1 karakteristikkelelahanlogamaa 100408172224 phpapp02
DESCRIPTION
karakteristik kegagalan lelah logamTRANSCRIPT
Tujuan Umum:
1. Memberikan pemahaman tentang aspek mekanik dan metalurgi terhadapkegagalan patah2. Memahami fenomena kelelahan (fatigue) pada logam dan struktur3. Memahami konsep mekanika retakan dan implikasinya pada desain teknik
Mata Kuliah Prasyarat: Metalurgi Mekanik I & II, Metalurgi
Fisik I & II.
Kaitan dg Mata Kuliah Lain: Analisis Kegagalan Logam.
Materi:1. Metalurgi kelelahan logam2. Metoda-metoda prediksi umur lelah3. Kelelahan logam pada amplitudo berubah4. Konsep mekanika retakan5. Faktor intensitas tegangan (KIc)6. Desain toleransi kerusakan dan prediksi umur sisa
Referensi:
1. Fundamentals of metal fatigue analysis, Julie A Bannantine.2. Elementary engineering fracture mechanics, David Broek.3. Mechanical Metallurgy, Dieter.4. Fracture mechanics dan prediksi umur lelah, Mardjono
Siswosuwarno.5. Aplikasi mekanika retakan pada analisis kegagalan logam,
Ahmad Taufik.
Ketentuan Perkuliahan:
1. Jumlah Tatap Muka di kelas : 14 X2. Tugas terstruktur pada setiap sesi perkuliahan3. Mahasiswa wajib hadir kuliah minimal 80 %4. Keterlambatan kuliah maksimum 15 menit5. Bobot nilai : Tugas = 20 %, UTS dan UAS masing-
masing 40 %
SesiKe-
Pokok Bahasan Hasil Pembelajaran Penilaian Hasil PembelajaranMetode
Penilaian
01Karakteristik
kelelahan logam
Mahasiswa mengetahui dan memahamikegagalan patah lelah pada komponen logam.
Mahasiswa mampu menjelaskankarakteristik dari patah lelah yangterjadi pada komponen logam.
ჱ Tugasჱ UTSჱ UAS
02Aspek metalurgipada kelelahan
logam
Mahasiswa mengetahui dan memahami aspekmetalurgi yang mempengaruhi perilakukelelahan pada logam.
Mahasiswa mampu menjelaskan aspekmetalurgi yang mempengaruhiperilaku kelelahan logam.
03 batas lelah logam
Mahasiswa mengetahui dan memahami bataskelelahan logam serta cara menentukannya.
Mahasiswa mampu menjelaskan bataskelelahan logam serta caramenentukannya.
04 Konsep S-N
Mahasiswa mengetahui dan memahamihubungan antara tegangan (S) yang bekerjapada komponen logam dengan umur (N)komponen tersebut.
Mahasiswa mampu menghitungtegangan yang bekerja pada komponenlogam serta mampu memprediksiumur komponen tersebut berdasarkanKonsep S-N.
05 Konsep -N
Mahasiswa mengetahui dan memahamihubungan antara regangan () yang bekerjapada komponen logam dengan umur (N)komponen tersebut.
Mahasiswa mampu menghitungtegangan dan regangan yang bekerjapada komponen logam serta mampumemprediksi umur komponen tersebutberdasarkan konsep -N.
06Pengaruh takikan
pada perilakukelelahan logam
Mahasiswa mengetahui dan memahamipengaruh takikan ataupun geometrikomponen terhadap kegagalan lelah.
Mahasiswa mampu menjelaskan danmenghitung pengaruh takikan ataupungeometri komponen terhadap umurlelahnya.
07Penjalaran retak
lelah
Mahasiswa mengetahui dan memahamikonsep penjalaran retak lelah.
Mahasiswa mampu menjelaskan dankonsep penjalaran retak lelah sertamampu memprediksi umur lelahberdasarkan konsep tersebut.
SesiKe-
Pokok Bahasan Hasil Pembelajaran Penilaian Hasil PembelajaranMetode
Penilaian
08Kelelahan pada
amplitudo berubah
Mahasiswa mengetahui dan memahamipengaruh amplitudo tegangan maupunregangan yang tidak konstan terhadap perilakukelelahan logam.
Mahasiswa mampu menjelaskanpengaruh amplitudo teganganmaupun regangan yang tidak konstanterhadap perilaku kelelahan logamserta dapat memprediksi umurlelahnya.
ჱ Tugasჱ UTSჱ UAS
09Konsep dasar
mekanika retakan
Mahasiswa mengetahui dan memahami konsepdasar mekanika retakan dan hubungannyadengan kegagalan patah.
Mahasiswa mampu menjelaskankonsep dasar mekanika retakan danmampu menghitung parameterkegagalan berdasarkan konseptersebut.
10tegangan elastik
pada ujung retakan
Mahasiswa mengetahui dan memahamikeadaan tegangan elastik pada ujung retakan.
Mahasiswa dapat menjelaskankeadaan tegangan elastik pada ujungretakan.
11Plastisitas padaujung retakan
Mahasiswa mengetahui dan memahamiplastisitas logam pada ujung retakan.
Mahasiswa dapat menjelaskanplastisitas logam pada ujung retakan.
12Faktor intensitas
tegangan
Mahasiswa mengetahui dan memahamiparameter dari faktor intensitas tegangan danhubungannya dengan kegagalan patah.
Mahasiswa dapat menjelaskan danmampu menghitung faktor intensitastegangan yang bekerja pada suatukomponen logam.
13Tegangan dan
Regangan bidangpada ujung retakan
Mahasiswa mengetahui dan memahamikeadaan tegangan maupun regangan bidangpada ujung retakan.
Mahasiswa dapat menjelaskankeadaan tegangan maupun reganganbidang pada ujung retakan.
14Desain toleransikerusakan dan
prediksi umur sisa
Mahasiswa mengetahui dan memahami konsepdesain toleransi kerusakan dan caramemprediksi umur sisa dari suatu komponenlogam.
Mahasiswa dapat menjelaskan konsepdesain toleransi kerusakan sertamampu menghitung dan memprediksiumur sisa dari suatu komponenlogam.
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 mekanisadalah disebabkan oleh kelelahan.
Gambar. 1.1 Distribusi mode kegagalan.6
Modus kegagalan komponen atau struktur dapat
dibedakan menjadi 2 katagori utama yaitu:1.Modus kegagalan quasi statik (modus kegagalanyang tidak tergantung pada waktu, dan ketahananterhadap kegagalannya dinyatakan dengan kekuatan).2.Modus kegagalan yang tergantung pada waktu(ketahanan terhadap kegagalannya dinyatakan denganumur atau life time).
Jenis- jenis modus kegagalan quasi statik yaitu:1.Kegagalan karena beban tarik.2.Kegagalan karena beban tekan.Kegagalan karena beban geser.
Patahan yang termasuk jenis modus kegagalan iniadalah patah ulet dan patah getas.
7
Sedangkan jenis-jenis modus kegagalan yangtergantung pada waktu yaitu:1. Kelelahan (patah lelah).2. Mulur.3. Keausan.4. Korosi.
Fenomena kelelahan logam mulai timbul pada
pertengahan abad ke-19 yaitu dengan seringnya terjadi patahpada komponen kereta api dimasa itu:
• Di Versailles (Paris), 1944, menewaskan 40-80 penumpang,akibat patah poros roda.
• 20 April 1887, 3 orang tewas dan 2 terluka, akibat patahdraw 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. 8
Pelopor dalam penelitian mengenai kelelahan
logam adalah Wohler (Jerman) dan Fairbairn(Inggris) tahun 1860. Pengamatan yang lebihmendetail terhadap kelelahan logam, dilakukansejak 1903 oleh Ewing dan Humparey yangmengarah pada lahirnya teori ’Mekanisme PatahLelah’.
Hingga saat ini, mekanisme patah lelahadalah terdiri atas 3 tahap kejadian yaitu:Tahap awal terjadinya retakan (crack inisiation).Tahap penjalaran retakan (crack propagation).Tahap akhir (final fracture). 9
Pada Gambar. 1.2 dibawah ini ditunjukkan secara skematispenampilan permukaan patahan dari kegagalan lelah padaberbagai kondisi pembebanan.
Gambar. 1.2 Skematis permukaanpatah lelah dari penampang bulatdan persegi pada berbagai kondisipembebanan.
Karakteristik kelelahan logamdapat dibedakan menjadi 2 yaitu karakteristikmakro dan karakteristik mikro.
Karakteristik makro merupakan ciri-ciri
kelelahan yang dapat diamati secara visual(dengan mata telanjang atau dengan kaca
pembesar). Sedangkan karakteristik mikrohanya dapat diamati dengan menggunakanmikroskop.
1.1 Karakteristik MakroskopisKarakteristik makroskopis dari kelelahan logam adalah sebagaiberikut:1. Tidak adanya deformasi plastis secara makro.2.Terdapat tanda ’garis-garis pantai’ (beach marks) atau clamshell atau stop/arrest marks, seperti yang ditunjukkan padaGambar. 1.3 dibawah ini.
Gambar. 1.3 Permukaanpatah lelah pada poros.
1932
1947
1948
1950
1951
12
3. Terdapat ’Ratchet marks’ seperti yang ditunjukkanpada Gambar. 1.4 dibawah ini.
Gambar. 1.4 Permukaan patah lelahdari baut akibat beban tarik.
Ratchet marks menjalar kearah radial dan merupakan
tanda penjalaran retakan yang terjadi bila terdapat lebih darisatu lokasi awal retak, ratchet marks ini merupakan pertemuanbeach marks dari satu lokasi awal retak dengan beach marksdari lokasi lainnya.
Tanda garis-garis pantai (beach marks)yang merupakan tanda penjalaran retakan,mengarah tegak lurus dengan tegangan tarikdan setelah menjalar sedemikian hinggapenampang yang tersisa tidak mampu lagimenahan beban yang bekerja, maka akhirnyaterjadilah patah akhir atau patah statik.
15
Luas daerah antara tahap penjalaran retakan dantahap patah akhir secara kuantitatif dapatmenunjukkan besarnya tegangan yang bekerja. Jikaluas daerah tahap penjalaran retakan lebih besardaripada luas daerah patah akhir, maka teganganyang bekerja relatif rendah, demikian sebaliknya.
Tahap I terjadinya kelelahan logam yaitu tahappembentukan awal retak, lebih mudah terjadi padalogam yang bersifat lunak dan ulet tetapi akan lebihsukar dalam tahap penjalaran retakannya (tahap II),artinya logam-logam ulet akan lebih tahan terhadappenjalaran retakan. Demikian sebaliknya, logam yangkeras dan getas, akan lebih tahan terhadappembentukkan awal retak tetapi kurang tahanterhadap penjalaran retakan. 16
Tahapan pembentukan awal retak dan penjalaranretakan dalam mekanisme kelelahan logam,membutuhkan waktu sehingga umur lelah darikomponen atau logam, ditentukan dari ke-2 tahap(Gambar. 1.5) tersebut(total fatigue life, NT = fatigue initiation, Ni + fatigue
propagation, Np)Fase-fase yang terjadi selama kejadian kelelahanlogam tersebut adalah sebagai berikut:
Cyclicslip
Pengintianretak mikro
Perambatanretak mikro
Perambatanretak makro
Patahakhir
Umur pengintian awal retak Umur Penjalaran retakan
Gambar. 1.5 Fase-fase kegagalan lelah (fatigue).17
Gambar. 1.6 Skematispenampang melintang darikegagalan lelah tahap Idan II.
Tahap I (pembentukan awal retak) dan tahap II(penjalaran retakan) pada mekanisme kegagalanpatah lelah tersebut (Gambar. 1.6) dapat dijelaskanlagi dengan penggambaran sebagai berikut: 18
Gambar. 1.7 Skematis tahapretak mikro dan makro padakelelahan logam.
Tahap retak makro (tahap II)
Tahap retak mikro (tahap I)
19
1.2 Karakteristik MikroskopisKarakteristik mikroskopis dari kelelahan logam adalah sebagaiberikut:1.Pada permukaan patahan terdapat striasi (striations).2.Permukaan patahan memperlihatkan jenis patahtransgranular (memotong butir) tidak seperti jenis patahintergranular seperti yang terjadi pada kasus SCC (stresscorrosion cracking) atau mulur (creep).
Persamaan striasi dan beach marks adalah
sebagai berikut:1.Ke-2 nya menunjukkan posisi ujung retak yang terjadi setiapsaat 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 kerasatau terlalu lunak. 20
Perbedaan striasi dan beach marks adalah
sebagai berikut:
1.Ukuran striasi adalah mikroskopis (1 ÷ 100 µ) dan hanya dapatdilihat dengan menggunakan mikroskop elektron.2.Ukuran beach marks adalah makroskopis (> 1000 µ atau 1mm) dan dapat dilihat dengan mata telanjang.3.Striasi mewakili majunya ujung retakan yang bergerak setiapsatu siklus pembebanan, sedangkan beach marks mewakiliposisi dari ujung retakan ketika beban siklik berhenti untuksatu perioda tertentu. (satu beach mark dapat terdiri atasratusan bahkan ribuan buah striasi).
1.Carilah sah satu contoh gambar/photopenampang patah lelah (fatigue fracture),berilah keterangan posisi awal retak, arahpenjalaran retakan dan daerah patahakhirnya. Jelaskan jenis material, jenisbeban yang bekerja, dan jelaskan pulasecara kualitatif besarnya pembebanannya.
2. Buatlah skematis penampang patahandari kedua gambar berikut dan tunjukkanposisi awal retak, arah perambatanretakan, patah akhir dan jenis bebannya.
Fig. 1.2 Fatigue fracture surface of a 200-mm (8-in) diameterpiston rod of an alloy steel steam hammer used for forging.