pemilihan bahan dan proses [compatibility mo
TRANSCRIPT
PEMILIHAN BAHAN DAN PROSES
SUMADI,ST.,MT
1
SILABUS MATA KULIAH
• Cara pemilihan bahan dan proses pembuatankomponen mesin ditinjau dari segi perancangan;sifat dan bahan; proses pembuatan dan kondisipemakaian; jenis material teknik; pemilihanmaterial dan proses pengerjaan; klasifikasi danstandard bahan serta analisa kegagalan
2
DAFTAR PUSTAKA
1. B ZAKHAROV, HEAT TREATMENT OF METALS, PEACE PUBLISHERMOSCOW
2. WILSON, METALURGY AND HEATTREATMENT OF TOOLSSTEELS,McGRAW HILL BOOK COMPANY
3. TATA SURDIA, PENGETAHUAN BAHAN TEKNIK, PRADNYAPARAMITA, JAKARTA
4. TATA SURDIA,PROF.Ir. M.S.Met.E, Prof. Dr. KENJI CHIJIWA, TEKNIKPENGECORAN LOGAM,PT.PARADNYA PARAMITA JAKARTA
5. ASM METAL HANDBOOK VOLUME 11, FAILURE ANALISYS ANDPREVENTION
6. MARJONO SISWOSUWARNO.PROF.DR.IR, TEKNIK PEMBENTUKANLOGAM, LAB TEKNIK METALURGI ITB
3
PENDAHULUAN
4
CONTINU’E
5
CONTINU’E
6
CONTINU’E
7
CONTINU’E
8
CONTINU’E
9
CONTINU’E
10
PROSES DAPUR TINGGI
11
KONSTRUKSI DAPUR TINGGI
12
BAHAN-BAHAN YANG DIMASUKAN KEDALAMDAPUR TINGGI
13
1. Arang kokas (batu bara 10 bag2. Biji-biji besi 3,6 bagian3. Bahan tambah (batu kapur )1 bagian
PROSES DAPUR TINGGI
CARA MEMASUKAN BAHAN
1. Arang kokas
2. Biji-biji besi dan bahan tambah
Memasukan bahan tambah dan dilakukan secaraberulang / bertingkat sampai kira-kira 10 -12lapis sehingga dapur berisi sampai ¾ nya.Jumlah bahan yang dimasukan disebut muatan
14
PROSES PEMBUATAN BESI KASAR
• Dapur tinggi dipanasi berangsur 10-12 hari , kemudian bahan tambahdimasukan bergantian, yang dimulai dari bahan bakar kokas,kemudianbiji besi dan bahan tambah, proses yang terjadi dalam dapur tinggiadalah suatu reduksi.
• Alat-alat reduksinya al : gas-oksigen-zat arang C(O) dan kokas yg terdirizat arang dari kokas (C) kejadian ini berlangsung cepat sehingga daerah:
• 1.Daerah pengeringan,2.Daerah reduksi, 3.Daerah pelelehan.
• Besi dari dapur tinggi masih mengandung:
Mn(mangan), Si(silisium), P (pospor), dan S (belerang)
15
CONTINU,E
• Daerah pengeringan : bahan-bahan akan mudahturun dan gas CO2 dapat memenuhi dalam setiaptempat ruang kerucut.
• Daerah reduksi : akan mengakibatkan tekananudara berkurang dari target semestinya, daerahreduksi ini akan melebur kebawah yang akanmempengaruhi daerah pelelehan
• Daerah pelelehan :meliputi setengah dapur tinggi
16
HASIL-HASIL DARI DAPUR TINGGI
1. Besi kasar cair
2. Kotoran pembakar
3. Gas dapur tinggi
17
CONTINU’E• Besi kasar cair : dapat dikeluarkan setiap 4 jam dengan
menusuk lubang dibawah tungku (cetakan) dan membentukbalok tuangan, atau dituang kedalam panci penuangan untukdijadikan baja. Pengambialn baja. Dan dilakukan 4-6 jamsekali dan setiap pengambilan 60-70 ton besi kasar
• Menurut sifatnya besi kasar dibagi 2 golongan :
• 1.Besi kasar kelabu (berat jenis ρ=7,0-7,2kg/dm³, kadarsilisium 1-4% dengan titik cair 1300ºC
• 2. besi kasar putih (berat jenis ρ= ρ=7,58-7,73kg/dm³,mengandung zat arang 3-4,5% suhu cair 1100ºC
18
Continu,e• Kotoran pembakar : berupa terak hasil
pembakaran bewarna putih, abu-abu putihkebiruan atau hijau bila bewarna hitammenunjukan bersennyawa dengan besi, beratjenis ρ=2,5-3 kg/cm³
• Gas Dapur tinggi : gas yang dihasilkan 2CO + O2 =2Co2 + 285 Kj,mempunyai suhu 200-300ºCdengan susunan sbb:
55-60% volume zat arang
24-30% volume oksida arang
8-12% volume dioksid arang 19
PENGOLAHAN BESI KASARMENJADI BAJA
20
Dapur tinggi listrikbanyak terdapat dinegara-negara maju,prinsif kerjanya adalahmenggunakan electrodasebagai penghantarlistrik
PROSES PENGOLAHAN BAJA
Untuk membuat baja sesuai dengan sifat-sifatnya :Dengan memproses besi kasar cair dari hasil dapurtinggi kedalam :
1. Konvertor Bessemer dan thomas
2. Dapur siement martin
3. Dapur aduk
4. Dapur listrik
21
KONVERTOR BESSEMER
22
Dalam konvertor ini besi kasar diolah menjadibaja dengan jalan membersihkan zat arangdengan kotoran pembakar
Pada proses besemmer 100 kg besi kasar akanmenghasilkan 88-90 kg baja dan mengandung0,05 – 0,6 % c.
Keburukan : besi yang mengandung posportidak dapat dikerjakan karena pospor tidakberkurang .
Bila baja mengandung 0,1 – 0,2% pospor akanmembuat baja menjadi getas
KONVERTOR THOMAS
• Bahan yang di proses pada konvertor thomasadalah besi kasar putih
• Baja yang dihasilkan pada konvertor thomasadalah baja dengan kadar karbon 0,05 – 0,6 % C,diantaranya digunakan baja – baja profil, pelat-pelat ketel, pelat-pelat kapal dsb
23
DAPUR SIEMENT MARTIN
24
Dapur siemen martingmenghasilkan baja :Pembuatan bagian –bagian mesin.pelat pelatketel uap , baja tuang,haluan kapal dan rodagigi
DAPUR ADUK
25
Dapur adukmenghasilkan besi,untuk mendapatkanbaja maka bahanbakunya digunakandari besi kasar putih
DAPUR LISTRIK
Dapur listrik dibagi menjadi 2 macam:
1. Dapur busur cahaya
2. Dapur induksi (Tahanan)
26
DAPUR BUSUR CAHAYA
Dapur busur cahaya biasadisebut dapur heroultyang terdiri dari 2elektroda
Baja yang dihasilkan olehdapur listrik cahayaadalah mengandung 0,6 –1,5 % C
27
DAPUR LISTRIK INDUKSI
28
Pada prinsifnyadapur listrikmenghasil bajadengan kadarkarbon 0,6 – 1.5 %C
PEMBAGIAN LOGAMThe image cannot be displayed. Your computer may not have enough memory to open the image, or the image may have been corrupted. Restart your computer, and then open the file again. If the red x still appears, you may have to delete the image and then insert it again.
29
LOGAM BESI / BAJA (Ferous Metals & Alloy)
30
LOGAM BUKAN BESI / BAJA(Non –ferous metals &Alloy )
31
RUANG LINGKUP MATERIALS
32
KLASIFIKASI MATERIALSThe image cannot be displayed. Your computer may not have enough memory to open the image, or the image may have been corrupted. Restart your computer, and then open the file again. If the red x still appears, you may have to delete the image and then insert it again.
33
UNSUR PEMADU DALAM BESI / BAJA
34
PENGARUH UNSUR PEMADU TERHADAP SIFATBAJA
35
CONTINU’E
36
CONTIN’EThe image cannot be displayed. Your computer may not have enough memory to open the image, or the image may have been corrupt ed. Restart your computer, and then open the file again. If the red x still appears, you may have to delete theimage and then insert it again.
37
CONTINU’E
38
BESI TUANG
39
KLASIFIKASI BESI TUANG PADUANThe image cannot be displayed. Your computer may not have enough memory to open the image, or the image may have been corrupt ed. Restart your computer, and then open the file again. If the red x still appears, you may have to delete the image and the n insertit again.
40
GRAFIK PENGARUH UNSUR PEMADU
41
KLASIFIKASI BESI TUANG BERDASARKAN PERENCANAAN MICROSTRUCTURE DAN FRACTURE
42
MICRO STRUCTURE BESI TUANGThe image cannot be displayed. Your computer may not have enough memory to open the image, or the image may have been corrupted. Restart your computer, and then open the file again. If the red x still appears, you may have to delete the image and then insert it again.
43
KLASIFIKASI BESI TUANG PADUAN TINGGI
44
DIAGRAM ALIR PROSES PENGOLAHAN BAJA
45
KLASIFIKASI BESI TUANG PADUAN TINGGI
46
ALIRAN PROSES PEMBUATAN BAJA MENURUT KLOMPOKINDUSTRI
47
PROSES PEMBUATAN BESI DAN BAJA
48
TUNGKU DAN LADLE
The image cannot be displayed. Your computer may not have enough memory to open the image, or the image may have been corrupted. Restart your computer, and then open the file again. If the red x still appears, you may have to delete the image and then insert it again.
49
TEKNIK PENGECORAN LOGAMThe image cannot be displayed. Your computer may not have enough memory to open the image, or the image may have been corrupt ed. Restart your computer, and then open the file again. If the red x still appears, you may have to delete the image and the n insertit again.
50
PROSES CETAK CONTINU
51
PROSES CETAK CONTINU
52
PERSAMAAN BAJA SESUAI STANDARD NEGARA
53
TEKNIK PENGECORAN LOGAM
54
CONTINUOUS CASTING
55
PROSES PEMBUATAN SLABS,BLOM DANBILLETS
The image cannot be displayed. Your computer may not have enough memory to open the image, or the image may have been corrupted. Restart your computer, and then open the file again. If the red x still appears, you may have to delete the image and then insert it again.
56
PROSES PEMBUATAN SLAB,BLOM DAN BILLETMENJADI BAJA
57
PROSES PEMBUATAN SLAB,BLOM DAN BILLETMENJADI BAJA
58
DAFTAR ISI
1. Pendahuluan2. Pengertian dan definisi3. Kekuatan4. Pembebanan5. Tahapan rancang bangun6. Metoda perancangan terhadap kelelahan7. High cycle fatigue8. Low cycle fatigue9. Faktor-faktor yang mempengaruhi kelelahan10. Analisa umur lelah11. Analisa kerusakan
59
PENDAHULUAN
• Masalah kelelahan telah dikenal dan diteliti lebih dari 160 tahun yang lalu• Konstruksi yang mengalami beban berulang / siklis / dinamis/ bergetar akan
mengalami kelelahan (fatigue)
• Dalam praktek sehari-hari terjadinya beban berulang/ bergetartidak dapat dihindari
• August Woehler tercatat sebagai peneliti yang sangat terkenal dengan“diagram woehler”-nya, melakukan penelitian dengan sistimatis tentangfatik (1850 - 1875). Penelitiannya difokuskan pada masalah batas lelah darimaterial baja.
• Pada tahun 1885 Bauschinger mengembangkan extensometer cermin yangmempunyai sensitifitas untuk mengukur regangan dalam orde 1 micron.Penelitiannya terutama menyangkut hubungan antara regangan plastis yangkecil dengan tegangan yang aman terhadap kelelahan. Hasil penelitianBauschinger menjelaskan penomena perbedaan antara batas luluhmonotonik dan siklis dari material.
60
• Dengan diilhami oleh hasil penelitian Woehler danBauschinger, pada tahun 1903 Ewing dan Humphreymelakukan penelitian tentang mekanisme terjadinya retakpada material. Hasil penelitiannya dipublikasikan dengan judul“The fracture of metals under repeated alterations of stress”.
61 62
DAFTAR ISI
• Pembebanan
• Tegangan
• Kekuatan
• Deformasi
• Regangan
• Keuletan / kerapuhan
• Patah dan penampang patahan
• Kekerasan dan keausan
• Gesekan
63
PEMBEBANAN• Pembebanan pada suatu konstruksi sama artinya dengan
pengurangan dari kemampuan material yang digunakan.• Pembebanan dapat berupa mekanis, termis dan/ kimia. Tergantung
dari lamanya beban bekerja serta dari perubahan besarnya beban,maka pembebanan dibedakan atas beban dalam waktu yang singkat,dan pembebanan dalam waktu yang lama.
• Pembebanan mekanis dapat berupa beban statis dan/atau dinamis(siklis), gambar 4.1. apabila selama pembebanan tidak terjadiperubahan dari besar dan arah beban, maka beban tersebut disebutbeban statis.
• Sebaliknya pada pembebanan dinamis, arah dan besar beban akanberubah sepanjang waktu. Dilihat dari akibat beban terhadapkonstruksi, maka beban mekanis dapat dibedakan menjadi bebanTarik, Tekan, Tekuk, Lengkung, Puntir, Geser serta Gesekan, gambar4.2.
64
• Biasanya karakteristik material dapat diketahui denganjelas terhadap jenis pembebanan tertentu. Tetapididalam praktek, pada banyak hal pembebanankonstruksi merupakan kombinasi dari 2 atau lebih jenisbeban. Oleh karena itu pengaruh dari masing-masingbeban pada pembebanan yang komplek terhadapkarakteristik material, harus dapat dengan jelasdiketahui. Dengan demikian, tergantung dari bentukkombinasi beban, diperlukan karakteristik material yangkhusus.
65
Gambar 4.1Pembebanan Mekanis
66
PembebananMekanis
Statis Dinamis/Siklis
Berubah
Waktu Singkat
Konstan
Waktu Lama
AmplitudoKonstan
Satu Tingkat
AmplitudoBervariasi
Blok Acak
Uji tarik Uji impak CreepAmplitudo konstan Blok Acak
JENIS BEBAN KONSTRUKSI
67
Beban tarik tegangan tarik, t
Beban tekan tegangan tekan, c
Beban lengkung tegangan lengkung, b
Beban geser tegangan geser, s, atau a
Beban puntir / torsi tegangan torsi, t
FFLL1
dd1
F F
L>>d
Tekuk
l
GAMBAR 4.2
TEGANGAN
• Tegangan adalah beban per unit luas penampang material yangmenerima beban. Tergantung dari arahnya, maka tegangandibedakan atas tegangan normal () dan tegangan geser ().
• Tegangan normal: bila arah tegangan tegak lurus terhadap luaspenampang tempat tegangan tersebut bekerja.
• Tegangan geser: bila arah tegangan sejajar dengan permukaan luaspenampang tempat tegangan tersebut bekerja
• Sesuai kaidah mekanika, maka setiap pembebanan pada materialdapat dinyatakan dalam komponen tegangan geser dan tegangannormal, seperti pada gambar 4.3.
68
BEBAN TARIK STATIS• Pada bidang yang hanya terdapat tegangan
noemal, maka tegangan tersebutdinamakan “tegangan utama”
• Tegangan geser terbesar terletak padabidang yang bersudut 45o terhadaptegangan normal utama
• Tegangan dalam adalah tegangan yangterdapat didalam material tanpa pengaruhbeban luar.– FN = FCos
– FS = FSin
– = FN / Ax …… Tegangan normal
– = FS / Ax …… Tegangan geser
69
Ax
A
F
F
FN = F
F
FS
FN
KEKUATAN
• Untuk menahan beban, maka setiap konstruksi harus memilikikekuatan
• Kekuatan didefinisikan sebagai “ketahanan dari material untukmelawan perubahan bentuk atau pemisahan”
• Setiap komponen harus dirancang mempunyai faktor keamanan,yaitu perbandingan dari kemampuan beban yang dapatdidukung dengan beban yang diterima
• Konstruksi dianggap kuat (dapat menahan perubahan bentuk)apabila:– Kekuatan bahan setempat (termasuk pengeruh temperatur maupun
lingkungan) ≥ beban setempat yang diterima material.
70
• Kekuatan Lelah:
Ketahanan dari suatu material, komponen atau konstruksi terhadapkerusakan yang diakibatkan oleh pembebanan siklis (dinamis)
• Kelelahan (Fatigue):
Berkurangnya daya tahan dari material, komponen atau konstruksi
terhadap kerusakan yang diakibatkan oleh beban siklis (dinamis)
71
DEFORMASI
• Akibat pembebanan, material akan mengalami perubahanbentuk
• Perubahan bentuk terdiri dari:– Perubahan bentuk elastis, dan
– Perubahan bentuk plastis
• Hukum hooke dan poisson ratio adalah akibat dari adanyapergeseran kisi-kisi kristal
• Besaran-besaran elastis adalah: modulus elastis (E),modulus geser (G) dll.
• Tegangan utama maksimum yang dapat ditahan olehmaterial adalah sama dengan gaya ikatan dari kisi-kisi kristal
72
GAYA IKATAN ANTAR DUA ATOM YANGTERGANTUNG DARI JARAK ANTAR ATOM
73
+F
Jarak antar atom
Perpindahan mekanis
Jarak rata-rata antar atom padatemperatur ruang dan tanpabeban
Gayatarik
Gayatolak
REGANGAN
• Regangan adalah satuan dari deformasi• Regangan (beban tarik) atau perpendekan (beban
tekan) adalah: perubahan panjang terhadap panjangsemula
• Regangan: = l/l (mm/mm)• Regangan melintang q = d/d (mm/mm)
• q = -• = faktor proporsional:
• 0.3 untuk logam• 0.5 untuk plastik
• m = 1/ adalah poisson ratio
74
KEULETAN DAN KERAPUHAN
• Karakteristik keuletan maupun kerapuhan material merupakanfaktor sangat penting untuk penentuan karakteristik komponen pada pembebanan
• Material dinyatakan ulet apabila pada saat patah didahului olehperubahan bentuk plastis
• Material rapuh adalah material yang pada saat patah tidakmengalami perubahan bentuk plastis
• Tegangan geser kritis ------ matgerial ulet• Tegangan normal kritia ----- material rapuh• Keuletan dan kerapuhan dipengaruhi pula oleh:
– Bentuk konstruksi– Temperatur– Kecepatan pembebanan– Lamanya pembebanan
75
PATAHAN DAN PENAMPANGNYA
• Bentuk penampang patahan pada pembebanan siklis
• Garis melingkar: patah fatik (patah berlanjut)
• Garis arsir: patah statis (satu kali beban)
76
KEKERASAN DAN KEAUSAN
• Kekerasan adalah: kemampuan material menahan penetrasimaterial yang lebih keras (indentor)
• Pengujian kekerasan digunakan untuk keperluan klasifikasimaterial dan kontrol terhadap perlakuan panas
• Keausan adalah: ketahanan mekanis material terhadapgesekan antara dua bidang yang bergerak saling berlawanan
• Karakteristik keausan dari material tergantung dari:• Kekerasan / karakteristik perubahan karena pengaruh gaya-
gaya mekanis• Pengaruh kimia atau terjadinya reaksi kimia pada lapisan
permukaan material
77
KEKUATAN
78
DAFTAR ISI
1. TEGANGAN IJIN DAN FAKTOR KEMANAN2. JENIS BEBAN3. PEMBEBANAN4. PENGERTIAN KEKUATAN5. TEGANGAN IJIN PADA BEBAN STATIS6. HUBUNGAN BERBAGAI TEGANGAN IJIN PADA
BERBAGAI MATERIAL7. TEGANGAN IJIN PADA BEBAN DINAMIS8. KARAKTERISTIK DINAMIS9. CONTOH SOAL
79
TEGANGAN IJIN DAN FAKTOR KEMANAN
– Untuk perhitungan maupun pembuktian dimensi suatuelemen mesin, pemilihan tegangan ijin merupakan halyang sangat penting. Tegangan ijin adalah teganganmaksimum yang diperbolehkan terjadi pada elemenmesin agar tidak mengalami kerusakan atau perubahanbentuk plastis pada beban kerja. Tegangan ijin ini harusberada jauh dibawah tegangan patah dari material,sehingga tersedia keamanan yang cukup.
– Besarnya tegangan ijin tergantung dari jenis material,jenis beban dan pembebanan, serta bentuk darielemen mesin.
– Pemilihan/penentuan besarnya faktor keamanansangat ditentukan oleh seberapa pentingnya, jenis danpenggunaan dari elemen mesin tersebut.
80
2.2. JENIS BEBAN DAN PEMBEBANANJENIS BEBAN:
Dilihat dari bagaimana gaya luar bekerja pada konstruksi, sertategangan dan perubahan bentuk yang diakibatkannya, maka bebandapat dibedakan menjadi:– Beban tarik (mengakibatkan tegangan tarik, t)
– Beban tekan (mengakibatkan tegangan tekan, c)
– Beban lengkung (mengakibatkan tegangan lengkung, b)
– Beban geser (mengakibatkan tegangan geser, s, atau a)
– Beban puntir / torsi (mengakibatkan tegangan torsi, t )
– Disamping 5 jenis beban pokok ini, masih terdapat 2 jenis beban lagi yaitubeban tekuk yang merupakan kejadian khusus dari beban tekan (bila l –panjang konstruksi jauh lebih besar dari d - diameternya [l>>d] ) dan bebantekanan permukaan yang merupakan tekanan antar 2 permukaan yang salingmenekan.
Bila pada suatu elemen mesin bekerja lebih dari satu gaya sekaligus, makapembebanan semacam ini disebut beban gabungan atau beban kombinasi.
81
JENIS BEBAN KONSTRUKSI
82
Beban tarik tegangan tarik, t
Beban tekan tegangan tekan, c
Beban lengkung tegangan lengkung, b
Beban geser tegangan geser, s, atau a
Beban puntir / torsi tegangan torsi, t
FFLL1
dd1
F F
L>>d
Tekuk
l
JENIS PEMBEBANAN:• Jika dilihat perubahan arah dan besar beban terhadap waktu, maka jenis
pembebanan pada elemen mesin dapat dibedakan menjadi:– Beban statis, yaitu beban yang besar dan arahnya sepanjang waktu pembebanan,
konstan, dan– Beban dinamis / siklis, yaitu beban yang besar dan arahnya sepanjang waktu
pembebanan, berubah-ubah.
• Tergantung dari bagaimana beban berubah terhadap waktu, maka modelpembebanan pada elemen mesin dibedakan menurut:– Beban statis (beban model I)– Beban dinamis pulsating / osilasi tarik atau tekan (beban model II)– Beban dinamis bolak-balik (beban model III)– Beban dinamis umum (beban berosilasi secara teratur antara harga maksimum dan
minimum)– Beban dinamis acak / tak beraturan (beban model IV)
• Dalam kehidpan sehari-hari, pada umumnya beban yang terjadi adalah bebandinamis umum dan beban dinamis acak. Namun untuk kepentingan praktis dalamperencanaan, maka cukup beban model I – III saja yang diperhatikan.
83
• MODEL PEMBEBANAN
84
t
= konstan
Model I
tModel II
a
am
max
t
Model III
Dinamis umum
Dinamis acak
t
tm = 0; min = a;
-max = min; R = min/ max
min=0
0
0
0
0
0
max
min
m
a
a
2.3. PENGERTIAN KEKUATANBerikut ini adalah beberapa pengertian yang berkaitan dengankekuatan dan tegangan ijin dari material.– Kekuatan patah - B (B), adalah tegangan maksimum yang dapat ditahan oleh
material/konstruksi pada pembebanan statis. Karakteristik ini diperoleh denganmelakukan pengujian dari material dengan benda uji standar. Tergantung darijenis beban, maka kekuatan patah disebut pula sebagai Kekuatan Tarik,Kekuatan Lengkung dan sebagainya.
• Besarnya kekuatan patah dihitung seperti berikut:
B (B) = Fmax/Ao (N/mm2)Dimana: Fmax = beban maksimum/patah (N)
Ao = luas penampang benda uji (mm)– Batas luluh/yield - y (y), adalah tegangan pada saat terjadinya luluh
(regangan plastis bertambah dengan cepat tanpa kenaikan beban ) pada bendauji.
– Tegangan 0,2 - 0,2 , adalah tegangan yang menyebabkan perpanjangan plastis0,2%. Tegangan ini merupakan pengganti tegangan luluh pada material yangtidak jelas batas luluhny seperti aluminium, tembaga dan sebagainya
85
2.4. TEGANGAN IJIN PADA BEBAN STATIS
Tegangan maksimum yang boleh terjadi pada konstruksi ditentukan oleh kekuatanpatah B dan batas luluh y atau 0,2. Namun demikian selalu diusahakan masihterdapat keamanan yang cukup.
Pada material Baja, pada padu:ijin = y/sf [N/mm2] ; ijin = y/sf [N/mm2]
Untuk Al, Al padu, logam ringan dan paduannya, seng dan sejenisnya:
ijin = 0,2/sf [N/mm2] ; ijin = 0,2/sf [N/mm2]
Dimana: sf (faktor keamanan)= 1,5 – 2
Untuk material besi tuang, kayu, plastik, keramik, dsb:
ijin = B/sf [N/mm2] ; ijin = B/sf [N/mm2]
Dimana: sf (faktor keamanan)= 1,8 – 3
86
HUBUNGAN ANTAR TEGANGAN IJIN
Baja, baja tuang, cu-padu
c ijin = t ijin a ijin = 0,85t ijin
t ijin = 0,65t ijin
Aluminium, ai-padu c ijin = 1,2 t ijin a ijin = 0,8t ijin
t ijin = 0,7t ijin
Besi tuang c ijin = 2,5 t ijin a ijin = 1,2t ijin
Besi tuang temper,besi tuang putih
c ijin = 2 t ijin a ijin = 1,2t ijin
87
y (y) = (0,6 – 0,75) B (B)
• FAKTOR KEAMANANBesarnya faktor keamanan dipilih dengan perimbangan sebagai berikut:
– Faktor keamanan yang lebih kecil:• Faktor yang lebih kecil bisa dipilih, jka beban kerja dapat diketahui dengan pasti,
serta jika konstruksi gagal/patah tidak menimbulkan kerusakan yang parah danmudah diperbaiki
– Faktor keamanan yang lebih besar:• Faktor yang lebih besar harus dipilih, jka beban kerja tidak dapat diketahui dengan
pasti, serta jika konstruksi gagal/patah akan menimbulkan kerusakan yang parahdan sulit diperbaiki
• PENGUJIAN KEKUATAN– Pada perencanaan suatu konstruksi, konstruksi harus kuat menerima beban
kerja. Syarat suatu konstruksi kuat menerima beban adalah bila:Tegangan yang terjadi pada konstruksi < Tegangan ijin material yang digunakan,jadi:
< ijin atau = ijin
88
2.5 KARAKTERISTIK DINAMIS MATERIAL– Didepan telah dijelaskan tentang difinisi beban dinamis atau beban siklis.
Beban ini secara umum terjadi pada komponen-komponen yang bergerakseperti poros, rocker-arm, roda gigi, bantalan serta pegas.
– Dilihat dari segi kekuatan maka komponen yang menerima beban dinamis akanlebih kritis dari komponen yang dibebani statis.
– Batas lelah (endurance limit), E atau E: adalah tegangan maksimum yangdapat ditahan oleh material dengan umur tak terbatas
89
(N/mm2)
Umur, N (siklus)
i
Ni
E
NE
Umur terbatas
Umur tak terbatas
Umur batas lelah biasanyadiambil NE = 2.106 siklus
Diagram kekuatan lelahmaterial/komponen (diagram S-N)
50%
90%
Ph:10%
DIAGRAM BATAS LELAH
90
Tegangan
m
m
t
m = 0
min = o min > 0
D D
alt pul
tc b t c b
alt pul
t t
• TEGANGAN IJIN PADA BEBAN DINAMISPada pembebanan dinamis, tegangan ijin dinyatakan denganpersamaan sebagai berikut:
ijin =(D.b1.b2)/(k.sf) N/mm2
ijin =(D.b1.b2)/(k.sf) N/mm2
Dimana:
D = batas lelah material pada beban normal (N/mm2)
D = batas lelah material pada beban geser (N/mm2)
b1 = faktor kekasaran permukaan (0,7 – 1)
b2 = faktor dimensi komponen (0,7 - 1)
k = faktor takik (0,8 – 1)
sf = faktor keamanan (2 – 4)
91
Contoh soal 1• Dieketahui sebuah batang pengencang
seperti pada gambar 1 terbuat dari baja 42(St 42) dibebani secara statis, dengan gaya F= 10000 N.
• Tentukanlah1. Tegangan tarik ijin (t ijin) dari batang agar
kuat menerima beban.2. Diameter pengencang (d)
– PenyelesaianBahan pengencang St 42,jadi tegangan patah material adalah: B = 420
N/mm2
Tegangan luluh (yield) dari material adalah:y = 0,65 B = 0,65 (420 N/mm2)
= 263 N/mm2
1) Tegangan tarik ijin dari material:(t ijin) = y/sf [N/mm2]Bila faktor keamanan diambil Sf= 2, maka(t ijin) = (263/2) [N/mm2]
= 130 N/mm2
2) Batang kuat bilat tijin , jadi(F/(/4d2) tijin
d2 (4.F/ tijin )
(4.10000N/3,14.130 ) N/mm2d2 (123)mm2
d 10,7 mmd = 12 mm
92
FFd
Contoh soal 2
• Diketahui dudukan bantalanseperti pada gambar diatas,tebuat dari St 52, dan teganganlenkung yang terjadi padapotongan AB adalahb = 48 N/mm2
• Buktikanlah bahwa poros kuatmenerima beban kerja
• PenyelesaianPoros disamping menerima beban lengkungdinamis, oleh karena itu, maka tegangan ijin dariporos adalah:
bijin =(D.b1.b2)/(k.sf) N/mm2
D.= 260 N/mm2 (tabel material)Untuk poros diambil k = 1,3; Sf = 1,5; b1 = 0,85;b2 = 0,85.Jadibijin =(260.0,85.0,85)/(1,3.1,5) N/mm2
= 95 N/mm2Diketahui b = 48 N/mm2
Karena b < bijin
Maka poros kuat menerima beban kerja
93
160
55
B
A
45
PEMBEBANAN
94
BEBAN YANG DAPAT DITAHANOLEH SUATU KONSTRUKSI
95
t = waktu
Tegangan
a
b c
Gambar 1.
a) Beban statis
b) Beban siklis amplitudo konstan
c) Beban siklis amplitudo acak (random)
BEBAN DINAMIS/SIKLIS
• Penyebab:– Getaran– Fluktuasi beban/daya yang dipakai/dihasilkan– Angin– Kerapatan udara yang tidak homogen– Gelombang air laut– Perbedaan suhu– Ketidakrataan permukaan jalan
• Yang menerima:– Konstruksi kendaraan bermotor dan permesinan lainnya– Kapal laut, pesawat udara– Alat angkat/angkut/alat-alat berat– Jembatan– Gedung, hanggar– Rig pengeboran minyak, dll
96
JENIS BEBAN DINAMIS
• BEBAN DINAMIS AMPLITUDO KONSTAN
• BEBAN DINAMIS AMPLITUDO BLOK
• BEBAN DINAMIS TIDAK BERATURAN STANDAR(CARLOS, TWIST, MINI TWIST, FALSTAFF) – STANADARDRANDOM
• BEBAN DINAMIS TIDAK BERATURAN SEJATI (BEBANLAPANGAN) – SERVICE LOAD
97
TIPE BEBAN SIKLIS
98
CYCLIC LOAD
CA BLOCK RANDOM
STANDARD REALCA
BLOCK
STANDARD
REAL
S
t
t
t
t
Gambar 2
NOMENKLATUR
• MENURUT “ISO”:– Sa = amplitudo tegangan– 2Sa (Sr) = range (julat) tegangan– Smax = tegangan maksimum– Smin = tegangan minimum– Sm = tegangan rata-rata– S = tegangan nominal– Su = tegangan tarik maksimum– R = rasio tegangan
R = Smin / Smax ------ nilai 1 s/d
99
NOMENKLATUR BEBAN DINAMIS
100
Smin
Sm
Smax
S=2Sa
Tarik
Tekan
Teg
an
gan
S
Gambar 3.
R = Smin / Smax
BEBAN SIKLIS DENGAN TEG. RATA-RATA BERVARIASI
101Gambar 4
TeganganTegangan
Tegangan Tegangan
Tegangan
Waktu (t)
R = 0
R = -1
1> R > 0
R < 0 > R > 1
• Berkaitan dengan Umur Lelah– N = umur operasi– N = jumlah amplitudo beban yang besarnya sama
pada suatu spectrum beban– C = perbandingan siklus, atau faktor kerusakan:
n/N– Sn = kekuatan lelah, yaitu besarnya tegangan yang
memberikan umur N siklus– SD = batas lelah, yaitu tegangan maksimum yang
dapat ditahan oleh material yang tidakmenyebabkan patah lelah
102
• Berkaitan dengan Beban Acak (tidak beraturan)– I= faktor ketidak teraturan (No/N1)– RMS = harga efektif (1/n(Mi – B)2)1/2
– C = Crest Factor : perbandingan teganganpaling tinggi dengan harga efektif
(MM/RMS)– MM = Max (Mi – B)– Max = harga ekstrim– Mi = harga puncak– B = tegangan refrensi sebagai pembanding
• Beban acak akan terdefinisi apabila masing-masing harga-harga I, RMS dan C diketahui
103
NOMENKLATUR BEBAN SIKLIS ACAK
FAKTOR KETIDAK TERATURAN
104
1
2
3
4
5
6
Garis 0
Gambar 5N1 = 13, N0 = 9; Jadi I = 9/13
º
ºº
º
ºº º
º
ºº
º
×
º
º
× ×××× ×× ×
JENIS BEBAN BLOK
• Low-High (LH)
• High-Low (HL)
• Blockprogramm (BLP)
• Multiblock
– HIGH-LOW-HIGH (HLH)
– LOW-HIGH-LOW (LHL)
• Random (acak)
105
JENIS BEBAN (REKAPITULASI)
106
BEBAN SIKLIS
AMPLITUDO BERVARIASI
High-Low Low-High High-Low-High
RandomBlockprogram t t
t t t
UMUR LELAH
107
UMUR LELAH AL-7075
0
50000
100000
150000
200000
250000
300000
350000
400000
450000
AL 7075-T7351 AL7075-0
MATERIAL
UM
UR
LE
LA
H(S
IKL
US
)
H
L
HL
LH
HLH
LHL
H = HIGH LEVEL- CALOADING
L = LOW LEVEL - CALOADING
HL = HIGH-LOW LOADING
LH = LOW-HIGH LOADING
HLH = MULTIBLOCK HIGH-LOW-HIGHLOADING
LHL = MULTIBLOCK LOW-HIGH-LOWLOADING
TAHAPAN RANCANG BANGUNDISAIN
PEMILIHAN MATERIAL
ANALISATEGANGAN (FEM)
PROTOTIPEUJI :
UNJUK KERJA, KEKUATANSTATIS, DINAMIS
ANALISA TEGANGANSECARA
EKSPERIMENTAL
PENGEMBANGANSECARA
EKSPERIMENTAL
PENGUKURANBEBAN OPERASI
MODIFIKASI
PRODUKSIKONTROLKUALITAS
OPERASIMETODE INSPEKSIDAN PERBAIKAN
METODE NDI
OPTIMASIKONSTRUKSI
PENGEMBANGANSECARA EKSPERIMENTAL
KEKUATAN KONSTRUKSIUNJUK KERJA
DAERAH KRITISPREDIKSI UMUR OPERASI
BEBANOPERASI
BEBANKERJA
KEKUATANMATERIAL
EVALUASIDISAIN
ANALISA UMUR OPERASI
PENGUKURAN BEBANOPERASI
KARAKTERISTIK LELAHMATERIAL
PREDIKSI UMUR OPERASI
D = S ni/Ni
RUSAK JIKA D = 1
UJI SIMULASI JALANPENGUKURAN BEBAN
LAPANGAN
ANALISA DATA
FREKUENSI RESPON
ESTIMASI SPEKTRUM BEBAN BEBAN UJI
UJI SIMULASI
BLOK DIAGRAM UJI SIMULASIBEBAN LAPANGAN
Catu DayaHydraulic ACTUATOR
Katup servo
FM TAPEPLAYBACK
X..
X = PERCEPATAN..
X.
X = KECEPATAN
.
X
X = LANGKAH
Langkah
SET POINT
EVALUASI KEKUATAN STRUKTUR GEDUNG
ANALISIS
MUTU BAHAN BENTUK & DIMENSI
ANALISA KAPASITASMOMEN, GAYA LINTANG
(A)
BEBAN AKTUAL
ANALISA STRUKTURMOMEN, GAYA LINTANG
(B)
LAYAK JIKAA>B
EKSPERIMENTAL
UJI BEBAN
LENDUTAN (f)
RETAKAN (a,t)
LAYAK JIKAf,a,t < f,a,t ijin
PENUTUP
• Dalam proses rancang bangun suatu struktur, maka tahapan prosesmulai dari desain, prototyping, pengembangan secaraeksperimental dan diakhiri dengan produksi masal, merupakanprosedur baku dalam industri modern.
• Pada tahap pengembangan secara eksperimental Berbagai jenispengujian material, komponen dan konstruksi skala penuh denganpenekanan kepada analisis dan pengkajian terhadap kelelahan,kehandalan, keamanan serta integritas dari konstruksi, telah sangatumum dilakukan di laboratorium,
METODA PERANCANGANKELELAHAN
116
BAHASAN
• PENDAHULUAN
• KELAHAN KONSTRUKSI
– BEBAN SIKLIS
• Amplitudo Konstan
• Amplitudo Bervariasi
– DEFORMASI SIKLIS
• Pengerasan Dan Pelunakan Siklis
• Rangkak Siklis
– PERANCANGAN FATIGUE
– KEKUATAN LELAH
• ANALISA UMUR FATIGUE DARI KONSTRUKSI DAN PERALATAN
– PENGUKURAN BEBAN LAPANGAN
– ANALISA BEBAN LAPANGAN
– KONSEP AKUMULASI KERUSAKAN LINIER
– MODIFIKASI KONSEP AKUMULASI KERUSAKAN LINIER.
117
PENDAHULUAN
• ADA DUA ISU YANG HARUS DIPERHATIKAN DALAMPERANCANGAN TERHADAP FATIK YAITU:
– SUATU ANALISA KEPUTUSAN APAKAH ADA/ TIDAKKEMUNGKINAN TERJADINYA KELELAHAN
– PERHATIAN TERHADAP FAKTOR-FAKTOR YANGMENINGKATKAN ATAU MENGURANGI BAHAYATERJADINYA KEGAGALAN LELAH/ FATIK
– BAGAIMANA ISU-ISU INI DIPERGUNAKAN, DICEK SERTADIKWANTIFISIR TERGANTUNG DARI TUJUAN DESAIN/PERANCANGAN.
118
STRATEGI PERANCANGAN FATIK
• ADA 4 JENIS POKOK PERANCANGAN YAITU:
– PERANCANGAN PERALATAN: MISALNYA PERANCANGAN TOOL KHUSUS ATAUTEST RIG -”IN HOUSE TOOL”
– PEMBAHARUAN DARI PRODUK YANG SUDAH ADA: MEMPERBESAR ATAUMEMPERKECIL, MERUBAH BENTUK RANCANGAN TERDAHULU ATAUPENGGANTIAN PEGAS DAUN DENGAN PEGAS PILIN-”NEW MODEL”
– PERNCANGAN PROYRK BARU YANG LAIAN DARI YANG TELAH ADA:RANCANGAN MOBIL BARU, RIG LEPAS PANTAI DAN LAIN-LAIN DISAIN BARU-”NOVEL PRODUCT”
– PERANCANGAN JEMBATAN ATAU KETEL UAP: BEBAN YANG DIHARAPKAN,METODA ANALISIS YANG DIPAKAI SERTA TEGANGAN YANG DIIJINKANDITENTUKAN OLEH PELANGGAN ATAU OLEH SYARAT KELAIKAN (CODEAUTHORITY)-”DESIGN TO CODE”
119
IN HOUSE TOOL
• SETIAP PERALATAN YANG MENERIMA BEBAN SIKLIS HARUS DIRANCANG TAHANTAHADAP KEGAGALAN LELAH
• INFORMASI DARI BEBAN SERTA KONDISI KERJA AKAN SANGAT MEMBANTUDIDALAM PERENCANAAN YANG BERHASIL
• PERANCANG AKAN MEMBUAT BENTUK YANG TERHINDAR DARI KONSENTRASITEGANGAN, MENGHITUNG TEGANGAN, MEMILIH MATERIAL SERTAPERLAKUAN PANAS YANG SESUAI. MENENTUKAN FAKTOR KEAMANANYANGSESUAI DENGAN UMUR YANG DIRENCANAKAN
• BILA BEBAN YANG DIHARAPKAN BERFLUKTUASI DENGAN TIDAK BERATURAN,MAKA KONSEP KERUSAKAN KUMULATIF HARUS DITERAPKAN.
• UNTUK MENGHINDARI KEGAGALAN, PERANCANG HARUS MENERAPKANRANCANGAN YANG DAPAT DIINSPEKSI ATAU DIGANTI,”FAIL SAFE DESIGN” ATAUDENGAN FAKTOR KEAMANAN YANG TINGGI.
120
NEW MODEL
• DIBUTUHKAN LEBIH BANYAK KEPASTIAN DAN DATA-DATA BEBAN DAN KONDISILAPANGAN YANG DIUKUR MAUPUN DARI MODEL YANG TERDAHULU
• SELAIN PROSEDUR SEPERTI PADA IN HOUSE TOOL, DIBUTUHKAN PULAPENGUJIAN UNTUK MEMASTIKAN SYARAT KEHANDALAN/ KWALITASRANCANGAN
• KOMPONEN YANG PATAH DARI MODEL TERDAHULU MERUPAKAN DATA YANGSANGAT PENTING UNTUK MENILAI HASIL PENGUJIAN MODEL YANG BARU ATAUUNTUK MENGANALISA PROSEDUR PENGUJIAN YANG DIGUNAKAN APAKAHSESUAI ATAU TIDAK.
• DATA-DATA DARI MODEL TERDAHULU BAIK MENGENAI BEBAN MAUPUNANALISA TEGANGAN DAPAT MEMPERCEPAT PROSES DISAIN SERTA DAPATMENGURANGI BIAYA.
121
NOVEL PRODUCT
• MEMERLUKAN USAHA-USAHA, WAKTU DAN BIAYA YANG BESAR.
• KETELITIAN TERHADAP PERKIRAAN BEBAN YANG AKAN DITERIMA KONSTRUKSIMERUPAKAN FAKTOR YANG SANGAT PENTING
• KESALAHAN MEMPERKIRAKAN BEBAN SULIT/ TIDAK DAPAT DIATASI DENGANMELAKUKAN ANLISA TEGANGAN
• ANALISA UMUR LELAH UNTUK SEMUA KOMPONEN DAPAT DILAKUKAN BILASPEKTRUM BEBAN LAPANGAN SUDAH DIKETAHUI/ DIREKAM
• HASIL ANALISA UMUR LELAH BIASANYA DIVERIFIKASI DENGAN PENGUJIANKELELAHAN KOMPONEN MAUPUN SEKALA PENUH. HASIL PENGUJIANMENENTUKAN APAKAH MODEL PERLU DOMODIFIKASI/ DIPERBAIKAI ATAUTIDAK.
• PROTOTIPE ATAU “PILOT MODEL”SANGAT MEMBANTU UNTUK MEMASTIKANFUNGSI, UNJUK KERJA SERTA BEBAN OPERASINYA.
122
DESIGN TO CODE
• Pada prinsipnya perancangan berdasarkan atuaran/ stardar (code),adalah perancangan yang mengikuti aturan-aturan atau batasan-batasan yang telah ditetapkan oleh standar internasional maupunprodusen/ prinsipal mengenai kekuatan, tegangan kerja, kualitsdan sebagainya.
• Dalam bidang sambungan las misalnya, american welding society(AWS) mempublikasikan diagrram kekuatan lelah dari sambunganlas yang menggambarkan hubungan antara tegangan dan umurlelah sambungan, yang dianjurkan dipergunakan padaperancangan sambungan las untuk berbagai bentuk sambungan.
123
KRITERIA RANCANGAN TERHADAP KELELAHAN
• Kriterian rancangan terhadap kelelahan meliputi konsep mulai dari“infinite life sampai damage tolerance”. Semua konsep tersebutsampai sekarang masih dipergunakan, tergantung dari jenismasalah serta tuntutan pemakaiannya. Kriteria tersebut sebagaiberikut:
– Infinite -life design (umur tidak terbatas)
– Safe-life design (aman selama pemakaian tertentu)
– Fail-safe design (boleh gagal tapi tetap aman selama pemakaian)
– Damage-tolerant design (selama beroperasi rancangan boleh mengalami
kerusakan, asal tidak membahayakan)
124
INFINITE-LIFE DESIGN
• Kriteria ini merupakan kriteria tertua dibidang perekayasaan.
• Dengan prinsip ini, rancangan dapat dikatakan mempunyaikeamanan yang tidak terbatas, sehingga umurnya tek terbatas.
• Pada perancangan ini tegangan kerja berada dibawah batas lelahdari material
• Bagi komponen yang selama beroperasinya mengalamipembebanan siklis amplitudo konstan seperti pegas katup mesinmobil, konsep ini masih merupakan suatu metoda perancangan
yang baik.
125
SAFE-LIFE DESIGN
• Infinite-life design sangat cocok untuk perancangan gandar kereta api, sepertiyang telah diteliti oleh woehler.
• Perancang automotive lebih senang menggunakan komponen yang apabiladibebani dengan beban maksimum yang diharapkan/ rancangan dapatbertahan hanya sampai siklus beban tertentu, jadi umurnya terbatas sesuaiperencanaan
• Konsep perancangan untuk umur terbatas ini dikenal dengan istilah” safe-lifedesign”.
• Penggunaannya antara lain: perancangan tangki bertekanan, mesin jet, turbin,pompa air, bantalan gelinding dan lain-lain.
• Perancangannya dapat didasarkan pada: hubungan tegangan-umur, regangan-umur atau kecepatan rambatan retak
• Faktor keamanan pada safe-life design biasanya dalam bentuk umur ( umurperhitingan = 20x umur yang diharapkan), beban (beban rencana = 2x beban
harapan), atau umur dan beban.
126
FAIL-SAFE DESIGN
• Kriteria perancangan fatik berdasarkan “fail-safe” awalnya dikembangkanoleh perancang pesawat udara.
• Perancang pesawat tidak mau mengambil risiko berat yang berlebih karenafaktor keamanan yng besar, dilain pihak juga tidak menghendaki adanyabahaya karena faktor keamanan yang kecil
• Pada konsep ini retak fatik pada konstruksi diijinkan dan rancangan asaltidak berbahaya sebelum dideteksi dan diperbaiki.
• Untuk memperoleh disain yang fail-safe dapat dilakuakn denganmembuat/ menerapkan multiple load paths dan crack stoper.
• Philosofi ini terutama diterapkan pada rancangan rangka pesawat ( sayap,badan, elevator, multiple engine, dll), serta berbagai konstruksi lainnya.Landing gear selalu dirancang safe-life
127
DAMAGE-TOLERANT DESIGN
• Damage-tolerant design adalah pengembangan lebih lanjut dari filosofi fail-safe.
• Pada saat perancangan telah diasumsikan bahwa akan terjadi retak (baik karenaproses pengerjaan maupun karena kelelahan) selama konstruksi beroperasi.Asal selama retak berkembang retak tersebut dapat dipantau secara periodikdengan metoda inspeksi tidak merusak.
• Retak tersebut harus dapat dianalisa dengan kaidah mekanika patah maupunsecara experimental, untuk mengetahui apakah retak tersebut akanberkembang sehingga cukup membahayakan konstruksi sebelum dapatdiinspeksi secara periodik.
• Filosofi ini diterapkan pada material yang mempunyai perambatan retak yanglambat serta ketangguhan patah yang tinggi.
• Pada perancangan tangki bertekanan dikenal “leak before burst”
128
HIGH CYCLES FATIGUE
129
DAFTAR ISI
• Umum• Karakteristik lelah (Diagram S-N)• Pengaruh Tegangan Rata-Rata
130
• Umum– Metoda pertama yang digunakan untuk mengerti dan
mengkuantifisir kelelahan logam
– Metoda disain kelelahan standar selama lebih dari 100 tahun
– Masih banyak digunakan sampai sekarang untuk komponenyang mengalami tegangan dibawah batas elastis, dan umurnyapanjang.
– Tidak sesuai untuk “low cycles fatigue”
• Diagram S-N– Dasarnya adalah metoda Woehler.
– Contoh diagram S-N, gambar 1. Diagram ini diperoleh daripengujian 4 titik tumpuan, dengan frekuensi putar 1750 rpm.Dilakukan material baja 1045 dengan pembebanan lengkungrotasi dengan sesuai metoda R.R.Moore.
131
KARAKTERISTIK LELAH MATERIAL(DIAGRAM S-N)
• UMUR KONSTRUKSI DIHITUNG DENGAN PERSAMAAN:
• Ni = ND(Sai/ Se ) -K
•
132
LOG S
Sai
Se
LOG NNi ND
K = 1/tg.
GAMBAR 1
– Benda uji berbentuk “hourglass” dengan bagianujinya berdiameter 0.25in - 0,30in dan dipolesmengkilap. Level tegangan pada permukaanbenda uji dihitung dengan persamaan batangelastis yatiu S = Mc/I walaupun nilai teganganlebih besar dari batas luluh material.
– Kekurangannya: semua regangan dianggap elastisserta mengabaikan karakteristik tegangan-regangan sesunguhnya
– Hanya berlaku bila regangan plastis sangat kecil.
– Diagram S-N bisanya dipresentasikan dalambentuk kurve log-log, dan garis diagram S-Nmenggambarkan data-data rata-rata
133
BENDA UJI “hourglass”
134
PANJANG BENDA UJI
BAGIAN UJIJEPITAN
□ ATAU Ф
• Baja BCC memperlihatkan adanya batas lelah (endurancelimit)-Se pada diagram S-N. Endurance limit adalah leveltegangan tertentu, dan tegangan dibawah level tersebuttidak menyebabkan material patah. Untuk hal-hal praktisbatas lelah diambail pada NB = 2.106 siklus.
• Batas lelah disebabkan adanya elemen interstisi, seperti Cdan N pada latik Fe, yang menahan dislokasi.
• Hal ini menyebabkan terhalangnya mekanisme slippenyebab tumbuhnya retak mikro.
• Batas lelah bisa lenyap karena:
– Beban lebih yang timbulnya secara periodik (unpin dislocations)
– Lingkungan yang korosiv (menyebabkan fatigue-corrosioninteraction)
– Temperatur tinggi (memobilisasi dislokasi)
135
– Kebanyakan paduan nonferrous tidak memilikibatas lelah, dan diagram S-N akan mempunyaikurve yang menerus (kontinyu), gambar 2.Batas lelah hayal dapat ditentukan pad leveltegangan yang menyebabkan umur materialsekitar 5.108
– Terdapat hubungan empiris antara sifat lelahdari material dengan karakteristik tarik statisdan kekerasannya.
– Rasio fatik adalah: perbandingan batas lelahdengan tegangan patah-Su, Baja dengan Su <200 ksi memiliki rasio fatik 0.5 (bervariasi dari0.35 - 0.6)
136
KARAKTERISTIK LELAH MATERIALNON FERROUS
137
LOG S
Sa1
Sa2
LOG NN1 N2
K = 1/tg.
GAMBAR 2
– Baja dengan Su > 200 ksi mengandung inklusikarbida yang terbentuk selama tempering darimartensit. Inklusi non metallik ini berfungsisebagai titik pemicu retak, yang dapat denganefektif mengurangi batas lelah.
– Hubungan antara Su dengan kekerasan (BHN)baja: Su (ksi) = 0.5 BHN
– Se (ksi) = 0,25 BHN untuk BHN 400, bila BHN> 400 , Se = 100 ksi
– Se = 0,5 Su untuk Su 200 ksi, bila Su> 200ksi, maka Se = 100 ksi
– Amplitudo tegangan yang sesuai untk umur1000 siklus, untuk material baja adalah: 0.9 Su.Garis yang menghubungkan titik ini denganendurance limit adalah garis disain estimasi daridiagram S-N, bila data kelelahan yang aktualtidak tersedia.
138
– Untuk baja, persamaan berikut dapat puladigunakan untuk memperkirakan kurve S-N:
S = 10CNb (untuk 103< N < 106)
dimana C dan b adalah:
b = -(1/3) log10 (S1000/Se) ; C = log10 ((S1000)2/Se)
N = 10-C/bS1/b, untuk 103 < N < 106
– Bila S1000 dan Se diketahui, maka:S1000 = 0.9 Su dan Se = 0.5 Su
– Dan diagram S-N didefinisikan sebagai:S = 1,62SuN-0.085
– Untuk logam-logam lain disarankan untuk tidakmenggunakan pendekatan diatas.
139
• Berkenaan dengan diagram S-N, beberapa hal berikut perlumendapat perhatian:– Persamaan empirin diatas, benar-benar hanya
perkiraan. Tergantung dari tingkat kepastian yangdiharapkan pada analisa kelelahan, kadang-kadang diperlukan data uji yang sebenaarnya.
– Konsep yang paling penting dari diagram S-Nadalah: bahwa batas lelah digunakan untukperancangan komponen dengan umur tidkterbatas atau “safe life atau safe stress”.
– Secara umum, pendekatan dengan diagram S-N,hendaknya jangan digunakan untuk menganalisaumur konstruksi dibawah 1000 siklus.
• Sehubungan dengan butir terakhir diatas, diingatkan untuktidak menggunakan metoda pendekatan diatas untukmenentukan diagram S-N dibawah 1000 siklus. Hal inidisebabkan karena kurve diagram S-N dibawah 1000 siklusbiasanya sangat datar, akibat terjadinya regangan plastisyang terlalu besar. Untuk kondisi ini harus digunakanpendekatan “low cycle fatigue”
140
Pengaruh Tegangan Rata-Rata
– Beberapa nomenklatur yang dibutuhkan untukmembahas tegangan rata-rata, gambar 1.6
• max min range tegangan
• a maxmin amplitudo tegangan
• m max+min tegangan rata-rata
• R = min / max = rasio tegangan
• A = a / m = rasio amplitudo
– Nilai R dan A untuk beberapa kondisipembebanan yang umum adalah sebagaiberikut:
• Beban bolak-balik penuh : R = -1 A =
• Nol ke maksimum : R = 0 A = 1
• Nol ke minimum : R = A = -1 141
– Hasil pengujian kelelahan yang menggunakan tegangan rata-rata 0 kerap digambarkan pada diagram Haigh ( a - m ), dangaris umur konstannya ditarik dari titik-titik hasil pengujian,gambar 1.7 & 1.8).
– Karena pengujian untuk menggambarkan diagram High sangatmahal, maka dikembangkanlah persamaan-persamaan empirisuntuk menggambarkan wilayah disain dengan umur tidakterbatas.
• Persamaan-persamaan berikut yang diperlihatkan padagambar 1.9, sering digunakan untuk menggambarkanumur disain tidak terbatas.– Soderberg (USA, 1930) : a Se m Sy – Goodman (england,1899) : a Se m Su – Gerber (Germany, 1874) : a Se (m Su)
2 – Morrow (USA, 1960-an) : a Se m Sf
• Gambar 1.9
142
• Dalam pembahasan mengenai m , hal-hal berikut perludipertimbangkan:– Metoda Soderberg, sangat konservatif dan jarang
digunakan– Data test aktual cendrung terletak diantara kurve
Goodman dan Gerber– Untuk baja keras, Yang tegangan patahnya
mendekati tegangan sebenanya (true stress),maka garis Morrow maupun Goodman akanpersis sama. Sedangkan untuk material yang liat(f > Su) garis Morrow memperlihatkan kurangsensistif terhadap Tegangan rata-rata.
– Untuk kebanyakan situasi perancangan kelelahan,R <1, terlihat ada sedikit perbedaan dalam teori.
– Pada wilayah dimana teori memperlihatkanperbedaan yang mencolok (niali R mendekati 1),terdapat sangat sedikit data. Dalam wilayah ini,maka batas luluh bisa merupakan batas diasain.
143
• Untuk perhitungan disain dengan umur terbatas, bataslelah dalam setiap persamaan dapat diganti dengan a
untuk R = -1 yang sesuai dengan umur terbatas tersebut.
• Contoh soal: Sebuah komponen yang menerimapembebanan siklis dengan tegangan maksimum 100 ksidan tegangan minimum 10 ksi. Komponen dibuat daribahan baja dengan tegangan patah Su = 150 ksi, bataslelah Se = 60 ksi dan amplitudo pada NB = 100 siklus danR = -1 adalah S1000 = 110 ksi. Dengan menggunakanpersamaan Goodman, tentukanlah umur dari komponen.
Penyelesaian: Tentukan a dan m
a = (mak - min )/2 = (110 - 10)/2 = 50 ksi
a = (mak + min )/2 = (110 + 10)/2 = 60 ksi
144
Penggambaran diagram Haigh dengan umur konstanuntuk 106 dan 103 siklus. Garis ini dibuat denganmenghubungkan batas lelah Se dan S1000 pada sumbuvertikal dengan Su pada sumbu horizontal (sumbu m),gambar c1.1. Bila kondisi tegangan yang diterimakomponen dimasukan kedalam diagram Haigh, makatitiknya akan jatuh diantara garis 106 dan 103. Iniartinya komponen mempunyai umur diatara 1000 dan1000000 siklus. Garis umur konstan dari komponendapat dibauat dengan menarik garis melalui titik Su
dan titik yang digambarkan oleh koordinat a = 50 ksidan m= 60ksi, dan garis ini akan memotong ordinat dititik 83 ksi. Nilai ini dapat pula dihitung sebgai berikut:
145
(a /Sn) + (a /Su) = 1(50/Sn) + (60/150)= 1Sn = 83 ksiNilai Sn = 83 ksi kemudian dimasukan didalam diagram S-Nuntuk menentukan umur komponen, yaitu NB = 2.4 x 104
siklus.
•Dari penelitian memperlihatkan bahwa tegangan rata-ratatekan akan menaikan umur komponen, seperti terlihat padagambar 1.10. Tapi hal ini sulit diterapkan pada komponenbertakik. Pada komponen bertakik tegangan rata-rata tekandianggap tidak memberi pengaruh.•Dari pengujian torsi terhadap komponen tak bertakikmemperlihatkan bahwa tegangan rata-rata tidak memberipengaruh bila ditambahkan dengan amplitodo tegangangeser bolak-balik (alternating). Kecendrungan ini tidakterlihat pada komponen yang bertakik.
146
LOW CYCLES FATIGUE
147
BAHASAN
• Umum• Sifat Material
– Karakteristik Tegangan-Regangan Monotonik– Karakteristik Tegangan-Regangan Siklis– Pengerasan dan Pelunakan Siklis– Menentukan Kurve Tegangan-Regangan Siklis
• Tegangan-Regangan Plastis• Kurve Regangan-Umur• Menentukan Karakteristik Lelah• Pengaruh Tegangan Rata-Rata
148
UMUM
• FATIK PADA UMUR SEKITAR 10000 SIKLUS• DIGUNAKAN UNTUK MENDISAIN STRUKTUR DENGAN
UMUR YANG PENDEK SEPERTI MISSILE, ATAU KONSTRUKSIYANG MENGALAMI OVERLOAD YANG BESAR
• PATAH FATIK SELALU DIMULAI DARI DISKONTINUITAS LOKALSEPERTI TAKIK, RETAK ATAU DAERAH-DAERAH DENGANKONSENTRASI TEGANGAN YANG BESAR.
• MENURUT BAUSCHINGER (1910), BATAS ELASTIS DARI BESIDAN BAJA DAPAT DINAIK-TURUNKAN DENGAN CARAMEVARIASI TEGANGAN SIKLIS.
• Landgraf mempresentasikan low cycle fatigue dalam bentuktegangan-regangan siklis
149
Diagram Tegangan-regangan Hysteresisi
• Slope AB adalah moduluselastis E
= range tegangan
p = regangan plastis
e = regangan elastis
= regangan total
= p + e
150
Sikl 1Sikl 3
Sikl 5
Sikl 2
Sikl 4
pe
A
B
Gambar 1
TEGANGAN-REGANGAN SIKLIS
• A = CYCLIC HARDENING
• B = CYCLIC SOFTENING
• Fatigue ductility coef. ’f adalahregangan aktual pada saat patah ttk Agmb. 1
• Fatigue strength coef ’f adalahtegangan aktual pada saat patah ttk Agamb. 1
• Fatigue ductility exponent c = sloperegangan plastis gmb 3
• Fatigue strength exponent b = slopegrs regangan elastis gmb 3
151
MONOTONIK
A
B
Gambar 2
DIAGRAM - N, SECARA SKEMATIS
152
(p/2) = ’f(2N)C(e/2) = ’f/E (2N)b
(t/2)= ’f(2N)C + ’f/E (2N)b
2NB
2a
2Nt
’f/E
’f
Gambar 3
• Amplitodo regangan total
(t/2)= (e/2) + (p/2) = ’f(2N)C + ’f/E (2N)b
• Regangan plastis
(p/2) = ’f(2N)C
• Regangan elastis
(e/2) = ’f/E (2N)b
• Manson
= (3.5Su)/EN0.12 + (f/N)
153
• Amplitudo tegangana = /2 = K’(p/2 )Dimana :
K’ adalah cyclic strength coef.,n’ = cyclic strain hardening exponent
• Kemudian:– Amplitudo plastis
(p/2) = (a/K’ )– Amplitudo elastis– (e/2) = (a/E )
• K’ diperoleh dari ’f/ (’f)n’
154
FAKTOR-FAKTOR KELELAHAN
155
FAKTOR-FAKTOR PENGARUH
– Dimensi
– Jenis beban
– Kekasaran permukaan
– perlakuan panas
– Temperatur
– Lingkungan
156
Pengaruh Dimensi• Kegagalan fatik dari material
tergantung dari interaksi antarategangan yang tinggi dengandaerah kritis. Fatik dikontrol olehbagian yang terlemah dari material,dan bagian ini bertambah seiringdengan pertambahan volumematerial.
• Pengaruh dimensi berkaitan denganlapisan tipis permukaan materialyang menerima lebih dari 95%tegangan permukaan maksimummaterial.
157
+
-
Gambar 4• Komponen yang besar akan mempunyai gradien tegangan
yang lebih rendah, sehingga lebih banyak volume materialyang menerima pembebanan yang besar, gbr. 4. Akibatnyakemungkinan terjadinya initiasi retak fatik akan lebih besar.Konsep ini didukung oleh hasil pengujian, yang menunjukanbahwa beban aksial tidak sensitif terhadap dimensi bialdibandingkan dengan beban lengkung maupun torsi, karenabeban aksial tidak menimbulkan gradien tegangan.
• Ide tentang bagian volume yang menerima konsentrasitegangan yang tinggi sangat penting didalam menganalisagradien tegangan pada suatu takik.
158
• Faktor pengaruh dimensi empiris:
• Cukr = 1,0 : bila d 0,3 in
0,869d-0,097 : bila 0,3 in d 10 in atau
• Cukr = 1,0 : bila d 8 mm
0,189d-0,097 : bila 8 mm d 250 mm,
dimana d = diamaeter komponen
• Hal-hal penting lainnya berkenaan dengan pengaruhdimensi:– Efek tersebut terlihat pada umur yang sangat panjang
– Efek tersebut kecil sampai diameter 2,0 in, baik untuk lengkungmaupun torsi
– Berkenaan dengan masalah-masalah pengerjaan padakomponen yang besar, kemungkinan terjadinya tegangan sisadan berbagai variabel metalurgi lainnya lebih besar ketimbangefek dimensi.
159
• PENGARUH BEBAN
– Rasio batas lelah (tes lengkung dan torsi)
0,6 - 0,9Se(axial) = 0,70 Se (lengkung)
– Rasio batas lelah (tes torsi dan lengkung rotasi)0,5 - 0,6 atau 0,577 sesuai teori kegagalan VonMises.
e(torsi) = 0,577 Se (lengkung)
160
• PENGERJAAN PERMUKAAN
– Goresan, bekas pengerjaan serta lubang-lubang kecil (pit) akanmenambah konsentrasi tegangan pada bagian-bagian kritis.
– Pengaruh pengerjaan permukaan pada material dengan butiryang halus dan merata (haigh strength steel)lebih kecildibandingkan dengan material yang mempunyai batas butirkasar dan tidak merata seperti besi tuang
– Beberapa hal penting berkenaan dengan pengaruh pengerjaanpermukaan:
• Kondisi permukaan akan lebih penting bagi baja dengan kekuatanyang lebih tinggi
• Tegangan sisa permukaan akibat pengerjaan mungkin menjadisangat penting
• Pada umur komponen yang pendek, dimana retak mendominasiumur komponen, kondisi permukaan kurang berpengaruh terhadapumur lelah.
• Ketidak teraturan permukaan lokal seperti bekas “stamping” dapatberlaku sebagai pusat konsentrasi tegangan, jadi tidak dapatdiabaikan
161 162
S-N Curve of automotive leaf spring materials at R = -1
200
400
600
800
10000 100000 1000000 10000000Load cycles (Nf)
Str
ess
am
plitu
de
(MP
a)
A920T480
A920T480SP1
A920T480SP2
A920T480SP3
PERLAKUAN PANAS
– Setiap perlakuan panas akan memberipengaruh yang berarti terhadap umur lelahkomponen, karena retak lelah biasanya selaludimulai dari permukaan.
– Kekuatan lelah akibat perlakukan panas sangatdipengaruhi oleh tegangan sisa yang terjadipada permukaan bendea
163
PENGARUH TEMPERATUR
• Temperatur menyebabkanperubahan sifat-sifat mekanismaterial
• Bila ada mean stress, maka materialkemungkinan akan mengalami creep
• Temperatur tinggi menyebabkanhilangnya batas lelah
• Temperatur tinggi memobilisasidislokasi dan menurunkan dayatahan fatik (fatigue resistance)
164
PENGARUH TEMPERATUR TERHADAPBATAS LELAH (N = 107) BEBERAPACARBON DAN ALLOY STEEL
ARCO IRON, AS ROLLED
2NiCrMo, dikeraskan dan temper
BS 420S37, dikeraskan, temper
BS070M26, normalizing
BS070M20, normalizing31/2 Ni, dikeraskan,temper
temperatur
0 500200 400
Batas lelah MPa
0
200
400
600
PENGARUH KOROSI (Lingkungan)
• Menurunkan kekuatan lelah, karena terjadi porositas/kekasarandan lobang-lobang pada permukaan benda.
• Bahaya paling besar karena disebabkan oleh terjadinya tegangandan korosif secara bersamaan
• Jadi bila beban siklis bekerja pada lingkungan korosif, maka strukturpasti akan gagal
• Pada lingkungan korosif, frekuensi beban menjadi faktor pentingdalam penurunan umur komponen. Makin pelan frekuensi danmakin tinggi temperatur, maka rambat retak menjadi lebih cepatdan umur konstgruksi menjadi lebih pendek, pada stress level yangsama
165
ANALISA UMUR LELAH(FATIGUE LIFE PREDICTION)
166
BAHASAN• PENDAHULUAN
• UMUR KONSTRUKSI PADA BEBAN AMPLITUDO KONSTAN
– METODA WOEHLER
– METODA PALMGREN
– METODA MANSON-COFFIN
• ANALISA UMUR KONSTRUKSI PADA BEBAN AMPLITUDO BERVARIASI (ACAK)
– PENGUKURAN BEBAN LAPANGAN
– PEMBUATAN BEBAN KOLEKTIF
– PENETUAN RASIO SIKLUS BEBAN DENGAN JARAK TEMPUH/ JAM OPERASI
– TABEL URUTAN AMPLITUDO
• PERHITUNGAN UMUR OPERASI
– METODA MINER
– MODIFIKASI MINER
167
PENDAHULUAN
• BEBAN SIKLIS MENYEBABKAN KELELAHAN PADA KONSTRUKSI
• BERBEDA DENGAN BEBAN AMPLITUDO KONSTAN, MAKA BEBANOPERASI/LAPANGAN SENANTIASA MEMPUNYAI AMPLITUDO BERVARIASI DANSERING SANGAT KOMPLEK
• MASALAH UMUR OPERASI AKAN SELALU MENJADI PERHATIAN PARAINSINYUR/ PEREKAYASA YANG MERANCANG KONSTRUKSI YANG MENERIMAPEMBEBANAN SIKLIS
• UMUR OPERASI DAPAT DIANALISA SECARA:
– ANALITIS
• BEBAN AMPLITUDO KONSTAN
• BEBAN AMPLITODO BERVARIASI (ACAK)
– EXPERIMENTAL
• BEBAN AMPLITUDO KONSTAN
• BEBAN AMPLITODO BERVARIASI (ACAK)
168
UMUR KONSTRUKSI PADA BEBANAMPLITUDO KONSTAN
• METODA WOEHLER (1870)
• METODA PALMGREN (1924)
• METODA MANSON-COFFIN (1955)
• METODA BASQUIN
• METODA MORROW (MANSON-COFFIN-BASQUIN)-(1960)
169
UMUR KONSTRUKSI PADA BEBAN AMPLITUDO KONSTAN METODA
PALMGREN
• PADA TAHUAN 1924 PALMGREN MENGHITUNG UMUROPERASI BANTALAN GLINDING DENGAN PERSAMAAN:
• L = 106(C/P)n
• DIMANA:– n = 3 UNTUK BANTALAN PELURU DAN
– n = 10/3 UNTUK BANTALAN ROL
– L = UMUR BANTALAN DALAM PUTARAN
– C = GAYA DUKUNG DINAMIS (KN) UNTUK UMUR BANTALAN 106
PUTARAN DENGAN KEMUNGKINAN RUSAK 10%
– P = BEBAN BANTALAN EQUIVALEN (KN)
170
UMUR KONSTRUKSI PADA BEBAN AMPLITUDO KONSTAN METODA
WOEHLER
• DENGAN METODA WOEHLER UMUR KONSTRUKSI DIHITUNGDENGAN PERSAMAAN:
• Ni = ND(ai/ D ) -K
•
171
LOG
ai
D
LOG NNi ND
K = 1/tg.
UMUR KONSTRUKSI PADA BEBAN AMPLITUDO KONSTAN METODA
MANSON-COFFIN-BASQUIN
• MANSON-COFFIN (1955) MENGHITUNG UMUR KONSTRUKSI YANGMENGALAMI PERUBAHAN PLASTIS DENGAN PERSAMAAN:
• (p/2) = f’(2N)C
• BASQUIN: MENGHITUNG UMUR KONSTRUKSI BERDASARKANREGANGAN ELASTIS YANG DIALAMI KOMPONEN
• (e/2) = f’/E (2N)b
• MORROW (MANSON-COFFIN-BASQUIN): MENGHITUNG UMURKONSTRUKSI BERDASARKAN REGANGAN TOTAL YANG DIALAMIOLEH KONSTRUKSI DENGAN PERSAMAAN:
• (t/2) = (p/2) + (e/2)
• (t/2)= f’(2N)C + f’/E (2N)b
172
UMUR KONSTRUKSI PADA BEBAN AMPLITUDO KONSTAN METODA
MANSON-COFFIN-BASQUIN
• DIAGRAM - N, SECARA SKEMATIS
173
(p/2) = f’(2N)C(e/2) = f’/E (2N)b
(t/2)= f’(2N)C + f’/E (2N)b
2NB
2a
2Nt
f’/E
f’
ANALISA UMUR KONSTRUKSI PADA BEBANAMPLITUDO BERVARIASI
– MATERI BAHASAN• KONDISI ALAMIAH KERUSAKAN FATIK DAN
KAITANNYA DENGAN SEJARAH PEMBEBANAN• METODA KERUSAKAN KUMULATIF PADA PERIODE
AWAL LELAH• METODA PENGHITUNGAN SIKLUS BEBAN
(COUNTING METHOD) YANG DIGUNAKAN UNTUKMENILAI KEJADIAN KERUSAKAN PADA BEBANACAK
• PERAMBATAN RETAK PADA BEBAN AMPLITUDOBERVARIASI
• METODA UNTUK PENGANALISAAN FATIK KARENABEBAN LAPANGAN
174
DEFINISI KERUSAKAN FATIK
• MEKANISME KERUSAKAN KUMULATIF PADA PERIODEAWAL RETAK BERBEDA DENGAN PERIODE RETAKBERKEMBANG
• PADA PERIODE RETAK BERKEMBANG,– Kerusakan Berkorelasi Langsung Dengan Panjang Retak
– Metoda Anlisa Telah Berkembang, Urutan Beban DikorelasikanDengan Perpanjangan Retak
– Kerusakan Dapat Dihubungkan Dengan Penomena Yang TerukurDan Terpantau
– Dalam Industri Penerbangan, Inspeksi Interval Menjadi SatuKesatuan Prosedur Dengan Desain “Damage Tolerance”
175
ç PADA PERIODE RETAK AWAL– Mekanismenya Lebih Rumit, Dan Terjadi Pada
Level “microscopic”– Dihubungksan dengan dislokasi, pita slip, retak
mikro, dll, dan ini hanya bisa diamatidialboratorium dengan peralatan yang baik.
– Oleh karenya, metoda analisa kerusakan kumulatifbersifat empiris.
– Pengujian dilakukan terhadap benda uji standaryang kecil
– Umur lelah didefinisikan sebgai terputusnya bendauji pada pengujian kelelahan.
176
METODA AKUMULASI KERUSAKAN PADAPERIODE AWAL RETAK
• METODA AKUMULASI KEUSAKAN LINIER
– DIPERKENALKAN PERTMA KALI OLEH PALMGREN (1924)UNTUK MENGHITUNG UMUR OPERASI BANTALAN GLINDING
– KEMUDIAN PADA TAHUN 1945 MINER MENGEMBANGKAN DANMEMPOPULERKAN SUATU METODA PERHITUNGAN UMURKONSTRUKSI BERDASARKAN KONSEP “KERUSAKANKUMULATIF LINIER”
– DASAR METODA MINER:
• BEBAN KOLEKTIF
• DIAGRAM S-N ATAU HAIGH
• PERSAMAAN MATEMATIS YANG MENGGAMBARKAN KERUSAKANLELAH KUMULATIF
177
TERMINOLOGI DAN KONSEP:
ç TERMINOLOGI– n/N = PERBANDINGAN SIKLUS
– DIMANA: n = JUMLAH SIKLUS PADA LEVEL TEGANGAN S
– N = UMUR LELAH PADA LEVEL TEGANGAN S
– FRAKSI KERUSAKAN Di = ni/Ni
– ANGKA KERUSAKAN D = Di = ni/Ni
– KERUSAKAN TERJADI BILA D 1
• KONSEP AKUMULASI KERUSAKAN LINIER:– FRAKSI KERUSAKAN Di YANG DIAKIBATKAN OLEH TEGANGAN Si
ADALAH SAMA DENGAN RASIO SIKLUS: ni/Ni
– CONTOH: D UNTUK 1 SIKLUS BEBAN = 1/N, DENGAN KATA LAIN 1SIKLUS BEBAN YANG BEKERJA PADA KONSTRUKSI AKAN MENGAMBIL1/N UMUR TOTAL KONSTRUKSI.
178
KONSEP MINER
179
KERUSAKAN
DNini
Nn
Nn
Nn ....
22
11
n1n2
n3
N1 N2 N3
a
Log N
a
H =Keseringan
BEBAN KOLEKTIF DIAGRAM S-N
KETERBATASAN KONSEP AKUMULASIKERUSAKAN LINIER
• KONSEP AKUMULASI KERUSAKAN LINIER MEMPUNYAI BEBERAPAKEKURANGAN POKOK, YAITU:– EFEK URUTAN AMPLITUDO TIDAK DIPERHITUNGKAN DIDALAM
MENGHITUNG UMUR KONSTRUKSI
– TIDAK BERGANTUNG PADA BESAR KECILNYA APLITUDO. DALAM HAL INITINGKAT PERTAMBAHAN(RATE) AKUMULASI KERUSAKAN TIDAKBERGANTUNG PADA LEVEL TEGANGAN
– AMPLITUDO DIBAWAH BATAS LELAH DIANGGAP TIDAK MEMBERIKERUSAKAN
180
MODIFIKASI METODA MINER
• JACOBY
• HAIBACH
• CORTEN-DOLAN
• ZENNER-LIU– MODIFIKASI OLEH JACOBY MERUPAKAN MODIFIKASI YANG PALING
SEDERHANA. JACOBY MENGGANTI NILAI S = 1 DENGAN NILAI C. DIMANA CDIPEROLEH SECARA EXPERIMENTAL DAN DIPENGARUHI OLEH MATERIAL,JENIS PENGUJIAN DAN URUTAN PEMBEBANAN. DENGAN MENGAMBIL C =0,3, YACOBY MENDAPATKAN BAHWA SEKITAR 90% UMUR OPERASI
MATERIAL ALUMINIUM TERLETAK PADA DAERAH KONSERVATIF
181
METODA HAIBACH
• HAIBACH BERANGGAPAN BAHWA AMPLITUDO DIBAWAH BATAS LELAH JUGA MEMBERIKERUSAKAN PADA MATERIAL. OLEH KARENANYA HAIBACH MEMPERPANJANG KURVEDAERAH PATAH TERUS KEBAWAH MELEWATI GARIS BATAS LELAH SAMPAI MEMOTONG
GARIS a = 0 DENGAN KEMIRINGAN (2kB-1).
182KERUSAKAN
Nini
Nn
Nn
NnD ....
22
11
a
Log NH =Keseringan
BEBAN
KOLEKTIF
DIAGRAM S-Na
k =, MINER ASLI
kB= kemiringan komponen
I II (haibach)
I: k = kB
II: k = 2kB-1
MINER-ELEMENTER
METODA CORTEN-DOLAN
• PERHITUNGAN UMUR KONSTRUKSI MERNURUT CORTEN-DOLAN JUGABERDASARKAN METODA MINER.
• PERBEDAANNYA HANYA TERLETAK PADA DIAGRAM S-N YANG DIGUNAKANUNTUK MENGHITUNG FRAKSI KERUSAKAN,DALAM HAL INI SEMUA APLITUDOBEBAN DIBAWAH BATAS LELAH JUGA MEMBERI KERUSAKAN PADA KONSTRUKSI.
• UMUR OPERASI DARI KONSTRUKSI DIHITUNG BERDASARKAN PERSAMAAN:
183
d
a
aij
ii
NN
11
1
DIMANA:
•N = SIKLUS PATAH
•N1=SIKLUS PATAH PADA LEVEL TEGANGAN TERBESAR 1
•i = RASIO RELATIF SIKLUS TEGANGAN DENGAN AMPLITUDO
RELATIF ai , TERHADAP BEBAN KOLEKTIF
•i = (1…j) JUMLAH DARI LEVEL TEGANGAN
•1/d = KEMIRINGAN DARI DIAGRAM S-N YANG FIKTIF
DIAGRAM S-N MENURUT CORTEN-DOLAN
184
LOG a
(a )1
(a )i
N1 Ni
d1d2
DIAGRAM S-N YANG SEBENARNYA
DIAGRAM S-N CORTEN-DOLAN
LOG N
(|d2| >|d1|)
k = KEMIRINGAN
KURVE S-N d = (0,7 - 1,0) k, UNTUK BAJA DENGAN
y/D = 1,2 - 1,5
d = (1 - 1,6) k, UNTUK ALUMINIUM
DENGAN y/D = 2 - 3
METODA ZENNER-LIU
• KONSEP ZENNER-LIU DIPERLIHATKAN PADA GAMBAR BERIKUT
185
HO ND
KESERINGAN H, SERTA SIKLUS PATAH log (N)
LOG a
(a)1
D
(D)* =
D/2
BEBAN KOLEKTIV
kB
k* = (kB+m)/2
m
KURVE S-NPERAMBATAN RETAK
KOMPONEN ASLI
ZENNER-LIU
METODA PERHITUNGAN SAMADENGAN MINER
KURVE S-N DIPUTAR KEARAHKURVE RAMBATAN RETAKDENGAN KEMIRINGAN k* DAN
DIMULAI DARI (a)1
BATAS LELAH PADA ZENNER-
LIUADALAH (D)* = D/2
KERUSAKAN
Nini
Nn
Nn
NnD ....
22
11
CYCLE COUNTING
• LEVEL CROSSING
• PEAK
• SIMPLE RANGE
• MARKOFF MATRIK
• RAINFLOW
186
ANALISA KERUSAKAN(DAMAGE ANALYSIS)
187
METALOGRAFI– Pengetahuan metalografi adalah pemeriksaan struktur
logam dengan menggunakan mikroskop optic (ASTM E3-80)
– Manfaat Metalografi:• Pemeriksaan rutin untuk analisa kerusakan:
– Spesimen potongan melintang atau tegak lurus terhadap sumbu utamakomponen, dapat memberikan informasi:
» Vriasi struktur dari inti sampai kepermukaan» Distribusi impuritas (pengotoran) non logam diseluruh permukaan» Kedalaman cacat permukaan» Kedalaman korosi» Ketebalan lapisan pelindung» Struktur lapisan pelindung
– Spesimen potongan memanjang sejajar dengan sumbu utama komponen,dapat memberikan informasi:
» Tingkat deformasi didalam impuritas» Drajat deformasi plastis, seperti diperlihatkan oleh distorsi butiran
» Ada tidaknya lapisan atau segregasi didalam struktur188
– Riwayat fabrikasi dan pemrosesan• Perlakuan panas:
– Homoginitas fasa temperatur tinggi– Karbida yang tidak larut– Austenit sisa– Pembesaran ukuran butiran– Dekarburisasi– Kedalaman lapisan pengerasan– Quench – crack (retak pencelupan dingin)
• Kondisi pengecoran:– Kecepatan pendinginan– Evolusi gas– Reaksi dengan cetakan– Struktur butiran– Penyusutan– Bentuk grafit didalam b esi cor
• Parameter pembentukan:– Daerah temperature fabrikasi– Garis aliran– Lipatan maupun arah (directionality)
189
• Riwayat pengoperasian– Perubahan struktur selama operasi
» Oksidasi
» Dekarburisasi
» Desingsifikasi
» Korosi
» Presipitasi
» Pertumbuhan butir
– Jenis pembebanan
» Beban berlebih statis
» Beban dinamis
» Creep
» Beban impak
– Bentuk kerusakan
» Patah ulet atau rapuh
» Retak interkristalin atau transkristalin
» Awal retak atau patahan (retak berkembang)
» Kontribusi pengaruh lingkungan misalnya korosi
190
– Pemanfaatan Mikroskop optic dapat menggambarkankeadaan struktur material logam mencakup:
• Butiran : ukuran, bentuk serta keseragaman
• Homogenitas : segregasi (mikro / makro), ketidakseragaman fasa
• Senyawa mikro : identifikasi, morphologi, distribusi(presipitasi, film, globul, disperse)
• Inklusi : type, ukuran dan distribusi
• Cacat : porositas, retak atau jenis yang lain
• Regangan : distorsi seragam atau perubahan plastissecara local
191
• Dengan ilustrai diatas, metalografi didalam kaitannyauntuk menentukan sumber kerusakan , sering kali tidakhanya memperlihatkan mekanisme kerusakan, tetapijuga memberikan informasi mengapa suatu materialtidak mampu menahan kerusakan tertentu. Karenaternyata setiap tahapan pabrikasi dan pengoperasianakan memberikan efek terhadap struktur mikromaterial.
192
FRAKTOGRAFI
• Manfaat fraktografi sangat ditentukan dari pengetahuan yangdiperoleh dalam mempelajari karakteristik suatu patahan.
• Keadaan Tegangan– Terdapat dua jenis patahan:
1. Bidang patahan yang tegak lurus terhadap tegangan tarik– Patah rapuh– Patah ulet– Patah lelah– Korosi retak tegangan
2. Bidang patahan menjalar sepanjang bidang tegangan geser maksimum– Patah ulet (benda tipis atau dekat permukaan)– Patah geser– Awal patah lelah (material murni atau relatif bebas pengotor)Patah lelah akibat beban
torsi
• Jenis dan arah tegangan pada material terlihat pada gambar 2.1
193
• Mekanisme Kerusakan/ Patah– Awal retak– Pertumbuhan retak– Penjalaran retak
• Awal retak– Cacat struktural– Cacat metalurgis– Cacat operasional– Ciri-ciri retak awal
• Arah retak awal selalu berlawanan dengan cabang-cabang retak• Jika retak saling bertemu dengan sudut 90o, maka tidak akan saling memotong
• Pertumbuhan retak– Retak awal yang berkembang menjadi retak teknis, yaitu retak yang telah dapat
dilihat dengan mata telanjang dan ukurannya kira-kira 0,5 mm– Tergantung dari: faktor-faktor mekanis dan sifat metalurgis bahan, sifat cacat
awal, ukuran dan ketebalan benda, tingkat tegangan dan jenis beban– Pertumbuhan retak dan arahnya seringkali terlihat pada permukaan benda
194
• Jenis Patahan Mekanis
– Patah ulet
– Patah getas/ rapuh
195
• Laporan Analisa Kerusakan– Kriteria
• Struktur / kerangka laporan analisa kerusakan– Ringkasan / Tinjauan Umum– Latar Belakang informasi / ringkasan kejadian /
kronologis– Analisa Kerusaskan– Kesimpulan– Rekomendasi / Saran
• Daftar Pertanyaan• Bentuk Laporan Analisa Kerusakan (ringkas)
196
197