2990 bab 07 mekanika perpatahan iii
DESCRIPTION
xacsvdbhmTRANSCRIPT
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
Ellyawan Arbintarso 3
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)
Ellyawan Arbintarso 4
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)
Ellyawan Arbintarso 5
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
Ellyawan Arbintarso 6
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
Ellyawan Arbintarso 7
Efek dari Tegangan rerata dari kurva T-S
• ContohSebuah 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?
Ellyawan Arbintarso 8
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
N
n
1
1
Ellyawan Arbintarso 9
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
Ellyawan Arbintarso 10
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
Ellyawan Arbintarso 11
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
Ellyawan Arbintarso 12
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 siklus
Siklus rendah < 103 siklus
Siklus tinggi > 103 (sampai 107-108 siklus)
Ellyawan Arbintarso 13
Pengaruh Kekuatan dan Ketangguhan terhadap Kelelahan
• Peningkatan kekuatanMeningkatkan umur lelah siklus
tinggi (penurunan regangan plastis)Menurunkan umur lelah siklus rendah
(penurunan ketangguhan)
Ketangguhan dan keuletan menurun dengan kenaikan kekuatan
Ellyawan Arbintarso 14
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)
Ellyawan Arbintarso 15
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 komesialakumulasi 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
Ellyawan Arbintarso 16
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
Nonkarburisasi
Pemanasan berlebih
Pelunakan (annealling)
Tegangan sisa
Pelapisan Cr-Ni
Rendah tingkat kebersihan
Pengerjaan akhir permukaan
Permesinan penanda (machining marks)
Ellyawan Arbintarso 17
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
Ellyawan Arbintarso 18
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)
mKAdN
da
m ~ 2 - 4
Ellyawan Arbintarso 19
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
Ellyawan Arbintarso 20
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)
Ellyawan Arbintarso 21
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
Ellyawan Arbintarso 22
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 tegangan
Ketika retak tumbuh,
K meningkat.
Ketika K meningkat, laju pertumbuhan meningkat
Ellyawan Arbintarso 23
Perhitungan Umur LelahmKA
dN
da aK
2
a0 = ukuran cacat awal
af = ukuran cacat akhir
ff NN
N
mm
m
aa
aam
dNAdaa 0
21
0
mmm
m aAdN
da
2
Ellyawan Arbintarso 24
Perhitungan Umur Lelah
ff NN
N
mm
m
aa
aam
dNAdaa 0
21
0
2
2
2
2
0
11
22
2m
f
m
mm
m
f aaAm
N
Pada umumnya a0 << af Umur lelah tidak sensitif terhadap ketangguhan patah
Ellyawan Arbintarso 25
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
Ellyawan Arbintarso 26
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