Laporan Praktikum Laboratorium Teknik Material 1 Modul E Uji Lelah oleh :
Nama
: Catia Julie Aulia
NIM
: 13714035
Kelompok
:7
Anggota (NIM) : 1. Conrad Conrad Cleave Bonar (13714008) 2. Catia Julie Aulia
(13714035)
3. Hutomo Tanoto
(13714044)
4. Fakhri Arsyi Hawari
(13714051)
Tanggal Praktikum
: Rabu, 30 Maret 2016
Tanggal Penyerahan Penyerahan Laporan : Senin, 4 April 2016 Nama Asisten (NIM)
: Reyza Presetyo (13712050)
Laboratorium Metalurgi dan Teknik Material Program Studi Teknik Material Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara Institut Teknologi Bandung 2016
Catia Julie Aulia 13714035
BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang
Kegagalan suatu material pada umumnya terjadi karena diberi beban dinamik. Pembebanan dinamik adalah pembebanan yang melibatkan tegangan aksial, fleksural, dan torsional yang berfluktuasi. Meskipun tegangan yang diterima lebih kecil dari beban maksimum yang dapat diterima, kegagalan tetap dapat terjadi. Kegagalan yang disebabkan oleh beban dinamik ini disebut dengan Fatigue Failures. Pada aplikasinya, banyak benda yang mengalami fatigue failures. Contohnya adalah jembatan, kompresor, turbine blade, atau pompa. Fatigue failures merupakan patah secara tiba-tiba, tidak dapat diprediksi dengan tepat. Oleh sebab itu uji fatigue sangat diperlukan untuk menentukan umur komponen.
Tujuan Praktikum
Tujuan dari Percobaan Uji Lelah adalah : 1. Menentukan terjadinya kegagalan atau tidak melalui Diagram Goodman.
Page 2 of 16
Catia Julie Aulia 13714035
BAB II TEORI DASAR Fatigue Fatigue adalah kerusakan secara progresif dan lokal yang terjadi ketika
suatu material mengalami beban siklik.
Fatigue Failures Suatu logam akan mengalami kegagalan apabila menerima beban secara
repetisi atau fluktuasi. Nilai beban yang menyebabkan logam tersebut gagal secara repetisi atau fluktuasi selalu berada dibawah nilai beban yang diberikan secara statis. Kegagalan yang disebabkan oleh beban dinamis biasa disebut dengan fatigue failures. failures. Fatigue failures biasanya failures biasanya terjadi pada siklus tertentu. Fatigue failures biasanya failures biasanya disebabkan oleh faktor-faktor berikut : 1. Tegangan tarik maksimum yang cukup tinggi 2. Adanya variasi atau fluktuasi pada beban yang diberikan 3. Siklus yang diberikan cukup besar Faktor lainnya adalah konsentrasi tegangan, korosi, temperatur, struktur, tegangan kombinasi, residual stresses, dan overload.
Skema Uji Fatigue Gambar 1. Skema Uji Fatigue
Page 3 of 16
Catia Julie Aulia 13714035
Stress Cycles Dari pengujian lelah, kita dapat memperoleh kurva stress cycles. Kurva
stress cycles dapat memperlihatkan jenis tegangan fluktuasi yang dapat menyebabkan fatigue. Kurva stress cycles dibagi menjadi dua jenis, yaitu zero mean stress dan non zero mean stress.
Gambar 3. Non Zero Mean Stress
Gambar 2. Zero Mean Stress
Dari kurva yang ada, kita dapat menghitung selisih antara tegangan maksimum dan tegangan minimum yang ada pada siklus : = σmax – σmin
σr
Dengan alternating stress separuh dari σa
=
:
σr
Mean stress : σm
=
Terdapat dua rasio yang digunakan dalam fatigue, yaitu : Stress ratio
R=
Amplitude ratio
A=
Page 4 of 16
Catia Julie Aulia 13714035
Fenomena Fatigue Failures
Fenomena Fatigue Failures adalah sebagai berikut : 1. Striasi Striasi adalah Striasi garis halus yang ada pada permukaan yang akan merambat pada siklus beban. Garis striasi terjadi akibat pertumbuhan retakan yang disusul penumpulan retakan secara plastis dilanjutkan dengan penutupan retakan akibat turunnya tegangan.
2. Beachmark Beachmark adalah tanda kemajuan garis halus pada fatigue failure. Garis halus tersebut menunjukkan posisi yang berurutan dari sumber retakan. Bentuk retakan yang dihasilkan seperti bulan sabit dan mewakili posisi dari perambatan retak.
3. Ratchetmark
Tahapan Fatigue Failures Kegagalan yang disebabkan oleh fatigue dapat dijelaskan melalui beberapa
tahap : 1. Crack Initiation Retakan awal yang disebabkan oleh beban yang masih dapat dihilangkan dengan cara annealing.
2. Slip-Band Crack Growth Pendalaman retakan yang telah terbentuk di awal pada bidang akibat tegangan geser yang tinggi
3. Crack Growth on Planes of High Tensile Stress Pendalaman retakan yang terjadi karena tegangan tarik maksimum
Page 5 of 16
Catia Julie Aulia 13714035
4. Ultimate Ductile Failure Muncul ketika retakan yang ada sudah membesar dan menyebar sehingga penampang tidak dapat menerima beban lagi
Ciri – Ciri Ciri Permukaan Patahan
Gambar 4. Permukaan Patahan Fatigue Failure
Ciri-ciri permukaan patah lelah adalah sebagai berikut : 1. Tidak adanya deformasi plastis secara makro 2. Terdapat tanda beachmarks 3. Terdapat Ratchetmarks 4. Terdapat Striasi 5. Permukaan patahan memperlihatkan jenis patah transgranural
Parameter Pengujian Fatigue
Parameter pengujian fatigue adalah sebagai berikut : 1. Nilai beban yang diberikan 2. Siklus yang diberikan 3. Bentuk spesimen 4. Sifat mekanik spesimen
Page 6 of 16
Catia Julie Aulia 13714035
Faktor yang Mempengaruhi Fatigue Life
Faktor yang mempengaruhi fatigue life adalah sebagai berikut : 1. Stress Concentration Pemicu terjadinya konsentrasi tegangan seperti fillet, notch, alur pasak, positas, inklusi dan lain-lain akan menyebabkan menurunnya umur fatigue/ fatigue fatigue life. life.
2. Dimensi Bila ukuran spesimen bertambah maka ketahanan fatigue kadang-kadang menurun. Hal ini ada beberapa alasan, Kegagalan akibat fatigue biasanya dimulai dari permukaan. Jadi bila penambahan size dilakukan maka memberikan kemungkinan menimbulkan keberadaan cacat. Akibatnya retak berawal pada cacat tersebut.
3. Efek Permukaan Ketahanan fatigue sangat dipengaruhi oleh kondisi permukaan. Kondisi permukaan tersebut adalah sifat permukaan seperti perlakuan permukaan seperti surface seperti surface hardening dan dan tegangan sisa permukaan. Efek dari surface finishing atau kekasaran permukaan secara qualitatif juga mempengaruhi ketahanan fatigue suatu material.
4. Tegangan Rata-Rata Tegangan rata-rata (mean stress) juga mempengaruhi ketahanan fatigue. Tegangan ini ditunjukkan dengan amplitudo tegangan yang dinyatakan dengan ratio tegangan R = tegangan min/tegangan maks. Untuk R = -1 artinya amplitudo tegangan tarik sama dengan amplitudo tegangan tekan. Bila nilai R cendrung menjadi positif maka ketahanan fatiguenya menjadi turun.
Page 7 of 16
Catia Julie Aulia 13714035
Kurva S-N dan Goodman
Gambar 5. Kurva S-N dan Diagram Goodman
Kurva S-N adalah kurva yang memplotkan stress dengan siklus. Nilai stress yang diplotkan dapat berupa
,
σa
σmax,
atau
σmin
. Biasanya fatigue failures
muncul pada siklus N > 10 5. Pada kurva S-N, kurva akan menjadi horizontal pada tegangan tertentu. Dibawah nilai tegangan tersebut biasa disebut dengan fatigue dengan fatigue limit , tegangan yang dapat diterima oleh material pada siklus tak hingga tanpa menyebabkan kegagalan. Kurva S-N biasanya di representasikan dengan persamaan Basquin :
N = C Dimana σa adalah tegangan amplitude dan p dan C adalah konstanta. Diagram Goodman adalah diagram yang menggambarkan hubungan antara mean stress dengan alternating stress pada daerah aman suatu material. Diagram goodman dapat menunjukkan apakah suatu material akan gagal atau tidak pada kondisi pembebanan tertentu pada siklus yang ada.
Page 8 of 16
Catia Julie Aulia 13714035
BAB III DATA PERCOBAAN DAN PENGOLAHAN DATA Data Percobaan
Tabel 1. Data Percobaan
No.
σmax
σmin
(MPa)
(MPa)
1
250
-100
2
150
60
3
250
-100
4
150
25
5
150
-50
6
200
-125
7
100
75
Pengolahan Data
Dari data percobaan yang diperoleh, kita dapat menghitung nilai : 1. Selisih antara tegangan maksimum dan tegangan minimum yang ada pada siklus : σr = σmax – σmin 2. alternating stress : 3. Mean stress : σm = 4. Stress ratio : R =
σa
=
5. Amplitude ratio : A =
Page 9 of 16
Catia Julie Aulia 13714035
Tabel 2. Pengolahan Data σmax
σmin
σm
σr
σa
(MPa)
(MPa)
(MPa)
(MPa)
(MPa)
1
200
-100
50
300
2
150
60
105
3
250 250
-100
4
150
5
No.
R
A
150
-0.5
3
90
45
0.4
0.428571
75
350
175 175
-0.4
2.333333
25
87.5
125
62.5
0.166667
0.714286
150
-50
50
200
100
-0.33333
2
6
200
-125
37.5
325
162.5
-0.625
4.333333
7
100
75
87.5
25
12.5
0.75
0.142857
Dari data yang telah diolah, kita dapat menggambarkan diagram Goodman nya. Nilai Yield Strength dan Ultimate Yield Strength didapatkan dari literatur sebagai berikut : σy = 285 MPa σuts = 370 MPa
Dari data yang telah ada, dapat dibentuk diagram Goodman sebagai berikut :
Page 10 of 16
Catia Julie Aulia 13714035
Grafik 1. Diagram Goodman
Goodman Diagram 400 350 300
σ
uts
250
σ
yield
) a 200 P M ( 150 o d 100 u t i l p 50 m A 0
1 2 3 4
σ
-50 0
50
100
150
200
250
300
350
400
5
-100
6
-150
7
-200
mean (MPa)
σ
Page 11 of 16
Catia Julie Aulia 13714035
BAB IV ANALISIS DATA
Pada pengujian fatigue, tidak dilakukan dil akukan pengujian yang sebenarnya dikarenakan pengujian fatigue membutuhkan waktu yang sangat lama. Kami diberikan data berupa tegangan minimum dan tegangan maksimum yang didapatkan dari pengujian fatigue yang pernah dilakukan sebelumnya. Dari data yang kami peroleh, dapat dihitung nilai σm, σr, σa, R, dan A. Diagram Goodman juga dapat dihitung dengan menggunakan nilai Yield Strength dan Ultimate Tensile Strength yang didapat dari literatur. Diagram Goodman digunakan untuk menentukan apakah material tersebut aman atau tidak apabila diberikan beban sebesar x. Dari data yang telah diolah, diketahui bahwa data nomor 3 dan 6 akan mengalami kegagalan, karena telah melewati daerah aman pada diagram Goodman. Sedangkan data nomor 1, 2, 4, dan 5 a man digunakan karena masih berada pada daerah aman diagram Goodman. Goodman. Dalam pengujian ini, kekuatan lelah dan batas lelah tidak dapat dihitung karena keterbatasan data yang ada sehingga SN Curve tidak dapat dibuat. Mekanisme dan bentuk patahan pada pengujian ini juga tidak dapat ditentukan karena yang diperoleh dari pengujian ini hanya berupa data kuantitatif tanpa memperlihatkan proses uji fatigue nya sendiri.
Page 12 of 16
Catia Julie Aulia 13714035
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
Kesimpulan
Kesimpulan dari pengujian fatigue adalah : 1. Spesimen yang diberikan beban seperti pada data 3 dan 6 akan mengalami kegagalan karena berada diluar daerah aman pada diagram Goodman. 2. Spesimen yang diberikan beban seperti pada data 1, 2, 4, dan 5 tidak akan mengalami kegagalan karena berada didalam daerah aman pada diagram Goodman.
Saran
Saran untuk pengujian fatigue adalah sebaiknya praktikan juga diberikan contoh bentuk patahan akibat fatigue agar lebih memahami mekanisme dan bentuk patahan akibat fatigue failure. Selain itu data yang diberikan diberikan ditambah, seperti dimensi spesimen dan siklus yang terjadi agar analisis lebih lanjut dapat dilakukan.
Page 13 of 16
Catia Julie Aulia 13714035
DAFTAR PUSTAKA
Callister, William D. “Materials and Science Engineering An Introduction”, 6th edition. John Wiley & Sons, Inc. 2003. Dieter, G. E. “Mechanical Metallurgy” SI Metric Edition. Mc Graw – Hill Hill Book Co. 1988. Modul Praktikum MT2205 – MT2205 – Laboratorium Laboratorium Teknik Material I. http://www.slideshare.net/MuhammadAliSiddiqui6/fracture-mechanics-failureanalysis-lecture-fatigue, diakses pada 26 Maret pukul 20.04 https://en.wikipedia.org/wiki/Metal_Fatigue, diakses https://en.wikipedia.org/wiki/Metal_Fatigue, diakses pada 3 April pukul 03.49.
Page 14 of 16
Catia Julie Aulia 13714035
LAMPIRAN
Tugas Setelah Praktikum
1. Jelaskan yang dimaksud dengan Fatigue Ratio ! Jawab : Fatigue Ratio atau biasa disebut Endurance Ratio adalah rasio
fatigue limit atau fatigue strength terhadap kekuatan tarik statik suatu material.
2. Jelaskan tiga jenis pembebanan terhadap waktu ( Fatigue Stress Cycle) ! Jawab :
1. Reversed Stress Cycle Siklus dimana amplitudonya simetris terhadap sumbu mean zero stress. Nilai tegangan tarik maksimumnya sama dengan nilai tegangan tekan minimum.
2. Repeated Stress Cycle Siklus dimana nilai tegangan maksimum dan minimun tidak simetris terhadap sumbu mean zero stress. Nilai tegangan maksimum dan tegangan minimumnya tidak sama.
3. Irregular or Random Stress Cycle Siklus dimana jenis pembebanan dan nilai pembebanan diberikan secara acak.
3. Jelaskan perbedaan antara Striation dan Beachmark pada fatigue dalam hal : a. Ukuran b. Asal/Sumber Jawab :
a. Ukuran Striasi adalah mikroskopis, yaitu 1 – 1 – 100 100 µm dan hanya dapat dilihat dengan menggunakan mikroskop elektron. Sedangkan ukuran Beachmark adalah makroskopis, yaitu > 1000 µm dan dapat dilihat dengan mata telanjang. Page 15 of 16
Catia Julie Aulia 13714035
b. Striasi berasal dari ujung retakan yang bergerak setiap satu siklus pembebanan. Sedangkan Beachmark Beachmark berasal dari ujung retakan ketika beban siklik berhenti untuk periode tertentu.
Tugas Tambahan
1. Apakah yang disebut dengan fatigue? Jawab :
Fatigue adalah kerusakan secara progresif dan lokal yang terjadi ketika suatu material mengalami beban siklik. Beban siklik yang dimaksud adalah beban yang diberikan secara terus menerus dalam ja ngka waktu tertentu. Nilai dan jenis beban yang diberikan juga beragam.
Page 16 of 16
