Analisis Perpatahan Getas (Cleavage Fracture Of Analysis) Dengan Metode Studi Jurnal,

Sisertasi Dan Laporan Hasil Penelitian Yang Telah Di Validasi.

Disusun oleh

Adolvin Arnol Mahadiputra (5212412017)

teknik mesin s1 Unnes

untuk memenuhi tugas perpatahan dan fatik dosen pengampu Bapak Heri Yudiono

Universitas Negeri Semarang

Teknik Mesin

2014

Bab 1 Pendahuluan

Latar Belakang

Pada era sekarang banyak alat – alat modern guna membantu manusia. Alat tersebut

merupakan hasil dari rancangan dan penelitian para insinyur. Seiring berjalannya waktu manusia

mulai membutuhkan alat – alat yang membantu mereka untuk mendapatkan hasil yang

maksimum dengan kerja yang minimum, maka terciptalah industri – industri yang berusaha

mendapatkan hasil dari kebutuhan manusia tersebut. Banyak industri yang pastinya

membutuhkan insinyur dalam perencanaan produknya tersebut. Karena dalam hal teknik

insinyurlah yang akan merencanakan suatu produk dan akan menghasilkan alat yang berguna

untuk kebutuhan masyarakat modern.

Dalam berbagai produk maka sering di hasilkan produk dengan keunggulan keras dan pas

dalam mengerjakan peranan penting dalam kerja manusia modern. Contohnya adalah frais,

bubut, milling, dan sebagainya. Di industri besar pembuat produksi material – material teknik

inilah yang mempunyai peranan penting dalam penghasil alat kerja atau produksi barang.

Didalam dunia teknik mesin sendiri sering merencanakan material – material yang akan

membantu masyarakat modern yang sebagian besar materialnya adalah material dengan kekuatan

keras paling tinggi. Contohnya adalah torak atau piston dan serangakaian mesin transportasi

lainnya.

Material keras sendiri bisa di definisikan sebagai material yang mempunyai tingkat

ketahanan terhadap pembebanan yang sangat tinggi tapi tidak mempunyai kekuatan elastis atau

ulet yang tinggi, melainkan kekuatan uletnya sangatlah rendah. Jadi pada intinya kita dapat

memotong suatu bahan dengan bahan yang mempunyai kekuatan atau kekerasan yang lebih

dibandingkan dengan kekuatan material yang di potongnya. Oleh karena itu dalam perancangan

suatu produk, maka dapat kita ketahui bahwa banyak insinyur teknik mesin yang menggunakan

material keras dalam perancangan produk yang membutuhkan kekuatan yang tinggi.

Dalam perancangan produk telah di gunakan material yang mempunyai ketahanan

terhadap pembebanan yang tinggi, tapi kenapa dapat terjadi suatu kecelakaan dalam

menggunakan produk atau hasil dari perancangan tersebut. Terjadinya kegagalan pada hasil

perencanaan di ketahui bahwa beberapa komponen putus atau patah menjadi dua bagian dengan

pmbebanan yang lebih dari biasanya digunakan. Maka dari itu perlu di bahas material produk

hasil rancangan, khususnya detail patah.

Untuk mengetahui material keras secara mendetail, khususnya adalah logam baja yang

sering digunakan sebagai bahan dasar perencanaan produk insinyur teknik mesin, maka akan di

bahas mengenai patah getas material keras dalam makalah ini dalam pembebanan statis maupun

dinamis.

Permasalahan

Dari latar belakang diatas dapat kita peroleh masalah :

A. Apa itu patah getas?

B. Kenapa material keras dapat patah getas ?

C. Apa faktor penyebab terjadinya patah getas?

D. Apa akibat dari patah getas?

E. Bagaimana cara mengurangi terjadinya patah getas?

Tujuan

Dalam penulisan makalah ini, bertujuan untuk :

A. Mengetahui yang dimaksud dengan patah getas itu

B. Mengetahui tahapan patah getas

C. Mengetahui hal utama penyebab patah getas pada material.

D. Mengetahui akibat yang terjadi dari patah getas.

E. Cara mengurangi kemungkinan terjadi patah getas.

Manfaat

Adapun manfaat yang diperoleh dengan menulis dan membaca makalah ini yaitu

A. Penulis dapat memperoleh ilmu dalam studi patah getas

B. Penulis dapat memperoleh pengetahuan mengapa material keras patah mendadak

C. Penulis dapat menyelesaikan tugas dari mata kuliah perpatahan dan fatik

D. Pembaca dapat meperoleh ilmu pengetahuan mengenai patah getas

E. Pembaca dapat mengetahui tahapan yang terjadi pada patah getas

F. Pembaca dapat mengetahui kenapa suatu produk yang dianggap keras dapat patah dengan

tiba – tiba.

BAB 2 Dasar Teori

Baja meruapakan material yang sering di gunakan sebagai dasar dalam membuat

komponen mesin. Untuk komponen mesin dengan ketahanan pembebanan yang tinggi sendiri

sering kali di butuhkan batas yang keras. Dan baja keras inilah yang mempunyai patah getas atau

kelelahan yang tiba – tiba dapata putus.

Baja dan juga material metal lainnya, merupakan material yang mempunyai sifat penghantar

panas yang baik/tinggi (high thermal conductivity). Kekuatan ultimit struktur baja meningkat

sampai suhu 300o

C, dan makin lama makin menurun. Pengaruh temperatur yang terpenting

adalah penurunan bertahap titik leleh yang sebenarnya dan batas banding ini juga mengacu pada

peningkatan dari modulus elastis secant. Sedangkan modulus elastisitas pada baja tulangan

(Anderberg,1978) dapat dilihat pada Gambar 2

Pengaruh Temperatur Pada Modulus Elastisitas Baja Tulangan (Anderberg,1978)

Dalam penggunaannya, baja karbon sebagai bahan dan mengalami pembebanan yang

terus berulang. oleh karena itu suatu material mengalami kegagalan dalam proses

penggunaannya. Kegagalan akibat beban berulang sangatlah umum terjadi karena pada

prinsipnya setiap komponen pastilah memiliki batas usia pakai, akan tetapi sedapat mungkin

kegagalan tersebut dihindari, sehingga mesin dapat bekerja secara optimal sesuai dengan

keperluan. Kegagalan bahan dapat timbul akibat retak (crack) yang terus berkembang hingga

terjadi perambatan yang kemudian menyebabkan bahan menjadi patah.

Fatik atau kelelahan menurut (Zulhanif, 2002) didefinisikan sebagai proses perubahan struktur

permanen progressive localized pada kondisi yang menghasilkan fluktuasi regangan dan

tegangan dibawah kekuatan tariknya dan pada satu titik atau banyak titik yang dapat memuncak

menjadi retak (crack) atau patahan (fracture) secara keseluruhan sesudah fluktuasi tertentu.

Ketahanan fatik suatu bahan tergantung dari perlakuan permukaan atau kondisi permukaan dan

temperatur operasi. Perlakuan permukaan merubah kondisi permukaan dan tegangan sisa di

permukaan. Perlakuan permukaan shoot peening menghasilkan tegangan sisa tekan yang

mengakibatkan ketahan lelah yang meningkat (Collins,1981).

Pada dasarnya kegagalan fatik dimulai dengan terjadinya retakan pada permukaan material uji.

Hal ini membuktikan bahwa sifat-sifat fatik sangat peka terhadap kondisi permukaan, yang

dipengaruhi oleh beberapa faktor antara lain kekasaran permukaan, perubahan sifat-sifat

permukaan dan tegangan sisa permukaan (Dieter,1992).

Magnin., (1995) memprediksikan mekanisme-mekanisme kelelahan karat berdasar pada suatu

analisis yang terperinci, kemungkinan kerusakan berdasar pada pengendalian ilmu kimia fisika

dengan memperbandingan antara corrosion fatigue (CF) dan stress corrosion crack (SCC).

(Sriyanto dkk:452) menyatakan bahwa Lelah korosi (korosi fatik) dapat terjadi pada tingkat-

tingkat tegangan jauh lebih rendah dari tingkatan untuk SCC. Gambar 5 memperlihatkan

karakteristik lelah dan lelah korosi pada baja paduan rendah pada kondisi lembam maupun di

lingkungan yang mengandung natrium klorida.. Lelah korosi dapat terjadi menurut salah satu

dari hal berikut:

1. Aktif : terkorosi dengan bebas, misalnya baja karbon dalam air laut

2. Imun : logam dalam keadaan terlindung baik secara katodik maupun dengan coating

3. Pasif : logam dalam keadaan terlindung oleh selaput permukaan yang dibungkuskan oleh

korosi sendiri,biasanya selaput oksida.

Gambar 5. Karakteristik Umum Kurva Lelah Korosi

(Sugiarto dkk:87) menyatakan bahwa Pengujian fatik dilakukan dengan Rotary Bending

Machine. Jika material uji diputar dan diberi beban, maka akan terjadi momen lentur pada

material uji. Momen lentur ini menyebabkan terjadinya beban lentur pada permukaan material

uji dan besarnya dihitung dengan persamaan (international for use of ONO’S,-)

Dari hasil pemetaan kenyataan jumlah umur lelah sampai patah akan berbeda-beda menyebar

untuk suatu tingkat tegangan pada pembebanan tertentu. Oleh karena itu perlu dilakukan

perhitungan statistic probabilitas untuk menganalisis kemungkinan patah pada suatu tingkat

pembebanan tertentu tersebut. Analisis dan perhitungan statistik dilakukan terhadap hubungan

antara ketinggian tegangan terhadap jumlah siklus dengan metode arcsin .(kirono:595)

Proses kepecahan memperlihatkan 3 fase yaitu pertumbuhan retak tanpa pembebanan,

petumbuhan retak stabil, dan pertumbuhan retak tidak stabil [6]. Pertumbuhan retak lelah

ditentukan oleh 2 (dua) parameter mekanika kepecahan, yaitu ΔK dan Kmax [7]. Pada awalnya,

retak awal terjadi setelah adanya kondisi kritis [8].Perambatan retak terjadi dalam waktu yang

lama dalam kondisi operasi normal. Perambatan retak akibat medan tegangan dan regangan di

sekitar ujung retak, ditunjukkan dengan parameter stress intensity faktor (K), yang merupakan

fungsi dari tegangan, geometri dan dimensi retak. Dari konsep fracture mechanics, laju

perambatan retak dinyatakan dengan da/dN yang merupakan fungsi dari sifat material, panjang

retak, dan tegangan operasi. (hakim dkk:178)

Analisis patah dapat dilakukan dengan berbagai metode salah satunya adalah metode yang di

kemukakan oleh (hakim dkk:G-179) yaitu

Fracture mechanics adalah suatu analisis penyelesaian dengan cara mendefinisikan

kondisi lokal dari tegangan dan regangan di sekitar retakan yang dikorelasikan dengan

parameter-paremeter globalnya (beban-beban, geometri dan sebagainya) dimana retakan akan

merambat [9]. Rujukan [9] juga menjelaskan bahwa Fracture mechanics terbagi menjadi dua

kategori, yakni linear-elastic (LEFM) dan elastic-plastic (EPFM). LEFM adalah metode yang

menunjukkan hubungan antara medan tegangan dan distribusinya di sekitar ujung retak

dengan ukuran, bentuk, orientasi retak dan material properti akibat tegangan nominal yang

dikenakan pada struktur. Metode ini menggunakan parameter K, atau SIF untuk menunjukkan

karakteristik dari medan tegangan yang terjadi. EPFM lebih sering digunakan pada material

yang bersifat ductil, dimana terjadi perilaku elastic-plastic pada material akibat pembebanan

yang terjadi. Metode ini merupakan pengembangan dari LEFM, dengan penambahan analisa

yang dapat menunjukkan deformasi plastis dari material.

I. Linear Elastic Fracture Mechanics

Mode deformasi retak dapat digolongkan dalam tiga mode deformasi:

1. Moda I (opening mode) adalah retak yang diakibatkan oleh adanya tegangan tarik yang

tegak lurus terhadap arah/bidang penjaran retak. Jadi displasemen permukaan tegak lurus

bidang retak.

2. Moda II (sliding mode) adalah retak yang diakibatkan oleh tegangan geser yang searah

dengan penjalaran retak. Displasement permukaan retak adalah dalam bidang retak dan

tegak lurus leading edge dari retak.

3. Moda III (tearing mode) adalah retak yang diakibatkan karena tegangan geser yang

bekerja pada arah melintang dan membentuk sudut dengan arah penjalaran retak. Untuk

lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar dibawah ini :

Gambar. 8. Tiga mode deformasi retak.

Perlakuan panas (Heat Treatment) adalah suatu proses mengubah sifat logam dengan jalan

mengubah struktur mikro melalui proses pemanasan, penahanan waktu dan pengaturan

kecepatan pendinginan dengan tanpa/merubah komposisi kimia yang bersangkutan. Tujuan

dilakukannya proses perlakuan panas yaitu untuk merekayasa atau mendapatkan kekerasan baja

sesuai dengan rencana yang diinginkan. Baja yang biasa dilakukan proses perlakuan panas yaitu

baja perkakas, baja karbon rendah tidak dapat dilakukan proses perlakuan panas karena

kandungan karbonnya tidak mencukupi. Untuk mencegah timbulnya kegagalan pada bahan, ada

beberapa cara yang dapat dilakukan untuk meningkatkan kekuatan mekanik dari bahan tersebut.

Sehingga tidak mudah mengalami kegagalan, salah satu cara yang dapat dilakukan untuk

menghasilkan kekuatan mekanis yaitu dengan cara perlakuan panas (heat treatment). Perlakuan

panas diberikan pada baja untuk menghasilkan sifat-sifat yang diinginkan sehingga memiliki

kekuatan yang sesuai dengan kebutuhan. Salah satu metode perlakuan panas yang dapat

dilakukan untuk meningkatkan kekuatan baja AISI 1045 adalah dengan metode tempering, yang

mana dalam teorinya mampu meningkatkan keuletan yang diharapkan dapat meningkatkan sifat

mekanis yang digunakan sebagi poros dalam menerima beban. (Prawira:8)

BAB 3 Pembahasan

A. Patah Getas

Patah merupakan peristiwa yang terjadi karena beban tidak dapat menerima beban yang di

bebankan pada suatu material yang pembebanan tersebut melebihi kekuatan material. Pada

material yang sangat keras khususnya logam baja, maka sifat mekanisnya tidak akan dapat

menahan pembebanan yang lebih besar dari pada kekuatan dan ketahanan yang dimiliki material

tersebut.

Pembebanan ini akan terus menerus di transfer ke seluruh titik pada material dan menyebabkan

seluruh titik material mengalami pembebanan yang sangat besar secara merata. Tapi jika terdapat

kontur pada permukaan atau struktur komponen yang berbeda, maka akan terjadi konsentrasi

tegangan pada suatu tempat yang menjadikan area konsesntrasi tegangan tersebut akan

mendapatkan tegangan yang lebih besar dari pada tempat yang lain yang menyebabkan

terjadinya patah.

Untuk baja keras sendiri akan mengalami patah yang dinamakan patah getas, karena tidak

mampu menahan beban dan dengan keelastisitasan yang rendah maka baja akan mengalami

patah tanpa melakukan elastisitas terlebih dahulu karena elastisitas di abaikan karena sangat kecil

dan langsung patah pada kondisi plastis pada tegangan maksimum yang dapat di tahan oleh

material tersebut.

B. Tahapan Patah Getas

Material keras umumnya tidak memiliki elastisitas atau elastisitasnya terlalu kecil, untuk itu

material yang keras umumnya akan sangat bisa menghadapi tahanan dari pembebanan di

bandingkan dengan material yang ulet, tapi jika sudah mencapai batas tahanannya jika material

ulet akan mengalami elastisitas yang kemudian baru patah, sedangkan material keras karena

elastisitasnya terlalu kecil maka tidak akan mampu mengalami elastisitas, melainkan akan

mengalami plastisitas dan putus setelah menahan pembebanan maksimum yang dapat di terima

oleh material tersebut.

Beikut merupakan kurva dari (Harsono,2006) yang menyatakan diagram tegangan – regangan.

Dikatakan bahwa

a) Bahan tidak ulet, tidak ada deformasi plastis misalnya besi cor

b) Bahan ulet dengan titik luluh misalnya pada baja karbon rendah

c) Bahan ulet tanpa titik luluh yang jelas misalnya alumunium, diperlukan Metode off set

untuk mengetahui titik luluhnya

d) Kurva tegangan regangan sesungguhnya regangan-tegangan nominal

σp = kekuatan patah

σu = kekuatan tarik maksimum

σy = kekuatan luluh

ef = regangan sebelum patah

x = titik patah

YP = titik luluh

Dari diagram dan keterangan di atas maka dapat kita analisis bahwa material keras atau tidak ulet

akan putus pada kekuatan patahtanpa adanya regangan saat kekuatan patah.

Patah getas terjadi karena suatu material yang di beri pembebanan berulang – ulang statis

maupun dinamis yang kemudian menyebabkan material tidak bisa menahan beban yang lebih

dari ketahanannya dan menimbulkan retak yang sangat kecil yang menyebabkan adanya retak

kecil pada permukaan yang biasa disebut sebagai initial crack. Kemudian merambat perlahan

lahan ke daerah permukaan (crack propagation ), Initiation Crack berkembang menjadi

microcracks Perambatan atau perpaduan microcracks ini kemudian membentuk macrocracks

yang akan berujung pada failure. dan pada material keras tidak ulet, crack ini akan langsung

merambat tanpa adanya elastisitas yang menahan maka pada akhir rambatan retak inilah setelah

material mendapatkan tegangan maksimum maka material akan putus tanpa adanya regangan

yang di kenal dengan Final fracture proses akhir kerusakan pada struktur saat mengalami

pembebanan dan akan mengalami kegagalan material.

C. Faktor – faktor yang mempengaruhi material patah getas

Didalam perambatan retak di bahas pada banyak urnal bahwa setiap perambatan retak material

keras tidak ulet pasti mempunyai faktor penyebab yang dapat kita analisis dan dari pembahasan

tahapan retak juga dapat kita analisis bahwa faktor penyebabnya antara lain adalah

1. Pembebanan yang terjadi dan melebihi ketahanan suatu material.

2. Terjadinya konsentrasi tegangan yang tinggi

3. Terjadinya crack yang kemudian merambat dan patah

4. Terjadinya cacat pada material

5. Material patah getas di karenakan tidak mempunyai elastisitas yang cukup untuk

menahan pembebanan atau bisa kita abaikan elastisitas material tersebut.

6. Dalam beberapa jurnal, tesis dan disertasi terdapat pembahasan bahwa korosi juga

dapat menyebabkan suatu patah getas pada material.

D. Akibat patah getas

Jika crack mengakibatkan patah pada material, maka patah getas sendiri mengakibatkan

terjadinya kegagalan yang tiba-tiba tanpa di tandai dengan adanya crack kasat mata dalam

waktu yang lama. Karena crack akan langsung merambat dengan cepat. Jika ini terjadi maka

suatu komponen yang mengalami kegagalan akan menyebabkan terkejutnya sang pemakai

alat atau mesin yang menggunakan komponen tersebut. Jadi mengakibatkan putus atau

kegagalan yang tiba – tiba.

E. Cara mengurangi kemungkinan terjadinya patah getas

Pada beberapa jurnal juga menyajikan bahwa heat treatment dan tempering dapat di gunakan

sebagai cara untuk mengurangi kemungkinan terjadinya patah getas. Karena dapat mengatur

susunan atom – atom dan molekul – molekul pada material dan mengakibatkan material lebih

tahan terhadap pembebanan.

BAB 4 Penutup

A. Kesimpulan

Dari pembahasan pada bab 4 dapat kita simpulkan bahwa patah getas adalah patah yang dialami

oleh material keras dengan elastisitas rendah bahkan elastisitas dapat diabaikan karena terlalu

kecil. Tahapan terjadinya patah getas sendiri meliputi

1. Initial crack

2. crack propagation dan

3. Final fracture

Dalam berbagai penelitian sendiri digunakan beberapa metoda untuk menguji, diantaranya

adalah sebagai berikut.

1. Uji Tarik

2. Bending

3. Analisa Fracture mechanics

4. Analisis dan perhitungan statistik dengan metode arcsin

Faktor yang mempengaruhi patah getas paling utama adalah tidak adanya elastisitas atau sangat

kecilnya elastisitas pada material. Dan Heat treatment, tempering dapat di gunakan sebagai cara

untuk mengurangi kemungkinan terjadinya patah getas

B. Saran

Dalam penentuan material dan perancangan haruslah mempertimbangkan spesifikasi dari alat

yang kita buat akan menerima pembebanan maksimum berapa. Dan juga harus

mempertimbangkan material yang tidak korosif. Untuk mengurangi terjadinya patah sebaiknya

menggunakan heat treatment yang pas dan tepat.

Daftar pustaka

Hakim, Abi L Dkk.2012. Analisa Umur Kelelahan Sambungan Kaki Jack- Up Dengan Mudmat

Pada Maleo Mopu Dengan Pendekatan Fracture Mechanics. Jurnal Teknik Its Vol. 1

Diakses Pada 26 Oktober 2014 Dari Scholar.Google.Com

Holzmann, Miloslav, Ladislav Jurášek ·Ivo Dlouhý. 2007.Fracture Behaviour And Cleavage

Initiation In Hypoeutectoidpearlitic Steel Int. J Fract 148:13–28 Diakses Pada 26

Oktober 2014 Dari Springerlink.

Kadreni, Emilia.2002. Pengaruh Steel Fiber Pada Sifat Mekanis Beton Dan Kapasitas Balok

Beton Bertulang Pasca Kebakaran. Usu Digital Library. Universitas Sumatera Utara.

Kirono, Sasi.2010.Sifat Kelelahan Batang Torak Komponen Mesin . B2tks Bppt : Tangerang

Prawira, Hendra. Analisis Ketahanan Lelah Baja Karbon Aisi 1045 Yang Ditempering

Sriyanto, Nanang Budi Dan Mochamad Noer Ilman. 2008.Perilaku Perambatan Retak Fatik Di

Udara Dan 3,5% Nacl Pada Sambungan Las Busur Rendam Baja Astm A572 Grade 50.

Sdm Teknologi Nuklir: Yogyakarta

Sugiarto, Teguh Dkk. 2013. Analisis Uji Ketahanan Lelah Baja Karbon Sedang Aisi 1045

Dengan Heat Treatment (Quenching) Dengan Menggunakan Alat Rotary Bending.

Jurnal Fema, Volume 1, Nomor 3 Diakses Pada 26 Oktober 2014 Dari

Scholar.Google.Com