Mekanika Perpatahan I

Bab 2

Ellyawan Arbintarso

Ellyawan Arbintarso2

Mekanika Perpatahan I

Mekanika perpatahan dalam desain Perlu perhatian yang serius, karena

dapat menimbulkan kerusakan yang luar biasa dan dapat menelan korban jiwa, walaupun tidak umum terjadi.

Teknik desain dengan memperhitungkan mekanika perpatahan adalah suatu metode yang umum dalam keselamatan Industri yang kritis, seperti dalam pembangkit daya/listrik dan peralatan luar angkasa

Ellyawan Arbintarso3

Tegangan Rancang dan Faktor Keselamatan

Struktur dirancang tanpa mekanika perpatahan menggunakan rumusan tegangan rancang (design stress) sbb:

Faktor keselamatan dihitung lebih tinggi dari tegangan yang diperkirakan akan terjadi atau bervariasi tergantung jenis bahan

tankeselamafaktor

luluhteganganrancangtegangan

Ellyawan Arbintarso4

Faktor Keselamatan

Struktur teknik, bagaimanapun juga, dapat mengandung retakan atau berkembang menjadi retakan selama penggunaan

retakan tersebut dapat tumbuh /menjalar seiring dengan kelelahan atau pengaruh lingkungan

Faktor keselamatan tidak diperhi-tungkan terhadap kehadiran retakan dimana dapat menurunkan kekuatan struktur dengan dratis

Ellyawan Arbintarso5

Efek dari retakan U

kura

n re

tak

Waktu, siklus beban tidak adakerusakan

kerusakanmungkin

terjadi

kerusakanterjadi

Waktu, siklus beban

teg. perkiraan

teg. perkiraanbatas atas

teg. desain

keku

atan

Penurunan kekuatan dari struktur teknik terhadap pertumbuhan retak dalam

pembebanan

Ellyawan Arbintarso6

Tujuan dari Mekanika Perpatahan

adalah untuk menjawab

pertanyaan sbb: Bagaimana kekuatan dari suatu struktur

bervariasi dengan ukuran retak? Bagaimana panjang retak dapat

ditoleransikan pada beban perkiraan yang akan ditanggung? (ukuran retakan kritis)

Berapa lama retak akan tumbuh/ menjalar untuk menuju ukuran retakan kritis?

Ellyawan Arbintarso7

Pada tingkatan berapa cacat awal (pre-existing flaws) dapat ditoleransi untuk permulaan pembebanan?

Berapa sering suatu struktur harus diperiksa untuk mencegah kerusakan?

Tujuan dari Mekanika Perpatahan

adalah untuk menjawab pertanyaan sbb:

Ellyawan Arbintarso8

Bagaimana Suatu Benda Dapat

Patah? Terdapat banyak mekanisme perpatahan yaitu:

Pembelahan lewatbutir (transgranular cleavage)

Pembelahan antarbutir (intergranular cleavage)

Pengabungan keuletan rongga mikro (ductile microvoid coalesence)

Mulur (creep) Kelelahan/fatik (fatigue)

Ellyawan Arbintarso9

Peretakan dipengaruhi lingkungan (environ-mentally assisted cracking)

Berkembangnya jaringan keretakan yang lembut (Crazing)

Kehilangan lapisan (Delamination) Benang pembentuk tercabut keluar (fibre

pull-out) Fase peretakan getas (brittle phase

cracking) Peretakan antarmuka (interface cracking) Pertumbuhan rongga inti (void nucleation)

Bagaimana Suatu Benda Dapat Patah?

Ellyawan Arbintarso10

Ketangguhan dapat dipengaruhi dengan adanya perubahan pada mekanisme perpatahan dan mekanisme perpatahan dapat berubah setiap saat

Ellyawan Arbintarso11

Takikan dan Konsentrasi Tegangan

Takikan bertindak sebagai konsentrasi tegangan Takikan yang lancip dan dalam mungkin akan

menyebabkan:Penurunan kekuatan pada bahan yang getasPeningkatan kekuatan pada bahan yang ulet

Pengaruh tersebut terjadi dikarenakan:- Konsentrasi tegangan- Pembatasan/pemaksaan (constraint)

Ellyawan Arbintarso12

Elips Inglis

Konsentrasi tegangan dapat diper-hitungkan menggunakan elips Inglis

b

a21max

tegangan

jarak

2b

2a

max = tegangan maksimum = tegangan yang

digunakan

Ellyawan Arbintarso13

Faktor Konsentrasi Tegangan

Faktor konsentrasi tegangan = k

kaauntuk

a

a

b

2,

21

max

max

2 = radius kurva 

Ellyawan Arbintarso14

Pelemahan Akibat Takikan pada Bahan Getas

Bahan getas adalah sensitif terhadap takikan

Efek dari faktor konsentrasi tegangan pada penggunaan tegangan patah dari bahan sensitif terhadap takikan

k1

k3

k2

k3 > k 2 > k 1

Ellyawan Arbintarso15

Penguatan Akibat Takikan pada Bahan Ulet

Bahan ulet adalah tidak terlalu sensitif terhadap takikan dan dimungkinkan terjadi penguatan karena takikan.

Tegangan luluh tarik dari bahan ulet kemungkinan akan meningkat dengan adanya sebuah takikan yang berhubungan dengan pembatasan (constraint)

Ellyawan Arbintarso16

Penguatan Akibat Takikan pada Bahan Ulet

Pembatasan deformasi plastis bahan oleh bahan yang elastis

ElastisElastis

Plastis

FF

3

1

2

Ellyawan Arbintarso17

Penguatan Takikan (notch strengthening) dan Pembatasan (constraint)

Tegangan tarik transversal (2 dan 3) berhubung dengan pembatasan dari zona plastik oleh daerah elastik meningkatkan tegangan tarik aksial (1) dibutuhkan untuk memberikan tegangan geser yang cukup untuk meluluhkan bahan.

Ellyawan Arbintarso18

Penguatan Takikan (notch

strengthening) dan Pembatasan (constraint)

tegangan geser kritis untuk peluluhan

tidak ada pembatasan

dengan pembatasan

Ellyawan Arbintarso19

Pengukuran Ketangguhan (toughness)

Ada beberapa cara untuk mengukur ketangguhan Kinerja dari perpatahan (work of fracture) Sensitifitas takikan (notch sensivity) Keuletan dan kinerja pengerasan (ductility

and work hardening) Ketangguhan Impak (impact toughness) Ketangguhan Perpatahan (fracture

toughness)Sebagian cara sangat bermanfaat untuk desain teknik dibanding yang lain.

Ellyawan Arbintarso20

Kinerja Perpatahan

Kinerja perpatahan adalah daerah dibawah kurva tegangan/regangan tarik untuk spesimen yang presisi

W

Analisa serupa dapat digunakan untuk spesimen dengan takikan

dpanjangxluas

jarakxzona

volume

kinerjaW

Ellyawan Arbintarso21

Sensitifitas Takikan

Bahan yang tangguh mengembangkan zona plastik yang luas sebelum terjadi kerusakan dan sensitifitas takikannya sedikit (kecil)

tegangan

Retak/takikan

jarak

teganganluluh

zona plastis

getas

tangguh

21

1

topresisi

pembanding

presisi

pembanding

< 1 sensitif terhadap takikan dan ketangguhan rendah> 1 tidak sensitif terhadap takikan dan ketangguhan tinggi

Ellyawan Arbintarso22

Keuletan dan Kinerja Pengerasan

Dalam logam, kapasitas kinerja pengerasan yang tinggi selalu berhubungan dengan keuletan dan ketangguhan yang tinggi

Pengerjaan dingin dapat menurunkan keuletan dan menurunkan ketangguhan

F

x

c

n

neckingketikad

d

K

c

c

n

Ellyawan Arbintarso23

Keuletan dan Kinerja Pengerasan

Pembelahan kristal tidak terjadi dalam kristal logam berbentuk FCC

tegangangagal

Temperatur

mekanismepembelahan

Penguatan ulet

uletgetas

Ellyawan Arbintarso24

Ketangguhan Impak

Transisi dari ulet ke getas selalu diamati dalam penurunan temperatur

Transisi perpatahan dari getas ke ulet pada baja karbon (terdapat perubahan mekanisme perpatahan) dan aluminium (tidak ada perubahan mekasnisme perpatahan)

Energiimpak

Temperatur

baja karbon

aluminium

Energi besar = uletEnergi rendah = getasEnergi potensial Impak = mgh

Ellyawan Arbintarso25

Faktor-faktor yang mempengaruhi ketangguhan meliputi:Temperatur dan laju reganganGeometri dari takikanUkuran spesimenMekanisme perpatahan

Efek tersebut berhubungan dengan peningkatan tegangan luluh, pembatasan dan tegangan patah

Standarisasi spesimen uji diperlukan untuk membandingkan ketangguhan dari bahan-bahan.

Ellyawan Arbintarso26

Definisi transisi

Transisi ulet ke getas dapat didefinisikan dalam beberapa cara, seperti:Energi kritis perpatahanPenurunan 50% energiDeformasi pada spesimen ujiPerpatahan yang tampak

dipermukaan (FATT) Dari hal tersebut diatas akan

memberikan temperatur transisi yang berbeda-beda

Ellyawan Arbintarso27

Definisi transisi

Energiimpak

Temperatur

35 j

T 0 T 1

pembelahan 70%

pembelahan 20%

tiada pembelahan

berubah 50%

Ellyawan Arbintarso28

Keterbatasan Pengujian

Impak Uji Impak biasanya digunakan untuk

perkiraan dan kontrol kualitas dari bahan, bukan untuk teknik desain.

Pembatasan pengujian tersebut meliputi:

Ukuran spesimen terlalu kecil Ukuran spesimen terlalu tipis Sensitif terhadap laju regangan Sulit untuk menggunakan energi

impak dalam desain

Ellyawan Arbintarso29

Ringkasan

Perpatahan suatu benda tergantung dari:

      Ketangguhan bahan      Konsentrasi tegangan      Pembatasan Diperlukan suatu metode untuk

memprediksi sifat-sifat keretakan pada komponen struktur.

Thank you very much to Dr. Marrow