MECHANICAL FAILURE (KERUSAKAN MEKANIS) #2

Materi #5 TIN107 – Material Teknik

#5

© 2013

MECHANICAL FAILURE (KERUSAKAN MEKANIS) #2

Perpatahan Rapuh Keramik Sebagian besar keramik (pada suhu kamar), perpatahan terjadi sebelum deformasi plastis. Secara umum konfigurasi retakan untuk 4 metode pembebanan umum dapat dilihat pada gambar 5.1. dari:

Adapun ciri-ciri perpatahan pada keramik dapat dilihat pada gambar 5.2, yang terdiri



Titik asal (origin point).



Daerah awal (initial region /mirror) adalah rata dan halus.



Setelah mencapai kecepatan kritis retakan, akan muncul:  Mist (berkabut)  Hackle (mematahkan)

Gambar 5.1. Konfigurasi Retakan Keramik

Gambar 5.3. Ciri Perpatahan Keramik

Perpatahan Polimer Pada material polimer, kekuatan perpatahan relatif rendah dibandingkan dengan keramik dan logam. Perpatahan pada polimer thermosetting (jaringan berikatan silang) biasanya yang rapuh (brittle). Untuk polimer thermoplastic, kedua perpatahan (elastis dan rapuh) sangat mungkin. Penurunan suhu, laju regangan meningkat, lekukan taja, peningkatan ketebalan spesimen adalah beberapa faktor yang dapat mempengaruhi perpatahan rapuh (brittle). 1/8

6623 – Taufiqur Rachman (http://taufiqurrachman.weblog.esaunggul.ac.id)


© 2013

Salah satu fenomena yang terjadi pada thermoplastics adalah crazing, deformasi plastis setempat dan membentuk celah kecil dan menjembatani fibrillar (urat saraf). Gambar 5.3 berikut memperlihatkan perpatahan pada material polimer.

Gambar 5.3. Perpatahan Material Polimer Pengujian Tumbukan Dilakukan dengan pembebanan tumbukan, umumnya untuk kasus pengujian yang berat. Pengujian ini membuat material lebih rapuh (brittle) dan mengurangi ketangguhan dari material. Gambar 5.4 berikut ini, memperlihatkan bagaimana pengujian tumbukan dilakukan.

Gambar 5.4. Pengujian Tumbukan Gambar 5.5 akan memperlihatkan dampak perubahan suhu dalam pengujian tumbukan yang akan mempengaruhi dampak energi charpy dan % perpatahan geser. Selain itu, permukaan perpatahan setelah tumbukan memperlihatkan variasi elastisitas ( ductility) terhadap temperatur pengujian (℃), yang dapat dilihat pada gambar 5.6. 2/8



Gambar 5.5. Grafik Hubungan Suhu, Dampak Energi Charpy (A), dan % Perpatahan Geser (B)

© 2013

Gambar 5.6. Contoh Baja Charpy Setelah Pengujian

Terkait dengan temperatur/suhu, maka peningkatan suhu akan meningkatkan %EL dan Kc. Dalam hal ini terdapat istilah yang disebut Ductile-to-Brittle Transition Temperature (DBTT). Untuk memahami terjadinya DBTT, maka gambar 5.7 dapat dijadikan gambaran dengan menggunakan beberapa material.

Gambar 5.7. Grafik DBTT Kelelahan (Fatigue) Kelelahan adalah suatu bentuk kerusakan yang terjadi pada struktur material terhadap tekanan dinamis pada waktu tertentu. Dengan kondisi tersebut adalah mungkin untuk terjadi kegagalan pada level tekanan yang jauh lebih rendah dari kekuatan tarik atau kekuatan luluh pada beban statis. Merupakan penyebab terbesar kerusakan pada logam, dan juga berpengaruh terhadap polimer serta keramik. Gambar 5.8 berikut merupakan alat pengujian kelelahan untuk pengujian kelenturan yang berputar. 3/8



© 2013

Gambar 5.7. Alat Pengujian Kelelahan Untuk Pengujian Kelenturan Yang Berputar Variasi tekanan terhadap waktu menyebabkan kerusakan karena kelelahan. Sifat tekanan mungkin axsial (kompresi tegangan), lentur (flexural/ bending) atau puntir/memutar (torsion). Ada 3 jenis fluktuasi tekanan terhadap waktu yang terlihat pada gambar 5.8, antara lain: a) Siklus tekanan berbalik, dengan amplitudo simetris terhadap tingkat tekanan bernilai nol. b) Siklus tekanan berulang, relatif tidak simetris maksimum dan minimum ke tingkat tekanan nol. c) Tingkat tekanan bervariasi (acak)

Gambar 5.8. Grafik Jenis Fluktuasi Tekanan Terhadap Waktu

Kerusakan akibat kelelahan adalah umumnya kerapuhan, bahkan biasanya terjadi dalam material yang elastis dengan sedikit deformasi plastis. Umumnya kerusakan kelelahan terjadi dengan mekanisme sebagai berikut: 

Permulaan retakan



Rambatan retakan



Kerusakan akhir

Dalam mekanisme kelelahan, pertumbuhan retakan terjadi secara bertahap sesuai dengan persamaan berikut:

𝒅𝒂 = (∆𝑲)𝒎 𝒅𝑵 4/8

dengan

∆𝑲 ~ (∆𝝈) 𝒂



© 2013

Dimana: 

da



dN = Peningkatan siklus pembebanan



m

= Kontanta kelelahan dengan angka 1 hingga 6



a

= Panjang retakan



σ

= Tekanan

= Peningkatan panjang retakan

Untuk kegagalan poros berputar, retakan dapat berkembang meskipun 𝑲𝒎𝒂𝒙 < 𝑲𝒄 . Retakan tumbuh lebih cepat sejalan dengan meningkatnya Δσ (peningkatan tekanan), retakan terus menerus, dan meningkatnya frekuensi pembebanan. Sedangkan untuk laju pertumbuhan retakan dapat dilihat dalam gambar 5.9. Awalnya laju pertumbuhan kecil, tetapi meningkat dengan meningkatnya panjang retakan. Tingkat pertumbuhan meningkat dengan tingkat tekanan yang diterapkan untuk panjang retakan yg diberikan (a1).

Gambar 5.9. Grafik Laju Pertumbuhan Retakan Kurva S-N Merupakan kurva/grafik yang menggambarkan siklus kelelahan ketika diberikan tekanan maksimum. Dalam hal ini, sebuah benda uji diberikan siklus tekanan pada amplitudo dengan tekanan maksimum, sehingga jumlah siklus untuk kerusakan dapat ditentukan. Langkah ini diulang pada benda uji lainnya dengan menurunkan amplitudo tekanan. Kemudian data diplot sebagai tekanan S dibandingkan dengan jumlah siklus N untuk kerusakan semua benda uji. Sifat umum S–N adalah semakin tinggi tingkat tekanan, maka semakin sedikit jumlah siklus. Untuk gambaran kurva S-N dapat dilihat dalam gambar 5.10 berikut ini. 5/8



© 2013

Gambar 5.10. Grafik Kurva S-N Untuk beberapa paduan besi dan titanium, kurva S–N menjadi horizontal pada jumlah siklus N yang lebih tinggi. Dalam hal ini pada dasarnya material telah mencapai batas kelelahan, dan jika di bawah tingkat tekanan tersebut, material tidak akan mengalami kelelahan. Hal tersebut yang disebut dengan batas kelelahan yang merupakan nilai terbesar dari fluktuasi tekanan yang tidak akan menyebabkan kerusakan bagi jumlah siklus yang tak terbatas. Gambar 5.11 menunjukkan batas kelelahan dari suatu material.

Gambar 5.11. Grafik Kurva S-N Dengan Batas Kelelahan Meningkatkan Umur Kelelahan Selama pengoperasian mesin, goresan kecil dan alur dapat ditemui, hal ini dapat membatasi umur kelelahan. Memperbaiki penyelesaian permukaan dengan pemolesan akan meningkatkan umur kelelahan secara signifikan. Salah satu metode yang paling efektif untuk meningkatkan kinerja kelelahan adalah dengan menerapkan kekuatan tekan sisa dalam 6/8



© 2013

lapisan tipis terluar permukaan. Sebuah tegangan tarik permukaan akan di imbangi oleh tegangan tekan. Beberapa metode yang dapat digunakan untuk meningkatkan umur kelelahan, antara lain: 1) Penerapan tekanan/tegangan permukaan, dilakukan untuk menekan pertumbuhan retakan permukaan, dengan metode Shot Peening dan Carburizing, dengan gambaran sebagai berikut.

Gambar 5.12. Metode Shot Peening dan Carburizing

Shot peening dilakukan dengan menerpakan deformasi plastis setempat yang kecil (diameter mulai dari 0,1 hingga 1,0 mm), kemudian partikel keras (shot) pada kecepatan tinggi diterapkan ke permukaan material. Deformasi yang dihasilkan menyebabkan kekuatan tekan hingga kedalaman sekitar ¼ hingga ½ dari diameter shot. 2) Menghilangkan konsentrator tekanan, dengan gambaran sebagai berikut.

Gambar 5.13. Metode Menghilangkan Konsentrator Tekanan

Creep (Mulur) Adalah deformasi permanen dari material ketika mengalami beban konstan atau tekanan pada waktu tertentu. Umumnya terjadi pada material yang sering ditempatkan pada suhu yang tinggi (> 0,4 Tm) dan terkena tekanan mekanis statis. Contohnya adalah turbin rotor dalam mesin jet, dan generator uap yang mengalami tekanan sentrifugal dan garis tekanan uap yang tinggi. Sebuah uji mulur (creep) umumnya dengan memperlakukan benda uji pada beban atau tekanan konstan dengan tetap menjaga suhu konstan. Setelah pembebanan, akan terjadi deformasi elastis secara instan. Kurva creep (mulur) yang dihasilkan terdiri dari 3 daerah seperti pada gambar 5.14, antara lain: 1) Mulur utama atau sementara (primary atau transient creep) 7/8



© 2013

Dalam daerah ini, kemiringan (laju mulur) menurun terhadap waktu atau menyesuaikan dengan tingkat mulur (laju mulur dapat dikurangi). 2) Mulur kedua atau tambahan (secondary creep ) Dalam daerah ini kondisi relatif stabil, laju creep konstan, wilayah cukup linear (pengerasan regangan dan tahap pemulihan). 3) Mulur ketiga (tertiary creep) Dalam daerah ini, kemiringan (laju mulur) meningkat terhadap waktu. Terjadi percepatan laju regangan sampai pecah (pemisahan batas butir, pembentukan retakan internal, rongga dan celah).

Gambar 5.14. Grafik Daerah Kurva Creep Dari gambar 5.14, dapat diketahui perbandingan regangan mulur terhadap waktu dengan beban konstan dan suhu yang ditingkatkan secara konstan. Tingkat mulur minimum (pada kondisi laju mulur stabil), adalah kemiringan dari garis linier/lurus di wilayah sekunder. Sedangkan pecahnya masa pakai tr adalah total waktu untuk pecah. Daftar Pustaka http://www.csun.edu http://web.utk.edu http://www.virginia.edu ### SEKIAN & TERIMA KASIH ###

8/8


MECHANICAL FAILURE (KERUSAKAN MEKANIS) #2

Recommend Documents