Kelelahan Logam (Fatigue) Document Transcript

1. KELELAHAN LOGAM DIKTAT KULIAH Disusun Oleh: ABRIANTO AKUAN, ST., MT. JURUSAN TEKNIK METALURGI FAKULTAS TEKNIKUNIVERSITAS JENDERAL ACHMAD YANI BANDUNG 2007 2. Tujuan Perkuliahan: 1. Memberikan pemahaman tentang aspek mekanik dan metalurgis terhadap kelelahan logam. 2. Memahami fenomena kelelahan pada logam dan struktur serta implikasinya pada desain teknis. 3. Memahami konsep mekanika retakan dan implikasinya pada desain teknis. Materi: 1. Karakteristik kelelahan logam. 2. Aspek metalurgis pada kelelahan logam. 3. Konsep S-N (tegangan-siklus). 4. Konsep -N (regangan-siklus). 5. Konsep da-dN (laju penjalaran retakan). 6. Pengaruh takikan pada perilaku kelelahan logam. 7. Kelelahan pada amplitudo berubah (variabel). Referensi: 1. Julie A Bannantine, Fundamentals of Metal Fatigue Analysis, Prentice-Hall, New Jersey, 1990. 2. David Broek, Elementary Engineering Fracture Mechanics, Kluwer Akademic Publishers, 1991. 3. Dieter, Mechanical Metallurgy, 4. Mardjono Siswosuwarno, Fracture Mechanics dan Prediksi Umur Kelelahan, Jurusan Teknik Mesin, ITB. 5. Ahmad Taufik, Aplikasi Mekanika Retakan pada Analisis Kegagalan Logam, Jurusan Teknik Pertambangan, ITB, 2000.Copyright 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI i 3. 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 mekanis adalah disebabkan oleh kelelahan. Gambar. 1.1 Distribusi mode kegagalan. Modus kegagalan komponen atau struktur dapat dibedakanmenjadi 2 katagori utama yaitu: 1. Modus kegagalan quasi statik (modus kegagalan yang tidak tergantung pada waktu, dan ketahanan terhadap kegagalannya dinyatakan dengan kekuatan). 2. Modus kegagalan yang tergantung pada waktu (ketahanan terhadap kegagalannya dinyatakan dengan umur atau life time).Jenis- jenis modus kegagalan quasi statik yaitu: 1. Kegagalan karena beban tarik.Copyright 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 1 4. 2. Kegagalan karena beban tekan. 3. Kegagalan karena beban geser.Patahan yang termasuk jenis modus kegagalan ini adalah patah uletdan patah getas. 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 abadke-19 yaitu dengan seringnya terjadi patah pada komponen kereta apidimasa itu: Di Versailles (Paris), 1944, menewaskan 40-80 penumpang, akibat patah poros roda. 20 April 1887, 3 orang tewas dan 2 terluka, akibat patah draw 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. Pelopor dalam penelitian mengenai kelelahan logam adalahWohler (Jerman) dan Fairbairn (Inggris) tahun 1860. Pengamatanyang lebih mendetail terhadap kelelahan logam, dilakukan sejak 1903oleh Ewing dan Humparey yang mengarah pada lahirnya teoriMekanisme Patah Lelah. Hingga saat ini, mekanisme patah lelah adalah terdiri atas 3tahap kejadian yaitu: 1. Tahap awal terjadinya retakan (crack inisiation). 2. Tahap penjalaran retakan (crack propagation).Copyright 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 2 5. 3. Tahap akhir (final fracture).Pada Gambar. 1.2 dibawah ini ditunjukkan secara skematispenampilan permukaan patahan dari kegagalan lelah pada berbagaikondisi pembebanan. Karakteristik kelelahan logam dapat dibedakan menjadi 2

yaitukarakteristik makro dan karakteristik mikro. Karakteristik makromerupakan ciriciri kelelahan yang dapat diamati secara visual(dengan mata telanjang atau dengan kaca pembesar). Sedangkankarakteristik mikro hanya dapat diamati dengan menggunakanmikroskop.Copyright 2007 by Abrianto AkuanTeknik MetalurgiUNJANI 3 6. Gambar. 1.2 Skematis permukaan patah lelah dari penampang bulat dan persegi pada berbagai kondisi pembebanan.1.1 Karakteristik Makroskopis Karakteristik makroskopis dari kelelahan logam adalah sebagaiberikut: 1. Tidak adanya deformasi plastis secara makro. 2. Terdapat tanda garis-garis pantai (beach marks) atau clam shell atau stop/arrest marks, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1.3 dibawah ini.Copyright 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 4 7. 1932 1947 1948 1950 1951 Gambar. 1.3 Permukaan patah lelah pada poros. 3. Terdapat Ratchet marks seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1.4 dibawah ini. Gambar. 1.4 Permukaan patah lelah dari baut akibat beban tarik.Copyright 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 5 8. Ratchet marks menjalar kearah radial dan merupakan tandapenjalaran retakan yang terjadi bila terdapat lebih dari satu lokasiawal retak, ratchet marks ini merupakan pertemuan beach marks darisatu lokasi awal retak dengan beach marks dari lokasi lainnya. Tanda garis-garis pantai (beach marks) yang merupakan tandapenjalaran retakan, mengarah tegak lurus dengan tegangan tarik dansetelah menjalar sedemikian hingga penampang yang tersisa tidakmampu lagi menahan beban yang bekerja, maka akhirnya terjadilahpatah akhir atau patah statik. Luas daerah antara tahap penjalaranretakan dan tahap patah akhir secara kuantitatif dapat menunjukkanbesarnya tegangan yang bekerja. Jika luas daerah tahap penjalaranretakan lebih besar daripada luas daerah patah akhir, maka teganganyang bekerja relatif rendah, demikian sebaliknya. Tahap I terjadinyakelelahan logam yaitu tahap pembentukan awal retak, lebih mudahterjadi pada logam yang bersifat lunak dan ulet tetapi akan lebihsukar dalam tahap penjalaran retakannya (tahap II), artinya logam-logam ulet akan lebih tahan terhadap penjalaran retakan. Demikiansebaliknya, logam yang keras dan getas, akan lebih tahan terhadappembentukkan awal retak tetapi kurang tahan terhadap penjalaranretakan. Tahapan pembentukan awal retak dan penjalaran retakan dalammekanisme kelelahan logam, membutuhkan waktu sehingga umurlelah dari komponen atau logam, ditentukan dari ke-2 tahap (Gambar.1.5) tersebut (total fatigue life, NT = fatigue initiation, Ni + fatiguepropagation, Np). Fasefase yang terjadi selama kejadian kelelahanlogam tersebut adalah sebagai berikut: Cyclic Pengintian Perambatan Perambatan Patah slip retak mikro retak mikro retak makro akhir Umur pengintian awal retak Umur Penjalaran retakan Gambar. 1.5 Fasefase kegagalan lelah (fatigue).Copyright 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 6 9. Gambar. 1.6 Skematis penampang melintang dari kegagalan lelah tahap I dan II.Tahap I (pembentukan awal retak) dan tahap II (penjalaran retakan)pada mekanisme kegagalan patah lelah tersebut (Gambar. 1.6) dapatdijelaskan lagi dengan penggambaran sebagai berikut:Tahap retak mikro (tahap I):Copyright 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 7 10. Tahap retak makro (tahap II):Gambar. 1.7 Skematis tahap retak mikro dan makro pada kelelahan logam.1.2 Karakteristik Mikroskopis Karakteristik mikroskopis dari kelelahan logam adalah sebagaiberikut: 1. Pada permukaan patahan terdapat striasi (striations). 2. Permukaan patahan memperlihatkan jenis patah transgranular (memotong butir) tidak seperti jenis patah intergranular seperti yang terjadi pada kasus SCC (stress corrosion cracking) atau mulur (creep).Persamaan striasi dan beach

marks adalah sebagai berikut: 1. Ke-2 nya menunjukkan posisi ujung retak yang terjadi setiap saat 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 keras atau terlalu lunak.Copyright 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 8 11. Perbedaan striasi dan beach marks adalah sebagai berikut: 1. Ukuran striasi adalah mikroskopis (1 100 ) dan hanya dapat dilihat dengan menggunakan mikroskop elektron. 2. Ukuran beach marks adalah makroskopis (> 1000 atau 1 mm) dan dapat dilihat dengan mata telanjang. 3. Striasi mewakili majunya ujung retakan yang bergerak setiap satu siklus pembebanan, sedangkan beach marks mewakili posisi dari ujung retakan ketika beban siklik berhenti untuk satu perioda tertentu. (satu beach mark dapat terdiri atas ratusan bahkan ribuan buah striasi).Latihan:1.1 Carilah sah satu contoh gambar/photo penampang patah lelah (fatigue fracture), berilah keterangan posisi awal retak, arah penjalaran retakan dan daerah patah akhirnya. Jelaskan jenis material, jenis beban yang bekerja, dan jelaskan pula secara kualitatif besarnya pembebanannya.1.2 Buatlah skematis penampang patahan dari kedua gambar berikut dan tunjukkan posisi awal retak, arah perambatan retakan, patah akhir dan jenis bebannya. Gambar Permukaan Patah Lelah dari Porors Baja AISI 1040 steel (~30 HRC).Copyright 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 9 12. Gambar Permukaan Patahan dari Batang Piston Mesin Forging berdiameter 200mm dari Bahan Baja Paduan.Copyright 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 10 13. II. ASPEK METALURGIS PADA KELELAHAN LOGAM Kelelahan logam diawali dengan pembentukan awal retak dandilanjutkan dengan penjalaran retakan hingga komponen mengalamipatah. Lokasi awal retak pada komponen atau logam yang mengalamipembebanan dinamis atau siklik adalah pada titik daerah dimanamemiliki kekuatan yang paling minimum dan atau pada titik daerahdimana mengalami tegangan yang paling maksimum. Oleh karena ituuntuk memperkirakan umur lelah suatu komponen merupakan suatuhal yang cukup sulit, hal ini disebabkan oleh banyaknya faktor-faktoryang mempengaruhi umur lelahnya. Faktor-faktor tersebut adalah: 1. Pembebanan: a. Jenis beban: uniaksial, lentur, puntir. b. Pola beban: periodik, random. c. Besar beban (besar tegangan). d. Frekwensi siklus beban. 2. Kondisi material. a. Ukuran butir. b. Kekuatan. c. Penguatan dengan larutan padat. d. Penguatan dengan fasa ke-2. e. Penguatan regangan. f. Struktur mikro. g. Kondisi permukaan (surface finish). h. Ukuran Komponen. 3. Proses pengerjaan. a. Proses pengecoran. b. Proses pembentukan. c. Proses pengelasan. d. Proses pemesinan.Copyright 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 11 14. e. Proses perlakuan panas. 4. Temperatur operasi. 5. Kondisi lingkungan.2.1 Pengaruh Pembebanan Parameter pembebanan yang berpengaruh terhadap kelelahanlogam adalah tegangan rata-rata, m dan tegangan amplitudo, aserta frekwensi pembebanan.2.1.1 Pengaruh Tegangan Rata-rata Gambar. 2.1 Pengertian tegangan siklik.Tegangan amplitudo:Sa = a = (max - min) / 2 (2.1)Tegangan ratarata:Sm = m = (max + min) / 2 (2.2)Rasio tegangan:R = min / max (2.3) Besarnya tegangan rata-rata yang bekerja akan menentukanterhadap besarnya tegangan amplitudo yang diijinkan untuk mencapaisuatu umur lelah tertentu. Bila tegangan rata-rata sama dengan 0atau rasio tegangan sama dengan -1, maka besarnya teganganamplitudo yang diijinkan adalah nilai batas lelahnya (Se). DenganCopyright 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 12 15. demikian jika tegangan rata-ratanya semakin besar maka teganganamplitudonya harus diturunkan. Hal ini terlihat pada alternatif diagramGoodman atau pada diagram-

diagram lainnya, lihat Gambar 2.2berikut ini: Gambar. 2.2 Diagram-diagram batas tegangan terhadap kelelahan logam. Persamaan-persamaan yang digunakan pada diagram batastegangan seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2.2 diatas adalahsebagai berikut: a. Soderberg (USA, 1930): Sa/Se + Sm/Syt = 1 (2.4) b. Goodman (England, 1899): Sa/Se + Sm/Sut = 1 (2.5) c. Gerber (Germany, 1874): Sa/Se + (Sm/Sut)2 = 1 (2.6) d. Morrow (USA, 1960s): Sa/Se + Sm/f = 1 (2.7)Copyright 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 13 16. dimana, Se adalah batas lelah (endurance limit), Su adalah kekuatantarik dan f adalah tegangan patah sebenarnya (true fracture stress).Perbandingan dari tegangan amplitudo terhadap tegangan rata-ratadisebut rasio amplitudo (A=Sa/Sm), sehingga hubungan antara nilai Rdan A yaitu sebagai berikut:jika R=-1, maka A=~ (kondisi fully reversed)jika R=0, maka A=1 (kondisi zero to maximum)jika R=~, maka A=-1 (kondisi zero to minimum) Pada Gambar 2.2 diatas yang memperlihatkan aman tidaknyakondisi pembebanan terhadap kelelahan logam, berdasarkan hasildiskusi atas berbagai permasalahan, maka dapat dinyatakan sebagaiberikut: Diagram. a (Soderberg) adalah paling konservatif dan paling aman, atau digunakan pada kondisi nilai R mendekati 1. Data hasil pengujian, cenderung berada diantara diagram. b dan c (Goodman dan Gerber). Untuk baja keras (getas), diagram. b dan d (Goodman dan Morrow) hampir berimpit (sama). Untuk baja lunak (ulet), diagram. D (Morrow) akan lebih akurat. Pada kondisi R 400) dan,Copyright 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 31 34. Su = 0,5 BHN = 0,5 . 465 = 232 ksiUkuran luas pelat pegas:A = w t = 1 . 0,145 = 0,145 in2 maka,Diameter ekuivalennya adalah:A = /4 dek2 = 0,145dek = 0,43 in = 10.92 mm sehingga,*Faktor modifikasi pengaruh ukuran:Csize = 1,189 d-0,097 = 1,189 (10,92)-0,097 = 0,94*Faktor modifikasi pengaruh pembebanan adalah 1 karenapembebanan berupa lentur atau bending.Karena kekasaran permukaannya = 24 in, maka sesuai denganGambar 2.15 dapat diketahui;*Faktor modifikasi pengaruh kekasaran permukaan yaitu sebesar =0,75Dengan demikian batas lelah setelah memperhitungkan faktor-faktormodifikasinya adalah:Se=Se . Csize . CLoad . Csurf finish=100 . 0,94 . 1 . 0,75= 70,5 ksiMaka tegangan yang diijinkan bekerja pada pegas tersebut:a / Se + m / Su = 1Untuk pembebanan zero to max atau R=0 maka,a = m = max / 2 = sehingga, / Se + / Su = 1 / 70,5 + / 232 = 1 maka, = 54 ksi sehingga,max = 108 ksiUntuk kondisi A, pegas tersebut dapat bekerja dengan umur takberhingga dengan siklus tegangan antara 0 108 ksi.(aktualnya adalah antara 0 100 ksi, dengan demikian perhitungandiatas memiliki faktor kesalahan: 8 %).Copyright 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 32 35. * Untuk kondisi B:Kekuatan:Se = 100 ksi (BHN > 400) dan,Su = 0,5 BHN = 0,5 . 475 = 238 ksiKarena kekasaran permukaannya = 125 in, maka sesuai denganGambar. 23 dapat diketahui;*Faktor modifikasi pengaruh kekasaran permukaan yaitu sebesar =0,58Dengan demikian batas lelah setelah memperhitungkan faktor-faktormodifikasinya adalah:Se=Se . Csize . CLoad . Csurf finish=100 . 0,94 . 1 . 0,58= 54,5 ksiKarena pengaruh tegangan sisa dipermukaan sebesar -80 maka:a / Se + m / Su = 1 dan,a = m = max / 2 = sehingga, / Se + {(-80) / Su} = 1 / 54,5 + {(-80) / 238} = 1 maka, = 59,3 ksi sehingga,max = 118,6 ksiUntuk kodisi B, pegas tersebut dapat bekerja dengan umur takberhingga dengan siklus tegangan antara 0118,6 ksi.(aktualnya adalah antara 0140 ksi, dengan demikian

perhitungandiatas memiliki faktor kesalahan: 15 %).Copyright 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 33 36. Copyright 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 34 37. Copyright 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 35 38. Copyright 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 36 39. Copyright 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 37 40. Copyright 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 38 41. Copyright 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 39 42. Copyright 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 40 43. 2.3 Pengaruh Proses Pengerjaan Pada dasarnya setiap ketidakkontinyuan dan ketidakseragamanpada material akan berpengaruh langsung terhadap penjalaran retaklelah atau ketahanan lelah material, ketidakkontinyuan ini dapatberupa takikan dari geometri komponen ataupun berupa retakan danrongga sebagai akibat suatu proses pengerjaan. Selain ituketidakseragaman yang berupa ketidakmohogenan struktur ataupunberupa segregasi dari suatu proses pengerjaan akan sangatberpengaruh pula terhadap ketahanan lelah material.2.3.1 Pengaruh Proses Pengecoran Hal-hal yang berpengaruh terhadap ketahanan lelah logamsebagai akibat negatif dari proses pengecoran adalah: Segregasi (terutama segregasi makro) Cacat rongga Porositas Retak panas Terak, slag atau inklusi Dan lain-lain. Gambar. 2.21 Cacat-cacat coran.Copyright 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 41 44. 2.3.2 Pengaruh Proses Pembentukan Logam hasil proses pembentukan akan memiliki batas lelahyang lebih tinggi dari benda coran, namun cacat-cacat dari suatuproses pembentukan akan sangat merugikan pula terhadap bataslelah logam yang dihasilkan. Cacat-cacat tersebut antara lain: Cacat laps atau seams (berupa lipatan) pada permukaan produk tempa atau roll. Oksida yang terjebak pada lipatan di permukaan produk tempa atau roll. Permukaan yang kasar. Dan lain-lain. Pada Gambar 2.22, Tabel 2.6 dan Gambar 2.23 ditunjukkanpengaruh proses pembentukan terhadap ketahanan lelah baja, danpada Gambar 2.24 ditunjukkan pula pengaruh anisotrop yangdihasilkan dari proses pembentukan logam serta Gambar 2.25memperlihatkan jenis-jenis cacat proses pembentukan. Gambar. 2.22 Pengaruh pengerolan dingin terhadap kurva S-N baja.Copyright 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 42 45. Tabel. 2.6 Kekuatan lelah pada 105siklus dari baut baja AISI 8635 Gambar. 2.23 Pengaruh penempaan terhadap batas lelah baja. Gambar. 2.24 Pengaruh anisotrop terhadap ketahanan patah.Copyright 2007 by Abrianto AkuanTeknik MetalurgiUNJANI 43 46. Gambar. 2.25 Cacat-cacat proses tempa dan ekstrusi.2.3.2 Pengaruh Proses Pengelasan Proses pengelasan melibatkan pencairan dan pembekuan, makasegala jenis cacat-cacat coran dapat terjadi didaerah logam las.Sedangkan daerah terpengaruh panas (Heat Affected Zone) dapatterjadi perubahan struktur mikro yang menghasilkan fasa getas danbutir kasar, hal ini akan sangat merugikan ketahanan lelahsambungan lasan disamping adanya tegangan sisa tarik pada daerahtersebut. Pada Gambar 2.26 ditunjukkan jenis-jenis cacat lasan.Copyright 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 44 47. Gambar. 2.26 Cacat-cacat lasan.2.3.3 Pengaruh Proses Pemesinan Kondisi permukaan logam sangat berpengaruh terhadap umurlelahnya, permukaan yang kasar merupakan tempat yang teganganlokalnya tinggi sehingga dapat menjadi lokasi awal retak lelah.Dengan demikian proses pemesinan yang menentukan kekasaranpermukaan logam akan menentukan pula terhadap ketahananlelahnya

disamping timbulnya tegangan sisa sebagai akibat deformasiplastis pada saat pembentukan geram dalam operasi pemesinantersebut (Gambar. 2.27), bahkan jika tegangan sisa tarik muncul yangcukup besar seperti dalam proses penggerindaan yang cukup berat,dapat menimbulkan retak rambut (Gambar 2.28). Gambar. 2.27 Pengaruh proses penggerindaan terhadap kurva S-N baja.Copyright 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 45 48. Gambar. 2.28 Cacat-cacat proses pemesinan.2.3.5 Pengaruh Proses Perlakuan Panas Pengaruh dari proses perlakuan panas yang dapat menurunkankekuatan lelah adalah: Over heating yang menyebabkan butir kasar. Over heating yang menyebabkan pencairan fasa bertitik cair rendah. Retak quench. Tegangan sisa Dekarburisasi (Tabel 2.7). Dan lain-lain. Tabel. 2.7 Pengaruh dekarburisasi terhadap batas lelah.Copyright 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 46 49. 2.4 Pengaruh Temperatur Operasi Pada temperatur tinggi, kekuatan logam akan menurunsehingga deformasi plastis akan lebih mudah terjadi dan batas lelahmenjadi tidak jelas (hilang) yang disebabkan oleh karena pengaruhmobilitas dislokasi (lihat Gambar 2.29). Room Temperature High Temperature (750oC) Gambar 2.29. Pengaruh temperatur terhadap batas lelah baja.2.5 Pengaruh Kondisi Lingkungan Kondisi lingkungan yang korosif akan menyerang permukaanlogam dan menghasilkan lapisan oksida atau produk korosi. Umumnyaoksida adalah sebagai lapis lindung dan dapat mencegah kerusakankorosi selanjutnya, tetapi pembebanan siklik dapat menyebabkanpecahnya lapisan tersebut dan kerusakan korosi berikutnya sehinggatimbul korosi sumuran yang berfungsi sebagai takikan. Hal itulah yangmenyebabkan penurunan kekuatan lelah, pengaruh lingkungan korosifini menurunkan kekuatan lelah logam hingga 10 % serta dapatmenyebabkan batas lelah menjadi tidak jelas (hilang) seperti yangditunjukkan pada Gambar 2.30, 2.31 dan Tabel 2.8 dan 2.9 berikutini.Copyright 2007 by Abrianto AkuanTeknik MetalurgiUNJANI 47 50. Gambar 2.30. Pengaruh lingkungan terhadap kurva S-N baja. Gambar 2.31. Pengaruh kekuatan tarik terhadap korosi-lelah berbagai jenis baja.Tabel. 2.8 Kekuatan lelah baja pada beberapa kondisi lingkungan.Tabel. 2.9 Pengaruh perlakuan permukaan terhadap korosi-lelah baja.Copyright 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 48 51. Gambar. 2.32 Pengaruh lingkungan dan variabel metalurgis lainnya terhadap batas lelah.Latihan:2.1 Batang silinder berdiameter 2,5 in dan memiliki kekasaranpermukaan 125 in terbuat dari bahan baja AISI 1035 dengankekuatan tarik, Su = 92 Ksi. Tentukanlah beban yang akanmenghasilkan umur tak berhingga untuk kondisi: pembebanan aksialbolak-balik (R=-1) dan pembebanan puntir bolakbalik (R=-1).2.2 Gambarlah grafik hubungan antara kekuatan lelah, Se dengankekuatan tarik, Su dengan berbagai kondisi permukaan hasil perlakuanproses: Hot Rolling, Machining, Forging dan Poleshing. (GunakanlahGambar. 2.14).2.3 Suatu baja paduan memiliki kekuatan tarik, Su = 100 ksi. Bajatersebut diproses shot peening sehingga menghasilkan tegangan sisa-50 ksi yang menyebabkan peningkatan kekerasan dari 200 BHNmenjadi 250 BHN serta peningkatan kekasaran permukaan dari 5menjadi 50 in. Estimasilah kekuatan lelah baja tersebut sebelumdan setelah perlakuan shot peening.Copyright 2007 by Abrianto AkuanTeknik MetalurgiUNJANI 49 52. 2.4 Poros baja kondisi A hasil proses pemesinan akan diganti olehporos baja kondisi B hasil proses forging. Tentukanlah diameter dariporos pengganti tersebut yang akan dipakai pada pembebanan puntirbolak-balik yang menghasilkan umur 106 siklus.Poros A: Su = 80 Ksi Surface finish, AA = 125 in (machined) Diameter = 1,5

inPoros B: Su = 90 Ksi Surface finish, AA = as forgedCopyright 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 50 53. III. KONSEP S-N Konsep tegangan-siklus (S-N) merupakan pendekatan pertamauntuk memahami fenomena kelelahan logam. Konsep ini secara luasdipergunakan dalam aplikasi perancangan material dimana teganganyang terjadi dalam daerah elastik dan umur lelah cukup panjang.Metoda S-N ini tidak dapat dipakai dalam kondisi sebaliknya(tegangan dalam daerah plastis dan umur lelah relatif pendek), hal inidapat dilihat pada Gambar 3.1. Umur lelah yang diperhitungkan dalammetoda S-N ini adalah umur lelah tahap I (inisiasi retak lelah) danumur lelah II (propagasi retakan). Total = Elastic and Plastic HCF Elastic LCF Plastic LCF atau PCS HCF atau ECS HCS=High Cycles Stress/Strain LCF=Low Cycles Fatigue LCS=Low Cycles Stress/Strain PCS=Plastic Cycles Strain HCF=High Cycles Fatigue ECS=Elastic Cycles Strain Gambar. 3.1 Pembagian daerah umur lelah dalam kurva SN.Batas daerah pada Gambar 41 tersebut diatas adalah antara 10105tergantung jenis materialnya (baja: 104 siklus).Copyright 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 51 54. Dasar dari metoda S-N ini adalah diagram Wohler atau diagramS-N yang secara experimen didapat dari pengujian lelah lentur putardengan tegangan yang bekerja berfluktuasi secara sinusiodal antarategangan tarik dan tekan, sebagai contoh adalah pada pengujian R.RMoore dengan 4 titik pembebanan pada frekwensi 1750 rpm terhadapspesimen silindris berdiameter 0,250,3 in. Kurva hasil pengujian iniditunjukkan pada Gambar 3.2, 3.3 dan 3.4 berikut ini. Gambar. 3.2 Kurva S-N baja AISI 1045. Gambar. 3.3 Kurva S-N aluminium 2024-T4.Gambar. 3.4 Kurva S-N beberapa baja yang diplot dalam rasio Se/Su.Copyright 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 52 55. Kekuatan lelah atau batas lelah (endurance limit), Se adalahtegangan yang memberikan umur tak berhingga. Sebagai Contohpada nilai batas lelah baja AISI 1045 seperti yang ditunjukkan padaGambar 3.2 diatas yaitu sebesar 50 ksi. Kebanyakan jenis bajadengan kekuatan tarik dibawah 200 ksi memiliki nilai batas lelahsebesar 0,5 dari kekuatan tariknya, hal ini ditunjukkan pada Gambar2.7 dan Gambar 3.4 diatas. Tegangan dibawah batas lelah akan menyebabkan logam amanterhadap kelelahan, hal ini disebabkan karena gerakan dislokasinyaakan terhambat oleh atom-atom asing interstisi sehingga tidak akanmenghasilkan PSB (Presistant Slip Band). Batas lelah logam-logamBCC (Body Centered Cubic) akan tidak jelas sehingga kurvanyamenjadi kontinyu jika mengalami kondisi sebagai berikut: Over load periodik (sehingga dislokasi mengalami unlock atau unpin). Lingkungan yang korosif. Temperatur tinggi (sehingga mobilitas dislokasi tinggi). Pada logam-logam FCC (Face centered Cubic), batas lelahnyatidak jelas atau kurvanya kontinyu (Gambar 3.5), sehingga kekuatanlelahnya ditentukan dari nilai tegangan yang memberikan umur:5X108 siklus. BCC Metals FCC MetalsCopyright 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 53 56. Gambar. 3.5 Perbandingan kurva S-N pada logam BCC dan FCC. Kurva S-N baja dapat diestimasi dari rasio kelelahan sepertiyang ditunjukkan pada Gambar 2.7 dan 3.4 yaitu ditunjukkan padaGambar 3.6 berikut ini. Gambar. 3.6 Estimasi kurva S-N untuk Baja.Hubungan tegangan siklik, S dan umur lelah, N (siklus):S = 10C Nb (untuk: 103 < N < 106) (3.1)atau:N = 10-C/b S1/b (untuk: 103 < N < 106) (3.2)Eksponen C dan b ditentukan sebagai berikut:b = - 1/3 log (S1000/Se) (3.3)C = log {(S1000)2/Se} (3.4)Batas lelah:Se = 0,5 Su (Su 200 ksi atau 1379 Mpa) (3.5)Se = 0,25 BHN (BHN 400) (3.6)Se = 100 ksi atau 689,5 Mpa (3.7) (Su > 200 ksi atau 1379 Mpa)Copyright 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 54

57. Tegangan siklik yang menghasilkan umur 1000 siklus:S1000 = 0,9 Su (3.8)Estimasi hubungan S-N (untuk: 103 < N < 106) adalah:S = 1,62 Su N-0,085 (3.9)atauS = 0,81 BHN N-0,085 (3.10)Berdasarkan persamaan garis lurus (Y=mX+C) dari Gambar 3.6diatas, estimasi hubungan S-N (untuk: 103 < N < 106 atauSe 1,4 maka material akan mengalami siklik hardening. uts / ys < 1,2 maka material akan mengalami siklik softening.Perilaku siklik ini dapat pula diprediksi bedasarkan nilai eksponenpengerasan regangan monotonik, yaitu: n > 0,2 maka material akan mengalami siklik hardening. n < 0,1 maka material akan mengalami siklik softening.Pada umumnya perilaku siklik hardening atau softening terjadi hanyapada awal kelelahan (2040% umur lelah) dan selanjutnya adalahstabil (50% umur lelah).Copyright 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 66 69. Gambar 4.6 Kurva tegangan-regangan siklik dan monotonik.4.2 Hubungan Tegangan-Regangan siklik Seperti halnya dalam kondisi monotonik, maka hubungantegangan-regangan pada kondisi siklik dapt dinyatakan sebagaiberikut: = K pn (4.18)dimana, =tegangan amplitudo K=konstanta tegangan siklik p=regangan plastis siklik n=koefisien pengerasan regangan siklik, ditentukan dari plot log-log tegangan-regangan siklik, secara umum untuk logam besarnya adalah: 0,10,25 rata-rata: 0,15sehingga:p = (/K)1/n (4.19)maka sesuai dengan Persamaan (4.7) dan (4.12): = /E + (/K)1/n (4.20)Copyright 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 67 70. Gambar 4.7 Plot log-log tegangan-regangan siklik.dan regangan amplitudonya sesuai dengan Persamaan (4.16) yaitu:/2 = /2E + (/2K)1/n (4.21)Atau total regangannya adalah: = /E + 2(/2K)1/n (4.22)Contoh Soal 4.1:Material dengan sifat-sifat mekanik sebagai berikut: E=30. 103 ksi n=0,202 K=174,6 ksiMaterial tersebut dikenai regangan berulang (fully reversed) denganrange

regangan, =0,04. Tentukan respon tegangan-regangan darimaterial tersebut.Jawab:Gambar dibawah ini menunjukkan sejarah regangannya, padapembebanan awal (titik. 1):1 = 1/E + (1/K)1/n0,02= 1/30.103 + (1/174,6)1/0,202Copyright 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 68 71. 1=77,1 ksiRegangan amplitudo: = /E + 2(/2K)1/n0,04= /30.103 + 2(/(2. 174,6))1/0,202=154,2 ksiTegangan pada titik. 2:2 = 1 - = 0,02 0,04 = -0,022 = 1 - = 77,1 154,2 = -77,1 ksi4.3 Kurva -N (Regangan-Siklus) Tahun 1910, Basquin meneliti bahwa data S-N (reganganelastik) dapat di plot secara linier dalam skala log-log:/2 = f (2Nf)b (4.23)dimana, /2 =amplitudo tegangan f =konstanta kekuatan (tegangan) lelah 2Nf =jumlah siklus kegagalan (1 putaran=1/2 siklus) b =eksponen kekuatan (tegangan) lelah atau eksponen Basquin=0,05-0,12 ; rata-rata=-0,085 Pada tahun 1950-an, Coffin dan Manson (sendirisendiri)menemukan data p-N juga linier dalam koordinat log-log:Copyright 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 69 72. p/2 = f (2Nf)c (4.24)dimana, p/2 =amplitudo regangan plastis f =konstanta keuletan (regangan) lelah (untuk logam ulet1 dan untuk logam keras0,5) c =eksponen keuletan (regangan) lelah=-0,5 (Coffin, untuk logam keras)0,7(Manson, untuk logam ulet), rata-rata=-0,6 (Manson)Sehingga amplitudo regangannya sesuai dengan Persamaan (4.16)dan (4.17) adalah:/2 = f/E (2Nf)b + f (2Nf)c (4.25)Persamaan (4.25) diatas jika di plot dalam sebuah diagrammenghasilkan kurva seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.8 (a)berikut ini. (a) (b) Gambar 4.8 Kurva -N.Umur transisi (Gambar 4.8 (b)) yang merupakan umur reganganelastis sama dengan umur regangan plastis dapat ditentukan sebagaiberikut:e/2 = p/2f/E (2Nf)b = f (2Nf)c dimana 2Nf=2Nt2Nt = (f E / f )1/b-c (4.26)Copyright 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 70 73. Berdasarkan Gambar 4.8 (b), dapat ditunjukkan bahwa jika kekuatanatau kekerasan material meningkat maka umur transisi akanmenurun. Hal ini diperlihatkan pula pada Gambar 4.9 berikut ini. Gambar 4.9 Kurva -N untuk baja karbon medium kondisi quenching dan normalizingPada baja karbon medium yang dinormalising (relatif ulet):2Nt=90.000 siklus dan jika dalam kondisi dikeraskan (queching) akanmemiliki 2Nt=15 siklus. Dengan demikian untuk regangan tertentupada kondisi quenching akan memberikan umur lelah yang lebih lamapada daerah pembebanan regangan elastis atau siklus lelah tinggi.Sebaliknya pada kondisi normalising akan memberikan umur lelahyang lebih lama pada pembebanan regangan plastis atau siklus lelahrendah (lihat Gambar 3.1).Contoh Soal 4.1:Berikut ini diberikan data sifat mekanik monotonik dan siklik darisuatu spesimen baja yang dipoles, yaitu: Data monotonik. Sy = 158 ksi Su = 168 ksi E = 28,4 X 103 ksiCopyright 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 71 74. f = 228 ksi q = 52 % f = 0,734 Data siklik.Tentukanlah konstanta teganganregangan dan regangan-siklus (K,n, f , b, f , c) untuk baja tersebut.Jawab: Menentukan f dan b dengan menggunakan hubungan antara tegangan amplitudo dengan siklus kegagalan (dari data siklik): /2 = f (2Nf)b Menentukan f dan c dengan menggunakan hubungan antara amplitudo regangan plastis dengan siklus kegagalan (dari data siklik): p /2 = f (2Nf)cKurva regangan-siklus berdasarkan data siklik:Copyright 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 72 75. maka sifat-sifat sikliknya adalah: f = 222 ksi (berdasarkan pendekatan = 228 ksi) b = -0,076 (berdasarkan pendekatan = -0,085) f = 0,811 (berdasarkan pendekatan = 0,734) c = -0,732 (berdasarkan pendekatan = -0,6) Menentukan K dan n dengan menggunakan hubungan antara tegangan amplitudo dengan amplitudo

regangan plastis: = K (p)n maka menghasilkan sifat-sifat siklik: K = 216 ksi n = 0,094atau dapat ditentukan pula melalui persamaan: K = f / (f)n = 227 ksi dan n = b/c = 0,104Contoh Soal 4.2:Suatu batang komponen baja dengan kekuatan tarik, Su = 114 Ksimemiliki lebar 1 inch dan tebal inch dan pada kedua sisinyaterdapat takikan lingkaran dengan radius 1/10 inch.Copyright 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 73 76. Tentukan umur lelah komponen tersebut jika dikenai beban berulang(R=-1) dengan amplitudo beban 10 Kips.Jawab: Penampang sisa, Anet = . 0,8 = 0,2 in2 Maka: Snet = P/Anet = 10 Kips / 0,2 in2 = 50 Ksi Berdasarkan persamaan -N: /2 = f (2Nf)b + f (2Nf)c b=-0,085 (diambil nilai rata-ratanya) c =-0,6 (diambil nilai rata-ratanya) f f Su+50 (ksi) = 114+50=164 ksi f f =ln 1/(1-q)=1(diambil untuk logam ulet) = /E + 2(/2K)1/n =max- min=50-(-50)=100 ksi n n atau n=b/c=-0,085/-0,6=0.142 K= f/fn=154 ksimaka: = 100/30.103 + 2(100/(2. 154))1/0,142 = 0,0042sehingga:/2 = f/E (2Nf)b + f (2Nf)c0,0021= (164/30.103) (2Nf)-0,085 + 1 (2Nf)-0,6maka:2Nf = 70.000 siklus (dihitung dengan teknik iterasi)Umur tersebut merupakan umur fatik tahap satu yaitu pada tahappembentukan awal retak.Copyright 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 74 77. Latihan:4.1 Suatu logam memiliki sifat mekanik monotonik sebagai berikut: E=193 Gpa Su=650 Mpa Sy=325 Mpa a. Pada kondisi pembebanan siklik, apakah material akan bertambah keras atau bertambah lunak? b. Hitung regangan yang dicapai pada siklus pertama untuk tegangan amplitudo 200 Mpa. c. Tentukan regangan total (stabil) dan amplitudo regangan untuk tegangan amplitudo 200 Mpa.4.2 Berikut ini disampaikan kurva beban-pertambahan panjang dari material kuningan dengan nilai modulus elastisitas, E = 100 Gpa dan data lainnya sebagai berikut: Panjang awal, lo = 167 mm Diameter awal, do = 3,17 mm Diameter akhir (pada daerah necking), df = 2,55 mm Tentukanlah: a. kekuatan luluh (0,2 % offset), Sy. b. Kekuatan tarik, Su. c. Prosentase reduksi penampang, % RA. d. Regangan patah sebenarnya, f. e. Kekuatan patah sebenarnya, f. f. Konstanta tegangan, K. g. Eksponen pengerasan regangan,n. h. Tegangan sebenarnya pada beban maksimum. i. Regangan sebenarnya pada beban maksimum.Copyright 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 75 78. 4.3 Berikut ini disampaikan data sifat mekanik monotonik beberapa logam-logam teknik. Manakah diantara logam-logam tersebut yang akan mengalami siklik hardening, softening atau stabil? Tunjukkan pula dari logam-logam tersebut yang menjadi pilihan terbaik untuk menentukan: a. Beban tarik maksimum (batang halus). b. Perpanjangan seragam maksimum sebelum necking pada saat pembebanan tarik. c. Energi maksimum yang diperlukan dari batang halus untuk terjadinya regangan sebesar 0,001. d. Energi maksimum yang diperlukan untuk terjadinya patah. e. Regangan elastis minimum pada saat terjadinya necking. f. Regangan totalmaksimum pada saat necking.Copyright 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 76 79. 4.4 Berikut ini disampaikan data parameter tegangan-regangan siklik dan regangan-siklus dari suatu baja. f = 133 ksi b = -0,095 f = 0,26 c = -0,47 n = 0,202 K = 174,6 ksi E = 30.103 ksi Tentukanlah umur fatik dari baja tersebut dengan kondisi regangan sepertiditunjukkan pada Gambar dibawah ini. Kondisi regangan A: amplitudo konstan. B dan C: memiliki overload awal sebagai tegangan sisa. Pergunakanlah persamaan regangan-siklus dari Morrow yang memperhitungkan tegangan rata-rata, o yaitu sebagai berikut: /2 = ((f o) / E) (2Nf)b + f (2Nf)c Dalam perhitungan umur fatik ini pergunakanlah juga persamaan Manson-

Halford: /2 = ((f o) / E) (2Nf)b + f ((f o) / f)c/b (2Nf)c Bandingkan pula hasilnya jika mempergunakan persamaan Smith-Watson-Topper: max (/2) = ((f)2 / E) (2Nf)2b + f f (2Nf)b+cCopyright 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 77 80. V. KONSEP da/dN Umur lelah suatu komponen adalah meliputi umur untukterjadinya pembentukan awal retak (tahap inisiasi) dan umur untukmerambatkan retakan (tahap propagasi). Pada amplitudo teganganatau regangan rendah, 90 % umur lelah didominasi oleh tahap inisiasidan sebaliknya pada amplitudo tinggi, akan didominasi oleh propagasiretakan. Prediksi umur lelah pada tahap propagasi ini didekati denganmenggunakan konsep mekanika retakan atau konsep da/dN. Konsep mekanika retakan mempersyaratkan asumsi adanyaretakan awal. Retak awalini dapat berupa cacat atauCopyright 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 78 81. ketidaksempurnaan komponen (porositas,inklusi dan lain sebagainya).Konsep mekanika retakan inipun dapat diterapkan terhadapkomponenyang bebas cacat. Umur lelah yang diperoleh dari hasil prediksi denganmenggunakan konsep mekanika retakan (umur propagasi) ditambahumur lelah dengan menggunakan konsep regangan-siklus (umurinisiasi) akan menghasilkan umur total kelelahan dari suatu komponen(Gambar 5.1). Gambar 5.1 Umur inisiasi dan propagasi retakan dari total umur lelah. Konsep mekanika retakan dapat menjawab beberapa hal darisuatu komponen yaitu: 1. Berapa kekuatan sisa darisuatu komponen. 2. Berapa nilai panjang retak kritis atau ukuran retak maksimum yang diijinkan. 3. Berapa lama retak akan menjalar dari ukuran semula hingga ukuran kritisnya. 4. Berapa umur sisa dari suatu komponen struktur dalam service atau operasionalnya. 5. Berapa sering inspeksi harus dilakukan untukmemonitor penjalaran retkan.Copyright 2007 by Abrianto AkuanTeknik Metalurgi-UNJANI 79