makalah xii.docx

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Mekanika perpatahan dalam desain bangunan maupun desain

tambang, khususnya tambang bawah tanah 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.

Bahan yang mempunyai kekuatan tinggi dapat gagal dengan beban

yang rendah, penyebab kegagalan produk umumnya tidak bisa dijelaskan

dengan teori elastisitas dan plastisitas. Oleh sebab itu, perancangan

struktur mesin perlu menambahkan aspek kemungkinan terjadi retak.

Dalam aplikasi keteknikan, kemampuan untuk menentukan suatu

perpatahan bahan tergantung pada beban maksimum yang dapat diterima

oleh suatu konstruksi. Dalam mendesain pada suatu batang, perlu

diperhatikan faktor perpatahan dan kelelahan suatu material. Perlu juga

diperhatikan sifat bahan baja tahan karat, apakah sifatnya tahan korosi,

kekuatan dan keuletan tinggi, serta kandung Cr tinggi.

| Mekanika Perpatahan

1.2 Batasan Masalah

Berdasarkan latar belakang yang telah dipaparkan, maka diperoleh

batasan masalah sebagai berikut:

1. Perpatahan dan kelelahan

2. Ketahanan suatu material terhadap perpatahan

1.3 Tujuan

Tujuan dari pembuatan makalah ini adalah:

1. Mengetahui definisi perpatahan dan kelelahan

2. Mengetahui pengaruh besarnya kekuatan bahan terhadap

perpatahan dan kelelahan


BAB II

PEMBAHASAN

2.1 Perpatahan pada Material Konstruksi

Sejarah perkembangan mekanika perpatan dimulai pada abad ke-15

oleh Leonardo Da Vinci yang berisikan Tes kekuatan pada kabel besi

dengann panjang berbeda dan kekuatan berbanding terbalik proporsional

dengan volume bahan. Selanjutnya pada abad 19, Cauchy memiliki sebuah

gagasan mengenai hubungan tegangan-regangan pada kondisi istimewa

dan konsentrasi tegangan. Terakhir pada tahun 1922, Teori Perpatahan

Griffith mengenai hubungan kuantitatif pertama antara kekuatan

bahan/material dengan ukuran retak.

Menggunakan persamaan matematika Inggris, untuk konsentrasi

tegang, seperti halnya kaca dimana energi permukaan yang

dihancurkanoleh pembentukan permukaan retak baru adalah setara dengan

ketahanan pertumbuhan retak. Retak adalah suatu tarikan Ellips dengan

sumbu panjang a agak besar (panjang retak) dan sumbu pendek b adalah

hal (o). Jari-jari kelengkunagn pada ujung retak adalah hal (o).


Gambar 2.1. Tekanan Ellips Gambar 2.2.

Retak

Patah lelah (fatique) merupakan sala satu penyebab utama kegagalan

bahan/material konstruksi. Kelelahan material adalah proses perubahan

dinamis (tegangan-regangan) sehingga terjadi retak (crack) atau pun patah.

Mekanisme patah lelah diawali timbulnya inti retak akibat pergerakan

dislokasi siklik, dilanjutkan dengan pertumbuhan menjadi micro crack,

kemudian tumbuh menjadi macro crack, selanjutnya berkembang

(propagasi) hingga terjadi patah lelah.

Umur lelah dapat ditingkatkan dengan cara normalizing/pengarbonan

ulang, selanjutnya terhadap specimen ini dilakukan normalizing ulang

dan dilanjutkan material yang tidak dinormalizing awal sehinggat tidak

diperoleh perbedaan yang signifikan. Normalizing ulang juga menyebabkan

butir material lebih peka terhadap patah.

Percobaan σ dan ϵ diakhiri dengan dapat didahului oleh deformasi

plastik, maka disebut perpatahan ulet, bila deformasi plastik di sebut

perpatahan rapuh.

Keuletan relatif dapat ditentukan dari:

1. Pengukuran keuletan (dengan mengukur % perpanjangan atau %

penyusutan penampang)

2. Jumlah energi yang diserap pada percobaan Impact/pukul.

Pada suhu rendah, retak dapat merambat lebih cepat daripada

terjadinya deformasi plastik, berarti energi yang diserap sedikit. Baja

dibebani secara perlahan-lahan dapat patah ulet dan patah rapuh pada

impact (beban kejut).

Perpatahan pada material dapat dibedakan menjadi dua, yakni

1. Patahan Kelingan


Kadang-kadang pengelingan tidak terjadi atau mengalami

geseran terjai tegangan tarik tetapi justru terjadi perpatahan.

Tahanan yang diinginkan oleh paku keeling dikenal sebagai

tahanan patah.

2. Patahan Sambung Las

Patahan terjadi akibat sambungan yang tidak sesuai dengan

lasan. Ciri-ciri patahan:

1. Patahan Ulet

a. Terlihat adanya deformasi plastik yang cukup banyak,

seperti deformasi slip dan kembar.

b. Butir-butir kristal bentuk memanjang karena adanya

regangan geser.

c. Penampang lintang dari benda mengecil dan untuk baja

dimana muka patahnya berwarna keabu-abuan.

d. Patah ulet akibatnya bahan mendapat beban melebihi

kekuatan pada uji tarik akibat penampangnya tidak cukup

luas karena danya

cacat dalam sambungan las yang tidak baik.

2. Patahan Getas

Patah getas terjadi saat yang tidak dapat diduga, baik

pada waktu pembuatan maupun waktu sesudah selesai

pembuatan dengan beban lebih rendah dari pada batas

luluh bahan. Patahnya Tegak lurus terhadap arah tegangan

tarik dengan permukaan patahan yang mengkilap, hal ini


patahan terjadi pada permukaan kristal dan tampaknya

adanya garis-garis halus.

3. Patahan Fatik/Ketahanan

Patah akibat tegangan berulang yang besarnya dibawah

tegangan yang dibolehkan, gejala patah akibat beban luar

yang berulang dan perubahan bentuk yang berulang.

4. Patahan Mulur

Sifat untuk meregang bila di bebani, regangan ini terjadi

suhu yang tinggi dan tegangan yang lebih rendah dari

pada tegangan luluh, sehingga terjadi perubahan bentuk

plastik dan kemudian patah, hal ini disebut mulur.

Gambar 2.3. Kurva Patah Mulur

2.2 Kelelahan pada Material Konstruksi

Teori Kelelahan: “Akibat gesekan poros dengan benturan yang kurang

diperhatikan atau mengalami siklus tegangan-regangan, sehingga terjadi

kerusakan yang permanen.”


Teori Retak: “Aliran tegangan sekitar tarikan dan retak pembebanan

melintang terhadap sumbu utama.”

1. Takikan

Konsentrasi tegang (Kt)

σ = σnom (1+2 (aRmin ))

12

Rmin adalah jari-jari kelengkungan ujung sumbu utama

2. Retak

Faktor intensitas tegangan (K)

K = σnom ( π a )12

Kelelahan merupakan suatu kegagalan lelah terjadi ketika sebuh

bahan telah mengalami silus tegangan dan regngan yang menghasilkan

kerusakan yang permanan, juga dapat terjadi dibawah atau diatas tegangan

luluh. Kegagalan lelah pada umumnya meliputi pertumbuhan inti dan

penebaran dari sebuah retak. Penyebab kelelahan, yakni sebagai berikut:

Kelelahan yang dikontrol oleh tegangan

1. Lengkung rotasi (rotating bending)

3. Getaran (vibration)

4. Penekanan(presuriation)

5. Kontak Gelinding (Rolling Contacts)

Kelelahan yang dikontrol oleh regangan.

1. Siklus (thermal Cycles)

2. Tarikan besar (secerv notehes)


3. Terbuka/Tertutup (opened /closed)

Umur lelah/fatique life, biasanya 107 siklus perkiraan dari jumlah

siklus yang dialami oleh suatu piston mobil dari 100.000 mil (~ 330.000

km). Pengukuran kelelahan diperoleh dari:

1. Struktur presisi (smooth) dan bertekuk (notehead)

a. Kelelahan meliputi pertumbuhan inti dan penyebaran retakan

(propagation of crack).

b. Karakteristik dengan umur lelah T – S (Tegangan – Siklus, S-N)

atau R – S (Regangan Siklus, ϵ - N)

c. Takikan mengkonsentrasikan tegangan dan regangan

2. Struktur retak

a. Kelelahan meliputi penyebarab retak

b. Karateristik dengan laju pertumbuhan retak lelah (fatique,

crack growth rate) Tujuan untuk memprediksi umur lela atau

siklus pembebanan maksimum untuk menentukan umur yang

tidak terbatas (infinite life).

2.3 Penyebab Utama Terjadinya Perpatahan

Suatu benda dapat patah karena:

1. Pembelahan lewatbutir (transgranular cleavage)

2. Pembelahan antarbutir (intergranular cleavage)

3. Pengabungan keuletan rongga mikro (ductile microvoid

coalesence)

4. Mulur (creep)

5. Kelelahan/fatik (fatigue)

6. Peretakan dipengaruhi lingkungan (environ-mentally assisted

cracking)


7. Berkembangnya jaringan keretakan yang lembut (Crazing)

8. Kehilangan lapisan (Delamination)

9. Benang pembentuk tercabut keluar (fibre pull-out)

10. Fase peretakan getas (brittle phase cracking)

11. Peretakan antarmuka (interface cracking)

12. Pertumbuhan rongga inti (void nucleation)

2.4 Penyebab Utama Kerusakan Material

1. Kesalahan dalam perancangan

a. Operasi yang sebenarnya, antara lain: beban, lingkungan, suhu

operasi

b. Adanya takikan

2. Kesalahan dalam pemilihan material

a. Data material yang tidak mencukupi, misalnya hanya data

uji tarik, padahal bebannya dinamik akan terjadi fatiquem.

b. Kriteria pemilihan material. Kaitan antara beban/tegangan dan

suhu

c. Operasi dengan mekanisme kegagalan serta kriteria pemilihan

material.

3. Cacat material

a. Cacat dipermukaan dan didalam material akan menurunkan

kekuatannya.

b. Cacat pengecoran: Inklusi, porosititas, rongga, retak

penysutan,

c. Cacat pengerolan/tampa: Segresi, Laminasi, oksida didekat

permukaan


4. Kesalahan dalam proses pengerjaan

a. Proses Farming, dapat menimbulkan tegangan sisa, retak mikro

b. Machining dan Grinding juga menimbulkan tegangan sisa dan

pemusatan tegangan akibat kekasaran permukaan.

c. Gridning (asah yang berlebihan sampai kelewat panas, dapat

menyebabkan retak pada permukaan.

d. Penandanaan dapat menimbulkan pemutusan tegangan.

e. Pemanas hanya dapat menyebabkan baja menjadi lunak

(dekorborasi), penyimpangan (distorsi) dan bahkan retak poros

cukup cepat.

f. Plast listrik dapat menyebabkan penggetasan hydrogen.

g. Pengelasan dapat meninggalkan cacat-cacat pengelasan:

proditas, inklusi, retak tegangan sisa, peka pada baja

tahan karat

5. Kesalahan dalam pemasangan/perekatan

a. Kesalaan dalam pemasangan, seperti halnya kelurusan akan

menimbulkan beban yang berlebihan.

b. Begitu pula dengan pemakssan dalam perakitan.

6. Kesalahan operasi

a. Kondisi operasi yang tidak normal/berlebihan, misal: beban,

kecepatan, suhu, akan merusakn peralatan.

b. Bila lingkungan lebih korosif yang diduga sebelumnya.

c. Perawatan yang kurang

d. Prosedur start-up dan shect-down yang salah


BAB III

PENUTUP

3.1 Kesimpulan

Kesimpulan yang diperoleh berdasarkan pembahasan sebelumnya

adalah:

1. Perpatahan merupakan suatu bagian bahan yang terpisah akibat

beban yang diberikan sehingga pembentukan retak dibawah

konduksi siklus tegang dan regangan. Kelelahan adalah

pertumbuhan inti dan pertumbuhan akibat retakan tetapi tidak

menyebarkan retakan.

2. Kegagalan suatu material konstruksi dapat diartikan kerusakan

yang tak wajar, rusak sebelum waktunya.

3.1 Saran

Diperlukan tinjauan pustaka yang lebih bermanfaat pada oembuatan

makalah selanjutnya.


DAFTAR PUSTAKA

Adam, K., 2011. Faktor perpatahan & kelelahan pada kekuatan bahan material. ILTEK 6 No. 12: 899-904.

Arbintarso, E. Mekanika perpatahan I.

Boudet, J.F., Ciliberto, S., dan Steinberg, V., 1996. Dynamics of crack propagation in brittle materials. Les Editions de Physique.

Ibrahim, K.M., El-Sarnagawy, B., Saleh, I.I., 2013. Effect of notch severity on fatigue behaviour of ADI castings. Journal of Materials Sciences and Applications 4: 107-117.

Li, J., dan Zhang, X-B., 2006. Crack initiation prediction for v-notches under mixed-mode loading in brittle materials. Journal of Mechanics of Materials and structures 1 No. 8.

Spena, P.R., Firrao, D., dan Matteis, P., 2010. On plastic notch effects in quenched and tempered steels. Journal of Minerals and Materials Characterization and Engineering 9 No. 6: 509-517.


makalah xii.docx

Documents