perpatahan dan kelelahan

Perpatahan dan Kelelahan(Fracture and Fatigue)

Oleh:

Ellyawan Arbintarso, MSc.

Ellyawan Arbintarso 2

Silabus

• TUJUAN PERKULIAHAN• Mengenalkan mekanika perpatahan pada bahan• Mahasiswa dapat mengetahui teori mekanika

perpatahan• Mahasiwa dapat memahami pendekatan teori

perpatahan ke dalam perancangan struktur• Mahasiswa dapat mengetahui pengujian

ketangguhan patah dan analisa yang dibutuhkan


Silabus

• Pendahuluan Mekanika Perpatahan• Efek takikan terhadap konsentrasi tegangan• Pengukuran ketangguhan patah• Mekanika Perpatahan Elastis lurus• Pendekatan mekanika perpatahan berdasar

energi• Ketangguhan patah dan Faktor intensitas

tegangan• Fatik dan mekanisme• Pertumbuhan retak fatik• Perhitungan umur lelah


Info dan Kontak

• Laboratorium Pengujian Bahan ISTA

• Jl. I Dewa Nyoman Oka 32 Kotabaru Yk

• Email: [email protected]




Pustaka

• Colangelo, VJ., Heiser, FA., 1974, Analysis of Metallurgical Failures, John Wiley & Son, USA

• Dieter, (alih bahasa Djaprie), 1989, Metalurgi Mekanik, jilid 1, Erlangga, Jakarta

• Dieter, (alih bahasa Djaprie), 1989, Metalurgi Mekanik, jilid 2, Erlangga, Jakarta

• Erwalds, Wanhill, 2001, Fracture Mechanic, John Wiley & Son, London

• Smallman RE, alih bahasa Djaprie Sriati, Metalurgi Fisik Modern, Gramedia Pustaka Utama, Jakarta, 1985


Penilaian

• UAS berbobot 20%

• UTS berbobot 20%

• Tugas/kuis berbobot 50%– Tugas yang dikumpulkan tidak tepat waktu

tidak akan dinilai!– Kuis dilakukan dikelas pada waktu tertentu

• Kehadiran berbobot 10%


Mengapa perlu mempelajari Mekanika Perpatahan?

• Bahan yang mempunyai kekuatan tinggi dapat gagal dengan beban yang rendah

• Banyak penyebab kegagalan produk yang tidak bisa dijelaskan dengan teori elastisitas dan plastisitas

• Perancangan struktur mesin perlu menambahkan aspek kemungkinan terjadi retak


Pendahuluan Mekanika Perpatahan

• PENDAHULUAN• Filosofi perancangan konvensional

• Perubahan:– Peningkatan NDE– Cacat bukan akhir dari segalanya– Biaya pengantian dan perbaikan– Kemungkinan perawatan berkala

- Kekuatan- Tekukan- Defleksi

Meniadakan KonsentrasiTegangan

Mekanika Perpatahan


Sejarah Kegagalan

Kegagalan pada Kapal Liberty• Selama Perang Dunia II

– Dibangun lebih dari 2500 Kapal kelas Liberty– Sekitar 700 struktur gagal terpotong– Sekitar 145 patah menjadi 2 bagian

• Alasan– Serabut retak pada sambungan las– Menggunakan bahan berkekuatan tinggi

(ketangguhan patah rendah)– Temperatur rendah menurunkan ketangguhan

patah


Sejarah Kegagalan

Penelitian Biro Nasional Standar 1982• Harga berhubungan dengan:

– Kehilangan langsung dan keterkaitan biaya– Rancangan struktur berlebihan karena:

• Kualitas bahan tidak seragam• Inspeksi, perbaikan dan penggantian komponen yang

rusak

• Sekitar 120 trilyun USD per tahun• Penghematan dapat dilakukan dari:

– Teknologi Mekanika Perpatahan modern sekitar 35 trilyun USD (30%)

– Teknologi Mekanika Perpatahan lanjut: tambahan 28 trilyun USD


Evolusi Rancangan Struktur

Adaptasi Empiris dariRancangan yg Sukses:

Prosedur coba-coba

Pendekatan kekuatan bahanDengan teori Elastisitas dgnFaktor keamanan yg besar

Pengenalan KonsentrasiTegangan

= nom [1+2 (a/R)1/2]

Piramid di Mesir dan Katedral Agung di Eropa

Penemuan abad 19 oleh Cauchy dll

Inglis (1913, USA)Kolosov (USSR)Paradok:Pd R = 0, nom 0

2b

2a

nom

nom

R


Evolusi Rancangan Struktur

Mekanika PerpatahanBesar toleransi serabut retak untuk beban yg

Diberikan/beban aman operasi untuk Ukuran serabut yang diberikanDengan menggunakan LEFM

K(a, , B) = KIc

Pendekatan Toleransi Rusak-Laju pertumbuhan serabut

- Ukuran kritis dlm perawatan

Griffith (1922) Teori Pecah/Remuk (Theory of Rupture)

Perkembangan lanjut oleh:Obriemoff (1930)Westerfaard (1939)Irwin dan Orowan (1948)Rice dan Cherepanov, (1960)


Sejarah Perkembangan Mekanika Perpatahan

• Abad 15 - Leonardo da Vinci– Test kekuatan pada kabel besi dgn panjang

berbeda– Kekuatan berbanding terbalik proporsional dgn

volume bahan

• Abad 19 – Cauchy– Hubungan tegangan-regangan pada kondisi

istemewa dan Konsentrasi tegangan

• 1922 – Teori Perpatahan Griffith– Hubungan kuantitatif pertama antara kekuatan

material dengan ukuran retak



(a) Teori Kekuatan Antar Atom– Sifat-sifat kristal dapat dihitung

berdasarkan sifat latis-latis– Kekuatan teoritis – Dimana E = modulus elastisitas, b = jarak

atom atom seimbang, = Energi total pemisahan antar atom

– Untuk banyak bahan = Eb/40

– Teg. Luluh th = E/6

b

Eth

Model atom untukkekuatan teoritis

b



(b) Teori Perpatahan

- Menggunakan persamaan matematika Inglis untuk konsentrasi tegangan, ditunjukkan untuk bahan seperti kaca “Energi permukaan yang dihamburkan oleh pembentukan permukaan retak baru adalah setara dengan ketahanan pertumbuhan retak”

a

bentukretak



- Westergaard melanjutkan teori Griffith dan menunjukkan bahwa kekuatan patah dari bentuk retak adalah

dimana a adalah panjang retak

Batasan-batasan:

1. adalah valid untuk bahan getas

2. Perhitungan tidak jelas

3. Nilai lebih besar untuk bahan teknik

a

Ef

2



• 1948 George Irwin (Lab. Riset AL USA)– Melanjutkan teori Griffith untuk logam– Mengembangkan metode matematika

untuk menghitung parameter patah dan mengukur parameter patah kritis (ketangguhan)

p = energi plastis pada ujung retak

a

E pf

)(



• Karena pembilang adalah sifat bahan, kita dapat mendifinisikan sebagai

• Dimana K = faktor intensitas tegangan pada ujung retak, adalah tegangan yg kecil

• Kita dapat menghubungkan K dan G, laju perubahan energi total potensial w.r.t. panjang retak a.

• G = K2/E*

• E* = modulus elastis efektif

• Teori ini disebut Teori Perpatahan Griffith-Irwin-Orowan

a

K



• James Rice (1967) dan Cherepanov (1966)– Mekanika Perpatahan Non-linier

–J = /a

– Dimana (pi) adalah energi potensial total dari bahan (elastis-plastis) non-linier yang mempunyai retak


Matematika Definisi dari Retak

• Difinisi– Retak adalah suatu takikan elips dengan sumbu

panjang a yang agak besar (panjang retak) dan sumbu pendek b adalah nol. Dengan kata lain, jari-jari kelengkungan pada ujung retak adalah nol.

2b

2a

nom

nom

R

2a

nom

nom

Takikan elips

Retak


Matematika Definisi dari Retak

• Aliran Tegangan sekitar Takikan dan Retak– Pembebanan melintang thd sumbu utama

• Takikan

– Konsentrasi Tegangan (Kt); = nom (1+2 (a/Rmin)1/2)

– Rmin adalah jari-jari kelengkungan ujung sumbu utama

• Retak

– Faktor Intensitas Tegangan (K); K = nom (a)1/2


• Pembebanan sejajar thd sumbu utama– Takikan

• Konsentrasi Tegangan (Kt); = nom (1+2 (a/Rmak)1/2)

• Rmak adalah jari-jari kelengkungan ujung sumbu utama

– Retak• Faktor Intensitas Tegangan (K); K = 0 shg = nom


Pengaruh Retak pada Struktur

Pembebanan Statis

Grafik Kekuatan Sisa

2a

c

W

c

Ukuran retakWaktu

kekuatan rancangan

Perkiraan bebankerja tertinggi

beban kerja normal

gagal

Keku

atan

sis

a

gagal waktudigunakan


Pengaruh Retak pada Struktur

2a

W

(t)

(t)

Pembebanan Fatik

Tarik

Tekan

Tegangan

Waktu

Spektrum beban

tidak stabil

mulairetak retak

tumbuhpanj

ang

reta

k, a

SiklusWaktu


Tujuan Teknologi Mekanika Perpatahan

• Perkembangan metode prediksi dan perhitungan dari seberapa cepat retak akan tumbuh dan seberapa cepat kekuatan sisa akan menurun

• Kekhususan:– Seberapa kekuatan tegangan sebagai fungsi

ukuran retak?– Seberapa ukuran retak dapat ditoleransikan pada

beban kerja (ukuran retak kritis)?– Seberapa panjang suatu retak tumbuh dari suatu

ukuran awal tertentu terhadap suatu ukuran kritis?– Berapa ukuran serabut yang diijinkan ketika

struktural mulai digunakan?– Seberapa sering struktur tsb diinspeksi?


Disiplin ilmu Mekanika Perpatahan

• Meliputi 4 disiplin ilmu:• Teknik – pembebanan 7 analisa

tegangan• Mekanika Terapan – tegangan ujung

retak dan pergerakan gaya• Pengujian – Kuantitatif parameter kritis

dan pencocokan parameter analitis• Ilmu Bahan – proses kegagalan pada

skala atom. Meliputi dislokasi dan ketidak-murnian


Mekanika Perpatahan

perpatahan dan kelelahan

Documents