Docstoc
EXCLUSIVE OFFER FOR DOCSTOC USERS
Try the all-new QuickBooks Online for FREE.  No credit card required.

Kelelahan Logam (Metal Fatigue)

Document Sample
Kelelahan Logam (Metal Fatigue) 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
II. ASPEK METALURGIS
PADA KELELAHAN LOGAM




    Abrianto_Akuan@T.Metalurgi-UNJANI   1
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
                                       Abrianto_Akuan@T.Metalurgi-UNJANI
                                                                    berdasarkan konsep tersebut.                          2
Kelelahan logam diawali dengan pembentukan awal
retak dan dilanjutkan dengan penjalaran retakan
hingga komponen mengalami patah.

Lokasi awal retak pada komponen atau logam yang
mengalami pembebanan dinamis atau siklik adalah
pada titik daerah dimana memiliki kekuatan yang
paling minimum dan atau pada titik daerah dimana
mengalami tegangan yang paling maksimum.

Oleh karena itu untuk memperkirakan umur lelah
suatu komponen merupakan suatu hal yang cukup
sulit, hal ini disebabkan oleh banyaknya faktor-faktor
yang mempengaruhi umur lelahnya.

                Abrianto_Akuan@T.Metalurgi-UNJANI        3
Faktor-faktor yang mempengaruhi umur lelah:
1.Pembebanan:
    1.Jenis beban:uniaksial, lentur, puntir.
    2.Pola beban: periodik, random.
    3.Besar beban (besar tegangan).
    4.Frekwensi siklus beban.
2.Kondisi material.
    1.Ukuran butir.
    2.Kekuatan.
    3.Penguatan dengan larutan padat.
    4.Penguatan dengan fasa ke-2.
    5.Penguatan regangan.
    6.Struktur mikro.
    7.Kondisi permukaan (surface finish).
    8.Ukuran Komponen.
3.Proses pengerjaan.
    1.Proses pengecoran.
    2.Proses pembentukan.
    3.Proses pengelasan.
    4.Proses pemesinan.
    5.Proses perlakuan panas.
4.Temperatur operasi.                          Abrianto_Akuan@T.Metalurgi-UNJANI   4
5.Kondisi lingkungan.
   2.1     Pengaruh Pembebanan
   Parameter    pembebanan     yang   berpengaruh
terhadap kelelahan logam adalah tegangan rata-rata,
σm   dan tegangan amplitudo, σa serta frekwensi
pembebanan.

  2.1.1    Pengaruh Tegangan Rata-rata, σm




              Gambar. 2.1 Pengertian tegangan siklik.
                Abrianto_Akuan@T.Metalurgi-UNJANI       5
      Tegangan amplitudo:
      σa = (σmax - σmin) / 2                           (2.1)
      Tegangan rata-rata:
      σm = (σmax + σmin) / 2                           (2.2)
      Rasio tegangan:
      R = σmin / σmax                                  (2.3)

Besarnya tegangan rata-rata yang bekerja akan menentukan
terhadap besarnya tegangan amplitudo yang diijinkan untuk
mencapai suatu umur lelah tertentu. Bila tegangan rata-rata
sama dengan 0 atau rasio tegangan sama dengan -1, maka
besarnya tegangan amplitudo yang diijinkan adalah nilai batas
lelahnya (Se). Dengan demikian jika tegangan rata-ratanya
semakin besar maka tegangan amplitudonya harus diturunkan.
Hal ini terlihat pada alternatif diagram Goodman atau pada
diagram-diagram lainnya, lihat Gambar 2.2 berikut ini:
                                                               6
                   Abrianto_Akuan@T.Metalurgi-UNJANI
Gambar. 2.2   Diagram-diagram batas tegangan terhadap
                   kelelahan logam.
                                                        7
                Abrianto_Akuan@T.Metalurgi-UNJANI
   Persamaan-persamaan yang digunakan pada
diagram     batas tegangan   seperti  yang
ditunjukkan dalam Gambar 2.2 diatas adalah
sebagai berikut:

•   Soderberg (USA, 1930):
    σa/Se + σm/Sy = 1                              (2.4)
•   Goodman (England, 1899):
    σa/Se + σm/Su = 1                              (2.5)
•   Gerber (Germany, 1874):
    σa/Se + (σm/Su)2 = 1                           (2.6)
•   Morrow (USA, 1960s):
    σa/Se + σm/σf = 1                              (2.7)



                                                           8
               Abrianto_Akuan@T.Metalurgi-UNJANI
dimana, Se adalah batas lelah (endurance limit), Su
adalah kekuatan tarik dan σf adalah tegangan patah
sebenarnya (true fracture stress). Perbandingan
dari tegangan amplitudo terhadap tegangan rata-
rata disebut rasio amplitudo (A= σa/σm), sehingga
hubungan antara nilai R dan A yaitu sebagai
berikut:

jika R=-1, maka A=~ (kondisi fully reversed)
jika R=0, maka A=1 (kondisi zero to maximum)
jika R=~, maka A=-1 (kondisi zero to minimum)



                                                      9
               Abrianto_Akuan@T.Metalurgi-UNJANI
    Pada Gambar 2.2 diatas yang memperlihatkan aman
tidaknya kondisi pembebanan terhadap kelelahan logam,
berdasarkan hasil diskusi atas berbagai permasalahan, maka
dapat dinyatakan sebagai berikut:

• Diagram. a (Soderberg) adalah paling konservatif dan paling
aman, atau digunakan pada kondisi nilai R mendekati 1.
• Data hasil pengujian, cenderung berada diantara diagram. b
dan c (Goodman dan Gerber).
• Untuk baja keras (getas), diagram. b dan d (Goodman dan
Morrow) hampir berimpit (sama).
• Untuk baja lunak (ulet), diagram. D (Morrow) akan lebih
akurat.
• Pada kondisi R<1 (atau perbedaan tegangan rata-rata dan
tegangan amplitudo cukup kecil), maka ke-4 diagram hampir
sama (berimpit).
                                                             10
                  Abrianto_Akuan@T.Metalurgi-UNJANI
Alternatif diagram Goodman
seperti yang ditunjukkan pada
Gambar 2.2 diatas adalah
yang       paling      banyak
digunakan,     dan    diagram
Goodman yang lama (asli)
seperti yang ditunjukkan pada
Gambar 2.3 dibawah ini,
sekarang sudah tidak dipakai
lagi.




Gambar. 2.3 Diagram Goodman.    11
    Pengaruh dari tegangan siklik (SN) terhadap tegangan rata-
rata atau sebaliknya, dapat terlihat pada diagram master
seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.4 berikut ini.




                                                       AISI 4340 steel
                                                       Su = 158, Sy = 147 kpsi.
                                                       σmin = 20, σmax = 120,
                                                       σm = 70, σa = 50 kpsi.

        Gambar. 2.4 Diagram master baja AISI 4340
       untuk menentukan pengaruh dari tegangan rata-                         12
                rata pada kelelahan logam.
    Untuk melihat pengaruh tegangan siklik (SN) terhadap umur
lelah pada kondisi R=-1 (tegangan siklik sama dengan tegangan
amplitudo) dapat dilihat pula pada diagram Haigh berikut ini.




                  Gambar. 2.4       Diagram Haigh.


                                                            13
                    Abrianto_Akuan@T.Metalurgi-UNJANI
Jika tegangan siklik atau tegangan amplitudo meningkat,
maka umur lelah akan semakin menurun, begitu pula dari
pengaruh meningkatnya tegangan rata-rata, maka akan
menyebabkan penurunan umur kelelahan logam.

                                                         Tabel 2.1 Persamaan dan
                                                       koordinat perpotongan pada
                                                    kuadran ke-1 untuk Goodman dan
                                                        kriteria kegagalan lainnya.


  Se




   Se




                                                                                  14
                Abrianto_Akuan@T.Metalurgi-UNJANI
                                         Tabel 2.2 Persamaan
                                             dan koordinat
                                           perpotongan pada
                                          kuadran ke-1 untuk
                                          Gerber dan kriteria
                                          kegagalan lainnya.


Se




Se




                                                                15
     Abrianto_Akuan@T.Metalurgi-UNJANI
  2.1.2     Pengaruh Tegangan Amplitudo, σa

    Seperti telah dijelaskan sebelumnya, tegangan
amplituda akan sangat berpengaruh terhadap umur
kelelahan     logam.    Perkiraan  kelelahan   pada
pembebanan       yang    kompleks   atau   variabel,
seringkali didasarkan pada hukum kerusakan non
linier (linier damage rule) yang pertama kali
diajukan oleh Palmgren (1924) dan dikembangkan
oleh Miner (1945) sehingga metoda ini dikenal
dengan hukum Miner. Hukum ini tidak selalu sesuai
dengan kenyataan, sehingga muncullah berbagai
alternatif yang lain seperti teori kerusakan non
linier (oleh Collins), metoda perhitungan siklus
(cycle counting) yaitu metoda perhitungan curah
hujan rain flow counting (oleh Downing).
                                                       16
               Abrianto_Akuan@T.Metalurgi-UNJANI
  2.1.3     Pengaruh Frekwensi Pembebanan

   Pengaruh frekwensi ini dapat dilihat pada pengujian
kelelahan logam dengan frekwensi ± 500÷10.000
siklus/menit, pada interval ini hampir tidak ada
pengaruhnya terhadap kekuatan lelah materialnya.
Sebagai contoh pada pengujian kelelahan baja dengan
frekwensi 200÷5.000 siklus/menit, tidak menunjukkan
adanya pengaruh tersebut terhadap batas lelahnya,
tetapi pengujian pada frekwensi 100.000 siklus/menit,
maka batas lelahnya akan semakin meningkat (karena
pada frekwensi tinggi, deformasi plastis yang terjadi
tidak sebesar pada frekwensi rendah). Pengaruh
frekwensi tersebut terjadi pula pada logam-logam non
ferro.

                                                     17
                 Abrianto_Akuan@T.Metalurgi-UNJANI
  2.2      Pengaruh Kondisi Material

   Awal retak lelah terjadi dengan adanya deformasi
plastis mikro setempat, dengan demikian komposisi
kimia dan struktur mikro material akan sangat
mempengaruhi kekuatan untuk menahan terjadinya
deformasi plastis sehingga akan sangat berpengaruh
pula    terhadap   kekuatan    lelahnya. Parameter-
parameter dari kondisi material yang mempengaruhi
kekuatan lelah tersebut yaitu antara lain dijelaskan
berikut ini.




                Abrianto_Akuan@T.Metalurgi-UNJANI
                                                    18
   2.2.1     Pengaruh Ukuran Butir

    Butir halus yang akan meningkatkan kekuatan luluh dan
kekuatan lelah atau akan meningkatkan umur lelah logam,
hanya dapat terjadi pada pembebanan siklik dengan kondisi
HCF atau LCS (High Cycle Fatigue atau Low Cycle
Stress/Strain),      tetapi  berdasarkan     hasil   experimen
menunjukkan bahwa pada pembebanan siklik dengan kondisi
sebaliknya yaitu LCF atau HCS (Low Cycle Fatigue atau High
Cycle Stress/Strain), ternyata ukuran butir tidak berpengaruh
terhadap umur lelah.
    Ukuran butir, pada satu sisi dapat meningkatkan umur lelah,
tetapi disisi lain akan meningkatkan kepekaan terhadap takikan
(notch). Spesimen yang halus permukaannya dan memiliki
struktur berbutir halus, akan meningkatkan umur lelah, tetapi
jika spesimen tersebut memiliki takikan, maka akan berumur
lebih pendek jika berbutir halus.


                                                              19
                   Abrianto_Akuan@T.Metalurgi-UNJANI
  2.2.2    Pengaruh Kekuatan

    Sebagai patokan kasar, baja memiliki batas lelah
sebesar:
    Se = 0,5 Su                           (2.8)
    Hal ini terlihat pada Gambar. 2.5 dan 2.6 berikut
ini:




                                                     Gambar. 2.5 Pengaruh
                                                     kekuatan tarik terhadap
                                                          batas lelah.



                 Abrianto_Akuan@T.Metalurgi-UNJANI                       20
Gambar. 2.6 Hubungan antara batas lelah (lentur putar) dengan kekuatan tarik
                                 baja.
                                                                               21
                        Abrianto_Akuan@T.Metalurgi-UNJANI
Sedangkan untuk logam-logam non ferro (Cu, Ni, Mg,
dan lain-lain) memiliki batas lelah sebesar:
Se = 0,35 Su                              (2.9)
Perbandingan Kekuatan lelah, Se dan kekuatan tarik,
Su disebut rasio kelelahan. Jika pada spesimen
tersebut memiliki takikan, maka rasio kelelahan akan
menurun hingga 0,2÷0,3. Dengan demikian, semakin
tinggi kekuatan tarik logam, maka akan semakin
tinggi pula kekuatan lelahnya. Kekuatan tarik
tersebut dapat ditingkatkan melalui mekanisme-
mekanisme penguatan logam, yaitu antara lain:
•Penguatan larutan padat
•Penguatan fasa ke-2
•Pengutan presipitasi
•Penguatan regangan
•Dan lain sebagainya
                                                    22
                Abrianto_Akuan@T.Metalurgi-UNJANI
   Rasio    kelelahan     dari  batas  lelah   karena
pembebanan aksial hasil eksperimen adalah sebesar
0,6÷0,9 dan secara konsevatif diestimasi sebesar:
   Se (aksial) ≈ 0,7 Se (bending)             (2.10)

   Sedangkan rasio kelelahan hasil eksperimen
dengan uji lelah puntir dan bending atau lentur putar
adalah sebesar 0,5÷0,6 dan hubungan tersebut secara
teoritis dituliskan:
   Se (puntir) ≈ 0,577 Se (bending)           (2.11)




                                                    23
                Abrianto_Akuan@T.Metalurgi-UNJANI
   2.2.3      Pengaruh Penguatan Larutan Padat

    Atom-atom asing akan menyebabkan distorsi kisi sehingga
menghasilkan medan tegangan pada kisi kristal logam yang
akan menghambat gerakan dislokasi yang pada akhirnya akan
meningkatkan kekuatan logam termasuk batas lelahnya,
apalagi jika atom asing tersebut yang larut padat interstisi,
menimbulkan strain aging, maka akan lebih meningkatkan
batas lelah logam seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2.7
berikut ini.


                   Strain aging dari
                      atom asing



                           Efek atom
                             asing

                    Logam murni
                                       Gambar. 2.7 Pengaruh unsur paduan/atom
                                              asing terhadap batas lelah.

                                                                           24
   2.2.4          Pengaruh Fasa ke-2

    Fasa ke-2 yang keras akan menghalangi gerakan dislokasi sehingga
akan meningkatkan kekuatan logam. Parameter fasa ke-2 yang
berpengaruh tersebut adalah: bentuk, ukuran dan distribusinya.
    Sebagai contoh baja yang memiliki struktur Ferit-Perlit dengan
bentuk sementit lamelar dan speroidal, maka kekuatan statiknya relatif
sama tetapi batas lelahnya dapat berbeda. Fasa ke-2 dengan bentuk
lamelar akan memiliki batas lelah yang relatif lebih rendah (Gambar.
2.8), hal ini dikaitkan dengan bentuk tersebut akan lebih peka terhadap
efek takikan, hal yang serupa terjadi pula pada fasa perlit atau karbida
yang kasar, fasa alpha bebas dan austenit sisa.


              Sementit speroidal




                                       Gambar. 2.8 Pengaruh bentuk karbida
            Sementit lamelar
                                              terhadap batas lelah.



                                                                             25
2.2.5 Pengaruh Pengerasan Regangan

   Logam yang dikeraskan atau diperkuat melalui
mekanisme      pengerasan      regangan,     akan
meningkatkan kekuatan statik dan sikliknya, hal ini
dikarenakan penjalaran retakan akan menjadi lebih
lambat pada logam yang telah mengalami
pengerasan regangan (Gambar 2.9).




                           Gambar. 2.9 Pengaruh pengerolan
                            dingin terhadap kurva S-N baja.




                                                              26
2.2.6 Pengaruh Struktur Mikro

    Struktur mikro merupakan satu faktor disamping komposisi
kimia yang sangat menentukan kekuatan logam, baik
kekuatan statik maupun sikliknya (Gambar 2.10). Sebagai
contoh baja yang memiliki struktur Martensit akan memiliki
kekuatan statik yang relatif tinggi akan tetapi kekuatan
lelahnya relatif lebih rendah (karena bersifat getas)
dibandingkan baja dengan struktur Martensit temper (karena
ada peristiwa strain aging pada ujung retakan). Batas lelah
baja akan lebih tinggi lagi jika struktur yang dimilikinya adalah
fasa Bainit.




                                                        Gambar. 2.10 Pengaruh
                                                        struktur mikro terhadap
                                                            rasio kelelahan.




                    Abrianto_Akuan@T.Metalurgi-UNJANI                        27
2.2.7 Pengaruh Surface Finish

    Kelelahan logam merupakan suatu fenomena
permukaan, sehingga kondisi permukaan (surface
finish) logam akan sangat mempengaruhi batas
lelahnya. Kondisi permukaan tersebut sangat
ditentukan oleh perlakuan permukaan seperti:
• Plating, dimana proses ini akan menghasilkan
tegangan sisa tarik pada permukaan logam.
• Thermal (proses diffusi), seperti karburisasi,
nitriding, dan lainnya dapat menimbulkan tegangan
sisa tekan pada permukaan logam.
• Mechanical, misalnya shot peening, dapat
menghasilkan tegangan sisa tekan pada permukaan
logam.

                                                    28
                Abrianto_Akuan@T.Metalurgi-UNJANI
Dengan      demikian proses  perlakuan   permukaan    dapat
menghasilkan tegangan sisa ataupun ketidakkontinyuan (takik,
fillet, retak) pada permukaan logam yang akan sangat
mempengaruhi batas lelah dari logam yang bersangkutan
(Gambar 2.11 sampai 2.13). Disamping itu proses perlakuan
permukaan yang dapat menghasilkan kekasaran permukaan
tertentu pada baja akan menghasilkan suatu faktor koreksi
permukaan dari komponen baja seperti yang ditunjukkan pada
Gambar 2.14 dan 2.15.




                                     Gambar. 2.11 Pengaruh pelapisan
                                      chrom terhadap kurva S-N baja
                                                  4140.

                                                                  29
   Gambar. 2.12 Pengaruh pelapisan nikel
        terhadap kurva S-N baja.




Gambar. 2.13 Pengaruh shot peening
 terhadap kurva S-N baja lapis nikel.




                                        30
               Gambar. 2.14 Faktor koreksi kondisi
               permukaan pada komponen baja.




                    Gambar. 2.15 Faktor koreksi kekasaran
                  permukaan (RA : root mean square atau AA :
                     Arithmetic Average) dan kekuatan dari
                                komponen baja.




Abrianto_Akuan@T.Metalurgi-UNJANI                              31
   Proses elektroplating nikel atau chrom dapat
menyebabkan penurunan kekuatan lelah hingga 60 %
dan semakin tebal lapisan akan semakin menurunkan
kekuatan lelahnya, hal ini disebabkan oleh karena
timbulnya tegangan sisa tarik pada permukaan logam
yang dilapis yang relatif cukup tinggi. Solusi untuk
menghindari pengaruh buruk dari proses ini adalah:
1. Dilakukan proses nitriding sebelum proses
elektroplating.
2. Dilakukan proses shot peening sebelum atau
setelah proses elektroplating.
3. Dilakukan proses stress relieving (baja = 260oC
dan aluminium = 121oC) setelah proses
elektroplating.

                                                    32
                Abrianto_Akuan@T.Metalurgi-UNJANI
   Proses elektroplating cadmium dan seng tidak begitu
berpengaruh terhadap kekuatan lelah, tetapi semua jenis
proses   elektroplating  jika kurang  kontrolnya dapat
menimbulkan penggetasan hidrogen yang mempengaruhi
kekuatan logamnya.

    Pada Gambar 2.16 dan 2.17 ditunjukkan skematis
distribusi tegangan sisa pada batang yang dikenai
pembebanan lentur (bending) dan beban aksial tarik.


                                                     Gambar. 2.16 Tegangan
                                                      sisa pada batang tanpa
                                                       takikan yang dikenai
                                                           beban lentur.




                 Abrianto_Akuan@T.Metalurgi-UNJANI                             33
   Berdasarkan Gambar 2.16 diatas dapat
dijelaskan keadaan tegangan (Gambar 2.16e) pada
permukaan batang yang mengalami beban lentur
(Gambar 2.16d) yaitu sebagai berikut:
1. Pada titik1, permukaan batang mendekati titik
luluh dan distribusi tegangan linier (Gambar 2.16a).
2. Jika beban lentur meningkat hingga titik 2,
permukaan batang mulai mengalami luluh atau
deformasi plastis (Gambar 2.16b).
3. Jika momen menurun hingga titik 3, maka
batang akan memiliki distribusi tegangan sisa
(Gambar 2.16c).
                                                       34
                Abrianto_Akuan@T.Metalurgi-UNJANI
                                                          Gambar. 2.17 Tegangan
                                                          sisa pada batang bertakik
                                                          yang dikenai beban tarik.




     Contoh lain dari tegangan sisa ini ditunjukkan pada Gambar. 2.17
dari batang pelat yang mengalami beban tarik siklik (Gambar 2.17d)
dan dapat dijelaskan sebagai berikut:
1. Pada titik 1 akan menyebabkan luluh atau deformasi plastis pada
ujung takikan dari material (Gambar 2.17b) dan jika beban
dihilangkan (titik 2), maka material akan mendapat tegangan sisa
tekan (Gambar 2.17c).
2. Jika terjadi beban siklik (titik 3 dan 4), maka tegangan pada
ujung retakan akan mengalami siklik pula (Gambar 2.17e).
                                                                                      35
                      Abrianto_Akuan@T.Metalurgi-UNJANI
   Metoda lain untuk menghasilkan tegangan sisa
adalah    dengan     pemberian    tegangan  awal
(prestressing   atau   presetting)    yang dapat
menyebabkan peningkatan kekuatan lelah dari
batang bertakik dengan pembebanan aksial seperti
ditunjukkan pada Tabel 2.3 berikut ini.

                                                   Tabel.2.3 Batas lelah dari
                                                    pelat berlubang dengan
                                                          pembebanan




                                                                                36
               Abrianto_Akuan@T.Metalurgi-UNJANI
    Presetting ini umumnya diterapkan pada komponen pegas
ulir dan pegas daun dimana pemberian beban awal ini harus
memiliki arah yang sama dengan pembebanan kerjanya.
Presetting dapat pula menyebabkan penurunan kekuatan
lelah 20÷50 % jika diterapkan pada pembebanan lentur
putar.

   Proses perlakuan permukaan secara thermal
misalnya karburising dan nitriding akan sangat
menguntungkan terhadap ketahanan lelah seperti
yang ditunjukkan pada Tabel. 2.4, hal ini
dikarenakan    proses  tersebut   menyebabkan
peningkatan kekuatan permukaan material, dan
menyebabkan pula timbulnya tegangan sisa tekan
pada permukaannya yang disebabkan adanya
perubahan volume. Demikian halnya pada proses
perlakuan permukaan flame dan induction
hardening.
                                                            37
                 Abrianto_Akuan@T.Metalurgi-UNJANI
                                         Tabel. 2.4 Pengaruh
                                       proses nitriding terhadap
                                             batas lelah.




   Selanjutnya proses perlakuan permukaan secara
mekanis misalnya shot peening yang menyebabkan
timbulnya tegangan sisa tekan pada permukaan
material, akan sangat menguntungkan kekuatan
atau lelah materialnya. Hal ini ditunjukkan pada
Gambar. 2.18 dan 2.19 berikut ini.


                         Gambar. 2.18 Pengaruh proses shot
                       peening terhadap kurva S-N dari roda gigi
                                  yang dikarburisasi.


                                                                   38
                                    Gambar. 2.19 Pengaruh proses shot
                                 peening terhadap batas lelah dari baja baja
                                              kekuatan tinggi.




2.2.8 Pengaruh Ukuran Komponen

Kelelahan merupakan fenomena permukaan, maka akan
sangat ditentukan oleh ukuran permukaan. Semakin besar
ukuran maka akan semakin besar pula kemungkinan
terjadinya pembentukan awal retaknya, sehingga muncul
faktor modifikasi batas lelah karena faktor ini yaitu sebagai
berikut:
Csize = 1                  jika d ≤ 8 mm         (2.12)
Csize = 1,189 d-0,097 jika 8 mm < d ≤ 250 mm     (2.13)                    39
Pengaruh ukuran ini berhubungan dengan                   lapisan tipis
permukaan material yang terkena tegangan 95             % atau lebih.
Gambar 2.20 menunjukkan semakin besar                   ukuran akan
semakin besar pula volume dari permukaan                material yang
mengalami tegangannya.




                           Gambar. 2.20 Gradien tegangan pada spesimen
                                     berukuran besar dan kecil.




                 Abrianto_Akuan@T.Metalurgi-UNJANI
                                                                         40
Pengaruh ukuran ini ditunjukkan pada Tabel 2.5
berikut ini:


Tabel. 2.5 Pengaruh ukuran terhadap batas lelah.




                    Abrianto_Akuan@T.Metalurgi-UNJANI   41
Contoh Soal 2.1:

Beberapa batang baja kekuatan tinggi akan
dipergunakan sebagai lembaran pegas daun, pegas
tersebut akan bekerja dengan kondisi tegangan zero
to maximum (R=0) dengan 3 titik pembebanan.
Lebar batang adalah 1 in dan tebal: 0,145 in.
Pilihlah 2 kondisi perlakuan terhadap batang
dibawah ini yang akan memberikan umur lelah tak
berhingga    dengan     menggunakan      persamaan
Goodman sebagai perhitungannya.




                   Abrianto_Akuan@T.Metalurgi-UNJANI   42
A. Kondisi as Heat Treated (Quench+Temper):
•Kekerasan = 48 HRc (≈ 465 BHN).
•Tegangan sisa pada permukaan = 0 ksi.
•Kekasaran permukaan (AA) = 24 μin.

B. Kondisi as Shot Peened:
•Kekerasan = 49 HRc (≈ 475 BHN).
•Tegangan sisa pada permukaan = -80 ksi.
•Kekasaran permukaan (AA) = 125 μin.




               Abrianto_Akuan@T.Metalurgi-UNJANI   43
Jawab:
* Untuk kondisi A:

Kekuatan:
Se = 100 ksi (BHN > 400) dan,
Su = 0,5 BHN = 0,5 . 465 = 232 ksi

Ukuran luas pelat pegas:
A = w t = 1 . 0,145 = 0,145 in2 maka,

Diameter ekuivalennya adalah:
A = Л/4 dek2 = 0,145
dek = 0,43 in = 10.92 mm sehingga,

               Abrianto_Akuan@T.Metalurgi-UNJANI   44
*Faktor modifikasi pengaruh ukuran:
Csize = 1,189 d-0,097 = 1,189 (10,92)-0,097 = 0,94

*Faktor modifikasi pengaruh pembebanan adalah 1
karena pembebanan berupa lentur atau bending.
Karena kekasaran permukaannya = 24 μin, maka
sesuai dengan Gambar 2.15 dapat diketahui;
*Faktor modifikasi pengaruh kekasaran permukaan
yaitu sebesar = 0,75

Dengan        demikian          batas     lelah      setelah
memperhitungkan             faktor-faktor     modifikasinya
adalah:
S’e=Se.Csize.CLoad.Csurf finish=100 . 0,94 . 1 . 0,75= 70,5
ksi

                  Abrianto_Akuan@T.Metalurgi-UNJANI        45
Maka tegangan yang diijinkan bekerja pada pegas
tersebut:
σa / Se + σm / Su = 1

Untuk pembebanan zero to max atau R=0 maka,
σa = σm = σmax / 2 = σ sehingga,
σ / Se + σ / Su = 1
σ / 70,5 + σ / 232 = 1 maka,
σ = 54 ksi sehingga,
σmax = 108 ksi

Untuk kondisi A, pegas tersebut dapat bekerja dengan umur
tak berhingga dengan siklus tegangan antara 0 ÷ 108 ksi.
(aktualnya adalah antara 0 ÷ 100 ksi, dengan demikian
perhitungan diatas memiliki faktor kesalahan: 8 %).
                  Abrianto_Akuan@T.Metalurgi-UNJANI
                                                            46
•Untuk kondisi B:

Kekuatan:
Se = 100 ksi (BHN > 400) dan,
Su = 0,5 BHN = 0,5 . 475 = 238 ksi
Karena kekasaran permukaannya = 125 μin, maka
sesuai dengan Gambar. 23 dapat diketahui;

*Faktor modifikasi pengaruh kekasaran permukaan
yaitu sebesar = 0,58

Dengan        demikian          batas     lelah      setelah
memperhitungkan             faktor-faktor     modifikasinya
adalah:
S’e=Se.Csize.CLoad.Csurf finish=100 . 0,94 . 1 . 0,58= 54,5
ksi
                  Abrianto_Akuan@T.Metalurgi-UNJANI
                                                           47
Karena pengaruh tegangan sisa dipermukaan sebesar
-80 maka:
σa / Se + σm / Su = 1 dan,
σa = σm = σmax / 2 = σ sehingga,
σ / Se + {(σ-80) / Su} = 1
σ / 54,5 + {(σ-80) / 238} = 1 maka,
σ = 59,3 ksi sehingga,
σmax = 118,6 ksi


Untuk kodisi B, pegas tersebut dapat bekerja dengan umur tak
berhingga dengan siklus tegangan antara 0÷118,6 ksi.
(aktualnya adalah antara 0÷140 ksi, dengan demikian
perhitungan diatas memiliki faktor kesalahan: 15 %).



                   Abrianto_Akuan@T.Metalurgi-UNJANI
                                                           48
2.3 Pengaruh Proses Pengerjaan

Pada dasarnya setiap ketidakkontinyuan dan
ketidakseragaman pada material akan berpengaruh
langsung terhadap penjalaran retak lelah atau
ketahanan lelah material, ketidakkontinyuan ini
dapat berupa takikan dari geometri komponen
ataupun berupa retakan dan rongga sebagai akibat
suatu     proses    pengerjaan.    Selain    itu
ketidakseragaman yang berupa ketidakmohogenan
struktur ataupun berupa segregasi dari suatu
proses pengerjaan akan sangat berpengaruh pula
terhadap ketahanan lelah material.


              Abrianto_Akuan@T.Metalurgi-UNJANI    49
2.3.1 Pengaruh Proses Pengecoran

   Hal-hal yang berpengaruh terhadap ketahanan lelah logam
sebagai akibat negatif dari proses pengecoran adalah:
• Segregasi (terutama segregasi makro)
• Cacat rongga
• Porositas
• Retak panas
• Terak, slag atau inklusi
• dan lain-lain




                                  Gambar. 2.21 Cacat-cacat coran.




                                                                    50
2.3.2      Pengaruh Proses Pembentukan

Logam hasil proses pembentukan akan memiliki
batas lelah yang lebih tinggi dari benda coran, namun
cacat-cacat dari suatu proses pembentukan akan
sangat merugikan pula terhadap batas lelah logam
yang dihasilkan. Cacat-cacat tersebut antara lain:
•Cacat laps atau seams (berupa lipatan) pada
permukaan produk tempa atau roll.
•Oksida yang terjebak pada lipatan di permukaan
produk tempa atau roll.
•Permukaan yang kasar.
•dan lain-lain.


                Abrianto_Akuan@T.Metalurgi-UNJANI   51
Pada Gambar 2.22, Tabel 2.4 dan Gambar 2.23
ditunjukkan    pengaruh   proses   pembentukan
terhadap ketahanan lelah baja, dan pada Gambar
2.24 ditunjukkan pula pengaruh anisotrop yang
dihasilkan dari proses pembentukan logam serta
Gambar 2.25 memperlihatkan jenis-jenis cacat
proses pembentukan.




                       Gambar. 2.22 Pengaruh pengerolan dingin
                              terhadap kurva S-N baja.




                                                                 52
Tabel. 2.6 Kekuatan lelah pada 105
  siklus dari baut baja AISI 8635




   Gambar. 2.23 Pengaruh
penempaan terhadap batas lelah
            baja.




                                 53
      Gambar. 2.24 Pengaruh
    anisotrop terhadap ketahanan
                patah.




Gambar. 2.25 Cacat-cacat proses
     tempa dan ekstrusi.



                                   54
2.3.2 Pengaruh Proses Pengelasan

   Proses pengelasan melibatkan pencairan dan
pembekuan, maka segala jenis cacat-cacat coran
dapat terjadi didaerah logam las. Sedangkan
daerah terpengaruh panas (Heat Affected Zone)
dapat terjadi perubahan struktur mikro yang
menghasilkan fasa getas dan butir kasar, hal ini
akan    sangat     merugikan      ketahanan lelah
sambungan lasan disamping adanya tegangan sisa
tarik pada daerah tersebut. Pada Gambar 2.26
ditunjukkan jenis-jenis cacat lasan.



               Abrianto_Akuan@T.Metalurgi-UNJANI    55
Gambar. 2.26 Cacat-cacat lasan.
                                  56
2.3.3 Pengaruh Proses Pemesinan

Kondisi permukaan logam sangat berpengaruh
terhadap umur lelahnya, permukaan yang kasar
merupakan tempat yang tegangan lokalnya tinggi
sehingga dapat menjadi lokasi awal retak lelah.
Dengan demikian proses pemesinan yang
menentukan kekasaran permukaan logam akan
menentukan pula terhadap ketahanan lelahnya
disamping timbulnya tegangan sisa sebagai akibat
deformasi plastis pada saat pembentukan geram
dalam operasi pemesinan tersebut (Gambar. 2.27),
bahkan jika tegangan sisa tarik muncul yang cukup
besar seperti dalam proses penggerindaan yang
cukup berat, dapat menimbulkan retak rambut
(Gambar 2.28).
                Abrianto_Akuan@T.Metalurgi-UNJANI
                                                    57
 Gambar. 2.27 Pengaruh proses
penggerindaan terhadap kurva S-N
             baja.




Gambar. 2.28 Cacat-cacat proses
          pemesinan.




                               58
2.3.5 Pengaruh Proses Perlakuan Panas

Pengaruh dari proses perlakuan panas yang dapat menurunkan
kekuatan lelah adalah:
•Over heating yang menyebabkan butir kasar.
•Over heating yang menyebabkan pencairan fasa bertitik cair
rendah.
•Retak quench.
•Tegangan sisa
•Dekarburisasi (Tabel 2.7).
•dan lain-lain.

                                                           Tabel. 2.7 Pengaruh
                                                       dekarburisasi terhadap batas
                                                                   lelah.




                                                                                 59
                   Abrianto_Akuan@T.Metalurgi-UNJANI
  2.4       Pengaruh Temperatur Operasi

   Pada temperatur tinggi, kekuatan logam akan
menurun sehingga deformasi plastis akan lebih
mudah terjadi dan batas lelah menjadi tidak jelas
(hilang) yang disebabkan oleh karena pengaruh
mobilitas dislokasi (lihat Gambar 2.29).



            Room
            Temperature
                            Gambar 2.29. Pengaruh temperatur
                               terhadap batas lelah baja.

        High
        Temperature
        (750oC)



                                                               60
2.5 Pengaruh Kondisi Lingkungan

Kondisi lingkungan yang korosif akan menyerang
permukaan logam dan menghasilkan lapisan oksida
atau produk korosi. Umumnya oksida adalah sebagai
lapis lindung dan dapat mencegah kerusakan korosi
selanjutnya,    tetapi  pembebanan         siklik  dapat
menyebabkan       pecahnya     lapisan    tersebut   dan
kerusakan korosi berikutnya sehingga timbul korosi
sumuran yang berfungsi sebagai takikan. Hal itulah
yang menyebabkan penurunan kekuatan lelah,
pengaruh     lingkungan    korosif    ini    menurunkan
kekuatan lelah logam hingga 10 % serta dapat
menyebabkan batas lelah menjadi tidak jelas (hilang)
seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.30, 2.31 dan
Tabel 2.8 dan 2.9 berikut ini.
                                                       61
                 Abrianto_Akuan@T.Metalurgi-UNJANI
Gambar 2.30. Pengaruh lingkungan
    terhadap kurva S-N baja.




          Gambar 2.31. Pengaruh
       kekuatan tarik terhadap korosi-
          lelah berbagai jenis baja.




                                    62
Tabel. 2.8 Kekuatan lelah baja pada beberapa kondisi lingkungan.




Tabel. 2.9 Pengaruh perlakuan permukaan terhadap korosi-lelah baja.




                                                                      63
                   Abrianto_Akuan@T.Metalurgi-UNJANI
Gambar. 2.32 Pengaruh lingkungan dan variabel metalurgis lainnya terhadap
                             batas lelah.




                    Abrianto_Akuan@T.Metalurgi-UNJANI                       64
Tugas:

2.1 Batang silinder berdiameter 2,5 in dan memiliki
kekasaran permukaan 125 μ in terbuat dari bahan
baja AISI 1035 dengan kekuatan tarik, Su = 92 Ksi.
Tentukanlah beban yang akan menghasilkan umur
tak berhingga untuk kondisi: pembebanan aksial
bolak-balik (R=-1) dan pembebanan puntir bolak-
balik (R=-1).
2.2 Gambarlah grafik hubungan antara kekuatan
lelah, Se dengan kekuatan tarik, Su dengan berbagai
kondisi permukaan hasil perlakuan proses: Hot
Rolling,   Machining,    Forging   dan   Poleshing.
(Gunakanlah Gambar. 2.14).

                Abrianto_Akuan@T.Metalurgi-UNJANI   65
2.3 Suatu baja paduan memiliki kekuatan tarik, Su =
100 ksi. Baja tersebut diproses shot peening sehingga
menghasilkan      tegangan    sisa   -50    ksi   yang
menyebabkan peningkatan kekerasan dari 200 BHN
menjadi 250 BHN serta peningkatan kekasaran
permukaan dari 5 menjadi 50 μ in. Estimasilah
kekuatan lelah baja tersebut sebelum dan setelah
perlakuan shot peening.
2.4 Poros baja kondisi A hasil proses pemesinan akan
diganti oleh poros baja kondisi B hasil proses forging.
Tentukanlah diameter dari poros pengganti tersebut
yang akan dipakai pada pembebanan puntir bolak-
balik yang menghasilkan umur 106 siklus.
Poros A:     Su = 80 Ksi
Surface finish, AA = 125 μ in (machined)
Diameter = 1,5 in
Poros B:     Su = 90 Ksi
                                                      66
Surface finish, AA = as forged
abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI
                                    1
Sesi                                                                                                           Metode
        Pokok Bahasan                  Hasil Pembelajaran                   Penilaian Hasil Pembelajaran
Ke-                                                                                                           Penilaian

                                                                      Mahasiswa mampu menjelaskan
        Karakteristik      Mahasiswa mengetahui dan memahami
01                                                                    karakteristik dari patah lelah yang
       kelelahan logam     kegagalan patah lelah pada komponen 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 mampu menjelaskan batas
                           Mahasiswa mengetahui dan memahami batas
03     batas lelah logam                                             kelelahan logam serta cara
                           kelelahan logam serta cara menentukannya.
                                                                     menentukannya.
                                                                        Mahasiswa mampu menghitung
                           Mahasiswa mengetahui dan memahami
                                                                        tegangan yang bekerja pada komponen
                           hubungan antara tegangan (S) yang bekerja
04       Konsep S-N                                                     logam serta mampu memprediksi
                           pada komponen logam dengan umur (N)
                                                                        umur komponen tersebut berdasarkan    ჱ Tugas
                           komponen tersebut.
                                                                        Konsep S-N.
                                                                                                               ჱ UTS
                                                                        Mahasiswa mampu menghitung             ჱ UAS
                           Mahasiswa mengetahui dan memahami
                                                                        tegangan dan regangan yang bekerja
                           hubungan antara regangan () yang bekerja
05       Konsep -N                                                     pada komponen logam serta mampu
                           pada komponen logam dengan umur (N)
                                                                        memprediksi umur komponen tersebut
                           komponen tersebut.
                                                                        berdasarkan konsep -N.

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

                                                                        Mahasiswa mampu menjelaskan dan
       Penjalaran retak    Mahasiswa mengetahui dan memahami            konsep penjalaran retak lelah serta
07
             lelah         konsep penjalaran retak lelah.               mampu memprediksi umur lelah
                                                                        berdasarkan konsep tersebut.                      2
                            abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI
Konsep tegangan-siklus (S-N) merupakan pendekatan
pertama untuk memahami fenomena kelelahan
logam. Konsep ini secara luas dipergunakan dalam
aplikasi perancangan material dimana tegangan yang
terjadi dalam daerah elastik dan umur lelah cukup
panjang. Metoda S-N ini tidak dapat dipakai dalam
kondisi sebaliknya (tegangan dalam daerah plastis
dan umur lelah relatif pendek), hal ini dapat dilihat
pada Gambar 3.1. Umur lelah yang diperhitungkan
dalam metoda S-N ini adalah umur lelah tahap I
(inisiasi retak lelah) dan umur lelah II (propagasi
retakan).



                abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI
                                                    3
 HCF                  Total = Elastic and Plastic




                             Elastic
 LCF                             Plastic


LCF atau PCS                  HCF atau ECS


  HCS=High Cycles Stress/Strain            LCF=Low Cycles Fatigue
  LCS=Low Cycles Stress/Strain         PCS=Plastic Cycles Strain
  HCF=High Cycles Fatigue              ECS=Elastic Cycles Strain


    Gambar. 3.1 Pembagian daerah umur lelah dalam kurva S-N.
                                                                    4
Batas daerah pada Gambar 41 tersebut diatas adalah
antara 10÷105 tergantung jenis materialnya (baja:
±104 siklus).

Dasar dari metoda S-N ini adalah diagram Wohler
atau diagram S-N yang secara experimen didapat dari
pengujian lelah lentur putar dengan tegangan yang
bekerja   berfluktuasi  secara    sinusiodal  antara
tegangan tarik dan tekan, sebagai contoh adalah pada
pengujian R.R Moore dengan 4 titik pembebanan pada
frekwensi 1750 rpm terhadap spesimen silindris
berdiameter 0,25÷0,3 in. Kurva hasil pengujian ini
ditunjukkan pada Gambar 3.2, 3.3 dan 3.4 berikut ini.



                abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI
                                                    5
                                    Gambar. 3.2 Kurva S-N
                                       baja AISI 1045.




                                    Gambar. 3.3 Kurva S-
                                    N aluminium 2024-T4.




                                                        6
abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI
Gambar. 3.4 Kurva S-N beberapa baja yang diplot
              dalam rasio Se/Su.

            abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI     7
Kekuatan lelah atau batas lelah (endurance
limit), Se adalah tegangan yang memberikan
umur tak berhingga. Sebagai Contoh pada
nilai batas lelah baja AISI 1045 seperti yang
ditunjukkan pada Gambar 3.2 diatas yaitu
sebesar 50 ksi. Kebanyakan jenis baja dengan
kekuatan tarik dibawah 200 ksi memiliki nilai
batas lelah sebesar 0,5 dari kekuatan
tariknya, hal ini ditunjukkan pada Gambar 2.7
dan Gambar 3.4 diatas.



              abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI   8
Tegangan dibawah batas lelah akan menyebabkan
logam aman terhadap kelelahan, hal ini disebabkan
karena gerakan dislokasinya akan terhambat oleh
atom-atom asing interstisi sehingga tidak akan
menghasilkan PSB (Presistant Slip Band). Batas lelah
logam-logam BCC (Body Centered Cubic) akan tidak
jelas sehingga kurvanya menjadi kontinyu jika
mengalami kondisi sebagai berikut:

Over load periodik (sehingga dislokasi mengalami
unlock atau unpin).
Lingkungan yang korosif.
Temperatur tinggi (sehingga mobilitas dislokasi
tinggi).


                 abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI   9
Pada logam-logam FCC (Face centered Cubic), batas
lelahnya tidak jelas atau kurvanya kontinyu (Gambar
3.5), sehingga kekuatan lelahnya ditentukan dari nilai
tegangan yang memberikan umur: 5X108 siklus.



                               BCC Metals




                            FCC Metals




            Gambar. 3.5 Perbandingan kurva S-
               N pada logam BCC dan FCC.
                                                       10
                   abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI
Kurva S-N baja dapat diestimasi dari rasio kelelahan
seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.7 dan 3.4
yaitu ditunjukkan pada Gambar 3.6 berikut ini.




        Gambar. 3.6 Estimasi kurva S-N untuk Baja.
                                                       11
                  abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI
Hubungan tegangan siklik, S dan umur lelah, N
(siklus):
S = 10C Nb      (untuk: 103 < N < 106)        (3.1)
atau:
N = 10-C/b S1/b (untuk: 103 < N < 106)        (3.2)

Eksponen C dan b ditentukan sebagai berikut:
b = - 1/3 log (S1000/Se)                     (3.3)
C = log {(S1000)2/Se}                        (3.4)




                abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI     12
Batas lelah:
Se = 0,5 Su      (Su ≤ 200 ksi atau 1379 Mpa)
      (3.5)
Se = 0,25 BHN    (BHN ≤ 400)                 (3.6)
Se = 100 ksi atau 689,5 Mpa                  (3.7)
                 (Su > 200 ksi atau 1379 Mpa)

Tegangan siklik yang menghasilkan umur 1000 siklus:
S1000 = 0,9 Su                             (3.8)


Estimasi hubungan S-N (untuk: 103 < N < 106)
adalah:
S = 1,62 Su N-0,085                          (3.9)
atau
S = 0,81 BHN N-0,085                         (3.10)
                abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI    13
Berdasarkan     persamaan  garis     lurus
(Y=mX+C) dari Gambar 3.6 diatas, estimasi
hubungan S-N (untuk: 103 < N < 106 atau
Se<S<S1000) adalah:

S=-[(S1000 – Se)/(106 – 103)] N + S1000
 =-(S1000 – Se) 10-6 N + S1000
 =-(0,9 Su – 0,5 Su) 10-6 N + 0,9 Su
 =-0,4 Su 10-6 N + 0,9 Su
 =Su (0,9 – 0,4 10-6 N)

S/Su=k=0,9 – 0,4 10-6 N
0,4 10-6 N = 0,9 – k
                                                  14
              abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI
maka:

N = [(0,9-k)/0,4] 106                              (3.11)

Untuk N>106 siklus:
Sa/Sb = (Nb/Na)R                                   (3.12)

dimana:
Sa = Kekuatan lelah pada umur Na
Sb = Kekuatan lelah pada umur Nb
Na = Umur lelah pada kekuatan lelah Sa
Nb = Umur lelah pada kekuatan lelah Sb
R = Rasio tegangan = σmin / σmax

                                                            15
               abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI
Pada tegangan siklik, S atau SN sebesar tegangan
patah sebenarnya, σf     maka umur lelah adalah
sebesar 1 atau ¼ siklus.

Hubungan tegangan maksimum, σmax dengan batas
lelah dan kekuatan tarik, dapat dirumuskan sebagai
berikut:

σmax = (2 Se Su) / {Se + Su + R (Se – Su)}           (3.13)




                 abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI            16
Contoh Soal 3.1:

Suatu komponen baja dengan Su = 150 ksi
dan Se = 60 ksi mengalami pembebanan siklik
dengan tegangan maksimum 110 ksi dan
tegangan    minimum    10    ksi. Dengan
menggunakan persamaan Goodman, tentukan
umur komponen baja tersebut.

Jawab:
σmax = 110 Ksi
σmin = 10 Ksi
σa = ( 110 – 10 ) : 2 = 50 Ksi
σm = (110 + 10 ) : 2 = 60 Ksi
                                                                     17
                                 abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI
dari persamaan Goodman:
σa /Se + σm /Su = 1
σa /SN + σm /Su = 1
50/SN + 60/150 = 1
SN = 83 Ksi

Jika diplot pada Diagram haigh:
                σa

  S1000=0,9Su=110

              83
    Se=0,5Su=60




                                   σm
                     60   Su=150

                                                                        18
                                    abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI
Maka umur komponen akan berada pada siklus antara
103 ÷ 106 dengan nilai tegangan siklik sebesar 83 Ksi.

Jika diplot pada Diagram S-N:

          S (Ksi)

    110


     83

     60



                                                        N (siklus)
      103                     106


                                                                     19
                    abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI
dapat dihitung berdasarkan persamaan
S-N:

S = 1,62 . Su . N-0,085
83 = 1,62 . 150 . N-0,085
N = 3,1 . 105 Siklus




              abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI   20
Contoh Soal 3.2:

Suatu    batang   komponen    baja    dengan
kekuatan tarik, Su = 114 Ksi memiliki lebar 1
inch dan tebal ¼ inch dan pada kedua sisinya
terdapat takikan ½ lingkaran dengan radius
1/10 inch.
Tentukan umur lelah komponen tersebut jika
dikenai beban berulang (R=-1) dengan
amplitudo beban 10 Kips.



              abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI   21
Jawab.

Penampang sisa, Anet = ¼ . 0,8 = 0,2 in2
Maka:
Snet = P/Anet = 10 Kips / 0,2 in2 = 50 Ksi

Berdasarkan persamaan S-N, sehingga:
S = 1,62 . Su . N-0,085
50 = 1,62 . 114 . N-0,085
N = 4,7 . 106 Siklus




                  abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI   22
abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI
                                    23
3.1 Baja dengan kekuatan tarik, Su = 100 Ksi.
Prediksikanlah tegangan siklik yang diijinkan yang
akan memberikan umur: 103 dan 106 siklus. Ulangi
prediksi tersebut untuk baja dengan kekuatan tarik
220 Ksi. Gambarkan pula skematis kurva S-N nya.

3.2 Estimasikanlah kekerasan minimum (BHN) dari
baja yang akan dipakai sebagai suatu komponen
yang mendapat tegangan siklik ± 100 Ksi dan harus
berumur 500.000 siklus.

3.3 Estimasikanlah umur lelah (dalam siklus) yang
direncanakan terhadap komponen: batang torak pada
mesin otomotif, handle rem sepeda motor dan engsel
pintu. Berikanlah penjelasannya.

               abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI
                                                   24
3.4 Suatu baja dengan kekuatan tarik, Su = 70 Ksi
dan kekuatan lelah, Se = 33 Ksi. Tentukanlah
tegangan maksimum (zero to max, R = 0) yang
memberikan umur lelah: 103 dan 106 siklus.
Gunakanlah persamaan Goodman dalam prediksi
tersebut.

3.5 Suatu komponen mengalami tegangan siklik:
σmax = 75 Ksi dan σmin = -5 Ksi. Jika komponen
tersebut terbuat dari baja dengan kekuatan tarik, Su
= 100 Ksi, prediksikanlah umur lelahnya.

3.6 Pendekatan lain dalam memprediksi umur lelah
adalah dengan persamaan Basquin (1910):
     σa = (σf - σm) (2Nf)b

                abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI
                                                    25
dimana:
σf = kekuatan patah sebenarnya (true fracture
strength)
b = eksponen kekuatan lelah
2Nf = umur kegagalan (cycles to failure)

Jika Su = 75 Ksi, σf = 120 Ksi dan b = -0,085.
Tentukanlah tegangan siklik yang diijinkan (σa) yang
dapat bergabung dengan σm sebesar 40 ksi dan
memberikan umur lelah 5.105 siklus. Bandingkan pula
hasilnya jika prediksi dilakukan melalui persamaan
Goodman.




                abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI
                                                    26
abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI
                                    1
Sesi                                                                                                           Metode
        Pokok Bahasan                  Hasil Pembelajaran                   Penilaian Hasil Pembelajaran
Ke-                                                                                                           Penilaian

                                                                      Mahasiswa mampu menjelaskan
        Karakteristik      Mahasiswa mengetahui dan memahami
01                                                                    karakteristik dari patah lelah yang
       kelelahan logam     kegagalan patah lelah pada komponen 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 mampu menjelaskan batas
                           Mahasiswa mengetahui dan memahami batas
03     batas lelah logam                                             kelelahan logam serta cara
                           kelelahan logam serta cara menentukannya.
                                                                     menentukannya.
                                                                        Mahasiswa mampu menghitung
                           Mahasiswa mengetahui dan memahami
                                                                        tegangan yang bekerja pada komponen
                           hubungan antara tegangan (S) yang bekerja
04       Konsep S-N                                                     logam serta mampu memprediksi
                           pada komponen logam dengan umur (N)
                                                                        umur komponen tersebut berdasarkan    ჱ Tugas
                           komponen tersebut.
                                                                        Konsep S-N.
                                                                                                               ჱ UTS
                                                                        Mahasiswa mampu menghitung             ჱ UAS
                           Mahasiswa mengetahui dan memahami
                                                                        tegangan dan regangan yang bekerja
                           hubungan antara regangan () yang bekerja
05       Konsep -N                                                     pada komponen logam serta mampu
                           pada komponen logam dengan umur (N)
                                                                        memprediksi umur komponen tersebut
                           komponen tersebut.
                                                                        berdasarkan konsep -N.

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

                                                                        Mahasiswa mampu menjelaskan dan
       Penjalaran retak    Mahasiswa mengetahui dan memahami            konsep penjalaran retak lelah serta
07
             lelah         konsep penjalaran retak lelah.               mampu memprediksi umur lelah
                                                                        berdasarkan konsep tersebut.                      2
                            abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI
Metoda ε-N didasarkan pada observasi terhadap
banyak komponen yang merupakan respon material
pada lokasi-lokasi kritis (takikan). Metoda ε-N ini
memprediksi umur lelah tahap I (pembentukkan awal
retak) saja, hal ini berbeda dengan metoda S-N yang
memprediksi umur lelah tahap I dan II (penjalaran
retak).    Pada      kondisi   pembebanan    rendah
(HCF/LCS/ECS) akan menghasilkan Load Controlled
Test (S-N) dan Strain Controlled Test (ε-N) yang
equivalen. Metoda ε-N ini merupakan suatu metoda
yang sangat berguna untuk mengevaluasi umur lelah
dari komponen yang memiliki takikan.



                abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI
                                                    3
4.1 Perilaku Material
4.1.1 Perilaku Tegangan-Regangan Monotonik

Suatu pengujian tarik monotonik pada spesimen uji,
pada umumnya adalah untuk menentukan perilaku
tegangan-regangan teknis dari suatu material
(Gambar 4.1).

                                   Gambar 4.1 (a)
                                   Spesimen uji tarik
                                   sebelum dan pada
                                   saat terdeformasi.
                                   (b) perbandingan
                                   tegangan-regangan
                                   teknis dan
                                   sebenarnya.
     (a)


                      (b)                           4
Keterangan Gambar 4.1 diatas adalah:
P=beban
lo=panjang awal
do=diameter awal
Ao=luas penampang awal
l=panjang sebenarnya
d=diameter sebenarnya
A=luas penampang sebenarnya

Persamaan tegangan-regangan:
Tegangan teknis, S = P/Ao                             (4.1)
Regangan teknis, e = ∆l/lo = (l-lo)/lo                (4.2)
Tegangan sebenarnya, σ = P/A                          (4.3)
Regangan sebenarnya, ε = ∫l dl/l = ln l/lo            (4.4)
                                     lo


                  abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI
                                                              5
Hubungan tegangan-regangan teknis dan sebenarnya:
∆l= l-lo
l=lo - ∆l
maka, ε=ln [(lo+∆l)/lo] = ln (1+∆l/lo) = ln (1+e)
                                                  (4.5)

Hubungan tersebut berlaku sampai titik maksimum
(necking) dimana pada daerah tersebut deformasi
yang terjadi secara homogen sehingga berlaku pula
hubungan volume konstan. Maka hubungan tegangan
teknis dan sebenarnya pada daerah ini adalah:
Ao lo = Al
Ao /A = l/lo
ε = ln l/lo = ln Ao/A = ln (1+e)
S = F/Ao
σ = F/Ao = S Ao /A = S (1+e)                  (4.6)
                                                      6
                  abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI
Regangan total yang terjadi pada saat deformasi
adalah jumlah dari regangan elastis dan regangan
plastis.
εt = εe + εp                                  (4.7)

secara skematis, regangan total ini ditunjukkan pada
Gambar 4.1 dibawah ini.




           Gambar 4.2 Regangan elastis dan plastis.    7
                  abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI
Hubungan tegangan-regangan pada daerah elastis,
dinyatakan oleh persamaan Hooke:
εe = σ/E                                  (4.8)

dimana, E=Modulus elastisitas.


Sedangkan hubungan tegangan-regangan plastis,
mengikuti persamaan tegangan alir sebagai berikut:
σ = K ε pn
εp = (σ/K)1/n                                (4.9)

dimana, K=keofisien kekuatan
       n=exponen pengerasan regangan:
         Su/Sy = (n/offset)n exp (-n)

                 abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI   8
Dari hubungan tegangan-regangan pada titik patah
(fracture):
σf = Ff/Af
εf = ln Ao/Af = ln 1/(1-q)
σf = K εfn
maka, K = σf/εfn                            (4.10)

sehingga:
 εp = [σ/ (σf/εfn )]1/n= [(σ εfn)/ σf]1/n = εf (σ/σf)1/n
                                                       (4.11)

dari Persamaan 4.7 dan 4.8 maka:
εt = σ/E + (σ/K)1/n                                    (4.12)



                   abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI        9
4.1.2      Perilaku Tegangan-Regangan Siklik

Kurva tegangan-regangan monotonik telah lama
dipergunakan dalam menentukan parameter desain
untuk membatasi tegangan-tegangan yang terjadi
pada struktur teknik dan komponen yang mengalami
pembebanan statis. Demikian halnya dengan kurva
tegangan-regangan siklik, adalah dipergunakan untuk
memperkirakan ketahanan struktur dan komponen
yang mengalami pembebanan siklik atau dinamis
(beban berubah-ubah atau berulang-ulang).

Gambar 4.3 menunjukkan kurva histerisis loop
sebagai respon material terhadap pembebanan siklik.

                abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI
                                                      10
Gambar 4.3 Diagram histerisis (hysteresis loop).

                                                   11
            abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI
Tegangan-regangan amplitudo:
εa = ∆ε/2                                             (4.13)
σa = ∆σ/2                                             (4.14)

Regangan total:
∆ε = ∆εe + ∆εp                                        (4.15)

Regangan amplitudo total:
∆ε/2 = ∆εe/2 + ∆εp/2                                  (4.16)
Dengan substitusi dari hukum Hooke, maka:
∆ε/2 = ∆σ /2 + ∆εp/2                                  (4.17)




                                                               12
                  abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI
4.1.2 Perilaku Transient: Regangan Siklik Hardening
      dan Regangan Siklik Softening
Respon tegangan regangan dari logam, seringkali
      berubah secara drastis pada pembebanan siklik.
      Perubahan ini tergantung pada kondisi
      logamnya (hardening dan tempering atau
      annealing) yang meliputi:
•     Cyclically harden
•     Cyclically soften
•     Stabil
•     Campuran antara soften dan harden
Pada Gambar 4.4 ditunjukkan respon tegangan dari
      suatu material yang mengalami pembebanan
      regangan (b) dan respon regangan-regangan
      untuk dua siklus (c). Pada gambar tersebut
      terlihat peningkatan tegangan pada setiap
      siklus regangan, sebaliknya penurunan
      tegangan dari siklik sotening diperlihatkan pada13
      Gambar 4.5.
Gambar 4.4 Siklik hardening: (a)               Gambar 4.4 Siklik softening: (a)
Amplitudo regangan konstan. (b)                Amplitudo regangan konstan. (b)
  Respon tegangan. (c) Respon                   Respon tegangan. (c) Respon
   tegangan-regangan siklik.                     tegangan-regangan siklik.



                       abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI                          14
Respon tegangan-regangan siklik untuk terjadinya
siklik hardening atau softening adalah tergantung
pada kestabilan substruktur dislokasinya, secara
umum:
Pada material lunak, awalnya kerapatan dislokasinya
rendah, dengan adanya cyclic plastic straining maka
kerapatan dislokasinya akan meningkat sehingga
menjadi bertambah keras atau kuat (siklik hardening).
Pada material keras, adanya cyclic plastic straining
akan menyebabkan terjadinya pengturan dislokasi
sehingga menurunkan ketahanan terhadap deformasi
(siklik softening).

                 abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI   15
Manson memprediksi fenomena siklik hardening atau softening
dari suatu material berdasarkan sifat-sifat monotoniknya
(Gambar 4.6), yaitu:
•σuts / σys > 1,4 maka material akan mengalami siklik hardening.
•σuts / σys < 1,2 maka material akan mengalami siklik softening.

Perilaku siklik ini dapat pula diprediksi bedasarkan nilai
eksponen pengerasan regangan monotonik, yaitu:
•n > 0,2 maka material akan mengalami siklik hardening.
•n < 0,1 maka material akan mengalami siklik softening.
Pada umumnya perilaku siklik hardening atau softening terjadi
hanya pada awal kelelahan (±20÷40% umur lelah) dan
selanjutnya adalah stabil (±50% umur lelah).

                    abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI          16
Gambar 4.6 Kurva tegangan-regangan siklik dan monotonik.



                                                                            17
                                        abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI
4.2 Hubungan Tegangan-Regangan siklik
Seperti halnya dalam kondisi monotonik, maka
hubungan tegangan-regangan pada kondisi siklik dapt
dinyatakan sebagai berikut:
σ = K’ εpn’                                     (4.18)
dimana, σ =tegangan amplitudo
  K’=konstanta tegangan siklik
  εp=regangan plastis siklik
  n’=koefisien pengerasan regangan siklik, ditentukan
dari plot log-log tegangan-regangan siklik, secara
umum untuk logam besarnya adalah: 0,1÷0,25 rata-
rata: 0,15
sehingga:
εp = (σ/K’)1/n                                  (4.19)
maka sesuai dengan Persamaan (4.7) dan (4.12):
ε = σ/E + (σ/K’)1/n’                            (4.20)

                   abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI
                                                         18
                                 Gambar 4.7 Plot log-log
                                 tegangan-regangan
                                 siklik.




dan regangan amplitudonya sesuai dengan
Persamaan (4.16) yaitu:
∆ε/2 = ∆σ/2E + (∆σ/2K’)1/n’           (4.21)

Atau total regangannya adalah:
∆ε = ∆σ/E + 2(∆σ/2K’)1/n’                 (4.22)
                                                       19
Contoh Soal 4.1:
Material dengan sifat-sifat mekanik sebagai berikut:
E=30. 103 ksi
n’=0,202
K’=174,6 ksi
Material tersebut dikenai regangan berulang (fully
reversed) dengan range regangan, ∆ε=0,04.
Tentukan respon tegangan-regangan dari material
tersebut.

Jawab:
Gambar dibawah ini menunjukkan sejarah
regangannya, pada pembebanan awal (titik. 1):

ε1 = σ1/E + (σ1/K’)1/n’
0,02= σ1/30.103 + (σ1/174,6)1/0,202
σ1=77,1 ksi       abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI    20
Regangan amplitudo:
∆ε = ∆σ/E + 2(∆σ/2K’)1/n’
0,04= ∆σ/30.103 + 2(∆σ/(2. 174,6))1/0,202
∆σ=154,2 ksi
Tegangan pada titik. 2:
ε2 = ε1 - ∆ε = 0,02 – 0,04 = -0,02
σ2 = σ1 - ∆σ = 77,1 – 154,2 = -77,1 ksi
                 abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI   21
4.3 Kurva ε-N (Regangan-Siklus)

Tahun 1910, Basquin meneliti bahwa data S-N
            (regangan elastik) dapat di plot secara
            linier dalam skala log-log:

∆σ/2 = σ’f (2Nf)b                                       (4.23)

dimana, ∆σ/2 =amplitudo tegangan
        σ’f =konstanta kekuatan (tegangan) lelah
       2Nf =jumlah siklus kegagalan (1
             putaran=1/2 siklus)
         b =eksponen kekuatan (tegangan) lelah
             atau eksponen Basquin=-0,05÷-0,12 ;
             rata-rata=-0,085

                    abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI
                                                             22
Pada tahun 1950-an, Coffin dan Manson (sendiri-
sendiri) menemukan data εp-N juga linier dalam
koordinat log-log:

∆εp/2 = ε’f (2Nf)c                                       (4.24)

dimana, ∆εp/2 =amplitudo regangan plastis
            ε’f =konstanta keuletan (regangan) lelah
(untuk logam ulet≈1 dan untuk logam keras≈0,5)
             c =eksponen keuletan (regangan) lelah=
-0,5 (Coffin, untuk logam keras) ÷      -0,7(Manson,
untuk logam ulet), rata-rata= -0,6 (Manson)



                     abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI
                                                              23
Sehingga amplitudo regangannya sesuai                 dengan
Persamaan (4.16) dan (4.17) adalah:

∆ε/2 = σ’f/E (2Nf)b + ε’f (2Nf)c                      (4.25)


Persamaan (4.25) diatas jika di plot dalam sebuah
diagram    menghasilkan    kurva     seperti yang
ditunjukkan pada Gambar 4.8 (a) berikut ini.




                  abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI
                                                           24
          (a)         (b)




Gambar 4.8 Kurva ε-N.




abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI   25
Umur transisi (Gambar 4.8 (b)) yang merupakan
umur regangan elastis sama dengan umur regangan
plastis dapat ditentukan sebagai berikut:

∆εe/2 = ∆εp/2
σ’f/E (2Nf)b = ε’f (2Nf)c             dimana 2Nf=2Nt

2Nt = (ε’f E / σ’f )1/b-c                               (4.26)

Berdasarkan Gambar 4.8 (b), dapat ditunjukkan
bahwa jika kekuatan atau kekerasan material
meningkat maka umur transisi akan menurun. Hal ini
diperlihatkan pula pada Gambar 4.9 berikut ini.


                    abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI        26
Gambar 4.9 Kurva ε-N untuk baja karbon medium kondisi quenching
                        dan normalizing


                 abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI                27
Pada baja karbon medium yang dinormalising
(relatif ulet): 2Nt=90.000 siklus dan jika
dalam kondisi dikeraskan (queching) akan
memiliki 2Nt=15 siklus. Dengan demikian
untuk regangan tertentu pada kondisi
quenching akan memberikan umur lelah yang
lebih    lama    pada  daerah    pembebanan
regangan elastis atau siklus lelah tinggi.
Sebaliknya pada kondisi normalising akan
memberikan umur lelah yang lebih lama pada
pembebanan regangan plastis atau siklus
lelah rendah (lihat Gambar 3.1).

             abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI   28
Contoh Soal 4.2:

Berikut ini diberikan data sifat mekanik monotonik
dan siklik dari suatu spesimen baja yang dipoles,
yaitu:
Data monotonik.
       Sy = 158 ksi
       Su = 168 ksi
       E = 28,4 X 103 ksi
       σf = 228 ksi
       q = 52 %
       εf = 0,734



                 abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI   29
Data siklik:




               abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI   30
Tentukanlah konstanta tegangan-regangan
dan regangan-siklus (K’, n’, σ’f , b, ε’f , c)
untuk baja tersebut.

Jawab:
Menentukan σ’f dan b dengan menggunakan
hubungan antara tegangan amplitudo dengan
siklus kegagalan (dari data siklik):
∆σ/2 = σ’f (2Nf)b
Menentukan ε’f dan c dengan menggunakan
hubungan antara amplitudo regangan plastis
dengan siklus kegagalan (dari data siklik):
∆εp /2 = ε’f (2Nf)c
               abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI   31
Kurva regangan-siklus berdasarkan data siklik:




maka sifat-sifat sikliknya adalah:
      σ’f = 222 ksi      (berdasarkan pendekatan = 228 ksi)
      b = -0,076 (berdasarkan pendekatan = -0,085)
     ε’f = 0,811       (berdasarkan pendekatan = 0,734)
      c = -0,732       (berdasarkan pendekatan = -0,6)        32
Menentukan K’ dan n’ dengan menggunakan
hubungan antara tegangan amplitudo dengan
amplitudo regangan plastis:
σ = K’ (εp)n’

maka menghasilkan sifat-sifat siklik:
K’ = 216 ksi
n’ = 0,094

atau dapat ditentukan pula melalui
persamaan:
     K’ = σ’f / (ε’f)n’ = 227 ksi dan
     n’ = b/c = 0,104
               abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI   33
Contoh Soal 4.3:

Suatu batang komponen baja dengan
kekuatan tarik, Su = 114 Ksi memiliki lebar 1
inch dan tebal ¼ inch dan pada kedua sisinya
terdapat takikan ½ lingkaran dengan radius
1/10 inch.
Tentukan umur lelah komponen tersebut jika
dikenai beban berulang (R=-1) dengan
amplitudo beban 10 Kips.




              abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI   34
Jawab.

Penampang sisa, Anet = ¼ . 0,8 = 0,2 in2
Maka:
Snet = P/Anet = 10 Kips / 0,2 in2 = 50 Ksi

Berdasarkan persamaan ε-N:
∆ε/2 = σ’f (2Nf)b + ε’f (2Nf)c
b=-0,085 (diambil nilai rata-ratanya)
c =-0,6 (diambil nilai rata-ratanya)
σ’f ≈ σf ≈ Su+50 (ksi) = 114+50=164 ksi
ε’f ≈ εf =ln 1/(1-q)=1(diambil untuk logam ulet)




                      abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI   35
∆ε = ∆σ/E + 2(∆σ/2K’)1/n’
∆σ=σmax- σmin=50-(-50)=100 ksi
n’ ≈ n atau n’=b/c=-0,085/-0,6=0.142
K’= σ’f/ε’fn’=154 ksi

maka:
∆ε = 100/30.103 + 2(100/(2. 154))1/0,142 = 0,0042
sehingga:
 ∆ε/2 = σ’f/E (2Nf)b + ε’f (2Nf)c
0,0021= (164/30.103) (2Nf)-0,085 + 1 (2Nf)-0,6

maka:
2Nf = 70.000 siklus (dihitung dengan teknik iterasi)
Umur tersebut merupakan umur fatik tahap satu
yaitu pada tahap pembentukan awal retak.

                abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI   36
abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI
                                    37
4.1 Suatu logam memiliki sifat mekanik
monotonik sebagai berikut:
E=193 Gpa
Su=650 Mpa
Sy=325 Mpa
Pada kondisi pembebanan siklik, apakah
material akan bertambah keras atau
bertambah lunak?
Hitung regangan yang dicapai pada ½ siklus
pertama untuk tegangan amplitudo 200 Mpa.
Tentukan regangan total (stabil) dan
amplitudo regangan untuk tegangan
amplitudo 200 Mpa.
             abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI   38
4.2   Berikut    ini  disampaikan   kurva     beban-
pertambahan panjang dari material kuningan dengan
nilai modulus elastisitas, E = 100 Gpa dan data
lainnya sebagai berikut:
Panjang awal, lo = 167 mm
Diameter awal, do = 3,17 mm
Diameter akhir (pada daerah necking), df = 2,55 mm
Tentukanlah:
•kekuatan luluh (0,2 % offset), Sy.
•Kekuatan tarik, Su.
•Prosentase reduksi penampang, % RA.
•Regangan patah sebenarnya, εf.
•Kekuatan patah sebenarnya, σf.
•Konstanta tegangan, K.
•Eksponen pengerasan regangan,n.
•Tegangan sebenarnya pada beban maksimum.
•Regangan sebenarnya pada beban maksimum.            39
abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI   40
4.3 Berikut ini disampaikan data sifat mekanik
  monotonik beberapa logam-logam teknik.




                                                 41
Manakah diantara logam-logam tersebut yang akan
mengalami siklik hardening, softening atau stabil?

Tunjukkan pula dari logam-logam tersebut yang
menjadi pilihan terbaik untuk menentukan:
•Beban tarik maksimum (batang halus).
•Perpanjangan seragam maksimum sebelum necking
pada saat pembebanan tarik.
•Energi maksimum yang diperlukan dari batang halus
untuk terjadinya regangan sebesar 0,001.
•Energi maksimum yang diperlukan untuk terjadinya
patah.
•Regangan elastis minimum pada saat terjadinya
necking.
•Regangan totalmaksimum pada saat necking.

                                                     42
4.4 Berikut ini disampaikan data parameter
tegangan-regangan siklik dan regangan-siklus dari
suatu baja.
      σ’f = 133 ksi
       b = -0,095
      ε’f = 0,26
      c = -0,47
       n’ = 0,202
       K’ = 174,6 ksi
       E = 30.103 ksi

Tentukanlah umur fatik dari baja tersebut dengan
kondisi regangan seperti ditunjukkan pada Gambar
dibawah ini. Kondisi regangan A: amplitudo konstan.
B dan C: memiliki overload awal sebagai tegangan
sisa.
                                                      43
Pergunakanlah persamaan regangan-siklus dari
Morrow yang memperhitungkan tegangan rata-rata,
σo yaitu sebagai berikut:

∆ε/2 = ((σ’f – σo) / E) (2Nf)b + ε’f (2Nf)c

Dalam perhitungan umur fatik ini pergunakanlah juga
persamaan Manson-Halford:

∆ε/2 = ((σ’f – σo) / E) (2Nf)b + ε’f ((σ’f – σo) / σ’f)c/b
(2Nf)c

Bandingkan pula hasilnya jika             mempergunakan
persamaan Smith-Watson-Topper:

σmax (∆ε/2) = ((σ’f)2 / E) (2Nf)2b + σ’f ε’f (2Nf)b+c
                                                             44
abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI   45

				
DOCUMENT INFO
Shared By:
Tags:
Stats:
views:4266
posted:1/19/2011
language:Indonesian
pages:163