E. Proses Pem buat an Kom posit
2.2.2. Kajian Teori Laju Peram bat an Ret ak Fat ik
Pem bebanan pada suat u konst ruksi yang sesungguhnya adalah beban st at is
at au beban dinam is. Beban st at is adalah sist em pem bebanan pada suat u kom ponen dengan beban konst an, sedangkan beban suat u kom ponen dengan beban berubah- ubah dari beban m aksim um ke beban m inim um secara t erus-enerus. Beban yang berubah-ubah ini sering disebut beban berflukt uasi. Pada kondisi t egangan yang sam a, kom ponen st rukt ur yang m engalam i pem bebanan dinam is akan m em punyai bat as um ur pakai lebih pendek dibandingkan dengan bat as um ur pakai kom ponen yang m engalam i pem bebanan st at is, karena kom ponen seolah-olah m endapat beban kejut secara t iba-t iba. Set elah sekian siklus pem bebanan dinam is, kom ponen akan m engalami kegagalan (pat ah). Pat ah yang t erjadi akibat beban berulang inilah yang disebut fat ik at au pat ah lelah (Broek, 1986).
Penyebab t erjadinya kegagalan fat ik adalah adanya ret ak yang beraw al pada daerah yang m em punyai konsent rasi t egangan t inggi. Daerah ini ant ara lain : lekukan, lubang pada m at erial, perm ukaan yang kasar, dan rongga baik di dalam m aupun di perm ukaan m at erial. Jadi, t erjadinya fat ik adalah ret ak yang t erus bert am bah panjang hingga kom ponen t idak lagi m em punyai t oleransi t erhadap t egangan dan regangan yang lebih t inggi, dan akhirnya t erjadi pat ah st at is secara
t iba-t iba. Panjang ret ak ini akan t erus bert am bah karena pem bebanan dinam is yang t erus-m enerus. Sem akin besar am plit udo pem bebanan dinam is yang diberikan m aka sem akin cepat ret ak m eram bat . Akhir dari peram bat an ret ak pada kom ponen akibat beban dinam is adalah t erpisahnya kom ponen m enjadi dua bagian yang lebih dikenal dengan ist ilah fract ure at au perpat ahan. Perpat ahan yang sangat berbahaya adalah pat ah get as. Hal ini sering t erjadi pada bahan yang get as dan keras dim ana kegagalan pat ah get as akan t erjadi secara t iba-t iba t anpa ada t anda-t anda pada kom ponen (Broek, 1986).
M enurut ASTM E647, fat ik adalah suat u proses perubahan st rukt ur
perm anen yang t erjadi secara bert ahap dan t erjadi pada daerah t ert ent u pada suat u m at erial, dengan kondisi beban yang m enghasilkan t egangan-regangan flukt uasi 15
pada sat u at au beberapa t it ik, yang akhirnya m em uncak m enjadi ret ak at au pat ah t ot al set elah jum lah siklus t ert ent u.
B. Tegangan Uji Fat ik
Pengujian fat ik pada um um nya dilakukan dengan mem berikan t egangan at au beban dinam is uniaksial. Tegangan dinam is yang dikenakan dapat bervariasi sepert i t egangan t arik-t arik, t egangan t arik-t ekan at aupun t egangan t ekan-t ekan.
Gam bar 2.4. Siklus pem bebanan dengan am plit udo konst an (Fuchs, 1980) Gam bar 2.4 m enunjukkan siklus t egangan t arik berulang dengan t egangan
m aksim um (Sm ax) dan t egangan minim um (Sm in). Siklus t egangan bervariasi t erdiri dari dua kom ponen yait u t egangan rat a-rat a (Sm ), dan t egangan bolak-balik (Sa).
Sedangkan daerah jangkauan t egangannya disebut Sr. Daerah t egangan at au jangkauan t egangan adalah selisih ant ara t egangan m aksim um dan t egangan m inim um (Fuchs, 1980).
Sr = Sm ax - Sm in (2.6)
Tegangan bolak-balik adalah set engah dari jangkauan tegangan, yang dirum uskan sebagai berikut (Fuchs, 1980) :
(2.7)
Tegangan rat a-rat a adalah harga rat a-rat a t egangan m aksim um dan t egangan m inim um , yang dirum uskan sebagai berikut (Fuchs, 1980) :
(2.8)
Fakt or lain yang sangat m em bant u dalam m engemukakan dat a-dat a kelelahan digunakan 2 buah besaran perbandingan, yait u (Fuchs, 1980) :
St ress rat io : R = (2.9) 16
Perbandingan am plit udo : A = (2.10)
C. Fakt or Int ensit as Tegangan (K)
Fakt or K m erupakan cara yang sangat m udah unt uk m em bahas dist ribusi
t egangan yang t erjadi di sekit ar ret ak. Dua ret ak dengan geom et ri yang berbeda t et api m em punyai harga K yang sam a akan m em iliki dist ribusi t egangan yang ident ik.Secara um um fakt or int ensit as t egangan (K) dapat dihit ung dari persam aan P.C.Paris dan G.C. Sih (Diet er, 1986) :
Dimana β adalah faktor geometri retakan.
Menurut Feddersen nilai β untuk spesimen center crack tension (CCT) adalah
(Schijve, 2001) :(2.12)
sehingga harga K dapat dihit ung dengan rum us : (2.13)
Berdasar ASTM E647 harga K unt uk spesim en cent er crack t ension (CCT) dapat dihit ung dengan rum us :
Dengan cat at an:
∆
K = Fakt or int ensit as t egangan (M Pa )α = 2a / W
a = Panjang ret ak (m et er) W = Lebar plat (m et er) B = Tebal plat (m et er)
ΔP = Pmax
- Pm inPm ax = Beban m aksim um (New t on) Pm in = Beban m inim um (New t on)
Sedangkan da/ dN m enurut ASTM E647 dapat dihit ung dihit ung dengan rum us da/ dN = (ai+1 – ai) / (Ni+1 – Ni) (2.15) 17
da/ dN = pert am bahan ret ak (m m / siklus)
ai+1 = panjang ret ak set elah m engalami pert am bahan ret ak (m m ) ai = panjang ret ak sebelum m engalami pert am bahan ret ak (m m ) Ni+1 = jum lah siklus pem bebanan saat m engalami pert am bahan ret ak Ni = jum lah siklus pem bebanan sebelum m engalami pert am bahan ret ak Di dalam m ekanika perpat ahan ada t iga m acam m ode sehingga ada t iga m acam nilai K. KI unt uk m ode I yait u m ode t arik dengan arah m em buka ret ak. KII unt ukm ode II yait u m odel geser. Sedangkan KIII unt uk m ode III m odel geser sejajar. KI m erupakan fakt or int ensit as t egangan unt uk m ode I dim ana ret ak t erent ang oleh t egangan t arik yang bekerja pada arah t egak lurus t erhadap perm ukaan bidang ret ak. Jadi KI adalah fakt or int ensit as t egangan unt uk arah pem bebanan m em buka ret ak. (Broek,1986).
Gam bar 2.5. M ode Perpat ahan (Broek,1986).
Secara um um harga KIC bervariasi t erhadap ket ebalan m at erial. Suat u spesim en yang m em punyai ket ebalan t inggi t idak selam anya m em iliki
ket angguhan yang t inggi, t et api ket angguhan t ert inggi diperoleh pada ket ebalan t ert ent u. Sepert i pada Gam bar 2.6, harga KIC paling t inggi adalah pada spesim en dengan ket ebalan Bo. Karena harga KIC m erupakan salah sat u nilai ket angguhan bahan, m aka m akin besar KIC m akin t inggi ket angguhannya. Ket angguhan t ert inggi dari suat u bahan diperoleh pada ket ebalan t ert ent u. Harga KIC sam a unt uk spesim en dengan bent uk dan ukuran yang sam a m eskipun bent uk geom et ri ret akan berbeda (Broek,1986). 18
Gam bar 2.6. Kurva harga KIC - Ket ebalan benda uji (Broek,1986)
D. Hubungan Laju Peram bat an Ret ak dan Fakt or Int ensit as Tegangan (da/ dN-
ΔK).
M et ode dalam perhit ungan um ur kelelahan adalah dengan m enggunakan kurva da/ dN -
ΔK, yakni dengan pemetaan perbandingan pertambahan retak
dengan jum lah siklus t erhadap selisih fakt or int ensit as t egangan karena pem bebanan dinam is. Dalam menent ukan da/ dN, yang harus diperhat ikan adalah pert am bahan ret ak dan jum lah siklus yang t ercat at . Secara um um persam aan karakt erist ik laju peram bat an ret ak dinyat akan oleh rum us P.C. Paris dan G.C. Sih (Broek, 1986) sebagai berikut :
Apabila persam aan (2.16) diubah m enjadi persam aan linier adalah dijadikan persam aan dalam log, sepert i persam aan berikut :
Konst ant a yang pent ing pada persam aan 2.16 adalah m . Karakt erist ik bahan hasil pengujian fat ik biasanya dit unjukkan dalam bent uk kurva da/ dN -
ΔK
dalam skala log. Harga m pada persam aan 2.16 m enunjukkan kem iringan at au gradien dari kurva t ersebut . Secara um um daerah yang dipert im bangkan unt uk m enghit ung harga m adalah daerah linier yang m em punyai kecepat an peram bat an ret ak t erat ur. Bebarapa fakt or yang m em pengaruhi laju peram bat an ret ak ant ara lain ket ebalan, bent uk kom ponen, perlakuan panas, deform asi saat pendinginan,t em perat ur, lingkungan, jenis dan am plit udo pem bebanan, sert a kont inyuit as m at erial (Broek, 1986).
Evaluasi peram bat an ret ak yang sering dilakukan adalah m enggunakan
persam aan Paris. Persam aan ini berlaku pada daerah II dari laju peram bat an ret ak. 19
Kom ponen persam aan Paris t erdiri dari t iga kom ponen yait u laju peram bat an ret ak (da/ dN), konst ant a paris (C dan m ), dan harga K (fakt or int ensit as t egangan). Hasil st udi t ent ang param et er ini dinyat akan m enjadi t iga bagian yait u (Sanyot o dan Berat a, 2008):
1. Pendekat an eksperim en, unt uk m em peroleh dat a peram bat an ret ak. 2. Pendekat an t eoret is, unt uk m em peroleh harga
∆K dan da/dN dilakukan
dengan rum us em piris.3. Persamaan PC Paris (da/dN = C[ΔK]
m ) m erupakan hasil akhir dari pengolahan dat a eksperim en fat ik.
Gam bar 2.7 Kurva laju peram bat an ret ak ideal (w w w.answ ers.com , 2009)
Harga R, sangat besar pengaruhnya t erhadap kurva peram bat an ret ak da/ dN -
∆K. Semakin besar R, maka
spesim en akan m em punyai jum lah siklus pem bebanan hingga spesimen t ersebut pat ah akan sem akin banyak. Hal ini disebabkan karena seolah-olah spesim en m endapat perbedaan kejut an beban yang kecil, m endekat i beban st at is. Sem akin kecil harga R, m aka pebedaan beban kejutyang m engenai spesimen akan sem akin besar. Hal ini m enyebabkan penjalaran deform asi perm anen yang t erjadi lebih cepat . Akibat nya spesim en m em punyai ket ahanan t erhadap siklus pem bebanan lebih sedikit (Broek, 1986). 20
Pada penelit ian ini, akan dilakukan lim a variasi harga R pada lim a
spesim en yang t elah dipersiapkan. Dengan ukuran dan bent uk geom et ri spesim en yang sam a, spesim en yang diuji dengan harga R yang lebih besar akan m em punyai jum lah siklus pem bebanan yang lebih banyak daripada spesim en yang diuji dengan harga R yang lebih kecil. Dengan kat a lain kecepat an peram bat an ret ak pada st ress rat io yang besar berlangsung lebih lam bat dibanding dengan spesim en yang dibebani dengan harga st ress rat io yang lebih kecil.
E. M ekanism e Penjalaran Ret ak
Perpat ahan adalah pem isahan at au pem ecahan suat u benda padat m enjadi dua bagian at au lebih diakibat kan adanya t egangan. Proses perpat ahan t erdiri at as dua t ahap, yait u t im bulnya ret ak dan t ahap penjalaran ret ak. Tahap aw al pem bent ukan ret ak ini m em erlukan jum lah siklus yang cukup besar. Peram bat an ret ak yang t erjadi pada t ahap ini sangat lam bat . M ekanism e penjalaran ret ak fat ik dapat dijelaskan pada gam bar 2.8.
21
Gam bar 2.8. M ekanisme peram bat an ret ak fat ik (Broek,1986)
Takik dibuat unt uk pengam at an penjalaran ret ak. Kom ponen m engalam i
beban t arik, sehingga t egangan t arik pada bidang ret akan m em bent uk sedut 45o
(bagian 1). Tegangan t arik m ula-m ula m enyebabkan t erjadinya slip pada daerah ujung t akik (bagian 2). Tegangan t arik yang t erus bert am bah m enyebabkan slip sem akin bert am bah pada ujung ret ak, hal ini m enjadikan ret akan sem akin m em buka (bagian 3). Tegangan t arik m aksim um m enyebabkan plast isit as pada ujung ret ak, sehingga ret akan lebih m em buka (bagian 4). Ket ika t egangan t arik m aksim um berubah m enjadi t egangan t arik m inim um m aka slip yang t erjadi di ujung ret ak m enjadi perm anen, sehingga m enjadi ret ak yang panjangnya
∆a
(bagian 5). Hal ini akan berulang kem bali pada siklus berikut nya hingga m at erial akan m engalam i kegagalan fat ik. Pada bagian 6, m enunjukkan kejadian t egangan m aksim um saat t erjadi slip dan perubahan plast is pada ujung ret ak sepert i pada gam bar bagian 4. Ket ika t egangan m inim um posisinya m enut up m aka panjang ret ak sudah bert am bah panjang lagi sebesar∆a (bagian 7).
Dalam peram bat an ret ak suat u kom ponen hingga t erjadi kegagalan fat ik dipengaruhi oleh beberapa fakt or yait u (Broek, 1986) :
1. Beban
a. Jenis beban; uniaksial, biaksial, t riaksial, lent ur, punt ir. b. Frekuensi siklus beban yang bervariasi.
c. Pola beban; periodik, random .
e. Ragam pem bebanan.
2. Kont inyuit as, yait u ada t idaknya cacat . 3. Ket elit ian proses pengerjaan.
4. Bent uk dan ukuran spesim en. 5. Tem perat ur operasi.
6. Kondisi lingkungan yang menyebabkan korosi. 22
BAB III
M ETODE PENELITIAN