Analisa Desain Dalam Pemilihan Material [PDF]

Citation preview

Product Design



4.1. Pemilihan Material Pemilihan material yang tepat dan pemahaman proses pemesinan adalah dua tanggung jawab terpenting seorang desainer dalam proses desain. Persyaratan utama desain dalam pemilihan material untuk suatu aplikasi khusus adalah bahwa material itu mampu memenuhi persyaratan service life pada tingkat biaya yang paling rendah.



4.1.1. Analisa persyaratan material Pemilihan sifat-sifat dan karakteristik material yang normalnya dipertimbangkan dalam desain adalah: 1. Static characteristics Contoh; strength, ductility, Young’s modulus, Poisson’s ratio, hardness, dll. 2. Fatique characteristics Contoh; corrosion fatique, constant amplitude load, fatique strength, dll. Analisa Desain Dalam Pemilihan Material



53



Product Design 3. Fracture characteristics Contoh; fracture thougness, crack instability,dll. 4. Thermal properties Contoh; coefficient of linier thermal expansion, melting and boilding point, heat transfer coefficient, specific heat, thermal conductivity, dll. 5. Manufacturing Contoh; producibility, availability, joining techniques, processing characteristics (machinability, weldability, moldability, hardenability),dll. 6. Hostile environments Contoh; moisture, temperature, ammonia,dll. 7. Anisotropy 8. Electrical, magnetic, chemical, corrosion characteristics.



Diskusi: Jelaskan maksud dari sifat-sifat material di atas, dan berikan contoh aplikasinya!



Secara umum kekuatan material memiliki 3 perbedaan elemen: 1. Static strength. Kemampuan untuk menahan beban konstan pada ambient temperatur. 2. Fatique strength. Kemampuan menahan beban dinamik pada jangka waktu tertentu. 3. Creep strength. Kemampuan menahan beban pada suhu tinggi pada waktu yang lama.



4.1.2. Kriteria pemilihan material A. Stiffness (kekakuan) Terkait dengan kemampuan material menyimpan energi deformasi. Sangat penting ketika sebuah elemen harus tetap kaku secara relatif di bawah pembebanan atau ketika elemen harus menunjukkan kefleksibelan untuk menahan beban mendadak tanpa mengalami keretakan. Contoh kriteria pemilihan material untuk kekakuan dengan syarat desain adalah berat beam yang ‘ ringan’. Pertimbangkan kasus sebuah silinder pejal (solid silinder) yang mendapat beban bending seperti gambar 4.1.



Analisa Desain Dalam Pemilihan Material



54



Product Design P







D



L Gambar 4.1. Solid cylinder in bending



Kekakuan dasar diberikan oleh persamaan PL3    48 EI



PL3  D 4   48 E   64 



(4.1)



dengan P = beban yang diberikan, L = jarak kedua tumpuan, E = modulus elastisitas, D = diameter beam,  = defleksi maksimum, I = momen inersia Selanjutnya,  4 PL3 D    3E



1/ 4



  



(4.2)



Berat solid silinder adalah, W



D 2 W  V  L  4



(4.3)



dengan V = volume dan  = berat jenis Kombinasi persamaan 4.2 dan 4.3 menghasilkan,



W 



 P L5 / 2   1/ 2 2(3 )  



1/ 2



 E1 / 2



(4.4)



Untuk kekakuan yang diberikan [P /  ], berat silinder akan minimal bila  / E1 / 2 minimal. Jadi,  / E1 / 2 adalah criteria pemilihan material.



B. Strength (Pemilihan material untuk kekuatan) Dengan kasus yang sama, persamaan tegangan untuk bending adalah  



Mc I



Analisa Desain Dalam Pemilihan Material



(4.5) 55



Product Design dimana untuk tegangan maksimum fiber, c =D/2, I = D 4 / 64 , dan bending maksimum adalah M = PL/2, kemudian  



16 PL D 3



(4.6) 1/ 3



Selanjutnya,



 16 PL  D    



(4.7)



Dengan menggunakan persamaan 4.3, berat silinder dapat ditulis, W  (4 )1 / 3 ( L5 P 2 )1 / 3 (



  2/3



)



(4.8)



Untuk berat minimum pada P dan L konstan,  / 2 / 3 harus diminimalkan. Jadi,



 / 2 / 3 adalah criteria seleksi material.



4.1.3. Material selection factors Faktor-faktor yang perlu diperhatikan dalam seleksi material dari sebuah aplikasi yang diberikan adalah: 1. Availability 2. Manufacturability 3. Repairability 4. Reliability 5. Service environment 6. Compatibility 7. Cost Faktor-faktor yang perlu dipertimbangkan dalam penetapan availability material adalah, 1. Thickness 2. Widths 3. Minimum quantities 4. Number of sources



4.1.4. Pertimbangan faktor biaya Biaya adalah factor terpenting dalam mengurangi jumlah kandidat material yang mungkin untuk sebuah tingkat pengaturan. Total biaya dari penggunaan material untuk aplikasi khusus harus dibandingkan dengan total biaya dari material alternatif dalam Analisa Desain Dalam Pemilihan Material



56



Product Design mengkahiri pilihan. Biaya dan berat dapat dimasukkan ke dalam sifat parameter (strength atau stiffness) untuk menyediakan suatu perbandingan. Pertimbangkan kembali contoh supported beam in bending. Dari persamaan 4.6. tegangan karena bending maksimum adalah,  



16 PL D 3



(4.9)



Pertimbangkan dua silinder A dan B dengan sifat sifat naterial dan luas penampang lintang yang berbeda. Untuk beban P dan panjang L yang sama, kemampuan menahan beban dari dua solid silinder dapat ditulis,



DA3 A DB3 B  16 L 16 L



(4.10)



atau DB DA



    A   B 



1/ 3



(4.11)



Menggunakan persamaan 4.3 menghasilkan,



WB DB2  B  WA DA2  A



(4.12)



atau WB   A    WA   B 



2/3



B A



(4.13)



Misalkan bahwa unit cost material A dan B adalah CA (Rp/lb) dan CB (Rp/lb). Total biaya CT solid silinder untuk menahan beban P yang sama adalah, CTA  WA x C A



dan CB  WB x CB



(4.14)



Dari persamaan 4.13, CTB   A    CTA   B 



2/3



 B CB  A CA



(4.15)







Dari persamaan 4.8 dan 4.15, dapat disimpulkan bahwa C  / 2 / 3



 adalah biaya



per unit kekuatan sebuah solid silinder dalam bending, yang sering disebut minimum-cost criterion. Dari pers. 4.4, dapat dilihat bahwa minimum-cost criterion berdasarkan











stiffness adalah C  / E1 / 2 . Tabel 4.1. menunjukkan formula untuk minimum-cost Analisa Desain Dalam Pemilihan Material



57



Product Design criterion dan optimum strength dan stiffness dari beberapa kondisi pembebanan yang berbeda. Tabel 4.1. Criteria cost minimum dan Optimum Strength and Stiffness.



Optimum Strength and Stiffness



Minimum Cost Criterion



Components



Strength Based



Strength



( /  )



Stiffness



C(  /  )



C(  / E )



Solid cilinder in torsion



C(  / 2 / 3 )



C(  / G 1 / 2 )



( 2 / 3 /  )



( G1/ 2 /  )



Solid rectangular beam in bending Thin-walled pressure vessels under internal pressure Thin wall shaf in torsion



C(  / 1 / 2 )



C(  / E 1 / 3 )



( 1/ 2 /  )



(E 1 / 3 /  )



C(  /  )



C(  / E )



( /  )



(E /  )



C(  /  )



C(  / G )



( /  )



(G /  )



Solid cylinder in tension



Stiffness Based



(E /  )



4.2. Seleksi dan Evaluasi Kandidat Material Proses ini menggunakan system rating seperti ditunjukkan pada table 4.2. Terdapat 2 persyaratan desain dan 3 faktor seleksi. Keseluruhan rating Gi, dapat dihitung dengan, Gi 



a1R1  a2 R2  a3 R3  .......... a1  a2  a3  ...........



(4.16)



Tabel 4.2. Evalusi akhir kandidat material



Material Deign Requirements a. 1 2 Candidats a1



R1



a2



R2



Material Selection Factors 3



4



a3 R3



a4 R4



5



a5



R5



Overall Ratting Gi 



a1R1  a2 R2  .... a1  a2  ......



- - Material 1 - - - Material 2 - Material 3 - - - Material 4 - - - Dimana, a = nilai absolut, G = Overall ratting, R = nilai relatif terhadap nilai tertinggi Nilai yang tinggi dari Gi menunjukkan material terbaik. Tetapi, nilai yang rendah dari persyaratan desain atau factor seleksi dapat menjadi sebuah indikasi dari material terbaik untuk suatu persyaratan khusus, misalnya biaya. Dalam contoh ini, asumsikan bahwa R5 adalah nilai relatif dari biaya, kemudian persamaan 4.16 dimodifikasi menjadi, Gi 



a1R1  a2 R2  a3 R3  a4 R4  a5 (1  R5 ) a1  a2  a3  a4  a5



Analisa Desain Dalam Pemilihan Material



(4.17)



58



Product Design Contoh soal Tabel 4.3. menunjukkan material yang digunakan untuk memproduksi landing gear cylinder seperti gambar 4.2. Sedangkan table 4.4 menunjukkan berat material dan biaya manufakturnya. Dengan mempertimbangkan kekuatan, kekakuan dan biaya , tentukan material terbaik.



Gambar 4.2. Aircraft landing gear mechanism Tabel 4.3. Sifat-sifat mekanis kandidat material Yield Stength Sy (MPa)



Density



Material



 (ton/m3)



Modulus Elastis E (GPa)



Cost C ($/ton)



Baja Karbon Tinggi Paduan Aluminium Titanium



1700 400 1100



7,7 2,7 4,5



200 71 120



650 700 5000



Tabel 4.4. Berat material untuk pembuatan komponen dan biaya manufactur



Materials Baja Karbon Tinggi Paduan Aluminium Titanium



Net Weight (lb)



Relatif cost untuk manufactur ($)



259 200 188



4710 5540 9900



Solusi Asumsi, landing gear adalah thin-walled pressure vessels under internal pressure dan factor berat untuk persyaratan desain dan factor seleksi adalah menyatu. Informasi dari table 4.1 sampai 4.3 digunakan untuk membuat table 4.5.



Analisa Desain Dalam Pemilihan Material



59



Product Design Tabel 4.5 Persyaratan desain dan factor seleksi untuk keseluruhan ratting



Deign Requirements



Material b. Candidats



Sy /  a1



R1



E/ a2



R2



Overall Ratting



Material Selection Factors C x (  / Sy ) a3



R3



Gi 



a1R1  a2R2  a3 (1  R3 ) a1  a2  a3



High Strength Steel



221



0,91



26



0,96



2,9



0,14



0,91



Aluminium Alloy



148



0,61



26



0,96



4,7



0,23



0,78



Titanium



244



1



27



1



20,5



1



0,67



Note:  Stiffness/weight ratio masih dalam batas 4%, sehingga tidak mempengaruhi keputusan pemilihan material (tidak dimasukan lagi ke dalam material selection factors) Aluminium Alloy dapat dieliminasi dari proses seleksi karena strenght/weight rationya terendah. Titanium memiliki strength/weight ratio yang tinggi dan ringan dibandingkan high strength steel, tetapi karena factor biaya secara keseluruhan high strength steel memiliki overall rating yang lebih tinggi. Analisa biaya lebih lanjut,  Net weight



Steel



259 lb



Titanium



188 lb



Saving in weight



71 lb



 Relative cost (material plus manufactur) Steel



$ 4.710



Titanium



$ 9.900



Total increase in cost



$ 5.190



Jadi, jika peningkatan factor biaya bukan factor penting dipilih titanium. Jika biaya adalah factor yang penting maka dipilih hight strength steel.



Soal 1. Sebuah komponen konstruksi mesin seperti gambar dibawah ini. Komponen dirancang untuk mendapatkan beban bending P. Komponen ini didesain untuk menahan beban yang cukup berat sehingga dituntut untuk memiliki kekuatan dan kekakuan yang tinggi untuk menghindari terjadinya difleksi berlebih



Analisa Desain Dalam Pemilihan Material



60



Product Design P



b 



a



L



Komponen ini juga dituntut memiliki berat yang ringan dan disisi lain biaya juga merupakan pertimbangan yang sangat penting. Apabila diberikan alternative material dan sifat-sifat mekanik serta unit biayanya seperti table di bawah, maka tentukan material terbaik berdasarkan overall ratting



Material Carbon Steel EMS 45 Carbon Steel AISI 1010 Titanium Carbon steel Bohler



Yield Stength Sy (MPa)



 (ton/m3)



Density



Modulus Elastis E (GPa)



Cost C ($/ton)



1700 1525 1075 750



7,7 7,7 4,5 7,7



200 210 120 180



600 450 1500 700



Soal 2. Jika pada kasus 1, komponen tersebut merupakan solid silinder yang mendapatkan beban tekan, tentukan material terbaik untuk komponen tersebut!



4.3. Analisa Desain untuk Fatigue Resistance Logam yang dikenai tegangan yang berulang-ulang akan rusak pada tegangan yang jauh lebih rendah dibanding yang dibutuhkan untuk menimbulkan perpatahan pada penerapan beban tunggal. Kegagalan yang terjadi pada keadaan beban dinamik disebut kegagalan lelah (fatigue failures). Kelelahan mengakibatkan patah yang terlihat rapuh, tanpa deformasi pada patahan tersebut. Kegagalan lelah adalah hal yang membahayakan karena terjadi tanpa petunjuk awal. Terdapat tiga factor dasar yang diperlukan agar terjadi kegagalan lelah, yaitu 1. Tegangan tarik maksimum yang cukup tinggi 2. Variasi atau fluktuasi tegangan yang cukup besar 3. Siklus penerapan tegangan cukup besar



Analisa Desain Dalam Pemilihan Material



61



Product Design Selain factor-faktor tersebut, factor lain yang juga berpengaruh adalah tegangan, korosi, suhu, dan tegangan sisa.



4.3.1. Siklus tegangan Ganbar 4.3 menggambarkan jenis-jenis siklus yang dapat menyebabkan kelelahan.



Gambar 4.3. Siklus Tegangan Lelah



Gambar 4.3 (a), menggambarkan suatu siklus tegangan lengkap yang berbentuk sinusoidal, yang merupakan keadaan ideal yang dihasilkan oleh mesin fatiq balok putar R.R. Moore dan dianggap sebagai putaran poros dengan kecepatan konstan tanpa beban lebih. Tegangan maksimun dan tegangan minimum sama besarnya. Gambar 4.3 (b) menggambarkan suatu siklus tegangan berulang, dengan tegangan maksimum  maks dan tegangan minimum  min tidak sama. Keduanya adalah tegangan tarik. Gambar 4.3 (c) menggambarkan suatu siklus tegangan yang rumit, yang mungkin terdapat pada suatu bagian tertentu, seperti pada sayap pesawat yang menerima beban berlrbih periodic yang tak terduga besarnya disebabkan oleh hembusan udara keras. Siklus tegangan berfluktuasi, terdiri dari 2 komponen; tegangan rata-rata atau tegangan tetap  m , dan tegangan bolak-balik atau tegangan beragam  a . Harus juga



Analisa Desain Dalam Pemilihan Material



62



Product Design diperhatikan daerah tegangan,  r , yaitu perbedaan aljabar antara tegangan maksimum dan tegangan minimum,



 r   maks   min



(4.18)



Besarnya tegangan bolak-balik adalah ½ dari jangkauan tegangan, a 



 r  maks   min  2 2



(4.19)



Tegangan rata-rata adalah harga rata-rata aljabar tegangan maksimum dan minimum pada siklus, m 



 maks   min 2



(4.20)



4.3.2. Kurva S - N Metode dasar dalam penyajian data kelelahan rekayasa adalah menggunakan kurva S-N, yakni pemetaan tegangan S terhadap jumlah siklus hingga terjadi kegagalan N. Skala N menggunakan skala log dan tegangan yang dipetakan dapat berupa,



Tegangan lentur hasil perhitungan (1000 Psi)



 maks ,  min atau  a . 60 50 Baja lunak



40 30



Paduan aluminium



20 10 0



105



106



107



108



109



Jumlah siklus hingga terjadi kegagalan,N



Gambar 4.4. Kurva kelelahan untuk logam besi dan bukan besi



Gambar 4.4 menunjukkan kurva S-N yang diperoleh dari uji balok putar. Dari gambar ditunjukkan bahwa jumlah siklus tegangan yang logamnya dapat bertahan sebelum mengalami kelelahan, akan bertambah jika tegangannya turun. N adalah jumlah siklus tegangan yang menyebabkan patah sempurna benda uji.



Analisa Desain Dalam Pemilihan Material



63



Product Design Hubungan antara tegangan lelah, tegangan rata-rata, tegangan bolak-balik, dan tegangan ultimate dinyatakan dalam,



   x   a   e 1   m      u  



(4.21)



dimana x = 1 untuk garis lurus (Goodman), x = 2 untuk parabola (Gerber), dan



 e adalah batas lelah untuk pembebanan balik sempurna. Tegangan bolak-balik



a e



Parabola Gerber Garis Goodman



Soderberg 0



Tekanan Tarik



 0 u Tegangan Rata-Rata  m



Gambar 4.5. Metode pemetaan garis Goodman



Jika rancangan didasarkan pada kekuatan luluh (Soderberg), maka  u diganti dengan  0 (tegangan luluh bahan). Untuk rancangan teknik biasanya teknik lebih disukai menggunakan pendekatan linier (Goodman). Contoh soal Batang baja 4340 dipengaruhi gaya aksial yang berubah-ubah dari tarikan maksimum = 75.000 lb ke tekanan minimum = 25.000 lb. Sifat mekanis material diketahui;  u  158.000 Psi ,



 0  147.000 Psi ,



 e  75.000 Psi .



Hitunglah



diameter batang baja yang berbentuk silindris, jika factor keamanan adalah 2,5. Solusi Karena batang mempunyai penampang silindris konstan = A, variasi tegangan akan seimbang dengan beban  maks  



m







75 Ksi A 



maks



 2



 min  min







 25 Ksi A



75 / A  (  25 / A ) 25  2 A



Analisa Desain Dalam Pemilihan Material



64



Product Design a 



 r  maks   min 75 / A  (25 / A) 50    2 2 2 A



Dengan menggunakan garis Goodman, x =1 diperoleh    a   e 1   m    u



  , 



50 / A 25 / A  1 30 158



,



e  A



75  30 2,5



Ksi



50 25   1,825 30 158



in 2 ,



D



4A  1,52 in 



Soal. Sebuah silinder pejal, AA6163, diameter 2 in, mendapat tegangan tarik maksimum 40 Ksi dan tegangan tarik minimum 15 Ksi. Jika tegangan ultimit bahan 160.000 Psi, tentukan tegangan lelah bahan jika mengikuti a. Garis Goodman b. Parabolik Gerber Gunakan factor keamanan 1,2.



4.3.3. Perkiraan fatique limit Dalam desain, fatique limit diberikan oleh, Sn S n  S n' CRCG Cs



(4.22)



Dimana : 



S n' = Batas statik yang diperoleh pada standard-rotating bending test



Untuk Steel, (Junivall, 1983) S n' ≈ 0.5 Su ≈ 0.25 x BHN(Ksi) ≈ 1.73 x BHN (MPa)



Untuk Aluminium Alloy, S n' ≈ 0.4 Su jika Su < 48 Ksi (330 MPa)



≈ 19 Ksi (130 MPa) jika Su > 48 Ksi (330 MPa) 



CR = Reability factor  ln( R )  =    ln(0.5) 



1/ b



(4.23)



dimana b adalah parameter pada Weibull distribution Analisa Desain Dalam Pemilihan Material



65



Product Design



S adalah tegangan bolik balik uniform pada volume material V S0 adalah tegangan bolak balik dimana R pada volume referensi adalah 0,3679



R



R adalah Reability (%), yaitu probability not fail in fatique b = 16 untuk baja



Gambar 4.6. Efek b pada distribusi Weibul komulatif  Cs = Surface factor



1.0 0.9 0.8



Surface Factor Cs



0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1



Gambar 4.7.



0



Pengaruh kondisi permukaan pada fatique limit untuk baja dengan variasi manufactur dan kekerasan



 CG = size factor or gradient factor 1/ b



V  =  0 V 



Analisa Desain Dalam Pemilihan Material



(4.24)



66



Product Design Vo = Volume referensi (volume dari tegangan material pada standar D = 0.3 in pada rotating bending test. V = Volume material pada level tegangan bolak-balik maksimum Contoh soal: Sebuah automotive engine connecting rod dari baja diforged (AISI 1040). Diketahui Su= 570 MPa. Tentukan Sn jika diketahui reability = 99,9% dan volume komponen 27 kali lebih besar dari standar specimen. Solusi S n' = 0,5 Su = 285 MPa



Cs = 0.45 (untuk Su = 570 MPa, steel forged)  ln(0,999)  CR =    ln(0.5)  1/ b



V  CG =  0  V 



1 / 16



= 0,665 1 / 16



 1  =   27 



= 0,81



Jadi, S n  S n' CRCG Cs = 285 x 0,665 x 0,81 x 0,45 = 69 MPa



Case. A high speed steel used for manufacturing twist drill bits is found experimentally to have a hardness of 480 BHN. The drills have a ground surface finish. What is an approprieate fatique limit Sn for a 2-mm diameter drill for 50 percent reability?



4.4. Analisa Desain Menggunakan Fracture Mechanics Fracture mechanics digunakan untuk menyelidiki kegagalan dari material yang rapuh dan untuk mengetahui prilaku material dan desain terhadap kegagalan karena kerapuhan dan fatigue material. Kegagalan karena patahan umumnya terjadi di bawah tegangan luluh material. Tiga kemungkinan mode terpisahnya material untuk perluasan retak karena pengaruh beban luar ditunjukkan seperti gambar 4.8. Pada mode I, retak terentang oleh tegangan tarik yang bekerja pada arah y tegak lurus pada permukaan retak. Pada mode II, atau model geser, tegangan geser bekerja



Analisa Desain Dalam Pemilihan Material



67



Product Design tegak lurus pada tepi depan retak dan dalam bidang retak itu sendiri. Pada mode III, atau model geser sejajar, tegangan geser bekerja sejajar pada tepi depan retak y



y



x



x z



Mode I : Opening



Mode II : Edge Sliding



z y



x



Mode III : Tearing



z



Gambar 4.8. Fracture modes



4.4.1. Model I tegangan dalam sebuah retakan Teori yang digunakan sebagai penyediaan panduan awal desain dan pemilihan material dengan mempertimbangkan fracture mechanic adalah linier elastic fracture mechanics (LEFM). Pada gambar 4.9. ditunjukkan sebuah plat yang dikenakan sebuah tegangan tarik  pada daerah tidak terbatas (infinite) dengan panjang crack adalah 2a. Sebuah elemen dx dy dari plat pada jarak r dari ujung crack dan pada sudut  terhadap bidang crack. Bidang-bidang tegangan yang terjadi adalah, x 



KI



y 



KI



 xy 



KI



2 r 2 r 2 r



cos



   3  1  sin sin   2 2 2



cos



   3  1  sin sin   2 2 2



sin



(4.25)



  3 cos cos 2 2 2



dimana KI disebut Stress Intensity Factor, dan terkait dengan beban, ukuran crack dan struktur geometry dari tegangan dekat ujung crack, dan dapat diformulasikan sebagai; Analisa Desain Dalam Pemilihan Material



68



Product Design



KI   a



(4.26)



Invinity



y



y



y



 xy



x r







x y x



Invinity



2a



y Gambar 4.9. Crack dalam sebuah plat tak terbatas karena beban tarik



Untuk material yang ductile, ketika tegangan normal  sama denga Sy, material menjadi tidak stabil dan deformasi plastis terjadi. Analogi yang sama dapat dipakai untuk material yang britle bahwa ketika stress-intensity factor KI mencapai crtical stressintensity factor KIC, pertumbuhan crack yang significant akan terjadi. Sehingga, seorang desainer harus menjaga nilai KI dibawah KIC dalam cara yang sama bahwa tegangan normal  adalah di bawah tegangan luluh Sy.



4.4.2. Persamaan Stress-Intensity Factor Central Through-Thickness Crack Stress - intensity factor sebuah plat dengan lebar terbatas 2b, yang terpusat , melalui panjang ketebalan crack 2a, karena pengaruh tarikan beban uniaksial seragam (gambar 4.10a) diberikan oleh persamaan



KI   a



f a / b 



(4.27)



dimana f (a/b) disebut factor koreksi, dan diberikan oleh  2a   2a  f a / b   1  0,1      26   2b 



2



Analisa Desain Dalam Pemilihan Material



(4.28)



69



Product Design σ



σ



σ



2a



a



a



2b



2b



σ



σ



a Gambar 4.10.



a



b



σ



b



c



a. Central Through-Thickness Crack b. Double-Edge Through-Thickness Crack c. Single-Edge Through-ThicknessCrack



Double-Edge Through-Thickness Crack Stress-intensity factor untuk plat sisi ganda karena tarikan beban uniaksial seragam (Gambar 4.10b) diberikan oleh persamaan (4.27), dengan factor koreksi 2



 2a   2a   2a  f a / b   1,117  0,203   1,196   1,930   26   2b   2b 



3



(4.29)



Singlee-Edge Through-Thickness Crack Persamaan (4.27) dapat juga digunakan to mencari stress-intensity factor untuk plat takik sisi tunggal (Gambar 4.10c). Fator koreksi diberikan oleh 2



3



 a   a   a   a  f a / b   1,223  0,231   10,550   21,710   30,382   26   2b   2b   2b 



4



(4.30)



Contoh soal. Gambar 4.11 adalah sebuah plat yang sangat panjang, lebar dan tipis, dikenai tekanan tarik. Jika baja tersebut mempunyai factor stress-intensity kritis KIC = 28 MPa



m , hitung tegangan tarik yang menyebabkan kegagalan. Plat baja mempunyai sebuah retakan melalui ketebalan a = 45 mm.



Analisa Desain Dalam Pemilihan Material



70



Product Design



σ b=1m



b=1m



h = 4 mm



2a



h = 4 mm



σ Gambar 4.11. Through thickness crack pada sebuah plat tak terbatas



Solusi Semasih plat panjang dan lebar, asumsikan sebuah rambatan retak di pusat plat, kemudian persamaan (4.23), dapat sedikit dimodifikasi untuk menghitung factor stressintensity kritis, KIC



K IC   maks  a



(4.31)



dimana  maks adalah tegangan kritis untuk terjadinya kegagalan,  maks 



K IC a







28 10 3 mm  x 45mm



 74,49 MPa



Soal 1.



a , 2t dimana a = kedalaman cacat, t adalah tebal plat. Bila a = 5 mm dan tebal plat 1,27 cm, dan bahan yang digunakan adalah paduan aluminium 7075-T6 (KIC =2 MPa m ), tentukan apakah pelat cukup kuat untuk menahan beban sebesar 175 Mpa. Intensitas tegangan untuk cacat yang tidak tembus adalah K    a sec



Soal 2. Figure below shows part of an aircraft engine bracket that is subjected maximum tensile force of 20 KN. It is routinely examined by an ultrasonic NDC method that is capable of detecting cracks of length greater than 2 mm.



4 mm 20 KN



40 mm



Analisa Desain Dalam Pemilihan Material



20 KN



71



Product Design The material has a fracture toughness KIC = 30 MPa (m)1/2. Is this testing method adequate? If so, what is the safety factor against fracture when the plat has an edge crack of length 2 mm?



4.5. Desain dengan Material Semasih penyeleksian material adalah bagian dari desain, desainer harus menyadari dan mengetahui jenis-jenis material dan kebaikan dan keburukannya , dan keterbatasan desain. Tabel 4.6. menunjukkan keterbatasan desain sifat-sifat material. Tabel 4.6. Keterbatasan desain sifat-sifat material Material



Kebaikan



Keburukan



Metals High E, KIC Low Sy



Stiff (E  100 Gpa) Ductile (cf  20%)  formable Tough (KIC >50 Mpa m1/2) High MP (Tm  10000C) T-shock ( Ti  50000C)



Yield (pure, Sy  1Mpa)  alloy Hardness (H  3Sy)  alloy Fatigue strength (Se =1/2 Sy) Corrosion resistant  coating



Ceramic High E, Sy Low KIC



Stiff (E  200 Gpa) Very high yield, hardness (Sy>3 Gpa) High MP (Tm  2000C) Corrosion resistant Moderate density



Very low toughness (KIC  2 MPa m1/2)



Polymers Adequate, Sy, KIC Low E



Ductile and formable Corrosion resistant Low density



Low stiffnes (E  2 Gpa) Yield (Sy = 2 – 100 Mpa) Toughness often low (1 Mpa m1/2)



Composites High E, Sy, KIC But cost



Stiff (E >50 Gpa) Strong (Sy  200 Mpa) Tough (KIC >20 Mpa m1/2) Fatigue resistant Corrosion resistant Low density



Formanility Cost Creep (polymer matrics)



T-shock ( Ti  2000C) Formability  powder methods



Komposit menawarkan sifat-sifat yang impresif dan dapat digunakan dalam banyak aplikasi desain. Tetapi biasa dan masalah-masalah yang terkait dengan manufacture struktur komposit masih menjadi permasalaham yang perlu dicarikan jalan keluarnya. Polymer mempunyai toughness yang rendah , tetapi digunakan dalam banyak aplikasi karena hambatan korosinya yang tinggi dan mempunyai koefidien gesekan yang rendah. Keramik memegang peranan penting sebagai tool dan material cetakan. Keramik memeliki kekerasan tertinggi dari semua material padat. Seperti contoh, corundum Analisa Desain Dalam Pemilihan Material



72



Product Design (Al2O3), silicon carbide (SiC), dan diamond digunakan untuk memotong, menggerinda, dan menggosok berbagai jenis material. Tabel 4.6 menunjukkan bahwa metal mempunyai kekerasan yang lebih rendah dibandingkan keramik. Tetapi keramik memiliki toughness yang rendah karena kebritelannya. Selanjutnya, keramik selalu mengandung cacat permukaan kecil. Sehingga, kekuatan desain untuk keramik ditentukan oleh fracture toughness-nya dan oleh ukuran crack yang ada sebelumnya. Jika ukuran terpanjang cacat diketahui 2a diketahui, dari persamaan (4.27), fracture toughness KIC dari sebuah keramik dapat ditentukan oleh,



K IC   maks a



(4.32)



dimana  maks adalah kekuatan tarik dari keramik.



4.6. Pertimbangan Residual (Internal) Stress Tegangan dalam merupakan keseimbangan tegangan yang tinbul dengan sendirinya yang ada dalam sebuah bodi tanpa adanya pengaruh gaya luar. Keseimbangan natural dari residual stress berarti bahwa resultan gaya dan resultan momen yang diproduksi tegangan ini harus nol. Terdapat 2 jenis residual stress, 1. Macro residual stress Sebuah system tegangan dalam yang bervariasi secara kontinu melalui volume bahan dan bekerja pada daerah yang luas. 2. Micro residual stress Dibatasi pada daerah sekecil sel dan mungkin meluas sejauh beberapa butir.



4.5.1. Sumber residual stress Ada beberapa sumber residual stress, seperti 1. Proses pembentukkan logam 2. Proses pengelasan 3. Proses manufaktur atau machining 4. Perlakuan panas Contoh. 1. Proses Roll Analisa Desain Dalam Pemilihan Material



73



Product Design



(a)



Gambar 4.12.



Compression



Tension



Residual stress pada proses roll a. Proses roll. b. Patern tegangan sisa pada pengerolan plat



(b)







aliran plastis terjadi dekat permukaan yang kontak dengan roller







serat pusat menahan permukaan luar untuk retak







serat permukaan cenderung memanjangkan serat pusat







menghasilkan tegangan sisa pada plat, tekanan pada permukaan dan tarikan pada pusat



2. Proses ekstrusi 



Serat lebih luar kecepatannya lebih rendah daripada serat lebih dalam







Menghasilkan tegangan tarik pada serat luar dan tegangan tekan pada bagian dalam Chamber



Die Extruded material



Ram



Keterangan



(a)



(a). Proses ekstrusi Billet (Undeformed material)



(b)



(b). Pola material sebelum ekstrusi (c)



Compression



O



Tension



(d)



(c). Pola material setelah ekstrusi



(d). Pola tegangan sisa (residual stress) pada proses ekstrusi



Gambar 4.13. Residual stress pada proses ekstrusi



Analisa Desain Dalam Pemilihan Material



74



Product Design 3. Proses heat treatment 



Selama pendinginan kecepatan pendinginan pada bagian luar lebih cepat daripada bagian dalam. Terdapat kontraksi yang lebih pada serat luar daripada serat dalam.







Hal ini menyebabkan tegangan tekan pada serat pusat dan tegangan tarik pada serat luar







Tekanan deformasi pada serat pusat menghasilkan penyusutan pada pusat balok (gambar 4.14c)







Bila pendinginan sudah pada keseluruhan balok, total penyusutan serat pusat lebih besar daripada serat luar, sehingga menghasilkan tegangan tekan pada permukaan lebih luar dan tegangan tarik pada permukaan lebih dalam (gambar 4.14d)







 + +



(a)



(b)



+ -



(c)



(d)



Gambar 4.14. Evaluasi tegangan sisa selama proses quinching



4.5.2. Akibat tegangan sisa Ketika komponen mekanik dikenakan beban luar, material berprilaku dalam sebuah cara yang dipengaruhi oleh tegangan total yang dikenakan pada material. Oleh karena itu pertimbangan tegangan dalam sangat memegang peranan penting dalam perencanaan untuk mencegah terjadinya kegagalan. Contoh 



Sebuah balok A96061-T6 Aluminium telah diforging panas dan diquenching. Terdapat sebuah tegangan sisa dalam balok seperti gambar 4.15



Analisa Desain Dalam Pemilihan Material



75



Product Design 



Jika kekuatan luluh balok, Sy = 40 Kpsi dan balok dikenakan beban tarik 50.000 lb, tetapkan factor keamanan untuk yield?



b



b’



-



50.000Psi



+



a



a’



2’’ -



1’’



b



b’



a



a’ 18.000 Psi 18.000 Psi



Gambar 4.15. Forging panas dan quenching aluminium hitam



Solusi 



Tegangan karena beban ,   







Faktor keamana tanpa tegangan sisa, n n







F 50.000   25.000 Psi A 2 x1



Sy 40   1,6  25



Tegangan karena beban dan tegangan sisa pada pusat balok,  c



 c  25.000  18.000  43.000 Psi 



 Sy 



Faktor keamanan dengan memperhitungkan tegangan sisa, n



n



Sy 40   0,93  c 43



 Sangat berbahaya jika tidak memperhitungkan tegangan sisa, karena dari contoh di



atas tegangan sisa bisa menimbulkan kegagalan dari sebuah perencanaan elemen, karena menghasilkan factor keamanan yang kurang dari 1.



Analisa Desain Dalam Pemilihan Material



76



Product Design 4.6. Pertimbangan korosi Korosi merupakan penurunan mutu logam karena interaksi elektrokimia dengan lingkungannya. Korosi mempunyai dua aspek penting, yaitu dari segi biaya korosi sangatlah mahal dan dari segi keamanan korosi merupakan ancaman yang sangat serius. Jenis-jenis korosi 1. Korosi galvanik Setiap logam mempunyai kemampuan untuk berprilaku sebagai anode atau katode. Perbedaan potensial antara dua logam yang tidak sejenis menyebabkan korosi galvanic. Terdapat dua cara meminimalkan korosi galvanic yaitu menggunakan logam yang dekat dalam deret galvanic dan mengisolasi logam yang berbeda satu sama lain. 2. Korosi Atmosphere Korosi atmosphire dapat didifinisikan sebagai penurunan mutu material ketika berinteraksi dengan udara dan unsur –unsur yang dikandungnya. 3. Korosi intergranular Korosi intergranular terjadi bila batas butir terserang akibat adanya endapan di dalamnya. 4. Korosi batas butir Disebabkan karena ketidaksesuaian struktur kristal sehingga atom-atom secara termodinamik kurang mantap dibandingkan atom-atom pada kisi sempurna dan mempunyai kecenderungan yang lebih besar untuk terkorosi. Dan masih banyak lagi jenis korosi yang lain. Antisipasi dalam perencanaan terhadap korosi sangatlah diperlukan. Perlu dipertimbangkan bagaimana sifat berbagai logam terhadap korosi pada lingkungan kerja yang berbeda-beda sehingga dapat dilakukan pencegahan atau meminimalkan efek akibat korosi ini. Pengukuran Laju Korosi Salah satu cara yang dipakai untuk mendeteksi laju korosi adalah dengan membandingkan berat material sebelum dan sesudah terserang korosi. Salah satu pendekatan yang sering dipakai adalah menggunakan persamaan (N Syamsul Hadi, 1995): Laju Korosi (mpy ) 



534 x Wlos AxT



Analisa Desain Dalam Pemilihan Material



(4.30)



77



Product Design dengan: Wlos



= Selisih berat sebelum dan setelah korosi (gr)



A



= Luas permukaan spesimen yang kontak dengan lingkungan (in2)







= Masa jenis spesimen [gr/in3]



T



= Waktu korosi [tahun]



534



= Konversi satuan mpy (millimeter per year, dimana 1 mpy = seperseribu in per year)



TUGAS 1. Buatlah kelompok dengan anggota 3-5 orang. 2. Buatlah sebuah paper dengan materi, hubugan aplikasi suatu produk dengan pemilihan material, dan proses pembuatannya. 3. Materi dicari di internet dan jurnal. 4. Paper dipresentaskan oleh salah satu anggota kelompok.



Analisa Desain Dalam Pemilihan Material



78