FAILURE (kegagalan)

Perilaku Mekanik Material

Teknik Material dan Metallurgi FTI-ITS

Amaliya Rasyida

Mengapa seorang engineer harus mempelajari failure?

Dalam mendesain suatu komponen atau struktur, seorang engineer dituntut untuk meminimalisir

kemungkinan terjadinya kegagalan. Sehingga, sangatlah penting bagi kita, seorang engineer, untuk

memahami beberapa macam mekanika kegagalan. Selain itu juga harus mengetahui prinsip desain yang

tepat yang bisa diterapkan untuk mengurangi atau bahkan mencegah terjadinya kegagalan, seperti

misalnya pemilihan material.

Kegagalan dalam dunia teknik material hampir selalu tidak diinginkan, dikarenakan beberapa alasan,

diantarnya menyangkut kehidupan/keselamatan manusia, ekonomi, dan juga ganguan yang berkaitan

dengan ketersediaan produk dan pelayanan. Meskipun penyebab kegagalan dan perilaku suatu material

bisa diketahui, akan tetapi pencegahan kegagalan sangat sulit untuk dipastikan. Penyebab umum

terjadinya adalah ketidaktepatan dalam pemilihan material, proses, dan desain yang tidak mumpuni

serta kesalahan penggunaan. Semua hal tersebut merupakan tanggung jawab dari seorang engineer

untuk mengantisipasi dan merencanakan kemungkinan kegagalan yang terjadi, dan ketika kegagalan

terjadi, seorang engineer diharuskan mampu menganalisa penyebabnya dan kemudian mampu

mengambil tindakan pencegahan secarap tepat terhadap kemungkinan insiden yang akan terjadi

nantinya [2].

Gambaran Mekanika Kegagalan

Ada 3 macam mekanika kegagalan, diantaranya adalah kegagalan diantaranya fracture

(keretakan/patahan), fatigue (kelelahan) dan creep (pemuluran/penjalaran). (Note: Fatigue dan creep

akan dipelajari setelah ETS)

Fracture, pengertian patahan secara sederhana adalah terpisahnya suatu bagian menjadi dua atau

beberapa lebih bagian yang merupakan respon dari adanya stress yang statis (i.e. konstan atau perlahan

berubah terhadap waktu) dan terjadi pada temperature yang relative rendah dibandingkan melting

temperature dari suatu material. Stress yang dialami bisa jadi berupa tensile (tarik), compressive (tekan),

shear (geser), atau torsional (putar). Dalam dunia teknik material ada dua macam patahan yang mungkin

terjadi yaitu: patahan ulet dan patahan getas. Klasifikasi ini didasarkan pada kemampuan suatu material

untuk mengalami deformasi plastis. Jenis material yang ulet biasanya menunjukkan deformasi plastis

dengan kemampuan menyerap energi yang tinggi sebelum terjadi patahan. Sebaliknya, ada (biasanya

sedikit atau tidak ada) deformasi plastis dengan tingkat penyerapan energy yang rendah, yang disebut

patah getas [2].

Gambar 1. Patahan “cup” dan “cone” pada Aluminum (a), patah getas pada mild steel (b)[2]

Gambar 2. Patahan yang sangat ulet (a) patahan ulet setelah mengalami necking (b) dan patahan

getas tanpa deformasi plastis [2]

Fatigue, merupakan suatu bentuk kegagalan yang terjadi pada suatu struktur yang terkena stress

dinamis atau fluktuatif, seperti misalnya jembatan,pesawat dan komponen mesin. Dalam keadaan ini,

sangat memungkinkan terjadinya kegagalan pada tingkatan stress yang jauh lebih rendah dari kekuatan

tensile atau yield (tensile or yield strength) pada saat stress statis. Istilah “fatigue” digunakan karena jenis

kegagalan ini biasanya terjadi setelah periode yang panjang dari siklus stress atau strain yang berulang.

Fatigue sangat penting karena merupakan penyebab terbesar terjadinya kegagalan pada metal

(diperkirakan 90%), polimer, dan keramik (kecuali glass) juga rentan terhadap jenis kegagalan ini.

Terlebih fatigue merupakan bencana dan bahaya yang terjadi sangat tiba tiba dan tanpa warning [2].

Creep, yang secara bahasa berarti penjalaran atau perambatan, merupakan jenis kegagalan yang terjadi

akibat deformasi yang ditimbulkan oleh suatu material yang sering digunakan pada suhu tinggi dan

terkena stress mekanik yang statis. Seperti misalnya pada rotor turbin mesin jet, generator uang yang

mengalami stress sentrifugal dan steam line bertekanan tingggi. Creep didefinisikan sebagai deformasi

suatu material yang permanen dan time-dependent ketika diberikan beban atau stress yang konstan,

pada umumnya creep tidak diinginkan terjadi dan sering dijadikan sebagai faktor batasan (limiting

factor) pada umur penggunaan suatu part. Telah diteliti untuk semua material; untuk metal creep

menjadi pertimbangan penting pada temperature yang lebih beasr dari 0.4 Tm ( dimana Tm merupakan

absolute melting temperaturenya). Polimer amorphous, termasuk didalamnya plastik dan rubber, sangat

sensitive terhadap deformasi creep.

Impact fracture Testing

Mengapa pengujian impact dianggap menjadi salah satu pengujian mekanik yang mendasar untuk

material logam?

Logam memiliki sifat yang sangat keras (sehingga sangat kuat dan tidak sesuai untuk aplikasi dimana ada

pemberian bebean yang mendadak). Material akan memiliki perilaku yang berbeda ketika diberikan

beban yang mendadan dibandingkan ketika diberi beban berkala seperti pada pada pengujian tarik.

Sebelum ada teori mekanika kegagalan sebagai suatu disiplin ilmu, teknik pengujian impact telah

dilakukan untuk menegtahui karakteristik kegagalan dari suatu material. Hasil pengujian tarik tidak bisa

digunakan untuk mengevaluasi perilaku kegagalan; misalnya dalam suatu kondisi tertentu logam ulet

secara tiba tiba mengalami kegagalan dan dengan sangat sedikit deformasi plastis. Pengujian impact

dipilih untuk menggambarkan potensi kegagalan yang relative besar [1]. Seperti:

Deformasi pada temperature yang relative rendah

Laju strain yang tinggi (laju deformasi)

Triaxial stress (yang berasal dari keberadaan takikan)

Pada dasarnya pengujian impact adalah untuk menguji ketangguhan, yang dilakukan dengan cara batang

uji bertakik dipukul dengan energi tertentu, diukur berapa banyak energi yang digunakan untuk

mematahkan batang uji tersebut.

Selain untuk menghitung kapasitas energi yang mampu diserap oleh material ketika diberikan beban

yang mendadak; pengujian impact juga digunakan untuk menentukan perilaku transisi temperature dari

perilaku ulet ke getas.

Sesuai dengan ASTM Standard E 23, “Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic

Materials” ada 2 macam standar pengujian impact, yaitu Charpy dan Izod

Gambar 3. Spesimen yang di gunakan untuk pegujian impact, charpy dan Izod (a), Gambaran skematis

dari peralatan pengujian impact (b) [2]

Gambar 4. Perbedaan posisi load pada spesimen Charpy (a) dan Izod (b)

Standard spesimen untuk pengujian impact ditunjukkan pada gambar 3a berikut representative dari alat

uji impact (gambar 3b). beberapa jenis pengujian impact telah digunakan untuk mengevaluasi

ketannguhan suatu logam, plastic, dan keramik. Pada umumnya jenis impact dapat diklasifikasikan

berdasarkan:

1. Method pemberian beban (pendulum stroke or drop-weight loading)

2. Jenis takikan pada spesimen (takikan V, U)

Pengujian Charpy dan Izod merupakan jenis pengujian impact yang termasuk dalam metode pemberian

beban. Perbedaan mendasarnya terletak pada spesimen dan dimensi takikannya (gambar 4). Pengujian

dengan metode charpy melibatkan tiga titik pemberian beban, dimana batang uji ditahan dikedua sisinya.

Sebaliknya, spesimen Izod diletakkan dengan pemberian beban diatas takikannya [3].

Beberpa variable seperti ukuran dan bentuk spesimen juga konfigurasi dan kedalaman takikan bisa

mempengaruhi hasil pengujian. Hasil pengujian impact berupa data kualitatif yang digunakan untuk

tujuan desain, terutama energy impact.

Transisi ulet-getas

Salah satu fungsi utama pengujian Charpy dan Izod adalah untuk menentukan apakah dengan adanya

penurunan temperature, material mengalami transisi ulet-getas ataukah tidak. Transisi ulet-getas

berhubungan dengan temperature dari tingkat penyerapan energy impact. Transisi tersebut ditunjukkan

pada gambar 5 oleh suatu baja pada kurva A. pada temperature yang lebih tinggi Charphy V-Notch-CVN-

(Charpy dengan takikan V), enery CVN relative lebih besar, kaitannya dengan mode patahan ulet. Karena

temperature yang diturunkan, energy impact turun secara tiba tiba, mode patahan getas.

Gambar 5. Pengaruh temperature terhadap energy impact (kurva A) [2]

Dari pengujian impact, apa saja yang bisa dihasilkan?

• Kekuatan Impact (Impact strength-IS-), besarnya energi untuk mematahkan batang uji, E ( Joule,

kg.m atau ft.lb). Ada juga yang menyatakan impact strength ini sebagai energi/luas penampang

pada takikan. Bahan yang tangguh menunjukkan IS tinggi.

• Persentasi Patahan, yaitu dengan mengamati/mengukur permukaan patahan, patahan getas

ditandai dengan permukaan yang granular/cleavage, lebih berkilau, sedang patahan ulet

berserabut (fibrous) dan buram.

Gambar 6. Permukaan patahan dengan perbedaan temperature (angka mengidentifikasikan

nilainya temperature)

• Pengaruh Temperatur, pengujian dilakukan pada berbagai temperatur, pada temperatur rendah

cenderung lebih getas; temperatur transisi, temperatur perubahan ulet-getas.

-200 -150 -100 -50 0

20

40

60

80

100

120

En

erg

i Im

pa

ct

(J)

Temperatur (oC)

Energi Impact

Problem case

Data pada table dibawah merupakan hasil pengujian impact charpy pada suatu material.

Temperature (˚C) Energi Impact (J) 0 105

-25 104 -50 103 -75 97

-100 63 -113 40 -125 34 -150 28 -175 25 -200 24

(a) Gambarkan energy impact vs temperature

(b) Tentukan Temperatur transisi ulet-getas yang berhubungan dengan rata rata energy impact

maksimum dan minimum

(c) Tentukan Temperatur transisi ulet-getas ketika impact energinya sama dengan 50J

Solution

(a)

(b)

, Temperatur transisi pada kondisi tersebut adalah sekitar -100˚C

(c) Untuk impact energy sebesar 50 J, Temperatur transisi ulet-getasnya adalah sekitar -110˚C

References used:

[1]Marc Andr´e Meyers.Mechanical Behavior of Materials. Cambridge University Press 2009

[2]Callister W.D., Materials science and Engineering: An Introduction 7th edition. 2007

[3] ASM Metal Handbook, Vol 08 Mechanical testing and Evaluation