Laporan Uji Fatigue [PDF]

Citation preview

Laporan Praktikum Laboratorium Teknik Material 1 Modul E Uji Lelah



Oleh:



Nama



: Athiya Fathinati Anindya



NIM



: 13712023



Kelompok



:3



Anggota (NIM) : Sigit Prasetyo



(13711002)



Il Rahma Pradira Gesari



(13711011)



Calvin Ambrio Daniswara



(13712027)



Abdurrahman Alghani



(13712034)



Satria Rusdiputra



(13712048)



Tanggal Praktikum



: 10 Maret 2014



Tanggal Penyerahan Laporan : 13 Maret 2014 Nama Asisten (NIM)



: Mahendra Riyandi (13710008)



Laboratorium Metalurgi dan Teknik Material Program Studi Teknik Material Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara Institut Teknologi Bandung 2014



BAB I LATAR BELAKANG DAN TUJUAN



1.1 Latar Belakang Salah satu penyebab kegagalan material, bahkan merupakan penyebab utama, adalah fatigue fracture. Fatigue fracture adalah patahan yang disebabkan oleh beban dinamis yang berfluktuatif. Istilah fatigue dipilih karena patahan ini umumnya terjadi pada pembebanan berulang setelah jangka waktu yang panjang. Pada kasus fatigue, fracture dapat terjadi kapan saja walaupun belum melewati kekuatan luluhnya. Jadi fatigue sangat berbahaya karena tidak dapat diprediksi. Banyak komponen dan elemen mesin didesain dengan memberikan perhatian yang besar terhadap beban dinamik. Contoh komponen yang mengalami beban dinamik adalah jembatan, kompresor, turbine blade, dan pompa. Dengan berjalannya waktu, serta periode pembebanan yang berulang, komponen-komponen tersebut akan mengalami fatigue failure. 1.2 Tujuan 1. Memahami mekanisme dan bentuk patahan material akibat fatigue fracture 2. Menggambar diagram Goodman dari material.



BAB II TEORI DASAR



Fatigue fracture adalah patahan yang disebabkan oleh beban dinamis yang berfluktuatif. Pembebanan ini dapat berupa tegangan aksial (tarik dan tekan), fleksural (bending), dan torsional (puntiran). Secara umum terdapat tiga stress cycle. Stress cycle adalah kurva tegangan terhadap waktu. Gambar 2.1 (a) menunjukkan reversed stress cycle, dimana tegangan bergilir dari tegangan tarik maksimum ke tegangan tekan maksimum yang nilainya sama. (b) menunjukkan repeated stress cycle, dimana tegangan maksimum dan minimumnya asimetris relatif terhadap tegangan nol. (c) menunjukkan random stress cycle yang tidak mempunyai pola tertentu.



Gambar 2.1 Kurva stress cycle. Sumber: Callister, William D. 2007. Materials and Science Engineering An Introduction. 7th edition. pg 228. Mean stress didefinisikan sebagai rata-rata dari tegangan maksimum dan minimum, atau σm=



σ max + σ min 2 Range of stress adalah selisih antara σmax dan σmin, yaitu



σ r =σ max−σ min Amplitudo tegangan adalah setengah dari range of stress, yaitu σm=



σ max −σ min 2 Stress ratio adalah perbandingan amplitudo minimum dan maksimum:



R=



σ min σ max Perjanjian yang digunakan yaitu tanda positif untuk tegangan tarik dan



negatif untuk tegangan tekan. Diagram skematis dari mesin uji lelah putar ditunjukkan pada Gambar 2.2.



Gambar 2.2 Mesin uji lelah putar. Sumber: T. Udomphol. Mechanical Metallurgy Laboratory 431303 Pengujian dilakukan dengan menempatkan spesimen dalam siklus tegangan pada tegangan maksimum yang cukup besar. Prosedur tersebut diulangi dengan tegangan maksimum yang terus menurun. Data tersebut diplotkan pada grafik tegangan S terhadap logaritma jumlah siklus N. Terdapat dua kurva S-N yang ditunjukkan pada Gambar 2.3. Untuk beberapa ferrous dan paduan titanium (Gambar 2.3a), terdapat fatigue limit, yaitu tegangan maksimal yang dapat diterima suatu material pada siklus tak terhingga. Jika melebihi batas ini, maka material akan patah. Aluminum, magnesium, dan tembaga tidak mempunyai fatigue limit, kurva S-Nnya menurun ke bawah sehingga fracture pasti akan terjadi tanpa lagi melihat besar tegangan. Untuk material tersebut, terdapat fatigue strength, yaitu tegangan maksimum dimana fracture akan terjadi pada suatu nilai N tertentu. Selain itu terdapat juga fatigue life, yaitu jumlah siklus yang akan menyebabkan fracture pada suatu tegangan tertentu.



Gambar 2.3 Kurva S-N. Sumber: Callister, William D. 2007. Materials and Science Engineering An Introduction. 7th edition. pg 231. Proses fatigue failure dapat dibagi dalam tiga tahap: (1) crack initiation, (2) crack propagation, dan (3) final failure. Crack initiation adalah kondisi dimana dimulai terjadinya retakan. Awal dari retakan disebabkan oleh konsentrasi tegangan. Penyebab konsentrasi tegangan bermacam-macam, mulai dari goresan, impurities, inklusi, maupun tegangan sisa. Crack propagation adalah penjalaran retakan. Area dari suatu permukaan fracture dapat dikategorikan dalam beachmarks dan striations. Beachmark adalah pola berbentuk kulit kerang yang dapat dilihat secara makroskopik, sedangkan striations dilihat secara mikroskopik. Dalam satu beachmark dapat mengandung ribuan striations.



BAB III DATA PERCOBAAN DAN PENGOLAHAN DATA



2.1 Data Percobaan Material = ST – 37 Panjang Spesimen (L) = 300 mm Lebar Spesimen (b) = 18.84 mm Tebal Spesimen (h) = 18.89 mm Kekerasan Awal = 96 HRD Kekerasan Akhir = 113 HRD Jarak Tumpuan = 87 mm Mesin Uji = Tarno Grocki Deflektometer = Mitutayo No 1 2 3 4 5 6 7



σmax (MPa) 200 150 250 150 150 200 100



σmin (MPa) -100 60 -100 25 -50 -125 75



2.2 Pengolahan Data



σmax 200 150



σmin -100 60



σa 150 45



σm 50 105



σr 300 90



R -2 2.5



250 150 150 200 100



-100 25 -50 -125 75



175 62.5 100 162.5 12.5



75 87.5 50 37.5 87.5



350 125 200 325 25



-2.5 6 -3 -1.6 1.33



Diagram Goodman 400 300 200 σa (MPa)



100 0 0



50



100



150



200



250



300



350



400



-100 -200 σm (MPa) Data 3 (patah)



Data 6 (patah)



Data 1 (aman)



Data 5 (aman)



Data 4 (aman)



Data 7 (aman)



Data 2 (aman)



Series 8



Series 9



Series 10



σu



σy



BAB IV ANALISIS DATA DAN INTERPRETASI DATA



Data percobaan menunjukkan σmax dan σmin. Dari data tersebut dapat dicari σm, σr, dan σa, yang kemudian akan digunakan untuk membuat diagram Goodman. Diagram Goodman memberikan informasi mengenai daerah aman suatu material. Dari literatur, didapat σy adalah 285 MPa dan σu = 360 MPa. σmax dan σmin diplotkan pada sumbu y dan σm pada sumbu x. Setelah itu tinggal dilihat tiap data apakah berada di dalam daerah aman atau tidak. Berdasarkan percobaan, data 1, 3, dan 6 melewati daerah aman diagram Goodman, sehingga mengalami fatigue fracture. Data lain yang berada di dalam kurva berarti aman. Jadi spesimen akan mengalami fatigue fracture jika diberi pembebanan 200 MPa dan -125 MPa, serta 250 MPa dan -100 MPa.



BAB V KESIMPULAN DAN SARAN



5.1 Kesimpulan Proses fatigue failure dapat dibagi dalam tiga tahap: (1) crack initiation, (2) crack propagation, dan (3) final failure. Crack initiation adalah kondisi dimana dimulai terjadinya retakan. Awal dari retakan disebabkan oleh konsentrasi tegangan. Penyebab konsentrasi tegangan bermacam-macam, mulai dari goresan, impurities, inklusi, maupun tegangan sisa. Crack propagation adalah penjalaran retakan. Area dari suatu permukaan fracture dapat dikategorikan dalam beachmarks dan striations. Beachmark adalah pola berbentuk kulit kerang yang dapat dilihat secara makroskopik, sedangkan striations dilihat secara mikroskopik. Dalam satu beachmark dapat mengandung ribuan striations. Berikut adalah diagram Goodman hasil percobaan.



Diagram Goodman 400 300 200 σa (MPa)



100 0 0



50



100



150



200



250



300



350



400



-100 -200 σm (MPa) Data 3 (patah)



Data 6 (patah)



Data 1 (aman)



Data 5 (aman)



Data 4 (aman)



Data 7 (aman)



Data 2 (aman)



Series 8



Series 9



Series 10



σu



σy



5.2 Saran 1. Penjelasan mengenai sistem kerja, komponen-komponen, dan pengukuran mesin uji diberi waktu lebih lama. 2. Diberi data siklus N agar dapat membuat kurva S-N.



DAFTAR PUSTAKA



1. Callister, William D. 2007. Materials and Science Engineering An Introduction. 7th edition. New York: John Wiley & Sons, Inc. pg 48-50, 255-263. 2. Dieter, G. E. 1988. Mechanical Metallurgy. SI Metric Edition. UK: Mc Graw-Hill Book Co. Pg 382-387. 3. ASM vol.8/08/02/03.



LAMPIRAN



TUGAS SETELAH PRAKTIKUM 1. Dengan data hasil uji lelah yang diberikan, gunakan data tersebut untuk menggambarkan kurva tegangan terhadap jumlah siklus (kurva S-N). Data yang ada tidak memadai. 2. Tentukan batas lelah dari soal no.1! Data yang ada tidak memadai. 3. Bandingkan σmax yang diberikan dengan kekuatan tarik (σu) dan batas luluh material (σy) dari literatur. Jelaskan. σmax (MPa) = 200, 150, 250, 150, 150, 200, 100 σy = 285 MPa σu = 360 MPa Tegangan maksimum masih di bawah yield strength, namun material tetap mengalami fatigue failure. Hal ini disebabkan oleh tegangan yang berfluktuatif seperti yang sudah dijelaskan pada bab-bab sebelumnya. 4. Buatlah analisa permukaan patahan yang didapatkan dari pengujian fatigue! Pada pengujian ini, praktikan tidak melakukan uji fatigue secara langsung karena uji tersebut memakan waktu yang sangat lama. Jadi tidak ada dokumentasi spesimen hasil uji fatigue. Tetapi secara umum, permukaan patahan fatigue berbentuk datar dan terdapat beachmarks yang terlihat dalam skala makroskopik. Jika dilihat dalam skala mikroskopik, terdapat striations yang tampilannya mirip dengan beachmarks. Pola yang terjadi adalah akibat dari tegangan yang terus menerus dalam jumlah siklus N tertentu, sehingga timbul garis-garis yang berkelanjutan.



Gambar menunjukkan permukaan spesimen akibat fatigue failure. Sumber: http://elearning.unsri.ac.id/pluginfile.php/4599/mod_resource/content/1/BAB-4SIFAT-MATERIAL.pdf



RANGKUMAN Fatigue fracture adalah patahan yang disebabkan oleh beban dinamis yang berfluktuatif. Pembebanan ini dapat berupa tegangan aksial (tarik dan tekan), fleksural (bending), dan torional (puntiran). Tujuan dari uji fatik adalah untuk mengetahui karakteristik material yang berhubungan dengan beban dinamis yaitu fatigue limit. Pengujian tidak dilakukan secara langsung oleh praktikan, dan data yang sudah tersedia adalah tegangan maksimum dan minimum dari beban yang diberikan. Dari tegangan maksimum dan minimum tersebut didapatkan kurva Goodman yang menunjukkan fatigue limit dan ultimate strength. Sedangkan dari yield strength dan ultimate strength dari literatur didapat diagram Goodman yang menunjukkan daerah aman material dari fatigue failure. Kegunaan dari uji fatik adalah hasil dari pengujian nantinya akan digunakan dalam perancangan produk, yaitu sebagai faktor pertimbangan dalam memilih material yang tepat untuk suatu rancangan.