokasi lainnya. Tanda garis-garis pantai (beach marks) yang merupakan tandapenjalaran retakan, mengarah tegak lurus dengan tegangan tarik dansetelah menjalar sedemikian hingga penampang yang tersisa tidakmampu lagi menahan beban yang bekerja, maka akhirnya terjadilahpatah akhir atau patah statik. Luas daerah antara tahap penjalaranretakan dan tahap patah akhir secara kuantitatif dapat menunjukkanbesarnya tegangan yang bekerja. Jika luas daerah tahap penjalaranretakan lebih besar daripada luas daerah patah akhir, maka teganganyang bekerja relatif rendah, demikian sebaliknya. Tahap I terjadinyakelelahan logam yaitu tahap pembentukan awal retak, lebih mudahterjadi pada logam yang bersifat lunak dan ulet tetapi akan lebihsukar dalam tahap penjalaran retakannya (tahap II), artinya logam-logam ulet akan lebih tahan terhadap penjalaran retakan. Demikiansebaliknya, logam yang keras dan getas, akan lebih tahan terhadappembentukkan awal retak tetapi kurang tahan terhadap penjalaranretakan. Tahapan pembentukan awal retak dan penjalaran retakan dalammekanisme kelelahan logam, membutuhkan waktu sehingga umurlelah dari komponen atau logam, ditentukan dari ke-2 tahap (Gambar.1.5) tersebut (total fatigue life, NT = fatigue initiation, Ni + fatiguepropagation, Np). Fasefase yang terjadi selama kejadian kelelahanlogam tersebut adalah sebagai berikut: Cyclic Pengintian Perambatan Perambatan Patah slip retak mikro retak mikro retak makro akhir Umur pengintian awal retak Umur Penjalaran retakan Gambar. 1.5 Fasefase kegagalan lelah (fatigue).Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 6 9. Gambar. 1.6 Skematis penampang melintang dari kegagalan lelah tahap I dan II.Tahap I (pembentukan awal retak) dan tahap II (penjalaran retakan)pada mekanisme kegagalan patah lelah tersebut (Gambar. 1.6) dapatdijelaskan lagi dengan penggambaran sebagai berikut:Tahap retak mikro (tahap I):Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 7 10. Tahap retak makro (tahap II):Gambar. 1.7 Skematis tahap retak mikro dan makro pada kelelahan logam.1.2 Karakteristik Mikroskopis Karakteristik mikroskopis dari kelelahan logam adalah sebagaiberikut: 1. Pada permukaan patahan terdapat striasi (striations). 2. Permukaan patahan memperlihatkan jenis patah transgranular (memotong butir) tidak seperti jenis patah intergranular seperti yang terjadi pada kasus SCC (stress corrosion cracking) atau mulur (creep).Persamaan striasi dan beach
marks adalah sebagai berikut: 1. Ke-2 nya menunjukkan posisi ujung retak yang terjadi setiap saat sebagai fungsi dari waktu siklik. 2. Ke-2 nya berasal dari lokasi awal retak yang sama. 3. Ke-2 nya memiliki arah yang sama (parallel ridges). 4. Ke-2 nya tidak hadir pada logam-logam yang terlalu keras atau terlalu lunak.Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 8 11. Perbedaan striasi dan beach marks adalah sebagai berikut: 1. Ukuran striasi adalah mikroskopis (1 ÷ 100 µ ) dan hanya dapat dilihat dengan menggunakan mikroskop elektron. 2. Ukuran beach marks adalah makroskopis (> 1000 µ atau 1 mm) dan dapat dilihat dengan mata telanjang. 3. Striasi mewakili majunya ujung retakan yang bergerak setiap satu siklus pembebanan, sedangkan beach marks mewakili posisi dari ujung retakan ketika beban siklik berhenti untuk satu perioda tertentu. (satu beach mark dapat terdiri atas ratusan bahkan ribuan buah striasi).Latihan:1.1 Carilah sah satu contoh gambar/photo penampang patah lelah (fatigue fracture), berilah keterangan posisi awal retak, arah penjalaran retakan dan daerah patah akhirnya. Jelaskan jenis material, jenis beban yang bekerja, dan jelaskan pula secara kualitatif besarnya pembebanannya.1.2 Buatlah skematis penampang patahan dari kedua gambar berikut dan tunjukkan posisi awal retak, arah perambatan retakan, patah akhir dan jenis bebannya. Gambar Permukaan Patah Lelah dari Porors Baja AISI 1040 steel (~30 HRC).Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 9 12. Gambar Permukaan Patahan dari Batang Piston Mesin Forging berdiameter 200mm dari Bahan Baja Paduan.Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 10 13. II. ASPEK METALURGIS PADA KELELAHAN LOGAM Kelelahan logam diawali dengan pembentukan awal retak dandilanjutkan dengan penjalaran retakan hingga komponen mengalamipatah. Lokasi awal retak pada komponen atau logam yang mengalamipembebanan dinamis atau siklik adalah pada titik daerah dimanamemiliki kekuatan yang paling minimum dan atau pada titik daerahdimana mengalami tegangan yang paling maksimum. Oleh karena ituuntuk memperkirakan umur lelah suatu komponen merupakan suatuhal yang cukup sulit, hal ini disebabkan oleh banyaknya faktor-faktoryang mempengaruhi umur lelahnya. Faktor-faktor tersebut adalah: 1. Pembebanan: a. Jenis beban: uniaksial, lentur, puntir. b. Pola beban: periodik, random. c. Besar beban (besar tegangan). d. Frekwensi siklus beban. 2. Kondisi material. a. Ukuran butir. b. Kekuatan. c. Penguatan dengan larutan padat. d. Penguatan dengan fasa ke-2. e. Penguatan regangan. f. Struktur mikro. g. Kondisi permukaan (surface finish). h. Ukuran Komponen. 3. Proses pengerjaan. a. Proses pengecoran. b. Proses pembentukan. c. Proses pengelasan. d. Proses pemesinan.Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 11 14. e. Proses perlakuan panas. 4. Temperatur operasi. 5. Kondisi lingkungan.2.1 Pengaruh Pembebanan Parameter pembebanan yang berpengaruh terhadap kelelahanlogam adalah tegangan rata- rata, σm dan tegangan amplitudo, σaserta frekwensi pembebanan.2.1.1 Pengaruh Tegangan Rata-rata Gambar. 2.1 Pengertian tegangan siklik.Tegangan amplitudo:Sa = σa = (σmax - σmin) / 2 (2.1)Tegangan rata-
rata:Sm = σm = (σmax + σmin) / 2 (2.2)Rasio tegangan:R = σmin / σmax (2.3)
Besarnya tegangan rata-rata yang bekerja akan menentukanterhadap besarnya tegangan amplitudo yang diijinkan untuk mencapaisuatu umur lelah tertentu. Bila tegangan rata-rata sama dengan 0atau rasio tegangan sama dengan -1, maka besarnya teganganamplitudo yang diijinkan adalah nilai batas lelahnya (Se). DenganCopyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 12 15. demikian jika tegangan rata-ratanya semakin besar maka teganganamplitudonya harus diturunkan. Hal ini terlihat pada alternatif diagramGoodman atau pada diagram-
diagram lainnya, lihat Gambar 2.2berikut ini: Gambar. 2.2 Diagram-diagram batas tegangan terhadap kelelahan logam. Persamaan-persamaan yang digunakan pada diagram batastegangan seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2.2 diatas adalahsebagai berikut: a. Soderberg (USA, 1930): Sa/Se + Sm/Syt = 1 (2.4) b. Goodman (England, 1899): Sa/Se + Sm/Sut = 1 (2.5) c. Gerber (Germany, 1874):
Sa/Se + (Sm/Sut)2 = 1 (2.6) d. Morrow (USA, 1960s): Sa/Se + Sm/σf = 1
(2.7)Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 13 16. dimana, Se adalah bat as lelah (endurance limit), Su adalah kekuatantarik dan σf adalah tegangan patah sebenarnya (true fracture stress).Perbandingan dari tegangan amplitudo terhadap tegangan rata-ratadisebut rasio amplitudo (A=Sa/Sm), sehingga hubungan antara nilai Rdan A yaitu sebagai berikut:jika R=-1, maka A=~ (kondisi fully reversed)jika R=0, maka A=1 (kondisi zero to maximum)jika R=~, maka A=-1 (kondisi zero to minimum) Pada Gambar 2.2 diatas yang memperlihatkan aman tidaknyakondisi pembebanan terhadap kelelahan logam, berdasarkan hasildiskusi atas berbagai permasalahan, maka dapat dinyatakan sebagaiberikut: Diagram. a (Soderberg) adalah paling konservatif dan paling aman, atau digunakan pada kondisi nilai R mendekati 1. Data hasil pengujian, cenderung berada diantara diagram. b dan c (Goodman dan Gerber). Untuk baja keras (getas), diagram. b dan d (Goodman dan Morrow) hampir berimpit (sama). Untuk baja lunak (ulet), diagram. D (Morrow) akan lebih akurat. Pada kondisi R<1 (atau perbedaan tegangan rata-rata dan tegangan amplitudo cukup kecil), maka ke-4 diagram hampir sama (berimpit).Alternatif diagram Goodman seperti yang ditunjukkan pada Gambar2.2 diatas adalah yang paling banyak digunakan, dan diagramGoodman yang lama (asli) seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.3dibawah ini, sekarang sudah tidak dipakai lagi.Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 14 17. Gambar. 2.3 Diagram Goodman. Pengaruh dari tegangan siklik (SN) terhadap tegangan rata-rataatau sebaliknya, dapat terlihat pada diagram master seperti yangditunjukkan pada Gambar 2.4 berikut ini.Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 15
18. AISI 4340 steelSu = 158, Sy = 147 kpsi.σmin = 20, σmax = 120,σm = 70, σa = 50 kpsi. Gambar. 2.4 Diagram master baja AISI 4340 untuk menentukan pengaruh dari tegangan rata-rata pada kelelahan logam. Untuk melihat pengaruh tegangan siklik (SN) terhadap umurlelah pada kondisi R=-1 (tegangan siklik sama dengan teganganamplitudo) dapat dilihat pula pada diagram Haigh berikut ini. Gambar. 2.4 Diagram Haigh.Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 16 19. Jika tegangan siklik atau tegangan amplitudo meningkat, maka umurlelah akan semakin menurun, begitu pula dari pengaruh meningkatnyategangan rata-rata, maka akan menyebabkan penurunan umurkelelahan logam. Tabel 2.1 Persamaan dan koordinat perpotongan pada kuadran ke-1 untuk Goodman dan kriteria kegagalan lainnya. Tabel 2.2 Persamaan dan koordinat perpotongan pada kuadran ke-1 untuk Gerber dan kriteria kegagalan lainnya.Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 17
20. 2.1.2 Pengaruh Tegangan Amplitudo, σa Seperti telah dijelaskan sebelumnya,
tegangan amplituda akansangat berpengaruh terhadap umur kelelahan logam. Perkiraankelelahan pada pembebanan yang kompleks atau variabel, seringkalididasarkan pada hukum kerusakan non linier (linier damage rule)yang pertama kali diajukan oleh Palmgren (1924) dan dikembangkanoleh Miner (1945) sehingga metoda ini dikenal dengan hukum Miner.Hukum ini tidak selalu sesuai dengan kenyataan, sehingga muncullahberbagai alternatif yang lain seperti teori kerusakan non linier (olehCollins), metoda perhitungan siklus (cycle counting) yaitu
metodaperhitungan curah hujan rain flow counting (oleh Downing).2.1.3 Pengaruh Frekwensi Pembebanan Pengaruh frekwensi ini dapat dilihat pada pengujian kelelahanlogam dengan frekwensi ± 500÷10.000 siklus/menit, pada interval inihampir tidak ada pengaruhnya terhadap kekuatan lelah materialnya.Sebagai contoh pada pengujian kelelahan baja dengan frekwensi200÷5.000 siklus/menit, tidak menunjukkan adanya pengaruhtersebut terhadap batas lelahnya, tetapi pengujian pada frekwensi100.000 siklus/menit, maka batas lelahnya akan semakin meningkat(karena pada frekwensi tinggi, deformasi plastis yang terjadi ti daksebesar pada frekwensi rendah). Pengaruh frekwensi tersebut terjadipula pada logam-logam non ferro.2.2 Pengaruh Kondisi Material Awal retak lelah terjadi dengan adanya deformasi plastis mikrosetempat, dengan demikian komposisi kimia dan struktur mikromaterial akan sangat mempengaruhi kekuatan untuk menahanterjadinya deformasi plastis sehingga akan sangat berpengaruh pulaterhadap kekuatan lelahnya. Parameter-parameter dari kondisiCopyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 18 21. material yang mempengaruhi kekuatan lelah tersebut yaitu antara laindijelaskan berikut ini.2.2.1 Pengaruh Ukuran Butir Butir halus yang akan meningkatkan kekuatan luluh dankekuatan lelah atau akan meningkatkan umur lelah logam, hanyadapat terjadi pada pembebanan siklik dengan kondisi HCF atau LCS(High Cycle Fatigue atau Low Cycle Stress/Strain), tetapi berdasarkanhasil experimen menunjukkan bahwa pada pembebanan siklik dengankondisi sebaliknya yaitu LCF atau HCS (Low Cycle Fatigue atau HighCycle Stress/Strain), ternyata ukuran butir tidak berpengaruhterhadap umur lelah. Ukuran butir, pada satu sisi dapat meningkatkan umur lelah,tetapi disisi lain akan meningkatkan kepekaan terhadap takikan(notch). Spesimen yang halus permukaannya dan memiliki strukturberbutir halus, akan meningkatkan umur lelah, tetapi jika spesimentersebut memiliki takikan, maka akan berumur lebih pendek jikaberbutir halus.2.2.2 Pengaruh Kekuatan Sebagai patokan kasar, baja memiliki batas lelah sebesar:Se = 0,5 Su (2.8)Hal ini terlihat pada Gambar. 2.5 dan 2.6 berikut ini:Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 19 22. Gambar. 2.5 Pengaruh kekuatan tarik terhadap batas lelah. Gambar. 2.6 Hubungan antara batas lelah (lentur putar) dengan kekuatan tarik baja.Sedangkan untuk logamlogam non ferro (Cu, Ni, Mg, dan lain-lain)memiliki batas lelah sebesar:Se = 0,35 Su (2.9)Perbandingan Kekuatan lelah, Se dan kekuatan tarik, Su disebut rasiokelelahan. Jika pada spesimen tersebut memiliki takikan, maka rasiokelelahan akan menurun hingga 0,2÷0,3. Dengan demikian, semakintinggi kekuatan tarik logam, maka akan semakin tinggi pula kekuatanCopyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik MetalurgiUNJANI 20 23. lelahnya. Kekuatan tarik tersebut dapat ditingkatkan melaluimekanismemekanisme penguatan logam, yaitu antara lain: Penguatan larutan padat Penguatan fasa ke-2 Pengutan presipitasi Penguatan regangan Dan lain sebagainya Rasio kelelahan dari batas lelah karena pembebanan aksial hasileksperimen adalah sebesar 0,6÷0,9 dan secara konsevatif diestimasisebesar: Se (aksial) ≈ 0,7 Se (bending) (2.10)Sedangkan rasio kelelahan hasil eksperimen dengan uji lelah puntirdan bending atau lentur putar adalah sebesar 0,5÷0,6 dan hubungantersebut secara teoritis dituliskan:Se (puntir) ≈ 0,577 Se (bending) (2.11)2.2.3 Pengaru h Penguatan Larutan Padat Atom-atom asing akan menyebabkan distorsi kisi sehinggamenghasilkan medan tegangan pada kisi kristal logam yang akanmenghambat gerakan dislokasi yang pada akhirnya akanmeningkatkan kekuatan logam termasuk batas lelahnya, apalagi jikaatom asing tersebut yang larut padat interstisi, menimbulkan strainaging, maka
akan lebih meningkatkan batas lelah logam seperti yangditunjukkan pada Gambar. 2.7 berikut ini.Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 21 24. Strain aging dari atom asing Efek atom asing Logam murni Gambar. 2.7 Pengaruh unsur paduan/atom asing terhadap batas lelah.2.2.4 Pengaruh Fasa ke-2 Fasa ke-2 yang keras akan menghalangi gerakan dislokasisehingga akan meningkatkan kekuatan logam. Parameter fasa ke-2yang berpengaruh tersebut adalah: bentuk, ukuran dan distribusinya. Sebagai contoh baja yang memiliki struktur Ferit-Perlit denganbentuk sementit lamelar dan speroidal, maka kekuatan statiknyarelatif sama tetapi batas lelahnya dapat berbeda. Fasa ke-2 denganbentuk lamelar akan memiliki batas lelah yang relatif lebih rendah(Gambar. 2.8), hal ini dikaitkan dengan bentuk tersebut akan lebihpeka terhadap efek takikan, hal yang serupa terjadi pula pada fasaperlit atau karbida yang kasar, fasa alpha bebas dan austenit sisa. Sementit speroidal Sementit lamelar Gambar. 2.8 Pengaruh bentuk karbida terhadap batas lelah.Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 22 25. 2.2.5 Pengaruh Pengerasan Regangan Logam yang dikeraskan atau diperkuat melalui mekanismepengerasan regangan, akan meningkatkan kekuatan statik dansikliknya, hal ini dikarenakan penjalaran retakan akan menjadi lebihlambat pada logam yang telah mengalami pengerasan regangan(Gambar 2.9).Gambar. 2.9 Pengaruh pengerolan dingin terhadap kurva S-N baja.2.2.6 Pengaruh Struktur Mikro Struktur mikro merupakan satu faktor disamping komposisikimia yang sangat menentukan kekuatan logam, baik kekuatan statikmaupun sikliknya (Gambar 2.10). Sebagai contoh baja yang memilikistruktur Martensit akan memiliki kekuatan statik yang relatif tinggiakan tetapi kekuatan lelahnya relatif lebih rendah (karena bersifatgetas) dibandingkan baja dengan struktur Martensit t emper (karenaada peristiwa strain aging pada ujung retakan). Batas lelah baja akanlebih tinggi lagi jika struktur yang dimilikinya adalah fasa Bainit.Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 23 26. Gambar. 2.10 Pengaruh struktur mikro terhadap rasio kelelahan.2.2.7 Pengaruh Surface Finish Kelelahan logam merupakan suatu fenomena permukaan,sehingga kondisi permukaan (surface finish) logam akan sangatmempengaruhi batas lelahnya. Kondisi permukaan tersebut sangatditentukan oleh perlakuan permukaan seperti: Plating, dimana proses ini akan menghasilkan tegangan sisa tarik pada permukaan logam. Thermal (proses diffusi), seperti karburisasi, nitriding, dan lainnya dapat menimbulkan tegangan sisa tekan pada permukaan logam. Mechanical, misalnya shot peening, dapat menghasilkan tegangan sisa tekan pada p ermukaan logam.Dengan demikian proses perlakuan permukaan dapat menghasilkantegangan sisa ataupun ketidakkontinyuan (takik, fillet, retak) padapermukaan logam yang akan sangat mempengaruhi batas lelah darilogam yang bersangkutan (Gambar 2.11 sampai 2.13). Disamping ituproses perlakuan permukaan yang dapat menghasilkan kekasaranpermukaan tertentu pada baja akan menghasilkan suatu faktorCopyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 24 27. koreksi permukaan dari komponen baja seperti yang ditunjukkan padaGambar 2.14 dan 2.15. Gambar. 2.11 Pengaruh pelapisan chrom terhadap kurva S-N baja 4140. Gambar. 2.12 Pengaruh pelapisan nikel terhadap kurva S-N baja. Gambar. 2.13 Pengaruh shot peening terhadap kurva S-N baja lapis nikel.Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 25 28. Gambar. 2.14 Faktor koreksi kondisi permukaan pada komponen baja. Gambar. 2.15 Faktor koreksi kekasaran permukaan (RA : root mean square atau AA : Arithmetic Average) dan kekuatan dari komponen baja. Proses elektroplating nikel atau chrom dapat menyebabkanpenurunan kekuatan lelah hingga 60 % dan semakin
tebal lapisanakan semakin menurunkan kekuatan lelahnya, hal ini disebabkan olehkarena timbulnya tegangan sisa tarik pada permukaan logam yangdilapis yang relatif cukup tinggi. Solusi untuk menghindari pengaruhburuk dari proses ini adalah:Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 26 29. 1. Dilakukan proses nitriding sebelum proses elektroplating. 2. Dilakukan proses shot peening sebelum atau setelah proses elektroplating. 3. Dilakukan proses stress relieving (baja = 260oC dan aluminium = 121oC) setelah proses elektroplating.Proses elektroplating cadmium dan seng tidak begitu berpengaruhterhadap kekuatan lelah, tetapi semua jenis proses elektroplating jikakurang kontrolnya dapat menimbulkan penggetasan hidrogen yangmempengaruhi kekuatan logamnya. Pada Gambar 2.16 dan 2.17 ditunjukkan skematis distribusitegangan sisa pada batang yang dikenai pembebanan lentur (bending)dan beban aksial tarik.Gambar. 2.16 Tegangan sisa pada batang tanpa takikan yang dikenai beban lentur. Gambar. 2.17 Tegangan sisa pada batang bertakik yang dikenai beban tarik.Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 27 30. Berdasarkan Gambar 2.16 diatas dapat dijelaskan keadaantegangan (Gambar 2.16e) pada permukaan batang yang mengalamibeban lentur (Gambar 2.16d) yaitu sebagai berikut: 1. Pada titik1, permukaan batang mendekati titik luluh dan distribusi tegangan linier (Gambar 2.16a). 2. Jika beban lentur meningkat hingga titik 2, permukaan batang mulai mengalami luluh atau deformasi plastis (Gambar 2.16b). 3. Jika momen menurun hingga titik 3, maka batang akan memiliki distribusi tegangan sisa (Gambar 2.16c).Contoh lain dari tegangan sisa ini ditunjukkan pada Gambar. 2.17 daribatang pelat yang mengalami beban tarik siklik (Gambar 2.17d) dandapat dijelaskan sebagai berikut: 1. Pada titik 1 akan menyebabkan luluh atau deformasi plastis pada ujung takikan dari material (Gambar 2.17b) dan jika beban dihilangkan (titik 2), maka material akan mendapat tegangan sisa tekan (Gambar 2.17c). 2. Jika terjadi beban siklik (titik 3 dan 4), maka tegangan pada ujung retakan akan mengalami siklik pula (Gambar 2.17e). Metoda lain untuk menghasilkan tegangan sisa adalah denganpemberian teganga awal (prestressing atau presetting) yang dapatmenyebabkan peningkatan kekuatan lelah dari batang bertakikdengan pembebanan aksial seperti ditunjukkan pada Tabel 2.3 berikutini. Tabel.2.3 Batas lelah dari pelat berlubang dengan pembebanan aksial.Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik MetalurgiUNJANI 28 31. Presetting ini umumnya diterapkan pada komponen pegas ulirdan pegas daun dimana pemberian beban awal ini harus memiliki arahyang sama dengan pembebanan kerjanya. Presetting dapat pulamenyebabkan penurunan kekuatan lelah 20÷50 % jika diterapkanpada pembebanan lentur putar. Proses perlakuan permukaan secara thermal misalnyakarburising dan nitriding akan sangat menguntungkan terhadapketahanan lelah seperti yang ditunjukkan pada Tabel. 2.4, hal i nidikarenakan proses tersebut menyebabkan peningkatan kekuatanpermukaan material, dan menyebabkan pula timbulnya tegangan sisatekan pada permukaannya yang disebabkan adanya perubahanvolume. Demikian halnya pada proses perlakuan permukaan flamedan induction hardening. Tabel. 2.4 Pengaruh proses nitri ding terhadap batas lelah. Selanjutnya proses perlakuan permukaan secara mekanismisalnya shot peening yang menyebabkan timbulnya tegangan sisatekan pada permukaan material, akan sangat menguntungkankekuatan atau lelah materialnya. Hal ini ditunjukkan pada Gambar.2.18 dan 2.19 berikut ini.Gambar. 2.18 Pengaruh proses shot peening terhadap kurva S-N dari roda gigi yang dikarburisasi.Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 29
32. Gambar. 2.19 Pengaruh proses shot peening terhadap batas lelah dari baja baja kekuatan tinggi.2.2.8 Pengaruh Ukuran Komponen Kelelahan merupakan fenomena permukaan, maka akan sangatditentukan oleh ukuran permukaan. Semakin besar ukuran maka akansemakin besar pula kemungkinan terjadinya pembentukan awalretaknya, sehingga muncul faktor modifikasi batas lelah karena faktorini yaitu sebagai berikut:Csize = 1 jika d ≤ 8 mm (2.12)Csize = 1,189 d -0,097 jika 8 mm < d ≤ 250 mm (2.13)Pengaruh ukuran ini berhubungan dengan lapisan tipis permukaanmaterial yang terkena tegangan 95 % atau lebih. Gambar 2.20menunjukkan semakin besar ukuran akan semakin besar pula volumedari permukaan material yang mengalami tegangannya.Gambar. 2.20 Gradien tegangan pada spesimen berukuran besar dan kecil.Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 30 33. Pengaruh ukuran ini ditunjukkan pada Tabel 2.5 berikut ini: Tabel. 2.5 Pengaruh ukuran terhadap batas lelah.Contoh Soal 2.1:Beberapa batang baja kekuatan tinggi akan dipergunakan sebagailembaran pegas daun, pegas tersebut akan bekerja dengan kondisitegangan zero to maximum (R=0) dengan 3 titik pembebanan. Lebarbatang adalah 1 in dan tebal: 0,145 in.Pilihlah 2 kondisi perlakuan terhadap batang dibawah ini yang akanmemberikan umur lelah tak berhingga dengan menggunakanpersamaan Goodman sebagai perhitungannya.A. Kondisi as Heat Treated (Quench+Temper): Kekerasan = 48 HRc (≈ 465 BHN). Tegangan sisa pada permukaan = 0 ksi. Kekasaran permukaan (AA) = 24 μin. B. Kondisi as Shot Peened: Kekerasan = 49 HRc (≈ 475 BHN). Tegangan sisa pada permukaan = -80 ksi. Kekasaran
permukaan (AA) = 125 μin.Jawab:* Untuk kondisi A:Kekuatan:Se = 100 ksi (BHN >
400) dan,Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 31 34. Su = 0,5 BHN = 0,5 . 465 = 232 ksiUkuran luas pelat pegas:A = w t = 1 . 0,145 =
0,145 in2 maka,Diameter ekuivalennya adalah:A = Л/4 dek2 = 0,145dek = 0,43 in =
10.92 mm sehingga,*Faktor modifikasi pengaruh ukuran:Csize = 1,189 d-0,097 = 1,189 (10,92)-0,097 = 0,94*Faktor modifikasi pengaruh pembebanan adalah 1 karenapembebanan berupa lentur atau bending.Karena kekasaran permukaannya = 24 μin, maka sesuai denganGambar 2.15 dapat diket ahui;*Faktor modifikasi pengaruh kekasaran permukaan yaitu sebesar =0,75Dengan demikian batas lelah setelah memperhitungkan faktor-faktormodifikasinya adalah:S’e=Se . Csize . CLoad . Csurf finish=100 . 0,94 . 1 . 0,75= 70,5 ksiMaka tegangan yang diijinkan bekerja pada pegas
tersebut:σa / Se + σm / Su = 1Untuk pembebanan zero to max atau R=0 maka,σa = σm = σmax / 2 = σ sehingga,σ / Se + σ / Su = 1σ / 70,5 + σ / 232 = 1 maka,σ = 54 ksi sehingga,σmax = 108 ksiUntuk kondisi A, pegas tersebut dapat bekerja denga n umur
takberhingga dengan siklus tegangan antara 0 ÷ 108 ksi.(aktualnya adalah antara 0 ÷ 100 ksi, dengan demikian perhitungandiatas memiliki faktor kesalahan: 8 %).Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 32 35. * Untuk kondisi B:Kekuatan:Se = 100 ksi (BHN > 400) dan,Su = 0,5 BHN = 0,5 .
475 = 238 ksiKarena kekasaran permukaannya = 125 μin, maka sesuai
denganGambar. 23 dapat diketahui;*Faktor modifikasi pengaruh kekasaran permukaan yaitu sebesar =0,58Dengan demikian batas lelah setelah m emperhitungkan faktor-faktormodifikasinya adalah:S’e=Se . Csize . CLoad . Csurf finish=100 . 0,94 . 1 . 0,58= 54,5 ksiKarena pengaruh tegangan sisa dipermukaan sebesar - 80 maka:σa / Se + σm / Su = 1 dan,σa = σm = σmax / 2 = σ sehingga,σ / Se + {(σ -80) / Su} = 1σ / 54,5 + {(σ-80) / 238} = 1 maka,σ = 59,3 ksi sehingga,σmax = 118,6 ksiUntuk kodisi B, pegas tersebut dapat bekerja dengan umur takberhingga dengan siklus tegangan antara 0÷118,6 ksi.(aktualnya adalah antara 0÷140 ksi, dengan demikian
perhitungandiatas memiliki faktor kesalahan: 15 %).Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 33 36. Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 34 37. Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 35 38. Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 36 39. Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 37 40. Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 38 41. Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 39 42. Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 40 43. 2.3 Pengaruh Proses Pengerjaan Pada dasarnya setiap ketidakkontinyuan dan ketidakseragamanpada material akan berpengaruh langsung terhadap penjalaran retaklelah atau ketahanan lelah material, ketidakkontinyuan ini dapatberupa takikan dari geometri komponen ataupun berupa retakan danrongga sebagai akibat suatu proses pengerjaan. Selain ituketidakseragaman yang berupa ketidakmohogenan struktur ataupunberupa segregasi dari suatu proses pengerjaan akan sangatberpengaruh pula terhadap ketahanan lelah material.2.3.1 Pengaruh Proses Pengecoran Hal-hal yang berpengaruh terhadap ketahanan lelah logamsebagai akibat negatif dari proses pengecoran adalah: Segregasi (terutama segregasi makro) Cacat rongga Porositas Retak panas Terak, slag atau inklusi Dan lain-lain. Gambar. 2.21 Cacat-cacat coran.Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 41 44. 2.3.2 Pengaruh Proses Pembentukan Logam hasil proses pembentukan akan memiliki batas lelahyang lebih tinggi dari benda coran, namun cacat-cacat dari suatuproses pembentukan akan sangat merugikan pula terhadap bataslelah logam yang dihasilkan. Cacat-cacat tersebut antara lain: Cacat laps atau seams (berupa lipatan) pada permukaan produk tempa atau roll. Oksida yang terjebak pada lipatan di permukaan produk tempa atau roll. Permukaan yang kasar. Dan lain-lain. Pada Gambar 2.22, Tabel 2.6 dan Gambar 2.23 ditunjukkanpengaruh proses pembentukan terhadap ketahanan lelah baja, danpada Gambar 2.24 ditunjukkan pula pengaruh anisotrop yangdihasilkan dari proses pembentukan logam serta Gambar 2.25memperlihatkan jenis-jenis cacat proses pembentukan. Gambar. 2.22 Pengaruh pengerolan dingin terhadap kurva S-N baja.Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 42 45. Tabel. 2.6 Kekuatan lelah pada 105siklus dari baut baja AISI 8635 Gambar. 2.23 Pengaruh penempaan terhadap batas lelah baja. Gambar. 2.24 Pengaruh anisotrop terhadap ketahanan patah.Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik MetalurgiUNJANI 43 46. Gambar. 2.25 Cacat-cacat proses tempa dan ekstrusi.2.3.2 Pengaruh Proses Pengelasan Proses pengelasan melibatkan pencairan dan pembekuan, makasegala jenis cacat-cacat coran dapat terjadi didaerah logam las.Sedangkan daerah terpengaruh panas (Heat Affected Zone) dapatterjadi perubahan struktur mikro yang menghasilkan fasa getas danbutir kasar, hal ini akan sangat merugikan ketahanan lelahsambungan lasan disamping adanya tegangan sisa tarik pada daerahtersebut. Pada Gambar 2.26 ditunjukkan jenis-jenis cacat lasan.Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 44 47. Gambar. 2.26 Cacat-cacat lasan.2.3.3 Pengaruh Proses Pemesinan Kondisi permukaan logam sangat berpengaruh terhadap umurlelahnya, permukaan yang kasar merupakan tempat yang teganganlokalnya tinggi sehingga dapat menjadi lokasi awal retak lelah.Dengan demikian proses pemesinan yang menentukan kekasaranpermukaan logam akan menentukan pula terhadap ketahananlelahnya
disamping timbulnya tegangan sisa sebagai akibat deformasiplastis pada saat pembentukan geram dalam operasi pemesinantersebut (Gambar. 2.27), bahkan jika tegangan sisa tarik muncul yangcukup besar seperti dalam proses penggerindaan yang cukup berat,dapat menimbulkan retak rambut (Gambar 2.28). Gambar. 2.27 Pengaruh proses penggerindaan terhadap kurva S-N baja.Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 45 48. Gambar. 2.28 Cacat-cacat proses pemesinan.2.3.5 Pengaruh Proses Perlakuan Panas Pengaruh dari proses perlakuan panas yang dapat menurunkankekuatan lelah adalah: Over heating yang menyebabkan butir kasar. Over heating yang menyebabkan pencairan fasa bertitik cair rendah. Retak quench. Tegangan sisa Dekarburisasi (Tabel 2.7). Dan lain-lain. Tabel. 2.7 Pengaruh dekarburisasi terhadap batas lelah.Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 46 49. 2.4 Pengaruh Temperatur Operasi Pada temperatur tinggi, kekuatan logam akan menurunsehingga deformasi plastis akan lebih mudah terjadi dan batas lelahmenjadi tidak jelas (hilang) yang disebabkan oleh karena pengaruhmobilitas dislokasi (lihat Gambar 2.29). Room Temperature High Temperature (750oC) Gambar 2.29. Pengaruh temperatur terhadap batas lelah baja.2.5 Pengaruh Kondisi Lingkungan Kondisi lingkungan yang korosif akan menyerang permukaanlogam dan menghasilkan lapisan oksida atau produk korosi. Umumnyaoksida adalah sebagai lapis lindung dan dapat mencegah kerusakankorosi selanjutnya, tetapi pembebanan siklik dapat menyebabkanpecahnya lapisan tersebut dan kerusakan korosi berikutnya sehinggatimbul korosi sumuran yang berfungsi sebagai takikan. Hal itulah yangmenyebabkan penurunan kekuatan lelah, pengaruh lingkungan korosifini menurunkan kekuatan lelah logam hingga 10 % serta dapatmenyebabkan batas lelah menjadi tidak jelas (hilang) seperti yangditunjukkan pada Gambar 2.30, 2.31 dan Tabel 2.8 dan 2.9 berikutini.Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik MetalurgiUNJANI 47 50. Gambar 2.30. Pengaruh lingkungan terhadap kurva S-N baja. Gambar 2.31. Pengaruh kekuatan tarik terhadap korosi-lelah berbagai j enis baja.Tabel. 2.8 Kekuatan lelah baja pada beberapa kondisi lingkungan.Tabel. 2.9 Pengaruh perlakuan permukaan terhadap korosi-lelah baja.Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 48 51. Gambar. 2.32 Pengaruh lingkungan dan variabel metalurgis lainnya terhadap batas lelah.Latihan:2.1 Batang silinder berdiameter 2,5 in dan memiliki
kekasaranpermukaan 125 μ in terbuat dari bahan baja AISI 1035 dengankekuatan
tarik, Su = 92 Ksi. Tentukanlah beban yang akanmenghasilkan umur tak berhingga untuk kondisi: pembebanan aksialbolak-balik (R=-1) dan pembebanan puntir bolakbalik (R=-1).2.2 Gambarlah grafik hubungan antara kekuatan lelah, Se dengankekuatan tarik, Su dengan berbagai kondisi permukaan hasil perlakuanproses: Hot Rolling, Machining, Forging dan Poleshing. (GunakanlahGambar. 2.14).2.3 Suatu baja paduan memiliki kekuatan tarik, Su = 100 ksi. Bajatersebut diproses shot peening sehingga menghasilkan tegangan sisa-50 ksi yang menyebabkan peningkatan kekerasan dari 200 BHNmenjadi 250 BHN serta peningkatan kekasaran permukaan
dari 5menjadi 50 μ in. Estimasilah kekuatan lelah baja tersebut sebelumdan setelah
perlakuan shot peening.Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik MetalurgiUNJANI 49 52. 2.4 Poros baja kondisi A hasil proses pemesinan akan diganti olehporos baja kondisi B hasil proses forging. Tentukanlah diameter dariporos pengganti tersebut yang akan dipakai pada pembebanan puntirbolak-balik yang menghasilkan umur 106 siklus.Poros A: Su = 80 Ksi Surface finish, AA = 125 μ in (machined) Diameter = 1,5
inPoros B: Su = 90 Ksi Surface finish, AA = as forgedCopyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 50 53. III. KONSEP S-N Konsep tegangan-siklus (S-N) merupakan pendekatan pertamauntuk memahami fenomena kelelahan logam. Konsep ini secara luasdipergunakan dalam aplikasi perancangan material dimana teganganyang terjadi dalam daerah elastik dan umur lelah cukup panjang.Metoda S-N ini tidak dapat dipakai dalam kondisi sebaliknya(tegangan dalam daerah plastis dan umur lelah relatif pendek), hal inidapat dilihat pada Gambar 3.1. Umur lelah yang diperhitungkan dalammetoda S-N ini adalah umur lelah tahap I (inisiasi retak lelah) danumur lelah II (propagasi retakan). Total = Elastic and Plastic HCF Elastic LCF Plastic LCF atau PCS HCF atau ECS HCS=High Cycles Stress/Strain LCF=Low Cycles Fatigue LCS=Low Cycles Stress/Strain PCS=Plastic Cycles Strain HCF=High Cycles Fatigue ECS=Elastic Cycles Strain Gambar. 3.1 Pembagian daerah umur lelah dalam kurva S N.Batas daerah pada Gambar 41 tersebut diatas adalah antara 10÷105tergantung jenis materialnya (baja: ±104 siklus).Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 51 54. Dasar dari metoda S-N ini adalah diagram Wohler atau diagramS-N yang secara experimen didapat dari pengujian lelah lentur putardengan tegangan yang bekerja berfluktuasi secara sinusiodal antarategangan tarik dan tekan, sebagai contoh adalah pada pengujian R.RMoore dengan 4 titik pembebanan pada frekwensi 1750 rpm terhadapspesimen silindris berdiameter 0,25÷0,3 in. Kurva hasil pengujian iniditunjukkan pada Gambar 3.2, 3.3 dan 3.4 berikut ini. Gambar. 3.2 Kurva S-N baja AISI 1045. Gambar. 3.3 Kurva S-N aluminium 2024-T4.Gambar. 3.4 Kurva S-N beberapa baja yang diplot dalam rasio Se/Su.Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 52 55. Kekuatan lelah atau batas lelah (endurance limit), Se adalahtegangan yang memberikan umur tak berhingga. Sebagai Contohpada nilai batas lelah baja AISI 1045 seperti yang ditunjukkan padaGambar 3.2 diatas yaitu sebesar 50 ksi. Kebanyakan jenis bajadengan kekuatan tarik dibawah 200 ksi memiliki nilai batas lelahsebesar 0,5 dari kekuatan tariknya, hal ini ditunjukkan pada Gambar2.7 dan Gambar 3.4 diatas. Tegangan dibawah batas lelah akan menyebabkan logam amanterhadap kelelahan, hal ini disebabkan karena gerakan dislokasinyaakan terhambat oleh atom-atom asing interstisi sehingga tidak akanmenghasilkan PSB (Presistant Slip Band). Batas lelah logam-logamBCC (Body Centered Cubic) akan tidak jelas sehingga kurvanyamenjadi kontinyu jika mengalami kondisi sebagai berikut: Over load periodik (sehingga dislokasi mengalami unlock atau unpin). Lingkungan yang korosif. Temperatur tinggi (sehingga mobilitas dislokasi tinggi). Pada logam-logam FCC (Face centered Cubic), batas lelahnyatidak jelas atau kurvanya kontinyu (Gambar 3.5), sehingga kekuatanlelahnya ditentukan dari nilai tegangan yang memberikan umur:5X108 siklus. BCC Metals FCC MetalsCopyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 53 56. Gambar. 3.5 Perbandingan kurva S-N pada logam BCC dan FCC. Kurva S-N baja dapat diestimasi dari rasio kelelahan sepertiyang ditunjukkan pada Gambar 2.7 dan 3.4 yaitu ditunjukkan padaGambar 3.6 berikut ini. Gambar. 3.6 Estimasi kurva S-N untuk Baja.Hubungan tegangan siklik, S dan umur lelah, N (siklus):S = 10C Nb (untuk: 103 < N < 106) (3.1)atau:N = 10-C/b S1/b (untuk: 103 < N < 106) (3.2)Eksponen C dan b ditentukan sebagai berikut:b = - 1/3 log (S1000/Se) (3.3)C =
log {(S1000)2/Se} (3.4)Batas lelah:Se = 0,5 Su (Su ≤ 200 ksi atau 1379 Mpa) (3.5)Se = 0,25 BHN (BHN ≤ 400) (3.6)Se = 100 ksi atau 689,5 Mpa (3.7) (Su > 200 ksi atau 1379 Mpa)Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 54
57. Tegangan siklik yang menghasilkan umur 1000 siklus:S1000 = 0,9 Su (3.8)Estimasi hubungan S-N (untuk: 103 < N < 106) adalah:S = 1,62 Su N-0,085 (3.9)atauS = 0,81 BHN N-0,085 (3.10)Berdasarkan persamaan garis lurus (Y=mX+C) dari Gambar 3.6diatas, estimasi hubungan S-N (untuk: 103 < N < 106 atauSe106 siklus:Sa/Sb = (Nb/Na)R (3.12)dimana:Sa = Kekuatan lelah pada umur NaCopyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 55 58. Sb = Kekuatan lelah pada umur NbNa = Umur lelah pada kekuatan lelah SaNb =
Umur lelah pada kekuatan lelah SbR = Rasio tegangan = σmin / σmaxPada tegangan siklik, S atau SN sebesar tegangan patah sebenarnya,σf maka umur lelah adalah sebesar 1 atau ¼ siklus.Hubungan tegangan maksimum, σmax dengan batas lela h dankekuatan tarik, dapat dirumuskan sebagai berikut:σmax = (2 Se Su) / {Se + Su + R (Se – Su)} (3.13)Contoh Soal 3.1:Suatu komponen baja dengan Su = 150 ksi dan Se = 60 ksimengalami pembebanan siklik dengan tegangan maksimum 110 ksidan tegangan minimum 10 ksi. Dengan menggunakan persamaanGoodman, tentukan
umur komponen baja tersebut.Jawab:σmax = 110 Ksiσmin = 10 Ksiσa = ( 110 – 10 ) : 2 = 50 Ksiσm = (110 + 10 ) : 2 = 60 Ksidari persamaan Goodman:σa /Se + σm /Su = 1σa /SN + σm /Su = 150/SN + 60/150 = 1SN = 83 KsiCopyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 56
59. Jika diplot pada Diagram haigh: σa S1000=0,9Su=110 83 Se=0,5Su=60 σm 60 Su=150Maka umur komponen akan berada pada siklus antara 103 ÷ 106dengan nilai tegangan siklik sebesar 83 Ksi.Jika diplot pada Diagram S-N: S (Ksi) 110 83 60 N (siklus) 103 106dapat dihitung berdasarkan persamaan S-N:S = 1,62 . Su . N0,085Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 57 60. 83 = 1,62 . 150 . N-0,085N = 3,1 . 105 SiklusContoh Soal 3.2:Suatu batang komponen baja dengan kekuatan tarik, Su = 114 Ksimemiliki lebar 1 inch dan tebal ¼ inch dan pada kedua sisinyaterdapat takikan ½ lingkaran dengan radius 1/10 inch.Tentukan umur lelah komponen tersebut jika dikenai beban berulang(R=-1) dengan amplitudo beban 10 Kips.Jawab. Penampang sisa, Anet = ¼ . 0,8 = 0,2 in2 Maka: Snet = P/Anet = 10 Kips / 0,2 in2 = 50 Ksi Berdasarkan persamaan S-N, sehingga: S = 1,62 . Su . N-0,085 50 = 1,62 . 114 . N-0,085 N = 4,7 . 106 SiklusLatihan:3.1 Baja dengan kekuatan tarik, Su = 100 Ksi. Prediksikanlahtegangan siklik yang diijinkan yang akan memberikan umur: 103 dan106 siklus. Ulangi prediksi tersebut untuk baja dengan kekuatan tarik220 Ksi. Gambarkan pula skematis kurva S-N nya.Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 58 61. 3.2 Estimasikanlah kekerasan minimum (BHN) dari baja yang akandipakai sebagai suatu komponen yang mendapat tegangan siklik ±100 Ksi dan harus berumur 500.000 siklus.3.3 Estimasikanlah umur lelah (dalam siklus) yang direncanakanterhadap komponen: batang torak pada mesin otomotif, handle remsepeda motor dan engsel pintu. Berikanlah penjelasannya.3.4 Suatu baja dengan kekuatan tarik, Su = 70 Ksi dan kekuatanlelah, Se = 33 Ksi. Tentukanlah tegangan maksimum (zero to max, R= 0) yang memberikan umur lelah: 103 dan 106 siklus. Gunakanlahpersamaan Goodman dalam prediksi tersebut.3.5 Suatu komponen mengalami tegangan siklik: σmax = 75 Ksi danσmin = -5 Ksi. Jika komponen tersebut terbuat dari baja dengankekuatan tarik, Su = 100 Ksi, prediksikanlah umur lelahnya.3.6 Pendekatan lain dalam memprediksi umur lelah adalah denganpersamaan Basquin (1910):σa = (σf - σm) (2Nf)bdimana: σf = kekuatan patah sebenarnya (true fracture strength) b = eksponen kekuatan lelah2Nf = umur kegagalan (cycles to
failure)Jika Su = 75 Ksi, σf =
120 Ksi dan b = -0,085. Tentukanlah tegangansiklik yang diijinkan (σa) yang dapat bergabung dengan σm sebesar 40ksi dan memberikan
umur lelah 5.105 siklus. Bandingkan pula hasilnyajika prediksi dilakukan melalui persamaan Goodman.Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik MetalurgiUNJANI 59 62. IV. KONSEP ε- N Metoda ε-N didasarkan pada observasi terhadap banyakkomponen yang merupakan respon material pada lokasi-lokasi kritis(takikan). Metoda ε-N ini memprediksi umur lelah tahap I(pembentukkan awal retak) saja, hal ini berbeda dengan metoda S-Nyang memprediksi umur lelah tahap I dan II (penjalaran retak). Padakondisi pembebanan rendah (HCF/LCS/ECS) akan menghasilkan LoadControlled Test (S- N) dan Strain Controlled Test (ε-N) yang equivalen.Metoda ε -N ini merupakan suatu metoda yang sangat bergunauntukmengevaluasi umur lelah dari komponen yang memeiliki takikan.4.1 Perilaku Material4.1.1 Perilaku Tegangan-Regangan Monotonik Suatu pengujian tarik monotonik pada spesimen uji, padaumumnya adalah untuk menentukan perilaku tegangan-reganganteknis dari suatu material (Gambar 4.1).Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 60 (a) (b) 63. Gambar 4.1 (a) Spesimen uji tarik sebelum dan pada saat terdeformasi. (b) perbandingan tegangan-regangan teknis dan sebenarnya.Keterangan Gambar 4.1 diatas adalah:P=bebanlo=panjang awaldo=diameter awalAo=luas penampang awall=panjang sebenarnyad=diameter sebenarnyaA=luas penampang sebenarnyaPersamaan tegangan-regangan:Tegangan teknis, S = P/Ao (4.1)Regangan teknis, e = ∆l/lo = (l -lo)/lo (4.2)Tegangan sebenarnya, σ = P/A (4.3)Regangan sebenarnya, ε = ∫l dl/l = ln l/lo (4.4) loHubungan tegangan -regangan teknis dan sebenarnya:∆l= l-lol=lo - ∆lmaka, ε=ln [(lo+∆l)/lo] = ln (1+∆l/lo) = ln (1+e) (4.5)Hubungan tersebut berlaku sampai titik maksimum (necking) dimanapada daerah tersebut deformasi yang terjadi secara homogensehingga berlaku pula hubungan volume konstan. Maka hubungantegangan teknis dan sebenarnya pada daerah ini adalah:Ao lo = AlCopyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 61
64. Ao / A = l/loε = ln l/lo = ln Ao/A = ln (1+e)S = F/Aoσ = F/Ao = S Ao /A = S (1+e) (4.6) Regangan total yang terjadi pada saat deformasi adalah jumlahdari
regangan elastis dan regangan plastis.εt = εe + εp (4.7)secara skematis, regangan total ini ditunjukkan pada Gambar 4.1dibawah ini. Gambar 4.2 Regangan elastis dan plastis.Hubungan tegangan-regangan pada daerah elastis, dinyatakan olehpersamaan Hooke:εe = σ/E (4.8)dimana, E=Modulus elastisitas.Sedangka n hubungan teganganregangan plastis, mengikutipersamaan tegangan alir sebagai berikut:Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 62
65. σ = K εpnεp = (σ/K)1/n (4.9)dimana, K=keofisien kekuatan n=exponen
pengerasan regangan: Su/Sy = (n/offset)n exp (-n)Dari hubungan tegangan-regangan pada titik patah (fracture):σf = Ff/Afεf = ln Ao/Af = ln 1/(1-q)σf = K εfnmaka, K =
σf/εfn (4.10)sehingga:εp = [σ/ (σf/εfn )]1/n = [(σ εfn)/ σf]1/n = εf (σ/σf)1/n (4.11)dari Persamaan 4.7 dan 4.8 maka:εt = σ/E + (σ/K)1/n (4.12)4.1.2 Perilaku Tegangan Regangan Siklik Kurva tegangan-regangan monotonik telah lama dipergunakandalam menentukan parameter desain untuk membatasi tegangan-tegangan yang terjadi pada struktur teknik dan komponen yangmengalami pembebanan statis. Demikian halnya dengan kurvategangan-regangan siklik, adalah dipergunakan untuk memperkirakanketahanan struktur dan komponen yang mengalami pembebanansiklik atau dinamis (beban berubah-ubah atau berulang-ulang). Gambar 4.3 menunjukkan
kurva histerisis loop sebagai responmaterial terhadap pembebanan siklik.Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 63 66. Gambar 4.3 Diagram histerisis (hysteresis loop).Tegangan- regangan amplitudo:εa
= ∆ε/2 (4.13)σa = ∆σ/2 (4.14)Regangan total:∆ε = ∆εe + ∆εp (4.15)Regangan amplitudo total:∆ε/2 = ∆εe/2 + ∆εp /2 (4.16)Dengan substitusi dari hukum Hooke, maka:∆ε/2 = ∆σ /2 + ∆εp /2 (4.17)4.1.2 Perilaku Transient: Regangan Siklik
Hardening dan Regangan Siklik Softening Respon tegangan regangan dari logam, seringkali berubahsecara drastis pada pembebanan siklik. Perubahan ini tergantung padakondisi logamnya (hardening dan tempering atau annealing) yangmeliputi: Cyclically harden Cyclically softenCopyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 64 67. Stabil Campuran antara soften dan hardenPada Gambar 4.4 ditunjukkan respon tegangan dari suatu materialyang mengalami pembebanan regangan (b) dan respon regangan-regangan untuk dua siklus (c). Pada gambar tersebut terlihatpeningkatan tegangan pada setiap siklus regangan, sebaliknyapenurunan tegangan dari siklik sotening diperlihatkan pada Gambar4.5. Gambar 4.4 Siklik hardening: (a) Amplitudo regangan konstan. (b) Respon tegangan. (c) Respon tegangan-regangan siklik.Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 65 68. Gambar 4.4 Siklik softening: (a) Amplitudo regangan konstan. (b) Respon tegangan. (c) Respon tegangan-regangan siklik.Respon tegangan-regangan siklik untuk terjadinya siklik hardeningatau softening adalah t ergantung pada kestabilan substrukturdislokasinya, secara umum: Pada material lunak, awalnya kerapatan dislokasinya rendah, dengan adanya cyclic plastic straining maka kerapatan dislokasinya akan meningkat sehingga menjadi bertambah keras atau kuat (siklik hardening). Pada material keras, adanya cyclic plastic straining akan menyebabkan terjadinya pengturan dislokasi sehingga menurunkan ketahanan terhadap deformasi (siklik softening).Manson memprediksi fenomena siklik hardening atau softening darisuatu material berdasarkan sifat-sifat monotoniknya (Gambar 4.6),yaitu: σuts /
σys > 1,4 maka material akan mengalami siklik hardening. σuts / σys < 1,2 maka
material akan mengalami siklik softening.Perilaku siklik ini dapat pula diprediksi bedasarkan nilai eksponenpengerasan regangan monotonik, yaitu: n > 0,2 maka material akan mengalami siklik hardening. n < 0,1 maka material akan mengalami siklik softening.Pada umumnya perilaku siklik hardening atau softening terjadi hanyapada awal kelelahan (±20÷40% umur lelah) dan selanjutnya adalahstabil (±50% umur lelah).Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 66 69. Gambar 4.6 Kurva tegangan-regangan siklik dan monotonik.4.2 Hubungan Tegangan-Regangan siklik Seperti halnya dalam kondisi monotonik, maka hubungantegangan- regangan pada kondisi siklik dapt dinyatakan sebagaiberikut:σ =
K’ εpn’ (4.18)dimana, σ =tegangan amplitudo K’=konstanta tegangan siklik εp=regangan plastis siklik n’=koefisien pengerasan regangan siklik, ditentukan dari
plot log-log tegangan-regangan siklik, secara umum untuk logam besarnya adalah: 0,1÷0,25 rata-rata: 0,15sehingga:εp = (σ/K’)1/n (4.19)maka sesuai dengan Persamaan
(4.7) dan (4.12):ε = σ/E + (σ/K’)1/n’ (4.20)Copyright © 2007 by Abrianto
AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 67 70. Gambar 4.7 Plot log-log tegangan-regangan siklik.dan regangan amplitudonya
sesuai dengan Persamaan (4.16) yaitu:∆ε/2 = ∆σ/2E + (∆σ/2K’)1/n’ (4.21)Atau total regangannya adalah:∆ε = ∆σ/E + 2(∆σ/2K’)1/n’ (4.22)Contoh Soal 4.1:Material dengan sifat-sifat mekanik sebagai berikut: E=30. 103 ksi n’=0,202 K’=174,6 ksiMaterial tersebut dikenai regangan berulang (fully reversed) denganrange
regangan, ∆ε=0,04. Tentukan respon tegangan -regangan darimaterial tersebut.Jawab:Gambar dibawah ini menunjukkan sejarah regangannya, padapembebanan awal (titik. 1):ε1 = σ1/E + (σ1/K’)1/n’0,02= σ1/30.103 + (σ1/174,6)1/0,202Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi -UNJANI 68
71. σ1=77,1 ksiRegangan amplitudo:∆ε = ∆σ/E + 2(∆σ/2K’)1/n’0,04= ∆σ/30.103 + 2(∆σ/(2. 174,6))1/0,202∆σ=154,2 ksiTegangan pada titik. 2:ε2 = ε1 - ∆ε = 0,02 – 0,04 = -0,02σ2 = σ1 - ∆σ = 77,1 – 154,2 = -77,1 ksi4.3 Kurva ε -N (Regangan-Siklus) Tahun 1910, Basquin meneliti bahwa data S-N (reganganelastik) dapat di plot secara linier dalam skala log-log:∆σ/2 = σ’f (2Nf)b (4.23)dimana, ∆σ/2 =amplitudo tegangan
σ’f =konstanta kekuatan (tegangan) lelah 2Nf =jumlah siklus kegagalan (1
putaran=1/2 siklus) b =eksponen kekuatan (tegangan) lelah atau eksponen Basquin=0,05÷-0,12 ; rata-rata=-0,085 Pada tahun 1950-an, Coffin dan Manson (sendirisendiri)menemukan data εp -N juga linier dalam koordinat log-log:Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 69
72. ∆εp/2 = ε’f (2Nf)c (4.24)dimana, ∆εp/2 =amplitudo regangan plastis ε’f =konstanta keuletan (regangan) lelah (untuk logam ulet≈1 dan untuk logam keras≈0,5) c =eksponen keuletan (regangan) lelah= -0,5 (Coffin, untuk logam keras)÷0,7(Manson, untuk logam ulet), rata-rata=-0,6 (Manson)Sehingga amplitudo
regangannya sesuai dengan Persamaan (4.16)dan (4.17) adalah:∆ε/2 = σ’f/E (2Nf)b + ε’f (2Nf)c (4.25)Persamaan (4.25) diatas jika di plot dalam sebuah diagrammenghasilkan kurva seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.8 (a)berikut ini. (a) (b) Gambar 4.8 Kurva ε -N.Umur transisi (Gambar 4.8 (b)) yang merupakan umur reganganelastis sama dengan umur regangan plastis dapat ditentukan
sebagaiberikut:∆εe/2 = ∆εp/2σ’f/E (2Nf)b = ε’f (2Nf)c dimana 2Nf=2Nt2Nt = (ε’f E / σ’f )1/b-c (4.26)Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 70
73. Berdasarkan Gambar 4.8 (b), dapat ditunjukkan bahwa jika kekuatanatau kekerasan material meningkat maka umur transisi akanmenurun. Hal ini diperlihatkan pula pada Gambar 4.9 berikut ini. Gambar 4.9 Kurva ε -N untuk baja karbon medium kondisi quenching dan normalizingPada baja karbon medium yang dinormalising (relatif ulet):2Nt=90.000 siklus dan jika dalam kondisi dikeraskan (queching) akanmemiliki 2Nt=15 siklus. Dengan demikian untuk regangan tertentupada kondisi quenching akan memberikan umur lelah yang lebih lamapada daerah pembebanan regangan elastis atau siklus lelah tinggi.Sebaliknya pada kondisi normalising akan memberikan umur lelahyang lebih lama pada pembebanan regangan plastis atau siklus lelahrendah (lihat Gambar 3.1).Contoh Soal 4.1:Berikut ini diberikan data sifat mekanik monotonik dan siklik darisuatu spesimen baja yang dipoles, yaitu: Data monotonik. Sy = 158 ksi Su = 168 ksi E = 28,4 X 103 ksiCopyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 71 74. f = 228 ksi q = 52 % εf = 0,734 Data siklik.Tentukanlah konstanta teganganregangan dan regangan- siklus (K’,n’, σ’f , b, ε’f , c) untuk baja tersebut.Jawab:
Menentukan σ’f dan b dengan menggunakan hubungan antara tegangan amplitudo dengan siklus kegagalan (dari data siklik): ∆σ/2 = σ’ f (2Nf)b Menentukan ε’f dan c
dengan menggunakan hubungan antara amplitudo regangan plastis dengan siklus kegagalan (dari data siklik): ∆εp /2 = ε’f (2Nf)cKurva regangan -siklus berdasarkan data siklik:Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 72 75. maka sifat-sifat sikliknya adalah: σ’f = 222 ksi (berdasarkan pendekatan = 228 ksi) b = -0,076 (berdasarkan pendekatan = - 0,085) ε’f = 0,811 (berdasarkan pendekatan = 0,734) c = -0,732 (berdasarkan pendekatan = -0,6) Menentukan K’ dan n’ dengan menggunakan hubungan antara tegangan amplitudo dengan amplitudo
regangan plastis: σ = K’ (εp)n’ maka menghasilkan sifat -sifat siklik: K’ = 216 ksi n’ = 0,094atau dapat ditentukan pula melalui persamaan: K’ = σ’f / (ε’f)n’ = 227 ksi dan n’
= b/c = 0,104Contoh Soal 4.2:Suatu batang komponen baja dengan kekuatan tarik, Su = 114 Ksimemiliki lebar 1 inch dan tebal ¼ inch dan pada kedua sisinyaterdapat takikan ½ lingkaran dengan radius 1/10 inch.Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 73 76. Tentukan umur lelah komponen tersebut jika dikenai beban berulang(R=-1) dengan amplitudo beban 10 Kips.Jawab: Penampang sisa, Anet = ¼ . 0,8 = 0,2 in2 Maka: Snet = P/Anet = 10 Kips / 0,2 in2 = 50 Ksi Berdasarkan persamaan ε - N: ∆ε/2 = σ’f (2Nf)b + ε’f (2Nf)c b=-0,085 (diambil nilai rata-ratanya) c =-0,6 (diambil nilai rata-ratanya) σ’f ≈ σf ≈ Su+50 (ksi) = 114+50=164 ksi ε’f ≈ εf =ln 1/(1 -q)=1(diambil untuk logam ulet)∆ε = ∆σ/E + 2(∆σ/2K’)1/n’ ∆σ=σmax- σmin=50-(-50)=100 ksi n’ ≈ n atau n’=b/c= -0,085/-0,6=0.142 K’= σ’f/ε’fn’=154 ksimaka:∆ε = 100/30.103 +
2(100/(2. 154))1/0,142 = 0,0042sehingga:∆ε/2 = σ’f/E (2Nf)b + ε’f (2Nf)c0,0021=
(164/30.103) (2Nf)-0,085 + 1 (2Nf)-0,6maka:2Nf = 70.000 siklus ( dihitung dengan teknik iterasi)Umur tersebut merupakan umur fatik tahap satu yaitu pada tahappembentukan awal retak.Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 74 77. Latihan:4.1 Suatu logam memiliki sifat mekanik monotonik sebagai berikut: E=193 Gpa Su=650 Mpa Sy=325 Mpa a. Pada kondisi pembebanan siklik, apakah material akan bertambah keras atau bertambah lunak? b. Hitung regangan yang dicapai pada ½ siklus pertama untuk tegangan amplitudo 200 Mpa. c. Tentukan regangan total (stabil) dan amplitudo regangan untuk tegangan amplitudo 200 Mpa.4.2 Berikut ini disampaikan kurva beban-pertambahan panjang dari material kuningan dengan nilai modulus elastisitas, E = 100 Gpa dan data lainnya sebagai berikut: Panjang awal, lo = 167 mm Diameter awal, do = 3,17 mm Diameter akhir (pada daerah necking), df = 2,55 mm Tentukanlah: a. kekuatan luluh (0,2 % offset), Sy. b. Kekuatan tarik, Su. c. Prosentase reduksi penampang, % RA. d. Regangan
patah sebenarnya, εf. e. Kekuatan patah sebenarnya, σf. f. Konstanta tegangan, K. g.
Eksponen pengerasan regangan,n. h. Tegangan sebenarnya pada beban maksimum. i. Regangan sebenarnya pada beban maksimum.Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 75 78. 4.3 Berikut ini disampaikan data sifat mekanik monotonik beberapa logam-logam teknik. Manakah diantara logam-logam tersebut yang akan mengalami siklik hardening, softening atau stabil? Tunjukkan pula dari logam-logam tersebut yang menjadi pilihan terbaik untuk menentukan: a. Beban tarik maksimum ( batang halus). b. Perpanjangan seragam maksimum sebelum necking pada saat pembebanan tarik. c. Energi maksimum yang diperlukan dari batang halus untuk terjadinya regangan sebesar 0,001. d. Energi maksimum yang diperlukan untuk terjadinya patah. e. Regangan elastis minimum pada saat terjadinya necking. f. Regangan totalmaksimum pada saat necking.Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 76 79. 4.4 Berikut ini disampaikan data parameter tegangan-regangan siklik dan regangan-siklus dari suatu baja. σ’f = 133 ksi b = -0,095 ε’f = 0,26 c = -0,47 n’ = 0,202 K’ = 174,6 ksi E = 30.103 ksi Tentukanlah umur fatik dari baja tersebut dengan kondisi regangan sepertiditunjukkan pada Gambar dibawah ini. Kondisi regangan A: amplitudo konstan. B dan C: memiliki overload awal sebagai tegangan sisa. Pergunakanlah persamaan regangan-siklus dari Morrow yang memperhitungkan tegangan rata-rata, σo yaitu sebagai berikut: ∆ε/2 = ((σ’f – σo) / E) (2Nf)b + ε’f (2Nf)c Dalam perhitungan umur fatik ini pergunakanlah juga persamaan Manson-
Halford: ∆ε/2 = ((σ’f – σo) / E) (2Nf)b + ε’f ((σ’f – σo) / σ’f)c/b (2Nf)c Bandingkan pula hasilnya jika mempergunakan persamaan Smith-Watson- Topper: σmax (∆ε/2) = ((σ’f)2 / E) (2Nf)2b + σ’f ε’f (2Nf)b+cCopyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik
Metalurgi-UNJANI 77 80. V. KONSEP da/dN Umur lelah suatu komponen adalah meliputi umur untukterjadinya pembentukan awal retak (tahap inisiasi) dan umur untukmerambatkan retakan (tahap propagasi). Pada amplitudo teganganatau regangan rendah, 90 % umur lelah didominasi oleh tahap inisiasidan sebaliknya pada amplitudo tinggi, akan didominasi oleh propagasiretakan. Prediksi umur lelah pada tahap propagasi ini didekati denganmenggunakan konsep mekanika retakan atau konsep da/dN. Konsep mekanika retakan mempersyaratkan asumsi adanyaretakan awal. Retak awalini dapat berupa cacat atauCopyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 78 81. ketidaksempurnaan komponen (porositas,inklusi dan lain sebagainya).Konsep mekanika retakan inipun dapat diterapkan terhadapkomponenyang bebas cacat. Umur lelah yang diperoleh dari hasil prediksi denganmenggunakan konsep mekanika retakan (umur propagasi) ditambahumur lelah dengan menggunakan konsep regangan-siklus (umurinisiasi) akan menghasilkan umur total kelelahan dari suatu komponen(Gambar 5.1). Gambar 5.1 Umur inisiasi dan propagasi retakan dari total umur lelah. Konsep mekanika retakan dapat menjawab beberapa hal darisuatu komponen yaitu: 1. Berapa kekuatan sisa darisuatu komponen. 2. Berapa nilai panjang retak kritis atau ukuran retak maksimum yang diijinkan. 3. Berapa lama retak akan menjalar dari ukuran semula hingga ukuran kritisnya. 4. Berapa umur sisa dari suatu komponen struktur dalam service atau operasionalnya. 5. Berapa sering inspeksi harus dilakukan untukmemonitor penjalaran retkan.Copyright © 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 79
