kelelahan & perpatahan

15
TUGAS MATERIAL TEKNIK III DISUSUN OLEH : NAMA : OKKY CANDRA SADEWA NO.MHS : 210009030 JURUSAN : TEKNIK MESIN PRODI : S 1 SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI NASIONAL

Upload: chandra-harajuku-st

Post on 18-Feb-2015

121 views

Category:

Documents


11 download

TRANSCRIPT

Page 1: Kelelahan & Perpatahan

TUGAS MATERIAL TEKNIK III

DISUSUN OLEH :

NAMA : OKKY CANDRA SADEWA

NO.MHS : 210009030

JURUSAN : TEKNIK MESIN

PRODI : S 1

SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI NASIONAL

YOGYAKARTA

2010

Kelelahan / Fatigue

Page 2: Kelelahan & Perpatahan

• Kelelahan

Kegagalan lelah terjadi ketika sebuah bahan telah mengalami siklus tegangan dan regangan yang menghasilkan kerusakan yang permanen

Kelelahan dapat terjadi dibawah atau diatas tegangan luluh

Kegagalan lelah pada umumnya meliputi pertumbuhan inti dan penyebaran dari sebuah retak

Penyebab Kelelahan

• Kelelahan yang dikontrol oleh tegangan

Lengkung rotasi (rotating bending)

Getaran (vibration)

Penekanan (pressurisation)

Kontak Gelinding (rolling contacts)

• Kelelahan yang dikontrol oleh regangan

Siklus termal (thermal cycles)

Takikan besar (severe notches)

Terbuka/tertutup

Umur lelah (fatigue life) biasanya 107 siklus

Perkiraan dari jumlah siklus yang dialami oleh suatu piston mobil lebih dari 100.000 mil (~330.000 km)

Pengukuran Kelelahan

• Struktur presisi (smooth) dan bertakik (notched):

Kelelahan meliputi pertumbuhan inti dan penyebaran retakan (propagation of crack)

Karakterisasi dengan umur lelah T-S (Tegangan-Siklus, S-N) atau R-S (Regangan-Siklus, e - N)

Takikan mengkonsentrasikan tegangan dan regangan

• Struktur retak

Kelelahan meliputi penyebaran retakan

Page 3: Kelelahan & Perpatahan

Karakterisasi dengan laju pertumbuhan retak lelah (fatigue crack growth rate)

Tujuan memprediksi umur lelah atau siklus pembebanan maksimum untuk menentukan umur tak terbatas (infinite life)

Kurva Tegangan-Siklus (S-N Curve)

• Kelelahan dibawah tegangan luluh (batas elastis)

• Beberapa bahan mempunyai batas lelah (fatigue limit)

Sebuah batas ketahanan (endurance limit) dapat ditentukan dengan membandingkan batas lelah bahan lain

Efek dari Tegangan rerata dari kurva T-S

• Umur lelah ditingkatkan oleh tegangan tekan

• Persamaan Goodman

• sa = batas ketahanan pada sm

sm = tegangan rerata

sfat = batas ketahanan pada sm = 0

sUTS = kekuatan tarik

Kerusakan Kumulatif dari kurva T-S

• Struktur senantiasa mempunyai spektrum pembebanan dan variabel amplitudo pembebanan

teg

an

ga

n, s

siklus, (log S)

pertumbuhan inti

kegagalan

penyebarante

gang

an, s

siklus, (log S)

peningkatantegangan tekan

rerata

σ a=σ fat (1− σmσUTS )

Page 4: Kelelahan & Perpatahan

tega

ngan

, s

siklus, (log S)

N i

n i

• Efek kerusakan kumulatif dapat diperkirakan

Hukum kerusakan kumulatif Miner-Palmgren

Hukum Miner

Kelelahan terjadi ketika kerusakan kumulatif = 1

Kurva Regangan-Siklus (e-N Curve)

• Regangan mengendalikan kelelahan yang umum terjadi diatas batas elastis (tegangan luluh)

Serupa dengan T-S dibawah batas elastis (s = E e)

• Siklus pengerasan atau pelunakan mungkin terjadi

Pengerasan/pelunakan dicapai setelah beberapa ratus siklus

Total regangan = regangan elastis + regangan plastis

De = Dee + Dep

Siklus Kelelahan Tinggi dan Rendah

• Kurva T-S dan R-S saling berhubungan

T-S Persamaan Basquin

R-S Persamaan Coffin-Manson

• Nf = umur lelah, s0, e0, b dan c adalah konstan

sf

De

teg

an

ga

n

regangan

∑i=1

k niN i

=1

σ f=σ 0 (2N f )b

Δε p=ε 0 (2N f )c

Δε =Δεe+Δεp

Page 5: Kelelahan & Perpatahan

Siklus Kelelahan Tinggi dan Rendah

• Siklus Lelah Tinggi = regangan hampir seluruhnya elastis

• Siklus Lelah Rendah = Regangan hampir seluruhnya plastis

Daerah transisi terjadi sekitar 103 siklus

Siklus rendah < 103 siklus

Siklus tinggi > 103 (sampai 107-108 siklus)

Pengaruh Kekuatan dan Ketangguhan terhadap Kelelahan

• Peningkatan kekuatan

Meningkatkan umur lelah siklus tinggi (penurunan regangan plastis)

Menurunkan umur lelah siklus rendah (penurunan ketangguhan)

Ketangguhan dan keuletan menurun dengan kenaikan kekuatan

Mekanisme Kelelahan

• Pengertian terhadap mekanisme kelelahan dapat digunakan untuk meningkatkan ketahanan lelah (fatigue resistance)

Logam

Slip tetap (irreversible) kumulatif

Keramik

Keretakan dipengaruhi lingkungan

Polimer

Siklus rendah Siklus tinggi

log

De

Log N f

T-S (S-N)

R-S ( e-N)

Δε ≈2σ fE (2N f )b+ε0 (2N f )c

Δε =Δεe+Δεp

Page 6: Kelelahan & Perpatahan

Pemanasan histeresis (hysteresis)

Komposit

Retakan mikro

Penipisan lapisan (delamination)

Kerusakan penekanan

Kelelahan pada logam sudah dikenal dengan baik/meluas

Kelelahan dalam Logam

• Deformasi plastis terjadi pada butir-butir orentasi yang sesuai, meskipun dibawah batas elastis

• Pada logam murni

langkah slip ekstrusi mengawali terjadinya retakan (memerlukan banyak siklus)

• Pada logam komesial

akumulasi regangan plastis menumbuhkan inti retakan kecil di tempat inklusi (memerlukan sedikit siklus)

• Batas lelah (fatigue limit) adalah tegangan dibawah dimana sebuah retak dapat menum-buhkan inti tetapi tidak menyebarkan retakan

Kelelahan dalam Logam

• Keuntungan

Peningkatan kekuatan

Karburisasi

Nitridisasi

Pengerasan induksi

Pengerjaan dingin

Tegangan sisa (residual stress)

Penembakan mimis (shot-peening)

Penembakan mimis (shot-peening)

Page 7: Kelelahan & Perpatahan

Peningkatan tingkat kebersihan

Pengerjaan akhir permukaan

Elektropolishing

• Kerugian

Menurunkan kekuatan

Nonkarburisasi

Pemanasan berlebih

Pelunakan (annealling)

Tegangan sisa

Pelapisan Cr-Ni

Rendah tingkat kebersihan

Pengerjaan akhir permukaan

Permesinan penanda (machining marks)

Pencegahan Kelelahan

• Dengan pengikat (fastenings)

Ekspansi dingin menggunakan madrel (contoh paku keling)

• Pelubangan mandiri (autofrettage)

Ekspansi dingin oleh penekanan (contoh ketel bertekanan)

Pertumbuhan Retak Lelah (Fatigue Crack Growth)

• LEFM dapat digunakan untuk mengukur dan memprediksi laju pertumbuhan retak lelah dalam daerah Paris (Paris Regime)

tegangan

x

peluluhan

tegangan

x

tegangan tekan sisa

laju

per

tum

buha

n re

tak

da/d

N

Daerah Instensitas tegangan DK

Daerah Paris(tidak sensitif thdtegangan rerata)

Awal DK th (sensitif thdtegangan rerata)

Page 8: Kelelahan & Perpatahan

• Persamaan Paris

m ~ 2 - 4

Desain untuk Kelelahan

• Prinsip filosofi rancangan teknik adalah:

Umur aman (Safe-Life)

Kerusakan akibat kelelahan (fatigue damage) harus tidak terjadi selama umur rancang (design life)

Komponen diganti setelah umur rancang terlampaui

Pengamanan gagal (Fail-Safe)

Kerusakan akibat kelelahan terjadi selama umur rancang

Kegagalan harus tidak terjadi selama umur rancang

Komponen diperiksa untuk diuji perkembangan terhadap kerusakan lelah

Komponen digunakan kembali atau diganti setelah pemeriksaan

Umur Lelah Aman (Safe-Life Fatigue)

• Rancangan untuk umur terbatas maupun umur takterbatas

Tegangan dan regangan diuji terhadap perhitungan umur lelah menggunakan kurva T-S atau R-S

Pengendalian tegangan dibawah batas lelah

• Digunakan ketika pemeriksaan tidak memungkinkan atau tidak ekonomis

Paku keling

Ruang angkasa (satelit)

dadN

=AΔKm

Page 9: Kelelahan & Perpatahan

Pengamanan Gagal Lelah (Fail-Safe Fatigue)

• Perancangan struktur masih cukup kuat untuk umur pemakaian setelah kerusakan akibat lelah terjadi

• Ketentuan jangka waktu pemeriksaan memerlukan beberapa pengetahuan tentang:

Ukuran awal cacat (initial defect size) è Pengujian Tidak Merusak

Laju pertumbuhan retak lelah è Persamaan Paris

Ukuran kritis cacat untuk kegagalan è Ketangguhan lelah

Pengujian ulang dari umur sisa (residual life) setelah pemerik-saan membolehkan memperpanjang umur pemakaian total

Retak-retak Kecil

• Kurva T-S dan R-S adalah didominasi oleh pertumbuhan dari retak-retak kecil (< 0,5 mm)

• Persamaan Paris digunakan untuk pertum-buhan dari retak-retak besar (> 1 mm)

• Retak-retak kecil menyebar dengan mekanisme yang sama pada retak-retak panjang

Retak-retak kecil sensitif terhadap struktur mikro

LEFM biasanya tidak akurat untuk retak-retak kecil

Prediksi umur lelah pada retak-retak kecil sangat sulit diperoleh

Perpatahan ( Fracture )

Kata fraktur sering diterapkan pada tulang makhluk hidup (yaitu, patah tulang ), atau untuk kristal atau bahan kristalin, seperti batu permata atau logam . Kadang-kadang, bahan kristal, kristal individu fraktur tanpa tubuh benar-benar memisahkan menjadi dua atau lebih bagian. Tergantung pada substansi yang retak, patah tulang mengurangikekuatan (zat kebanyakan) atau menghambat transmisi dari cahaya ( optik kristal).Pemahaman yang rinci tentang bagaimana fraktur terjadi pada bahan dapat dibantu oleh studi mekanika fraktur .Kekuatan RetakKekuatan retak , juga dikenal sebagai kekuatan putus , adalah tegangan di mana spesimen gagal melalui fraktur. Ini biasanya ditentukan untuk spesimen yang diberikan oleh uji tarik ,

Page 10: Kelelahan & Perpatahan

yang grafik yang -regangan kurva tegangan (lihat gambar). Titik akhir adalah mencatat kekuatan fraktur.Ulet bahan memiliki kekuatan fraktur lebih rendah dari kekuatan tarik ultimate (UTS), sedangkan pada rapuh bahan kekuatan patah setara dengan UTS. Jika bahan ulet mencapai kekuatan tarik utama dalam sebuah situasi yang dikendalikan beban, akan terus merusak, tanpa load aplikasi tambahan, sampai pecah . Namun, jika loading adalah perpindahan-dikendalikan, deformasi bahan dapat meringankan beban, mencegah pecah.Jika kurva tegangan-regangan diplot dalam hal tegangan benar dan regangan benar kurva akan ke atas lereng selalu dan tidak pernah mundur, seperti stres yang benar adalah dikoreksi untuk penurunan-sectional area lintas. Tegangan yang benar pada material pada saat pecahnya dikenal sebagai kekuatan putus.Ini adalah tegangan maksimum pada kurva tegangan-regangan benar, diberikan oleh 3 titik pada kurva B.

Stress vs strain khas dari aluminium kurva

1. Ultimate kekuatan tarik

2. Kekuatan luluh

3. Batas proporsional stres

4. Patah

5. Offset strain (biasanya 0,2%)

Jenis

Fraktur Mengular

Rapuh patah tulang pada kaca .

Page 11: Kelelahan & Perpatahan

Fraktur Aluminium sebuah Crank Arm. Bright: rapuh fraktur. Dark: Kelelahan fraktur.

Dalam rapuh patah , tidak jelas deformasi plastis terjadi sebelum fraktur. Dalam material kristalin rapuh, fraktur dapat terjadi oleh perpecahan sebagai akibat dari tegangan tarik bertindak normal untuk bidang kristalografi dengan ikatan rendah (pesawat belahan dada). Dalam padatan amorf , Sebaliknya, kurangnya hasil struktur kristal dalam fraktur conchoidal , dengan retak melanjutkan normal terhadap ketegangan diterapkan.Kekuatan teoritis bahan kristal adalah (kasar)

dimana: -E adalah modulus Young's material,γ adalah energi permukaan , danr o adalah jarak keseimbangan antara pusat atom.

Di sisi lain, celah memperkenalkan konsentrasi tegangan dimodelkan oleh

(Untuk retak tajam)dimana: -

σ diterapkan adalah tegangan loading,yang adalah setengah panjang retak, danρ adalah jari-jari kelengkungan di ujung retak.

Puting kedua persamaan bersama-sama, kita mendapatkan

Melihat dekat, kita dapat melihat bahwa retak tajam (kecil ρ ) dan cacat besar (besar a ) keduanya menurunkan kekuatan fraktur material. Baru-baru ini, para ilmuwan telah menemukan patah supersonik , fenomena gerakan retak lebih cepat dari kecepatan suara

Page 12: Kelelahan & Perpatahan

dalam suatu material. Fenomena ini baru-baru ini juga diverifikasi oleh eksperimen rekahan pada karet seperti bahan.

Fraktur Ulet

Ulet kegagalan dari spesimen tegang aksial.

Gambaran skematis langkah-langkah dalam patah ulet (dalam ketegangan murni).

Dalam ulet fraktur , deformasi plastis luas terjadi sebelum fraktur. Istilah pecah atau pecah uletmenggambarkan kegagalan utama dari tangguh bahan daktail dimuat dalam ketegangan. Daripada retak, materi "menarik terpisah," umumnya meninggalkan permukaan kasar. Dalam hal ini ada propagasi lambat dan penyerapan energi jumlah yang besar sebelum fraktur.Banyak ulet logam, terutama bahan dengan kemurnian tinggi, dapat mempertahankan besar deformasi sangat 50-100% atau lebih strain sebelum retak pada kondisi pembebanan yang menguntungkan dan kondisi lingkungan. Strain di mana fraktur terjadi adalah dikendalikan oleh kemurnian bahan. Pada suhu kamar, murnibesi dapat mengalami deformasi sampai 100% regangan sebelum melanggar, sedangkan besi tuang ataubaja karbon tinggi hampir tidak bisa mempertahankan 3% dari strain. Karena pecah ulet melibatkan tingkat tinggi deformasi plastik, perilaku retak celah menyebarkan sebagai model di atas perubahan fundamental. Beberapa energi dari konsentrasi tegangan di ujung retak lenyap oleh deformasi plastik sebelum retak benar-benar menyebar. Langkah-langkah dasar: void formasi, void koalesensi (juga dikenal sebagai

Page 13: Kelelahan & Perpatahan

formasi retak), perambatan retak, dan kegagalan, sering mengakibatkan kegagalan permukaan cangkir-dan-berbentuk kerucut.

Pemisahan Mode Crack

Tiga fraktur mode.

Ada tiga cara untuk menerapkan kekuatan yang memungkinkan celah untuk menyebarkan:

Mode I crack - mode Pembukaan (a tegangan tarik yang normal terhadap bidang retak) Mode II crack - sliding mode (suatu tegangan geser bertindak sejajar terhadap bidang

retak dan tegak lurus ke depan retak) Mode III crack - mode Tearing (suatu tegangan geser bertindak sejajar terhadap bidang

retak dan sejajar dengan bagian depan retak)Untuk informasi lebih lanjut, lihat mekanika fraktur .