BAHAN KULIAH ANALISA KEGAGALAN.docx

(1)

BAHAN KULIAH

ANALISA KEGAGALAN

TEKNIK MESIN

UNIVERSITAS

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH

MUHAMMADIYAH RIAU

RIAU UMRI

UMRI

PEKANBARU

2014

(2)

BAB I

PENYEBAB UTAMA KEGAGALAN

Failures ? Failures ? Kerusakan ?? Kerusakan ?? Kegagalan ??? Kegagalan ???

Suatu komponen atau peralatan dikatakan failed, jika Suatu komponen atau peralatan dikatakan failed, jika

a)

a) Sama sekali tidak dapat dioperasikanSama sekali tidak dapat dioperasikan b)

b) Dapat dioperasikan, tetapi tidak berfungsi dengan baikDapat dioperasikan, tetapi tidak berfungsi dengan baik c)

c) Ada kerusakan, sehingga tidak aman bila dioperasikan.Ada kerusakan, sehingga tidak aman bila dioperasikan. Failure

Failure = = kerusakan kerusakan ???? = kegagalan ??? = kegagalan ???

Kegagalan dapat diartikan kerusakan yang tidak wajar :

Kegagalan dapat diartikan kerusakan yang tidak wajar : rusak sebelum waktunya.rusak sebelum waktunya. Failure = kegagalan

Failure = kegagalan

Failure analysis = analisa kegagalan : analisa untuk menemukan penyebab Failure analysis = analisa kegagalan : analisa untuk menemukan penyebab kegagalan.

kegagalan.

Penyebab utama kegagalan : Penyebab utama kegagalan : 1.

1. Kesalahan dalam Kesalahan dalam designdesign 2.

2. Kesalahan dalam Kesalahan dalam pemilihapemilihan n materialmaterial 3.

3. Cacat Cacat materialmaterial

4. Kesalahan dalam proses pengerjaan 4. Kesalahan dalam proses pengerjaan 5. Kesalahan dalam pemasangan / perakitan 5. Kesalahan dalam pemasangan / perakitan 6. Kesalahan operasi

6. Kesalahan operasi Contoh kegagalan: Contoh kegagalan: I.

I. Kesalahan Kesalahan dalam dalam design:design:

-- Design kriteriDesign kriteria yang a yang meleset dari kondisi operasi yang sebenarnya : beban,meleset dari kondisi operasi yang sebenarnya : beban, lingkungan,

lingkungan, suhu suhu operasoperasi, i, dst.dst. -- Adanya takikan (notches)Adanya takikan (notches)

2.

2. Kesalahan dalam Kesalahan dalam pemilihan material:pemilihan material:

-- Data material yang tidak mencukupi; misalnya hanya data uji tarik padahalData material yang tidak mencukupi; misalnya hanya data uji tarik padahal bebanny

bebannya dinamik/ fatiga dinamik/ fatigue, dst.ue, dst.

-- Kriteria pemilihan material : kaitan antara beban/ tegangan dan suhuKriteria pemilihan material : kaitan antara beban/ tegangan dan suhu operasi dengan mekanisme kegagalan serta kriteria pemilihan material. operasi dengan mekanisme kegagalan serta kriteria pemilihan material.

T

Tabel.1. Kriteria pemilihan material : abel.1. Kriteria pemilihan material : Kaitan dengan mekanisme kegagalan,Kaitan dengan mekanisme kegagalan, beban/ T

(3)

3.

3. Cacat mCacat material :aterial :

-- Cacat di permukaan dan di dalam material akan menurunkan kekuatannya.Cacat di permukaan dan di dalam material akan menurunkan kekuatannya. -- Cacat pengecoran : inklusi, cold shuts, poCacat pengecoran : inklusi, cold shuts, po rositasrositas, , rongga retak penyusutanrongga retak penyusutan,,

dst. dst.

-- Cacat pengerolan / tempa: segregasi, laminasi, laps / seams: terjebaknyaCacat pengerolan / tempa: segregasi, laminasi, laps / seams: terjebaknya oksida

oksida di di dekat permukaan, dekat permukaan, dstdst 4. Kesalahan dalam proses pengerjaan 4. Kesalahan dalam proses pengerjaan

-- Proses forming dapat menimbulkan tegangan sisa, retak mikro, dstProses forming dapat menimbulkan tegangan sisa, retak mikro, dst

-- Machining & grinding juga menimbulkan tegangan sisa & pemusatanMachining & grinding juga menimbulkan tegangan sisa & pemusatan tegangan akibat kekasaran permukaan

tegangan akibat kekasaran permukaan

-- Grinding yang berlebihan (sampai overheating) dapat menyebabkan retakGrinding yang berlebihan (sampai overheating) dapat menyebabkan retak rambut pada permukaan

rambut pada permukaan

-- Penandaan (marking) dapat menimbulkan pemusatanPenandaan (marking) dapat menimbulkan pemusatan tegangantegangan

-- Heat treatment dapat menyebabkan dekarburisasi (permukaan baja menjadiHeat treatment dapat menyebabkan dekarburisasi (permukaan baja menjadi lunak)) distorsi dan bahkan retak akibat proses celup cepat (quenching). lunak)) distorsi dan bahkan retak akibat proses celup cepat (quenching).

(4)

BAB II

LANGKAH UTAMA DALAM ANALISA KEGAGALAN

Tujuan analisa kegagalan : menemukan / mengungkap penyebab utama Tujuan analisa kegagalan : menemukan / mengungkap penyebab utama kegagalan, sehingga tindakan perbaikan dapat dilakukan untuk mencegah kegagalan, sehingga tindakan perbaikan dapat dilakukan untuk mencegah terulangnya kegagalan.

terulangnya kegagalan.

Kegiatan analisa kegagalan seringkali harus dilakukan oleh berbagai ahli dari Kegiatan analisa kegagalan seringkali harus dilakukan oleh berbagai ahli dari

erbagai disiplin ilmu. erbagai disiplin ilmu.

Tahapan / langkah utama dalam melakukan analisa kegagalan seringkali adalah Tahapan / langkah utama dalam melakukan analisa kegagalan seringkali adalah dalam urutan berikut ini: (1)

dalam urutan berikut ini: (1)

1.

1. Pengumpulan data lapangan dan pemilihan sample.Pengumpulan data lapangan dan pemilihan sample. .. Pemeriksaan awal terhadap komponen yang gagal:Pemeriksaan awal terhadap komponen yang gagal:

Pemeriksaan visual dan penyusunan catatannya. Pemeriksaan visual dan penyusunan catatannya. .. Nondestructive testing. Nondestructive testing.

.. Pengujian mekanik.Pengujian mekanik.

.. Pemilihan" pencatatan (identification)" "pengawetan" dan / pembersihanPemilihan" pencatatan (identification)" "pengawetan" dan / pembersihan sample.

sample.

6. Pemeriksaan makroskopis: permukaan patahan" retakan sekunder dan 6. Pemeriksaan makroskopis: permukaan patahan" retakan sekunder dan cacatcacat

cacat permukaan lainnya. cacat permukaan lainnya.

7. Pemeriksaan mikroskopis: micro-fractography. 7. Pemeriksaan mikroskopis: micro-fractography. 8. Pemilihandan penyiapan sample metalografi. 8. Pemilihandan penyiapan sample metalografi. 9. Pemeri ksaan metalografi .

9. Pemeri ksaan metalografi .

10. Penentuan mekanisme kegagalan. 10. Penentuan mekanisme kegagalan.

11. Analisa kimia: material, permukaan, deposit, dst. 11. Analisa kimia: material, permukaan, deposit, dst. 12. Analisa dengan mekanfka

12. Analisa dengan mekanfka retakan (fracture mechanics)retakan (fracture mechanics) 13. Pengujian pada kondisi simulasi.

13. Pengujian pada kondisi simulasi.

14. Penyusunan laporan: analisa terhadap seluruh fakta kesimpulan serta saran. 14. Penyusunan laporan: analisa terhadap seluruh fakta kesimpulan serta saran.

Pemula seringkali ingi

Pemula seringkali ingin segera memotong dan mn segera memotong dan membuat embuat sample: dari sample: dari komponenkomponen rusak yang diterim

rusak yang diterimanya. anya. Hal ini adalah sHal ini adalah salah dan harus dihindarkan.alah dan harus dihindarkan.

Latar belakang terjadinya kegagalan harus dipelajari atau diteliti ataupun Latar belakang terjadinya kegagalan harus dipelajari atau diteliti ataupun direnungkan dengan saksama.

direnungkan dengan saksama.

1.

1. Pengumpulan data dan pemilihan sample :Pengumpulan data dan pemilihan sample :

-- Data operasi termasuk data / gejala menjelang terjadinya kegagalan.Data operasi termasuk data / gejala menjelang terjadinya kegagalan.

-- Data peralatan / komponen: gambar spesifikasi : Material dan prosesData peralatan / komponen: gambar spesifikasi : Material dan proses pengerjaannya.

pengerjaannya.

-- Data seringkali tidak lengkap atau sukar diperoleh analis harus mampuData seringkali tidak lengkap atau sukar diperoleh analis harus mampu "merekonstruksi

"merekonstruksi”” kejadian atas dasar deduksi yang tepat. kejadian atas dasar deduksi yang tepat.

-- Pengamatan harus dilakukan secara visual (dengan mata) dan dibantuPengamatan harus dilakukan secara visual (dengan mata) dan dibantu dengan pemotretan.

dengan pemotretan.

-- Pemilihan sample yang tepat bila perlu mengambil sample komponenPemilihan sample yang tepat bila perlu mengambil sample komponen yang belum rusak untuk bahan perbandingan.

yang belum rusak untuk bahan perbandingan. -- Pengamatan terhadap kondisi tidak normal.Pengamatan terhadap kondisi tidak normal.

-- Pengamatan terhadap "puing" peralatan yang gagal: Pencatatan &Pengamatan terhadap "puing" peralatan yang gagal: Pencatatan & pemotretan.

pemotretan.

-- pemot pemot retan.retan.

2.

2. Pemeriksaan awal terhadap komponen yang gagal :Pemeriksaan awal terhadap komponen yang gagal :

-- Pemeriksaan visual: mata memiliki ketajaman pandang dan mampuPemeriksaan visual: mata memiliki ketajaman pandang dan mampu menangkap perbedaan warna ataupun tekstur meskipun sedikit.

menangkap perbedaan warna ataupun tekstur meskipun sedikit.

-- Hal tersebut di atas harus dibantu dengan pemotretan, khususnya untukHal tersebut di atas harus dibantu dengan pemotretan, khususnya untuk merekam kaitan satu komponen dengan komponen lainnya.

(5)

.. Nondestr Nondestr uctive Testuctive Test ing :ing :

-- Metoda NDT digunakan untuk mendeteksi retak permukaan dan di dalamMetoda NDT digunakan untuk mendeteksi retak permukaan dan di dalam komponen: dye penetrant, magnetic particle, ultrasonic, dst.

komponen: dye penetrant, magnetic particle, ultrasonic, dst.

4.

4. PenPengugujijian man mekaekaninik:k:

-- Uji Uji kekeras sras sanangagat prat praktktis uis untntuk seuk secacara cra cepaepat met me perperoleoleh anh angkgka keka kekererasaasann sample:

sample: v

v Kebenaran proses heat treatment ?Kebenaran proses heat treatment ? v

v Perkiraan kekuatan tarik (tensile strength):Perkiraan kekuatan tarik (tensile strength): v

v Adanya pengerasan / pelunakan ?Adanya pengerasan / pelunakan ? -- Uji Uji tataririk & ujk & uji imi impacpact (bit (bila pla pererlulu))

5.

5. PemilPemilihanihan,, pengawepengawetan tan & & pemberspembersihan ihan samsample:ple:

-- PerPermumukaakaan pan patatahan han harharus "us "sessesegegaa r" r" mumungkngkinin; ti; tidak dak rusrusakak teterderdeforformamasisi ataupun terkorosi.

ataupun terkorosi.

-- PemPembersbersihaihan hanyn hanya bila pea bila perlu sekrlu sekali,ali, mismisalnyalnya akibat tea akibat terkerkena air launa air laut yangt yang korosif: cuci dengan

korosif: cuci dengan air tawarair tawar, kemudian bilas d, kemudian bilas d an keringkan.an keringkan.

-- Bila dBila dilailakukkukan pemotan pemotongan sampongan samplej selej sebelubelumnymnya harus da harus d icaticatat / disketsa /at / disketsa / dipotret agar loka

dipotret agar loka si / posisi si / posisi sample terekam sample terekam dengan cerdengan cermat.mat.

6.

6. PemPemerieriksaksaan an makmakroskroskopisopis::

-- PermPermukaukaan pataan patahan dihan diperiperiksa sksa secaecara. Vra. Visuisual.al. -- AlaAlat bt bantantu: u: kackaca pea pembmbesesarar..

-- PengPengkajikajian peran permumukaan patkaan patahaahan: cirin: ciri-ci-ciri patri patahaahan.n.

-- KamKamera era & l& lensensa maa makro: kro: tekteknik nik pencpencahaahayaayaa n yn yang ang tepatepat agt ag ar ar namnampak cpak ciri- iri-ciri patahannya.

ciri patahannya.

-- MikroskoMikroskop step stereo pareo pada pemda pembesaran besaran yang ryang rendah aendah akan mkan menonjolenonjolkan relkan reliefief permuk

permuk aan aan patahapataha n.n. 7.

7. PemPemerieriksaksaan an mikmikroskroskopisopis::

-- ReplikReplika plasa plastik ytik yang dilunaang dilunakkan denkkan dengan asetgan aseton dapat on dapat memmemberikan gamberikan gambarbar permuk

permuk aan aan patahpatah an plaan pla stik replika dstik replika d iperiiperi ksa paksa pa da mikroda mikro skop skop ooptik atptik at aupunaupun TEM (Transmission Electron Microscope).

TEM (Transmission Electron Microscope).

-- PerPermumukakaan an patpatahaahan n lalangngsusung ng diadiamamati ti padpada a SEMSEM (( ScScanannining ng EE lelectctronron Microscope).

Microscope). 8.

8. PemiliPemilihan han dan dan penyipenyiapan sapan sample ample metalmetalografiografi::

-- PemoPemotontongan sagan samplmple tidae tidak bolek boleh merh merusausak / menk / men gubagubahh strustruktuktur mikr mikronyronya.a. -- PenentuaPenentuan n lokasi lokasi samplsample e metametalografilografi: : dari dari dekat dekat patahan patahan dan dan dari dari yangyang

jauh s

jauh s ebagebag ai peai pe rbandrband ingan.ingan.

9.

9. PemPemerieriksksaan meaan metataloglografirafi::

-- MeMetaltalogograrafi fi seserr iingngkakalili didihh ararapapkakan dn dapapat at memengngunungkgkapap aa dadanynya "ka "keaeanenehh”” dalam

dalam strukturstruktur mikro.mikro.

-- Hal iHal ini ni adalah adalah karena sifkarena sifat meat mekanik skanik sangat diangat dipengaruhi oleh pengaruhi oleh struktustruktur mir mikrokro material.

material.

-- PePenynyimimpapangngan an dadari ri spspesesififikikasasi i mamateteririal al dadan n prprososeses p enp engegerjrjaaaan n seseriringng diketemukan lewat teknik metalografi.

diketemukan lewat teknik metalografi. 10.

10. Penentuan Penentuan mekanismekanisme me kegagalkegagalan:an:

-- TaTahahap p inini i meme memerlrlukukan an pepemm ahahamaman an yayang ng memendndalalam am memenn gegenanaii ciciriri -c-ciririi pata

pata han / khan / k egagegag alan.alan. -- KlKlasasififikikasasi i papatatahahan:n:

1.

1. PataPatah ulh ulet (det (ductuctile ile frafractucture).re). 2.

2. PataPatah geh getas tas (bri(brittlttle fre fractuacture):re): -- PaPatatah gh getetas as trtranansgsgananulularar -- PaPatah tah getgetas as inintetergrgraranulnularar.. 3.

3. PataPatah leh lelah lah (fa(fatigtigue frue fractuacture).re). 4.

4. RetaRetak korosk korosi tegi tegangaangan (stresn (stress corrs corrosiosionon crackcrackinging).). 5.

5. PengPenggetgetasan asan (em(embritbrittletlekenkent).t). 6.

6. MulMulur (cur (creepreep) & s) & stretress-ss-ruptrupture.ure. 7.

(6)

11

11.. AnaAnalilisa kimsa kimiaia::

-- AnalAnalisa kisa kompoomposissisi kimi kimia dapaia dapat met menunjang knunjang kegiaegiatantan -- AnAnalalisisa a kekegagagagalalan.n.

-- Analisa Analisa kimia kimia dipakai dipakai untuk muntuk memeriksemeriksa kesesuaiaa kesesuaian spesin spesifikasi fikasi materimaterial.al. -- PemePemeriksriksaan aan kompkomposisosisi kii kimia mia matmateriaerial:l:



 Analisa kimia basahAnalisa kimia basah 

 SpectSpectroscroscopyopy // SpectSpectrophrophotomotometryetry 

 X-ray fluorescence spectroscopyX-ray fluorescence spectroscopy

-- AnaAnalilisasa kikimimia ta terherhadaadap lp lapiapisasan pn permermukaukaanan / de/ depospositit :: 

 EDSEDS (Ene(Energy Disperrgy Dispersivsive Spectroe Spectroscopyscopy)) pada SEM.pada SEM. 

 EPMAEPMA (Ele(Electrctron Proon Probebe MicMicroro AnAnalyalyserser).). 

 Auger electron spectroscopy.Auger electron spectroscopy. 12.

12. Analisa deAnalisa dengan mekngan mekanika retakan anika retakan (fractur(fracture mechae mechanics):nics):

-- MekMekanianika reka retaktakan daan dapat pat ditditeraerapkapkan padn pada pea perhrhititunungangan kk ekekuatuatan daan dan umn umurur komponen yang cacat.

komponen yang cacat. 13.

13. PengPengujiaujian pada kondisi simn pada kondisi simulaulasi:si: -- PenPengujgujian ian inini sui sulilit dan t dan mamahahal.l.

-- BilBila dila dilakukakukan dengaan dengan ban ba ik daik dapat mpat menghenghasilasilkan sarakan saran tindn tindakan peakan perbairbaikankan yang tepat.

yang tepat.

14.

14. PenyusuPenyusunan laporannan laporan: ana: analisa lisa fakta, fakta, kesimkesimpulan & pulan & saransaran :: -- LapLaporaoran hn haruarus ris ringngkakas,s, jeljelas,as, lelengkngkap daap dan lon logisgis.. -- LapLaporaoran n haharus rus mememumuatat::



 Perincian komponen yang gagal.Perincian komponen yang gagal. 

 Kondisi operasi menjelang/pada saat gagal.Kondisi operasi menjelang/pada saat gagal. 

 Kondisi operasi.Kondisi operasi. 

 Proses pengerjaan/pembuatan komponen.Proses pengerjaan/pembuatan komponen. 

 Penelitian kegagalan secara mekanis dan metalurgis.Penelitian kegagalan secara mekanis dan metalurgis. 

 Evaluasi metalurgis.Evaluasi metalurgis. 

 Mekanisme penyebab kegagalan.Mekanisme penyebab kegagalan. 

(7)

BAB III

IDENTIFIKASI JENIS KEGAGALAN

Retakan biasanya dikelompokkan atas ciri-ciri makroskopis yaitu : Retakan biasanya dikelompokkan atas ciri-ciri makroskopis yaitu :

1.

1. Patah ulet (ductile fracture)Patah ulet (ductile fracture) 2.

2. Patah getas (brittle fracture) ;Patah getas (brittle fracture) ; -- Patah getas transgranularPatah getas transgranular -- Patah getas intergranularPatah getas intergranular 3.

3. Patah lelah (fatigue fracture)Patah lelah (fatigue fracture) 4.

4. Retak korosi tegangan (stress corrosion cracking)Retak korosi tegangan (stress corrosion cracking) 5.

5. Penggetasan (embrittlement)Penggetasan (embrittlement) 6.

6. Mulur (creep) & stress ruptureMulur (creep) & stress rupture 7.

7. Retak dengan modus gabungan.Retak dengan modus gabungan.

Pemeriksaan secara makroskopis seringkali telah mampu menentukan jenis Pemeriksaan secara makroskopis seringkali telah mampu menentukan jenis retakan.

retakan.

1.

1. Patah ulet (ductile fracture):Patah ulet (ductile fracture):

Patah ulet ini terjadi dengan disertai oleh adanya deformasi plastis di Patah ulet ini terjadi dengan disertai oleh adanya deformasi plastis di sekitar patahan. Permukaan patahan nampak berserabut (fibrous), sehingga sekitar patahan. Permukaan patahan nampak berserabut (fibrous), sehingga kelihatan berwarna kelabu. Permukaan patah spesimen tarik yang u

kelihatan berwarna kelabu. Permukaan patah spesimen tarik yang u let ditunjukkanlet ditunjukkan pada ga

pada ga mbar. 1.mbar. 1.

Gb.l. permukaan patah spesimen tarik silindris yang ulet. (2). Gb.l. permukaan patah spesimen tarik silindris yang ulet. (2).

2.

2. PataPatah gh getas etas (brit(brittle tle fracfractureture):):

Patah getas menjalar dengan kecepatan yang

Patah getas menjalar dengan kecepatan yang jauh lebih tinggi daripadajauh lebih tinggi daripada patah ulet. P

patah ulet. P atah getas atah getas hampir tidak hampir tidak disertai dedisertai de ngan defongan defo rmasi plastirmasi plasti s. permukaans. permukaan patah getas

patah getas kelihatan mengkilap,kelihatan mengkilap, granular dgranular d an relatif ran relatif r ata.ata. P o

P olla ca cheh evrvron on sse re riinnggkak al i l i nan ammpap akk pap ada da pap atta h a h geg et at as ;s ; uuj uj unngg-u-uj uj ung ng c hc he ve vroronn “

“menunjukmenunjuk" ke" ke arah awal retarah awal retakan. (gb .2)akan. (gb .2)

Gb.2. Per

(8)

Patah getas dapat mengikuti batas butir atau pun memotong butir. Bila Patah getas dapat mengikuti batas butir atau pun memotong butir. Bila idang patahannya mengikuti batas butir, maka disebut patah getas intergranular. idang patahannya mengikuti batas butir, maka disebut patah getas intergranular. Bila patahannya memotong butir, maka dinamai patah getas transgranular.

Bila patahannya memotong butir, maka dinamai patah getas transgranular. Patah getas transgranula

Patah getas transgranular dapat r dapat terjaterjadi pada di pada baja karbon rendah (pada suhubaja karbon rendah (pada suhu operasi yang sangat rendah), serta pada logam-logam BCC lainnya : W, Mo dan operasi yang sangat rendah), serta pada logam-logam BCC lainnya : W, Mo dan CR, dan juga logam-logam HCP : Mg, BE, TI.

CR, dan juga logam-logam HCP : Mg, BE, TI.

Patah getas intergranular seringkali dikaitkan dengan adanya fasa yang getas Patah getas intergranular seringkali dikaitkan dengan adanya fasa yang getas dibatas butir, misalnya fasa sigma pada paduan besi khrom, penggetasan temper, dibatas butir, misalnya fasa sigma pada paduan besi khrom, penggetasan temper, dst.

dst. 3.

3. PataPatahanhan LelLelah ah (Fa(Fatigtigue ue FraFractucture) re) ::

Beban yang berubah-ubah atau berulang-ulang dapat me

Beban yang berubah-ubah atau berulang-ulang dapat me ngakibatkan patahngakibatkan patah le

lelalah mh meseskikipupun han hargrga tea tegagangngan nan nomomii nanalnlnya mya masasih dih dibibawawaa h kh kekekuauatatan lun lululuhh material.

material.

Patah lelah berawal dari lokasi yang mengalami pemusatan tegangan Patah lelah berawal dari lokasi yang mengalami pemusatan tegangan (stress concentration), misalnya akibat adanya cacat

(stress concentration), misalnya akibat adanya cacat takikan. Tegangan setempattakikan. Tegangan setempat akan tinggi

akan tinggi bahkan bahkan melmelampaampaui Batas lui Batas luluh muluh materialaterial. Akib. Akibatnya atnya di temdi tempat itu apat itu akankan terjadi deformasi plastis dalam skala mikroskopis. Tegangan yang berfluktuasi terjadi deformasi plastis dalam skala mikroskopis. Tegangan yang berfluktuasi akan menyebabkan terjadinya slip antara bidang-bidang atomnya; terjadilah akan menyebabkan terjadinya slip antara bidang-bidang atomnya; terjadilah "tonjolan" (extrusion) atau pun "lekukan

"tonjolan" (extrusion) atau pun "lekukan”” (intrusion) juga dalam skala (intrusion) juga dalam skala

mikroskopis. mikroskopis.

Dari lokasi tersebut akan berawal retak lelah (crack initiation) yang Dari lokasi tersebut akan berawal retak lelah (crack initiation) yang selanjutnya merambat. Perambatan retakan (crack propagation) terjadi sejalan selanjutnya merambat. Perambatan retakan (crack propagation) terjadi sejalan dengan pembebanan yang berfluktuasi.

dengan pembebanan yang berfluktuasi. Bila retak lelah ini Bila retak lelah ini telah "jauh" merambattelah "jauh" merambat sehingga luas penampang yang "tersisa" tidak lagi mampu mendukung beban, sehingga luas penampang yang "tersisa" tidak lagi mampu mendukung beban, maka komponen akan patah. Peristiwa patah tahap akhir ini disebut patah akhir maka komponen akan patah. Peristiwa patah tahap akhir ini disebut patah akhir (final fracture).

(final fracture). Modus patahan Modus patahan pada tahap tersebpada tahap tersebut adalah patah ut adalah patah static,static, yaituyaitu karena tegangan yang bekerja pada penampang yang tersisa sudah melampaui karena tegangan yang bekerja pada penampang yang tersisa sudah melampaui kekuatan tarik m

kekuatan tarik material. aterial. Permukaan patah lelah Permukaan patah lelah ditunjukkan pada gb.3.ditunjukkan pada gb.3.

Gb.3

Gb.3 Permukaan patah Permukaan patah lelah. (1).lelah. (1).

Front penjalaran retak lelah seringkali nampak sebagai garis-garis pantai Front penjalaran retak lelah seringkali nampak sebagai garis-garis pantai (beach marks). Garis pantai ini kelihatan bila ada variasi amplitudo tegangan : (beach marks). Garis pantai ini kelihatan bila ada variasi amplitudo tegangan : Amplitudo tegangan yang besar (yang berarti juga stress intensity range yang Amplitudo tegangan yang besar (yang berarti juga stress intensity range yang esar) akan mempertinggi laju perambatan retakan sehingga permukaannya relatif esar) akan mempertinggi laju perambatan retakan sehingga permukaannya relatif akan kasar. Secara mikroskopis penjalaran retakan tersebut terjadi. Pada setiap akan kasar. Secara mikroskopis penjalaran retakan tersebut terjadi. Pada setiap siklus pembebanan. Majunya front retakan untuk tiap siklus pembebanan dapat siklus pembebanan. Majunya front retakan untuk tiap siklus pembebanan dapat diamati pada TEM (dengan teknik replika) dan SEM. Garis-garis halus front diamati pada TEM (dengan teknik replika) dan SEM. Garis-garis halus front perambatan retakan ini disebut Striation (gb. 4).

perambatan retakan ini disebut Striation (gb. 4).

Gb. 4. Striation Akibat Siklus Pembebanan yang berubah. (2) Gb. 4. Striation Akibat Siklus Pembebanan yang berubah. (2)

(9)

4.

4. Retak korosi teganRetak korosi tegangan (Stress Corrosion Cragan (Stress Corrosion Cracking) :cking) :

Peristiwa retak korosi tegangan adalah gabungan antara tegangan tarik Peristiwa retak korosi tegangan adalah gabungan antara tegangan tarik dengan pengaruh lingkungan. Kebanayakan retakannya mengikuti batas butir dengan pengaruh lingkungan. Kebanayakan retakannya mengikuti batas butir sehingga berupa retakan intergranular. Hal ini s

sehingga berupa retakan intergranular. Hal ini s eringkali terjadi pada paduan Aleringkali terjadi pada paduan Al – – Zn - Mg (AA 7xxx)

Zn - Mg (AA 7xxx);; paduan paduan Al Al ini ini tinggi tinggi kekuatannya kekuatannya namun namun peka peka terhadapterhadap korosi tegangan khususnya pada arah short - t

korosi tegangan khususnya pada arah short - t ransverse.ransverse.

Korosi tegangan dapat juga terjadi pada austenitic stainless steel pada Korosi tegangan dapat juga terjadi pada austenitic stainless steel pada lingkungan yang mengandung ion Cl

lingkungan yang mengandung ion Cl meskipun sedikit.meskipun sedikit.

Baja konstruksi pun juga dapat mengalami retak korosi tegangan bila Baja konstruksi pun juga dapat mengalami retak korosi tegangan bila ekerja pada lingkungan yang mengandung nitrat pekat yang panas atau larutan ekerja pada lingkungan yang mengandung nitrat pekat yang panas atau larutan NaoH.

NaoH. Baja Baja berkekuatan tberkekuatan t inggi inggi juga juga peka peka terhadap terhadap korosi korosi tegangan. tegangan. DemikianDemikian uga kuningan pada

uga kuningan pada lingkungan yang tercemar dengan amoniak.lingkungan yang tercemar dengan amoniak. 5.

5. Penggetasan Penggetasan (embrittlemen(embrittlement):t):

Baja kekuatan tinggi adalah peka terhadap penggetasan hidrogen. Baja kekuatan tinggi adalah peka terhadap penggetasan hidrogen. Atom-atom hidrogen yang tadinya larut interstisi dapat bertemu dan berkumpul atom hidrogen yang tadinya larut interstisi dapat bertemu dan berkumpul membentuk molekul gas hidrogen akibat tidak tersedianya ruang yang cukup gas membentuk molekul gas hidrogen akibat tidak tersedianya ruang yang cukup gas tersebut akan bertekanan tinggi sekali dan mendesak baja hingga patah getas. tersebut akan bertekanan tinggi sekali dan mendesak baja hingga patah getas. Masuknya hidrogen ke dalam baja ini dapat terjadi pada proses pengerjaan Masuknya hidrogen ke dalam baja ini dapat terjadi pada proses pengerjaan misalnya pengelasan dan electroplating, atau pun pada operasi di lingkungan yang misalnya pengelasan dan electroplating, atau pun pada operasi di lingkungan yang

anyak hidrogennya. anyak hidrogennya.

6. Mulur (creep) & stress-rupture: 6. Mulur (creep) & stress-rupture:

Peristiwa mulur ini terjadi bila komponen bekerja pada suhu tinggi, yaitu Peristiwa mulur ini terjadi bila komponen bekerja pada suhu tinggi, yaitu di atas 0,4

di atas 0,4 atau 0,5 titik cairnya dalam suhu atau 0,5 titik cairnya dalam suhu kelvin. kelvin. Mulur ini adalah deformasiMulur ini adalah deformasi yang berjalan

yang berjalan dengan waktu. dengan waktu. Oleh Oleh karena itu karena itu mulur ditandai mulur ditandai dengan adanyadengan adanya deformasi plastis yang cukup besar.

deformasi plastis yang cukup besar.

Stress-rupture selain disertai oleh deformasi plastis juga ditandai oleh Stress-rupture selain disertai oleh deformasi plastis juga ditandai oleh adanya retak intergranular yang banyak ditemui di sekitar patahan.

adanya retak intergranular yang banyak ditemui di sekitar patahan. 7. Retak dengan modus gabungan:

7. Retak dengan modus gabungan: Patahan dapat j

Patahan dapat juga terjadi oleh uga terjadi oleh gabungan dari dua mgabungan dari dua modus. odus. Sebagai satuSebagai satu contoh adalah peristiwa patah lelah yang berawal dari lokasi yang terkorosi. contoh adalah peristiwa patah lelah yang berawal dari lokasi yang terkorosi. Tempat yang terserang korosi akan mengalami pemusatan tegangan; Retak lelah Tempat yang terserang korosi akan mengalami pemusatan tegangan; Retak lelah akan berawal

akan berawal dari situ dan dari situ dan kemudian menjalar. kemudian menjalar. Peristiwa ini Peristiwa ini tidak dapat dinamaitidak dapat dinamai korosi lelah. Proses korosi mengawali terjadinya retakan, sedangkan penjalaran korosi lelah. Proses korosi mengawali terjadinya retakan, sedangkan penjalaran retakannya adalah semata-mata karena beban siklis saja.

(10)

BAB IV

ASPEK METALURGI PADA KELELAHAN LOGAM

1.

1. PendahuluanPendahuluan

Patah yang terjadi pada komponen konstruksi akibat pembebanan yang Patah yang terjadi pada komponen konstruksi akibat pembebanan yang berulang-ulang

berulang-ulang disebut disebut patah patah lelah lelah atau atau fatigue. fatigue. Pembebanan Pembebanan yang yang berulang berulang iniini disebut pula

disebut pula beban dinamis. beban dinamis. Beban tersebut Beban tersebut dapat berupa dapat berupa tegangan ataupuntegangan ataupun regangan.

regangan.

Kesadaran mengenai fenomena kelelahan material telah mulai timbul pada Kesadaran mengenai fenomena kelelahan material telah mulai timbul pada pertengahan

pertengahan abad abad 19, 19, yaitu deyaitu de ngan ngan seringnya seringnya terjadinya terjadinya patahan patahan pada pada komponenkomponen kereta api dimasa itu. Berbagai laboratoriurn mulai mempelajari dan meneliti kereta api dimasa itu. Berbagai laboratoriurn mulai mempelajari dan meneliti fenomena, kelelahan logam

fenomena, kelelahan logam sejak tahun 1860. sejak tahun 1860. Pelopor dalam Pelopor dalam penelitian ini adalahpenelitian ini adalah Wohler (Jerman) (Gb. 1) dan Fairbairn (Inggris).

Wohler (Jerman) (Gb. 1) dan Fairbairn (Inggris).

Pengamatan yang lebih mendetail terhadap proses terjadinya kelelahan Pengamatan yang lebih mendetail terhadap proses terjadinya kelelahan telah dilakukan sejak awal abad 20 ini, tepatnya pada tahun 1903 oleh Ewing dan telah dilakukan sejak awal abad 20 ini, tepatnya pada tahun 1903 oleh Ewing dan Humphrey. Penelitian tersebut mulai membuka jalan yang mengarah pada Humphrey. Penelitian tersebut mulai membuka jalan yang mengarah pada lahirnya teori mekanisme patah lelah. Teori-teori tersebut muncul melalui lahirnya teori mekanisme patah lelah. Teori-teori tersebut muncul melalui serangkaian pengamatan mikroskopis; tentu saja dimulai dengan bantuan serangkaian pengamatan mikroskopis; tentu saja dimulai dengan bantuan mikroskop optis dan selanjutnya dikembangkan pula melalui pengamatan pada mikroskop optis dan selanjutnya dikembangkan pula melalui pengamatan pada mikroskop elektron, baik dengan SEM maupun TEM.

mikroskop elektron, baik dengan SEM maupun TEM.

Hingga saat ini mekanisme patah lelah yang diterima secara luas adalah Hingga saat ini mekanisme patah lelah yang diterima secara luas adalah terdiri dari tiga tahap, yaitu tahap awal terjadinya retakan (crack initiation) dan terdiri dari tiga tahap, yaitu tahap awal terjadinya retakan (crack initiation) dan tahap penjalaran retakan

tahap penjalaran retakan (crack propagation). (crack propagation). Setelah retak lSetelah retak lelah menjalar cukupelah menjalar cukup auh, maka beban yang bekerja hanya akan didukung oleh penampang "tersisa" auh, maka beban yang bekerja hanya akan didukung oleh penampang "tersisa" yang belum retak dan akhirnya komponen akan

yang belum retak dan akhirnya komponen akan segera patah.segera patah.

Tahap akhi

Tahap akhir ini disebut bagian patah statis.

r ini disebut bagian patah statis. Kedua me

Kedua mekanisme retak lelah

kanisme retak lelah

ini akan dibahas secara terinci. Pembicaraan selanjutnya akan difokuskan pada

pen

pengaruh beb

garuh beban atau tegan

an atau tegangan terh

gan terhadap um

adap umur lelah.

ur lelah. Demi

Demikian pula aka

kian pula akan dibah

n dibahas

as

pen

pengaruh v

garuh variab

ariabel m

el materia

aterial ser

l serta pen

ta pengaruh

garuh prose

proses pen

s pengerja

gerjaan dan

an dan ling

lingkungan

kungan..

Retak fatigue yang menjalar pada akhirnya akan membuat runtuhnya Retak fatigue yang menjalar pada akhirnya akan membuat runtuhnya komponen. Bila retak lelah ini terdeteksi, maka tindakan pengamanan dapat komponen. Bila retak lelah ini terdeteksi, maka tindakan pengamanan dapat segera dilakukan, misalnya dengan menggantikannya dengan komponen yang segera dilakukan, misalnya dengan menggantikannya dengan komponen yang aru. Oleh karena itu selanjutnya akan diuraikan pula berbagai metoda NDI (non aru. Oleh karena itu selanjutnya akan diuraikan pula berbagai metoda NDI (non destructive inspection) yang sering dipakai untuk mendeteksi retak lelah.

destructive inspection) yang sering dipakai untuk mendeteksi retak lelah.

2.

2. PerkPerkirairaaann umuumur lelar lelah (fah (fatigtigue liue life)fe)

Memperkirakan umur lelah suatu komponen adalah s

Memperkirakan umur lelah suatu komponen adalah s uatu hal yang sangatuatu hal yang sangat suli

sulit. t. KesuKesukaran karan ini ini oleole h h banybanyaknyaknya a faktfaktoo rr yang yang memmempengapengaruhi ruhi umur umur faktfaktor- or-faktor tersebut adalah :

faktor tersebut adalah : 1.

1. Beban :Beban : a.

a. Jenis beban : uniaksial, lentur, puntirJenis beban : uniaksial, lentur, puntir b.

b. Frekuensi siklus bebanFrekuensi siklus beban c.

c. Pola beban : periodik, randomPola beban : periodik, random d.

d. Besar teganganBesar tegangan 2.

2. Kondisi materialKondisi material 3.

3. Proses pengerjaanProses pengerjaan 4.

4. Bentuk dan ukuran komponenBentuk dan ukuran komponen 5.

5. Temperatur operasiTemperatur operasi 6.

6. Kondisi lingkunganKondisi lingkungan

Perubahan kecil pada faktor tersebut diatas akan menyebabkan perubahan Perubahan kecil pada faktor tersebut diatas akan menyebabkan perubahan pada

pada umur umur lelahnya. lelahnya. Oleh Oleh karena karena itu itu seringkali seringkali perlu perlu dilakukan dilakukan uji uji lelah lelah padapada suatu struktur yang lengkap ataupun pada suatu komponen dengan kondisi beban suatu struktur yang lengkap ataupun pada suatu komponen dengan kondisi beban dan lingkungan yang mirip dengan situasi yang sebenarnya.

(11)

Meskipun demikian, uji lelah terhadap spesimen kecil (coupon test) tetap Meskipun demikian, uji lelah terhadap spesimen kecil (coupon test) tetap ermanfaat, karena datanya dapat digunakan untuk :

ermanfaat, karena datanya dapat digunakan untuk : a)

a) Sumber kriteria patah lelahSumber kriteria patah lelah

)) Mengisolasi berbagai variabel materialMengisolasi berbagai variabel material c)

c) Membandingkan karakteristik materialMembandingkan karakteristik material d)

d) Membandingkan besarnya pengaruh proses pengerjaan, kehalusan permukaan,Membandingkan besarnya pengaruh proses pengerjaan, kehalusan permukaan, proses perlakuan panas, metoda penyambungan, dst terhadap fatigue.

proses perlakuan panas, metoda penyambungan, dst terhadap fatigue.

Umur lelah biasanya dinyatakan sebagai jumlah siklus tegangan yang Umur lelah biasanya dinyatakan sebagai jumlah siklus tegangan yang dicapai sam

dicapai sampai spesimen apai spesimen atau komponen patahtau komponen patah. . Dengan demikiDengan demikian umur totalan umur total tersebut telah mencak

tersebut telah mencakup pula tahap up pula tahap awal retakan dan penjalaran retakan yang awal retakan dan penjalaran retakan yang bilabila telah cukup jauh penjalarannya akan menyebabkan patah menjadi dua. Data telah cukup jauh penjalarannya akan menyebabkan patah menjadi dua. Data kelelahan lain yang penting adalah laju penjalaran retakan (crack-growth rate). kelelahan lain yang penting adalah laju penjalaran retakan (crack-growth rate). Laju penjalaran retakan inilah yang datanya dapat dipakai untuk memperkirakan Laju penjalaran retakan inilah yang datanya dapat dipakai untuk memperkirakan umur lelah.

umur lelah. 3.

3. JenJenis is TTegeganangagan Uji n Uji LeLe lalahh Uji lelah yang

Uji lelah yang ““sederhana" dilakukan dengan memberikan pembebanansederhana" dilakukan dengan memberikan pembebanan atau teg

atau tegangan yang angan yang relarela tif tif sederhana, yaitu sederhana, yaitu beban uniaksial beban uniaksial atau lenturan. atau lenturan. DenganDengan beban tersebut akan diperoleh tegangan tarik dan tegangan tekan yang

beban tersebut akan diperoleh tegangan tarik dan tegangan tekan yang berfluktuasi.

berfluktuasi.

Notasi

Notasi tegangan tegangan yang yang biasa biasa dipakai dipakai ditunjukkan ditunjukkan pada pada Gb. Gb. 2 2 (2). (2). DariDari kondisi beban yang berulang tersebut dapat dikenai berbagai parameter tegangan kondisi beban yang berulang tersebut dapat dikenai berbagai parameter tegangan Yaitu : Yaitu : ma ma xx min min R R :: ratio) ratio) (stress (stress tegangan tegangan Ratio Ratio       dimana :

dimana : σσ_min_min _{= tegangan yang paling rendah}_{= tegangan yang paling rendah} σ

σ_max_{max = tegangan yang paling tinggi}_{= tegangan yang paling tinggi}

m m a a A A :: ratio) ratio) (amplitude (amplitude amplitudo amplitudo Ratio Ratio       dimana :

dimana : σσ_a_a ₌_{= tegangan variabel}_{tegangan variabel =}₌

2 2 σ σ σ σ min min max max  σ

σ_a_a ₌_{= tegangan rata-rata =}_{tegangan rata-rata =}

2 2 σ σ σ σ min min max max

Uji lelah lentur putar (Gb. 3) yang dikembangkan oleh R.R. Moore memberi Uji lelah lentur putar (Gb. 3) yang dikembangkan oleh R.R. Moore memberi fluktuasi

fluktuasi tegangan dengan R tegangan dengan R = -1. = -1. Data umur lelData umur lelah material diah material dipresentasikanpresentasikan dalam ben

dalam bentuk diagram Wtuk diagram Wohler atau kurvohler atau kurva S-N (Gb.4). a S-N (Gb.4). Dalam Dalam Gb. 4 terliGb. 4 terlihathat adanya dua macam bentuk kurva S-N. Baja memiliki batas kelelahan (fatigue adanya dua macam bentuk kurva S-N. Baja memiliki batas kelelahan (fatigue limit) atau batas ketahanan (endurance limit) yang jelas, sedangkan paduan limit) atau batas ketahanan (endurance limit) yang jelas, sedangkan paduan aluminium

aluminium tidak mempunyai btidak mempunyai batas kelelahan yang jatas kelelahan yang jelas. elas. Batas kelelahan Batas kelelahan ((σσ_f_f₎₎ adalah batas tegangan yang akan memberikan umur lelah yang tidak berhingga. adalah batas tegangan yang akan memberikan umur lelah yang tidak berhingga. Untuk baja, harga batas kelelahan ini diambil setelah jumlah siklus tegangan Untuk baja, harga batas kelelahan ini diambil setelah jumlah siklus tegangan mencapai 10

mencapai 1066 atau 10 atau 1077..

Pada daerah diatas jumlah siklus ini kurva S-N untuk material baja akan Pada daerah diatas jumlah siklus ini kurva S-N untuk material baja akan mendatar. Bagian kurva S-N yang

mendatar. Bagian kurva S-N yang “mi“miringring”” rnenunjukkan kekuatan lelah (fatigue rnenunjukkan kekuatan lelah (fatigue strength) di daerah ini umur lelah akan terbatas.

strength) di daerah ini umur lelah akan terbatas.

Berbagai literatur menyebutkan secara "salah kaprah" bahwa batas Berbagai literatur menyebutkan secara "salah kaprah" bahwa batas kelelahan logam non fero adalah sarna dengan kekuatan lelahnya pada 10

kelelahan logam non fero adalah sarna dengan kekuatan lelahnya pada 10 88 atau 5 atau 5 x 10

x 1088siklus.siklus.

Titanium menunjukkan karakteristik kelelahan yang mirip dengan baja Titanium menunjukkan karakteristik kelelahan yang mirip dengan baja (Gb. 5).

(12)

4.

4. pengaru pengaru h Pemusath Pemusat an Tegaan Tega nganngan

Adanya bagian komponen yang tidak kontinu, misalnya akibat adanya Adanya bagian komponen yang tidak kontinu, misalnya akibat adanya takikan atau lubang ataupun goresan yang dalam, akan menyebabkan pemusatan takikan atau lubang ataupun goresan yang dalam, akan menyebabkan pemusatan tegangan. Besarnya tegangan lokal yang bekerja disekitar takikan tersebut tegangan. Besarnya tegangan lokal yang bekerja disekitar takikan tersebut dinyatakan dengan perkalian antara tegangan yang dihitung seandainya tidak ada dinyatakan dengan perkalian antara tegangan yang dihitung seandainya tidak ada takikan dengan faktor pemusatan tegangan (stress concentration factor) K

takikan dengan faktor pemusatan tegangan (stress concentration factor) K tt. Harga. Harga

Kt ini dapat

Kt ini dapat diperoleh dari perhitungan ataupun dengan eksperimen.diperoleh dari perhitungan ataupun dengan eksperimen.

Pengaruh adanya takikan terhadap karakteristik kelelahan dinyatakan Pengaruh adanya takikan terhadap karakteristik kelelahan dinyatakan dengan faktor takikan terhadap kelelahan (fatigue notch factor). K

dengan faktor takikan terhadap kelelahan (fatigue notch factor). K f f ::

ikan ikan dengan tak dengan tak spesimen spesimen pada pada lelah lelah kekuatan kekuatan takikan takikan anpa anpa spes

spes iimmen ten t pada pada lelah lelah kekuatan kekuatan K K f f 

Harga kekuatan lelah pada kedua jenis spesirnen tersebut diatas diambil Harga kekuatan lelah pada kedua jenis spesirnen tersebut diatas diambil pada

pada jurnlah jurnlah siklus siklus yang yang sarna. sarna. Cara Cara lain lain untuk untuk rnenyatakan rnenyatakan pengaruh pengaruh takikantakikan adalah dengan sensitivitas takikan terhadap kelelahan (fatigue notch sensitivity) q: adalah dengan sensitivitas takikan terhadap kelelahan (fatigue notch sensitivity) q:

1

1 K

K

1

1 K

K

q

tt f f





Harga q dapat berkisar dari 0 (bila K

Harga q dapat berkisar dari 0 (bila K f f = 1) sarnpai 1 (bila K = 1) sarnpai 1 (bila K f f = = K K tt) seperti yang) seperti yang

terlihat pada Gb. 6 (4). terlihat pada Gb. 6 (4).

Pada tingkat tegangan yang rendah serta

Pada tingkat tegangan yang rendah serta jurnlah siklus yang tinggi, banyakjurnlah siklus yang tinggi, banyak logam yang

logam yang rnenunjukkan kepekaannya terhadarnenunjukkan kepekaannya terhadap takikan. p takikan. Di lain Di lain pihak, padapihak, pada tegangan yang tinggi dan jumlah siklus yang rendah, justru logarn yang ulet tidak tegangan yang tinggi dan jumlah siklus yang rendah, justru logarn yang ulet tidak peka

peka sekali sekali terhadterhad ap ap taktak ikan. ikan. TegaTega ngan ngan lokal lokal yang yang tinggtingg i i akan akan rnenrnen yebabkyebabk anan terjadinya deforrnasi plastis setempat, sehingga tegangan yang bekerja rnenjadi terjadinya deforrnasi plastis setempat, sehingga tegangan yang bekerja rnenjadi lebih rendah daripada kalau hanya di daerah elastis (seperti halnya pada lebih rendah daripada kalau hanya di daerah elastis (seperti halnya pada perhitu

perhitu ngan hargngan harg a K a K tt).).

5.

5. CiCiri ri papatatah lh lelelahah Permukaan

Permukaan patah patah lelah lelah mempunymempunyai ai ciri-ciriciri-ciri khusus khusus yang yang pada pada dasarnyadasarnya dapat

dapat dibagdibagi i menmenjadi jadi dua dua daeradaerah, h, yaityaitu daerahu daerah retak retak ll elah dan daeelah dan daerah rah patahpatah .. Daerah

Daerah retak retak lelalelah mh melipueliputi ati awal wal retaretakan (kan ( crack crack initinitiaia tiontion) da) dan n penjapenjalaran laran retakretak (crack propag

(crack propagation). ation). Pada sPada saat penjalaat penjalaran rearan retaktak telah telah berjalan berjalan demikian jauh mdemikian jauh makaaka tegangan yang be

tegangan yang bekerja pada penampang yang kerja pada penampang yang “tersisa”“tersisa” akan makan m encapai kekencapai kekuatahuatah tarik

tarik matmaterialerial, seh, sehinggingga koa ko mpomponen nen akan paakan patah mtah mee njadi njadi dua. dua. TTahapaahapan inin inilala hh yangyang disebut patah statik.

disebut patah statik.

Pemeriksaan patah lelah dimulai dengan cara visual ataupun dengan Pemeriksaan patah lelah dimulai dengan cara visual ataupun dengan antuan kaca

antuan kaca pembesar. pembesar. Banyak kasus Banyak kasus patah lelah patah lelah dapat segera didapat segera dikenali dengankenali dengan adanya ciri- ciri tersebut diatas. Daerah retak lelah dapat di identifikasi bila ada adanya ciri- ciri tersebut diatas. Daerah retak lelah dapat di identifikasi bila ada tanda-tanda penjalaran retakan seperti halnya garis pantai (beach marks). Garis tanda-tanda penjalaran retakan seperti halnya garis pantai (beach marks). Garis pantai

pantai merupakan merupakan front front penjalaran penjalaran retakan. retakan. Dengan Dengan demikian demikian garis-garisgaris-garis pantai pantai ini

ini berkembang dari sumber retakan. berkembang dari sumber retakan.

Garis pantai dapat terjadi akibat perbedaan lamanya proses oksidasi pada Garis pantai dapat terjadi akibat perbedaan lamanya proses oksidasi pada permukaan retakan.

permukaan retakan. Garis pantai Garis pantai juga dapat juga dapat terjadi akibat perubahan terjadi akibat perubahan pada kondispada kondis ii pembebanan

pembebanan : : frekuensi frekuensi beban beban dan dan besarnya besarnya beban beban atau atau pun pun operasi operasi peralatanperalatan yang kadang-kadang terhenti.

yang kadang-kadang terhenti.

Suatu contoh garis pantai ditunjukkan pada Gb. 7 (3). Patah lelah tersebut Suatu contoh garis pantai ditunjukkan pada Gb. 7 (3). Patah lelah tersebut terjadi pa

terjadi pada roda gigi da roda gigi cacing yang terbuacacing yang terbuat dari baja t dari baja paduan. paduan. Ciri perambatanCiri perambatan retakan yang berupa garis pantai tersebut adalah ciri yang paling baik dan jelas retakan yang berupa garis pantai tersebut adalah ciri yang paling baik dan jelas untuk menetapkan terjadinya patah lelah. Akan tetapi ciri garis pantai sering pula untuk menetapkan terjadinya patah lelah. Akan tetapi ciri garis pantai sering pula tidak muncul.

tidak muncul. Hal ini disebabkan Hal ini disebabkan oleh tidak adanya kondisi pembeboleh tidak adanya kondisi pembebanan ataupunanan ataupun kondisi

kondisi operasi yoperasi yang mang menyebabkan narnpaknya enyebabkan narnpaknya garis garis pantai. pantai. Beban denBeban dengangan tegangan variabel yang konstan atau pun frekuensi yang tetap tidak akan tegangan variabel yang konstan atau pun frekuensi yang tetap tidak akan menampakkan garis pantai pada permukaan patahannya (Gb. 8).

(13)

Daerah patah statik atau daerah patah akhir (final-fracture zone) biasanya Daerah patah statik atau daerah patah akhir (final-fracture zone) biasanya memiliki ciri-ciri bidang patahan yang mirip patahan pada uji impact ataupun memiliki ciri-ciri bidang patahan yang mirip patahan pada uji impact ataupun pada uji fracture-tough

pada uji fracture-toughness pada materiness pada material yang sama. al yang sama. Bidang patahannBidang patahannya nampakya nampak lebih kasar atau

lebih kasar atau "berserab"berserabut" (fibrous).ut" (fibrous).

Luas daerah

Luas daerah patah akhir patah akhir ditentukan oleh bditentukan oleh besarnya beban. esarnya beban. Bentuk bidangBentuk bidang patah

patah akhir akhir tergantung tergantung pada pada jenis jenis material material (getas (getas atau atau ulet) ulet) dan dan ukuran ukuran tebaltebal material serta

material serta arah arah pembebanannpembebanann ya. ya. Pada material yPada material yang ulet dan ang ulet dan cukup tebal,cukup tebal, daerah patah akhir ditandai oleh : (Gb. 9)

daerah patah akhir ditandai oleh : (Gb. 9) a.

a. Patah tarikan (tensile fracture) dengan modus regangan bidang {plainPatah tarikan (tensile fracture) dengan modus regangan bidang {plain strain) sebagai kelanjutan retak lelah dan letaknya satu bidang dengan strain) sebagai kelanjutan retak lelah dan letaknya satu bidang dengan patah lelah.

patah lelah. b.

b. Patah geseran (shear fracture) dengan modus tegangan bidang (planePatah geseran (shear fracture) dengan modus tegangan bidang (plane stress) yang mernbentuk sudut 45

stress) yang mernbentuk sudut 4500 terhadap patah tarikan. terhadap patah tarikan.

Pada Gb. 9 tersebut dapat ditentukan lokasi awal retakan, yaitu pada permukaan Pada Gb. 9 tersebut dapat ditentukan lokasi awal retakan, yaitu pada permukaan dan ditunjukkan oleh alur-alur "chevron".

dan ditunjukkan oleh alur-alur "chevron".

Material ulet yang tipis menunjukkan ciri yang berbeda dengan patahan Material ulet yang tipis menunjukkan ciri yang berbeda dengan patahan pada pelat

pada pelat yang teba1. yang teba1. Gb. 10 Gb. 10 memperlihatkan pamemperlihatkan pa tah tah lelah pada lelah pada pelat pelat yang reyang re latiflatif tipis.

tipis. Daerah patah Daerah patah akhir membentuk sudut 450 akhir membentuk sudut 450 terhadap permukaan. terhadap permukaan. BidangBidang patah

patah akhir akhir ini ini dapat dapat berupa berupa bidang bidang geser geser tunggal tunggal (single (single shear shear plane) plane) ataupunataupun idang geser gan

idang geser ganda (double shear da (double shear plane). plane). Pengaruh besarnya tegangan Pengaruh besarnya tegangan nominalnominal dan pengaruh pemusatan tegangan serta garis pembebanan terhadap bentuk bidang dan pengaruh pemusatan tegangan serta garis pembebanan terhadap bentuk bidang patah lelah dikemukakan secara skemat

patah lelah dikemukakan secara skemat is pada Gb. 11 (2).is pada Gb. 11 (2).

6.

6. MekMekanianismsme Ae Awal Rwal Retaetakankan Secara m

Secara mikroskopis ikroskopis awal awal retakan dimretakan dimulai dengan ulai dengan terjadinya terjadinya deformasideformasi plastis setempat.

plastis setempat. Deformasi plaDeformasi pla stis setempat yang skalanya mikroskopis inistis setempat yang skalanya mikroskopis ini terjadi karena besarnya pemusatan

terjadi karena besarnya pemusatan ccacat pada material, antara acat pada material, antara lain:lain:

1.

1. Goresan pada permukaanGoresan pada permukaan 2.

2. Retakan pada permukaan ataupun didekat permukaanRetakan pada permukaan ataupun didekat permukaan 3.

3. InklusiInklusi

Tegangan yang terpusat tadi akan menyebahkan terjadi deformasi plastis Tegangan yang terpusat tadi akan menyebahkan terjadi deformasi plastis setem pat.

setem pat. Hal ini Hal ini terbukti dengan terbukti dengan teramatinya garis-garis slip teramatinya garis-garis slip pada permukaanpada permukaan spesimen yang diuji lelah. (4). Slip setempat ini akan menimbulkan pula cacat spesimen yang diuji lelah. (4). Slip setempat ini akan menimbulkan pula cacat permukaan yang

permukaan yang berupa ekstrberupa ekstr aksi dan aksi dan intrusi (Gintrusi (G b. 11)b. 11) . . Terbentuknya garis-garisTerbentuknya garis-garis slip ini biasanya berlangsung dalam beberapa ribu siklus tegangan yang pertama. slip ini biasanya berlangsung dalam beberapa ribu siklus tegangan yang pertama. Siklus pembebanan selanjutnya akan menyebabkan terjadinya lebih banyak lagi Siklus pembebanan selanjutnya akan menyebabkan terjadinya lebih banyak lagi garis - garis slip, khususnya disekitar daerah ekstrusi dan intrusi tadi. Dari daerah garis - garis slip, khususnya disekitar daerah ekstrusi dan intrusi tadi. Dari daerah inilah retakan akan berawal.

inilah retakan akan berawal. 7.

7. MekMekanianisme sme PenjPenjalaalaran ran RetRetakaakann A

Awal retakan mulawal retakan mula -mula akan menjalar pada bidang slip didalam beberap-mula akan menjalar pada bidang slip didalam beberap aa butir.

butir. Peristiwa ini disebut Peristiwa ini disebut tahap I penjalaran retakan. tahap I penjalaran retakan. Kecepatan perambatanKecepatan perambatan retakan pada

retakan pada tahap I tahap I ini sangat ini sangat lambat, yaitu dengan lambat, yaitu dengan order beberapa angstrom order beberapa angstrom perper siklus.

siklus. Pengamatan secara makro tidak Pengamatan secara makro tidak akan menampakkan penjalaran tahap I akan menampakkan penjalaran tahap I ini.ini. Selanjutnya penjalaran tahap II terjadi dengan ciri adanya striasi (striation) Selanjutnya penjalaran tahap II terjadi dengan ciri adanya striasi (striation) yang teramati melalui mikroskop elektron (Gb. 13). striasi adalah garis-garis halus yang teramati melalui mikroskop elektron (Gb. 13). striasi adalah garis-garis halus yang rnenyatakan majunya retakan untuk setiap siklus beban. Garis striasi tersebut yang rnenyatakan majunya retakan untuk setiap siklus beban. Garis striasi tersebut terjadi akibat pembukaan retakan yang disusul dengan penumpulan ujung retakan terjadi akibat pembukaan retakan yang disusul dengan penumpulan ujung retakan secara plastis, kemudian dilanjutkan dengan penutupan retakan akibat turunnya secara plastis, kemudian dilanjutkan dengan penutupan retakan akibat turunnya tegangan.

tegangan. Hal ini Hal ini secara skematis dikemukakan pada Gb. secara skematis dikemukakan pada Gb. 14 (4). Laju 14 (4). Laju perambataperambata nn pada tahap

(14)

Tahap II

Tahap II ini boleh ini boleh dikatakan rnendorninasi penjalaran retakan lelah. dikatakan rnendorninasi penjalaran retakan lelah. OlehOleh karena itu banyak penelitian telah difokuskan kepada rnasalah perambatan retak karena itu banyak penelitian telah difokuskan kepada rnasalah perambatan retak tahap II ini dengan tujuan agar berbagai hubungan rnengenai penjalaran retakan tahap II ini dengan tujuan agar berbagai hubungan rnengenai penjalaran retakan dapat disusun.

dapat disusun. Dari sini dapat Dari sini dapat dilakukan perkiraan umur lelah ydilakukan perkiraan umur lelah yang aman ang aman atauatau eban dinamik yang aman ataupun panjang retakan yang masih aman untuk suatu eban dinamik yang aman ataupun panjang retakan yang masih aman untuk suatu konstruksi.

konstruksi.

Perambatan retakan tersebut dapat juga dinyatakan sebagai regangan total Perambatan retakan tersebut dapat juga dinyatakan sebagai regangan total yang didekati dengan persamaan eksponensial yang berlaku di daerah elastis dan yang didekati dengan persamaan eksponensial yang berlaku di daerah elastis dan plastis : plastis : II m m c c II

C

dN

da

 



Satu cara yang sangat jelas menunjukkan laju perambatan retakan adalah dengan Satu cara yang sangat jelas menunjukkan laju perambatan retakan adalah dengan rnemplotnya terhadap faktor

rnemplotnya terhadap faktor intensiintensitas ttas t egangan. Faktor AK degangan. Faktor AK d idefinisikan sebagai:idefinisikan sebagai:

πa πa σ σ πa πa σ σ πa πa σ σ ΔK ΔK

K

ΔK ΔK r r min min ma ma xx min min ma ma xx          

Hubungan antara da/dN dengan 6K ditunjukkan secara skernatis pada Gb. 15 (4). Hubungan antara da/dN dengan 6K ditunjukkan secara skernatis pada Gb. 15 (4). Daerah I dib

Daerah I dibatasi oleh ? atasi oleh ? K K thth. Bi. Bila la ?? K < K < ?? K K thth, perambatan retak lelah tidak, perambatan retak lelah tidak

teramati.

teramati. Dengan Dengan kata lkata lain, bilain, bila ?a ? K < K < ?? K K thth , r , r naka retakan tidak akan rnenjalanaka retakan tidak akan rnenjalar.r.

Di daerah II hubungan antara Log. da/dN den

Di daerah II hubungan antara Log. da/dN dengan ?gan ? K dapat dikatakan liniK dapat dikatakan linier sepertier seperti yang dinyatakan sebagai Hukum Paris sbb :

yang dinyatakan sebagai Hukum Paris sbb :

P P

K)

A(

dN

da

    dimana

dimana : : p p = = kerniringan kerniringan kurva kurva (P (P 3 3 untuk untuk baja baja ; ; P P = = 33 4 untuk AI) 4 untuk AI) A = harga da/d

A = harga da/dN pada saat ?N pada saat ? K = 1K = 1

Di daerah III terjadi

Di daerah III terjadi percepatan pada laju perambatan retak. percepatan pada laju perambatan retak. Di sini hargaDi sini harga K

K maxmax mendekati harga fracture t mendekati harga fracture t oughness material Kc .oughness material Kc .

Pengaruh rasio tegangan R terhadap persamaan Paris adalah : Pengaruh rasio tegangan R terhadap persamaan Paris adalah :

Δ ΔK K

K

R)

(1

))

K

((

A

dN

da

c c P P         dimana : dimana : Kc = fracture to

Kc = fracture to ughnessughness R

R = = rasio rasio tegangan tegangan ==σσ_min_min/σ/σ_max_max_{= K}_{= K}_min_min_/K_/K_max_max 8.

8. PenPengagaruruh Pemh Pembebbebanananan

Parameter pembebanan yang berpengaruh terhadap kelelahan adalah Parameter pembebanan yang berpengaruh terhadap kelelahan adalah ::

1.

1. tetegagangan ngan rarata-rata-ratataσσmm

2.

2. tegangan variabel σtegangan variabel σaa

3.

3. ffrerekukuenenssii bebebabann 8. 1.

8. 1. Pengaruh tegaPengaruh tegangan rata-rata ;ngan rata-rata ; Tegangan rata-rata

Tegangan rata-rata σσ_m_m_{berpengaruh pula terhadap variabel}_{berpengaruh pula terhadap variabel} σσ_a_a_yang_yang diijinkan un

diijinkan untuk mencapai suatuk mencapai suatu umur lelah tu umur lelah tertentu. tertentu. BilaBila σσ_m_m_{= 0 (atau R = -1),}_{= 0 (atau R = -1),} maka

maka σσ_a_a_{yang diijinkan adalah batas kelelahannya}_{yang diijinkan adalah batas kelelahannya} σσ_f_f_{. Apabila}_{. Apabila} σσ_m_m_{makin besar,}_{makin besar,} maka

makaσσ_a_a_harus_{harus diturunka}_{diturunka n.}_{n. Bahkan bila}_{Bahkan bila} σσ_m_m₌₌σσ_u_u_{material, maka}_{material, maka}σσ_m_m_{= o.}_{= o.} Pengaruh tegangan rata-rata

Pengaruh tegangan rata-rataσσ_m_m_{seperti tersebut diatas dinyatakan dalam}_{seperti tersebut diatas dinyatakan dalam} Gb. 16 (2). Garis lurus yang menghubungkan

Gb. 16 (2). Garis lurus yang menghubungkanσσ_a_a₌₌ σσ_f_f_dengan_denganσσ_m_m ₌₌σσ_f_f_{adalah garis}_{adalah garis} Goodman yang dimodifikasi. Garis Goodman yang asli sekarang sudah tidak Goodman yang dimodifikasi. Garis Goodman yang asli sekarang sudah tidak dipakai lagi, yaitu dengan anggapan bahwa

dipakai lagi, yaitu dengan anggapan bahwaσσ_f_f₌_{= ?}_? σσ_u_u..Modifikasi garis GoodmanModifikasi garis Goodman yang penting adalah bahwa harga

(15)

Gerber mendapatkan hubungan

Gerber mendapatkan hubungan σσ_a_a _vs_vsσσ_m_m_{berupa lengkungan yang disebut}_{berupa lengkungan yang disebut}

parabola G

parabola Gerber. erber. Hubungan Hubungan antaraantara σσ_a_a_dengan_dengan σσ_m_m_{yang "lebih aman"}_{yang "lebih aman"} σσ_a_a_{adalah bila}_{adalah bila}

tegangan rata-rata

tegangan rata-rata σσ_m_m_{dibatasi sama dengan batas luluh material}_{dibatasi sama dengan batas luluh material} σσ_y_y..Hubungan iniHubungan ini dikemukakan oleh Soderbergh.

dikemukakan oleh Soderbergh.

Ketiga persamaan yang menghubungkan

Ketiga persamaan yang menghubungkan σ σ_a_a_dengan_denganσσ_m_m_{diatas adalah :}_{diatas adalah :}

Hukum Goodman yang dimodifikasi :

Hukum Goodman yang dimodifikasi :σσ_a_a₌₌σσ_f_f_(l_(l_–_–₍₍σσ_m_m / / σσ_u_u₎₎₎₎

Hukum gerber

Hukum gerber : σ: σ_a_a₌₌σσ_f_f_(l_(l_–_–₍₍σσ_m_m / / σσ_u_u₎₎22₎₎

Hukum

Hukum Soderbergh Soderbergh ::σσ_a_a₌₌σσ_f_f_(l_(l_–_–₍₍σσ_m_m / / σσ_y_y₎₎₎₎

8.2.

8.2. Pengaruh Pengaruh tegangan vtegangan variabelariabel

Amplitudo tegangan juga berpengaruh terhadap umur

Amplitudo tegangan juga berpengaruh terhadap umur kelelahan. Perkiraankelelahan. Perkiraan kelelahan pada pembebanan yang kompleks seringkali didasarkan pada hukum kelelahan pada pembebanan yang kompleks seringkali didasarkan pada hukum kerusakan linier Hipotesa ini dikenal dengan

kerusakan linier Hipotesa ini dikenal dengan hukum miner (Miners Law). Asurnsihukum miner (Miners Law). Asurnsi yang dipergunakannya adalah bahwa sejumlah siklus n

yang dipergunakannya adalah bahwa sejumlah siklus nii pada amplitudo tegangan pada amplitudo tegangan

σ

σ_ii_{yang menghasilkan umur lelah sampai Ni siklus, akan menyebabkan kerusakan}_{yang menghasilkan umur lelah sampai Ni siklus, akan menyebabkan kerusakan}

lelah yang diukur untuk setiap perbandingan siklus kurnulatif ni / Ni, dan patah lelah yang diukur untuk setiap perbandingan siklus kurnulatif ni / Ni, dan patah lelah

lelah akan terjakan terjadi biladi bila a ? ? (ni/Ni) (ni/Ni) = 1.= 1.

1 1 Nj Nj nj nj atau atau 1 1 N N n n ... ... N N n n N N n n K K ii j j K K K K 2 2 2 2 1 1 1 1 __ __ __ __

_

__  

Hukum Miner ini tidak selalu sesuai dengan kenyataan oleh karena itu kemudian Hukum Miner ini tidak selalu sesuai dengan kenyataan oleh karena itu kemudian muncul berbagai alternative yang lain. Yang lebih jelas adalah bahwa pengaruh muncul berbagai alternative yang lain. Yang lebih jelas adalah bahwa pengaruh amplituda

amplituda tegangan dapat ditegangan dapat diamati dengan amati dengan eksperimen. eksperimen. Hal iniHal ini dilakukan dengandilakukan dengan uji lelah yang memakai blok atau internal tegangan. Suatu spesimen dibebani uji lelah yang memakai blok atau internal tegangan. Suatu spesimen dibebani dengan suatu amplituda tegangan selama beberapa siklus. Kemudian harga dengan suatu amplituda tegangan selama beberapa siklus. Kemudian harga amplituda tegangan ini

amplituda tegangan ini diubah-ubah. diubah-ubah. Data Data percobaan percobaan iniini dapat dipakai pada teoridapat dipakai pada teori kerusakan linier yang telah diuraikan diatas.

kerusakan linier yang telah diuraikan diatas. 8.3.

8.3. Pengaruh Pengaruh frekuensi frekuensi pembebanan.pembebanan.

Frekuensi beban yang dipakai pada uji lelah biasanya berkisaran antara Frekuensi beban yang dipakai pada uji lelah biasanya berkisaran antara 500 sampai 10.000 siklus per menit. Pada interval

500 sampai 10.000 siklus per menit. Pada interval iniini pengaruh frekuensi terhadap pengaruh frekuensi terhadap batas

batas kelelahan kelelahan adalah adalah kecil kecil sekali sekali dan dan boleh boleh dikatakan dikatakan tidak tidak ada ada pengaruhnya.pengaruhnya. Sebagai contoh, baja yang diuji lelah pada frekuensi antara 200 sampai 5000 Sebagai contoh, baja yang diuji lelah pada frekuensi antara 200 sampai 5000 siklus per menit tidak menunjukkan pengaruh frekuensi terhadap batas kelelahan. siklus per menit tidak menunjukkan pengaruh frekuensi terhadap batas kelelahan. Akan tetapi bila frekuensi yang dipakai sangat tinggi, misalnya 100.000 siklus Akan tetapi bila frekuensi yang dipakai sangat tinggi, misalnya 100.000 siklus permenit,

permenit, maka maka kekuatan kekuatan lelahnya lelahnya akan akan meningkat. meningkat. Hal Hal ini ini dapat dapat dijelaskandijelaskan bahwa

bahwa pada pada frekuensi frekuensi tinggi tinggi deformasi deformasi plastis plastis yang yang terjadi terjadi tidak tidak sebesar sebesar apabilaapabila frekuensinya rendah. Pengaruh seperti ini dialami pula oleh logam non fero. frekuensinya rendah. Pengaruh seperti ini dialami pula oleh logam non fero.

9.

9. PenPengargaruh uh PaPararamemeteter Mar Mateterr ii Pa

Pada da babagigian an dedepapan n tetelalah h didiururaiaikakan n babahwhwa a awawalal reretatak k lelelalah h dadann penjabarann

penjabarann ya terjadi akibat defya terjadi akibat def oror masi plastis setempat yang skamasi plastis setempat yang ska lanyalanya mikroskopis

mikroskopis. . DenganDengan demikian demikian maka maka struktur struktur mikro mikro yang dayang dapat pat mempengmempengaruhiaruhi terjadiny

terjadinya a deformasdeformasi i pp lastis lastis akan akan berpengarberpengaruh uh terhadap terhadap kekuatan kekuatan lelah lelah ataupunataupun batas lelah

batas lelah nya. Parameter material yang nya. Parameter material yang berpengaruh adaberpengaruh ada lah. :lah. : 1.

1. ukukururan an bubutitirr 2.

2. kekekukuatatan an lologagamm 3.

3. pengpenguatauatan n dengadengan larut n larut padapadatt 4.

4. ffasasa a kekeduduaa 5.

5. penpenguaguatatan n reregagangangann 6.

6. ststruruktktur ur mimikrkroo 9.1.

9.1. Pengaruh Pengaruh ukuran bukuran butirutir

Hasi1 eksperimen {2) menunjukkan bahwa pada low cycle fatigue (high Hasi1 eksperimen {2) menunjukkan bahwa pada low cycle fatigue (high cycle strain), yaitu dengan siklus regangan yang besar, ukuran butir tidak cycle strain), yaitu dengan siklus regangan yang besar, ukuran butir tidak

erpengaruh

erpengaruh terhadap terhadap umur lelahumur lelah. . Dilain piDilain pihak, pada hak, pada high-cycle high-cycle fatigue fatigue (low(low cyclic strain), yaitu pada siklus regangan yang kecil, besar butir justru cyclic strain), yaitu pada siklus regangan yang kecil, besar butir justru

erpengaruh terha

erpengaruh terhadap umur ldap umur lelahnya. elahnya. Butir yang hButir yang halus akan menalus akan menaikkan umuraikkan umur lelahnya.