5303_bab_01_perpatahan_dan_kelelahan
TRANSCRIPT
Perpatahan dan Kelelahan(Fracture and Fatigue)
Oleh:
Ellyawan Arbintarso, MSc.
Ellyawan Arbintarso 2
Silabus
• TUJUAN PERKULIAHAN• Mengenalkan mekanika perpatahan pada bahan• Mahasiswa dapat mengetahui teori mekanika
perpatahan• Mahasiwa dapat memahami pendekatan teori
perpatahan ke dalam perancangan struktur• Mahasiswa dapat mengetahui pengujian
ketangguhan patah dan analisa yang dibutuhkan
Ellyawan Arbintarso 3
Silabus
• Pendahuluan Mekanika Perpatahan• Efek takikan terhadap konsentrasi tegangan• Pengukuran ketangguhan patah• Mekanika Perpatahan Elastis lurus• Pendekatan mekanika perpatahan berdasar
energi• Ketangguhan patah dan Faktor intensitas
tegangan• Fatik dan mekanisme• Pertumbuhan retak fatik• Perhitungan umur lelah
Ellyawan Arbintarso 4
Info dan Kontak
• Laboratorium Pengujian Bahan ISTA
• Jl. I Dewa Nyoman Oka 32 Kotabaru Yk
• Email: [email protected]
• Email: [email protected]
• Email: [email protected]
Ellyawan Arbintarso 5
Pustaka
• Colangelo, VJ., Heiser, FA., 1974, Analysis of Metallurgical Failures, John Wiley & Son, USA
• Dieter, (alih bahasa Djaprie), 1989, Metalurgi Mekanik, jilid 1, Erlangga, Jakarta
• Dieter, (alih bahasa Djaprie), 1989, Metalurgi Mekanik, jilid 2, Erlangga, Jakarta
• Erwalds, Wanhill, 2001, Fracture Mechanic, John Wiley & Son, London
• Smallman RE, alih bahasa Djaprie Sriati, Metalurgi Fisik Modern, Gramedia Pustaka Utama, Jakarta, 1985
Ellyawan Arbintarso 6
Penilaian
• UAS berbobot 20%
• UTS berbobot 20%
• Tugas/kuis berbobot 50%– Tugas yang dikumpulkan tidak tepat waktu
tidak akan dinilai!– Kuis dilakukan dikelas pada waktu tertentu
• Kehadiran berbobot 10%
Ellyawan Arbintarso 7
Mengapa perlu mempelajari Mekanika Perpatahan?
• Bahan yang mempunyai kekuatan tinggi dapat gagal dengan beban yang rendah
• Banyak penyebab kegagalan produk yang tidak bisa dijelaskan dengan teori elastisitas dan plastisitas
• Perancangan struktur mesin perlu menambahkan aspek kemungkinan terjadi retak
Ellyawan Arbintarso 8
Pendahuluan Mekanika Perpatahan
• PENDAHULUAN• Filosofi perancangan konvensional
• Perubahan:– Peningkatan NDE– Cacat bukan akhir dari segalanya– Biaya pengantian dan perbaikan– Kemungkinan perawatan berkala
- Kekuatan- Tekukan- Defleksi
Meniadakan KonsentrasiTegangan
Mekanika Perpatahan
Ellyawan Arbintarso 9
Sejarah Kegagalan
Kegagalan pada Kapal Liberty• Selama Perang Dunia II
– Dibangun lebih dari 2500 Kapal kelas Liberty– Sekitar 700 struktur gagal terpotong– Sekitar 145 patah menjadi 2 bagian
• Alasan– Serabut retak pada sambungan las– Menggunakan bahan berkekuatan tinggi
(ketangguhan patah rendah)– Temperatur rendah menurunkan ketangguhan
patah
Ellyawan Arbintarso 10
Sejarah Kegagalan
Penelitian Biro Nasional Standar 1982• Harga berhubungan dengan:
– Kehilangan langsung dan keterkaitan biaya– Rancangan struktur berlebihan karena:
• Kualitas bahan tidak seragam• Inspeksi, perbaikan dan penggantian komponen yang
rusak
• Sekitar 120 trilyun USD per tahun• Penghematan dapat dilakukan dari:
– Teknologi Mekanika Perpatahan modern sekitar 35 trilyun USD (30%)
– Teknologi Mekanika Perpatahan lanjut: tambahan 28 trilyun USD
Ellyawan Arbintarso 11
Evolusi Rancangan Struktur
Adaptasi Empiris dariRancangan yg Sukses:
Prosedur coba-coba
Pendekatan kekuatan bahanDengan teori Elastisitas dgnFaktor keamanan yg besar
Pengenalan KonsentrasiTegangan
= nom [1+2 (a/R)1/2]
Piramid di Mesir dan Katedral Agung di Eropa
Penemuan abad 19 oleh Cauchy dll
Inglis (1913, USA)Kolosov (USSR)Paradok:Pd R = 0, nom 0
2b
2a
nom
nom
R
Ellyawan Arbintarso 12
Evolusi Rancangan Struktur
Mekanika PerpatahanBesar toleransi serabut retak untuk beban yg
Diberikan/beban aman operasi untuk Ukuran serabut yang diberikanDengan menggunakan LEFM
K(a, , B) = KIc
Pendekatan Toleransi Rusak-Laju pertumbuhan serabut
- Ukuran kritis dlm perawatan
Griffith (1922) Teori Pecah/Remuk (Theory of Rupture)
Perkembangan lanjut oleh:Obriemoff (1930)Westerfaard (1939)Irwin dan Orowan (1948)Rice dan Cherepanov, (1960)
Ellyawan Arbintarso 13
Sejarah Perkembangan Mekanika Perpatahan
• Abad 15 - Leonardo da Vinci– Test kekuatan pada kabel besi dgn panjang
berbeda– Kekuatan berbanding terbalik proporsional dgn
volume bahan
• Abad 19 – Cauchy– Hubungan tegangan-regangan pada kondisi
istemewa dan Konsentrasi tegangan
• 1922 – Teori Perpatahan Griffith– Hubungan kuantitatif pertama antara kekuatan
material dengan ukuran retak
Ellyawan Arbintarso 14
Sejarah Perkembangan Mekanika Perpatahan
(a) Teori Kekuatan Antar Atom– Sifat-sifat kristal dapat dihitung
berdasarkan sifat latis-latis– Kekuatan teoritis – Dimana E = modulus elastisitas, b = jarak
atom atom seimbang, = Energi total pemisahan antar atom
– Untuk banyak bahan = Eb/40
– Teg. Luluh th = E/6
b
Eth
Model atom untukkekuatan teoritis
b
Ellyawan Arbintarso 15
Sejarah Perkembangan Mekanika Perpatahan
(b) Teori Perpatahan
- Menggunakan persamaan matematika Inglis untuk konsentrasi tegangan, ditunjukkan untuk bahan seperti kaca “Energi permukaan yang dihamburkan oleh pembentukan permukaan retak baru adalah setara dengan ketahanan pertumbuhan retak”
a
bentukretak
Ellyawan Arbintarso 16
Sejarah Perkembangan Mekanika Perpatahan
- Westergaard melanjutkan teori Griffith dan menunjukkan bahwa kekuatan patah dari bentuk retak adalah
dimana a adalah panjang retak
Batasan-batasan:
1. adalah valid untuk bahan getas
2. Perhitungan tidak jelas
3. Nilai lebih besar untuk bahan teknik
a
Ef
2
Ellyawan Arbintarso 17
Sejarah Perkembangan Mekanika Perpatahan
• 1948 George Irwin (Lab. Riset AL USA)– Melanjutkan teori Griffith untuk logam– Mengembangkan metode matematika
untuk menghitung parameter patah dan mengukur parameter patah kritis (ketangguhan)
p = energi plastis pada ujung retak
a
E pf
)(
Ellyawan Arbintarso 18
Sejarah Perkembangan Mekanika Perpatahan
• Karena pembilang adalah sifat bahan, kita dapat mendifinisikan sebagai
• Dimana K = faktor intensitas tegangan pada ujung retak, adalah tegangan yg kecil
• Kita dapat menghubungkan K dan G, laju perubahan energi total potensial w.r.t. panjang retak a.
• G = K2/E*
• E* = modulus elastis efektif
• Teori ini disebut Teori Perpatahan Griffith-Irwin-Orowan
a
K
Ellyawan Arbintarso 19
Sejarah Perkembangan Mekanika Perpatahan
• James Rice (1967) dan Cherepanov (1966)– Mekanika Perpatahan Non-linier
–J = /a
– Dimana (pi) adalah energi potensial total dari bahan (elastis-plastis) non-linier yang mempunyai retak
Ellyawan Arbintarso 20
Matematika Definisi dari Retak
• Difinisi– Retak adalah suatu takikan elips dengan sumbu
panjang a yang agak besar (panjang retak) dan sumbu pendek b adalah nol. Dengan kata lain, jari-jari kelengkungan pada ujung retak adalah nol.
2b
2a
nom
nom
R
2a
nom
nom
Takikan elips
Retak
Ellyawan Arbintarso 21
Matematika Definisi dari Retak
• Aliran Tegangan sekitar Takikan dan Retak– Pembebanan melintang thd sumbu utama
• Takikan
– Konsentrasi Tegangan (Kt); = nom (1+2 (a/Rmin)1/2)
– Rmin adalah jari-jari kelengkungan ujung sumbu utama
• Retak
– Faktor Intensitas Tegangan (K); K = nom (a)1/2
Ellyawan Arbintarso 22
• Pembebanan sejajar thd sumbu utama– Takikan
• Konsentrasi Tegangan (Kt); = nom (1+2 (a/Rmak)1/2)
• Rmak adalah jari-jari kelengkungan ujung sumbu utama
– Retak• Faktor Intensitas Tegangan (K); K = 0 shg = nom
Ellyawan Arbintarso 23
Pengaruh Retak pada Struktur
Pembebanan Statis
Grafik Kekuatan Sisa
2a
c
W
c
Ukuran retakWaktu
kekuatan rancangan
Perkiraan bebankerja tertinggi
beban kerja normal
gagal
Keku
atan
sis
a
gagal waktudigunakan
Ellyawan Arbintarso 24
Pengaruh Retak pada Struktur
2a
W
(t)
(t)
Pembebanan Fatik
Tarik
Tekan
Tegangan
Waktu
Spektrum beban
tidak stabil
mulairetak retak
tumbuhpanj
ang
reta
k, a
SiklusWaktu
Ellyawan Arbintarso 25
Tujuan Teknologi Mekanika Perpatahan
• Perkembangan metode prediksi dan perhitungan dari seberapa cepat retak akan tumbuh dan seberapa cepat kekuatan sisa akan menurun
• Kekhususan:– Seberapa kekuatan tegangan sebagai fungsi
ukuran retak?– Seberapa ukuran retak dapat ditoleransikan pada
beban kerja (ukuran retak kritis)?– Seberapa panjang suatu retak tumbuh dari suatu
ukuran awal tertentu terhadap suatu ukuran kritis?– Berapa ukuran serabut yang diijinkan ketika
struktural mulai digunakan?– Seberapa sering struktur tsb diinspeksi?
Ellyawan Arbintarso 26
Disiplin ilmu Mekanika Perpatahan
• Meliputi 4 disiplin ilmu:• Teknik – pembebanan 7 analisa
tegangan• Mekanika Terapan – tegangan ujung
retak dan pergerakan gaya• Pengujian – Kuantitatif parameter kritis
dan pencocokan parameter analitis• Ilmu Bahan – proses kegagalan pada
skala atom. Meliputi dislokasi dan ketidak-murnian
Ellyawan Arbintarso 27
Mekanika Perpatahan