mekanika perpatahan iii

Mekanika Perpatahan III

Bab 7

Ellyawan Arbintarso

Ellyawan Arbintarso 2

Kelelahan / Fatigue • 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 reganganSiklus termal (thermal cycles) Takikan besar (severe notches) Terbuka/tertutup

Umur lelah (fatigue life) biasanya 107 siklusPerkiraan 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, - N)

Takikan mengkonsentrasikan tegangan dan regangan

• Struktur retakKelelahan meliputi penyebaran retakanKarakterisasi 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

tega

ngan

,

siklus, (log S)

pertumbuhan inti

kegagalan

penyebaran

tega

ngan

,

siklus, (log S)batas ketahanan

batas lelah

Bahan yg berbeda

misal 10 7 siklus


Efek dari Tegangan rerata dari kurva T-S • Umur lelah ditingkatkan oleh

tegangan tekan te

gang

an,

siklus, (log S)

peningkatantegangan tekan

rerata

Persamaan Goodmana = batas ketahanan pada m

m = tegangan reratafat = batas ketahanan pada m = 0UTS = kekuatan tarik

UTS

mfata

1


Efek dari Tegangan rerata dari kurva T-S• Contoh

Sebuah paduan baja berkekuatan tinggi mempunyai batas ketahanan 500 MPa dan kekuatan tarik 1000 MPa. Apakah kegagalan dapat diperkirakan jika siklus tegangan antara 0 dan 400? Pengelasan mempunyai tegangan tarik sisa (residual tensile stress) sebesar 500 MPa. Efek apakah yang dipunyai bahan tersebut setelah pengelasan?


Kerusakan Kumulatif dari kurva T-S • Struktur senantiasa mempunyai

spektrum pembebanan dan variabel amplitudo pembebanan

• Efek kerusakan kumulatif dapat diperkirakan

tega

ngan

,

siklus, (log S)

N i

n i

Hukum kerusakan kumulatif Miner-PalmgrenHukum Miner

Kelelahan terjadi ketika kerusakan kumulatif = 1

k

i i

i

Nn

1

1


Kerusakan Kumulatif dari kurva T-S• Contoh:

Sebuah jembatan digunakan oleh mobil, bis dan kereta listrik. Sebuah analisa tegangan telah digunakan untuk menghitung umur lelah untuk terhadap pembebanan dari setiap tipe kendaraan. Setelah tiga tahun, ditemukan bahwa bentuk lalu lintas yang melewati jembatan berbeda dari awal rancangan. Jembatan digunakan oleh 600 mobil, 200 bis, dan 100 kereta listrik setiap hari. Pengguna jembatan cenderung mobil dan bis. Efek apa yang akan terjadi terhadap umurpakai (lifetime) jembatan? Tipe kendaran Umur lelah

Mobil 108

Bis 3 x 108

Kereta listrik 1 x 106


Kurva Regangan-Siklus (-N Curve) • Regangan mengendalikan kelelahan

yang umum terjadi diatas batas elastis (tegangan luluh)Serupa dengan T-S dibawah batas elastis

( = E ) • Siklus pengerasan atau pelunakan

mungkin terjadiPengerasan/pelunakan dicapai setelah

beberapa ratus siklusTotal regangan = regangan elastis +

regangan plastis = e + p


Siklus Kelelahan Tinggi dan Rendah• Kurva T-S dan R-S saling berhubungan

• Nf = umur lelah, 0, 0, b dan c adalah konstan

bff N20

cfp N20

T-S Persamaan Basquin

R-S Persamaan Coffin-Manson

pe

f

te

gang

an

regangan


Siklus Kelelahan Tinggi dan Rendah• Siklus Lelah Tinggi = regangan hampir

seluruhnya elastis• Siklus Lelah Rendah = Regangan hampir

seluruhnya plastis

Siklus rendah Siklus tinggi

log

Log N f

T-S (S-N)

R-S ( -N)

pe cf

bf

f NNE

222 0

Daerah transisi terjadi sekitar 103 siklusSiklus 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) kumulatifKeramik

Keretakan dipengaruhi lingkunganPolimer

Pemanasan histeresis (hysteresis)Komposit

Retakan mikroPenipisan lapisan (delamination)Kerusakan penekanan

Kelelahan pada logam sudah dikenal dengan baik/meluas (lihat artikel)


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 kekuatanKarburisasi Nitridisasi Pengerasan induksi Pengerjaan dingin

Tegangan sisa (residual stress)Penembakan mimis

(shot-peening) Penembakan mimis

(shot-peening) Peningkatan tingkat

kebersihan Pengerjaan akhir

permukaanElektropolishing

•KerugianMenurunkan kekuatan

NonkarburisasiPemanasan berlebihPelunakan (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)tegangan

x

peluluhan

tegangan

x

tegangan tekan sisa


Pertumbuhan Retak Lelah (Fatigue Crack Growth) • LEFM dapat digunakan untuk mengukur

dan memprediksi laju pertumbuhan retak lelah dalam daerah Paris (Paris Regime)

• Persamaan Paris

laju

per

tum

buha

n re

tak

da/d

N

Daerah Instensitas tegangan K

Daerah Paris(tidak sensitif thdtegangan rerata)

Awal K th (sensitif thdtegangan rerata)

mKAdNda

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 rancangKegagalan harus tidak terjadi selama

umur rancang Komponen diperiksa untuk diuji

perkembangan terhadap kerusakan lelahKomponen digunakan kembali atau

diganti setelah pemeriksaan


Umur Lelah Aman (Safe-Life Fatigue) • Rancangan untuk umur terbatas

maupun umur takterbatasTegangan 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 ekonomisPaku kelingRuang angkasa (satelit)


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)

Pengujian Tidak MerusakLaju pertumbuhan retak lelah

Persamaan Paris Ukuran kritis cacat untuk kegagalan

Ketangguhan lelah Pengujian ulang dari umur sisa (residual life) setelah

pemerik-saan membolehkan memperpanjang umur pemakaian total


Perhitungan Umur Lelah • Contoh: Sebuah lempeng MnS

(magnesium sulfate) yang besar diinklusi pada gulungan lempeng panas (hot-rolled plate), tegangan tegak lurus terhadap pengelasan sambungan T.

aK

2

a = radius cacat = jarak/selisih teganganKetika retak tumbuh, K meningkat.Ketika K meningkat, laju pertumbuhan meningkat


Perhitungan Umur LelahmKA

dNda

aK

2

a0 = ukuran cacat awalaf = ukuran cacat akhir

ff NN

N

mm

maa

aam

dNAdaa 0

21

0

mmm

m aAdNda

2


Perhitungan Umur Lelah

ff NN

N

mm

maa

aam

dNAdaa 0

21

0

2

2

22

0

1122

2m

f

m

mm

mf aa

AmN

Pada umumnya a0 << af Umur lelah tidak sensitif terhadap ketangguhan patah


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 panjangRetak-retak kecil sensitif terhadap struktur

mikroLEFM biasanya tidak akurat untuk retak-

retak kecilPrediksi umur lelah pada retak-retak kecil sangat

sulit diperoleh


Ringkasan • Kelelahan adalah pertumbuhan inti dan

pertumbuhan dari retakan dibawah kondisi siklus tegangan dan regangan

• Umur lelah dapat ditingkatkan dengan:Mengontrol teganganMengontrol struktur mikroMengontrol penyelesaian permukaan

• Umur lelah dapat dapat diprediksi dengankomponen presisi dan bertakik kurva

T-S, R-S komponen dengan retakan Persamaan

Paris

Truly grateful to Dr. Marrow

mekanika perpatahan iii

Documents