Docstoc

Karakteristik Kelelahan Logam

Document Sample
Karakteristik Kelelahan Logam Powered By Docstoc
					      TM-475
       Semester 7



                                    1
abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI
Tujuan Umum:
1. Memberikan pemahaman tentang aspek mekanik dan metalurgi terhadap
kegagalan patah
2. Memahami fenomena kelelahan (fatigue) pada logam dan struktur
3. Memahami konsep mekanika retakan dan implikasinya pada desain teknik


Mata Kuliah Prasyarat:                 Metalurgi Mekanik I & II, Metalurgi
                                       Fisik I & II.
Kaitan dg Mata Kuliah Lain:                       Analisis Kegagalan Logam.


Materi:
   1. Metalurgi kelelahan logam
   2. Metoda-metoda prediksi umur lelah
   3. Kelelahan logam pada amplitudo berubah
   4. Konsep mekanika retakan
   5. Faktor intensitas tegangan (KIc)
   6. Desain toleransi kerusakan dan prediksi umur sisa
                                                                              2
                       abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI
Referensi:
  1. Fundamentals of metal fatigue analysis, Julie A Bannantine.
  2. Elementary engineering fracture mechanics, David Broek.
  3. Mechanical Metallurgy, Dieter.
  4. Fracture mechanics dan prediksi umur lelah, Mardjono
Siswosuwarno.
  5. Aplikasi mekanika retakan pada analisis kegagalan logam,
Ahmad Taufik.


Ketentuan Perkuliahan:
 1. Jumlah Tatap Muka di kelas : 14 X
 2. Tugas terstruktur pada setiap sesi perkuliahan
 3. Mahasiswa wajib hadir kuliah minimal 80 %
 4. Keterlambatan kuliah maksimum 15 menit
 5. Bobot nilai : Tugas = 20 %, UTS dan UAS masing-
masing 40 %
                                                                   3
                         abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI
Sesi                                                                                                           Metode
        Pokok Bahasan                  Hasil Pembelajaran                   Penilaian Hasil Pembelajaran
Ke-                                                                                                           Penilaian
                           Mahasiswa mengetahui dan memahami          Mahasiswa mampu menjelaskan
        Karakteristik      kegagalan patah lelah pada komponen logam. karakteristik dari patah lelah yang
01
       kelelahan logam                                                terjadi pada komponen logam.

       Aspek metalurgi     Mahasiswa mengetahui dan memahami aspek Mahasiswa mampu menjelaskan aspek
02     pada kelelahan      metalurgi yang mempengaruhi perilaku    metalurgi yang mempengaruhi
           logam           kelelahan pada logam.                   perilaku kelelahan logam.
                           Mahasiswa mengetahui dan memahami batas Mahasiswa mampu menjelaskan batas
03     batas lelah logam   kelelahan logam serta cara menentukannya. kelelahan logam serta cara
                                                                     menentukannya.
                           Mahasiswa mengetahui dan memahami            Mahasiswa mampu menghitung
                           hubungan antara tegangan (S) yang bekerja    tegangan yang bekerja pada komponen
04       Konsep S-N        pada komponen logam dengan umur (N)          logam serta mampu memprediksi
                           komponen tersebut.                           umur komponen tersebut berdasarkan    ჱ Tugas
                                                                        Konsep S-N.
                                                                                                               ჱ UTS
                           Mahasiswa mengetahui dan memahami            Mahasiswa mampu menghitung             ჱ UAS
                           hubungan antara regangan () yang bekerja    tegangan dan regangan yang bekerja
                           pada komponen logam dengan umur (N)          pada komponen logam serta mampu
05       Konsep -N
                           komponen tersebut.                           memprediksi umur komponen tersebut
                                                                        berdasarkan konsep -N.

                           Mahasiswa mengetahui dan memahami            Mahasiswa mampu menjelaskan dan
       Pengaruh takikan    pengaruh takikan ataupun geometri            menghitung pengaruh takikan ataupun
06       pada perilaku     komponen terhadap kegagalan lelah.           geometri komponen terhadap umur
        kelelahan logam                                                 lelahnya.

                           Mahasiswa mengetahui dan memahami            Mahasiswa mampu menjelaskan dan
                           konsep penjalaran retak lelah.               konsep penjalaran retak lelah serta
       Penjalaran retak
07                                                                      mampu memprediksi umur lelah
             lelah
                                                                        berdasarkan konsep tersebut.

                                          abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI
                                                                                                                          4
Sesi                                                                                                                 Metode
         Pokok Bahasan                   Hasil Pembelajaran                     Penilaian Hasil Pembelajaran
Ke-                                                                                                                 Penilaian
                         Mahasiswa mengetahui dan memahami                  Mahasiswa mampu menjelaskan
                         pengaruh amplitudo tegangan maupun                 pengaruh amplitudo tegangan
        Kelelahan pada   regangan yang tidak konstan terhadap perilaku      maupun regangan yang tidak konstan
08
       amplitudo berubah kelelahan logam.                                   terhadap perilaku kelelahan logam
                                                                            serta dapat memprediksi umur
                                                                            lelahnya.
                            Mahasiswa mengetahui dan memahami konsep        Mahasiswa mampu menjelaskan
                            dasar mekanika retakan dan hubungannya          konsep dasar mekanika retakan dan
        Konsep dasar        dengan kegagalan patah.                         mampu menghitung parameter
09
       mekanika retakan                                                     kegagalan berdasarkan konsep
                                                                            tersebut.
                          Mahasiswa mengetahui dan memahami                 Mahasiswa dapat menjelaskan
        tegangan elastik
10                        keadaan tegangan elastik pada ujung retakan.      keadaan tegangan elastik pada ujung
       pada ujung retakan
                                                                            retakan.
                            Mahasiswa mengetahui dan memahami               Mahasiswa dapat menjelaskan             ჱ Tugas
        Plastisitas pada                                                                                             ჱ UTS
11                          plastisitas logam pada ujung retakan.           plastisitas logam pada ujung retakan.
        ujung retakan                                                                                                ჱ UAS
                            Mahasiswa mengetahui dan memahami               Mahasiswa dapat menjelaskan dan
                            parameter dari faktor intensitas tegangan dan   mampu menghitung faktor intensitas
        Faktor intensitas   hubungannya dengan kegagalan patah.             tegangan yang bekerja pada suatu
12
           tegangan                                                         komponen logam.

                          Mahasiswa mengetahui dan memahami                 Mahasiswa dapat menjelaskan
         Tegangan dan
                          keadaan tegangan maupun regangan bidang           keadaan tegangan maupun regangan
13      Regangan bidang
                          pada ujung retakan.                               bidang pada ujung retakan.
       pada ujung retakan
                            Mahasiswa mengetahui dan memahami konsep        Mahasiswa dapat menjelaskan konsep
        Desain toleransi    desain toleransi kerusakan dan cara             desain toleransi kerusakan serta
14       kerusakan dan      memprediksi umur sisa dari suatu komponen       mampu menghitung dan memprediksi
       prediksi umur sisa   logam.                                          umur sisa dari suatu komponen                   5
                                                                            logam.
                              abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI
I. KARAKTERISTIK KELELAHAN LOGAM
Kelelahan (Fatigue) adalah salah satu jenis kegagalan
(patah) pada komponen akibat beban dinamis
(pembebanan yang berulang-ulang atau berubah-ubah).
Diperkirakan 50%-90% (Gambar.1.1) kegagalan mekanis
adalah disebabkan oleh kelelahan.




                                                        6
             Gambar. 1.1 Distribusi mode kegagalan.
Modus kegagalan komponen atau struktur dapat
dibedakan menjadi 2 katagori utama yaitu:
1.Modus kegagalan quasi statik (modus kegagalan
yang tidak tergantung pada waktu, dan ketahanan
terhadap kegagalannya dinyatakan dengan kekuatan).
2.Modus kegagalan yang tergantung pada waktu
(ketahanan terhadap kegagalannya dinyatakan dengan
umur atau life time).

Jenis- jenis modus kegagalan quasi statik yaitu:
1.Kegagalan karena beban tarik.
2.Kegagalan karena beban tekan.
Kegagalan karena beban geser.

Patahan yang termasuk jenis modus kegagalan ini
adalah patah ulet dan patah getas.
                                                   7
Sedangkan jenis-jenis modus kegagalan yang
tergantung pada waktu yaitu:
1. Kelelahan (patah lelah).
2. Mulur.
3. Keausan.
4. Korosi.

Fenomena kelelahan logam mulai timbul pada
pertengahan abad ke-19 yaitu dengan seringnya terjadi patah
pada komponen kereta api dimasa itu:
    • Di Versailles (Paris), 1944, menewaskan 40-80 penumpang,
       akibat patah poros roda.
    • 20 April 1887, 3 orang tewas dan 2 terluka, akibat patah
       draw bar.
    • 27 Mei 1887, 6 orang tewas, akibat patah roda.
    • 23 Juni 1887, 1 orang tewas, akibat patah rel.
•2 Juli 1887, Kecelakaan paling serius, akibat patah poros roda. 8
Pelopor dalam penelitian mengenai kelelahan
logam adalah Wohler (Jerman) dan Fairbairn
(Inggris) tahun 1860. Pengamatan yang lebih
mendetail terhadap kelelahan logam, dilakukan
sejak 1903 oleh Ewing dan Humparey yang
mengarah pada lahirnya teori ’Mekanisme Patah
Lelah’.

Hingga saat ini, mekanisme patah lelah
adalah terdiri atas 3 tahap kejadian yaitu:
Tahap awal terjadinya retakan (crack inisiation).
Tahap penjalaran retakan (crack propagation).
Tahap akhir (final fracture).                   9
Pada Gambar. 1.2 dibawah ini ditunjukkan secara skematis
penampilan permukaan patahan dari kegagalan lelah pada
berbagai kondisi pembebanan.




                                        Gambar. 1.2 Skematis permukaan
                                        patah lelah dari penampang bulat
                                        dan persegi pada berbagai kondisi
                                        pembebanan.
                                                                            10
                   abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI
Karakteristik kelelahan logam
dapat dibedakan menjadi 2 yaitu karakteristik
makro dan karakteristik mikro.

Karakteristik makro merupakan ciri-ciri
kelelahan yang dapat diamati secara visual
(dengan mata telanjang atau dengan kaca
pembesar). Sedangkan karakteristik mikro
hanya dapat diamati dengan menggunakan
mikroskop.
              abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI   11
   1.1 Karakteristik Makroskopis
Karakteristik makroskopis dari kelelahan logam adalah sebagai
berikut:
1. Tidak adanya deformasi plastis secara makro.
2.Terdapat tanda ’garis-garis pantai’ (beach marks) atau clam
shell atau stop/arrest marks, seperti yang ditunjukkan pada
Gambar. 1.3 dibawah ini.
                          1932




                          1947

                          1948
                          1950




                          1951
                                  Gambar. 1.3 Permukaan
                                  patah lelah pada poros.
                                                            12
3. Terdapat ’Ratchet marks’ seperti yang ditunjukkan
   pada Gambar. 1.4 dibawah ini.




            Gambar. 1.4 Permukaan patah lelah
            dari baut akibat beban tarik.
                                                       13
                 abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI
abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI   14
Ratchet marks menjalar kearah radial dan merupakan
tanda penjalaran retakan yang terjadi bila terdapat lebih dari
satu lokasi awal retak, ratchet marks ini merupakan pertemuan
beach marks dari satu lokasi awal retak dengan beach marks
dari lokasi lainnya.


Tanda garis-garis pantai (beach marks)
yang merupakan tanda penjalaran retakan,
mengarah tegak lurus dengan tegangan tarik
dan setelah menjalar sedemikian hingga
penampang yang tersisa tidak mampu lagi
menahan beban yang bekerja, maka akhirnya
terjadilah patah akhir atau patah statik.                   15
Luas daerah antara tahap penjalaran retakan dan
tahap patah akhir secara kuantitatif dapat
menunjukkan besarnya tegangan yang bekerja. Jika
luas daerah tahap penjalaran retakan lebih besar
daripada luas daerah patah akhir, maka tegangan
yang bekerja relatif rendah, demikian sebaliknya.
Tahap I terjadinya kelelahan logam yaitu tahap
pembentukan awal retak, lebih mudah terjadi pada
logam yang bersifat lunak dan ulet tetapi akan lebih
sukar dalam tahap penjalaran retakannya (tahap II),
artinya logam-logam ulet akan lebih tahan terhadap
penjalaran retakan. Demikian sebaliknya, logam yang
keras dan getas, akan lebih tahan terhadap
pembentukkan awal retak tetapi kurang tahan
terhadap penjalaran retakan.                         16
Tahapan pembentukan awal retak dan penjalaran
retakan dalam mekanisme kelelahan logam,
membutuhkan waktu sehingga umur lelah dari
komponen atau logam, ditentukan dari ke-2 tahap
(Gambar. 1.5) tersebut
 (total fatigue life, NT = fatigue initiation, Ni + fatigue
                      propagation, Np)
Fase-fase yang terjadi selama kejadian kelelahan
logam tersebut adalah sebagai berikut:
 Cyclic      Pengintian     Perambatan         Perambatan        Patah
  slip      retak mikro     retak mikro        retak makro       akhir




     Umur pengintian awal retak        Umur Penjalaran retakan
                                                                         17
           Gambar. 1.5 Fase-fase kegagalan lelah (fatigue).
                                  Gambar. 1.6 Skematis
                                  penampang melintang dari
                                  kegagalan lelah tahap I
                                  dan II.



Tahap I (pembentukan awal retak) dan tahap II
(penjalaran retakan) pada mekanisme kegagalan
patah lelah tersebut (Gambar. 1.6) dapat dijelaskan
lagi dengan penggambaran sebagai berikut:                18
Tahap retak mikro (tahap I)




      Gambar. 1.7 Skematis tahap
      retak mikro dan makro pada
      kelelahan logam.




Tahap retak makro (tahap II)
                                   19
 1.2 Karakteristik Mikroskopis
Karakteristik mikroskopis dari kelelahan logam adalah sebagai
berikut:
1.Pada permukaan patahan terdapat striasi (striations).
2.Permukaan patahan memperlihatkan jenis patah
transgranular (memotong butir) tidak seperti jenis patah
intergranular seperti yang terjadi pada kasus SCC (stress
corrosion cracking) atau mulur (creep).
Persamaan striasi dan beach marks adalah
sebagai berikut:
1.Ke-2 nya menunjukkan posisi ujung retak yang terjadi setiap
saat sebagai fungsi dari waktu siklik.
2.Ke-2 nya berasal dari lokasi awal retak yang sama.
3.Ke-2 nya memiliki arah yang sama (parallel ridges).
4.Ke-2 nya tidak hadir pada logam-logam yang terlalu keras
atau terlalu lunak.                                           20
                               abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI
abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI   21
Perbedaan striasi dan beach marks adalah
sebagai berikut:

1.Ukuran striasi adalah mikroskopis (1 ÷ 100 µ) dan hanya dapat
dilihat dengan menggunakan mikroskop elektron.
2.Ukuran beach marks adalah makroskopis (> 1000 µ atau 1
mm) dan dapat dilihat dengan mata telanjang.
3.Striasi mewakili majunya ujung retakan yang bergerak setiap
satu siklus pembebanan, sedangkan beach marks mewakili
posisi dari ujung retakan ketika beban siklik berhenti untuk
satu perioda tertentu. (satu beach mark dapat terdiri atas
ratusan bahkan ribuan buah striasi).



                    abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI
                                                              22
abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI
                                    23
1.Carilah sah satu contoh gambar/photo
penampang patah lelah (fatigue fracture),
berilah keterangan posisi awal retak, arah
penjalaran retakan dan daerah patah
akhirnya. Jelaskan jenis material, jenis
beban yang bekerja, dan jelaskan pula
secara kualitatif besarnya pembebanannya.

2. Buatlah skematis penampang patahan
dari kedua gambar berikut dan tunjukkan
posisi awal retak, arah perambatan
retakan, patah akhir dan jenis bebannya.

            abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI
                                                24
Fig. 1.1 Fatigue-fracture surface of a keyed
     shaft of AISI 1040 steel (~30 HRC).
                                               25
           abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI
Fig. 1.2 Fatigue fracture surface of a 200-mm (8-in) diameter
 piston rod of an alloy steel steam hammer used for forging.


                                                            26
                  abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI

				
DOCUMENT INFO
Shared By:
Tags:
Stats:
views:539
posted:1/19/2011
language:Indonesian
pages:26