ILTEK,Volume 6, Nomor 12, Oktober 2011
FAKTOR PERPATAHAN & KELELAHAN PADA KEKUATAN BAHAN MATERIAL Kaharuddin Adam Dosen Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Univ. Islam Makassar ABSTRAK Dalam aplikasi keteknikan, kemampuan untuk menentukan suatu perpatahan bahan tergantung pada beban maksimum yang dapat diterima oleh suatu konstruksi.Dalam mendesai pada suatu batang, perlu diperhatikan faktor perpatahan & kelelahan suatu material. Perlu juga diperhatikan sifat bahan baja tahan karat, apakah sifatnya tahan korosi, kekuatan & keuletan tinggi & kandung Cr tinggi. Adapun Masalah bagaimana mengetahui faktor perpatahan & kelelahan pada kekuatan bahan material. Perpatahan merupakan suatu bagian bahan yang terpisah akibat beban yang diberikan sehingga pembentukan retak dibawah konduksi siklus tegang & regangan. Kelelahan adalah pertumbuhan inti & pertumbuhan akibat retakan tetapi tidak menyebarkan retakan. Kegagalan dapat diartikan kerusakan yang tak wajar, rusak sebelum waktunya. Kata Kunci: Perpatahan, Kelelahan PENDAHULUAN TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Sejarah Perkembangan Mekanika Perpatahan - Abad 15. Leonardo Da Vinci a. Tes kekuatan pada kabel besi dengan panjang berbeda. b. Kekuatan berbanding terbalik proporsional dengan volume bahan - Abad 19. Cauchy Hubungan tegangan-regangan pada kondisi istimewa & konsentrasi tegangan. - 1922 - Teori Perpatahan Griffith Ubungan kuantitatif pertama antara kekuatan bahan / material dengan ukuran retak.
1.1. Latar Belakang Untuk mengetahui perkembangan ilmu pengetauan & teknologi yang semakin canggih pada pihak yang mempunyai kualitas dalam meningkatkan mutu produksi, tingkat kestabilan & kekakuan bahan produksi dari segi penggunaan bahan adalah akibat perpatahan dan kelelahan pada konstruksinya, bila beban tersbut menerima beban. Pada semua konstruksi teknik, bagian-bagian pelengkap suatu bangunan konstruksi haruslah diberi ukuran-ukuran fisik, hal ini harus di ukur dengan tepat untuk menahan gaya-gaya yang sesungguhnya. Jadi suatu bahan haruslah berukuran yang cukup memadai, sehingga bagian-bagian suatu material / bahan harus cukup tegar seingga tidak akan melentur atau melengkung melebihi batas yang diizinkan bila bekerja dibawah beban yang diberikan. Dalam aplikasi keteknikan, kemampuan untuk menentukan suatu perpatahan bahan tergantung pada beban maksimum yang dapat diterima oleh suatu konstruksi. Dalam mendesai pada suatu batang, perlu diperhatikan faktor perpatahan & kelelahan suatu material. Perlu juga diperhatikan sifat bahan baja tahan karat, apakah sifatnya tahan korosi, kekuatan & keuletan tinggi & kandung Cr tinggi.
2.2. a. Teori Perpatahan / Kelelahan Menggunakan persamaan matematika Inggris, untuk konsentrasi tegang, seperti halnya kaca dimana energy permukaan yang dihancurkanoleh pembentukan permukaan retak baru adalah setara dengan ketahanan pertumbuhan retak. Retak adalah suatu tarikan Ellips dengan sumbu panjang a agak besar (panjang retak) & sumbu pendek b adalah hal (o) Jari-jari kelengkunagn pada ujung retak adalah hal (o). nom
1.2. Rumusan Masalah Bagaimana mengetahui faktor perpatahan & kelelahan pada kekuatan bahan material. 2b
1.3. Batasan Masalah Bagaimana ketahanan terhadap kekuatan bahan akibat perpatahan kelelahan.
nom
1.4. Tujuan Untuk mengetahui pengaruh besarnya kekuatan bahan terhdap perpatahan & kelelahan.
-
Tarikan Ellips
899
ILTEK,Volume 6, Nomor 12, Oktober 2011 4. Kekerasan / Hardness, ketahanan bahan terhadap penetrasi pada permukaannya. 5. Ketangguhan / lougness, jumlah energy yang mampu diserap bahan sampai terjadi perpatahan. 6. Mulur / Creep 7. Kelelahan / Fatique, ketahanan bahan terhadap pembenanan dinamik. 8. Patahan / failure
nom 2a
-
Konsep Tegangan / Stress & Regangan / Starin
nom beban Tarik Retak
2.b. Teori Kelelahan
beban Tekan
Akibat gesekan poros dengan benturan yang kuran diperhatikan atau mengalami siklus teganganregangan, sehingga terjadi kerusakan yang permanen. 2.c. Teori Retak Aliran tegangan sekitar tarikan &retak pembebanan melintang terhadap sumbu utama. 1. Tarikan - Konsentrasi tegang (Kt) = nom ( 1 + 2 (a / Rmin) ½ - Rmin adalah jari-jari kelengkungan ujung sumbu utama.
beban Geser
PERPATAHAN Patah lelah (fatique) merupakan sala satu penyebab utama kegagalan bahan / material konstruksi. Kelelahan material adalah proses perubahan dinais (tegangan-regangan) sehingga terjadi retak (crack) ataupun patah. Mekanisme patah lelah di awali timbulnya inti retak akibat pergerakan dislokasi siklik, dilanjutkan dengan pertumbuhan menjadi micro crack, kemudian tumbuh menjadi macro crack, selanjutnya berkembang (propagasi) ingga terjadi patah lelah. Umur lelah dapat ditingkatkan dengan cara normalizing / pengarbonan ulang, selanjutnya terhadap specimen ini dilakukan normalizing ulang & dilanjutkan material yang tidak dinormalizing awal sehinggat tidak diperoleh perbedaan yang signifikan. Normalizing ulang juga menyebabkan butir material lebih peka terhadap patah.
2. Retak - Faktor inensitas tegangan (K) K = nom ( .a)1/2 3. Tujuan Teknologi Mekanika Perpatahan a. Perkembangan metode prediksi & peritungan dari seberapa cepat retak akan tumbuh & seberapa cepat kekuatab sisa akan menurun. b. Kekhususan 1.Seberapa kekuatan tegangan sebagai fungsi ukuran retak. 2.Seberapa ukuran retak dapat di toleransikan pada beban kerja (ukuran kerja kritis). 3.Seberapa panjang retak tumbuh dari suatu ukuran awal tertentu terhadap suatu ukuran kritis. 4.Seberapa ukuran serabut yang diiznkan ketika structural mulai digunakan, 5.Seberapa sering struktur tersebut diinspeksi. 4. Sifat Mekanika Material / bahan dalam penggunaanya dikenakan gaya atau beban, karena itu perlu diketahui karakter material agatr deformasi yang terjadi kerusakan atau patah. - Karakter material / bahan tergantung pada : 1. Komposisi kimia 2. Struktur mikro 3. Sifat material, sifat mekanik, sifat fisik & kimia. - Kekuatan / Strength 1. Ukuran besar gaya yang diperlukan untuk mematahkan atau merusak suatu bahan. 2. Kekuatan luluh / yeld strength, kekuatan bahan terhadap deformasi awal. 3. Kekuatan tarik / fensile strength, kekuatan maksimum / ductility, berhubungan besar Regangan sebelum perpatahan.
B
C
Percobaan & diakhiri dengan dapat didahului oleh deformasi plastik, maka disebut perpatahan ulet, bila deformasi plastik di sebut perpatahan rapuh. Keuletan relatif dapat ditentukan dari: 1. Pengukuran keuletan (dengan mengukur % perpanjangan atau % penyusutan penampang) 2. Jumlah energy yang diserap pada percobaan Impack /pukul. Pada suhu rendah, retak dapat merambat lebih cepat daripada terjadinya deformasi plastik, berarti energy yang diserap sedikit. Baja dibebani secara perlahanlahan dapat patah ulet & patah rapuh pada impack (beban kejut). 900
ILTEK,Volume 6, Nomor 12, Oktober 2011 -
Kelelahan terjadi pada Turbin daya & peralatan mekanik lainnya yang tadinya digunakan dengan cukup memuaskan untuk jangka waktu lama, logam lelah dapat patah karena kelelahan, diketahui bahwa perpatahan terjadi karena pergerakan mikro struktur yang terlokalisir menyebabkan perambatan retak. Pada tahap permulaan tumbuhnya retak terlihat terjadinya slip mikroskopis & slip tak mampu balik didalam butir-butir. Terjadinya penurunan keuletan secara bertahap pada bidang skip yang menyebabkan terbentuknya retak microskopik.
4. Patah Mulur Sifat untuk meregang bila di bebani, regangan ini terjadi suhu yang tinggi & tegangan yang lebih rendah dari pada tegangan luluh, sehingga terjadi perubahan bentuk plastik & kemudian patah, hal ini disebut mulur. Reg D2/2
D
patah mulur Muka mulur III
C Muka mulur II B
Slip
A Muka Mulur I \ Reg elastic –plastik pd pembebanan wkt(dtk) Gambar : Kurva Mulur
3.1. Perpatahan Kelingan
KELELAHAN / FATIQUE Kelelahan merupakan suatu kegagalan lelah terjadi ketika sebuh bahan telah mengalami silus tegangan & regngan yang menghasilkan kerusakan yang permanan, juga dapat terjadi dibawah atau diatas tegangan luluh. Kegagalan lelah pada umumnya meliputi pertumbuhan inti dan penebaran dari sebuah retak. 4.1. Penyebab Kelelahan - Kelelaan yang dikontrol oleh tegangan. 1. Lengkung rotasi (rotating bending) 2. Getaran (vibration) 3. Penekanan(presuriation) 4. Kontak Gelinding (Rolling Contacts) - Kelelahan yang dikontrol oleh regangan. 1. Siklus (thermal Cyclus) 2. Tarikan besar (secerv notehes) 3. Terbuka / Tertutup (opened / closed) Umur lelah / fatique life, biasanya 107 siklus perkiraan dari jumlah siklus yang dialami oleh suatu piston mobil dari 100.000 mil (~ 330.000 ). Pengukuran Kelelahan diperoleh dari : 1. Struktur presisi (smooth) dan bertekuk (notehead) a. Kelelahan meiputi pertumbuhan inti & penyebaran retakan (prpogation of crack). b. Karateristik dengan umur lelah T - S (Tegangan – Siklus, S-N) atau R – S (Regangan Siklus, − ). c. Takikan mengkonsentrasikan tegangan & regangan. 2. Struktur Retak. a. Kelelahan meliputi penyebarab retak b. Karateristik dengan laju pertumbuhan retak lelah (fatique, crack growth rate) Tujuan untuk memprediksi umur lela atau siklus pembebanan maksimum untuk menentukan umur yang tidak terbatas (infinite life).
Kadang-kadang pengelingan tidak terjadi atau mengalami geseran terjai tegangan tarik tetapi justru terjadi perpatahan.
F
F
Tahanan yang diinginkan oleh paku keeling dikenal sebagai tahanan patah. 3.2. Patahan Sambungan Las Patahan terjadi akibat sambungan yang tidak sesuai dengan lasan. Ciri-ciri patahan 1. Patah Ulet a. Terlihat adanya deformasi plastik yang cukup banyak, seperti deformasi slip & kembar. b. Butir-butir Kristal bentuk memanjng karena adanya regangan geser. c. Penampang lintang dari benda mengecil & untuk baja dimana muka patahnya berwarna ke abu-abuan. d. Patah ulet akibatnya bahan mendapat beban melebihi kekuatan pada uji tarik akibat penampangnya tidak cukup luas karena danya cacat dalam sambungan las yang tidak baik. 2. Patah Getas Patah getas terjadi saat yang tidak dapat diduga, baik pada waktu pembuatan maupun waktu sesudah selesai pembuatan dengan beban lebih rendah dari pada batas luluh bahan. Patahnya Tegak lurus terhadap arah tegangan tarik dengan permukaan patahan yang mengkilap, hal ini patahan terjadi pada permukaan Kristal & tampaknya adanya garisgaris halus. 3. Patah Fatik / Ketahanan Patah akibat tegangan berulang yang besarnya dibawah tegangan yang dibolehkan, gejala patah akibat beban luar yang berulang & perubahan bentuk yang berulang.
4.2. Deformasi / Perubahan -
901
Deformasi Elastis Pada pembebanan rendah dalam uji tarik hubungan antara tegangan & regangan linier deformasi
ILTEK,Volume 6, Nomor 12, Oktober 2011 elastic, dimana hubungan tersebut masih dalam daerah deformasi elastic, dikenal sebagai hokum Hooke, deformasi yang mempunyai hubungan tegangan & regangan linier (proposional) disebut deformasi elastis. Hubungan tegangan geser & regangan geser dinyatakan dengan: =
Dimana:
-
b.Adanya tarikan. 2. Kesalahan dalam pemilihan material / bahan a. Data material yang tidak mencukupi, misalnya hanya data uji tarik, padahal bebannya dinamik akan terjadi fatiquem dst. b. Kriteria pemilihan material. Kaitan antara beban / tegangan & suhu operasi dengan mekanisme kegagalan serta criteria pemilihan material. 3. Cacat Material a. Cacat dipermukaan & didalam material akan menurunkan kekuatannya. b. Cacat pengecoran: Inklusi, porosititas, rongga, retak penysutan, dst. c. Cacat pengerolan / tampa: Segresi, Laminasi, oksida didekat permukaan, dst. 4. Kesalahan dalam proses pengerjaan a. Proses Farming, dapat menimbulkan tegangan sisa, retak mikro, dst. b. Machining & Grinding juga menimbulkan tegangan sisa & pemusatan tegangan akibat kekasaran permukaan. c. Gridning (asah / yang berlebihan sampai kelewat panas, dapay menyebabkan retak pada permukaan. d. Penandanaan dapat menimbulkan ppemutusan tegangan. e. Pemanas hanya dapat menyebabkan baja menjadi lunak (dekorborasi), penyimpangan (distorsi) & bahkan retak poros cukup cepat. f. Plast listrik dapat menyebabkan penggetasan hydrogen. g. Pengelasan dapat meninggalkan cacat-cacat pengelasan al : proditas, inklusi, retak tegangan sisa, peka pada baja tahan karat, dst. 5. Kesalahan dalam pemasangan / perekatan a. Kesalaan dalam pemasangan, seperti halnya kelurusan akan menimbulkan beban yang berlebihan. b. Begitu pula dengan pemakssan dalam perakitan. 6. Kesalahan operasi a. Kondisi operasi yang tidak normal / berlebihan, missal: beban, kecepatan, suhu, akan merusakn peralatan. b. Bila lingkungan lebih korosif yang diduga sebelumnya. c. Perawatan yang kurang d. Prosedur start-up & shect-down yang salah. - Retakan biasanya dikelompokkan atas cirriciri mikroskopis, al: a. Patah ulet ( Ductile Frecture) Patah ulet disertai adanya deformasi plastis disekitar patahan. Permukaan patahan Nampak berserabut (Sibraus), sehingga kelihatannya berusaha kelabu. b. Patah getas (Brittle Fracture) Patah getas menjalar dengan kecepatan tinggi daripada patah ulet. Patah getas hamper tidak disertai dengan deformasi plastis. Permukaan patah getas kelihatan
.
= tegangan geser =Regangan geser G=modulus geser Deformasi Plastis Untuk material logam, umumnya deformasi elastis terjadi <0.05 regangan, bila regangan >0.005 terjadi deformasi plastis (deformasi permanen).
4.3. A. Keuletan (dictilusy) Keuletan = derajat deformasi plastis terjadinya patah, dimana keuletan nyatakan dengan: - Presentase & longasi % EI = (Li-L0) / L0 x 100% - Presentase reduksi Area % AR = (A0AI) / Ao x 100 % B. Kelelahan dalam Logam Deformasi plastis terjadi pada butir-butir orientasi yang sesuai, meskipun dibawah batas elastis. Pada logam murni, dimana langkah slip ekstrusi mengawali terjadinya retakan (memerlukan banyak siklus). Pada logam komersial, dimana akumulasi regangan plastis menumbuhkan inti retakan kecil ditempat inklusi (memerlukan sedikit siklus). Dimana, sebuah retak dapat menumbuhkan inti tetapi tidak menyebarkan retakan. C. Analisa untuk menentukan penyebab kegagalan Suatu komponen atau peralatan dikatakan kesalahan jika: 1. Sama sekali tidak dapat dioperasikan 2. Dapat dioperasikan, tetapi tidak berfungsi dengan baik. 3. Ada kerusakan, tetapi tidak aman bila dioperasikan. Kegagalan dapat diartikan kerusakan yang tidak wajar, rusak sebelum waktunya U (st.37) =
(tegangan maksimum)
9i design 4i
=
( tegangan linier)
D. Penyebab utama kegagalan / kesalahan 1. Kesalahan dalam perencanaan / design. a.Operasi yang sebenarnya, antara lain: beban, lingkungan, suhu operasi, dsb. 902
ILTEK,Volume 6, Nomor 12, Oktober 2011 mengkilap, berbutir (gramular) & relatif rata.
tegangan bila bekerja pada lingkungan yang mengandung mitra pekat yang panas atau larutan Na OH. Baja berkekuatan tinggi juga peka terhadap korosi tegangan, begitu juga kuningan pada lingkungan yang tercemar dengan amoniak. e. Penggetasan Baja berkekuatan tinggi peka terhadap penggetasan. Atom-atom hydrogen yang tadinya intersisi dapat bertemu & berkumpul membentuk melokul gas hydrogen. Akibat tidak tersediannya ruang cukup gas tersbut akan bertekanan tinggi sekali & mendesak baja hingga patah getas. Masuknya hydrogen kedalam baja ini dapat terjadi pada proses pengerjaan, misalnya pengelasan, Electro plating, ataupun banyak hidrogennya. f. Mulur Peristiwa mukur ini terjadi bila komponen bekerja pada suhu tinggi, yaitu diatas 0.4 atau 0.5 titik cairnya dalam suhu oK. Mulur ini adalah deformasi yang berjalan dengan waktu. Oleh karena itu mulur ditandai dengan adanya deformasi yang cukup besar. g. Retak dengan modus gabungan Patahan juga terjadi pada gabungan dari dua modus. Contoh: Peristiwa patah lelah yang berawal dari lokasi yang terkorosi. Tempat yang terserang Korosi akan mengalami pemuratan tegangan. Retak lelah akan berawal dari bagian retak kemudian menjalar.
awal
Retakan Gambar: Permukaan Patah Getas
Patah getas dapat mengikuti batas butir ataupun memotong butir. Bila retakannya mengikuti batas butir maka disebut patah getas Integramular, bila retaknya memotong butir, maka dinamai patah getas Transgramular. Patah getas Transgramular dapat terjadi pada baja karbon rendah pada suhu operasi yang sangat rendah. Inti Tergramlor ` Transgramlor
c. Patah Lelah (Fatique Farcture) Beban yang berubah-ubah atau berulang-ulang dapat mengakibatkan patah lelah berawal dari lokasi yang mengalami pemuasatan tegangan, misalnya akibat adanya cacat tarikan. Tegangan setempat akan tinggi, bahkan melampaui batas luluh material. Akibatnya ditemapt itu akan terjadi deformasi pastos dalam skala mikroskopis. Tegangan yang berfluktuari akan menyebabkan terjadinya skip antara bidang-bidang atomnya. Dari lokasi tersebut akan berawal retak lelah yang selanjutnya merambat. Perambatan retak sejalan dengan pembebanan yang berfluktuasi. Bila retak lelah ini telah jauh merambat, sehingga luas penampang yang tersisa tidak lagi dapat mendukung beban, maka komponen akan patah.
KESIMPULAN & SARAN 5.1 Kesimpulan 1. Perpatahan merupakan suatu bagian bahan yang terpisah akibat beban yang diberikan sehingga pembentukan retak dibawah konduksi siklus tegang & regangan. 2. Kelelahan adalah pertumbuhan inti & pertumbuhan akibat retakan tetapi tidak menyebarkan retakan. 3. Kegagalan dapat diartikan kerusakan yang tak wajar, rusak sebelum waktunya. 5.2 Saran-saran 1. Disarankan agar supaya bahan yang digunakan untuk ketahanan suatu beban perlu diperhatikan faktor kandungan dalam karbon. 2. Agar suapaya jangan terjadi kegagalan perlu dilakukan analisa kegagalan.
Inti retak Garis Pantau
Patah Statis
DAFTAR PUSTAKA 1. Colangelo, VJ, Heiser, FA, 1974, Analisis Metalurgi Failure, John Wiley & Son, USA. 2. Adwards, Wanhill, 2001, Fractures Mechanic, John Wiley & Son, London, 3. Sunallman RE, ahli bahasa, Djapril Srtiati, Metalurgi Fisik Modern, Gramedia, Pustaka Utama, Jakarta, 1985. 4. Dieter, ahli bahasa, Djapril Sriati, 1989, Metalurgi Mekanik, jilid I & II, Erlangga, Jakarta.
Gambar: Permukaan Patah Lelah
d. Retak Korosi Tegangan Peristiwa retak Korosi tegangan adalah gabungan antara tegangan tarik dengan pengaruh lingkungan, kebanyakan retakannya mengikuti batas utir sehingga berupa retakan. Integramlor. Hal ini sering kali terjadi pada paduan Al – Zn – Mg. baja konstruksi pun juga dapat mengalami retak korosi 903
ILTEK,Volume 6, Nomor 12, Oktober 2011
904
