Materi Analisis Kegagalan [PDF]

Citation preview

BAB 1. TEKNIK ANALISA KEGAGALAN Kegiatan analisa kegagalan dilakukan untuk mengetahui penyebab terjadinya kerusakan serta kemudian dapat dilakukan tindakan pencegahan agar kerusakan tersebut tidak terulang kembali [1]. Manfaat dari kegiatan analisa kegagalanni dalam jangka waktu pendek dapat dilakukan perbaikan desain, proses dan metode fabrikasi. Untuk jangka panjangnya, digunakan untuk pengembangan material dan sebagai metoda terkini, untuk evaluasi dan memperkirakan unjuk kerja material, serta untuk memperbaiki sistem pemeliharaan [1]. Layanan analisa kegagalan meliputi layanan metalografi pada industri minyak dan gas, petrokimia, pembangkit tenaga listrik, pemanufaktur peralatan dan industri lainnya. Kegiatan analisa kegagalan didukung dengan pengujian merusak (destruktif) meliputi pengujian logam, pengujian metalografi, pengujian kimia, dan pemeriksaan oleh Scanning Electron Microscope (SEM), Energy Dispersive Spectrometry (EDS), dan pengujian tidak merusak (non-destruktif), serta analisa tegangan dengan metode elemen hingga [1]. A.



Prosedur Analisa Kegagalan Dalam buku Root Couse Failure Analysis, FMEA (Failure Mode and Effect Analisys) adalah suatu desain metode yang digunakan untuk identifikasi potensi kegagalan dan pengaruh masing-masing pada kinerja sistem. Prosedur analisa kegagalan adalah urutan langkah–langkah yang logis, dimulai dengan analisis sub sistem yang lebih rendah atau komponen. Berikut pohon logika yang dihasilkan dengan FMEA pada Gambar 1.1 [2].



Primarily Qualitative Reability Discipline



Primarily Quantitative Reability Discipline



Eliminate Failure Effects Identify Failure Modes



Predict Failure Effects Trade-offs and action decisions



Isolate Failure Cause



Reduce Failure Effects



Determine Corrective Actions Accept Failure Effects Other Technical/ Management Disciplines



Gambar 1.1 Flow chart FME (Sumber: [2])



Urutan tahapan dalam penyelidikan dan analisa kegagalan sebaimana tercantum pada buku ASM Metals Handbook vol 11, 8th Ed sebagai berikut [3]: 1. Pengumpulan data latar belakang dan pemilihan sample. 2. Pemeriksaan awal dari komponen yang gagal (pengamatan visual).



3. 4. 5.



Pengujian non destruktif. Pengujian mekanikal. Pemilihan, identifikasi, pembersihan, dan dibandingkan dengan komponen yang tidak gagal. 6. Pemeriksaan makroskopik dan analisa serta dokumentasi fotografi (Fenomena permukaan). 7. Pengujian Metalografi (pengujian optik dan mikroskop electron (jika diperlukan)). 8. Pemilihan dan persiapan bagian metalografi. 9. Pemeriksaan dan analisis specimen metalografi. 10. Penentuan mekanisme kegagalan. 11. Analisa komposisi kimia (bakalan, lokal, produk korosi dipermukaan, endapan lapisan). 12. Analisa mekanisme retakan. 13. Pengujian dengan simulasi. 14. Analisa dengan semua bukti yang ada, formulasikan kesimpulan dan tulis dalam bentuk laporan (termasuk rekomendas/saran). Namun dalam proses analisa kegagalan perlu di tekankan 3 asas yang harus dilakukan dengan hati-hati [4]:  Menemukan asal mula patahan. Untuk menentukan asal mula retakan dapat dilakukan dengan uji laboratorium.  Jangan menyatukan kembali potongan yang patah, kecuali dengan perlindungan dan perawatan yang baik. Karena permukaan patahan sangatlah rapuh dan halus, seta mudah rusak. Hal itu akan mempengaruhi hasil analisa yang akan dilakukan.  Tidak melakukan pengujian destruktif tanpa pemikiran yang matang. Jika sebelumnya dilakukan perubahan seperti pemotongan, pengeboran, dan penggilingan akan mempengaruhi hasil penelitian. B.



Lokasi Patahan Normal Berdasarkan jurnal yang disusun oleh Trisna putra yang membahas tentang perambatan retak (crack propagation) tap bolt unc - oil coated astm 325. Untuk mengetahui faktor penyebab dari fenomena kerusakan ini, maka bolt yang mengalami kegagalan dilakukan pengujian yang meliputi pengamatan visual, pengujian fraktografi, dan analisa komposisi kimia pada bolt yang patah. Dengan mengetahui jenis dan penyebab kerusakan pada bolt tersebut maka dapat dirumuskan langkah-Iangkah penanggulangan atau pencegahan sehingga kerusakan yang sama dapat dihindari [5]. Adapun metode yang digunakan untuk analisa kegagalan sama seperti yang dijelaskan pada ASM Handbook vol 11 yaitu pemeriksaan secara mikroskopik, pemeriksaan fraktografi, dan pengujian komposisi kimia.



C.



Pemeriksaan Visual Makro Kegiatan pengujian visual ini merupakan kegiatan yang ditinjau dengan indera



penglihatan atau mata. Beberapa faktor yang harus ditinjau antara lain distorsi yang berhubungan dengan kerusakan, perubahan letak dari permukaan retak, produk korosi, ukuran, jumlah dan lokasi dari potongan, kekasaran atau kekerasan permukaan retak. Untuk kasus dari jurnal yang disusun oleh Trisna putra yang membahas tentang perambatan retak (crack propagation) tap bolt unc - oil coated astm 325 dilakukan pengukuran dimensi dan pemeriksaan makroskopik bolt yang mengalami patah. 1. Dimensi Bahan Bahan penelitian adalah satu buah baut yang telah mengalami kegagalan (putus) saat pengencangan (fastener tightening) dilakukan dari jenis high strength bolt dengan dimensi standar sebagai berikut: Tabel 1.1 Hasil Pengukuran Dimensi Bolt (Sumber: [5])



Bolt Type Part Number



Hex HEAD Bolts/inch/Coarse Thread UNC/Oil Coated. 5D-9164



Thread Size (in)




5/8




Bolt Length (in)
 Head Height (in)



6,25 (A)




Head Width (in) Grip Length (in) Tighten torque Minor diameter Treads per Inch



0,48 (B)
 0,94 (C) 4,50(D)=1 270±25N-m 0,5135 11



Gambar 1.2 Jenis dan Dimensi Utama Bolt. (Sumber: [5])



2.



Pemeriksaan Makroskopik Gambaran patahan (makrofaktrografi) memperlihatkan kontur permukaan patahan memiliki alur ketidakteraturan (beach mark) yang belum dapat menjelaskan awal perambatan retak disetiap sisi tertentu. Serta dapat dilihat apakah jenis patahan yang terjadi pada benda yang mengalami kegagalan.



Gambar 1.3 Foto Makrofraktografi (6x). (Sumber: [5])



Lokasi Awal Patahan



Gambar 1.4 Kontur Permukaan Bolt. (Sumber: [5])



Gambar 1.5 Makrofaktrografi permukaan patahan (12x). (Sumber: [5])



3.



Pemeriksaan Visual Mikro Pengujian secara mikroskopik ialah suatu proses penelitian yang dilakukan untuk melihat dan menganalisa struktur mikro suatu logam. Hal ini terkadang menjadi sangat penting untuk mendapatkan jawaban dari suatu kegagalan yang terjadi yang tidak dapat di jelaskan sepenuhnya oleh pengujian secara makroskopik. Pengujian ini biasanya lebih mengarah kepada struktur penyusun dan bentuk dari mikrostruktur logam itu sendiri, apakah itu serat maupun batas butir dan struktur penyusunnya dari kontur yang dimulai oleh penjalaran retak dapat dilihat dengan jelas. Ada dua alasan untuk melakukan pengujian mikroskopis: untuk menguji mikrostruktur dalam menentukan sebelum dilakukan pemrosesan yang sesuai (misalkan dalam perlakuan panas) atau untuk menguji hubungan antara bentuk retakan terhadap mikrostrukturnya. Dari kasus kasus dari jurnal yang disusun oleh Trisna putra yang membahas tentang perambatan retak (crack propagation) tap bolt unc - oil coated astm 325. Secara mikroskopik gambaran mikrostruktur diperoleh dari hasil pembesaran pemotretan bolt yang telah melalui etsa menggunakan nital dengan kandungan 2% HNO3 dan 98% methanol (alkohol 96%), waktu etsa pada permukaan selama 15 detik terhadap penampang longitudinal dengan hasil sebagaimana gambar berikut (pengujian menggunakan optikal mikroskop).



Gambar 1.6 Strukturmikro martensit temper. (Sumber: [5])



Gambar 1.7 Mikrofraktograpy menggunakan TM-1000, memperlihatkan sisi ulir terluar tertutup deposit dan senyawa oksida (3000x). (Sumber: [5])



Gambar 1.8 Komposisi kimia perambatan awal patahan. (Sumber: [5]) Tabel 1.2 Hasil ringkasan (1) a (Sumber: [5])



Element



Weight %



Magnesium



3.7



Alumunium



68.8



Chlorine



1.1



Calsium



0.5



Iron



25.9



Tabel 1.3 Hasil ringkasan (2) b (Sumber: [5])



Elemen



4.  











Weight %



Magnesium



1.0



Aluminum



13.0



Silicon



1.3



Phosphorus



9.7



Chromium



1.3



Manganese



1.0



Iron



57.1



Zinc



15.7



Kesimpulan Penelitian Kegagalan terjadi diawali dari sisi terluar ulir dimana cacat pada lapisan karbida sisi yang penjalaran retaknya merambat kedaerah lokalisasi batang ulir. Penumpukan kandungan phosphor sebesar 9,7 % dan daerah kandungan unsur aluminium sebesar 13 %, memicu degradasi kekuatan baut hingga menurunkan interekasi tarikan sesama batas butir atom. Akibatnya kegagalan sulit dihindari dan material baut gagal dalam opersasi beban pengetatan. Prilaku kegagalan yang dipicu oleh penjalaran retak ini tidak diprediksi sebagai kesalahan dalam bongkar pasang baut, hal ini lebih disebabkan oleh manufaktur material baut yang tidak homogen atau cacat yang larut secara intersitas bersama unsur lainnya. Secara makroskopik dapat diprediksi awal penjalaran retak dengan mencermati kontur permukaan patahan baut (beach mark), namun secara mikroskopik dimana titik awal penjalaran retak lebih jelas dan terungkap dengan nyata (initial crack propagation).



REFERENSI [1] Tim B4T, “Analisa Kegagalan.” [Online]. Available: http://www.b4t.go.id/layananjasa/inspeksi-teknik/analisa-kegagalan/. [Accessed: 26-Feb-2016]. [2] R. K. Mobley, Root Cause Failure Analysis, vol. 52. United States of America: Butterworth-Heinemann, 1943. [3] ASM, “Failure Analysis and Prevention,” Technology, vol. 2, p. 3470, 2001. [4] D. J. Wulpi, Understanding How Components F ail, 2nd ed., vol. 19, no. 1. United State of America: ASM International, 1986. [5] T. Putra, “Perambatan Retak (Crack Propagation) Tap Bolt UNC - Oil Coated ASTM 325,” vol. 2, no. 1, pp. 20–25, 2012.



BAB 2. KEGAGALAN DISTORSI Kegagalan distorsi sering dianggap contoh fenomena yang relatif sederhana yang mudah untuk dianalisis karena deformasi dapat terjadi hanya ketika beban yang diaplikasikan melebihi kekuatan material. Sebaliknya, distorsi tidak selalu diakibat kelebihan beban yang sederhana atau penggunaan bagian yang tidak benar pada proses. Analisis kegagalan distorsi seringkali harus sangat teliti dan ketat untuk menentukan akar penyebab kegagalan dan, yang lebih penting untuk menentukan tindakan korektif yang tepat. Analis harus mempertimbangkan faktor-faktor yang mungkin belum diantisipasi dalam desain bagian, seperti substitusi bahan atau perubahan proses selama pembuatan atau terjadinya bidang stres kompleks dalam pengaplikasian. Sebagian besar contoh dalam buku ini berhubungan dengan logam, namun konsep ini juga berlaku untuk non logam. Bahan yang beragam seperti logam, polimer, dan kayu semua rentan terhadap distorsi [1]. Kegagalan distorsi yang mudah diidentifikasi adalah perubahan di ukuran dan bentuk, namun koreksi kegagalan distorsi mungkin jauh dari yang sederhana. Hal ini karena distorsi mencakup rincian desain dan analisis struktur, serta teknologi bahan. Masalah lain adalah distorsi mungkin akibat dari tegangan sisa dalam logam serta dari tekanan yang diterapkan [2]. Setiap struktur bahan memiliki batas beban dari luar yang dianggap tidak aman. beban yang melebihi batas ini dikenal sebagai overloads dan kadang-kadang mengakibatkan (tergantung pada faktor keamanan yang digunakan dalam desain) distorsi atau fraktur struktural. Estimasi batas beban adalah salah satu aspek yang paling penting dari desain dan umumnya dihitung dengan salah satu dari dua metode yaitu metode klasik desain atau analisis batas.



1.



2.



Desain klasik menjaga tekanan yang diijinkan sepenuhnya dalam wilayah elastis dan digunakan secara rutin dalam desain bagian. tekanan yang diijinkan untuk layanan statis umumnya ditetapkan pada satu-setengah kekuatan yield untuk bahan ulet dan seperenam untuk bahan rapuh, meskipun fraksi lain mungkin lebih cocok untuk aplikasi tertentu. Untuk bahan yang sangat rapuh, mungkin ada sedikit perbedaan antara "hasil" dan kekuatan ultimate, dan yang terakhir digunakan dalam perhitungan desain. Alasan untuk menggunakan pecahan rendah seperti yield (atau ultimate) kekuatan adalah untuk memungkinkan faktor-faktor seperti kemungkinan kesalahan dalam asumsi komputasi, kecelakaan overload, pengenalan tegangan sisa selama pemrosesan, efek suhu, variasi dalam kualitas Bahan (termasuk ketidaksempurnaan), degradasi (misalnya, dari korosi). Analisis batas mengasumsikan bahan-satu ideal yang menunjukan reaksi secara elastis hingga kekuatan tertentu, maka tidak bekerja mengeras tapi mengalami jumlah tak terbatas deformasi plastis dengan tidak ada perubahan dalam stres. Karena baja karbon rendah, salah satu bahan yang paling umum digunakan dalam komponen struktur, analisis batas ini sangat berguna untuk desainer, terutama dalam analisis struktur statis tak tentu.



Pada gambar 1. menggambarkan perilaku stress-strain relatif dari baja karbon rendah, bahan strain-hardening, dan kondisikan semua Bahan dengan kekuatan yang sama yield (titik luluh atas untuk baja karbon rendah dan tegangan pada 0,2% untuk bahan strain-hardening). Batas beban untuk bagian yang terbuat dari bahan strainhardening secara signifikan ketika stress di wilayah plastis dapat diperkirakan dengan analisis limit, untuk bagian yang terbuat dari bahan lain yang perilaku stress-strain berbeda dari bahan yang diidealkan. Dalam situasi ini, desainer mendasarkan perhitungan desain pada kekuatan diasumsikan bahwa sebenarnya terletak dalam wilayah plastis bahan [1].



Gambar 1. Perbandingan perilaku stress-strain konvensional dari baja karbon rendah, bahan strainhardening, dan bahan yang diidealkan diasumsikan dalam analisis batas. Semua memiliki kekuatan yield yang sama [1].



Gambar 2. Distorsi yang dikarena beban yang terlalu besar, beban melampaui kekuatan dari bahan, sehingga bahan menjadi bengkok [1].



Beban tekuk hanya bergantung pada dimensi bagian dan modulus elastisitas material. Oleh karena itu, tekuk tidak dapat dicegah dengan mengubah kekuatan atau kekerasan logam. Modulus elastisitas dari logam tertentu dipengaruhi hanya oleh suhu, meningkat pada suhu yang lebih rendah dan penurunan pada suhu yang lebih tinggi. Tekuk dapat dicegah hanya dengan mengubah ukuran atau bentuk bagian sehubungan dengan beban yang dikenakan di atasnya [2]. A.



Jenis Kegagalan Distortion Kegagalan distorsi dapat diklasifikasikan dalam berbagai cara. Salah satunya adalah dengan menganggap mereka baik sebagai ukuran distorsi (perubahan volume, baik pertambahan atau penyusutan) atau sebagai distorsi bentuk (seperti peregangan, membengkok, memutar, atau tekuk). Distorsi juga dapat diklasifikasikan sebagai distorsi permanen atau sementara, seperti yang terlihat dalam pembahasan berikut [2]. 1. Distorsi permanen Apabila bebannya bertambah terus, maka akan terjadi deformasi yang termasuk kedalam daerah plastis. Hal ini terjadi apabila tegangan pada material sedemikian besarnya, sehingga dapat menyebabkan terjadinya perubahan permanen didalam struktur internal material. Apabila perubahan internal material ini terjadi, maka keadaan semula tidak dapat tercapai meskipun beban dihilangkan. Taraf beban atau tegangan yang diasosiasikan dengan daerah plastis selalu lebih besar daripada daerah elastis. Contoh distorsi ini adalah pada gambar 2. 2. Distorsi temporary (sementara) Apabila elemen struktur mula-mula dibebani, maka deformasi yang terjadi masih berada dalam daerah elastis. Dalam daerah ini elemen struktur tersebut masih dapat kembali pada keadaan semula apabila bebannya dihilangkan (seperti perilaku pegas). Deformasi dalam daerah elastic sangat tergantung pada besar taraf tegangan yang terjadi pada elemen struktur. Contoh distorsi ini adalah per (pegas)



B.



Prosedur Analisis Distorsi Prosedur analitis. Proses umum analisis kegagalan bahan, diadaptasi dari prosedur khas untuk analisis kegagalan distorsi, secara singkat diringkas oleh sepuluh langkahlangkah berikut: 1. Tentukan efek dari kegagalan pada struktur atau perakitan, dan menentukan hasil yang diinginkan dari tindakan korektif. 2. Memperoleh semua informasi desain dan layanan yang tersedia. 3. Periksa bagian terdistorsi visual, membuat catatan pengamatan, termasuk sketsa atau foto dari bagian terdistorsi bersama dengan bagian tidak mengalami distorsi untuk perbandingan. Catatan semua pengukuran dimensi yang bersangkutan. Hal ini biasanya membantu untuk memasukkan pengukuran, yang harus dilakukan dengan setidaknya presisi yang sama seperti dalam inspeksi kontrol kualitas, di samping dimensi desain pada cetak biru dari bagian. 4. Melakukan tes laboratorium yang diperlukan untuk mengkonfirmasi komposisi, struktur, dan karakteristik kimia atau metalurgi lainnya dari bagian terdistorsi. 5. Menganalisis bagian gagal melalui semua proses manufaktur untuk mengetahui apakah proses penyimpangan terjadi pada saat produksi. 6. Bandingkan kondisi sebenarnya dari benda dengan asumsi desain. 7. Bandingkan sifat material yang sebenarnya dengan spesifikasi desain. 8. Menentukan apakah perbedaan yang ditemukan dalam sebelumnya dua langkah sepenuhnya menjelaskan distorsi diamati dalam struktur gagal. Jika perbedaan tidak sepenuhnya memperhitungkan distorsi yang diamati, informasi yang diperoleh pada langkah kedua atau keempat tidak benar atau tidak lengkap. 9. Siapkan tindakan alternatif untuk memperbaiki faktor varian yang menyebabkan distorsi yang diamati, dan pilih yang paling mungkin untuk membuat hasil yang diinginkan, yang didefinisikan pada langkah pertama. 10. Menguji bagian yang dipilih dari tindakan korektif untuk memverifikasi efektivitas. Evaluasi efek samping dari tindakan perbaikan, seperti dampaknya pada biaya atau kemudahan implementasi. Kegagalan distorsi terjadi ketika struktur atau komponen mengalami cacat, sehingga tidak bisa lagi menopang beban atau tidak mampu menjalankan fungsi dengan baik. kegagalan distorsi dapat plastis atau elastis fraktur. Ada dua jenis utama dari distorsi: 1. Ukuran distorsi, yang mengacu pada perubahan volume (pertumbuhan atau penyusutan), 2. Bentuk distorsi, yang mengacu pada perubahan bentuk geometris (lentur dan belokan). Contoh: ujung pelat sambungan baut tipe geser, yaitu ketika ujung pelat melengkung ke arah luar. Itu diamati terjadi pada sambungan pelat cold-formed yang relative tipis [3], sehingga dianggap sebagai fenomena yang umum. Banyak yang menduga bahwa



eksentrisitas pelat sambungan dianggap sebagai penyebabnya, meskipun fakta adanya curling tersebut terjadi juga pada sambungan baut geser tipe tunggal maupun tipe ganda.



Gambar 3. Fenomena curling pada pelat ujung (distorsi yang dikarenakan beban tarik yang melebihi kekuatan bahan) [4].



Fenomena curling jarang dijumpai dan dibahas pada sambungan lap-joint yang memakai pelat hot-rolled yang relatif tebal. Hal tersebut juga tidak termasuk sebagai fenomena perilaku keruntuhan yang diperhitungkan dalam perencanaan sambungan baut dengan mekanisme tumpu [5][6]. Adapun berbagai mekanisme keruntuhan yang diperhitungkan terjadi pada sambungan baut tunggal terlihat pada Gambar 4.



Gambar 4. Mekanisme keruntuhan sambungan baut tunggal dengan baut [6].



Mode-mode keruntuhan yang teridentifikasi pada Gambar 4. dipakai sebagai faktor yang menentukan kekuatan batas sistem sambungan, dan secara umum dapat dipisahkan



dalam dua kategori, yaitu [A] kerusakan pelat dan [B] kerusakan baut. Beberapa hal yang dianggap menentukan kekuatan system sambungan yang direncanakan adalah: 1. Kerusakan fraktur pada penampang netto pelat (pada lubang baut) 2. Kerusakan lelah pada penampang bruto pelat di luar daerah lubang baut 3. Kerusakan geser pada baut 4. Kerusakan tumpuan pelat 5. Berbagai macam kerusakan pada bagian ujung pelat (shear-tear-out, dll) 6. Kerusakan tarik baut 7. Kerusakan lentur baut 8. Kerusakan ulir (thread) baut 9. Bagian pelat mengalami slip [6]. Distorsi dan deformasi tidak selalu mengindikasikan kegagalan. Hal ini diharapkan juga diakui bahwa setiap komponen mengalami stress dan juga akan menunjukkan distorsi elastis. Dalam kebanyakan desain, tingkat stress adalah seperti yang distorsi ini minimal dan bahkan mungkin tidak disadari. Namun, beberapa komponen diperkirakan akan mengalami distorsi elastis dan bahkan terkadang plastis yang signifikan pada penggunaanya [6].



Referensi [1] [2] [3] [4] [5]



[6]



A. S. M. Handbook, Failure Analysis and Prevention, 11th ed. ASM International, 2002. D. J. Wulpi, Understanding How Components Fail, 2nd ed. ASM International, 1999. C. a Rogers and B. Masc, “Failure Modes of Bolted-Sheet-Steel Connections Loaded in Shear,” J. Struct. Eng., vol. 126, 2006. D. Wiryanto, “Distorsi Sambungan Baut akibat Curling dan Pencegahannya,” Tek. Sipil, vol. 16, no. 2, 2009. G. L. Kulak, J. W. Fisher, H. A. John, and Struik, Guide to Design Criteria for Bolted and Riveted Joints, 2nd ed. Chicago: American Institute of Steel Construction, 2001. S. Vinnakota, Steel Structures: Behavior and LRFD. McGraw-Hill International Edition, 2006.



BAB 3. DASAR 1(TUNGGAL)-MODUS BEBAN PATAH



Dari sudut pandang fundamental hanya ada dua modus yaitu logam dapat patah di bawah beban tunggal atau monoton. Patah lelah dari struktur baja dapat terjadi akibat sistem pembebanan yang berfluktuatif dari nilai minimum ke maksimum secara bergantian dalam waktu tertentu atau yang lebih dikenal dengan beban dinamis. Tipe kerusakan struktur ini terjadi walaupun tegangan kerja yang didukung masih berada di bawah tegangan maksimum (ultimate stress) yang dapat di dukung oleh struktur. Jadi hal ini bukan diakibatkan oleh besarnya tegangan kerja yang melampaui batas tegangan maksimum melainkan akibat pembebanan dinamis yang terjadi berulang ulang sehingga struktur mengalami kelelahan dan akhirnya patah lelah.[1] Salah satu kriteria penting untuk di pertimbangkan adalah kekuatan struktur baja terhadap kerusakan patah lelah.



Gambar 1. Mekanisme patah lelah[1]



Terlihat dalam gambar diatas bahwa akibat tegangan kerja Δσ, proses patah lelah diawali dengan dengan terbentuknya retak di permukaan ( initial crack stage) yang diikuti perambatan retak akibat tegangan geser ( Mikro crack growth stage) sampai sisa penampang komponen tidak mampu lagi mendukung tegangan kerja Δσ dan akhirnya patah (final fracture). Jadi teori ini menyatakan bahwa mekanisme patah lelah terdiri dari tahapan pembentukan retak dan tahapan perambatannya[1]. Dalam pemanfaatan metoda ini, analisa umumnya dilaksanakan berdasarkan konsep Linear Elastic Fracture Mechanic (LEFM) dan teri empiris dari Paris. Konsep LEFM tepat digunakan kalau local yieldingnya diujung retak masih berskala kecil. Hal ini ditandai dengan nilai ligament yeilding parameter L < 0.5. Parameter Lr = σnet/σy. Dimana σnet adalah tegangan kerja di daerah tanpa cacat retak ( Net stress ) dan σy adalah yield strength material. Didalam buku ini, konsep LEFM dan teori empiris Paris digunakan sebagai dasar untuk analisis perilaku perambatan retak lelah desain baja akibat beban dinamis lentur. Untuk memverifikasi konsep LEFM, desain baja juga di uji dinamis lentur sampai patah lelah[1]. A.



Modus Geser



Retakan di beton atau mortar umumnya telah diasumsikan merambat ke arah normal ke tegangan utama maksimum , yang mewakili tarik itu, modus patahan membuka, ditunjuk sebagai Mode I. Jenis retak ini telah diamati bahkan untuk kegagalan dari banyak struktur dimuat di diagonal geser kegagalan balok . Kegagalan meninju geser lembaran , kegagalan torsional balok , kegagalan geser panel , dan lain lain. Baru-baru ini menunjukkan bahwa dalam beban balok geser dengan kedudukan starter Mode II arah retak tidak merambat di arah ini tetapi berjalan ke sisi dalam arah normal dengan tegangan utama maksimum. Dengan demikian , telah berpikir bahwa retak geser tidak ada, dan bon yang mot..Patahan geser telah tetap dialami, bertulang beton dimuat oleh intens ledakan pendek pulsa sering gagal oleh pemotongan didukungan sepanjang celah normal lempengan. Penetrasi proyektil ke beton mungkin melibatkan diproduksinya retak geser. Kemungkinan produksinya retak geser sangat diperhatikan untuk semua masalah di mana perlawanan geser retak karena kekasaran permukaan (agregat interlock) menjadi perhatian, seperti itu untuk loading seismik containments nuklir atau struktur bangunan tinggi. Dalam masalah ini itu diasumsikan bahwa retakan geser - dimuat sebelumnya telah entah bagaimana terbentuk akibat pembebanan tarik ( Mode I pemuatan, lebih mungkin bagaimanapun, tarik performed hanya akan retak, terputus-putus , dan retak terus menerus. Akhir tegangan geser memuat sendiri. Oleh karena itu , program untuk menyelidiki retak geser beton telah dilakukan di Northwestern University. Laporan awal pertama diberikan pada sebuah simposium baru-baru ini dan rinci presentasi hasil adalah tujuan tulisan ini[2]. B. Pengujian Bahan



Gambar 2. geometri benda uji dan diagram gaya geser[2]



Spesimen uji yang balok empat persegi panjang konstan penampang dan rasio panjang mendalam konstan 8 : 3 (Lihat gbr. 1 ) . Untuk mengetahui pengaruh ukuran, aspek penting patahan geser. Geometri pengujian bahan serupa berbagai kedalaman d = 1.5 3.6 12 inch. Bahan yang di uji di lemparkan dari setumpuk beton atau mortar yang sama, dan ketebalannya b = sama, b = 1.5 Untuk perbandingan bahan uji coba yang berbeda ukuran, pertanyaan halus yang tidak memiliki jawaban yang jelas. Muncul pertanyaan sehubungan dengan efek



variasinya energi patahan selama patahan tepi di ketebalan. Variasi ini prinsipnya karena dua efek 1. Fakta bahwa bagian depan retak pada spesimen interior pada dasarnya di plane strain, sementara kasus tingkat elastis sebagai tambahan tegangan singularitas 2. Fakta bahwasannya deformasi nonpolar di patahan permukaan depan karena kasus kegagalan bersama pesawat nonorthogonal[2] C. Modus pembelahan Permukaan patahan pembelahan ditandai dengan aspek datar (dengan ukurannya biasanya mirip dengan ukuran butir) . Garis sungai atau garis stress adalah langkahlangkah antara belahan tengah di pesawat paralel dan selalu berkumpul ke arah lokal perambatan retak. Dalam logam polikristalin , patahan pembelahan biasanya terjadi pada relativitas keras , logam yang kuat , meskipun dalam kondisi seperti di bawah suhu logam yang biasanya patah dalam modus geser mungkin patah dalam modus pembelahan tertentu . Namun, logam dengan sistem kubik berpusat muka , seperti aluminium dan baja tahan karat austenitik , tidak patah oleh pembelahan . Ini akan dibahas secara rinci dalam Bab 8 , " patahan rapuh”[3] .



Gambar 3.Permukaan modus pembelahan[4]



Pada skala microfractographic , patahan pembelahan terjadi di sepanjang wajah dari sel , tetapi dipandang sebagai pemisahan dari biji-bijian , tanpa hubungan ke batas butir . Hal ini analog dengan patahan melalui batu bata di dinding bata . Dalam banyak kasus arah yang retak berikut dapat ditentukan dari studi tentang patahan pembelahan menghadapi mikroskop elektron[4]. Ketika diperiksa di bawah mikroskop elektron , permukaan patahan yang pecah jarang sekali berlesung pipit atau seluruhnya belahan dada . Tergantung pada logam dan karakteristiknya , bidang kedua mode patahan sering terlihat , meskipun salah satu mungkin mendominasi . Alasan untuk ini adalah bahwa setiap kristal atau butiran adalah seorang sesuai individu, mungkin bereaksi berbeda dengan gaya memisahkan dari tetangganya . Setiap butir orientasi berbeda , masing-masing memiliki kelemahan sendiri dan microdefects , yang selalu hadir . Seperti dengan orang , kita semua pada dasarnya sama, tetapi kita semua memiliki kekuatan individu dan kelemahan kita sendiri yang membuat kita bereaksi terhadap stress dengan cara yang mungkin berbeda dari reaksi[4].



Gambar 4.Pembelahan permukaan rapuh[2]



Gambar 5.aliran patahan pembelahan[2]



Retak inisiasi dari partikel di patahan pembelahan gambarnya seperti di bawah ini :



Gambar 6.patahan di dalam initasi[2]



Inklusi, porositas, partikel bekas atau endapan (retakan untuk inisiasi pembelahan. Patahan terjadi sepanjang bidang kristalografi . Saya memberikan beberapa gambar lagi untuk memperjelasnya.



Gambar 7.karbida titanium mengalami patahan pembelahan transgranular[2]



karbida titanium bertindak sebagai penggalang tegangan yang preferensial situs untuk patahan pembelahan transgranular. Contoh : Crack inisiasi dari partikel karbida diamati pada β - Ti paduan. D. Modus patahan lainnya 1. Patahan Fraktur ( patahan ) adalah bentuk kegagalan , dan didefinisikan sebagai pemisahan atau fragmentasi dari benda padat menjadi dua atau lebih bagian bawah tindakan stres . Fraktur yang terjadi selama periode waktu yang sangat singkat dan di bawah kondisi pembebanan sederhana ( statis yaitu konstan atau perlahan-lahan berubah ) dianggap disini . Fraktur di bawah kondisi yang kompleks , misalnya bolak stress , dianggap dalam bagian berikutnya[5]. Proses patahan dapat dianggap terdiri dari dua komponen , inisiasi retak diikuti oleh penjalaran retak . Fraktur diklasifikasikan. beberapa karakteristik , misalnya , regangan patah , modus kristalografi fraktur , penampilan fraktur , dan lain lain Tabel - 8.1 memberikan ringkasan singkat dari mode fraktur yang berbeda. Tabel 1. Ulet dan getas[4]



2.



Patahan Ulet Paling sering patah ulet dalam ketegangan terjadi setelah deformasi plastik yang cukup . Hal ini terjadi oleh robeknya lambat dari logam dengan pengeluaran energi yang cukup . Dapat dikatakan bahwa patahan ulet dalam ketegangan biasanya didahului oleh penurunan lokal di daerah penampang , disebut necking. Selanjutnya hal itu menunjukkan tiga tahap ( 1 ) setelah di set dari penciutan , rongga bentuk , biasanya di inklusi di partikel fase kedua , di wilayah berleher karena perubahan geometri menginduksi tegangan tarik hidrostatik , (2) rongga tumbuh, dan pertumbuhan lebih lanjut menyebabkan menyatunya oksigen mengakibatkan pembentukan retak yang tumbuh luar dalam arah tegak lurus terhadap penerapan stres , ( 3 ) kegagalan terakhir melibatkan perambatan retakan cepat sekitar 45 dengan sumbu tarik . Sudut ini merupakan arah dari tegangan geser maksimum yang menyebabkan geser tergelincir di tahap akhir[6]. 3. Patah Getas Modus umum lainnya patah tulang dikenal sebagai patah getas yang terjadi dengan sedikit atau tanpa deformasi plastik sebelumnya . Hal ini terjadi , sering pada tingkat yang tak terduga dari stres , dengan penjalaran retak yang cepat . Arah propagasi retak sangat hampir tegak lurus dengan arah tegangan tarik diterapkan . perambatan retak ini sesuai dengan berturut-turut dan berulang-ulang melanggar obligasi atom bersama bidang kristalografi tertentu , dan karenanya disebut fraktur pembelahan . fraktur ini juga dikatakan transgranular karena retak menyebar melalui butir . Oleh karena itu memiliki tekstur kasar atau faceted . Sebagian besar patah tulang rapuh terjadi secara transgranular . Namun , patah getas dapat terjadi dengan cara intergranular yaitu retak menjalar di sepanjang batas butir . Hal ini terjadi hanya jika batas butir berisi film rapuh atau jika wilayah batas-butir telah embrittled oleh pemisahan unsur merugikan[7]. 4. Faktor-faktor Hubungan yang Mempengaruhi Ulet Rapuh Paling sering patah ulet dalam ketegangan terjadi setelah deformasi plastik yang cukup. Hal ini terjadi oleh robeknya lambat dari logam dengan pengeluaran energi yang cukup. Dapat dikatakan bahwa patahan ulet dalam ketegangan biasanya didahului oleh penurunan lokal di daerah penampang, disebut necking. Selanjutnya hal itu menunjukkan tiga tahap[7]. 1. Setelah di set dari penciutan, rongga bentuk, biasanya di inklusi di partikel fase kedua, di wilayah berleher karena perubahan geometri menginduksi tegangan tarik hidrostatik 2. Rongga tumbuh, dan pertumbuhan lebih lanjut menyebabkan menyatu mereka mengakibatkan pembentukan retak yang tumbuh luar dalam arah tegak lurus terhadap penerapan tegangan



3.



Kegagalan terakhir melibatkan perambatan retakan cepat sekitar 45 dengan sumbu tarik. Sudut ini merupakan arah dari tegangan geser maksimum yang menyebabkan tergelincir geser di tahap akhir. Selama slip geser, retak merambat pada kecepatan yang cepat di sekeliling luar dari leher meninggalkan satu permukaan dalam bentuk cup, dan yang lainnya dalam bentuk kerucut. Sehingga dikenal sebagai patahan cup dan kerucut. Di wilayah interior pusat ini memiliki penampilan yang tidak teratur dan berserat, yang berarti deformasi plastik. tahap progresif yang berbeda dari patahan ulet ditunjukkan pada gambar 8[8].



Gambar 8. Tahapan fraktur ulet tarik[2]



Referensi [1] H. Setiyono, “Metode Analisis Patah Lelah Baja Cantilever,” vol. 11, no. 2, pp. 90– 97, 2011. [2] M. Proposser, “Material Science,” 2005. [3] J. L. McCall, Understanding how components fail, vol. 19, no. 1. 1986. [4] P. D. I. Milano, “Department of Mechanical Engineering SHEAR-MODE PROPAGATION OF SHORT CRACKS Doctoral Dissertation of :,” 2011. [5] H. A. Suhartono, “MULTIAKSIAL,” pp. 103–111. [6] Z. P. Batant, “Shear fracture tests of concrete,” vol. 3. [7] S. Liu, Y. J. Chao, and X. Zhu, “Tensile-shear transition in mixed mode I/III fracture,” Int. J. Solids Struct., vol. 41, no. 22–23, pp. 6147–6172, 2004. [8] K. Adam, “MATERIAL,” vol. 6, 2011.



BAB 4. SISTEM PATAHAN STRESS TERKAIT BEBAN TUNGGAL DARI ULET DAN RAPUH LOGAM Dalam rangka memahami berbagai jenis penyebab patahan beban tunggal, salah satunya harus memahami gaya yang bekerja pada logam dan juga karakteristik logam tersebut. Semua patahan disebabkan oleh tekanan, dan versi teori “Hubungan Terlemah” berlaku: patahan akan berasal dimanapun daerah stress (beban per satuan luas penampang) pertama melebihi kekuatan lokal. Lokasi ini akan bervariasi tergantung pada gradien kekuatan dalam logam dan gradien stress yang dikenakan pada logam dengan terapan dan tegangan sisa. Ketika gaya yang diterapkan untuk setiap bagian, menghasilkan kekuatan komponen lain pada daerah lain, membentuk sistem stress. Untuk memahami gaya, perlu memahami sistem stress yang bekerja pada bagian benda. A.



Sistem Beban Murni Menurut Wulpi dalam bukunya “Understanding How Component Fail” menjelaskan bahwa sistem stress dipelajari dengan memahami diagram benda bebas, memiliki model sederhana dari sistem stress yang kompleks. Sistem stress murni meliputi tegangan normal (tegangan tarik dan tegangan tekan) dan tegangan geser. Gambar 4.1 menunjukkan orientasi normal (tarik dan tekan) tekanan dan tegangan geser (sliding), yang dengan tekanan normal 45 °. Diagram benda bebas dari poros dalam jenis murni tegangan beban, torsi, dan kompresi adalah yang paling sederhana mereka kemudian dapat berhubungan dengan jenis yang lebih kompleks pembebanan [1].



Gambar 4.1 Diagram bebas melihatkan orientasi dan distribusi elastis normal (tarik dan tekan) dan komponen tegangan geser dalam poros bawah ketegangan murni, torsi , dan beban kompresi. juga ditampilkan adalah tunggal berlebihan perilaku fraktur ulet dan bahan rapuh pada kondisi beban. (Sumber: [1])



B.



Beban Tegangan Ketika poros atau menyerupai poros ditarik oleh gaya tarik, hal ini akan mengakibatkan benda menjadi lebih panjang dan sempit, seperti karet gelang tidak ketika ditarik. Demikian pula, di diagram benda bebas bujursangkar pada gambar 4.1 (a) yang memanjang menurut arah dari tegangan tarik dan berkerut ke arah tegangan tekan. Perhatikan juga bahwa ada dua pasang tegangan geser, masing-masing tegak lurus dengan yang lain, diagonal antara arah tegangan normal. Karena besarnya tegangan pada dasarnya seragam di seluruh poros, seperti ditunjukkan pada gambar 4.1 (a), fraktur dalam ketegangan murni dapat berasal pada setiap lokasi di penampang, dengan tidak adanya konsentrasi tegangan. Pada gambar 4.2 berikut menunjukkan contoh fraktur tarik.



Gambar 4.2 Khas cup dan kerucut patah ulet (ductile fracture) sebuah baja anil 1035 di spesimen silinder. (Sumber: [2])



Menurut Bahram Farahmand dalam bukunya yang berjudul “Fracture mechanics of metals, composites, welds, and boltedjoints: application of LEFM, EPFM, and FMDM theory” menjelaskan tentang Teori Fracture Mechanics Of Ductile Metal (FMDM). FMDM



mengasumsikan karakteristik fraktur logam, lokal ke ujung retak secara langsung berhubungan dengan kemampuannya untuk merusak. Crack tip tegang dari posisi FMDM adalah dua jenis, strainability lokal di ujung retak, wilayah deformasi yang sangat plastik dan strainability seragam dekat ujung retak. Dengan demikian, perilaku fraktur dapat ditandai dengan dua hal energi yang dilepaskan mewakili energi yang diserap di dan dekat ujung retak. Kedua hal ini dapat terbukti ditentukan: dari kurva tegangan-regangan penuh uniaksial. Dua daerah deformasi diilustrasikan pada Gambar 4.3 [3].



Gambar 4.3 Zona retak ujung plastik dan wilayah yang berbeda dari kurva tegangan-regangan. (Sumber: [3])



Total energi per ketebalan satuan diserap dalam tegang plastik dari bahan sekitar ujung retak (Up) dapat ditulis sebagai berikut: 𝑈𝑝 = 𝑈𝐹 + 𝑈𝑢 dimana 𝑈𝐹 dan 𝑈𝑢 adalah energi yang diserap per ketebalan unit tegang plastik material paling luar di ujung retak dan di bawah tegangan utama dekat ujung. Logam rapuh (brittle metal), menurut definisi, adalah logam yang patah karena tegangan tarik berlebih (atau "kohesif") kekuatan sebelum jenis lain dari kerusakan dapat terjadi. Kekuatan kohesif sekarang "link lemah" dalam sistem dan faktor pengendali. Logam rapuh (brittle metal) selalu memiliki fraktur yang tegak lurus terhadap tegangan tarik, dan memiliki sedikit atau tidak ada deformasi karena fraktur terjadi sebelum logam dapat berubah bentuk secara plastis. Dengan demikian fraktur tarik logam rapuh memiliki bidang fraktur yang pada dasarnya lurus. Hal ini juga biasanya memiliki khas permukaan yang terang, penampilan berkilau ketika baru patah.



Gambar 4.4 Permukaan patahan rapuh (brittle). (Sumber: [4])



C.



Beban Torsi Sebuah batang sarat dengan beban torsi jika pembebanan adalah torsi (T), diarahkan sepanjang sumbu batang. Pemuatan torsional batang putaran dapat dianalisis dengan mudah oleh metode bahan mekanik. Hal ini membutuhkan empat langkah yang sama sebelumnya tercatat dalam urutan yang sama diperlukan untuk semua dari solusi mekanik bahan. Torsi dari hasil batang bulat dalam keadaan stres adalah torsi murni [4].



Gambar 4.5 Torsi pada batang (poros) bulat. (Sumber: [1])



Dalam logam ulet (ductile metal), kekuatan geser lagi yang memiliki "weak link" ketika tegangan geser melebihi kekuatan gesernya. Deformasi plastis dan deformasi permanen terjadi, meskipun dalam deformasi torsi mungkin tidak jelas, kecuali ada tanda referensi memanjang pada poros sebelum memutar. Bahkan di bagian silinder tanpa splines atau tanda referensi awalnya lurus, memutar deformasi dapat dibuat terlihat dengan mengungkapkan aliran butir memanjang dengan chamical macroetching [1].



Gambar 4.6 Satu kelebihan fraktur torsi pada bidang geser melintang dari poros dari baja karbon menengah. (Sumber: [1])



Gambar 4.7 Satu kelebihan fraktur torsi dari poros baja ulet. (Sumber: [1])



Bentuk bagian silinder , seperti poros , tidak diubah oleh deformasi torsi. Contoh, Bayangkan bahwa poros terdiri dari jumlah cakram tak terbatas. Ketika cakram dipelintir, setiap cakram terselip dengan jumlah yang sangat kecil sehubungan dengan cakram disebelahnya, tapi diameter setiap cakram tidak berubah dengan kelicinan pada bidang geser melintang. Akhirnya, fraktur terjadi pada salah satu bidang geser ini melintang, yang pada dasarnya adalah antarmuka antara dua cakram yang berdekatan. Deformasi juga terjadi pada bidang geser longitudinal, tetapi ini biasanya tidak menyebabkan fraktur beban tunggal kecuali bahan yang sangat lemah dalam arah melintang, seperti batang kayu. Ketika patahan tidak terjadi oleh torsi murni, pecahnya akhir adalah di tengah poros itu diimbangi ke satu sisi jika terjadi tegangan lentur. Sebuah logam rapuh patahan torsi murni tegak lurus terhadap komponen tegangan tarik seperti dalam ketegangan kecuali bahwa di torsi komponen tegangan tarik adalah 45° dengan sumbu poros. Ini membentuk fraktur spiral dari karakteristik jenis fraktur torsional dari semua bahannya rapuh, termasuk kaca dan kapur, jika dipelintir dengan hati-hati. Keras, kasus yang relatif rapuh dari kasus mengeras shaft mungkin retak di karakteristik sudut 45°, meskipun relatif lunak, ulet inti akan patah di bidang geser transversal. Gambar 4.8 menunjukkan poros tersebut dengan banyak luas, retak spiral dalam kasus ini, tapi inti yang membentuk sebagian besar penampang retak di bidang geser melintang berlawanan ujung splined. Karena bagian ini tergores, dapat dilihat deformasi memutar dari aliran butir awalnya lurus pada poros.



Gambar 4.8 Patahan getas (brittle fracture) karena torsi. (Sumber: [1])



D.



Beban Tekan



Ketika silinder dibebani dalam kompresi aksial (dengan asumsi tidak ada ketidakstabilan seperti tekukan), sistem komponen stress berputar sehingga komponen tegangan tekan sekarang aksial, sedangkan komponen tegangan tarik melintang seperti pada gambar 4.9 berikut. Sekarang komponen tegangan geser kembali 45 ° terhadap sumbu poros. Perhatikan bahwa distribusi tegangan elastis dalam kompresi murni adalah kebalikan dari dalam tegangan yang seragam di seluruh bagian (dengan asumsi tidak ada konsentrasi tegangan), tetapi dalam kompresi atau arah negatif [1]. Sebuah logam ulet (ductile metal) dalam kompresi melakukan kebalikan dari apa yang terjadi dalam ketegangan menjadi lebih pendek dan lebih tebal karena terjadi selip pada bidang geser diagonal. Singkatnya, tonjolan ketika ditekan oleh gaya tekan. Ini adalah karakteristik dari logam menjadi panas atau dingin menuju dan dari "pancake" tempa di bawah kompresi aksial. Namun, tidak ada fraktur,logam benar-benar ulet hanya akan tonjolan lateral karena menjadi lebih pendek (efek kompresi) [1]. Sebuah logam rapuh (brittle metal) dalam kompresi murni akan, seperti biasa, fraktur tegak lurus dengan komponen tegangan tarik maksimum. Karena komponen ini sekarang melintang, arah patah getas sekarang longitudinal, atau sejajar dengan poros. Bahan rapuh seperti logam yang sangat keras, kaca, kapur, dan perpecahan batu atau menghancurkan longitudinal ketika diberikan beban kompresi [1].



Gambar 4.9 Tes kompresi dua batu baja kasus yang mendalam mengeras hanya pada permukaan atas dan bawah. (Sumber: [1])



Gambar 4.9 menunjukkan benda uji baja yang mengandung daerah baik rapuh dan ulet yang menggambarkan retak aksial dari keras, daerah rapuh dan menggembung lateral lembut, wilayah ulet antara lapisan keras. E.



Beban Lentur Ketika bagian lurus dimuat di lentur murni, permukaan cembung memiliki sistem tegangan tarik mirip dengan yang ditunjukkan pada Gambar 4.1 (a). Sebaliknya, permukaan cekung ditekankan dalam kompresi dan memiliki sistem stres seperti yang ditunjukkan untuk kompresi pada Gambar 4.1 (c). Sumbu netral adalah Sekitar tengah antara dua permukaan tergantung pada bentuk bagian, di mana semua diterapkan tekanan adalah nol. Dengan demikian, fraktur dapat diharapkan berasal dari cembung (tarik) permukaan tikungan di mana tegangan tarik maksimum ada [1]. F.



Fatigue



Kelelahan (fatigue) adalah besarnya aplikasi beban berulang tidak perlu cukup tinggi untuk menyebabkan deformasi plastik yaitu, tekanan mungkin relatif rendah. Namun, setelah relatif banyak aplikasi beban tingkat rendah, perubahan mikroskopis berlangsung dalam struktur yang dapat menyebabkan pembentukan retak kelelahan (fatigue) [1]. Hal penting untuk diingat adalah bahwa propagasi lambat, atau pertumbuhan dari retak kelelahan (fatigue fracture) selama periode yang relatif lama persis arah yang sama dengan pertumbuhan retak di bahan rapuh di bawah jenis yang pembebanan sama. Itu karena retakan kelelahan merambat dalam arah yang tegak lurus terhadap tarik utama menekankan arah patah getas[1].



REFERENSI [1] [2] [3]



[4]



D. J. Wulpi, Understanding How Components Fail, 2nd ed., vol. 19, no. 1. United State of America: ASM International, 1986. A. A. Atiyah, Failure Analysis Course. Baghdad, 2011. B. Farahmand, FRACTURE MECHANICS OF METALS, COMPOSITES, WELDS, AND BOLTED JOINTS. United States of America: KLUWER ACADEMIC PUBLISHERS, 2001. Anoname, “Griffith Theory of Brittle Fracture.” .



BAB 5. SIFAT MEKANIK Sifat mekanik didefinisikan sebagai "sifat dari bahan yang menunjukan sifat (plastik) elastis dan inelastis saat gaya diterapkan, sehingga menunjukkan kesesuaian untuk aplikasi mekanik, misalnya, modulus elastisitas, kekuatan tarik, elongasi, kekerasan, dan batas kelelahan". Sifat mekanik lainnya adalah kekuatan luluh, titik hasil, dampak



kekuatan, dan pengurangan penampang, untuk menyebutkan beberapa istilah yang lebih umum. Secara umum, setiap properti yang berkaitan dengan karakteristik kekuatan logam dianggap properti mekanik. (istilah Sifat Fisik yang sering tidak benar diterapkan mekanik sifat yang berhubungan dengan fisika logam, seperti kepadatan, sifat listrik, sifat termal, sifat magnetik, dan sejenisnya. Sifat kimia menyangkut reaksi logam dengan lingkungannya, serta komposisi kimia umum) [1]. A.



Deformasi Elastis dan Plastis Pengalaman menunjukkan bahwa semua bahan padat dapat berubah bentuk ketika mengalami beban eksternal. Deformasi plastis adalah deformasi atau perubahan bentuk yang terjadi pada benda secara permanen, walaupun beban yang bekerja ditiadakan. Secara skamatika, perbedaan deformasi elastis dan deformasi plastis yang di tunjukkan dalam suatu diagram tegangan-regangan dapat dilihat pada (gambar 1). Bila suatu benda dikenai beban sampai daerah plastis, maka perubahan bentuk yang terjadi adalah gabungan antara deformasi elastis dan deformasi plastis. Penjumlahan dari kedua deformasi ini merupakan deformasi total. Bila beban kerja ditiadakan, maka deformasi elastis akan hilang juga, sehingga yang tertinggal adalah deformasi plastis. Untuk sebagian besar bahan, selama beban tidak melebihi batas elastis, deformasi sebanding dengan beban. Hubungan ini dikenal sebagai hukum Hooke; yang dinyatakan sebagai stres sebanding dengan regangan. Hukum Hooke mengharuskan bahwa hubungan beban-deformasi maka harus linier. Namun, itu tidak selalu mengikuti semua materi yang berperilaku elastis akan memiliki hubungan tegangan-regangan linear. Karet adalah contoh dari bahan dengan hubungan tegangan-regangan nonlinier yang masih memenuhi definisi bahan elastic [2].



Gambar 1. Deformasi elastis dan plastis pada kurva tegangan dan regangan hasil uji tarik [3].



Sebuah fitur yang sangat penting dari kurva tegangan-regangan adalah pada garis lurus, atau elastis, bagian dari kurva tegangan-regangan dari yang diberikan logam memiliki kemiringan yang konstan. Artinya, tidak dapat diubah dengan mengubah struktur mikro dengan perlakuan panas. Kemiringan ini, yang disebut modulus elastisitas,



menunjukan kekakuan dari logam dalam rentang elastis, mengubah kekerasan atau kekuatan tidak mengubah kekakuan logam [4]. Kemampuan bahan untuk menahan tegangan tanpa kerusakan. Atau kemampuan suatu bahan dalam menerima beban, semakin besar beban yang mampu diterima oleh bahan maka benda tersebut dapat dikatakan memiliki kekuatan yang tinggi. Dalam kurva tegangan–regangan (stress-strain), kekuatan dapat dilihat dari sumbu-y (stress), semakin tinggi nilai stress-nya maka bahan tersebut lebih kuat. Bentuk perbandingan kurva tegangan vs regangan dari ketiga bahan baja dapat dilihat pada gambar berikut:



Gambar 2. Perbandingan kurva stress-strain hasil uji tarik 3 jenis baja [5].



Elastisitas adalah sifat benda yang cenderung mengembalikan keadaan ke bentuk semula setelah mengalami perubahan bentuk karena pengaruh gaya (tekanan atau tarikan) dari luar. Benda-benda yang memiliki elastisitas atau bersifat elastis, seperti karet gelang, pegas, dan pelat logam disebut benda elastis. Adapun benda-benda yang tidak memiliki elastisitas (tidak kembali ke bentuk awalnya) disebut benda plastis. Contoh benda plastis adalah tanah liat dan plastisin (lilin mainan). Ketika diberi gaya, suatu benda akan mengalami deformasi, yaitu perubahan ukuran atau bentuk. Karena mendapat gaya, molekul-molekul benda akan bereaksi dan memberikan gaya untuk menghambat deformasi. Gaya yang diberikan kepada benda dinamakan gaya luar, sedangkan gaya reaksi oleh molekul-molekul dinamakan gaya dalam. Ketika gaya luar dihilangkan, gaya dalam cenderung untuk mengembalikan bentuk dan ukuran benda ke keadaan semula. B.



Pengaruh Suhu



Kegagalan distorsi yang disebabkan oleh kelebihan beban dapat terjadi pada setiap suhu di mana kekuatan aliran material kurang dari kekuatan patah. Dalam diskusi ini, aliran kekuatan didefinisikan sebagai stres benar rata yang diperlukan untuk



menghasilkan deformasi plastik terdeteksi disebabkan oleh relatif lambat, aplikasi terus meningkat beban; kekuatan patah adalah stres benar rata-rata di fraktur disebabkan oleh relatif lambat, aplikasi terus meningkat beban. Kekuatan aliran dan fraktur kekuatan material tergantung suhu, seperti modulus elastisitas (modulus Young, modulus bulk, atau modulus geser). Gambar 3. menggambarkan ketergantungan suhu ini secara skematik untuk bahan polikristalin yang tidak mengalami transformasi solid. Dua kekuatan arus diperlihatkan: satu untuk bahan yang tidak memiliki transisi ulet-ke-getas dalam perilaku fraktur, seperti logam dengan kubik struktur face-centered cubic (fcc), dan satu untuk body centered cubic (bcc) materi yang menunjukkan transisi ulet-ke-getas [1].



Gambar 3. Diagram ketergantungan suhu elastis, plastik, dan perilaku patah bahan polikristalin yang tidak menunjukkan transformasi solid-state. bcc, body centered cubic; fcc, facecentered cubic; T, instantaneous absolute temperature; TM, suhu lebur absolut dari material [1].



Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3, Aliran kekuatan, kekuatan patah, dan modulus elastisitas material umumnya menurun dengan meningkatnya suhu. Jika struktur dapat menerima beban tertentu pada suhu 20° C (70° F), dapat menerima beban yang sama tanpa deformasi pada suhu yang lebih rendah. Menekankan anggota yang terbuat dari bahan yang memiliki transisi patah ulet-ke-getas kadang-kadang akan patah secara spontan jika suhu transisi diturunkan ke nilai bawah. Jika suhu meningkat sehingga kekuatan aliran menjadi lebih rendah dari tegangan yang diterapkan, struktur dapat berubah bentuk secara spontan tanpa peningkatan beban. Perubahan suhu juga dapat menyebabkan kegagalan elastis-distorsi karena perubahan modulus, yang mungkin terjadi dalam perangkat kontrol di mana akurasi tergantung pada defleksi elastis diprediksi dari elemen kontrol atau elemen penginderaan. Untuk bahan struktural, kurva mendefinisikan ketergantungan suhu sifat elastis dan plastik relatif datar pada suhu mendekati 20° C (70° F). Untuk baja, modulus yang sedikit menurun sampai suhu sekitar 320-370° C (600 sampai 700° F), dicapai, di mana titik modulus mulai menurun lebih cepat [1]. C.



Perilaku Nonlinier



Pada pembahasan bagian elastis dari kurva tegangan-regangan di atas berlaku untuk hampir semua logam. Namun, ada beberapa logam yang tidak sesuai dengan hukum Hooke, yang menyatakan bahwa stres dan ketegangan yang linear proporsional dalam rentang elastis. Gambar 4. Menunjukkan kurva tegangan-regangan untuk tiga kelas dari besi cor kelabu [6]. Sifat nonlinear ini disebabkan oleh serpihan grafit yang tertanam di matriks baja yang membuat besi cor bersifat unik. Serpih itu bertindak sebagai takik internal, atau konsentrasi tegangan, ketika logam dimuat dalam ketegangan. Mereka cenderung menyebabkan mikroskopis-dan irreversible-menghasilkan pada sisi atau ujung serpih. Dengan demikian, "elastis" Sifat dari besi cor kelabu ditentukan, sebagian, oleh ukuran, bentuk, dan distribusi serpihan grafit. Besi cor pada dasarnya merupakan paduan eutektuk dari besi dan karbon. Dengan demikian temperature lelehnya relative rendah, yitu sekitar 1200⁰C. temperature leleh yang rendah sangat menguntungkan, karena mudah dicairkan, sehingga pemakaian bahan bakar/energy lebih hemat dan murah. Besi cor kelabu mengandung unsure silicon yang relative tinggi yaitu antara 1-3%. Dengan kandungan silicon sebesar ini besi cor kelabu akan membentuk garfit dengan mudah, sehingga fasa karbida (Fe3C) tidak terbentuk. Grafit serpih besi cor kelabu ini terbentuk saat proses pembekuan. Besi cor kelabu memiliki kadar karbon antara 2,5-4,0% kandungan mangan antara 0,002-1,0%, dan sulfur antara 0.02-0,025% [7].



Gambar 4. Kurva tegangan-regangan untuk tiga kelas dari besi cor kelabu. nonlinear ini Perilaku ini disebabkan oleh serpihan grafit, yang bertindak sebagai internal konsentrasi tegangan, atau takik, dalam matriks logam [8]. D.



Stress Memiliki Dua Fungsi Hal lain yang harus dilakukan tentang kurva tegangan-regangan bahwa mereka berlaku untuk tekanan dua arah. Biasanya hanya bagian tarik pada kurva yang ditampilkan, seperti pada Gambar. 1 dan 2 namun, bagian garis lurus juga meluas ke wilayah kompresi, seperti ditunjukkan pada Gambar 5. Dalam logam yang memiliki



kekuatan yield, kekuatan yield tekan biasanya dianggap kurang lebih setara dengan kekuatan luluh tarik. Dengan logam ulet dalam kompresi, tidak ada titik akhir yang pasti. Akibatnya, titik akhir harus menjadi nilai sewenang-wenang yang dipilih tergantung pada tingkat distorsi yang dianggap sebagai menunjukkan kegagalan lengkap dari bahan [1]. Logam tertentu gagal dalam kompresi oleh jenis menghancurkan fraktur; ini biasanya bahan yang lebih rapuh yang tak berubah bentuk plastis. Gray besi cor, yang relatif lemah dalam ketegangan karena massa serpih grafit internal memiliki kuat tekan yang beberapa kali kekuatan tarik [6].



Gambar 5. Kurva rekayasa tegangan-regangan menunjukkan wilayah tarik (kanan atas) dan wilayah kompresi sering digambarkan (kiri bawah) [9]. E.



Pengaruh Konsentrasi Tegangan Konsentrasi Tegangan adalah salah satu faktor yang paling penting menentukan kekuatan kelelahan dari komponen bahan. Data pada kekuatan bahan untuk konsentrasi tegangan yang diperlukan untuk pemilihan bentuk rasional dari elemen struktur serta untuk perhitungan kekuatan. itu juga diketahui bahwa dalam kondisi suhu normal kekuatan bahan plastik di bawah beban statis biasanya tidak berkurang karena adanya konsentrator stres. pengaruh suhu rendah pada kepekaan bahan untuk konsentrasi tegangan belum diteliti cukup [10]. Semakin keras dan kuat logam, adalah semakin sensitif untuk menekankan konsentrasi. Oleh karena itu, tinggi-kekerasan, tinggi kekuatan logam harus diperlakukan dengan hati-hati; hampir semuanya penting karena logam tersebut tidak dapat dengan mudah mentolerir konsentrasi tegangan. Mereka tidak bisa mengalir, atau rusak plastis, di daerah ulet yang sangat menekankan dari konsentrasi tegangan sama mudahnya seperti kekerasan logam sedikit lebih rendah [9].



[1]



Referensi A. S. M. Handbook, Failure Analysis and Prevention, vol. 11. ASM International,



[2] [3]



[4] [5]



[6] [7] [8] [9] [10]



2002. G. E. Dieter and D. Bacon, “Mechanical metallurgy,” Journal of the Franklin Institute, vol. 273, no. 4. p. 338, 1962. Anonim, “Berkenalan dengan Tegangan Regangan.” [Online]. Available: http://kampustekniksipil.berkenalan-dengan-tegangan-regangan.html. [Accessed: 20-Mar-2016]. Handbook, Society of Automotive Engineers, J401,1991, ed. . Anonim, “Sifat-Sifat Mekanik Bahan.” [Online]. Available: http://www.teknikmesin.org/sifat-sifat-mekanik-bahan/). [Accessed: 20-Mar2016]. A. S. M. Handbook, Properties and Selection: Irons, Steels, and High-Performance Alloy, vol. 1. ASM International, 2005. A. S. M. Handbook, Metallography and Microstuctures, vol. 9. ASM International, 2004. R. S. Archer, J. Z. Briggs, and J. CM. Loeb, “Molybdenum Steels-Irons-Alloys,” Hudson Press, 1948. D. J. Wulpi, Understanding How Components Fail, 2nd ed. ASM International, 1999. B. I. Koval’chuk, V. N. Rudenko, A. M. Khvatan, and A. L. Sadovnikov, “Effect of stress concentration on the mechanical properties of the 1201T1 aluminum alloy at low temperatures,” vol. 20, 1988.



BAB 6. TEGANGAN LAWAN REGANGAN Pada dasarnya tegangan dapat didefinisikan sebagai besaran gaya yang bekerja pada suatu satuan luas. Pada suatu bidang yang dikenal dengan suatu gaya akan terdapat dua jenis tegangan yang mempengaruhi bidang tersebut yaitu tegangan normal dan tegangan geser. Tegangan normal adalah tegangan yang tegak lurus terhadap permukaan benda yang ditimbulkan oleh gaya aksial dan momen lentur. Tegangan geser adalah tegangan yang sejajar terhadap permukaan benda yang ditimbulkan oleh gaya geser dan gaya puntir dan torsi. Tegangan normal sacara matematis dapat didefinisikan sebagai ∆𝐹 𝜎 = lim ∆𝐴 Dimana σ= tegangan F= gaya A= alas permukaan Tegangan normal terbagi menjadi dua macam yaitu tegangan normal yang memiliki suatu tarikan ( tension ) pada permukaan benda. Tegangan normal yang menghasilkan suatu dorongan ( compresion ) pada permukaan benda. Komponen lain dari intensitas gaya yang bekerja sejajar dengan bidang dari luas elemen adalah seperti terlihat diatas merupakan tegangan geser yang dilambangkan dengan τ yang secara matematis di rumuskan. ∆𝑉



τ= ∆𝐴



dimana τ=kecepatan V= kecepatan A= luas area Regangan dinyatakan sebagai pertambahan per satuan panjang. Hukum Hooke menyatakan bahwa dalam batas batas tertentu, tegangan pada suatu bahan adalah berbanding lurus dengan regangan[1].



A. 1.



Distribusi Tegangan Elastis Untuk Bentuk Sederhana Ketegangan Suatu diskontinuitas dalam benda misalnya lubang atau takik misalnya akan mengakibatkan distribusi tegangan tidak merata disekitar diskontinuitas tersebut. Pada beberapa daerah didekat diskontinuitas, tegangan akan lebih tinggi daripada tegangan rata-rata yang jauh letaknya dari diskontinuitas. Jadi telah terjadi konsentrasi tegangan pada diskontinuitas. Konsentrasi tegangan dinyatakan dengan faktor tegangan K. Pada umumnya K adalah sebagai perbandingan antara tegangan maksimum dengan tegangan nominal terhadap dasar penampang sesungguhnya[2]. 𝜎𝑚𝑎𝑘𝑠𝑖𝑚𝑎𝑙 𝜎𝑚𝑖𝑛𝑖𝑚𝑎𝑙



K=



Gambar 1. Tegangan maksimal connecting rod baja AISI 1045 pada temperatur 27 °C[1]



2.



Puntiran Apabila benda dengan salah satu ujungnya diklem sedang ujung yang lain diberi torsi, maka akan terjadi tegangan dan regangan puntir. Apabila benda kembali ke keadaan semula setelah gaya yang bekerja dihilangkan, maka benda dikatakan mengalami elastisitas puntir. Menurut Daryanto, tegangan puntir merupakan kasus khusus dari geseran, dimana suatu benda yang mempunyai penampang dipuntir oleh gaya. Rasio tegangan puntir terhadap regangan puntir disebut modulus torsi. Modulus ini hampir konstan untuk tegangan kecil, yang menunjukkan bahwa regangan berubah secara linier terhadap tegangan, yang disebut juga sebagai Hukum Hooke untuk tegangan torsional. Untuk kebanyakan bahan modulus puntir ini besarnya antara setengah hingga sepertiga dari modulus Young.



Jika suatu logam, misalnya kawat berada dalam keadaan setimbang tetapi dipengaruhi oleh gaya-gaya yang berusaha menarik, menggeser atau menekannya maka bentuk benda akan berubah. Jika benda kembali ke bentuk semula setelah gaya-gaya tersebut dihilangkan, benda dikatakan elastis. Kebanyakan benda elastik terhadap gayagaya sampai batas elastiknya. Dengan demikian jika gaya-gaya melampaui batas elastiknya, benda akan berubah bentuk secara permanen[3].



Gambar 2.Puntiran pada kawat[3]



3.



Kompresi Dalam kompresi murni, tegangan tekan seragam di bagian jika tidak ada Konsentrasi tegangan lokal atau cacat hadir. Sebuah melintang , atau annular , groove atau kedudukan bertindak sebagai konsentrasi tegangan, dengan peningkatan besarnya meningkat dengan ketajaman takik . Pada akar takik , aksial meningkatkan tegangan tekan sangat, seperti ditunjukkan pada. Sebuah melintang ook lubang berkonsentrasi tegangan tekan di sisi[4]. 4. Pembengkokan Pengaruh sebuah gaya pada suatu benda dapat menyebabkan kecendrungan untuk menggerakan benda ( tarik dan tekan ) dan memutar benda rotasi ( rotasi ). Kecendrungan untuk memutar untuk memutar tersebut merupakan pengaruh gaya terhadap benda yang ditinjau dari titik tertentu atau titik putaran yang letaknya pada benda luar gaya tersebut. Pengaruh putaran ini disebut momen yang besarnya ditentukan oleh besar gaya dan lengan momen. Jika sejumlah gaya bekerja pada suatu gelagar ( beam ) yang mendapat tumpuan setiap ujungnya gaya akan menyebabkan terjadinya bengkokan maka momen yang timbul disebut momen bengkok[5]. 5. Interferensi Fit ( Tekan atau Shrink ) Kekuatan tarik adalah kemampuan beban menahan atau menerima beban atau tegangan tarik sampai putus. Kekuatan tarik suatu bahan dapat ditetapkan dengan membagi gaya maksimal dengan luas penampang mula.[1] 6. Transfer Tegengan Geser Langsung Ketika suatu penampang mendapat dua gaya yang sama besar dan berlawanan arah, dan bekerja secara tangensial pada penampang tersebut, akibatnya benda tersebut cendrung robek melalui penampang tersebut seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 3.



Tegangan yang ditimbulkan disebut tegangan geser. Regangannya disebut regangan geser[6]. Misalkan sebuah kubus dengan panjang l mempunyai tumpuan tetap pada permukaan dasar AB. Misalkan sebuah gaya P diberikan pada permukaan DC, tangensial terhadap permukaan AB. Karena gaya, misalkan kubus berubah dari ABCE ke ABC1D1 melalui sudut.



Gambar 3. Tegangan geser pada keling[6]



7.



Dinding Tipis Bejana Tekanan Cairan terkompresi dalam dinding tipis bejana tekanan penyebab tekanan melingkar dan longitudinal tarik, seperti ditunjukkan pada Gambar. 8. tegangan tarik maksimum tidak adanya stres konsentrasi biasanya dekat pusat panjang dan di yang melingkar (harapan) arah. Ini cenderung menyebabkan memanjang membelah pecah jika tekanan internal menyebabkan banyak stres terlalu tinggi untuk kekuatan material di bawah kondisi terlibat. Dalam dunia nyata, Konsentrasi stres yang selalu hadir bentik, biasanya dalam bentuk inlet dilas, outlet, bentuk terbentuk, dan sejenisnya. masing-masing atau tesis harus dianggap individual sehubungan dengan jenis patahan yang terlibat. Pemisahan pecah memanjang Tercatat di atas kadang-kadang terkait dengan jahitan las longitudinal, entah di las itu sendiri atau di zona yang terkena panas. fraktur kelelahan kadang-kadang diamati, untuk setiap penekanan Merupakan satu siklus stres; dalam hal ini ada perlu ada menggembung permanen atau deformasi plastik lainnya, untuk tekanan kapal tidak perlu telah melebihi tekanan[6]. 8. Asal Patahan Dibawah Permukaan Dalam kondisi patah tulang certainement dapat berasal pada kedalaman yang signifikan di bawah permukaan . Ini adalah Khususnya benar atau kelelahan patah tulang di bagian thathave ada konsentrasi tegangan pada permukaan tetapi memiliki kekuatan gradien curam, seperti yang terjadi certainement jenis atau pengerasan kasus. Patahan bawah permukaan asal terjadi di Ketegangan menekankan bagian di mana ada



konsentrasi tegangan internal, menggambarkan patahan bawah permukaan prinsip di balik asal atau bagian zoals itu poros tegangan di membungkuk atau torsi. Jenis pemuatan atau menyebabkan tegangan untuk turun ke nol pada sumbu netral, di atau dekat pusat bagian[4].



Gambar 4. Patahan asli dibawah permukaan[4]



[1]



[2]



[3] [4] [5] [6]



Referensi J. Teknik, M. Fakultas, and T. Universitas, “ANALISA DISTRIBUSI TEGANGAN DAN DEFLEKSI CONNECTING ROD SEPEDA MOTOR 100 CC MENGGUNAKAN METODE ELEMEN,” 2007. M. H. Palmiyanto, J. T. Mesin, A. Teknologi, and W. Surakarta, “Perbandingan Hasil Analisa Konsentrasi Tegangan Pada Plat Berlubang Akibat Beban Tarik Dengan Menggunakan Metode Elemen Hingga dan Kajian Eksperimen,” pp. 1–8. E. Istiyono, “Kajian Sifat Mekanik Bahan,” vol. 11, no. 1, pp. 56–86, 2006. J. L. McCall, Understanding how components fail, vol. 19, no. 1. 1986. A. . Fallis, Pembentukan Plat, vol. 53, no. 9. 2013. A. D. Yunus, “Diktat mekanika kekuatan material,” 2010.



BAB 7. TEGANGAN SISA Tegangan sisa adalah tekanan diri menyeimbangkan ada dalam bahan atau komponen dalam kondisi suhu yang seragam. Hal ini juga ditetapkan bahwa pada prinsipnya tidak ada bahan dan tidak ada komponen atau struktur penting teknis ada bebas dari tegangan sisa. Tekanan tersebut selalu diproduksi jika daerah material yang elastis atau plastis di homogen cacat sedemikian cara permanen yang tidak kompatibel dari negara deformasi terjadi. Dalam bahan, komponen dan struktur berbagai negara tegangan sisa mungkin ada karena berbagai perawatan teknologi dan proses manufaktur [1]. Stabilitas tegangan sisa sangat penting untuk penilaian pengaruh tegangan sisa pada perilaku kelelahan. Pembaca disebut pada ini artikel "Stability of Residual Stresses", yang berkaitan dengan relaksasi tegangan sisa akibat monoton atau sirkulasi pembebanan atau karena energi panas. Hal ini menunjukkan ada bahwa kondisi tegangan sisa mikro lebih stabil terhadap relaksasi mekanis dan termal yang disebabkan dari tegangan sisa makro. Di sisi lain, hal ini juga membuktikan bahwa selama keadaan kelelahan tegangan sisa mikro dari baja yang diberikan dapat diubah oleh siklus pengerasan dan atau proses siklus pelunakan, yang terkait erat dengan siklus deformasi plastik. Oleh karena itu, selama kelelahan pembebanan komponen dengan lokal yang bervariasi keadaan tegangan sisa makro serta mikro, interaksi kompleks dari keadaan tegangan sisa makro dengan siklus pembebanan tekanan dan keadaan tegangan sisa mikro dengan pengerasan kerja dan atau terjadi proses pelunakan kerja. Dalam kasus kedua, jumlah siklus deformasi plastik adalah parameter yang paling penting. Sejak saat beban kelelahan yang mengakibatkan ketahanan teknis yang relevan atau dalam kehidupan yang tak terbatas, siklus deformasi plastik menurun dengan meningkatnya kekerasan, umumnya diharapkan bahwa pengaruh tegangan sisa makro lebih rendah pada baja kekuatan rendah daripada di baja kekuatan tinggi [2]. Meskipun tegangan sisa sulit untuk divisualisasikan, sulit untuk diukur, dan hampir mustahil untuk dihitung, tegangan sisa hanya sebagai fungsi penting dalam bagian seperti kekuatan diterapkan secara eksternal yang mudah divisualisasikan, diukur, dan dihitung. Sebuah butir, atau kristal, logam bereaksi terhadap tegangan yang sedang dialami apakah



sumber tegangan dari luar atau dari dalam. Sebuah tegangan baik dari jenis sumber dapat mengakibatkan masalah serius fraktur dan distorsi. Untuk alasan inilah, tegangan sisa harus dipertimbangkan dalama analisa kegagalan, meskipun mereka jauh lebih sulit untuk divisualisasikan dan dipahami daripada tegangan yang digunakan [3]. Tegangan sisa adalah kekuatan internal yang tidak terbatas pada bagian logam atau pemasangan yang tercakup dalam pekerjaan ini. Bagian atau rakitan terbuat dari bahan apa saja pada ekspansi yang tidak merata dan kontraksi akibat variasi suhu, kelembaban, pengikat, dan sejenisnya. Air membeku di pipa dapat menyebabkan pipa meledak karena air mengembang ketika membeku. Ini sesungguhnya adalah penerapan tegangan, tetapi bisa dimisalkan dengan dengan internal. Bahkan tubuh besar seperti bumi memiliki retak, yang ahli geologi menyebutnya "jalur patahan". Ketika kekuatan internal (tegangan sisa) me-nyebabkan gerakan terkait-terlepas secara merata di sepanjang garis patahan ini, piringan yang berdekatan bergeser terhadap satu sama lain mengakibatkan gempa bumi, yang merupakan pelepasan tiba-tiba sejumlah besar energi yang tersimpan dalam crus bumi [3].



Gambar 7.1 Tegangan Sisa Pada Batang Panjang. (Sumber: [3])



Ini adalah kesalahan serius untuk berpikir bahwa semua tegangan sisa berbahaya. Memang, ada sejumlah proses manufaktur di mana satu-satunya tujuan adalah untuk memperkenalkan pola keuntungan tegangan sisa dalam bagian-bagian penting. Proses ini meliputi kasus pengerasan, penembakan peening, dan pergantian permukaan. Di sisi lain, ada proses manufaktur yang harus dikendalikan hati-hati untuk mencegah tegangan sisa yang tidak menguntungkan. Proses ini termasuk grinding, pengelasan, dan beberapa operasi permesinan. Secara umum, biasanya diharapkan untuk memiliki tegangan sisa tekan tinggi pada permukaan bagian yang kelelahan, tegangan korosi, dan resah. Namun, salah satu harus menyadari bahwa harus ada keseimbangan tegangan tarik sisa pada suatu bagian. Dalam keadaan tertentu, pada internal tegangan tarik sisa ini bisa menjadi masalah. Ada beberapa fakta mendasar yang harus dipahami tentang tegangan sisa, antara lain [3]:



1.



2.



3.



4.



5.



Sistem tegangan sisa yang seimbang. Artinya, jika salah satu bagian dari sistem diubah, sisa sistem akan mengubah atau menyesuaikan untuk menjaga keseimbangan. Perubahan ini atau hasil penyesuaian distorsi, atau perubahan dimensi, dari bagian yang terkait. Distorsi ini dapat digunakan untuk memperkirakan besar dan arah tegangan sisa. Sistem tegangan sisa tiga dimensi. Misalnya, di poros kita bisa memikirkan tegangan sisa di longitudinal, melingkar (juga disebut "tangensial" atau "hoop" ), dan arah radial. Dalam permukaan datar, seperti dalam lembaran atau pelat, mereka berada di arah longitudinal, transversal, dan arah tebal. Dalam kebanyakan kasus, salah satu arah tidak begitu penting dan dapat diabaikan, seperti radial, atau arah tebal, tekanan ditulis di atas. Sistem tegangan sisa dijelaskan dalam hal tegangan tarik dan tekan, meskipun mau tidak mau juga harus ada komponen tegangan geser. Karena mereka adalah sistem yang seimbang dari kekuatan, masing-masing tegangan tarik sisa (menciptakan gaya tarik) harus seimbang oleh tegangan sisa tekan yang sama dan berlawanan (menciptakan gaya tekan). Ini adalah konsekuensi Hukum Ketiga Newton tentang Gerak: Setiap gaya harus memiliki kekuatan yang sama dan berlawanan reaktif atau menye-imbangkan. Sistem tegangan sisa dapat dijelaskan dalam tiga skala besarnya makro, mikro, dan kisi sebagai berikut: a. Skala makro: Skala ini meliputi seluruh bagian penampang. Jika daerah dekat permukaan dalam kompresi residual, misalnya, daerah dekat pusat harus berada dalam ketegangan sisa untuk menye-imbangkan sistem kekuatan. Ini adalah skala biasanya dianggap untuk tujuan rekayasa. b. Skala mikro: Skala ini digunakan dalam pertimbangan tekanan dalam butir individu, atau kelompok butiran. Butir dipengaruhi oleh medan tegangan makro di mana mereka berada, tapi setiap butir berorientasi secara acak dan memiliki cacat mikro berbeda dari butiran-butiran disekitarnya. Tegangan sisa dalam kelompok butiran-butiran yang rata-rata bila diukur dengan metode difraksi sinarX pengukuran kuantitatif. c. Skala kisi: Karena setiap butir terdiri dari struktur kisi atom tiga dimensi, distorsi dari kisi di arah tertentu sebenarnya diukur dengan metode X–ray. Kisi pada dasarnya adalah ukuran tekanan sub mikroskopis. Karena distorsi kisi tidak dapat diukur secara individual, mereka dapat diobati secara statistik dan rata-rata pada skala mikro dan skala makro. Sistem tegangan sisa dipengaruhi oleh atom asing yang dimasukkan ke dalam struktur kisi. Selama perlakuan panas baja, seperti di carburizing, carbonitriding, nitrocarburizing, dan nitriding , atom karbon dan nitrogen sengaja menyebar ke permukaan dan dekat permukaan daerah pada temperatur tinggi. Karena atomatom ini menempati ruang dalam kisi, mereka cenderung menghasilkan tekan tegangan sisa sejajar dengan permukaan. Memang, ini adalah salah satu alasan utama untuk penggunaan perlakuan panas permukaan ini, selain keinginan untuk meningkatkan kekerasan, kekuatan, dan ketahanan aus/gesek.



6.



Untuk kekuatan fatigue fracture (patah lelah), daerah permukaan harus memiliki tegangan sisa tekan di arah yang tegak lurus terhadap arah patah lelah yang diharapkan, asalkan tegangan tarik maksimum diterapkan di permukaan. Dengan kata lain, tegangan sisa tekan dapat digunakan untuk menetralkan, atau melawan, tekanan tarik yang berpotensi merusak. Demikian pula, tegangan sisa tarik pada atau dekat permukaan sebagian harus dihindari karena mereka akan menambah tegangan tarik dari peralatan dan dapat menyebabkan kegagalan prematur. 7. Sistem tegangan sisa dapat dibentuk dan diubah, oleh banyak proses manufaktur dan kondisi peralatan seperti yang menyebabkan perubahan termal, metalurgi, mekanik, atau bahan kimia dalam logam. Hal ini penting karena hampir semua proses dan perawatan di bidang manufaktur dan berbagai kondisi peralatan memiliki kemungkinan yang berbeda mempengaruhi sistem tegangan sisa untuk menjadi lebih baik atau buruk. Tabel 7.1 mencantumkan beberapa dari banyak cara di mana tegangan sisa dapat diubah dalam logam tertentu. Pemeriksaan yang cermat dari daftar ini mengungkapkan bahwa hampir segala sesuatu yang dapat dilakukan pada logam memiliki potensi mempengaruhi pola tegangan sisa. Implikasi dari faktor-faktor ini akan dieksplorasi dalam bagian berikutnya. Pertama, mari kita mempelajari mekanisme dasar pembentukan tegangan sisa: termal, metalurgi, mekanik, dan kimia [3]. Tabel 7.1 Faktor-Faktor Yang Dapat Mempengaruhi Tegangan Sisa. (Sumber: [3])



Faktor Perlakuan Panas



Faktor Perlakuan Panas



Treatment  Heat treatment  Stress relieving  Annealing  Hardening  Tempering  Diffusion treatment  Carburizing  Carbonitriding  Nitrocarburizing  Cyaniding  Nitriding Treatment  Fabrication with heat  Welding  Flame cutting  Hot forming  Casting  Shrink fitting  Operation at elevated temperatures  Electrical discharge machining



Perlakuan Mekanik



Perlakuan Kimia



A.



 Machining, grinding, and polishing  Mechanical surface treatments  Shot peening  Surface rolling  Hammer peening  Ballizing  Cold forming
  Stretching
  Drawing
  Upsetting
  Bending and straightening  Twisting  Autofrettage  Interference fitting
  Service overloads
  Explosive stressing
  Cyclic stressing
  Wear, chafing, bruising, gouging, and cracking  Etching
  Corrosion
  Surface coating and plating



Tegangan Sisa Panas Tegangan sisa thermal (panas) disebabkan oleh ekspansi diferensial ketika logam dipanaskan dan kontraksi ketika didinginkan. Perubahan yang terjadi dalam logam sebagai akibat dari ketidakcocokan menyebabkan termal diinduksi tegangan sisa [3]. Pembentukan tegangan sisa thermal adalah hasil dari dua faktor yaitu panas (termasuk kurangnya panas, atau pendinginan) dan menahan diri (pengendalian diri). Kedua faktor thermal dan pengendalian diri harus ada untuk menghasilkan tegangan sisa, atau untuk mempengaruhi pola tegangan sisa [3]. Prinsip dasar untuk memahami tegangan sisa termal adalah sebagai berikut[3]: Logam yang mendingin terakhir adalah ketegangan sisa (jika tidak ada transformasi pengerasan) Prinsip ini harus hafal jika pemahaman tentang tegangan sisa termal yang diharapkan. Tegangan sisa termal dapat lebih dipahami ketika dipertimbangkan contoh berikut [3]: 1. Sebuah batang logam mengembang ke segala arah ketika dipanaskan secara seragam ke suhu subkritis, seperti ditunjukkan pada Gambar 7.2(a). Artinya, kenaikan volume sebagai akibat dari ekspansi termal, seperti yang ditunjukkan oleh garis putus-putus. Dengan asumsi bahwa tidak ada transformasi pengerasan atau efek lingkungan, batang akan menyusut kembali ke bentuk dan ukuran asli ketika mendingin pada suhu lingkungan aslinya. Tetapi karena panas tidak menahan diri maka tidak ada tegangan sisa yang dihasilkan.



(a)



(b)



ekspansi tak terkendali dan kontraksi



ekspansi terkendali, kontraksi tak terkendali



(c) ekspansi terkendali dan kontraksi. Gambar 7.2 Tegangan sisa termal. (Sumber: [3])



2. Jika batang logam identik lembut diadakan antara abutment (seperti dicatok) dan juga keseragaman panas tanpa pengiriman panas ke abutment, batang logam akan memperluas untuk volume yang sama bahwa itu dalam contoh pertama, seperti ditunjukkan pada Gambar 7.2(b). Namun, karena tertahan longitudinal, tidak dapat bertambah panjang. Oleh karena itu, pada suhu tinggi, ia menghasilkan tekanan (atau "merusak") karena modulus elastisitas dan menghasilkan kekuatan lebih rendah pada suhu tinggi. Karena harus mencapai volume yang sama sebagai batang pada Gambar 7.2(a), ketika panas ukuran melintang harus melebihi pada contoh pertama. Ketika didinginkan sampai suhu aslinya, menjadi lebih pendek dari itu awalnya dan jatuh dari antara abutment, atau pertunjukan. Seperti pada contoh pertama, tidak ada tegangan sisa yang dihasilkan karena bar tertahan selama pemanasan tetapi tidak selama pendinginan. 3. Jika batang dipanaskan dengan suhu tinggi yang sama, hasil mudah ditekan dan mengembang seperti yang terjadi sebelumnya, tapi selama pendinginan itu berbeda reaksi. Seperti mendingin ke suhu awal, menyusut dan mencoba untuk jatuh dari abutment, seperti yang terjadi sebelumnya. Oleh karena itu, sebuah tegangan sisa tarik yang dihasilkan sebagai bagian batang mencoba untuk mengkerut dari abutment. Karena batang adalah satu-satunya bagian yang dipanaskan, bagian itulah yang terakhir dingin, sehingga menghasilkan tegangan sisa tarik ketika menahan diri



dari perubahan dimensi di kedua arah. Jika tegangan sisa tarik melebihi kekuatan tarik, batang mungkin patah jika terbuat dari logam rapuh. B. Tegangan Sisa Mekanik Untuk memahami tegangan sisa mekanik, mari kita pahami prinsip lengkungan: seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7.3, lengkungan batu dibangun sedemikian rupa bahwa sendi penting antara batu lengkungan tegak lurus dengan kontur bagian dalam lengkungan. Jika semakin besar beban batu di atas lengkungan, maka semakin besar kekuatan tekan menekan lengkungan batu bagian dalam. Lengkungan batu lebih stabil dan aman [3]. Unsur kuncinya adalah tegangan tekan menekan batu secara bersama-sama. Mereka tidak bisa terlepas karena sendi yang tegak lurus terhadap tegangan tekan paralel dengan kontur bagian dalam lengkungan. Prinsip yang sama juga digunakan pada banyak jembatan modern dan bendungan yang tinggi. Sebuah sketsa bendungan Hoover (sebelumnya Boulder), seperti pada Gambar 7.4 , menunjukkan bahwa bendungan melengkung, ditopang oleh gunung di setiap ujungnya, memiliki tekanan tinggi dari perairan Danau Mead yang mencoba untuk memaksa ujung bendungan terhadap pegunungan, menempatkan tegangan tekan ke dalam lengkungan seperti bendungan [3].



Gambar 7.3 Prinsip lengkungan. Sambungan antara blok batu yang radial, atau tegak lurus, ke permukaan dalam lengkungan. (Sumber: [3])



Sedikit analogi, lengkungan rusak karena batas butir tidak selalu tegak lurus terhadap permukaan. Namun , butiran logam dan batas butir memiliki kekuatan tarik dan geser, sementara blok yang berdekatan batu tidak memiliki kekuatan tarik dan geser. Prinsip umum yang harus diingat tentang diinduksi tegangan sisa mekanik adalah sebagai berikut: tegangan tarik menghasilkan beban yang digunakan pada tegangan sisa saat beban tekan dilepaskan, dan sebaliknya. Prinsip sederhana ini adalah makna yang mendasar, untuk itu dasar semua perawatan mekanikal dimaksudkan untuk meningkatkan kekuatan kelelahan dan ketahanan terhadap retak dari tegangan korosi dan dari keausan [3].



Gambar 7.4 Sketsa pandangan khayal dari Bendungan Hoover menunjukkan seperti konstruksi lengkungan. (Sumber: [3])



Untuk menggambarkan prinsip ini, Gambar 7.5(a) menunjukkan bola sangat sulit ditekan ke permukaan logam. Pada saat penetrasi terdalam, permukaan melengkung, yang semula datar, membentang menjadi bentuk bulat sebagian (cekungan). Hal ini telah menghasilkan tegangan ke segala arah sejajar dengan permukaan saat beban diberikan. Pada saat yang sama, logam bawah bola telah menghasilkan kompresi pada arah radial yaitu, tegak lurus dengan kontur bola. Ini merupakan kondisi pada saat penetrasi terdalam [3]. Ketika beban pada bola dilepaskan , seperti ditunjukkan pada Gambar 7.5(b), pemulihan elastis berlangsung dan lekukan dipaksa ke luar menjadi lekuk sedikit dangkal dari itu pada penetrasi terdalam. Ini adalah pemulihan elastis ini yang bernilai besar, untuk permukaan lekukan dibuat menjadi tegangan sisa tekan ke segala arah sejajar dengan permukaan lekukan, sementara pada internal (radial) tegangan tarik menjadi tegak lurus dengan permukaan. Sifat yang paling penting adalah bahwa tegangan sisa tekan memaksa butir logam di lekukan untuk ditekan bersama-sama, persis seperti batubatu dari lengkungan ditekan bersama-sama dengan berat blok di atas batu [3]. Jika seluruh permukaan secara mekanik cekung dengan banyak lekukan kecil, seperti ditunjukkan pada Gambar 7.5(c), kemudian memiliki tegangan sisa tekan. Hal ini sangat berguna dalam melawan beberapa jenis retakan, seperti kelelahan, resah, dan tegangan korosi. Proses yang baru saja dijelaskan adalah proses umum dari tembakan peening, di mana besar kecil lekukan yang dibuat di permukaan untuk penekanan yang muncul sebelum tegangan. Prinsip yang sama berlaku untuk metode lain mekanik pratekan, seperti sayatan permukaan yang berbukit, "ballizing" dari lubang, atau alur melingkar menekan sekitar lubang untuk mencegah majunya retak lelah dari lubang. Prinsipnya dalam semua kasus adalah sama: tarik mudah melengkung di bawah beban hasil diterapkan di tegangan sisa tekan saat beban dilepaskan, dan sebaliknya [3].



(a) Sebuah bola sulit ditekan ke permukaan logam pada titik penetrasi terbesar.



(b) Setelah bola dilepas, pemulihan elastis (atau springback) menyebabkan pembalikan stres.



(c) penbentukan banyak lekukan kecil di permukaan, seperti oleh tembakan peening, membentuk penghalang tegangan sisa tekan yang tahan retak. Gambar 7.5 Penggambaran prinsip tegangan sisa mekanis diinduksi. (sumber: [3])



[1] [2] [3]



REFERENSI A Niku Lari, Advances In Surface Treatments, Firts Edit., vol. 4. Pergamon Books, 1985. M. Howes, T. Inoue, and G. E. Totten, Handbook of Residual Stress and Deformation of Steel. 2002. D. J. Wulpi, Understanding How Components F ail, 2nd ed., vol. 19, no. 1. United State of America: ASM International, 1986.



BAB 8. PATAH GETAS Retak atau patah adalah terbaginya sebuah benda menjadi beberapa bagian atau lebih dikarenakan tegangan yang statis (konstan atau berubah terhadap waktu) pada suhu yang lebih rendah dari temperatur leleh materialnya. Tegangan yang terjadi bisa berupa tensile strength, tegangan geser atau karena torsi. Untuk material teknik, patahan yang mungkin terjadi dikarenakan oleh 2 hal yaitu ductile fracture (patah ulet) dan brittle fracture (patah getas). Hal ini ditentukan dari kemampuan material ketika mengalami deformasi plastis. Material ulet biasanya mempunyai daerah deformasi plastis yang luas disertai penyerapan energi yang besar. Sebaliknya material getas mengalami sedikit atau tidak sama sekali deformasi plastis dengan penyerapan energi yang kecil yang akan mengakibatkan patah getas seperti pada Gambar 1. Setiap terjadi patah akan melibatkan dua tahap yaitu pembentukan crack (retakan) kemudian penyebaran retakan akibat tegangan yang terjadi. Patah ulet ditandai dengan adanya deformasi platis yang luas di sekitar retakan. Proses pemanjangan retak ini terjadi cukup lama dan bisa dikatakan stabil. Hal ini menandakan bahwa material melakukan perlawanan terhadap pemanjangan retakan kecuali apabila tegangan yang terjadi diperbesar. Sedangkan untuk patah getas, retakan bisa menyebar secara cepat dan tidak stabil dengan sedikitnya deformasi plastis yang terjadi. Sekali tejadi retakan maka retakan akan menyebar meskipun tanpa penambahan tegangan [1].



Gambar 1. (a) Menunjukan patah ulet tinggi yang menyebabkan spesimen mengalami proses necking sampai menjadi kecil. (b) menunjukan patah getas dimana tidak terjadi deformasi plastis [2].



Dari sudut pandang sejarah, patah getas terbukti menjadi salah satu kegagalan yang paling sering dan berbahaya yang terjadi dalam praktek rekayasa. Disamping kerapuhan terkenal keramik utilitas dan gelas, bahan logam juga menunjukkan sifat intrinsik getas tergantung pada suhu; dimana pada suhu kritis, yang disebut ductile-brittle transition temperature (DBTT) di mana bahan yang getas, sementara itu ulet di atas dipengaruhi suhu. Ini juga berlaku untuk logam terutama logam bcc (body centered cubic). Suhu rendah dapat membuat baja getas. Contoh kapal Liberty yang diproduksi dalam jumlah besar selama Perang Dunia II Gambar 2 adalah kapal pertama yang semua sambunganya dilas. Sejumlah besar kapal gagal oleh retak katastropik. retak kelelahan bernukleus di sudut-sudut meretas persegi dan tersebar dengan cepat oleh patah getas [3]. Bahan yang paling rentan terhadap patah getas adalah baja paduan karbon rendah. Ada sejumlah faktor kunci yang menimbulkan kerentanan terhadap patah getas. Salah satu faktor yang paling penting adalah temperatur. Jika suhu baja di bawah suhu transisi getas-ke-ulet, maka akan rentan terhadap patah getas. Kombinasi ini "situasi suhu rendah" dengan cacat berukuran kritis dan stress yang tinggi pada cacat (baik diterapkan atau sisa), maka cenderung mengalami patah getas. Faktor-faktor lain yang dapat dan meningkatkan



kerentanan terhadap patah getas meliputi: a) degradasi metalurgi, seperti dapat terjadi dalam beberapa baja pada suhu yang lebih tinggi; b) baja yang tidak ada struktur butirnya, misalnya ukuran butir besar dan kontaminan baja biasanya mengurangi ketangguhan baja, yang merupakan ukuran dari ketahanan terhadap patah getas; dan c) ketebalan material yaitu tebal komponen yang lebih tinggi kemungkinan rentan terhadap patah getas karena tekanan tri-aksial lebih tinggi [4].



Gambar 2. kapal Liberty yang mengalami kegagalan retak katastropik [5].



Baja karbon rendah dan baja karbon sedang, secara luas digunakan dalam industri yang dianggap memiliki sifat ulet dan biasanya digunakan dalam aplikasi di mana kemampuan untuk menyesuaikan dengan deformasi plastis yang diinginkan. Namun, di bawah kombinasi tertentu dari keadaan, ini biasanya baja ulet dapat patah dengan cara yang benar-benar getas. Perilaku yang tak terduga ini telah menyebabkan banyak bencana di masa lalu seperti kapal-kapal pada perang dunia II, dan masih dapat menyebabkan bencana jika pelajaran dari masa lalu yang tidak diperhatikan. Juga, patahan tidak perlu adanya tekanan tinggi yang diterapkan pada bagian atau struktur; patah getas dapat terjadi semata-mata karena tegangan tarik sisa, tanpa beban diterapkan, atau dengan kombinasi tegangan terapan dan residual [6]. C.



Patahan Getas Normalnya pada Baja Ulet Dalam hal yang paling dasar, patah getas adalah kegagalan bahan di mana tidak ada deformasi plastic yang jelas sebelum terjadi patah. patah getas



biasanya terjadi sebelum material telah mencapai kekuatan luluhnya. Tanpa menganalisis bentuk kegagalan dalam kaitannya dengan kapal Liberty, jelas bahwa patah getas berpotensi sangat berbahaya. Sifat tiba-tiba fenomena ini tidak memberikan peringatan bahwa material dekat dengan kegagalan. Oleh karena itu kapal Liberty adalah contoh yang bagus tentang bagaimana apa yang kelihatanya masalah skala kecil bisa berubah menjadi bencana berskala besar [7]. Suhu rendah dari air yang merupakan faktor utama dalam kegagalan kapal dalam studi kasus kami. Hampir semua kegagalan terjadi di perairan dingin dari Atlantik Utara, sedangkan kapal yang ditempatkan di Pasifik Selatan tetap utuh. Misteri ini kemudian dijelaskan oleh Constance Tipper dari Cambridge University. Dia menunjukkan bahwa ada temperatur kritis bawah yang modus fraktur pada baja beralih dari ulet ke getas. Kegagalan getas ini terjadi di daerah linier-elastis, tanpa deformasi elastis terlihat, dan sementara menyerap sangat sedikit energi [8]. Kapal-kapal yang ditempatkan di Atlantik Utara yang kemudian rentan terhadap patah getas karena suhu air di bawah suhu kritis ini. Tes Charpy mengevaluasi ketangguhan relatif baja dengan mengukur energi yang diserap oleh materi ketika dipukul dan retak. Ini melibatkan mencolok bar di belakang kedudukan V dengan berbagai beban/tingkat regangan. Hasilnya akan menentukan transisi ulet-ke-getas ketika diplot pada grafik. Contoh grafik seperti ditunjukkan pada Gambar 3.



Gambar 3. Suhu transisi ulet ke getas [7].



Teknik pengelasan yang digunakan dalam produksi kapal juga menimbulkan kontroversi. Ada masalah dengan buruh berpengalaman yang telah dirancang untuk meningkatkan produksi kapal untuk usaha Perang Dunia II, Itu mungkin bahwa pengelasan tidak terampil disebabkan mikro-retak yang akan dibentuk dalam las sendiri. Hal ini juga dapat menyebabkan daerah konsentrasi tegangan tinggi, yang akan menyebabkan patah getas. Setelah masalah ini diidentifikasi, patah getas bisa dicegah dengan pemanasan baja sebelum pengelasan, dan kemudian memungkinkan las dingin perlahanlahan[7]. Faktor-faktor yang menyebabkan patah getas pada baja ulet adalah bahan tiba-tiba menjadi getas dan patah karena perubahan suhu dan laju reaksi, walaupun pada dasarnya logam tersebut ulet. Gejala ini disebut transisi uletgetas, yang merupakan hal penting ditinjau dari penggunaan praktis bahan. Bahan yang dapat memberikan patahan getas adalah bcc seperti Fe, W, Mo, Nb, Ta, dan logam hcp seperti Znserta paduannya, sedangkan fcc tidak bisa sama sekali. Gejala ini juga mudah terjadi pada plastik. faktor – faktor penyebab DBT (Ductile to Brittle Tension):  Tegangan 3 sumbu : karena keadaan tegangan menjadi rumit terhadap dua atau tiga sumbu disebabkan oleh pangkal takikan, maka terjadi peningkatan yang mencolok dari tegangan mulur dan patah getas mudah terjadi.



 Laju regangan : peningkatan tegangan mulur yang sangat ditandai oleh peningkatan laju regangan yang mengakibatkan patah getas.  Suhu : makin rendah suhu maka semakin mudah terjadi patah getas [9]. Sebagian besar struktural baja menunjukkan transisi dalam perilaku patahan dari ulet ke getas ketika suhu diturunkan ke suhu kritis yang dikenal sebagai suhu transisi nil-daktilitas (NDTT). Suhu ini didefinisikan sebagai suhu di mana baja kehilangan kemampuan plastis yang menurun drastis, retak seperti diskontinuitas. Saat dan di bawah NDTT, patah pembelahan getas akan memulai dari diskontinuitas ini ketika tekanan mendekati kekuatan luluh yang dicapai dalam volume material sekitar diskontinuitas tersebut. Setelah dimulai, patah getas dapat menyebar dengan mudah melalui daerah struktur yang mengalami tingkat stres rendah yang diterapkan. Dalam beberapa baja, transisi dari ulet ke patah getas dapat terjadi pada suhu yang relatif tinggi jika takik buatan atau metalurgi hadir. Jika tidak ada takik yang tajam atau retak, suhu serendah -75° C (-100° F) dibutuhkan untuk menghasilkan patah getas [10]. D.



Karakteristik Patah Getas Patah getas memiliki karakteristik tertentu yang memungkinkan untuk diidentifikasi dengan benar:  Tidak ada deformasi permanen atau plastik kasar dari logam di wilayah patah getas, walaupun mungkin ada deformasi permanen di lokasi lain di mana relatif fraktur ulet terjadi.  Permukaan patah getas tegak lurus terhadap tegangan tarik utama. Dengan demikian, arah tegangan tarik yang menyebabkan terjadi patah dapat diidentifikasi dengan mudah.  Karakteristik tanda-tanda di permukaan patah sering, namun tidak selalu, menunjuk kembali ke lokasi dari mana patah berasal. Dalam kasus plat baja dan batang datar, bentuk patahan yang terjadi pada patah getas juga memiliki karakteristik tertentu, tidak terdapat adanya tanda-tanda deformasi plastis sebelum patah. Sebagai contoh pada beberapa bagian dari baja terdapat tanda V seperti yang terdapat pada logo Chevron pada daerah dekat patahan Gambar 6. Bentuk lainnya dari patah getas adalah terdapatnya



garis dan daerah seperti punggung bukit Gambar 5. Tak jarang, jenis patahan dengan pola diatas tidak dapat dibedakan dengan mata telanjang. Pada baja yang terlalu keras dengan butir baik, pola patahan juga tidak dapat dibedakan. Patah getas pada material amorf seperti gelas keramik, daerah yang dihasilkan akan menghasilkan permukaan yang halus dan berkilau [6]. ciri patah getas:  Tidak ada atau sedikit sekali deformasi plastis yang terjadi.  Retak atau perpatahan merambat sepanjang bidang-bidang kristalin membelah atom-atom material (transgranular).  Pada material lunak dengan butir kasar (coarse-grain) makan dapat dilihat pola-pola yang dinamakan chevron atau fan-like pattern yang berkembang keluar dari daerah awal kegagalan.  Material keras dengan butir halus (fine-grain) tidak memiliki pola-pola yang mudah dibedakan.  Material amorphous (seperti gelas) memiliki permukaan patahan yang bercahaya dan mulus Patah getas dapat mengikuti batas butir ataupun memotong butir. Bila bidang patahannya mengikuti batas butir, maka disebut patah getas intergranular, sedangkan bila patahannya memotong butir maka disebut patah getas transgranular [6]. Patah getas tidak mengalami yang namanya deformasi plastis sebelum terjadinya patah dan mengalami perambatan retakan yang sangat cepat. Arah dari retakan sendiri tegak lurus dengan arah tarikan dan memiliki bentuk patahan yang datar. Pada berbagai kristal getas, perambatan retakan disebabkan karena pengulangan pemutusan ikatan sepanjang struktur kristalografi dalam berbagai bidang, beberapa proses dinamakan cleavage (pembelahan). Patahan dengan jenis seperti ini dinamakan dengan patahan transgranular atau transkristalin karena patahan melewati butiran-butiran. Secara makroskopik, permukaan patahan akan terihat berbutir dan bersegi sebagai akibat dari perubahan orientasi dari bidang-bidang pembelahan dari butir menuju butir. Ini akan terlihat jika diamati secara mikroskopik dengan menggunakan Semi Electron Microscope (SEM). Dalam beberapa paduan, perambatan retakan terjadi di sepanjang batas butir. Retakan ini dinamakan



dengan intergranular. Jenis patahan ini, akan memperlihatkan butiran secara keseluruhan dan bersifat 3 dimensi. Hal ini terjadi setelah terjadinya proses yang memperlemah ikatan pada batas butir [11].



Gambar 4. Patahan Berbentuk V seperti pada logo Chevron [11].



Gambar 5. Patahan Getas Memperlihatkan Adanya Punggung Bukit [11].



E.



Aspek Mikrostruktur dari Patah Getas Patah getas umumnya merambat dengan salah satu atau kedua dari dua model patah, belahan atau intergranular. Dalam kebanyakan kasus itu perlu untuk mempelajari permukaan patah dengan mikroskop elektron. Karena perbesaran yang sangat tinggi biasanya tidak diperlukan, pengujian biasanya menggunakan mikroskop elektron scanning (SEM). Retak ditandai dengan pembelahan kristal, atau butiran, bersama bidang kristalografi tertentu tanpa berkaitan dengan batas butir, seperti ditunjukkan pada Gambar. 6. Sejak retakan marambat melalui butir, jenis patahan sering disebut sebagai transgranular, atau transcrystalline. Retak pembelahan adalah jenis yang paling umum dari patahan getas adalah patah



normal kecuali batas butir telah melemah karena pengaruh lingkungan atau proses tertentu [6].



Gambar 6. Model retakan menunjukkan arah patahan, dan sudut rendah butir dan batas subgrain [2].



Gambar 7. Hasil Uji SEM terhadap Patahan Getas [11].



Namun, jenis ini sangat halus pembelahan retak adalah pengecualian dari aturan. Patahan pembelahan di bahan logam yang bahkan pada temperatur rendah, biasanya disertai dengan sisa-sisa deformasi plastik lokal yang jelas. Langkah-langkah yang disebut, diagram fishbone yang diproduksi oleh interaksi dari bagian depan retak dengan kusut dislokasi atau kembar. Fitur morfologi paling khas yang disebut-tanda sungai yang dibuat oleh koneksi geser dari



langkah-langkah yang berasal pada batas butir dengan non-zero komponen memutar. Mereka ditegakkan oleh perlunya reinitiation bertahap retak pembelahan ketika penetrasi ke bidang pembelahan memutar di butir berdekatan (lihat Gambar 8) [12].



Gambar 8.Gambar pada daerah sisi pembelahan (baja ringan) [12].



Karakteristik utama dari patah getas dari lempeng baja ringan diilustrasikan pada Gambar. 10 , yang menunjukkan dua aspek dari patahan yang sama dalam pelat baja diuji di bawah kondisi laboratorium. Gambar. 11 adalah sketsa diagram yang menunjukkan karakteristik Gambar 10. Sebuah karakteristik penting dari permukaan patahan adalah pola 'chevron', yang terdiri dari sistem punggung bukit melengkung ke arah luar dari garis tengah lempeng. punggung bukit atau chevrons, dapat dianggap sebagai mata panah dengan poin terhadap garis tengah dan selalu menunjuk ke arah asal patahan, sehingga memberikan indikasi yang dapat diandalkan dari pola penyebarannya. Hal ini dapat menjadi sangat penting dalam layanan analisis kegagalan. Sementara chevrons biasanya simetris pada patah lempeng, mereka cenderung menjadi simetris ketika patahan terjadi di bawah tegangan tarik dan tekanan lentur. Permukaan punggung tidak selalu membentuk chevrons, tetapi mereka selalu sejajar dengan arah di mana bagian depan patahan bergerak. Sebuah contoh dapat dilihat pada Gambar. 9 di mana punggung bukit yang radial, menunjukkan bahwa bagian depan patahan (di luar zona kelelahan) diperluas sepusat. Secara umum patah getas yang kurang jelas adalah punggung bukit. Penampilan permukaan patah getas di baja ringan adalah 'kristal', yang menunjukkan bahwa



mayoritas kristal telah dipisahkan oleh mekanisme pembelahan, tetapi pemeriksaan lebih dekat menunjukkan bahwa beberapa kristal juga terpisah dengan geser. Patah getas secara umum, semakin besar proporsi kristal yang telah dipisahkan oleh pembelahan [10].



Gambar. 9 Batang piston Uap-palu karena patah getas [10].



Gambar 10. Karakteristik utama dari patah getas dari pelat baja ringan, (a) perspektif, (b) gambaran secara penuh [10].



Karakteristik lebih lanjut patah tersebut adalah 'bibir geser' wilayah di tepi patah, seperti dapat dilihat pada Gambar. 10 dan 11. daerah seperti memiliki tepi bergerigi tajam dan memiliki karakteristik penampilan patahan geser pada bidang pada 45° untuk tegangan tarik yang diterapkan. Ukuran bibir geser tergantung pada kegetasan umum patah atau lebih tepatnya pada keadaan stres, yang ada melalui ketebalan di bawah kondisi tertentu. Dalam beberapa kasus bibir geser mungkin bisa dibilang tidak ada, yaitu patahan sepenuhnya datar menunjukkan kegetasan ekstrim, sedangkan dalam kasus lain patahan geser sepenuhnya dapat terjadi dan dalam kasus seperti seluruh patah miring. Dalam kebanyakan kasus permukaan patahan terdiri dari kedua wilayah miring dan datar [10].



Gambar 11. Tahapan dalam pengembangan patah getas [10].



F. Kombinasi Cara Patahan Dalam kebanyakan kasus satu cara dominan tapi belum tentu satusatunya cara. Misalnya, dalam patahan didominasi korosi antar butir, mungkin akan ada daerah, besar atau kecil, di permukaan patah yang mengandung patah pembelahan juga. sebaliknya juga benar. Dengan kata lain, modus rekahan yang



terjadi pada lokasi tertentu tergantung pada komposisi lokal, tegangan, lingkungan, ketidak sempurnaan, dan orientasi kristal dari butir. Perlu dicatat bahwa logam cor umumnya cenderung kurang ulet (atau lebih getas) dari logam tempa dari komposisi yang sama dalam kondisi yang sama. Alasannya adalah bahwa berbagai jenis pengecoran terutama berkurangnya imperfections-porositas, porositas gas, dan beberapa jenis inklusi yang berfungsi sebagai konsentrasi tegangan internal di coran. Dalam logam tempa proses kerja panas memurnikan struktur mikro dan perubahan bentuk ke panjang dari berbagai inklusi, stringer menipis, yang biasanya kurang berbahaya [6].



[1]



[2] [3] [4] [5]



[6] [7] [8] [9] [10]



Referensi D. Wiliam, J. Callister, G. David, and Rethwisch, Fundamentals of Materials Science and Engineering, 3rd ed., no. 1. John Wiley & Sons, INC, 2007. A. S. M. Handbook, Failure Analysis and Prevention, 11th ed., vol. 11. ASM International, 2002. D. D. Johnson, Introduction to Materials Science, vol. 8. MSE, 2009. R. John, “99 Diseases of Pressure Equipment: Brittle Fracture,” J. Insp., 2007. R. Verne, “Inspection summit and expo,” 2011. [Online]. Available: http://www.slideshare.net/handsomejacky/brittle-fracture thecoldhardfactsvernraglefinal. [Accessed: 11-Apr-2016]. D. J. Wulpi, Understanding How Components Fail, 2nd ed. ASM International, 1999. R. Galvin, C. O. Brady, V. Raucent, and S. Zhe, Liberty ships-Brittle fracture. Trinity college Dublin, 2011. H. Kobayashi and H. Onoue, Brittle Fracture of Liberty Ships. USA: Failure knowladge database, 1943. L. Roush Malvin and M. Webb Willie, Applied Reliability Engineering, 5th ed., vol. 1. Includes index, 2006. G.M. Boyd, Ed., Brittle Fracture in Steel Structures. London: Butterworth,



[11] [12]



1970. D. William and J. Callister, Fundamentals of Materials Science and Engineering, 5th ed. USA: John Wiley & Sons, Inc, 2000. J. Pokluda and P. Andera, Micromechanisms of Fracture and Fatigue in a Multi-Scale Contex. 2010.



BAB 9. PATAHAN ELASTIS ( ULET) Bentuk umum patah ulet yang terjadi pada bahan digambarkan seperti gambar di bawah ini



Gambar 1. Bentuk patahan ulet[1]



Patah ulet tinggi biasanya dijumpai pada logam lunak yaitu emas murni, timbal, polimer, gelas ingornik pada suhu tinggi. Patah biasanya terjadi atas beberapa tingkatan yaitu necking pengecilan penampang yaitu terbentuknya rongga-rongga kecil, pembesaran rongga menjadi satu rongga besar atau terjadi retak tegak lurus gaya yang bekerja dan akhirnya retak menjalar sampai terjadinya retakan. Biasanya patah yang terjadi berupa patah cangkir dan kerucut ( cup and cone fracture ), karena satu sisi patahnya berbentuk kerucut dan lainnya berbentuk cangkir/cup. Sudut patah biasanya 45°. Mekanisme patah yang lebih detail bisa dilihat secara mikroskopis dengan memakai mikroskop elektron. Ilmu yang mempelajari tentang patah secara mikro disebut fractographic[1]. A.



Karakteristik Patahan Elastis ( Ulet ) Patahan ulet memiliki karakteristik yang berbeda dari patah tulang rapuh ( getas ) . Namun, harus diakui bahwa banyak patah tulang mengandung beberapa karakteristik dari kedua jenis . Patahan ulet memiliki karakteristik sebagai berikut:



a) Ada banyak permanen atau plastik deformasi yang cukup di wilayah patahan ulet tersebut , seperti ditunjukkan pada Gambar . 1. Dalam banyak kasus , ini mungkin hadir hanya di wilayah pecah akhirnya dari patahan yang mungkin berasal dengan kelelahan atau patah getas b) Patahan ulet adalah mereka di mana tegangan geser melebihi kekuatan geser sebelum modus dari patahan lain dapat terjadi . Oleh karena itu , patahan mekanisme mikro dalam arah geser , tapi ini tidak selalu jelas pada mekanisme mikro . Permukaan patah ulet tidak selalu berhubungan dengan arah tegangan tarik utama , seperti dipatahan getas atau rapuh Penampilan karakteristik permukaanpatahan ulet tidak mengkilat dan berserat . Hal ini disebabkan oleh deformasi pada permukaan patahan , yang akan dibahas dalam bagian pada aspek mikro dari patah ulet. Gambar 1 menunjukkan lesung pada permukaan patahan spesimen dari 17G1S baja diselidiki di bawah pola uji ditunjukkan pada Gambar. 1b, dengan perbesaran х1000, х1500 dan х800, masing-masing. Sebuah analisis awal dari gambar dari lesung menunjukkan bahwa, secara umum, mereka ditandai dengan heterogenitas intensitas piksel distribusi, yang termasuk lesung dan ujung-ujungnya. Selain itu, piksel dari daerah, yang termasuk ke dalam lesung, memiliki intensitas yang lebih rendah daripada mereka yang termasuk tepi mereka. Hal ini menciptakan prasyarat untuk menggunakan atas gambar untuk mengidentifikasi lesung dan mengukur karakteristik mereka. Kompleksitas topografi permukaan bawah belajar dan penyimpangan yang signifikan dari pesawat penembakan menjelaskan keberadaan daerah dengan berbeda "Pencahayaan" di gambar, oleh karena itu, sebelum mencari lesung ulet, algoritma dari penyelarasan pencahayaan harus diterapkan pada gambar. Untuk mengidentifikasi daerah-daerah yang termasuk ke dalam lesung ulet, segmentasi citra harus dilakukan, sehingga daerah formasi lesung pipit seperti milik satu cluster, dan untuk yang lainnya sisanya dari gambar[2].



Gambar 1. Gambar lesung ulet untuk spesimen dari baja 17G1s bawah pola pengujian berikut : а - II ; b - IIІ ; с - I.[2]



B.



Aspek Mikrostruktur dari Patahan Ulet Secara mikroskopik gambaran mikrostruktur diperoleh dari hasil pembesaran pemotretan bolt yang telah melalui etsa menggunakan nital dengan kandungan 2% HNO3 dan 98 % methanol (alkohol 96 %), waktu etsa pada permukaan selama 15 detik terhadap penampang longitudinal dengan hasil sebagaimana gambar berikut (pengujian menggunakan optikal mikroskop)[2].



Gambar 2 . Strukturmikro martensit temper[2]



C.



Ketegangan Gaya tarik di pusat spesimen menyebabkan microvoids untuk membentuk pertama dekat pusat dan kemudian menyebar ke daerah-daerah di dekatnya itu



kemudian harus membawa lebih banyak stres Karena The penampang adalah wilayah yang sekarang sempit . Di bawah kekuatan poros aksial ditunjukkan, microvoids tidak miring , atau miring ke arah manapun khusus ; osmanthus , permukaan fraktur Terdiri dari lesung sama-sumbu Ketika melihat ' tegak lurus ke permukaan . Sudut pandang adalah Khususnya Penting Ketika lesung Belajar di mikroskop elektron scanning ; Mereka adalah jika dilihat dari sudut , mereka bisa appearacne foreshortened dan tidak sama-sumbu[3]. D.



Tegangan Geser Tegangan geser merupakan tegangan yang bekerja sejajar atau menyinggung permukaan. Perjanjian tanda untuk tegangan geser sebagai berikut: tegangan geser yang bekerja pada permukaan positif suatu elemen adalah positif apabila bekerja dalam arah positif dari salah satu sumbu-sumbu positif dan negatif apabila bekerja dalam arah negatif dari sumbu-sumbu. Tegangan geser yang bekerja pada permukaan negatif suatu elemen adalah positif apabila bekerja dalam arah negatif sumbu dan negatif apabila bekerja dalam arah positif[3]. Sifat-sifat suatu bahan dalam keadaan geser dapat ditentukan secara eksperimental dari uji-uji geser langsung (direct shear) atau puntiran (torsion). Uji uji yang kemudian dilakukan dengan memuntir pipa-pipa berongga, sehingga menghasilkan suatu keadaan geser murni[3].



Gambar 2. Diagram tegangan geser[3]



Sebagai suatu contoh dapat dilihat pada sambungan baut. Tegangan geser pada baut diciptakan olah aksi langsung dari gaya-gaya yang mencoba mengiris bahan. Tegangan geser dapat diperoleh dengan membagi gaya geser terhadap luas. Bagian awal dari diagram tegangan-regangan geser sebuah garis lurus, seperti dalam keadaan tarik. Untuk daerah elastis linier, tegangan geser



berbanding lurus dengan regangan geser, jadi diperoleh persamaan berikut bagi hukum Hooke untuk keadaan geser. τ = Gγ Dimana, τ = Tegangan geser (MPa) G = Modulus geser (N/m2) γ = Regangan geser (rad) Tegangan geser pada permukaan-permukaan yang berhadapan besarnya sama tapi arahnya berlawanan. Tegangan geser pada permukaanpermukaan yang saling tegak lurus besarnya sama tetapi memiliki arah-arah yang sedemikian rupa sehingga kedua tegangan mengarah ke, atau menjauhi garis perpotongan kedua permukaan[3]. E.



Tarik Tearing Mode ini, patahan agak mirip dengan modus ketegangan murni kecuali bahwa patahan sebenarnya berasal di tepi logam daripada di pusat. Hal ini disebabkan kekuatan lentur pada bagian yang menyebabkan patahan tarik dengan lesung sama sumbu di daerah dekat dengan asal, sedangkan merobek tarik yang sebenarnya menyebabkan lesung C berbentuk membentuk mendekati akhir patahan berlawanan asal[4].



[1] [2] [3] [4]



Referensi A. D. universitasDarm. P. J. Yunus, Struktur dan Sifat Material. 2010. U. N. C. Oil and C. Astm, “Perambatan retak (,” vol. 2, no. 1, pp. 20–25, 2012. P. T. Geser, tegangan geser, vol. 2010. . J. L. McCall, Understanding how components fail, vol. 19, no. 1. 1986.



BAB 10. PATAH LELAH Kelelehan adalah progresif, lokal, dan perubahan struktural permanen yang terjadi dalam bahan sasaran berulang atau berfluktuasi tekanan pada tegangan nominal yang memiliki nilai maksimum kurang dari (dan sering jauh lebih sedikit daripada) kekuatan luluh statis material. Kelelahan dapat berujung sampai retak dan menyebabkan fraktur setelah cukup banyak fluktuasi. Kerusakan kelelahan disebabkan oleh aksi simultan tegangan siklik, tegangan tarik, dan regangan plastik. Jika salah satu dari ketiga tidak ada, retak lelah tidak akan memulai dan menyebarkan. Regangan plastik yang dihasilkan dari tegangan siklik memulai retak; tegangan tarik mendorong pertumbuhan retak (propagasi). Meskipun tegangan tekan tidak akan menyebabkan kelelahan, beban tekan dapat mengakibatkan tegangan tarik lokal. Tegangan plastik mikroskopis juga dapat muncul pada tegangan tingkat rendah dimana tegangan mungkin jika tidak muncul menjadi benar-benar elastis [1]. Selama kegagalan kelelahan pada logam bebas dari retak seperti kelemahan, membentuk retak mikro, menyatu, atau tumbuh retak makro yang merambat sampai ketangguhan retak material terlampaui dan fraktur akhir terjadi. Di bawah kondisi pembebanan biasa, retakan kelelahan memulai dekat atau pada singularitas yang terletak pada atau di bawah permukaan, seperti goresan, perubahan tajam dalam penampang, lubang, inklusi, atau batas butir embrittled [1]. Retak mikro mungkin awalnya hadir karena pengelasan, perlakuan panas, atau membentuk mekanik. Bahkan dalam logam bebas cacat dengan permukaan yang sangat halus dan tidak ada konsentrator stres, retak lelah bisa terbentuk. Jika amplitudo stres bolak cukup tinggi, deformasi plastik (yaitu, jarak dislokasi gerak) terjadi, menyebabkan tergelincir langkah di permukaan. Terus peredaran mengarah ke inisiasi dari satu atau lebih retak kelelahan. Bergantian, dislokasi dapat menumpuk terhadap hambatan, seperti inklusi atau batas butir, dan membentuk sebuah band slip, partikel retak, dekohesi antara partikel dan matriks, atau dekohesi sepanjang batas butir. Retak awal sangat kecil. Ukurannya tidak diketahui dengan baik karena sulit untuk menentukan kapan sebuah pita tergelincir atau fitur deformasi lainnya menjadi retak. Tentu saja, bagaimanapun, retak kecil sebagian kecil dari mikron dapat diamati dengan menggunakan alat metalografi modern seperti



scanning electron microscope atau scanning tunneling microscope. Retak mikro kemudian tumbuh atau menghubungkan membentuk satu atau lebih retak makro, yang pada gilirannya tumbuh sampai ketangguhan patah terlampaui [1]. Proses kegagalan fatigue dapat dibagi menjadi lima tahap yaitu [1]: 1. Peredaran deformasi plastik sebelum inisiasi retak lelah. 2. Inisiasi satu atau lebih retak micro. Inisiasi merupakan tahap yang paling kompleks fraktur kelelahan dan merupakan tahap yang paling ketat dipelajari oleh para peneliti. Jelas, jika tahap ini dapat dicegah, tidak ada fraktur kelelahan. Perubahan submicroscopic disebut sebelumnya sulit untuk memvisualisasikan, sulit untuk menjelaskan, dan sulit untuk memahami [2]. Pertumbuhan retak permukaan ini dapat dibagi menjadi dua periode; periode awal, yang melibatkan pertumbuhan MSC, yang sangat sensitif terhadap struktur mikro dan ditandai oleh perlambatan pertumbuhan retak (Region AB pada Gambar. 10.1), dan periode propagasi yang melibatkan pertumbuhan retak mekanis kecil yang dapat diprediksi dengan mekanika fraktur metodologi dan ditandai dengan mempercepat pertumbuhan retak (Region BC pada Gambar. 10.1). Mekanis retak kecil, yang sesuai dengan Tahap propagansi, atau tarik, retak yang ditandai dengan pertumbuhan retak lurik dan permukaan fraktur normal terhadap stres utama maksimum. Konvensional, sebelumnya telah didefinisikan sebagai tahap inisiasi dan dianggap sensitif terhadap stres atau ketegangan amplitudo, dan yang terakhir telah didefinisikan sebagai tahap propagasi dan kurang sensitif terhadap amplitudo regangan. Karakterisasi dan pemahaman dari kedua inisiasi retak dan tahap perambatan retakan penting untuk perkiraan yang akurat dari kehidupan kelelahan bahan struktural [3].



Gambar 10.1 Skema ilustrasi dari (a) pertumbuhan retak pendek di spesimen halus sebagai fungsi dari fraksi umur kelelahan dan (b) kecepatan retak sebagai fungsi dari panjang retak. (Sumber: [3])



3. Propagasi atau perpaduan mikro yang membentuk satu atau lebih retak micro. Sebagai beban berulang terus, arah perubahan retak kecil dari paralel ke arah tegangan geser ke tegak lurus dengan arah tegangan tarik. Mungkin perlu untuk melihat kembali tentang sistem stres, di mana kedua tegangan geser dan arah tegangan tarik dibahas untuk berbagai jenis pembebanan [2]. 4. Propagasi dari satu atau lebih retak macro. 5. Kegagalan akhir. Sebagai penyebaran retak lelah yang terus berlangsung, secara bertahap mengurangi luas penampang dari bagian atau benda uji, sehingga sangat melemahkan pada bagian akhir, fraktur lengkap dapat terjadi dengan aplikasi beban hanya satu. Ini adalah tiga tahap pecahnya akhir . Dari sudut pandang teknis, ini adalah tahap pada fraktur kelelahan yang paling mudah untuk dipahami. Sebenarnya, tahap ini tidak kelelahan sama sekali karena modus fraktur dapat berupa ulet (dengan permukaan fraktur berlesung) atau rapuh (dengan belahan, atau bahkan mungkin intergranular, permukaan fraktur) atau kombinasinya, tergantung faktor-faktor seperti logam bersangkutan,



tingkat stres, dan lingkungan. Tahap ini merupakan "jerami terakhir" yang mematahkan punggung unta, untuk meminjam metafora [2]. Namun, analis kegagalan harus berhati-hati dengan ukuran, bentuk, dan lokasi dari daerah pecah akhir karena dapat sangat membantu dalam memahami hubungan antara tegangan pada bagian dan kekuatan bagian, ini juga dapat menunjukkan ketidakseimbangan dan tekanan seragam. A.



Karakteristik Mikroskopis Patah Lelah Goresan adalah bukti mikroskopis paling khas dari patah lelah, meskipun goresan tidak selalu hadir pada permukaan patah lelah. Selama tahap propagansi, tahap perambatan retakan dari patah lelah, ujung retak adalah kedudukan sangat tajam, atau merupakan konsentrasi tegangan. Sebenarnya, hal itu dapat dianggap jauh tajam, untuk itu memiliki radius nol di ujungnya. Namun, setiap kali retak dibuka oleh tegangan tarik yang besarnya cukup, ujung retak deformasi plastis, sedikit menumpulkan ujung pada skala mikroskopis, yang kemudian menyebabkan fraktur bertambah maju, menciptakan ridge kecil, atau pergoresan, pada masing-masing permukaan fraktur seperti yang terlihat pada Gambar 10.2 [2].



Gambar 10.2 skematik sketsa penampang yang sangat diperbesar dari kelelahan tahap 1 dan tahap 2. (Sumber: [2])



Sayangnya, goresan tidak selalu terlihat pada permukaan patah lelah karena [2]: 1. Goresan biasanya tidak muncul pada logam yang sangat keras atau sangat lembut. Gambar 10.3 menunjukan goresan patah lelah. 2. Artefak yang disebabkan oleh gesekan atau kerusakan lainnya pasca fraktur dapat menghasilkan daerah sejalan menyerupai goresan. Kerusakan semacam ini juga dapat terjadi ketika gesekan berlawanan sisi terhadap patah lelah satu sama lain selama pemuatan kompresi retak . Seperti yang terlihat pada Gambar 10.4. 3. Struktur mikro pipih tertentu pada logam, seperti perlit dalam baja dan besi cor, serta dalam paduan autentik, mungkin memiliki permukaan patahan yang juga agak menyerupai goresan lelah. Namun, dalam penelitian yang cermat dalam mikroskop elektron akan mengungkapkan bahwa orientasi trombosit bervariasi secara acak dari satu lokasi ke lokasi lain, sedangkan goresan umumnya konsentrik di sekitar daerah asal. 4. Guratan pada replika rapuh digunakan dalam transmission electron microscopy juga membentuk garis sejajar yang dapat menyerupai goresan. Ini bukan masalah pada scanning electron microscopes, dimana biasanya replika rapuh tidak digunakan.



(a) (b) Gambar 10.3 Goresan Lelah pada (a) Alumunium dan (b) pada Baja. (Sumber: [4])



Gambar 10.4 Contoh striations terbentuk baik dalam tekanan tinggi kompresor pisau ditempa terbuat dari titanium alloy. (Sumber: [2])



E.



Karakteristik Makroskopis Patah Lelah Mempelajari tentang patah lelah dengan pemeriksaan makroskopis artinya studi dengan mata telanjang dan pembesaran relatif rendah dari 25 sampai 50x biasanya merupakan cara yang paling penting untuk mempelajari dan menganalisis patah lelah. Dalam kebanyakan kasus, tidak perlu perbesaran melebihi 15 atau 20x. Namun, instrumen ini adalah alat untuk memahami mekanisme patah mikro dan dalam menganalisa kasus yang sangat sulit [2]. F.



Kurangnya Deformasi Karena inisisasi patah lelah tidak memerlukan tegangan yang tinggi, biasanya ada sedikit atau tidak ada deformasi di bagian atau spesimen telah retak karena lelah. Jika tegangan maksimum tidak melebihi kekuatan luluh (batas elastis), tidak ada plastik kasar, atau permanen, deformasi, meski daerah pecah akhir mungkin memiliki beberapa deformasi makroskopik yang jelas. Namun, jika bagian tengah mengalami stres berulang yang tinggi, aplikasi beban siklus rendah, mungkin ada deformasi tergantung pada hubungan tegangan dan kekuatan. Contoh deformasi permanen di klip kertas atau kawat gantungan baju yang retak karena “kelelahan” dalam jumlah yang relatif kecil dari aplikasi tegangan lentur yang sangat tinggi. Sebenarnya ini adalah kelelahan karena



lebih dari satu aplikasi stres yang diperlukan untuk patah. Namun ini bukan khas patah lelah yang terjadi di sebagian pemikul beban, yang memiliki stres relatif rendah, siklus pembebanan yang tinggi. Seperti yang ditunjukkan di awal, " benar" dalam siklus patah lelah tinggi, tidak akan ada deformasi di wilayah kelelahan, asalkan tidak ada kerusakan pasca fraktur pada permukaan fraktur[2]. a. Beachmark Beachmarks adalah fitur unik yang ditemukan dalam banyak patah lelah, dan kehadirannya merupakan sarana positif untuk mengidentifikasi patah lelah. Beachmarks juga telah disebut sebagai tanda berhenti, tanda penangkapan, tanda clamshell, dan tanda conchoidal, semua dalam upaya untuk menggambarkan asal mereka atau penampilan yang khas. Beachmarks adalah istilah yang paling umum digunakan tetapi tidak benar-benar sejelas yang lain [2]. Bagaimanapun, istilah ini digunakan untuk menggambarkan tanda makroskopik atau daerah yang merupakan ciri khas dari gangguan dalam periode propagasi (tahap 2) patah lelah pada logam yang relatif ulet. Beachmarks tidak harus bingung dengan goresan, meskipun mereka sering muncul di permukaan fraktur yang sama; mungkin ada ribuan goresan mikroskopis antara setiap pasangan beachmarks makroskopik [2]. Beachmarks tampaknya dibentuk dalam tiga cara utama [2]: 1. Mikroskopis deformasi plastik di ujung retak lelah selama waktu istirahat atau ketika tegangan siklik tidak cukup tinggi untuk membuat kemajuan retak lelah. 2. Perbedaan waktu korosi di penyebaran patah lelah. 3. Besarnya perubahan pada ukuran atau frekuensi beban b. Ratchet Marks Ratchet marks istilah digunakan untuk menggambarkan fitur-fitur yang sangat berguna dalam identifikasi patah lelah dan dalam menemukan serta menghitung jumlah asal kelelahan. Tanda-tanda ini pada dasarnya tegak lurus terhadap asal permukaan yang patah lelah. Oleh karena itu, dalam melingkar, bagian seperti poros, ratchet marks dasarnya radial, menunjuk ke arah pusat di



bagian datar, seperti pegas daun, ratchet marks awalnya tegak lurus ke permukaan tetapi mungkin kurva jika bending adalah searah [2]. Ratchet marks terbentuk saat: Ketika beberapa asal kelelahan yang berdekatan satu sama lain, masing-masing akan memulai sendiri merambat retak kelelahan, seperti pada Gambar 10.5. Jika asal-usul kira-kira pada bidang yang sama, retak lelah tumbuh dari satu asal akan mulai tumpang tindih retak lelah dari asal yang lain. Ketika retak berdekatan tumpang tindih, logam di daerah tumpang tindih maka akan patah melintasi jarak pendek antara dua celah. Ini "di antara" patahan menciptakan sudut-sudut tegak lurus terhadap bagian permukaan, seperti ditunjukkan pada Gambar 10.5. Ratchet marks asalnya tidak sendiri; setiap ratchet marks memisahkan dua patah lelah yang berdekatan. Retak menjadi lebih dalam, celah-celah dari masing-masing asal cenderung tumbuh bersama dan menjadi dasar satu patah lelah yang memiliki banyak asal-usul. Jumlah ratchet marks sama atau kurang satu dari jumlah asal; dengan demikian pengakuan jumlah ratchet marks penting dalam menentukan jumlah asal. Gambar 10.6 menunjukkan foto dari tanda ratchet pada baut [2].



Gambar 10.4 (a) Pembentukan ratchet marks di fillet dari langkah poros di bawah beban lipatan berputar yang seragam. (b) Skema lihat permukaan fraktur tanda menunjukkan ratchet dekat pinggiran dan pecah akhir sentral. O: asal lelah, R: ratchet marks antara asal lelah. (Sumber: [2])



Gambar 10.5 Beberapa asal patah lelah pendek di Baut yang patah pada bawah kelelahan tarik. (a) Banyak asal kelelahan dipisahkan oleh ratchet marks radial. (b) perbesaran dari beberapa asal kelelahan dipisahkan dengan ratchet marks. (c) retak lelah pada akar benang (panah) yang belum tumbuh cukup besar untuk mendekati celah-celah sebelahnya untuk membentuk ratchet marks antara mereka. (Sumber: [2])



G.



Persamaan Antara Goresan dan Beachmarks Identifikasi petunjuk dari retak lelah. Goresan dan beachmarks keduanya mengidentifikasi posisi ujung retak lelah pada titik waktu tertentu. Setelah retak lelah tumbuh selama jangka waktu yang relatif lama. Penghitungan goresan biasanya tidak praktis karena jumlah yang sangat besar, tetapi bisa menunjukan jumlah aplikasi beban yang memperbesar retak tahap 2. Namun, ini akan memberikan petunjuk tentang jumlah total aplikasi beban [2]. Ekspansi dari asal lelah. Goresan dan beachmarks keduanya meluas dari alasnya, sering dalam lingkaran atau setengah lingkaran. Beachmarks dan goresan meninggalkan bekas, kecuali dihilangkan oleh hubungan dengan sisi



retak berlawanan [2]. Kesamaan tampilan. Goresan dan beachmarks adalah pegunungan yang paralel relatif yang tidak melewati sifat serupa dari asal yang lain [2]. Ketiadaan dari permukaan patahan tertentu. Beberapa permukaan lelah juga tidak memiliki goresan atau beachmarks. Logam sangat keras dan kuat tidak cukup ulet untuk membentuk goresan selama kelelahan tahap 2. Goresan sulit diamati, terutama pada tahap awal pertumbuhan retak lelah dimana jarak goresan sangat kecil. Juga mendekati asal, retak mungkin telah terkena korosi untuk periode yang panjang. Masalah lain adalah bahwa dua permukaan fraktur yang membentuk celah cenderung bergesekan satu sama lain pada bagian siklus tegangan tekan sebagai celah akan lebih dalam, merusak sifat permukaan patahan [2]. H.



Perbedaan antara goresan dan beachmarks. Size. Goresan adalah daerah yang sangat kecil, hanya dapat dilihat dengan mikroskop elektron. Pada permukaan fraktur yang diberikan, ukuran pergoresan dan jarak yang terkecil dekat asal dan secara bertahap meningkat karena kedalaman retak meningkat dan sebagian menjadi lemah, dengan asumsi bahwa tidak ada perubahan dalam beban berfluktuasi. Beachmarks jauh lebih besar daripada goresan. Jika beachmarks muncul, biasanya terlihat dengan mata telanjang [2]. Sebab. Perbedaan lain antara goresan dan beachmarks, seperti yang disebutkan sebelumnya, adalah faktor-faktor yang menyebabkan keduanya. Goresan menggambarkan dari depan retak oleh salah satu aplikasi beban di banyak logam ulet, sedangkan beachmarks mencari posisi depan retak ketika berulang, beban fluktuasi dihentikan untuk jangka waktu, diferensial korosi muncul pada permukaan fraktur, atau terjadi peningkatan besar dalam beban [2]. Gambar 10.6 adalah skema, sketsa yang sangat diperbesar dari permukaan patah lelah yang khas yang menunjukkan beberapa asal-usul, goresan , beachmarks, dan ratchet marks [2].



Gambar 10.6 Skema Perbesaran Sketsa Permukaan Patah Lelah. (Sumber: [2])



I.



Hubungan Tegangan dan Kekuatan pada Kelelahan Guna mendalami kelelahan dan menganalisis patah lelah, sangat penting memahami hubungan antara tegangan dan kekuatan. Karena hubungan keduanya tergantung peranan kelangsungan hidup atau kegagalan material. Karena jumlah asal kelelahan pada patah lelah tergantung pada hubungan keduanya. Analisa harus menetukan jumlah asal kelelahan. Gambar 10.7(a) adalah gambar skematik dari dua diameter poros berputar di bawah tegangan lentur. Ini adalah situasi yang sangat umum, tapi sketsa bisa dari konfigurasi yang memiliki zona tegangan kritis. Bagian ditunjukkan pada Gambar 10.7(a) memiliki zona yang tegangan kritis pada radius fillet lebih kecil di mana diameter kecil bergabung dengan poros yang lebih besar. fillet kritis ini memiliki sejumlah butiran besar, atau kristal. Untuk tujuan penjelasan ini, mari kita asumsikan bahwa ia memiliki satu juta butir. Sebagai poros berputar, setiap butir berturut-turut akan mengikuti jalan nomor butir 1, seperti ditunjukkan pada Gambar 10.7(a). Ini dimulai pada sumbu netral di mana stres diterapkan adalah nol, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 10.7(b). Dengan pemuatan sebagai ditampilkan, tegangan tarik maksimum diterapkan di bagian atas, dan tegangan tekan maksimum diterapkan di bagian bawah. Ketika jumlah butir 1 mencapai puncak, ditekankan dalam tegangan maksimal, kemudian karena



terus memutar, mencapai sumbu netral (nol stres) di sisi yang berlawanan. Di bagian bawah di kompresi maksimum, maka akan kembali ke sumbu netral. Setiap butir dalam rangkaian berjalan melalui urutan yang sama dan masingmasing jejak sebuah sinusoidal kurva seperti ditunjukkan pada Gambar 10.7(b). Dalam jenis pembebanan, menunjukan stres yang digunakan adalah nol, dan diterapkan tarik dan tegangan tekan maksimum adalah sama. Gambar 10.7(c) mewakili beberapa satu juta butir di zona kritis. Garis terlihat gigi baris menghubungkan kekuatan butir pertama dan terakhir butir yang berdekatan dengan butir no 1. Ini akan dicatat bahwa jumlah butir 1 adalah di kedua tertinggi kiri dan tertinggi kanan, karena telah datang lingkaran penuh. Poin individu mewakili kekuatan butir yang berdekatan. Jika poros berputar tanpa diterapkan tegangan, jelas tidak ada tegangan yang pada butir. Sekarang, jika tegangan tarik maksimum diterapkan meningkat sampai tingkat S1, masih ada efek pada poros karena masih di bawah kekuatan lelah dari butiran yang paling lemah, jumlah 40 itu yang ditampilkan di sini. Jika tingkat tegangan tarik maksimum diterapkan meningkat ke tingkat S2, ada kemungkinan kuat bahwa perubahan sub mikroskopik akan berlangsung dalam struktur kristal dari jumlah 40 butir jika rotasi di tingkat stres ini dilanjutkan. Hal ini bisa mengakibatkan patah lelah dengan satu asal di nomor butir 40, dari mereka yang diperlihatkan di sini. Jika ini adalah pada kenyataannya, butiran terlemah dari semua satu juta, ini akan menjadi asal patah lelah tunggal yang akan berlangsung sangat lambat selama jutaan siklus stres karena tingkat stres sangat rendah sehingga itu mempengaruhi hanya satu butiran ini. Namun, jika tingkat tegangan tarik maksimum diterapkan meningkat ke tingkat S3, sebuah situasi yang lebih serius muncul. Sekarang tingkat stres berada di atas kekuatan kelelahan banyak sekitar sebelas butir yang ditampilkan di sini, termasuk satu yang paling lemah, nomor 40, yang akan memulai aksi kelelahan pertama. Karena ada begitu banyak asal kelelahan, poros tidak akan bertahan hampir selama itu akan memiliki tingkat S2. Pemeriksaan permukaan fraktur akan mengungkapkan banyak asal-usul kelelahan cukup dekat bersamasama, dengan ratchet marks memisahkan daerah kelelahan individu yang biasanya tumbuh bersama untuk membentuk retak lelah hampir melingkar.



Gambar 10.7 skematik sketsa dari poros dua diameter berputar di bawah tegangan lentur. (a) bentuk umum dari wilayah tegangan kritis. (b) stres yang dikenakan pada setiap butir, seperti nomor 1, seperti berputar dengan bagian atas setiap gelombang sinus yang mewakili tegangan tarik maksimum. (c) Kekuatan masing-masing dari sejumlah butiran besar di daerah kritis dan tiga tingkat stres (S1, S2, dan S3) yang merupakan siklik tegangan tarik maksimum yang dibebankan. (Sumber: [2])



Jika beban pada poros berputar adalah seimbang, diterapkan tegangan tarik maksimum akan seragam di seluruh fillet. Juga , daerah pecah akhir akan berlokasi di pusat poros dan akan cukup besar karena tegangan yang tinggi. Jika beban pada poros berputar tidak seimbang, tegangan maksimal diterapkan tidak akan seragam di sekitar pinggiran, dan kelelahan tertinggi akan mulai di sisi mana itu, dengan sebagian besar asal di wilayah itu, pecahnya akhir akan mengimbangi ke sisi tegangan yang rendah, di mana mungkin ada tidak ada tindakan kelelahan, seperti pada Gambar . 10.8.



Gambar 10.8 Permukaan fraktur kelelahan pada poros baja 1050, dengan kekerasan sekitar 35 HRC, yang mengalami berputar lentur. (Sumber: [2])



J.



Contoh dari Patah Lelah Karena ada jumlah yang sangat besar jenis suku cadang dan bahan yang dapat mengalami patah lelah, mustahil untuk menunjukkan semua contoh kombinasi . Namun , beberapa jenis yang paling umum ditunjukkan secara skematis pada Gambar 10.9 dan 10.10 dan foto-foto di Gambar 10.11 sampai 10.14.. Sangat disarankan peneliti membiasakan diri dengan Gambar 10.9 dan 10.10 dan mempertimbangkan menggunakan diagram ini untuk referensi [5].



Gambar 10.9 Skema representasi dari tanda permukaan patah lelah dihasilkan di komponen silinder halus dan berlekuk di bawah berbagai kondisi pembebanan. (Sumber: [5])



Gambar 10.10 Skema representasi tanda permukaan patah lelah dihasilkan dalam komponen dengan persegi dan persegi panjang penampang dan pelat tebal di bawah berbagai kondisi pembebanan. (Sumber: [5])



Gambar 10.11 Besar poros poros dari baja karbon-sedang dengan fraktur kelelahan di sebagian besar penampang sebelum pecah. (Sumber: [5])



Gambar 10.12 Kelelahan fraktur poros baja karena bending , ditunjukkan oleh situs inisiasi fraktur (panah) pada kedua sisi. (Sumber: [1])



REFERENSI [1] [2] [3]



[4] [5]



A. Handbook, Fatigue and Fracture, Vol 11. United States of America: ASM International, 1997. D. J. Wulpi, Understanding How Components Fail, 2nd ed., vol. 19, no. 1. United State of America: ASM International, 1986. O. Chopra, Environmental Effects on Fatigue Crack Initiation in Piping and Pressure Vessel Steels. United State of America: Argonne National Laboratory, 2001. G. E. Totten, “Fatigue Crack Propagation,” Adv. Mater. Process., vol. 166, no. 5, pp. 39–41, 2008. D. J. Wulpi, Understanding How Components Fail, 3rd ed. United States of America: ASM International, 2013.



BAB 11. Kegagalan Keausan Abrasive dan Adhesive Aus adalah kondisi dimana material mengalami penurunan mutu karena sudah digunakan berlebih dan sudah pada batasannya. Definisi dari korosi adalah perusakan atau penurunan mutu dari material akibat bereaksi dengan lingkungan, dalam hal ini adalah interaksi secara kimiawi. Sedangkan penurunan mutu yang diakibatkan interaksi secara fisik bukan disebut korosi, namun biasa dikenal sebagai erosi dan keausan. Keausan umumnya didefinisikan sebagai kehilangan material secara progresif atau pemindahan sejumlah material dari suatu permukaan sebagai suatu hasil pergerakan relatif antara permukaan tersebut dan permukaan lainnya. Keausan telah menjadi perhatian praktis sejak lama, tetapi hingga beberapa saat lamanya masih belum mendapatkan penjelasan ilmiah yang besar sebagaimana halnya pada mekanisme kerusakan akibat pembebanan tarik, impak, puntir atau fatigue. Hal ini disebabkan masih lebih mudah untuk mengganti komponen/part suatu sistem dibandingkan melakukan disain komponen dengan ketahanan/umur pakai (life) yang lama [1]. Keausan umumnya diilustrasikan oleh perubahan tampilan dan profil dari permukaan. Beberapa contoh yang menggambarkan perubahan ditunjukkan pada Gambar. 1. Hasil keausan dari kontak antara permukaan atau zat yang bergerak relatif terhadap itu. Keausan adalah progresif dalam hal itu meningkat dengan penggunaan atau meningkatkan jumlah pergerakan, dan akhirnya mengakibatkan kerugian materi dari permukaan atau transfer material antara permukaan. Kegagalan keausan terjadi karena sensitivitas dari bahan atau sistem dengan perubahan permukaan yang disebabkan oleh keausan. Biasanya, adalah aspek geometris atau profil dari perubahan bahan, seperti perubahan dimensi, perubahan bentuk, atau sisa ketebalan lapisan, yang menyebabkan kegagalan. Namun, perubahan tampilan dan sifat kerusakan keausan juga bisa menyebabkan kegagalan [2].



Gambar. 1 Contoh keausan yang menyebabkan kerugian materi, perubahan dimensi, dan perubahan penampilan. (A) Kerusakan Erosi pada komponen katup kupu-kupu. (B) Kerusakan pada pita gesekan. (C) Keausan pada sliding cam [2].



Kegagalan keausan akibat dari penghapusan atau perpindahan material permukaan melalui kontak dan gerak relatif dengan padat, cair, atau gas. Ada pengaruh yang signifikan dari gesekan dan pelumasan pada tingkat dan keparahan kerusakan pakai. Kenakan umumnya menghasilkan kerugian materi dan kemampuan membawa beban, adhesi, gesekan meningkat, dan generasi puing-puing. Benar atau tidak kerusakan keausan merupakan kegagalan komponen tergantung pada kriteria kinerja komponen, misalnya pada bantalan utama mesin diesel yang gagal berkelanjutan karena pemakaian yang berlebihan Gambar. 2 [2].



Gambar 2. Contoh kegagalan keausan dalam bantalan mesin diesel [2].



Keausan adalah jenis kerusakan yang dapat diperkirakan. Yang di hasilkan dari pergesekan antar permukaan dalam mesin-seperti halnya dari produk yang sebelumnya sudah disebutkan Gambar 2 yang akhirnya "aus." Dalam banyak kasus jenis kerusakan ini dapat diminimalkan dengan pelumasan, penyaringan, teknik material yang tepat, dan desain yang tepat, di antara faktorfaktor lain. Dalam banyak hal keausan mirip dengan korosi. Keduanya memiliki banyak persamaan. Keduanya dapat diduga kecuali karena perubahan lingkungan. Keduanya sangat sulit untuk diuji dan dievaluasi di laboratorium, dengan peringkat dari perubahan bahan tergantung pada perubahan yang tampaknya kecil dalam kondisi pengujian subjek. Ketika mempelajari kegagalan di mana keausan diketahui atau diduga, maka perlu memiliki pemahaman yang baik tentang sejarah dan bagian pengoperasian atau mekanisme yang terjadi. Dalam banyak kasus, tidak mungkin untuk melakukan investigasi yang baik dengan hanya memeriksa komponen yang aus itu sendiri. Karena keausan melibatkan interaksi dengan bahan lain, ini harus diteliti juga; karena keausan ini terjadi pada permukaan, apa yang mempengaruhi permukaan kemungkinan akan mempengaruhi perilaku keausan [3]. Keausan juga merupakan sebuah fenomena yang pasti ada karena umur suatu material maupun karena lingkungan suatu material itu sendiri. Keausan adalah sebuah fenomena yang sering terjadi dalam engineering. Keausan bukan



hanya proses tunggal, tetapi beberapa proses berbeda yang dapat berlangsung independen atau secara bersamaan. Kompleksitas proses keausan dapat dibaca dengan mengetahui berbagai variabel yang terlibat, yaitu kekerasan, ketangguhan, kelenturan, modulus elastisitas, kekuatan tarik, kelelahan, dan struktur permukaan yang saling bertemu, seperti geometri, temperatur, tegangan, distribusi tegangan, koefisien gesek, dan atmosfer dari permukaan yang aus [4]. Material apapun pasti dapat mengalami keausan yang disebabkan mekanisme beragam, Keausan sendiri juga di golongkan pada beberapa golongan yaitu abrasive, erosi, adhesive, lelah dan oksidasi. A.



Keausan Abrasive Keausan abrasif yaitu terjadi ketika suatu partikel keras (asperity) dari material tertentu meluncur pada permukaan material lain yang lebih lunak sehingga terjadi penetrasi atau pemotongan material yang lebih lunak. Tingkat keausan pada mekanisme ini ditentukan oleh derajat kebebasan (degree of freedom) partikel keras atau sperity tersebut. Sebagai contoh partikel pasir silica akan menghasilkan keausan yang lebih tinggi ketika diikat pada suatu permukaan seperti pada kertas amplas, dibandingkan bila partikel tersebut berada di dalam sistem slury. Pada kasus pertama partikel tersebut kemungkinan akan tertarik sepanjang permukaan dan mengakibatkan pengoyakan sementara pada kasus terakhir partikel tersebut mungkin hanya berputar (rolling) tanpa efek abrasi [1]. Keausan abrasif istilah digunakan untuk menggambarkan situasi di mana penyebab utama keausan adalah goresan atau memotong oleh partikel abrasif. Istilah memakai non abrasif digunakan untuk menggambarkan semua situasi memakai lain yang melibatkan kontak antara dua benda padat (misalnya, sliding) [2].



Gambar 3. Keausan Metode Abrasive [5].



Keausan abrasive ini sering terjadi pada industri pertambangan, dan pengolahan mineral, di mana komponen kerusakan terjadi pada berbagai macam peralatan, seperti pisau buldoser, gigi eksafator, mata bor batu, crusher, slushers, ball mills, roll mills, pisau potong, pompa lumpur, dan cyclon. Keausan mengakibatkan pembengkakan biaya perbaikan dan penggantian part yang bukan seharusnya waktu penggantian terkait dengan kegiatan tersebut. Keausan terjadi ketika partikel keras masuk kedalam cairan atau proyeksi dari gulungan satu permukaan atau slide di bawah tekanan terhadap permukaan lain seperti ditunjukkan pada Gambar 4, sehingga memotong permukaan lainnya. Memang, mesin akan termasuk ke dalam kategori keausan abrasif kecuali bahwa itu biasanya tidak "tidak diinginkan," yang merupakan kondisi dari definisi keausan. Sebuah alat mesin, bahkan file tangan, geser distorsi croscopic dari struktur permukaan dan membentuk terdistorsi keping atau fragmen logam dihapus. Karakteristik lain yang sangat penting dari keausan adalah panas yang dihasilkan oleh gesekan antara kedua bahan [3].



Gambar 4. Keausan abrasive oleh microcutting [6]



B.



Keausan Erosi Keausan erosi telah didefinisikan sebagai proses penghapusan logam karena untuk pelampiasan dari partikel padat di permukaan. Dalam kasus ini partikel umumnya tertahan dalam cairan, seperti dalam lumpur, Dalam situasi keausan erosif, partikel yang biasanya tertahan dalam cairan berdampak keausan pada permukaan. Benturan antara partikel dan permukaan hasil dari momentum dan energi kinetik partikel. Perbedaan dalam situasi pembebanan hasil ini dalam modifikasi persamaan yang digunakan untuk menggambarkan keausan [7]. Proses erosi disebabkan oleh gas dan cairan yang membawa partikel padatan yang membentur permukaan material. Jika sudut benturannya kecil, keausan yang dihasilkan analog dengan abrasive. Namun, jika sudut benturannya membentuk sudut gaya normal (90 derajat), maka keausan yang terjadi akan mengakibatkan brittle failure pada permukaannya [5], skematis pengujiannya seperti terlihat pada gambar di bawah ini:



Gambar 5. Skema penyebab keausan korosive [5].



Gambar 6. Keausan erosif pada besi cor pompa air impeller. Sudut-sudut tajam pada (a) impeller baru telah benar-benar ditumpulkan oleh keausan abrasif pasir dalam sistem pendingin (b). Perubahan bentuk dari baling-baling mengurangi efisiensi pompa [3].



C.



Keausan Gouging Jenis keausan ini disebabkan oleh tekanan benturan yang sangat tinggi atau dampaknya yang cenderung memotong atau mengerok pecahan keausan dari permukaan logam. Keausan ini biasanya terjadi pada aplikasi tertentu di bidang pengerukan, pertambangan, penggalian, pengeboran sumur minyak, pembuatan baja, semen, da industri pertambangan lainnya. Bila keras, produk abrasif digerus, berkali-kali, atau ditumbuk di bawah tekanan yang sangat tinggi, kerusakan yang cepat dari kontak permukaan dapat diperkirakan jika diambil langkah-langkah khusus untuk mencegah masalah ini. Contoh kasus seperti pada gigi bucket eksafator pada Gambar 7. (a) menunjukkan keausan gauging pada gigi yang terbuat dari baja paduan karbon sedang yang terlihat datar, titik awalnya tajam. Pemukulan terhadap batu dalam menggali akhirnya berubah bentuk dengan yang ditunjukkan pada Gambar. 7 (b) [3].



Gambar 7. Keausan gauging pada gigi bucket exafator [3].



D.



Keausan Adhesive Keausan adhesive terjadi bila kontak permukaan dari dua material atau lebih yang mengakibatkan adanya perlekatan satu sama lainnya (adhesive) serta deformasi plastis dan pada akhirnya terjadi pelepasan/pengoyakan salah satu material [5]. Keausan ini terjadi jika partikel permukaan yang lebih lunak menepel atau melekat pada lawan kontak yang lebih keras. seperti di perlihatkan pada gambar di bawah ini:



Gambar 8. Skema keausan adhesive [5].



Gambar 9. Skema keausan adhesive karena adhesive shear dan transfer [8].



Gambar 10. Skema proses perpindahan logam karena keausan adhesive [6].



E.



Keausan Fretting Keausan Fretting cukup mirip dengan keausan adhesif pada pengelasan mikro terjadi antar permukaan. Perbedaannya adalah bahwa keausan adhesif terkait pada antar permukaan yang meluncur di satu sama lain, sementara keausan fretting terkait dengan gesekan antar permukaan yang pada dasarnya stasioner/tetap terhadap satu sama lain. Namun, ketika saat defleksi elastis atau sedikit gerak benar-benar terjadi, gerakan berhubung dgn putaran dari amplitudo yang sangat kecil cukup untuk menyebabkan pengelasan mikro pada kedua permukaan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 11. Keausan fretting juga dikenal sebagai fretting korosi, oksidasi gesekan, gesekan kelelahan, dan keausan oksidasi [2].



Gambar 11. Keausan fretting pada poros baja [3].



[1]



[2] [3] [4] [5]



[6] [7]



[8]



Referensi E. D. Handoko, “Analisis Korosi Erosi Pada Baja Karbon Rendah Dan Baja Karbon Sedang Akibat Aliran Air Laut,” Fakultas Teknik Universitas Diponegoro, 2012. A. S. M. Handbook, Failure Analysis and Prevention, vol. 11. ASM International, 2002. D. J. Wulpi, Understanding How Components Fail, 2nd ed. ASM International, 1999. Z. Abidin, “Mekanisme Keausan Pahat Pada Proses Pemesinan: Sebuah Tinjauan Pustaka,” Momentum, vol. 6 No.1, 2010. Wordpress, “Uji Keausan Wear,” 2012. [Online]. Available: https://ftkceria.wordpress.com/2012/04/28/uji-keausan-wear/. [Accessed: 21-Apr-2016]. G. Karl Heinz Zum, Microstructure and Wear of Materials. Federal Replubic of Germany: Elsevier Science Publishing Company INC, 1987. Behera, B. Bijayakumar, and V. Prasad Neeraj, “Project Report on Erosion Wear of Materials,” NATIONAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY ROURKELA, 2007. S. Gwidon W, Wear–Materials, Mechanisms and Practice. England: John Wiley & Sons, Ltd., 2005.



BAB 12. KEKUATAN KEGAGALAN-KELETIHAN Dibab ini kita akan mempelajari mempertimbangkan alasan yang berbeda untuk penghapusan logam seperti kelelahan yang menghasilkan rongga atau lubang di satu atau lebih dari permukaan kontak logam dan kavitasi pitting logam [1]. Jangka pendek dan jangka menengah hasil logam pada logam mendorong pelapisan pangkal, khusus penerimaan logam 1-5. Hal ini mengakibatkan penerimaan yang cepat dari teknik, yang ditunjukkan oleh tingkat 7,8% dari resurfacing antara semua jumlah arthroplasties hip Australia di 2076. Namun, registry hip Australia juga jelas menunjukkan peningkatan risiko revisi dalam pertama enam sampai dua belas bulan untuk hip resurfacing. Setelah awal ini periode, jumlah revisi tidak berbeda dari yang terkait dengan jumlah arthroplasties pinggul konvensional. Tinggi tarif revisi dini berspekulasi terkait dengan sulit teknik implantasi, yang membutuhkan ukuran hati implan serta reaming, posisi, dan sementasi dari kepala 7-10 femoral. Posisi komponen bersama, dengan penekanan pada cangkir, telah terbukti menjadi sangat penting untuk mengurangi pemakaian. Seleksi pasien dan dokter bedah pengalaman operasi juga tampaknya memainkan peran penting dalam keberhasilan. Faktor-faktor ini telah diteliti dalam studi sebelumnya oleh kami dalam sampel dari lima puluh lima implants 14 gagal diambil. Saat ini, jumlah retrievals yang tersedia telah meningkat menjadi lebih dari 267. Penelitian sebelumnya difokuskan pada biomekanik, morfologi, dan khususnya, aspek tribological terkait kegagalan. Sehubungan dengan efek puing pakai, itu diterima bahwa pengurangan konsentrasi ion logam dengan pengurangan di pakai bersama adalah sangat diinginkan untuk menghindari sisi pengaruh ion. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengidentifikasi alasan utama untuk operasi revisi dan untuk menganalisis pengaruh keselarasan komponen total pakai bersama dengan menyelidiki revisi lengkap (kepala dan cangkir pasangan dari sendi yang sama). Pengukuran wear Geometri permukaan setiap implan diambil dan ditentukan dengan menggunakan mesin koordinat pengukuran ( MitutoyoBHN 805 , Tokyo , Jepang ) . Untuk kepala, enam belas set data planar yang dikumpulkan dari dana khatulistiwa ke khatulistiwa melalui tiang , diputar berturut-turut sebesar 11,5



sekitar sumbu polar, dengan koordinat diukur setiap 5 mm menyelidiki menggunakan 1 mm diameter ruby. Metode yang sama diterapkan pada cangkir acetabular tapi mulai 2 mm di bawah bibir cangkir . Sebuah bola dipaskan dengan data titik dengan cara yang dikecualikan daerah usang dan termasuk hanya diasumsikan original permukaan implan unworn . Jarak dari masingmasing daerah poin triangulasi ke permukaan bola unworn dihitung sebagai deviasi radial dan digunakan untuk estimasi pakai volume. Hanya penyimpangan lebih besar dari akurasi 3 mm dari mesin pengukuran dianggap untuk estimasi memakai ( Gambar . 1 ) . Metode ini telah dijelaskan secara rinci[2].



Gambar 1. Kiri : Penentuan geometri permukaan retrievals dengan menggunakan sistem pengukuran koordinat . Daerah diukur disorot di merah. Tengah : Kenakan pola kepala resurfacing rim -loaded ( deviasi radial dari sebuah bola yang sempurna ) . Kanan : Kenakan pola masing-masing cangkir acetabular ( deviasi radial dari cangkir bulat sempurna )[2].



A.



Kontak Tegangan Kelelahan Tujuan utama dari pengembangan analisis elemen hingga adalah untuk memperkirakan lentur, kelelahan dan menghubungi distribusi tegangan di pinion dan gigi. Analisis elemen hingga dari maju heliks pasangan gigi dieksekusi di ANSYS. Langkah pertama adalah menganalisa kegagalan struktur menghitung gigi tegangan lentur dan stress lentur diperbolehkan, lentur kekuatan kelelahan pinion. Langkah kedua dalam pendekatan analisis elemen hingga adalah untuk melakukan analisis stress kontak untuk menghitung stres kontak. Itu langkah terakhir yang terlibat adalah untuk melakukan analisis stres kelelahan untuk menghitung diijinkan stress kelelahan permukaan, permukaan kekuatan kelelahan pinion. Untuk menguji kekuatan lelah lentur pada pasangan gigi, stress maksimum pokok pada akar di sisi tarik gigi digunakan untuk mengevaluasi gigi



kekuatan gigi dan pinion lentur. Permukaan kekuatan kelelahan profil gigi dihitung dengan mengalikan yang diijinkan stress kelelahan permukaan dengan faktor keamanan. Numerik solusi yang dibandingkan dengan analisis analitis untuk gigi heliks tunggal. Analisis tegangan sama kelelahan Sisa roda gigi heliks telah dicapai dalam ANSYS seperti ditunjukkan pada Gambar . 2. ( untuk gigi heliks tunggal ) , Gambar . 3. ( untuk ganda gigi heliks ). Solusi yang dihasilkan secara otomatis oleh ANSYS. Untuk memeriksa tekanan kontak di gigi pasangan, gigi heliks kereta dengan kontak dua dimensi yang dikembangkan di Pro / E dianalisis di ANSYS seperti yang ditunjukkan pada gambar. 4. solusi numerik diperoleh di ANSYS dibandingkan dengan stres Hertz kontak teori melalui analisis untuk gigi heliks tunggal [3]



Gambar 2. Distribusi tegangan kelelahan untuk gigi heliks tunggal [3]



Gambar 3. distribusi tegangan kelelahan untuk gigi herringbone[3]



Gambar 4. analisis Hubungi stres untuk gigi heliks ganda [3]



Dan juga tegangan kontak dari sistem gigi harus kurang dari yang diijinkan tegangan kelelahan permukaan sistem gigi. Dari atas Tabel II kita dapat mengamati bahwa semua nilai-nilai di atas didapat memuaskan di atas dua



kondisi dan karenanya desain tersebut aman. Dan akhirnya dapat disimpulkan demikian bahwa model FEA yang dikembangkan adalah representasi akurat dari pola distribusi tegangan. Angka. 12 menunjukkan variasi gigi tegangan lentur untuk berbeda sistem gigi heliks. Hal ini ditemukan dari grafik teramati bahwa nilai-nilai stres gigi lentur bervariasi atas berbagai dan itu menunjukkan bahwa penerapan tiga sistem gigi heliks ini tidak sama. melintasi Sistem gigi heliks mendapat nilai lebih TBS karena itu jelas bahwa kawin dua berlawanan gigi gigi memiliki nilai TBS tertinggi. Gambar 5. menunjukkan variasi lentur kekuatan lelah untuk sistem gigi heliks yang berbeda. Hal ini ditemukan dari grafik bahwa kekuatan lelah lentur lebih dalam kasus gigi heliks menyeberang sejak kawin gigi gear di berlawanan dan akurat arah. Angka. 14 menunjukkan variasi kekuatan kelelahan permukaan pinion untuk berbeda sistem gigi heliks. Hal ini ditemukan dari bahwa kekuatan kelelahan roda gigi heliks melintasi lebih dari sistem helicalgear lainnya. Sejak kawin gigi gigi berada di arah yang berlawanan dan akurat dan memiliki non-berpotongan, non paralel poros sumbu dan sudut helix yang berbeda. Angka. 15 menunjukkan variasi stress kontak untuk heliks yang berbeda sistem gigi. Hal ini ditemukan dari grafik bahwa roda gigi heliks melintasi memiliki lentur tinggi dan kekuatan kelelahan nilai tegangan yang sesuai dengan jenis ini gigi akan lebih sedikit dibandingkan sistem gigi heliks lainnya. Hal ini juga dapat dilihat dari grafik bahwa nilai-nilai yang sesuai dengan yang diijinkan kelelahan permukaan stres dan stres lentur yang diijinkan berada dalam kisaran 634 MPa semua roda gigi heliks dan antara 168 MPa untuk semua gigi heliks untuk pemuatan yang sama kondisi nilai-nilai gigi heliks menyeberang jauh lebih rendah yaitu antara 25-130 Mpa dalam kasus tekanan. Dalam cara yang sama kekuatan berkisar antara 342-720Mpa. Ini menunjukkan bahwa semua tiga sistem gigi yang akan digunakan di pemuatan kondisi yang berbeda dan melintasi roda gigi heliks memberikan hasil yang optimal untuk kondisi yang kita miliki dipertimbangkan[1]



Gambar 5. Variasi dari stres kontak dalam MPa untuk roda gigi heliks yang berbeda [3]



Upaya telah dilakukan untuk membandingkan kinerja berbagai sistem gigi heliks untuk satu set spesifikasi melalui pendekatan analitis berdasarkan standar AGMA serta analisis elemen hingga pendekatan. Tiga sistem gigi heliks yang berbeda yaitu tunggal, herringbone, menyeberangi heliks gigi gigi dievaluasi. Model FEA yang dikembangkan divalidasi terhadap pendekatan analitis dan ditemukan untuk menjadi sangat dekat. analisis tegangan lebih lanjut dilakukan dengan menggunakan FEA. Model FEA yang dikembangkan divalidasi terhadap analisis pendekatan dan ditemukan untuk menjadi sangat dekat. Analisis tegangan lebih lanjut dilakukan dengan menggunakan FEA. Ditemukan bahwa kinerja keseluruhan gigi heliks ditemukan untuk menjadi yang terbaik dalam hal stress serta kekuatan gigi di kecepatan rendah dan beban rendah sedangkan herringbone dan satu sistem gigi heliks dipekerjakan untuk nilai-nilai optimum kecepatan dan beban. Tekanan rendah diamati pada kasus gigi heliks tunggal membuat penggunaannya dalam kasus kecepatan tinggi dan beban berat. B.



Permukaan Asal Kelelahan Sangat tinggi kelelahan siklus (VHCF) dari baja kekuatan tinggi telah menjadi isu penting untuk insinyur mekanik dalam beberapa tahun terakhir. Di VHCF rezim lebih 107 siklus, retak kelelahan inisiasi tidak dari permukaan tapi dari sub-permukaan bahan. Sub-permukaan patahan bahkan terjadi pada stres



lebih rendah dari patah tulang permukaan berasal; Oleh karena itu, untuk memperjelas mekanisme sangat diperlukan untuk penggunaan keamanan baja kekuatan tinggi. Dalam patah tulang sub-permukaan, permukaan patahan yang khas dengan pola concavo-cembung halus yang disebut "ODA" ditemukan. Untuk mengungkap mekanisme pembentukan ODA dianggap sebagai titik kunci untuk pertumbuhan retak sub-permukaan karena tidak pernah diamati pada patahan permukaan berasal. Penelitian ini berfokus pada lingkungan khusus di dalam sub-permukaan retak. Retak sub-permukaan tidak terkena atmosfer dan adsorpsi molekul gas pada segar-permukaan pada ujung retak tampaknya diabaikan. Dengan pemikiran ini, tes pertumbuhan retak kelelahan di vakum tinggi dilakukan untuk mensimulasikan sub permukaan perambatan retak, dan fitur patahan yang diselidiki secara menyeluruh oleh SEM analisis. Akibatnya, itu menjelaskan bahwa tinggi vakum erat mirip dengan lingkungan di dalam retakan sub permukaan, dan merupakan kondisi yang diperlukan untuk membentuk ODA di VHCF[4].



Gambar 6. Sebuah wilayah ODA khas diamati pada permukaan patahan retak sub permukaan diperoleh dengan tes kelelahan kompresi ketegangan SNCM439 ( R = -1 , 􀄱a = 750MPa , Nf = 3.6􀄱107 ) : ( a) gambar kiri menunjukkan tampilan diperbesar rendah ; ( B ) gambar kanan menunjukkan diperbesar tinggi area yang diberi tanda panah A pada Gambar[4]



Dalam penelitian ini, penulis fokus pada fakta bahwa retakan subpermukaan tidak dikelilingi oleh atmosfer. Itu lingkungan sekitar ujung retak sub-permukaan kemungkinan berbeda dari udara karena oksidasi dan adsorpsi gas molekul dapat diabaikan. Selain itu, diketahui bahwa umur kelelahan bahan logam di lingkungan vakum umumnya lebih lama daripada mereka di atmosfer



udara yang sesuai dengan kehidupan lama patah tulang sub-permukaan di Rezim VHCF. Jika lingkungan sekitar retak sub-permukaan mirip dengan vakum, ada kemungkinan bahwa ODA bisa juga dihasilkan di bawah lingkungan vakum. Dalam pekerjaan kami sebelumnya, permukaan fraktur granular sangat mirip ODA yang diamati dalam uji pertumbuhan retak dari Ti-6Al-4V dalam ruang hampa. Terutama, itu menjelaskan bahwa fitur granular di Ti-6Al-4V yang dihasilkan oleh kontak jangka mengulangi panjang permukaan patahan di vakum lingkungan setelah kelelahan retak sudah terbentuk. Hasil ini menunjukkan bahwa pola concavo-cembung halus seperti ODA dapat dihasilkan di bawah mengulangi kontak permukaan patahan atas dan bawah di lingkungan vakum terlepas dari bahan. Untuk memperjelas kredibilitas hipotesis ini, penelitian ini dilakukan tes pertumbuhan baja retak kelelahan kekuatan tinggi di lingkungan vakum tinggi dalam berbagai kondisi, dan menyelidiki permukaan fraktur dengan menggunakan SEM analisis berfokus pada pola concavocembung baik[4]. C.



Sub Kasus Asal Kelelahan Kerusakan kasus-mengeras bergulir / permukaan geser, seperti gigi gigi dan mekanisme rol tertentu, juga benar-benar bisa menghancurkan kontak permukaan. Dalam jenis kegagalan, sangat besar potongan tiba-tiba hilang dari permukaan dan kerusakan mungkin terjadi. Namun, jenis kegagalan relatif mudah untuk mencegah, setelah itu diidentifikasi. Ini akan dicatat bahwa kegagalan kelelahan di dasar kasus mengeras dari setiap bagian mungkin jika stres melebihi Kekuatan di lokasi itu. Prinsip yang sama berlaku untuk kelelahan stres kontak. Subkasus asal kelelahan juga dikenal sebagai "spalling" kelelahan atau "kasus menghancurkan ". Namun, istilah" subkasus kelelahan "lebih deskriptif mekanisme yang terlibat dan lebih disukai. "Kasus menghancurkan" menyiratkan patahan statis, yang mungkin akurat dalam kasus overloading parah, tapi ini bukan mekanisme kelelahan. Kelelahan subkasus agak mirip dengan bawah permukaan kelelahan, dibahas sebelumnya dalam bab ini. Namun, perbedaan adalah dalam skala besar: bawah permukaan kelelahan yang mengakibatkan lubang berasal beberapa ribu inci dari permukaan, sedangkan subkasus kelelahan mungkin berasal di daerah jauh lebih dalam, biasanya sedikit



di bawah kedalaman kasus, yang mungkin 0.040 in atau lebih dari permukaan, tergantung pada perlakuan panas dari bagian tertentu. Pada setiap tingkat, kelelahan dapat berasal jauh di dalam bagian sebagai akibat dari kontak kelelahan stres, menyebabkan retak kelelahan paralel dan tegak lurus ke permukaan. retakan ini cenderung sangat panjang, seperti yang ditunjukkan pada pinions poros belakang hypoid. Permukaan cracking adalah indikasi yang jelas pertama bawah permukaan kelelahan, retak meskipun tersembunyi bisa dideteksi dengan ultrasonik instrumentasi jika dicurigai. Melanjutkan layanan cepat mengarah ke kehancuran parah ditampilkan, di mana panjang, potongan dirusak telah keluar sebagai fragmen besar. Ini meninggalkan besar, panjang, mencungkil rongga luar yang benar-benar menghancurkan permukaan yang terlibat. Koreksi jenis masalah relatif sederhana, karena ini jenis kegagalan menunjukkan bahwa kekuatan geser tidak memadai di bawah kasus. Kekuatan dapat diangkat dan kegagalan dicegah dengan meningkatkan kedalaman kasus dan / atau kekerasan inti ( dan kekuatan ) dengan menggunakan baja dengan karbon tinggi atau konten paduan . Namun, setiap metalurgi perubahan harus dilakukan dengan bijaksana dan hati-hati, karena jika kasus kedalaman atau kekerasan inti meningkat terlalu banyak , gigi bisa melalui mengeras, yang dapat menyebabkan patah getas, tergantung pada bentuk gigi dan daerah lain di bagian. Juga , pola tegangan sisa akan diubah secara drastis , berpotensi menyebabkan masalah tambahan [1]



D.



Kavitasi Kelelahan Analisis rinci dari akumulasi progresif melakukan tes merayap terganggu pada spesimen bersama ( MP - TIG ) proses pengelasan memiliki jaringan menandai tertulis logam las lebih cepat di MP - TIG gabungan dari TIG gabungan . Berbeda deformasi dan kavitasi lebih tinggi disparitas kekuatan dalam logam las[5] .



Gambar 7. inisiasi rongga menjalar di sambungan las dari ( A) A - TIG dan ( b ) MP - TIG , creep diuji pada 923 K dan 180 MPa [5]



Gambar 8. Rongga menjalar terkait dengan σ - fase dalam sambungan las dari MP - TIG , creep diuji pada 923 K dan 180 MPa [5].



Metalografi penyelidikan rinci dari spesimen menjalar terganggu dilakukan pada 923 K dan 180 MPa mengungkapkan bahwa dalam patahan 1.0 tr spesimen berlangsung pada antarmuka antara columnar dan sama-sumbu butir dari logam las di A-TIG dan MP-TIG las bersama (Gbr.7). Lebih tinggi menjalar kavitasi terjadi di las logam MP-TIG bersama daripada di sendi A-TIG (Gbr.8). Terputus uji menjalar mengungkapkan bahwa kavitasi menjalar. Perilaku tidak cukup dalam spesimen menjalar hingga 0,8 tr. Spesimen sambungan las terputus pada 0,2, 0,5 waktu untuk pecah yang belum menunjukkan indikasi perilaku menjalar kavitasi. Area patahan jalan kavitasi



adalah sekitar 2,30% dan 0,15% di MP-TIG dan A-TIG sendi masingmasing,menjalarnya pecah (1.0 tr) pada 180 MPa dan 923 K. Nukleasipenjalaran rongga yang ditemukan terkait dengan rapuh σ-fase (Gbr.8). Keselarasan yang lebih besar dari butir columnar dan δ-ferit sepanjang arah stres diterapkan dalam kasus A-TIG bersama daripada di MPTIG yang sendi mungkin juga menjadi alasan untuk kavitasi merayap lebih rendah pada sendi A-TIG. Mengadopsi ATIG bergabung Proses diharapkan untuk meminimalkan kegagalan di dilas 316L (N) komponen dalam kondisi merayap [5]



DAFTAR PUSTAKA [1] [2]



[3]



[4]



[5]



J. L. McCall, Understanding how components fail, vol. 19, no. 1. 1986. M. M. Morlock, N. Bishop, J. Zustin, M. Hahn, W. Rüther, and M. Amling, “Wear Analysis of 267 Retrieval Specimens Modes of Implant Failure After Hip Resurfacing: Morphological and Modes of Implant Failure After Hip Resurfacing: Morphological and Wear Analysis of 267 Retrieval Specimens,” J Bone Jt. Surg Am, vol. 90, pp. 89–95, 2008. S. Jyothirmai, R. Ramesh, T. Swarnalatha, and D. Renuka, “A Finite Element Approach to Bending, Contact and Fatigue Stress Distribution in Helical Gear Systems,” Procedia Mater. Sci., vol. 6, no. Icmpc, pp. 907– 918, 2014. T. Nakamura, H. Oguma, and Y. Shinohara, “The effect of vacuum-like environment inside sub-surface fatigue crack on the formation of ODA fracture surface in high strength steel,” Procedia Eng., vol. 2, no. 1, pp. 2121–2129, 2010. T. Sakthivel, M. Vasudevan, K. Laha, P. Parameswaran, K. S. Chandravathi, M. D. Mathew, and A. K. Bhaduri, “Effect of joining process on the accumulation of creep deformation and cavitation across the weld joint of 316L(N) stainless steel,” Procedia Eng., vol. 55, pp. 408–413, 2013.



BAB 13. KEGAGALAN KOROSI Korosi didefinisikan sebagai kerusakan logam akibat reaksi kimia atau elektrokimia dengan lingkungannya [1]. Kerusakan oleh penyebab fisik tidak disebut korosi, tetapi digambarkan sebagai erosi, lecet, atau aus [2]. Bab ini menguraikan jenis utama dari korosi, interaksi mereka, efeknya rumit pada patahan dan aus, dan beberapa metode pencegahan. Siapapun yang telah bekerja pada bidang korosi dan pengujian korosi akan setuju perubahan yang kecil dalam logam, desainnya, atau lingkungannya secara signifikan dapat mempengaruhi perilaku korosif. Kadang-kadang ditemui masalah korosi yang membingungkan di mana kondisi aktual dan interaksi yang tidak diketahui atau dipahami. Untuk alasan inilah, ini adalah sangat penting untuk mencoba mendapatkan informasi langsung sebanyak mungkin tentang masalah keadaan korosi atau efek rumit patah korosif atau masalah aus, karena sering dikombinasikan berbagai cara kegagalan. Dalam analis kegagalan harus sangat berhati-hati bahwa langkahlangkah perbaikan yang diambil benar-benar korektif. Dalam beberapa kasus, hal ini dapat mengakibatkan masalah lebih buruk daripada yang lebih baik. Seperti dalam semua pekerjaan analisis kegagalan, baik untuk "bergegas perlahan" dalam rangka untuk benar memahami dan mengidentifikasi masalah sebelum cara pencegahan dapat dipraktekan. A.



Siklus Hidup dari Logam Korosi adalah proses alami di mana aksi kimia dari proses pemurnian dibalik. Dalam keadaan stabil secara kimiawi alaminya, logam ditemukan terutama baik sebagai oksida atau dalam biji sulfida. Penambahan sejumlah energi besar selama proses penyulingan untuk mengupas oksida atau sulfida menghasilkan logam yang relatif murni dalam keadaan kurang stabil secara kimiawi (daerah metastabil). Logam halus dapat digunakan untuk berbagai keperluan, baik sendiri atau dengan paduan dengan logam lain. Namun , proses pengembalian ke kondisi stabil, kimiawi kondisi stabil berlangsung tak terelak kecuali dicegah dengan tindakan yang disengaja. Untuk menggambarkan proses ini, untuk logam biasa, besi ditemukan sebagai biji oksida besi (karat), halus untuk besi (atau baja) yang akan digunakan untuk beberapa tujuan, tapi



akhirnya akan kembali ke oksida besi (karat). Mengutip pepatah terkenal, " abu menjadi abu, karat menjadi karat" [3]. Gambar 13.1 adalah skema yang menunjukkan siklus hidup dari sifat logam, skala vertikal adalah tingkat energi, sedangkan skala horisontal adalah waktu. Bijih di kiri bawah adalah dalam kondisi alami pada tingkat energi yang rendah. Energi termal atau listrik ditambahkan selama proses penyulingan oksigen dan atau sulfur dari logam (langkah a), mengubah logam menjadi tidak wajar, beberapa kondisi kimiawi stabil pada tingkat energi yang lebih tinggi (langkah b). Logam halus dapat dileburkan dan cor, dibentuk panas atau dingin, atau mesin ke dalam bentuk yang berguna untuk melayani beberapa tujuan dalam pembuatan produk akhir. Namun, logam halus akan cenderung memburuk di beberapa tingkat (langkah c) dan kembali ke energi yang lebih rendah, asli kimiawi stabil, kondisi seperti bijih, sehingga melepaskan energi. Kita kadangkadang mengambil keuntungan dari energi yang dilepaskan oleh korosi untuk mengubahnya menjadi energi listrik, seperti di sel baterai kering. Namun, energi yang paling dihasilkan oleh korosi didisipasikan dan terbuang tanpa dimanfaatkan untuk tujuan yang bermanfaat. Tentu saja, daur ulang atau hasil peleburan adalah cara yang efisien untuk melewati kerusakan akibat korosi dan menggunakan kembali logam (langkah d) [4].



Gambar 1. Siklus Hidup dari Sufat Logam. (Sumber: [4])



B.



Sifat Dasar Korosi Definisi korosi dalam kalimat pertama dari bab ini mengacu pada "kimia atau elektrokimia" bereaksi dengan lingkungan [4]. korosi elektrokimia adalah proses yang mengakibatkan sebagian atau seluruh logam yang berubah dari logam untuk negara ionik. Korosi elektrokimia dalam logam disebabkan oleh aliran listrik dari satu logam dengan logam lain atau dari satu bagian dari permukaan logam ke bagian lain dari permukaan yang sama. Dalam sistem korosi (Gambar 13.2), sirkuit ini terdiri dari empat komponen [5]:  Anoda adalah elektroda dari sel elektrolit di mana oksidasi adalah reaksi utama. Elektron mengalir dari anoda di sirkuit eksternal. Ini adalah elektroda di mana terjadi korosi dan ion logam masukkan solusi.  Elektrolit adalah solusi budidaya listrik yang mengandung ion, yang merupakan partikel atom atau radikal yang memiliki muatan listrik.  Katoda adalah elektroda dari sel elektrolit di mana pengurangan pada reaksi utama. Elektron mengalir menuju katoda dalam sirkuit eksternal. katoda tidak menimbulkan korosi .  Sebuah jalur logam adalah sebuah sirkuit eksternal untuk menyelesaikan hubungan antara anoda dan katoda.



Gambar 2. Sistem Korosi. (Sumber: [5])



Jika salah satu dari empat kondisi ini tidak ada, sirkuit listrik tidak lengkap dan korosi tidak dapat terjadi. Pada dasarnya, ini adalah strategi metode korosi pencegahan elektrokimia [5].



C.



Bentuk Korosi Ada berbagai jenis korosi, dan lebih dari satu mekanisme korosi dapat beroperasi pada waktu yang sama. Beberapa jenis korosi hanya tergantung pada lingkungan, sementara yang lain membutuhkan bantuan mekanis atau mikrobiologi. Beberapa yang unik untuk logam dan paduan tertentu, sementara yang lain menyerang banyak, jika tidak kebanyakan, logam dan paduan. Pada bagian ini dibahas beberapa jenis yang lebih umum dari korosi. Seperti yang diilustrasikan pada Gambar 13.3 [5].



Gambar 3. Variasi Bentuk Korosi (Sumber: [5])



D.



Korosi Seragam Korosi seragam adalah serangan cukup seragam dari seluruh permukaan logam, mengakibatkan penipisan pad logam. Ini adalah jauh bentuk paling umum dari serangan, terhitung kerugian korosi terbesar logam. Sejak serangan itu relatif sejajar dengan waktu, umur peralatan dapat diprediksi dengan cukup akurat. Korosi seragam adalah hasil dari pembentukan dan pembubaran beberapa anoda dan katoda daerah yang bergerak di sekitar permukaan terhadap waktu. Korosi seragam sering disebabkan oleh paparan atmosfer tetapi dapat diperburuk oleh polusi industri , payau dan air garam, dan tanah dan bahan kimia . Laju korosi seragam diukur sebagai hilangnya ketebalan ratarata logam dengan waktu [5]. Korosi seragam biasanya dicegah dengan memilih logam yang membentuk lapisan pelindung, dengan menerapkan lapisan yang mengisolasi logam dari



lingkungan, atau dengan proteksi katodik. Dalam perlindungan katodik, logam harus dilindungi elektrik terhubung ke logam lebih anodik, sehingga logam anoda merusak bukan logam dilindungi. Misalnya, baja sering dilapisi dengan seng dalam proses yang disebut galvanizing. Lapisan seng, menjadi lebih anodik dari baja, merusak istimewa untuk baja. Ini adalah jenis perlindungan pasif katodik [5]. E.



Korosi Galvanic Ketika dua logam yang berbeda (atau logam dan bukan logam melakukan) ditempatkan dalam kontak listrik di hadapan elektrolit, tidak diungkiri ada perbedaan potensial atau tegangan. Perbedaan potensial ini menyebabkan arus mengalir, dan lebih anodik, logam merusak sedangkan logam lebih katodik, tidak terpengaruh. Tingkat serangan tergantung pada perbedaan tegangan relatif antara dua logam, daerah relatif masing-masing logam yang terkena, dan lingkungan korosif tertentu. Contoh korosi galvanik antara logam dan nonlogam melakukan adalah komposit serat karbon dalam kontak langsung dengan aluminium. Jika kontak serat karbon paduan aluminium dengan adanya elektrolit seperti air, aluminium akan menimbulkan korosi [5]. Meskipun seri galvanik menunjukkan potensi korosi, korosi yang sebenarnya sulit untuk memprediksi. Mungkin konduktor elektrolit rendah, jarak jauh dapat meningkatkan daya tahan ke titik bahwa korosi tidak terjadi, atau laju reaksi mungkin sangat lamban. Produk korosi juga dapat membentuk lapisan sebagian isolasi pada anoda. Sebuah katoda memiliki lapisan gelembung gas yang terserap dihasilkan dari reaksi korosi dapat menjadi terpolarisasi dan mengurangi laju korosi [5]. Korosi galvanik dapat dicegah atau dikurangi dengan pemilihan bahan yang tepat, yaitu pemilihan kombinasi dari logam sebagai dekat mungkin dalam seri galvanik, isolasi logam berbeda, menerapkan lapisan penghalang untuk kedua anodik dan logam katodik, menerapkan lapisan kurban (seperti seng pada baja), menerapkan atau membangun film bukan logam (misalnya, anodizing paduan aluminium), dan dengan memberikan proteksi katodik [5].



F.



Pitting Pitting adalah bentuk serangan yang sangat lokal yang ditandai dengan pembentukan lubang kecil di permukaan. Beberapa lubang dalam stainless steel bellow berdinding tipis austenitic ditunjukkan pada Gambar 13.4. Pitting terjadi pada paduan dengan film pasif dan dianggap lebih berbahaya dari kerusakan korosi seragam karena lebih sulit untuk mendeteksi, memprediksi, desain, dan dapat tiba-tiba menyebabkan kehilangan fungsi material. Pitting terjadi ketika daerah diskrit material mengalami serangan cepat sementara sebagian besar permukaan yang berdekatan tetap hampir tidak terpengaruh. Meskipun kerugian logam keseluruhan mungkin kecil, bagian tersebut dapat diberikan siasia karena perforasi. Selain hilangnya ketebalan lokal, lubang korosi juga dapat bertindak sebagai penanam stres, yang menyebabkan kelelahan atau korosi tegangan retak [5].



Gambar 4. Lubang Korosi pada Stainless Steel Berdinding Tipis Austenitik. (Sumber: [5])



Pitting terjadi ketika anodik atau korosi area kecil dalam kaitannya dengan daerah katodik atau dilindungi. Pitting dapat terjadi pada logam dilindungi ketika ada patahan kecil dalam kelangsungan lapisan logam. Pitting juga dapat terjadi pada permukaan logam bersih sebagai akibat dari penyimpangan dalam struktur fisik atau kimianya. Tingkat penetrasi ke dalam logam dengan pitting bisa 10 sampai 100 kali yang disebabkan oleh (seragam) korosi umum. Pitting dapat menyebabkan kegagalan struktural dari melemahnya daerah sementara logam suara yang cukup [5]. Pitting biasanya memerlukan waktu inisiasi agak panjang sebelum serangan terlihat. Namun, setelah lubang telah dimulai, serangan itu berlanjut



pada laju percepatan. Lubang cenderung tumbuh dengan cara yang merusak atau memotong permukaan. Biasanya, lubang yang sangat kecil terlihat di permukaan. Menusuk lubang dengan alat yang tajam dapat mengungkapkan lubang yang jauh lebih besar di bawah apa yang tampak seperti logam padat. Pitting dapat menyebabkan lubang terlihat, atau mereka mungkin ditutupi dengan membran semipermeabel dari produk korosi. Korosi pitting mungkin dianggap bentuk yang berbeda. Lubang dapat berupa hemispherical atau berbentuk cangkir. Dalam beberapa kasus, mereka yang berdinding datar, mengungkapkan struktur kristal logam, atau mereka mungkin memiliki bentuk yang sama sekali tidak teratur [5]. Pitting biasanya terjadi dalam lingkungan yang tergenang. Sel konsentrasi dapat mempercepat pitting. Sel konsentrasi adalah daerah di permukaan logam dimana oksigen atau konsentrasi garam konduktif dalam air berbeda. Sebagai lubang menjadi lebih dalam, sel konsentrasi oksigen dimulai dengan menipisnya oksigen di pit. Tingkat penetrasi lubang tersebut dipercepat secara proporsional sebagai dasar lubang menjadi lebih anodik. Pitting serangan meningkat dengan suhu. Variasi kondisi tanah juga dapat memicu pitting [5]. Kedalaman pitting dapat dinyatakan oleh faktor pitting (p/d), seperti yang didefinisikan pada Gambar 13.5. Nilai 1 akan mewakili korosi seragam. Kedalaman maksimum penetrasi (p) dapat diukur dengan beberapa metode, termasuk pemeriksaan metalografi, mesin, penggunaan mikrometer, atau mikroskop. Kedalaman penetrasi rata-rata (d) dihitung dari berat badan yang hilang oleh sampel. Kedalaman penetrasi maksimal sangat signifikan jika logam adalah bagian dari penghalang atau tangki atau merupakan bagian dari sistem bertekanan. Untuk komponen mekanik, kepadatan lubang (jumlah per satuan luas) dan ukuran mungkin karakteristik lebih penting daripada kedalaman maksimum. Hilangnya penampang efektif dapat menurunkan kekuatan komponen, dan lubang dapat menjadi daerah konsentrasi tegangan, mengarah ke salah satu static overload atau kelelahan kegagalan [5].



Gambar 5. Faktor Pitting. (Sumber: [5])



G.



Retak Stres-Korosi Retak stres-korosi (SCC) adalah proses kegagalan yang terjadi karena kehadiran simultan dari tegangan tarik, lingkungan tertentu, dan bahan rentan. Penghapusan atau perubahan salah satu dari tiga faktor ini akan sering menghilangkan atau mengurangi kerentanan terhadap SCC. Retak stres-korosi terjadi dengan pertumbuhan retak subkritis melibatkan inisiasi retak di situs yang dipilih, perambatan retak, dan akhirnya membebani fraktur bagian yang tersisa. Kegagalan SCC sering ditemui dalam lingkungan kimia yang tampaknya ringan pada tegangan tarik di bawah kekuatan luluh. Kegagalan sering mengambil bentuk retakan halus yang menembus dalam ke logam dengan sedikit atau tidak ada bukti korosi. Retak stres-korosi terus menjadi penyebab kegagalan layanan yang signifikan. Hal ini sangat mungkin bahwa untuk setiap paduan ada lingkungan yang akan menyebabkan SCC, tetapi sebagian besar yang penting industri dikenal. Bahan seleksi adalah garis pertahanan pertama. Menurunkan tekanan diterapkan dan penghapusan tegangan sisa juga dapat pergi jauh ke arah menghilangkan masalah. Kadang-kadang, perubahan kecil atau penambahan lingkungan dapat membantu [5]. Retak stres-korosi biasanya menjalani percabangan yang luas dan melanjutkan dalam arah umum tegak lurus terhadap tekanan berkontribusi terhadap inisiasi dan propagasi mereka , seperti yang ditunjukkan pada Gambar 13.6 untuk SCC intergranular dari stainless steel 316L. Permukaan beberapa retak stres-korosi mirip fraktur mekanik rapuh, meskipun mereka sebenarnya hasil dari korosi lokal dalam kombinasi dengan tegangan tarik. Dalam beberapa logam, retak merambat intergranularly dan dilain transgranularly. Dalam logam



tertentu, seperti paduan nikel tinggi, paduan besi-kromium, dan kuningan, kedua jenis retak dapat terjadi, tergantung pada kombinasi logam-lingkungan tertentu.



Gambar 6. Klorida - induksi retak stres - korosi tipe 316 pipa stainless steel. (Sumber: [5])



Gambar 7. retak stres – korosi tipis di leher peluru. (Sumber: [4])



Karakteristik dari SCC adalah adanya stres minimum untuk kegagalan, atau ambang batas stres, untuk komponen halus dan intensitas ambang batas stres untuk perambatan retakan untuk komponen sebelum retak. Ambang batas stres adalah bahwa stres di bawah ini yang kemungkinan untuk retak sangat rendah, dan itu tergantung pada suhu, komposisi, struktur paduan metalurgi, dan lingkungan. Dalam beberapa tes, retak terjadi pada tegangan yang serendah sekitar 10% dari kekuatan yield, dan untuk kombinasi logam-lingkungan lainnya,



ambang batas stres setinggi 70 % dari kekuatan luluh. Pengaruh komposisi paduan pada stres ambang batas ditunjukkan pada Gambar 13.8.



Gambar 8. Relatif stres - korosi retak perilaku baja tahan karat austenitik pada magnesium klorida mendidih. (Sumber: [5])



H.



Corrosion Fatigue Logam mengalami degradasi kelelahan dengan penerapan tegangan siklik, dan semua logam memiliki kekuatan kelelahan mereka lebih dikurangi dengan lingkungan korosif. Sebagai lawan SCC, retak dari kelelahan korosi menunjukkan sedikit atau tidak bercabang dan biasanya penuh puing-puing korosi. fenomena tersebut dapat terjadi sebagai retak tunggal tetapi lebih sering terjadi sebagai rangkaian beberapa retak paralel. Retak yang sering dikaitkan dengan lubanglubang, alur, atau beberapa jenis lain dari konsentrasi tegangan. Mode kegagalan transgranular yang lebih umum dari kegagalan intergranular. Secara umum, kita berpikir tentang korosi yang terjadi selama siklus menekankan mengurangi umur kelelahan, sebagaimana disebut di atas. Bahkan udara dapat mempengaruhi perilaku kelelahan dalam paduan tertentu dibandingkan dengan perilaku mereka dalam ruang hampa. Gambar 13.9 menunjukkan kecenderungan aluminium 2024-T3 untuk membentuk goresan



kelelahan yang normal (incremental depan pertumbuhan retak berikut satu siklus) saat diuji di udara tetapi memiliki sifat relatif khusus di daerah fraktur saat diuji vakum. Ini berarti bahwa udara diperlukan untuk pembentukan striations kelelahan, setidaknya di bawah kondisi pengujian.



Gambar 9. Patah lelah pada paduan aluminium 2024-T3 diuji pertama di vakum (wilayah A) dan kemudian di udara (wilayah B)(7500X). (Sumber: [4])



Dalam banyak kasus, kelelahan dimulai dari lubang kecil pada permukaan berkarat , yang bertindak sebagai konsentrasi tegangan (Gambar 13.10, 13.11). Dalam kasus lain, tampak bahwa retak kelelahan memulai pertama dan kemudian dibuat untuk berkembang lebih pesat dengan kelembaban atau gigit lain yang memasuki retak oleh kapiler. Mungkin kombinasi dari dua mekanisme yang paling umum.



Gambar 13.10 Foto scanning electron dari lubang korosi pada permukaan airfoil turbin gas menunjukkan baik lubang besar dan kecil (panah) yang menyebabkan patah lelah. (Sumber:[4])



Gambar 13.11 Tahap pertama sudu kompresor yang retak karena kelelahan korosi berasal lubang korosi. (Sumber: [4]



REFERENSI [1] [2] [3] [4] [5]



ASM Handbook, Corrosion. United States of America: ASM International, 1980. H. Silman, Corrosion and Corrosion Control: An introduction to corrosion science and engineering, vol. 7. Canada: John Wiley & Sons, Inc, 2008. D. J. Wulpi, Understanding How Components Fail, 2nd ed., vol. 19, no. 1. United State of America: ASM International, 1986. D. J. Wulpi, Understanding How Components Fail, 3rd ed. United States of America: ASM International, 2013. F. Campbell, Elements of Metallurgy and Engineering Alloys. United States of America: ASM International, 2008.



BAB 14. KEGAGALAN PENINGKATAN SUHU Kegagalan peningkatan suhu adalah jenis kegagalan yang paling kompleks, untuk semua mode kegagalan yang sudah dibahas sebelumnya dapat terjadi pada suhu tinggi (dengan pengecualian dari suhu rendah patah getas). suhu yang tinggi sangat menyulitkan kedua analisis kegagalan yang mungkin terjadi dan solusinya. Oleh karena itu, kegagalan ini harus diperiksa dan dianggap sangat hati-hati karena banyak dari mode kegagalan yang cenderung berbeda. Ketidak stabilan metalurgi mengurangi umur benda atau menyebabkan hilangnya fungsi atau operasi komponen saat suhu tinggi. Istilah peningkatan suhu perlu definisi. Biasanya kekuatan statis logam dibatasi oleh kekuatan yield-nya, Namun, karena suhu yang meningkat, kekuatan statis logam dibatasi oleh faktor waktu yang tergantung dari rambatan, yang tergantung waktu regangan yang terjadi di bawah tekanan. Setiap logam atau paduan harus dipertimbangkan secara individual karena perbedaan sifatnya. nilai perkiraan untuk batas bawah dari perilaku peningkatan suhu untuk logam dan sistem paduan beberapa ditunjukkan pada Tabel 1 [1]. Tabel 1. Perkiraan untuk nilai batas bawah dari perilaku selama peningkatan suhu pada beberapa logam paduan [1]



Suhu tinggi memberikan pengaruh ganda terhadap degradasi logam yang ditimbulkanya. Pertama, kenaikan suhu akan mempengaruhi aspek termodinamika dan kinetika reaksi, artinya degradasi akan semakin cepat pada suhu yang lebih tinggi. Yang kedua, kenaikan suhu akan mempengaruhi, merubah struktur dan prilaku logam. Jika struktur berubah, maka secara umum kekuatan dan perilaku logam juga berubah. Jadi selain terjadi degradasi yang berupa kerusakan fisik pada permukaan atau kerusakan eksternal, juga terjadi degradasi, penurunan sifat mekanik, logam menjadi rapuh [2].



A.



Creep Creep didefinisikan sebagai aliran plastis pada kondisi tegangan konstan. Meskipun creep tidak terjadi disuhu rendah dimana pergerakan atas dapat diabaikan akan tetap bertambah secara dispensil dengan meningkatnya suhu. Jadi creep dapat didefinisikan sebagai deformasi yang terjadi secara kontinu bila mendapat beban terus menerus hingga terjadi patah. Patah ini terjadi biasanya pada bagian yang kadar karbonnya paling rendah. Creep Suhu tinggi. Kegagalan ini bisa diakibatkan karena rambatan suhu tinggi. Degradasi logam dan deformasi permanen terjadi dengan waktu, tergantung pada tingkat suhu dan stres yang terjadi. Jika suhu dan tekanan melebihi nilai standard desain, komponen menunjukkan laju creep lebih tinggi dan gagal awal dari yang diharapkan. kegagalan creep suhu tinggi kadangkadang disebut "jangka panjang" atau "extended" kegagalan overheating. Seperti hasil kegagalan dari jangka yang relatif terus menerus sedikit overheating (diferensial antara desain dan suhu operasi sesungguhnya), tingkat temperatur perlahan meningkat atau stres, atau akumulasi dari beberapa jangka waktu panas yang berlebihan. Kerusakan creep terjadi di sepanjang batas butir material dan sejajar 90° dari arah tegangan tarik yang diterapkan. Hasil deformasi creep sedikit atau tidak ada pengurangan dari ketebalan dinding tetapi menghasilkan pemanjangan yang creep atau peningkatan diameter dalam tabung baja feritik seperti pada gambar 1.



Gambar 1. Kegagalan creep panas pada tabung baja feritik [3].



Creep tergantung pada waktu regangan, yang dapat menyebabkan kegagalan ketika komponen yang beroperasi pada suhu tinggi di bawah beban



tetap terjadi cacat atau terdistorsi yang tidak bisa lagi melakukan fungsinya. deformasi creep biasanya digambarkan dengan kurva regangan bergantung waktu, Kekuatan creep (yaitu, perlawanan creep deformasi) dari logam ditentukan oleh berbagai faktor, termasuk komposisi, peleburan dan praktek deoksidasi, ukuran butir, perlakuan panas, dan besarnya beban. Kurva creep digunakan untuk evaluasi penilaian, tiga tahap ditunjukkan secara skematis pada Gambar 2. Setelah regangan elastis awal yang dihasilkan dari efek langsung dari beban, ada wilayah meningkatkan aliran plastik pada penurunan laju regangan (tahap pertama, atau primer, creep). Creep tahap pertama ini merupakan penyesuaian di dalam logam, yang terjadi pada beberapa saat pertama setelah pembebanan awal. Laju creep kemudian menurun sebagai ketidak sempurnaan kristalografi menjalani penataan kembali, yang kemudian menyebabkan creep sekunder [3].



Gambar 2. Skema kurva tegangan-creep menunjukkan tiga tahap creep[3].



Perilaku creep suatu material dapat diketahui melalui pengujian terhadap suatu spesimen yang diberikan pembebanan atau tegangan konstan yang menghasilkan besaran regangan dalam fungsi waktu. Bentuk kurva yang menghasilkan karakteristik seperti ditunjukkan pada gamabar 3. kurva creep terdiri dari fase-fase yang menunjukkan perilaku material pada kondisi temperature tinggi, yaitu: 1. Fase primary, dimana regangan meningkat dengan laju yang lambat, 2. Fase secondary (steady state), dimana regangan bergerak dengen laju konstan,



3.



Fase tertiary, regangan bergerak dengan laju dipercepat hingga akhirnya patah, 4. Regangan patah juga disebut juga rupture ductility. Pada perinsipnya semakin tinggi kekuatan creep suatu material, maka semakin rendah keuletanya. Material yang ulet memiliki daerah secondary yang lebih lebar pada curva creep, dan waktu perpatahan lebih pendek. Sementara material getas yang didefinisikan dengan kekuatan creep tinggi, laju creep pada daerah secondary lebih sempit, dan perpatahan yang terjadi seketika dengan keuletan rendah. Pada Gambar 3 memperlihatkan bentuk kurva creep yang di pengaruhi jenis material, temperature dan tegangan [4].



Gambar 3. Ilustrasi kurva creep berdasarkan perbedaan material dengan parameter temperature dan tegangan. [4]



B.



Peningkatan Kelelahan Thermal Dalam masalah ini komponen dikenakan beban tekan stabil yang sering disertai dengan beban putar mekanis induksi bertanggung jawab atas kegagalan dengan kelelahan. Pengaruh suhu pada kekuatan kelelahan adalah penting, karena kekuatan lelah dan kekuatan tarik menurun dengan meningkatnya suhu. Namun, hubungan yang tepat antara suhu dan kekuatan kelelahan bervariasi. Hal ini sering tergantung pada campuran logam, suhu yang terjadi, dan durasi saat beban puncak. Retak kelelahan termal biasanya berawal pada permukaan, kemudian merambat tegak lurus terhadap permukaan dan bidang yang mengalami stres maksimum. Retakan mungkin terjadi secara tunggal atau



berlipat ganda tetapi sering terjadi secara kelipatan. Karena retak dimulai dari luar, jumlah korosi atau oksidasi sepanjang permukaan retak kelelahan thermal berbanding terbalik dengan kedalaman retak. Retak kelelahan thermal biasanya berlanjut transgranular. Namun, dengan adanya oksidasi intergranular, yang dapat mengawali retak, TMF retak cenderung merambat sepanjang batas butir. Contoh retak seperti di sudu turbin gas darat ditunjukkan pada Gambar 4. Dalam metode perkiraan ketahanan bahan TMF, bentuk gelombang, terutama pentahapan antara regangan dan suhu, sangat penting dalam menentukan ketahanan bahan. Bentuk gelombang dibentuk oleh suhu atau regangan terhadap waktu [3].



Gambar 4. Contoh Retak kelelahan termal pada sudu turbin gas [3].



C.



Kelelahan Termal Kelelahan Thermal adalah kondisi mekanik yang tidak hanya sumber dari beban siklik, yang dapat mengakibatkan kegagalan kelelahan. Gradien panas sementara dalam komponen dapat menginduksi regangan plastik, jika gradien termal ini diterapkan berulang kali, regangan siklik yang dihasilkan dapat menyebabkan kegagalan. Proses ini dikenal sebagai kelelahan termal, kelelahan termal sering dianggap mekanisme kegagalan siklus yang rendah, yang terjadi karena kondisi operasional. Kelelahan termal dapat didefinisikan sebagai penurunan bertahap dan material akhirnya retak dengan bergantian pemanasan dan pendinginan, di mana pemuaian termal sebagian atau



sepenuhnya dibatasi. Kendala bagian atau bahan tidak memungkinkan ekspansi bebas terjadi [3]. Kelelahan dapat disebabkan baik oleh siklik mekanis dengan penekanan atau siklik termal dengan penekanan. Retak kelelahan termal adalah hasil dari siklus pemanasan dan pendinginan yang berulang, menghasilkan alternatif ekspansi dan kontraksi. Ketika logam mendingin, akan menciut, menyebabkan tegangan tarik sisa. Jika pemuaian ini bergantian dan kontraksi terus, retak kelelahan akan terbentuk dan akan menyebarkan setiap kali logam didinginkan, seperti dalam katup buang mesin pada Gambar 5 [1].



Gambar 5. Retak hermal kelelahan pada katup buang dari mesin bensin [1].



Ketika bahan coran digunakan dalam lingkungan di mana perubahan suhu sering terjadi, atau di mana perbedaan suhu yang dikenakan pada benda, tegangan termal terjadi pada coran dan dapat mengakibatkan strain elastis dan plastik, dan akhirnya membentuk retakan. Sehingga coran dapat hancur akibat kelelahan termal. Perubahan struktur mikro, terkait dengan perubahan stres termasuk volume, serta permukaan dan internal oksidasi, juga dapat dikaitkan dengan perbedaan suhu diinduksi tekanan [5]. Kelelahan termal dapat dicegah di banyak bagian dengan merancang kurva garis lurus dalam sistem. Bila ini dilakukan, siklus pemanasan dan pendinginan hanya menyebabkan distorsi dari kurva, daripada membentuk tegangan sisa tarik pada pendinginan. Sistem pemuaian loop dan embusan di pipa dan tabung peningkatan suhu beroperasi pada prinsip ini [1].



D.



Metalurgi Instabilitas Stres, waktu, suhu, dan lingkungan dapat mempengaruhi perubahan struktur metalurgi selama pengujian atau layanan dan dengan demikian berpengaruh terhadap kegagalan dengan mengurangi kekuatan. Perubahan mikrostruktur yang disebut sebagai ketidakstabilan metalurgi. Sumber ketidakstabilan termasuk transisi patahan transgranular-intergranular, kristalisasi, penuaan dan overaging, fase endapan intermetalik, penundaan transformasi untuk fase kesetimbangan, order-disorder transisi, oksidasi umum, korosi intergranular, retak stres-korosi, terak-ditingkatkan korosi, dan kontaminasi oleh elemen lain. Perubahan metalurgi lainnya (seperti spheroidization dan grafitisasi) dan efek korosi juga dapat terjadi selama terkena suhu tinggi pada jangka panjang. Oleh karena itu, tes setelah paparan jangka panjang mungkin berguna dalam menentukan efek dari perubahan sifat metalurgi pada jangka pendek atau jangka panjang [3]. E. Kegagalan Terimbas Lingkungan Keadaan lingkungan yang agresif akan mengurangi kemampuan bahan tertentu untuk menanggung beban. Secara umum, biasanya ada sejumlah lingkungan untuk setiap bahan yang diberikan yang akan menyebabkan fraktur yang disebabkan lingkungan. Keadaan lingkungan tertentu akan menyerang semua bahan, kegagalan yang disebabkan lingkungan selalu terjadi selama periode waktu tertentu, lingkungan akan bereaksi merusak bahan dengan menurunkan sifat materialnya. Dengan kata lain, jika material mengalami stres (di bawah kekuatan yield) di lingkungan akan rentan terhadap serangan, sebagian kegagalan paling tidak terjadi secara instan pada aplikasi beban. Tergantung pada tingkat beban yang diterapkan, waktu untuk kegagalan mungkin bervariasi. Hal ini ditunjukkan pada Gambar 6. Simulasi untuk baja kekuatan tinggi dalam lingkungan air laut yang terdiri dari 3,5% garam (NaCl). Fenomena ini juga disebut kegagalan yang tertunda. Contoh ini sangat cocok untuk memilih baja untuk aplikasi laut seperti lambung kapal dan anjungan pada lepas pantai. Baik untuk aplikasi, itu adalah menarik untuk mempertimbangkan penggunaan baja kekuatan tinggi untuk menghemat berat. Namun, tingkat stres yang diijinkan dalam anggota struktural baja berkekuatan tinggi di lingkungan



air laut tidak ditentukan oleh kekuatan yield melainkan oleh tingkat stres atas terjadinya patah yang disebabkan lingkungan [6].



Gambar 6. Simulasi untuk baja stainless diterapkan stres versus umur spesimen jenis tarik di air laut [6].



Dalam semua kegagalan suhu tinggi, karakteristik lingkungan harus dipertimbangkan dengan cermat. Tidak hanya suhu itu sendiri, tetapi juga apakah suhu tinggi stabil atau berfluktuasi, tingkat perubahan suhu (yang akan mempengaruhi ekspansi diferensial dan kontraksi), konduktivitas termal dari logam yang terlibat, karakteristik cairan (baik cairan dan gas) yang berada dalam kontak dengan permukaan, dan cara di mana cairan berpengaruh terhadap permukaan logam. Pertimbangan yang disebut terakhir adalah yang paling penting dalam beberapa masalah yang memiliki gas tinggi atau laju aliran cairan pada suhu tinggi, yang dapat menyebabkan masalah erosi. Korosi dan korosi-Erosi. Beberapa jenis bagian berfungsi dalam lingkungan di mana tingginya tingkat aliran fluida pada suhu tinggi normal. Khas mereka di lingkungan gas termasuk katup mesin exhaust, pisau dan balingbaling di bagian panas dari mesin gas dan turbin uap dan generator, lokasi tertentu (terutama inlet dan outlet) di berbagai jenis tungku. Lihat katup buang mesin pada Gambar 7. Bagian umum dalam lingkungan cair bersuhu tinggi adalah sistem tertentu perpipaan, pompa, rotor, baling-baling, nozel, dan sejenisnya, bahwa pengalaman tingginya tingkat aliran fluida [1].



Gambar 7. Erosi-korosi dua katup mesin knalpot berbahan bakar bensin Katup terbuat dari superalloy nikel-dasar operasi antara 1400 dan 1500 °F. Kerusakan diidentifikasi sebagai korosi oksida [1].



Pada bahan baja tahan karat yang merupakan logam paduan yang mengandung unsure Fe, C, Cr, Ni, dan beberapa unsur tambahan, seperti Mo, Mn, Va, Ti. Masing-masing unsur memberi pengaruh dalam proses oksidasi suhu tinggi. Proses oksidasi akan menghasilkan oksida FeO, Fe3O4, Fe2O3, Cr2O3,dan CrO. Jenis, tipe, dan karakter oksida yang terbentuk akan ditentukan oleh kandungan unsur dan suhu lingkungan. Oksida besi FeO, Fe3O4, Fe2O3 mulai terbentuk pada temperatur oksidasi di atas 500oC dengan membentuk lapisan oksida berlapis tiga. Lapisan paling dalam, FeO merupakan lapisan yang paling tebal dan dua lapisan di atasnya, Fe3O4 dan Fe2O3. Kandungan krom yang tinggi pada baja tahan karat dapat membentuk lapisan krom oksida (Cr2O3) tepat di bawah besi oksida sebagai lapisan pelindung untuk menahan proses korosi lanjut [7]. Pada suhu tinggi, atmosfer brsifat oksidator, atmosfer yang berpotensi untuk mengoksidasi logam. Atmosfer ini merupakan lingkungan penyebab utama terjadinya korosi pada temperature tinggi mencakup reaksi langsung antara logam dan gas. Untuk lingkungan tertentu kerusakan dapat terjadi akibat



reaksi dengan lelehan garam, atau fused salt yang terbentuk pada suhu tinggi, korosi ini biasa disebut corrosion, atau korosi panas [2]. F.



Metode Pendinginan Teknik-teknik pendingin berguna untuk pencegahan kegagalan peningkatan suhu. Dalam mekanisme aliran gas, sering dibutuhkan dan mungkin untuk memiliki udara dingin atau gas lainnya mengalir melalui atau melewati bagian yang terlibat untuk mengurangi suhu. Mesin pembakaran internal dapat didinginkan dengan baik cair atau udara. Namun, tidak ada sistem pendingin yang dapat berfungsi secara efektif jika sifat transfer panas terganggu. Sistem pendingin yang efektif sangat penting untuk operasi mesin; kerusakan parah, seperti katup pembakaran exhaust, dapat terjadi jika proses pendinginanya tidak baik (lihat Gambar. 8)



Gambar 8. Kerusakan pada katup exhaust yang dikarenakan proses pendinginan yang kurang baik [1].



Mekanisme tertentu yang bekerja pada suhu yang sangat tinggi dapat bertahan hanya dengan bantuan sistem pendingin. Dua contoh spektakuler adalah tombak oksigen yang digunakan dalam dasar-oksigen konverter pembuatan baja dan kubah air-cooled digunakan dalam pembuatan berbagai jenis besi cor. Tombak oksigen pada dasarnya tabung berdinding ganda yang dimasukkan langsung di atas logam cair dalam konverter. Ledakan oksigen ke dalam logam cair menyebabkan suhu yang sangat tinggi pada tombak. Hanya sirkulasi air pendingin di dalam tabung mencegah tombak itu sendiri dari



mencair. Demikian pula, pelat baja kadang-kadang digunakan untuk membuat kubah untuk peleburan besi cor. Sekali lagi, satu-satunya hal yang membuat besi cair dari merusak shell baja adalah sistem pendingin air semprot eksternal. Jelas, sangat penting bahwa sistem pendingin beroperasi dengan benar untuk mengekstrak panas dari shell baja, yang dinyatakan tidak dilindungi dari logam cair di dalamnya [1].



Referensi [1] [2]



[3] [4] [5] [6] [7]



D. J. Wulpi, Understanding How Components Fail, 2nd ed. ASM International, 1999. Anonim, “Korosi Pada Temperatur Tinggi.” [Online]. Available: http://ardra.biz/sain-teknologi/metalurgi/korosi-corrosion/korositemperatur-tinggi/. [Accessed: 27-Apr-2016]. A. S. M. Handbook, Failure Analysis and Prevention, vol. 11. ASM International, 2002. H. Effendi, “Studi Kasus Kegagalan Material ASTM A335 / P12 dalam Aplikasi Boiler Steam Pipe,” Universitas Indonesia, 2008. A. S. M. Handbook, Properties and Selection: Irons, Steels, and HighPerformance Alloy, vol. 1. ASM International, 2005. A. S. M. Handbook, Fatigue and Fracture, vol. 19. ASM International, 1996. B. Bandriyana, N. Udhi, and B. Jihad, “Ketahanan Korosi Baja Anti Karat Pada pada Operasi Suhu Tinggi,” INASEA, vol. 5 No.2, pp. 117–126, 2004.



BAB 15. MEKANIKA PATAHAN Metallograpy pembentukan retakan mikro pada ingklusi non metalik dalam baja adalah hasil dari deformasi plastik retakan mikro ini tidak merupakan syarat untuk menghasilkan patah rapuh akan tetapi retakan mikro mempunyai peran pada pengamatan anisotropi kekuatan patah liat. Dalam percobaan yang diteliti memperlihatkan bahwa retakan yang mengakibatkan terjadinya patah jenis pembelahan getas semula terdapat pada bahan, tetapi dihasilkan oleh deformasi. Kenyataaanya pada temperatur tertentu terdapat cukup banyak retakan mikro ini memperlihatkan adanya perbedaan kondisi permulaan yang dibutuhkan untuk terjadinya retakan dan terjadinya perambatan retak. Proses patah karena pembelahan dapat dianggap terdiri dari 3 ( tiga ) tahapan yaitu : 1. Deformasi plastik untuk menghasilkan tumpukan dislokasi 2. Permulaan retakan 3. Penjalaran retakan Pada kebanyakan bahan teknik, tahapan yang paling sulit adalah perambatan deformasi hasil retakan mikro melalui penghalang yang kuat, misalnya perbatasan butiran. Oleh karena itu ukuran butiran mempunyai pengaruh yang besar pada sifat yang getas. Kita mengetahui bahwa karbida rapuh memainkan peran kritis hingga pada baja lunak terjadi perpatahan rapuh. Smith mengusulkan mengenai pembentukan retakan mikro pada batas butir lapisan karbida sebagai gambar berikut [1]



Gambar 1.Retakan mikro batas butir (ModelSmith).[1]



Secara umum patah liat cendrung didefinisikan sebagai patah yang terjadi dengan deformasi plastik yang cukup besar. Karakteristik patah liat terjadi dengan cara penyobekan secara perlahan lahan logam dengan pengeluaran energi yang besar. Beberapa jenis patah liat dapat terjadi selama prosesing logam atau pada berbagai jenis pemakaian yang berbeda-beda. Patah liat akibat beban tarik biasanya didahului oleh penurunan secara lokal diameter bahan yang dinamakan penyempitan ( necking ) [1].



Gambar 2.tahapan pembentukan patahan [1]



Gambar 3. Mekanisme patah liat pada baja[1]



Mekanisme patah liat menggambarkan dimana partikel-partikel fasa kedua seluruhnya akan terdistorsi akibat proses deformasi plastik, biasanya secara umum ketahan terhadap patah liat sangat bervariasi terhadap arah dalam proses pembentukannya. Perpatahan merupakan pemisahan yang terjadi



antara dua permukaan yang sebelumnya menyatu akibat turunnya kemampuan dalam aksi tarik menarik tegangan permukaan logam yang berlangsung dalam skala mikroskop. Dalam ilmu mekanika perpatahan dikenal tiga mode pembebanan yang diberi simbol I,II,III (gambar 4.). Mode 1 disebut sebagai mode pembukaan atau metode tarik, mode II adalah mode geser dan mode III adalah mode robek ( tearing ). Dari ketiga mode pembebanan dalam prakteknya lebih banyak digunakan pembebanan mode I[2].



Gambar 4. Mode pembebanan[2]



Dengan memakai teori elastisitas untuk menghitung tegangan σx,σy dan τ kondisi plane stress pada suatu retak ddengan seimbang dibebani tarik atau bending keduannya dengan pembebanan 1 adalah 𝑘



𝜃 30 𝑠𝑖𝑛 2 2 𝜃 30 𝜃 (1 + 𝑠𝑖𝑛 2 𝑠𝑖𝑛 2 𝜃 𝜃 30 𝑠𝑖𝑛 2 𝑠𝑖𝑛 2 2



σx = √2𝜋𝑟 𝑐𝑜𝑠 𝜃 (1 − 𝑠𝑖𝑛 𝑘



σy = √2𝜋𝑟 𝑐𝑜𝑠 τ=



𝑘 √2𝜋𝑟



𝑐𝑜𝑠



Dari persamaaan diatas terlihat bahwa bila y = 0 maka σx = σy besarnya tegangan tergantung dari jarak x dari ujung retak. Makin besar x maka makin besar tegangan. Tegangan tergantung pada k ( intesity faktor ). Perlu dikatakan bahwa tegangan dimana saja pada beban statis akan proporsonal dengan beban yang bekerja. Jika beban dibesarkan dengan faktor dua, maka tegangan dimana saja juga bertambah dengan faktor dua. Karena itu



maka tegangan di ujung retak proporsonal dengan tegangan yang bekerja ( σ )[2]. A.



Mekanika Patahan dan Ketangguhan Kekuatan rekat bahan getas biasanya sebesar E/10 (e= modulus elastisitas). Kekuatan patah bahan teknik adalah antara 10 sampai 100 kali di bawah kekuatan rekat bahan. Tahun 1920, aa. Griffith memberikan teori bahwa perbedaan kekuatan ini antara teori dan praktek dikarenakan adanya cacat atau retak mikroskopis/sangat kecil dalam bahan yang akan menurunkan kekuatan bahan terhadap patah.



Gambar 5. Cacat pada bagian baja [3]



Pada daerah cacat, tegangan yang terjadi naik di atas tegangan yang diberikan.Cacat ini biasa juga disebut penaik tegangan (stress raisers). Jika cacat atau retak berbentuk elips dengan orientasi sumbunya tegak lurus gaya maka tegangan maksimum pada retak (sm) adalah: 𝑎 σm = (𝑝𝑡) 1⁄2 dimana : σ = tegangan yg diberikan pt = jari-jari kurva a= panjang permukaan retak



Adanya cacat mikro yang menaikkan tegangan retak bahan juga berlaku pada cacat makro



Gambar 6. Teoritik faktor konsentrasi tegangan[3]



Efek penarik tegangan akan dominan pada bahan getas daripada bahan ulet karena bahan ulet mengalami deformasi plastis yang mengakibatkan distribusi tegangan yang lebih merata di daerah sekitar cacat, sehingga faktor konsentrasi bahan ulet berada di bawah faktor konsentrasi teoritis. Menurut griffith, bahan getas selalu mengandung cacat mikro dengan variasi besar, geometri dan orientasi[3]. Selama penjalaran retak, terjadi pelepasan “energi regangan elastis” yaitu energi yang tersimpan pada bahan ketika mengalami deformasi elastis. Lebih jauh, pada saat retak, timbul permukaan bebas yang menaikkan energi permukaan sistem. Menurut griffith perambatan retak adalah karena pembentukan keseimbangan energi antara 2 energi permukaan ini. Tegangan kritis untuk terjadinya perambatan retak.



Gambar 7. Analisa tegangan pada retak [3]



Untuk bahan tipis harga kc sangat tergantung kepada ketebalan dan menurun dengan bertambahnya ketebalan. Ketangguhan patah : adalah sifat bahan yang mengukur ketahanan bahan terhadap patah getas jika di dalam bahan ada retak.Untuk bahan yang lebih tebal. K ic = γ √𝜋σ . A Dimana Ki c = ketangguhan patah regangan bidang Kic < kc ; tanda i pada kic berarti : mode i Harga kic dipengaruhi oleh : temperatur, laju regang, struktur mikro, dan lain lain. Suatu metode untuk mengecek kerusakan pada bahan adalah NDT ( non destructive testing/uji tidak merusak ) yang biasanya digunakan untuk mengecek adanya cacat di dalam atau di permukaan bahan[3].



B.



Mekanika Patahan Linear Elastis Secara umum sifat meknika patahan dari logam di bagi menjadi 10 antara lain batas proporsional, batas elatis ( elastis limit ), titik luluh ( yield point ) dan kekuatan luluh, kekuatan tarik maksimum, kekuatan putus, keuletan, modulus elastis, modulus kelentingan, modulus ketangguhan, kurva tegangan regangan rekayasa[4]. Mekanika patahan adalah ilmu yang membahas hubungan antara mekanisme perambatan retak, tingkat tekanan, kesalahan cacat yang menghasilkan retakan[5]. Dua kategori mekanika patahan linear - elastis mekanika patahan ( LEFM ) dan mekanika patahan elastik plastik ( EPFM ) . LEFM digunakan jika ujung retak dalam tubuh adalah tajam dan hanya ada sejumlah kecil deformasi plastik di atau dekat ujung retak . Beberapa bahan yang dirancang menggunakan konsep LEFM yang tinggi kekuatan baja, titanium, dan paduan aluminium. EPFM digunakan ketika ujung retak tidak tajam dan ada beberapa retak tip plastisitas ( menumpulkan ). EPFM digunakan untuk merancang bahan seperti kekuatan yang lebih rendah, baja lebih tinggi ketangguhan[6]. LEFM pendekatan untuk analisis patahan mengasumsikan sebagian atau spesimen mengandung celah atau cacat lainnya , retak adalah permukaan datar di linear elastis sebuah medan tegangan, dan energi yang dilepaskan selama perambatan retakan yang cepat adalah properti bahan dasar dan tidak dipengaruhi oleh ukuran bagian . Kebanyakan struktur mengandung cacat dari berbagai jenis seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1.Cracks dan retak - seperti kelemahan sering hadir dalam ukuran di bawah batas sensitivitas tes pemeriksaan tak rusak . Hal ini tidak praktis atau ekonomis untuk membuat struktur bebas cacat , sehingga satu-satunya hal yang realistis bisa dilakukan adalah dengan membatasi ukuran cacat oleh kontrol kualitas di fabrikasi dan dengan inspeksi yang sesuai . Pengembangan retak kelelahan dapat dikontrol dengan menggunakan praktek desain kelelahan yang tepat dan di servis inspeksi. Sebuah celah di bagian dimuat atau spesimen menghasilkan medan tegangan sendiri menjelang retak tajam , yang dapat dicirikan oleh satu parameter disebut intensitas tegangan ( K ). K merupakan parameter tunggal yang mencakup efek dari stres diterapkan pada sampel dan efek retak dari



ukuran tertentu di mencicipi. Hal ini dapat memiliki hubungan sederhana untuk tegangan dan panjang retak , atau relasi dapat melibatkan faktor geometri yang kompleks untuk loading kompleks , berbagai konfigurasi komponen struktural yang nyata , dan variasi dalam berbagai bentuk retak[6]. C.



Mode Beban Gambar 8 mendefinisikan tiga mode loading : Mode I , membuka , atau tarik , mode; Mode II , geser , atau geser , modus ; dan Modus III , modus robek. mekanika fraktur konsep dasarnya sama untuk setiap mode. Namun, sebagian besar dari semua retak dan patah kasus aktual masalah modus saya. Sebuah celah dalam tahap sangat awal dari pengembangan akan berubah ke arah di mana ia mengalami hanya Mode I memuat, kecuali itu dicegah dari melakukannya oleh kurungan geometris. Untuk alasan ini, mekanika fraktur umumnya terbatas pada mode I. Nomenklatur untuk Kc dimodifikasi untuk menyertakan mode pembebanan. Untuk Misalnya , KIC adalah penting faktor stres intensitas atau patah ketangguhan di bawah Mode I memuat. Sebagian besar pengujian untuk menentukan patahan ketangguhan dilakukan di Mode I ; Oleh karena itu , sebagian besar fracturetoughness diterbitkan nilai-nilai A [6].



Gambar 8. Mode I,II,III [5]



D.



Bidang Tegangan dan Bidang Regangan Setiap material adalah elastis pada keadaan alaminya. Karena itu jika gaya luar bekerja pada benda, maka benda tersebut akan mengalami deformasi.



Ketika benda tersebut mengalami deformasi, molekulnya akan membentuk tahanan terhadap deformasi. Tahanan ini per satuan luas dikenal dengan istilah tegangan. Secara matematik tegangan bisa didefinisikan sebagai gaya per satuan luas, atau: 𝜎=



𝑃 𝐴



Dimana σ = Tekanan P = beban atau gaya yang bekerja pada benda A = Luas penampang melintang benda Pada sistem SI, satuan tegangan adalah pascal (Pa) yang sama dengan 1 N/m2. Dari eksperimen ditemukan bahwa regangan aksial yang terjadi pada sebuah benda selalu diikuti regangan dengan tanda yang berlawanan pada bagian lain yang tegak lurus terhadapnya[7].



Gambar 9. Bidang regangan [7]



Ketika sebuah batang mengalami pertambahan panjang sebesar l searah gaya tarik yang bekerja padanya, pada saat yang bersamaan terjadi penurunan diameter dari d ke (d - _d), seperti yang ditunjukkan oleh gambar 9. Dengan cara yang sama, jika batang mendapat gaya tekan, panjang batang akan menurun sebesar l yang diikuti oleh peningkatan diameter dari d ke (d - _d).



Jadi jelas bahwa setiap tegangan langsung selalu diikuti oleh regangan pada arah tegangan dan regangan dengan tanda yang berlawanan pada arah yang tegak lurus terhadap tegangan tersebut. Regangan yang tegak lurus terhadap tegangan yang bekerja ini disebut dengan regangan sekunder atau lateral[7]. E.



Faktor yang Mempengaruhi Patahan Faktor yang menyebabkan patahan kita ambil contoh pada pegas daun. Patahnya pegas daun disebabkan oleh kegagalan komponen ‘leaf spring’ pada truk pengangkut pasir ini disebabkan oleh korosi fatik yang terinisiasi oleh korosi sumuran (pitting). Inisiasi pada pitting terjadi karena pada sumuran tersebut terjadi ‘stress concetration’ sehingga kekuatan tarik bagian komponen tersebut tidak dapat menahan tegangan tarik dari kondisi kerja. Korosi pada komponen ini terjadi karena pengaruh atmosfir lingkungan yang basah dan banyak polutanya. Faktor inilah yang menjadi penyebab utama kegagalan ini. Fatik pada komponen ini terjadi karena sesuai dengan fungsinya, komponen ini mengalami pembebanan yang berubah-ubah arahnya dan beragam besarnya. Tegangan kerja yang digunakan sebesar 49,25 kg/mm2 lebih besar dari batas lelah (endurance limit) komponen dengan memperhitungkan faktor-faktor yang memepengaruhi batas lelah komponen sebesar 48,02 kg/mm2[7] F.



Pertumbuhan Retakan Retakan stress corrosion mempunyai penampilan brittle fracture sebagai akibat dari proses korosi lokal. Ada dua jenis SCC, yaitu : Intergranular, yang bergerak sepanjang grain Boundaries Transgranular, pergerakannya tidak nyata preferensi (pilihan) boundarinya.



Gambar 10. Ilustrasi Bentuk Retakan Intergranular dan Transgranular[7]



Hidrogen sulfida merupakan asam lemah, terpisah dalam larutan aqueous (mengandung air) menjadi kation hidrogen H+ dan anion hidrosulfid HS−. Secara umum reaksi kimia H2S dengan Besi (Sour Corrosion) adalah sebagai berikut : H2S + Fe + H2O FeS + H2 Besi Sulfida (FeS) akan membentuk scale yang mempunyai kecenderungan terbentuknya korosi secara lokal. Karena besi sulfida bertindak sebagai kathoda akan menyebabkan pitting yang sangat parah. Produk korosi H2S adalah Fe dan H2, FeS berupa film berwarna hitam. Dengan hadirnya H2S akan berassosiasi dengan terbentuknya : Stress Corrosion Cracking (SCC) Sulfida Stress Cracking (SSC[8]). G. Mekanisme Peretakan SCC Mekanisme kegagalan komponen logam terbagi menjadi dua fase, yaitu : - Fase pemicuan - Fase penjalaran Fase Pemicuan Fase Pemicuan adalah fase ketika pembangkit tegangan terbentuk. Pada fase ini, telah terjadi serangan terhadap bagian-bagian sangat lokal pada permukaan logam yang bersifat anoda yang berakibat timbulnya ceruk atau lubang. Kemungkinan paling mendasar yang terjadi adalah tegangan tarik akan menyerang kisi kristal, yang semestinya dalam kesetimbangan, dan berakibat bangkitnya energi termodinamik ikatanikatan atom. Jika efek ini terlokalisasi



pada permukaan anoda-anoda akan terbentuk, walaupun bahan bersangkutan menerima tegangan yang masih dibawah batas elastiknya. Akan tetapi pernyataanpernyataan ini hanya bisa berlaku untuk kasus-kasus SCC yang terjadi bila tegangan jauh di bawah kekuatan luluh (yield strength) dan tidak ada bukti adanya cacat struktur yang nyata dalam bahan asli. Begitu tegangan melebihi kekuatan luluh bahan, bahan mengalami deformasi plastik, yaitu ikatanikatan pada struktur kristalnya putus sehingga bentuk bahan berubah secara permanen. Mekanisme untuk ini sudah tercatat dengan baik dalam kepustakaan metalurgi dan dapat dianggap sebagai mekanisme pembentukan serta gerak cacat, biasanya dislokasi, paling sederhana pada struktur kristal. Gerakan dislokasi akan terhenti apabila dislokasi telah mencapai permukaan logam atau batas butir. Gerakan dislokasi dapat dicegah dengan berbagai cara, tetapi ini paling tampak jelas pada mekanisme korosi-tegangan. Penumpukan dislokasi pada batas-batas butir, menyebabkan polarisasi anodik pada daerah-daerah ini karena meningkatkannya ketidakteraturan dalam struktur kristal. Hal ini tidak berpengaruh terhadap fase pemicuan jika terjadi di bagian dalam bahan, tetapi paling berperan pada fase penjalaran. Pada permukaan yang semestinya halus, kini terbentuk cacat-cacat lokal yang disebut undakan sesar (slip step) dan merupakan bagian pada bahan yang paling rentan terhadap serangan korosi. Paduan-paduan yang bergantung pada selaput-selaput tipis oksida atau bahan lain untuk perlindungan terhadap korosi khususnya rentan karena undakan sesar, meski dalam ukuran mikroskopik, menyingkapkan permukaan logam sehingga bagian itu sangat anodik dibanding permukaan sekelilingnya[7]. H.



Sejarah Kasus : Hydrotest Kegagalan dari Bejana Baja Karbon Sebuah kapal tekanan baja karbon gagal ketika sedang hydrotested di fabrikasi toko . Asal kegagalan bertekad untuk menjadi kecil cacat permukaan pada kaki las nozzle . Itu sudah ada thumbnail retak sekitar 1,5 mm ( 0,06 in.) dalam dan 15,2 mm ( 0.60 in.) panjang. Setelah mencapai tekanan 14 MPa (2000 psi ) , kapal retak , mendepak dua bagian besar dinding . Suhu air yang digunakan untuk hydrotest adalah 15 ° C ( 60 ° F ) , dan ambien suhu sekitar 10 ° C ( 50 ° F ) . Tekanan kapal , sekitar 760 mm ( 30 in . ) Dengan diameter dan 4,6 m ( 15ft )



panjang dengan ketebalan dinding 33,3 mm ( l5 / l6 in ) , dimaksudkan untuk penggunaan di fasilitas produksi minyak . Itu dibuat dari ASTM A 515 kelas 70 pelat baja , sesuai dengan Boiler ASME dan Bejana Code, Section VIII , Divisi 1. baja itu dalam kondisi seperti linting dan kapal itu tidak diperlukan untuk menjadi tegangan setelah pengelasan. Analisis kegagalan termasuk pemeriksaan visual , macrofractography , Pemeriksaan struktur mikro , pengujian mekanik ( kekerasan , tarik , dan Charpy V - notch ) , dan analisis tegangan. Patahan ketangguhan diperkirakan dari ketangguhan Charpy itu kritis faktor intensitas tegangan kira-kira 15,5 kali akar kuadrat dari nilai Charpy di rak yang lebih rendah. Nilai untuk K \ c, di temperatur kegagalan, diperoleh dengan cara ini adalah 37,4 MPa-v / nT (34 ksivinT). Nominal tegangan kira-kira tegak lurus terhadap permukaan patahan di asal dinding pembuluh sesuai dengan tekanan internal di saat kegagalan dihitung menjadi 79 MPa (11,5 ksi). Namun, beberapa faktor ada yang berkontribusi terhadap kehadiran tegangan jauh lebih tinggi pada titik asal: a) Tidak ada pengobatan postweld panas atau perlakuan panas menghilangkan stres yang mengakibatkan sisa tekanan b) Curam sudut las-toe menyebabkan faktor konsentrasi tegangan dari 4 sampai 5 c) Kemungkinan dari negara stres multiaksial yang dihasilkan dari keseluruhan dan lokal geometri yang memungkinkan stres pada asal kegagalan untuk mendekati uniaksial menghasilkan kekuatan tanpa lega oleh aliran plastik Mempertimbangkan faktor-faktor ini, diasumsikan bahwa tingkat stress lokal 415 MPa (60 ksi) ada pada asal pada saat kegagalan. Perhitungan tegangan analisis dilakukan dengan menggunakan perkiraan tegngan dan ukuran retak diukur sudah ada sebelumnya di pemogokan busur. A Q Nilai (faktor geometri) dari 0,75 digunakan untuk rasio 10: retak 1 panjang kedalaman. Sebuah nilai intensitas tegangan kritis (Kc) di kegagalan 33 MPa • m (di 30 ksi •.). Dihitung analisis kimia dan tes tarik pada baja yang digunakan untuk membuat tekanan kapal memenuhi persyaratan A 515 kelas 70. Fabrikasi dan pengujian kapal yang sesuai dengan Boiler ASME dan Bejana Kode yang berlaku pada saat itu. Namun, ketangguhan baja rendah, yang tidak biasa untuk sebagai linting A 515 piring. Sebuah Perkiraan kasar dari ketangguhan patah baja dan intensitas stress di



sebuah cacat kecil di ujung las nozzle memiliki agreement sangat baik dalam 10%. Perjanjian ini menunjukkan bahwa, di bawah kondisi yang ada pada saat hydrotest itu, cacat bisa memulai patahan rapuh di kapal. Kegagalan bisa dicegah dengan menghilangkan cacat, menurunkan tekanan, atau meningkatkan ketangguhan baja[8].



REFERENSI [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8]



U. N. C. Oil and C. Astm, “Perambatan retak (,” vol. 2, no. 1, pp. 20–25, 2012. Elvis Adri M.Badrudin Zulhendri, “ANALISA KEGAGALAN SAMBUNGAN LAS PADA PIPA AUNSTENIT STAINLESS STEEL.” p. 1412, 2002. “Pada beberapa alloi/paduan, perambatan retak adalah sepanjang batas butir, patah ini disebut intergranular. (gb. 6b).” P. Pasir, “Analisis Peristiwa Kegagalan Pada ”Leaf Spring”,” pp. 151–160. A. D. Yunus, “Diktat mekanika kekuatan material,” 2010. G. Gambaran, “TEGANGAN ( YIELD ).” P. Materi, “Jenis Perpatahan ( Fracture ) Mekanisme Perpatahan ( Fracture ),” pp. 1–16. J. L. McCall, Understanding how components fail, vol. 19, no. 1. 1986.