BAB I
PENYEBAB UTAMA KEGAGALAN Failures
?
Kerusakan ?? Kegagalan ??? Suatu komponen atau peralatan dikatakan failed, jika a) Sama sekali tidak dapat dioperasikan b) Dapat dioperasikan, tetapi tidak berfungsi dengan baik c) Ada kerusakan, sehingga tidak aman bila dioperasikan. Failure
= kerusakan ?? = kegagalan ???
Kegagalan dapat diartikan kerusakan yang tidak wajar : rusak sebelum waktunya. Failure = kegagalan Failure analysis = analisa kegagalan : analisa untuk menemukan penyebab kegagalan.
Penyebab utama kegagalan : 1. Kesalahan dalam design 2. Kesalahan dalam pemilihan pemiliha n material 3. Cacat material 4. Kesalahan dalam proses pengerjaan 5. Kesalahan dalam pemasangan / perakitan 6. Kesalahan operasi
Contoh kegagalan: I. Kesalahan dalam design: - Design kriteria kriteria yang meleset dari kondisi operasi yang sebenarnya : beban, lingkungan, suhu operasi, operas i, dst. - Adanya takikan (notches) 2. Kesalahan dalam pemilihan material: - Data material yang tidak mencukupi; misalnya hanya data uji tarik padahal bebannya bebannya dinamik/ fatigue, fatigue, dst. - Kriteria pemilihan material : kaitan antara beban/ tegangan dan suhu operasi dengan mekanisme kegagalan serta kriteria pemilihan material.
Tabel.1. Kriteria pemilihan material : Kaitan dengan mekanisme kegagalan, beban/ Tegangan Tegangan dan suhu operasi.
3. Cacat material material : - Cacat di permukaan dan di dalam material akan menurunkan kekuatannya. - Cacat pengecoran : inklusi, cold shuts, po rositas, rositas, rongga retak penyusutan, penyusutan, dst. - Cacat pengerolan / tempa: segregasi, laminasi, laps / seams: terjebaknya oksida di dekat permukaan, dst
4. Kesalahan dalam proses pengerjaan - Proses forming dapat menimbulkan tegangan sisa, retak mikro, dst - Machining & grinding juga menimbulkan tegangan sisa & pemusatan tegangan akibat kekasaran permukaan - Grinding yang berlebihan (sampai overheating) dapat menyebabkan retak rambut pada permukaan - Penandaan (marking) dapat menimbulkan pemusatan tegangan - Heat treatment dapat menyebabkan dekarburisasi (permukaan baja menjadi lunak)) distorsi dan bahkan retak akibat proses celup cepat (quenching).
BAB II LANGKAH UTAMA DALAM ANALISA KEGAGALAN Tujuan analisa kegagalan : menemukan / mengungkap penyebab utama kegagalan, sehingga tindakan perbaikan dapat dilakukan untuk mencegah terulangnya kegagalan. Kegiatan analisa kegagalan seringkali harus dilakukan oleh berbagai ahli dari erbagai disiplin ilmu. Tahapan / langkah utama dalam melakukan analisa kegagalan seringkali adalah dalam urutan berikut ini: (1) 1. Pengumpulan data lapangan dan pemilihan sample. . Pemeriksaan awal terhadap komponen yang gagal: Pemeriksaan visual dan penyusunan catatannya. . Nondestructive testing. . Pengujian mekanik. . Pemilihan" pencatatan (identification)" "pengawetan" dan / pembersihan sample.
6. Pemeriksaan makroskopis: permukaan patahan" retakan sekunder dan cacat cacat permukaan lainnya. 7. Pemeriksaan mikroskopis: micro-fractography. 8. Pemilihandan penyiapan sample metalografi. 9. Pemeri ksaan metalografi . 10. Penentuan mekanisme kegagalan. 11. Analisa kimia: material, permukaan, deposit, dst. 12. Analisa dengan mekanfka retakan (fracture mechanics) 13. Pengujian pada kondisi simulasi. 14. Penyusunan laporan: analisa terhadap seluruh fakta kesimpulan serta saran.
Pemula seringkali ingin ingin segera memotong dan membuat membuat sample: dari komponen rusak yang diterimanya. diterimanya. Hal ini adalah salah salah dan harus dihindarkan. Latar belakang terjadinya kegagalan harus dipelajari atau diteliti ataupun direnungkan dengan saksama.
1. Pengumpulan data dan pemilihan sample : - Data operasi termasuk data / gejala menjelang terjadinya kegagalan. - Data peralatan / komponen: gambar spesifikasi : Material dan proses pengerjaannya. - Data seringkali tidak lengkap atau sukar diperoleh analis harus mampu "merekonstruksi” kejadian atas dasar deduksi yang tepat. - Pengamatan harus dilakukan secara visual (dengan mata) dan dibantu dengan pemotretan. - Pemilihan sample yang tepat bila perlu mengambil sample komponen yang belum rusak untuk bahan perbandingan. - Pengamatan terhadap kondisi tidak normal. - Pengamatan terhadap "puing" peralatan yang gagal: Pencatatan & pemotretan.
- pemot retan. 2. Pemeriksaan awal terhadap komponen yang gagal : - Pemeriksaan visual: mata memiliki ketajaman pandang dan mampu menangkap perbedaan warna ataupun tekstur meskipun sedikit. - Hal tersebut di atas harus dibantu dengan pemotretan, khususnya untuk merekam kaitan satu komponen dengan komponen lainnya.
. Nondestr uctive Test ing : - Metoda NDT digunakan untuk mendeteksi retak permukaan dan di dalam komponen: dye penetrant, magnetic particle, ultrasonic, dst. 4. Pengu Penguji jian an meka mekani nik: k: - Uji keras keras san sanga gatt prakt praktis is unt untuk uk seca secara ra cepa cepatt me perole peroleh h angk angka a keker kekerasa asan n sample: v Kebenaran proses heat treatment ? v Perkiraan kekuatan tarik (tensile strength): v Adanya pengerasan / pelunakan ? - Uji tari tarik k & uji uji impac impactt (bila (bila per perlu lu)) 5. Pemilihan Pemilihan,, pengawetan pengawetan & pembersihan pembersihan sample: - Permu Permukaa kaan n pata patahan han harus harus "ses "seseg ega a r" mungk mungkin in;; tidak tidak rusak rusak terde terdefor forma masi si ataupun terkorosi. - Pembers Pembersiha ihan n hanya hanya bila perlu perlu sekali, sekali, misalny misalnya a akibat terke terkena na air laut laut yang korosif: cuci dengan air tawar, tawar, kemudian bilas d an keringkan. - Bila dila dilakuk kukan an pemotongan pemotongan samplej samplej sebelu sebelumny mnya a harus d icatat icatat / disketsa / dipotret agar loka si / posisi sample terekam dengan cermat.
6. Pemeri Pemeriksa ksaan an makrosk makroskopis opis:: - Permuka Permukaan an patahan patahan diperi diperiksa ksa seca secara. ra. Visu Visual. al. - Alat Alat bant bantu: u: kaca kaca pemb pembes esar ar.. - Pengkaji Pengkajian an permu permukaan kaan pataha patahan: n: ciri-ci ciri-ciri ri pataha patahan. n. - Kamera Kamera & lens lensa a makro: makro: teknik teknik pencaha pencahayaa yaa n yang yang tepat tepat ag ar nampak nampak ciriciriciri patahannya. - Mikroskop Mikroskop stereo stereo pada pada pembesaran pembesaran yang rendah rendah akan akan menonjol menonjolkan kan relief relief permuk aan pataha n. 7. Pemeri Pemeriksa ksaan an mikrosk mikroskopis opis:: - Replika Replika plastik plastik yang yang dilunakkan dilunakkan dengan dengan aseton aseton dapat memberikan memberikan gambar gambar permuk aan patah an pla stik replika d iperi ksa pa da mikro skop optik at aupun TEM (Transmission Electron Microscope). - Permu Permuka kaan an pataha patahan n lang langsu sung ng diama diamati ti pada pada SEM ( Scan Scanni ning ng E lect lectron ron Microscope). 8. Pemilihan Pemilihan dan penyiapan penyiapan sample sample metalografi metalografi:: - Pemoton Pemotongan gan sampl sample e tidak tidak boleh boleh merusa merusak k / men gubah gubah struktu strukturr mikrony mikronya. a. - Penentuan Penentuan lokasi sample sample metalografi metalografi:: dari dekat patahan dan dari yang jauh s ebag ai pe rband ingan.
9. Pemeri Pemeriks ksaan aan meta metalog lografi rafi:: - Metal Metalog ogra rafi fi ser ser ingka ngkali li dih dih arap arapka kan n dap dapat at meng mengun ungk gkap ap a dany danya a "kea "keane neh h” dalam struktur mikro. - Hal ini ini adalah karena sifat sifat mekanik mekanik sangat sangat dipengaruhi dipengaruhi oleh struktur struktur mikro mikro material. - Peny Penyim impa pang ngan an dari dari spes spesif ifik ikas asii mate materi rial al dan dan pros proses es p enge engerj rjaa aan n seri sering ng diketemukan lewat teknik metalografi. 10. Penentuan mekanisme mekanisme kegagalan: kegagalan: - Taha Tahap p ini ini me merl merluk ukan an pem pem aham ahaman an yang yang mend mendal alam am men men pata han / k egag alan. - Klas Klasif ifik ikas asii pata pataha han: n: 1. Patah Patah ulet ulet (duct (ductile ile fractu fracture). re). 2. Patah Patah getas getas (brittl (brittle e fractu fracture): re): Pata Patah h get getas as tran transg sgan anul ular ar Patah Patah getas getas inte interg rgra ranul nular ar.. 3. Patah Patah lelah lelah (fatig (fatigue ue fractu fracture). re). 4. Retak Retak korosi korosi teganga tegangan n (stress (stress corrosi corrosion on cracking cracking). ). 5. Pengget Penggetasan asan (embrit (embrittle tleken kent). t). 6. Mulur Mulur (creep (creep)) & stre stressss-rupt rupture. ure. 7. Retak Retak dengan dengan modus modus gabun gabungan. gan.
gena genaii ciri ciri -cir -cirii
11. 11. Anali Analisa sa kimia kimia:: - Analisa Analisa kompo komposis sisii kimia kimia dapat dapat menunjang menunjang kegia kegiatan tan - Anal Analis isa a kega kegaga gala lan. n. - Analisa kimia dipakai untuk memeriks memeriksa a kesesuaian kesesuaian spesifikasi spesifikasi material. material. - Pemeriks Pemeriksaan aan komposis komposisii kimia kimia materia material: l: Analisa kimia basah Spectrosc Spectroscopy opy / Spectroph Spectrophotom otometry etry X-ray fluorescence spectroscopy - Anali Analisa sa kimi kimia a terh terhada adap p lapi lapisa san n perm permuka ukaan an / depos deposit it : EDS (Energy (Energy Dispersiv Dispersive e Spectroscopy Spectroscopy)) pada SEM. EPMA (Electr (Electron on Probe Probe Micro Micro Analy Analyser ser). ). Auger electron spectroscopy. 12. Analisa dengan dengan mekanika mekanika retakan (fracture (fracture mechanics): mechanics): - Mekani Mekanika ka retak retakan an dapat dapat ditera diterapka pkan n pada pada perh perhit itun ungan gan komponen yang cacat.
k ekuat ekuatan an dan dan umur umur
13. Pengujia Pengujian n pada kondisi simula simulasi: si: - Penguj Pengujian ian ini ini suli sulitt dan maha mahal. l. - Bila Bila dilakuk dilakukan an dengan dengan ba ik dapat dapat mengh menghasil asilkan kan saran saran tindakan tindakan perbai perbaikan kan yang tepat.
14. Penyusunan Penyusunan laporan: laporan: analisa analisa fakta, kesimpulan kesimpulan & saran : - Lapora Laporan n haru haruss ring ringka kas, s, jelas, jelas, lengk lengkap ap dan dan logis logis.. - Lapora Laporan n harus harus memu memuat at:: Perincian komponen yang gagal. Kondisi operasi menjelang/pada saat gagal. Kondisi operasi. Proses pengerjaan/pembuatan komponen. Penelitian kegagalan secara mekanis dan metalurgis. Evaluasi metalurgis. Mekanisme penyebab kegagalan. Saran tindak lanjut.
BAB III IDENTIFIKASI JENIS KEGAGALAN Retakan biasanya dikelompokkan atas ciri-ciri makroskopis yaitu : 1. Patah ulet (ductile fracture) 2. Patah getas (brittle fracture) ; - Patah getas transgranular - Patah getas intergranular 3. Patah lelah (fatigue fracture) 4. Retak korosi tegangan (stress corrosion cracking) 5. Penggetasan (embrittlement) 6. Mulur (creep) & stress rupture 7. Retak dengan modus gabungan.
Pemeriksaan secara makroskopis seringkali telah mampu menentukan jenis retakan.
1. Patah ulet (ductile fracture): Patah ulet ini terjadi dengan disertai oleh adanya deformasi plastis di sekitar patahan. Permukaan patahan nampak berserabut (fibrous), sehingga kelihatan berwarna kelabu. Permukaan patah spesimen tarik yang u let ditunjukkan pada ga mbar. 1.
Gb.l. permukaan patah spesimen tarik silindris yang ulet. (2).
2. Patah Patah getas getas (brittle (brittle fracture fracture): ): Patah getas menjalar dengan kecepatan yang jauh lebih tinggi daripada patah ulet. P atah getas hampir tidak disertai de ngan defo rmasi plasti s. permukaan patah getas kelihatan mengkilap, granular d an relatif r ata. P ol ola ch ch ev ev ro ro n se ri ringk al al i n am amp ak ak p ad ad a p at ata h g et et as as ; uj un ung- uj uj un un g c he he vr vr on on “menunjuk" menunjuk" ke arah awal retakan. retakan. (gb .2)
Gb.2. Permukaan Permukaan patah getas (3).
Patah getas dapat mengikuti batas butir atau pun memotong butir. Bila idang patahannya mengikuti batas butir, maka disebut patah getas intergranular. Bila patahannya memotong butir, maka dinamai patah getas transgranular. Patah getas transgranular transgranular dapat terjadi terjadi pada baja karbon rendah (pada suhu operasi yang sangat rendah), serta pada logam-logam BCC lainnya : W, Mo dan CR, dan juga logam-logam HCP : Mg, BE, TI. Patah getas intergranular seringkali dikaitkan dengan adanya fasa yang getas dibatas butir, misalnya fasa sigma pada paduan besi khrom, penggetasan temper, dst. 3. Patahan Patahan Lelah Lelah (Fatig (Fatigue ue Fractu Fracture) re) : Beban yang berubah-ubah atau berulang-ulang dapat me ngakibatkan patah lela lelah h mes meski kipu pun n harg harga a tega tegang ngan an nom nomii naln nalnya ya mas masih ih dib dibaw awa a h kek kekua uata tan n lulu luluh h material.
Patah lelah berawal dari lokasi yang mengalami pemusatan tegangan (stress concentration), misalnya akibat adanya cacat takikan. Tegangan setempat akan tinggi bahkan tinggi bahkan melampa melampaui ui Batas luluh luluh material material.. Akibatnya Akibatnya di tempat tempat itu akan akan terjadi deformasi plastis dalam skala mikroskopis. Tegangan yang berfluktuasi akan menyebabkan terjadinya slip antara bidang-bidang atomnya; terjadilah "tonjolan" (extrusion) atau pun "lekukan (intrusion) juga dalam skala mikroskopis. ”
Dari lokasi tersebut akan berawal retak lelah (crack initiation) yang selanjutnya merambat. Perambatan retakan (crack propagation) terjadi sejalan dengan pembebanan yang berfluktuasi. Bila retak lelah ini telah "jauh" merambat sehingga luas penampang yang "tersisa" tidak lagi mampu mendukung beban, maka komponen akan patah. Peristiwa patah tahap akhir ini disebut patah akhir (final fracture). Modus patahan pada tahap tersebut tersebut adalah patah static, yaitu karena tegangan yang bekerja pada penampang yang tersisa sudah melampaui kekuatan tarik material. material. Permukaan patah lelah ditunjukkan pada gb.3.
Gb.3 Permukaan patah lelah. (1).
Front penjalaran retak lelah seringkali nampak sebagai garis-garis pantai (beach marks). Garis pantai ini kelihatan bila ada variasi amplitudo tegangan : Amplitudo tegangan yang besar (yang berarti juga stress intensity range yang esar) akan mempertinggi laju perambatan retakan sehingga permukaannya relatif akan kasar. Secara mikroskopis penjalaran retakan tersebut terjadi. Pada setiap siklus pembebanan. Majunya front retakan untuk tiap siklus pembebanan dapat diamati pada TEM (dengan teknik replika) dan SEM. Garis-garis halus front perambatan retakan ini disebut Striation (gb. 4).
Gb. 4. Striation Akibat Siklus Pembebanan yang berubah. (2)
4. Retak korosi tegangan tegangan (Stress Corrosion Cracking) Cracking) : Peristiwa retak korosi tegangan adalah gabungan antara tegangan tarik dengan pengaruh lingkungan. Kebanayakan retakannya mengikuti batas butir sehingga berupa retakan intergranular. Hal ini s eringkali terjadi pada paduan Al – Zn - Mg (AA 7xxx); paduan Al ini tinggi kekuatannya namun peka terhadap korosi tegangan khususnya pada arah short - t ransverse. Korosi tegangan dapat juga terjadi pada austenitic stainless steel pada lingkungan yang mengandung ion Cl meskipun sedikit. Baja konstruksi pun juga dapat mengalami retak korosi tegangan bila ekerja pada lingkungan yang mengandung nitrat pekat yang panas atau larutan NaoH. Baja berkekuatan t inggi juga peka terhadap korosi tegangan. Demikian uga kuningan pada lingkungan yang tercemar dengan amoniak. 5. Penggetasan (embrittlement): (embrittlement): Baja kekuatan tinggi adalah peka terhadap penggetasan hidrogen. Atomatom hidrogen yang tadinya larut interstisi dapat bertemu dan berkumpul membentuk molekul gas hidrogen akibat tidak tersedianya ruang yang cukup gas tersebut akan bertekanan tinggi sekali dan mendesak baja hingga patah getas. Masuknya hidrogen ke dalam baja ini dapat terjadi pada proses pengerjaan misalnya pengelasan dan electroplating, atau pun pada operasi di lingkungan yang anyak hidrogennya.
6. Mulur (creep) & stress-rupture: Peristiwa mulur ini terjadi bila komponen bekerja pada suhu tinggi, yaitu di atas 0,4 atau 0,5 titik cairnya dalam suhu kelvin. Mulur ini adalah deformasi yang berjalan dengan waktu. Oleh karena itu mulur ditandai dengan adanya deformasi plastis yang cukup besar. Stress-rupture selain disertai oleh deformasi plastis juga ditandai oleh adanya retak intergranular yang banyak ditemui di sekitar patahan. 7. Retak dengan modus gabungan: Patahan dapat juga juga terjadi oleh gabungan dari dua modus. modus. Sebagai satu contoh adalah peristiwa patah lelah yang berawal dari lokasi yang terkorosi. Tempat yang terserang korosi akan mengalami pemusatan tegangan; Retak lelah akan berawal dari situ dan kemudian menjalar. Peristiwa ini tidak dapat dinamai korosi lelah. Proses korosi mengawali terjadinya retakan, sedangkan penjalaran retakannya adalah semata-mata karena beban siklis saja.
BAB IV ASPEK METALURGI PADA KELELAHAN LOGAM 1. Pendahuluan Patah yang terjadi pada komponen konstruksi akibat pembebanan yang berulang-ulang disebut patah lelah atau fatigue. Pembebanan yang berulang ini disebut pula beban dinamis. Beban tersebut dapat berupa tegangan ataupun regangan. Kesadaran mengenai fenomena kelelahan material telah mulai timbul pada pertengahan abad 19, yaitu de ngan seringnya terjadinya patahan pada komponen kereta api dimasa itu. Berbagai laboratoriurn mulai mempelajari dan meneliti fenomena, kelelahan logam sejak tahun 1860. Pelopor dalam penelitian ini adalah Wohler (Jerman) (Gb. 1) dan Fairbairn (Inggris). Pengamatan yang lebih mendetail terhadap proses terjadinya kelelahan telah dilakukan sejak awal abad 20 ini, tepatnya pada tahun 1903 oleh Ewing dan Humphrey. Penelitian tersebut mulai membuka jalan yang mengarah pada lahirnya teori mekanisme patah lelah. Teori-teori tersebut muncul melalui serangkaian pengamatan mikroskopis; tentu saja dimulai dengan bantuan mikroskop optis dan selanjutnya dikembangkan pula melalui pengamatan pada mikroskop elektron, baik dengan SEM maupun TEM.
Hingga saat ini mekanisme patah lelah yang diterima secara luas adalah terdiri dari tiga tahap, yaitu tahap awal terjadinya retakan (crack initiation) dan tahap penjalaran retakan (crack propagation). Setelah retak lelah lelah menjalar cukup auh, maka beban yang bekerja hanya akan didukung oleh penampang "tersisa" yang belum retak dan akhirnya komponen akan segera patah.
Tahap akhir akhir ini disebut bagian patah statis. Kedua mekanisme mekanisme retak lelah ini akan dibahas secara terinci. Pembicaraan selanjutnya akan difokuskan pada pengaruh pengaruh beban beban atau tegangan tegangan terhadap terhadap umur umur lelah. Demikian Demikian pula akan akan dibahas dibahas pengaruh pengaruh variab variabel el materia materiall serta serta pengaruh pengaruh proses proses pengerja pengerjaan an dan lingkungan lingkungan.. Retak fatigue yang menjalar pada akhirnya akan membuat runtuhnya komponen. Bila retak lelah ini terdeteksi, maka tindakan pengamanan dapat segera dilakukan, misalnya dengan menggantikannya dengan komponen yang aru. Oleh karena itu selanjutnya akan diuraikan pula berbagai metoda NDI (non destructive inspection) yang sering dipakai untuk mendeteksi retak lelah.
2. Perkira Perkiraa an umur umur lelah lelah (fatig (fatigue ue life) life) Memperkirakan umur lelah suatu komponen adalah s uatu hal yang sangat sulit. sulit. Kesukaran Kesukaran ini ole h banyakny banyaknya a fakto fakto r yang mempenga mempengaruhi ruhi umur faktorfaktorfaktor tersebut adalah : 1. Beban : a. Jenis beban : uniaksial, lentur, puntir b. Frekuensi siklus beban c. Pola beban : periodik, random d. Besar tegangan 2. Kondisi material 3. Proses pengerjaan 4. Bentuk dan ukuran komponen 5. Temperatur operasi 6. Kondisi lingkungan
Perubahan kecil pada faktor tersebut diatas akan menyebabkan perubahan pada umur lelahnya. Oleh karena itu seringkali perlu dilakukan uji lelah pada suatu struktur yang lengkap ataupun pada suatu komponen dengan kondisi beban dan lingkungan yang mirip dengan situasi yang sebenarnya.
Meskipun demikian, uji lelah terhadap spesimen kecil (coupon test) tetap ermanfaat, karena datanya dapat digunakan untuk : a) Sumber kriteria patah lelah ) Mengisolasi berbagai variabel material c) Membandingkan karakteristik material d) Membandingkan besarnya pengaruh proses pengerjaan, kehalusan permukaan, proses perlakuan panas, metoda penyambungan, dst terhadap fatigue.
Umur lelah biasanya dinyatakan sebagai jumlah siklus tegangan yang dicapai sampai sampai spesimen atau atau komponen patah. patah. Dengan demikian demikian umur total tersebut telah mencakup mencakup pula tahap awal retakan dan penjalaran retakan yang bila telah cukup jauh penjalarannya akan menyebabkan patah menjadi dua. Data kelelahan lain yang penting adalah laju penjalaran retakan (crack-growth rate). Laju penjalaran retakan inilah yang datanya dapat dipakai untuk memperkirakan umur lelah. 3. Jenis Jenis Tegan eganga gan n Uji Le lah lah Uji lelah yang “sederhana" dilakukan dengan memberikan pembebanan atau tegangan tegangan yang rela tif sederhana, yaitu beban uniaksial atau lenturan. Dengan beban tersebut akan diperoleh tegangan tarik dan tegangan tekan yang berfluktuasi.
Notasi tegangan yang biasa dipakai ditunjukkan pada Gb. 2 (2). Dari kondisi beban yang berulang tersebut dapat dikenai berbagai parameter tegangan Yaitu : Ratio tegangan (stress ratio) : R
min
ma x
dimana :
σmin
= tegangan yang paling rendah
σmax =
tegangan yang paling tinggi
Ratio amplitudo (amplitude ratio) : A
a
m
dimana :
σa
σa
= tegangan variabel = = tegangan rata-rata =
σ max σ min
2 σ max σ min
2
Uji lelah lentur putar (Gb. 3) yang dikembangkan oleh R.R. Moore memberi fluktuasi tegangan dengan R = -1. Data umur lelah lelah material dipresentasikan dipresentasikan dalam bentuk bentuk diagram Wohler Wohler atau kurva kurva S-N (Gb.4). Dalam Gb. 4 terlihat terlihat adanya dua macam bentuk kurva S-N. Baja memiliki batas kelelahan (fatigue limit) atau batas ketahanan (endurance limit) yang jelas, sedangkan paduan aluminium tidak mempunyai batas batas kelelahan yang jelas. jelas. Batas kelelahan (σf ) adalah batas tegangan yang akan memberikan umur lelah yang tidak berhingga. Untuk baja, harga batas kelelahan ini diambil setelah jumlah siklus tegangan mencapai 106 atau 107. Pada daerah diatas jumlah siklus ini kurva S-N untuk material baja akan mendatar. Bagian kurva S-N yang “miring” rnenunjukkan kekuatan lelah (fatigue strength) di daerah ini umur lelah akan terbatas. Berbagai literatur menyebutkan secara "salah kaprah" bahwa batas kelelahan logam non fero adalah sarna dengan kekuatan lelahnya pada 10 8 atau 5 x 108 siklus. Titanium menunjukkan karakteristik kelelahan yang mirip dengan baja (Gb. 5). Pada titanium terlihat pula pula adanya batas kelelahan kelelahan yang jelas.
4. pengaru h Pemusat an Tega ngan Adanya bagian komponen yang tidak kontinu, misalnya akibat adanya takikan atau lubang ataupun goresan yang dalam, akan menyebabkan pemusatan tegangan. Besarnya tegangan lokal yang bekerja disekitar takikan tersebut dinyatakan dengan perkalian antara tegangan yang dihitung seandainya tidak ada takikan dengan faktor pemusatan tegangan (stress concentration factor) K t. Harga Kt ini dapat diperoleh dari perhitungan ataupun dengan eksperimen. Pengaruh adanya takikan terhadap karakteristik kelelahan dinyatakan dengan faktor takikan terhadap kelelahan (fatigue notch factor). K f :
K f
kekuatan lelah pada spes imen t anpa takikan kekuatan lelah pada spesimen dengan tak ikan
Harga kekuatan lelah pada kedua jenis spesirnen tersebut diatas diambil pada jurnlah siklus yang sarna. Cara lain untuk rnenyatakan pengaruh takikan adalah dengan sensitivitas takikan terhadap kelelahan (fatigue notch sensitivity) q:
q
K f 1 K t 1
Harga q dapat berkisar dari 0 (bila K f = 1) sarnpai 1 (bila K f = K t) seperti yang terlihat pada Gb. 6 (4).
Pada tingkat tegangan yang rendah serta jurnlah siklus yang tinggi, banyak logam yang rnenunjukkan kepekaannya terhadap terhadap takikan. Di lain pihak, pada tegangan yang tinggi dan jumlah siklus yang rendah, justru logarn yang ulet tidak peka sekali terhad ap tak ikan. Tega ngan lokal yang tingg i akan rnen yebabk an terjadinya deforrnasi plastis setempat, sehingga tegangan yang bekerja rnenjadi lebih rendah daripada kalau hanya di daerah elastis (seperti halnya pada perhitu ngan harg a K t). 5. Ciri Ciri pata patah h lel lelah ah Permukaan patah lelah mempunyai mempunyai ciri-ciri khusus yang pada dasarnya dapat dibagi dibagi menjadi menjadi dua daerah, daerah, yaitu yaitu daerah retak l elah dan daerah daerah patah . Daerah retak lelah lelah melipu meliputi ti awal awal retakan retakan ( crack initia initia tion) tion) dan dan penjalaran penjalaran retak (crack propagation). propagation). Pada saat saat penjalaran penjalaran retak retak telah berjalan demikian jauh maka maka tegangan yang be kerja pada penampang yang “tersisa” akan m encapai kekuatah kekuatah tarik material material,, sehingg sehingga a ko mponen mponen akan patah patah me me njadi dua. Tahapan ahapan inila inila h yang disebut patah statik.
Pemeriksaan patah lelah dimulai dengan cara visual ataupun dengan antuan kaca pembesar. Banyak kasus patah lelah dapat segera dikenali dikenali dengan adanya ciri- ciri tersebut diatas. Daerah retak lelah dapat di identifikasi bila ada tanda-tanda penjalaran retakan seperti halnya garis pantai (beach marks). Garis pantai merupakan front penjalaran retakan. Dengan demikian garis-garis pantai ini berkembang ini berkembang dari sumber retakan.
Garis pantai dapat terjadi akibat perbedaan lamanya proses oksidasi pada permukaan retakan. Garis pantai juga dapat terjadi akibat perubahan pada kondis i pembebanan : frekuensi beban dan besarnya beban atau pun operasi peralatan yang kadang-kadang terhenti. Suatu contoh garis pantai ditunjukkan pada Gb. 7 (3). Patah lelah tersebut terjadi pada pada roda gigi cacing yang terbuat terbuat dari baja paduan. Ciri perambatan 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 tidak muncul. Hal ini disebabkan oleh tidak adanya kondisi pembebanan pembebanan ataupun kondisi operasi yang yang menyebabkan menyebabkan narnpaknya garis pantai. Beban dengan dengan tegangan variabel yang konstan atau pun frekuensi yang tetap tidak akan menampakkan garis pantai pada permukaan patahannya (Gb. 8).
Daerah patah statik atau daerah patah akhir (final-fracture zone) biasanya memiliki ciri-ciri bidang patahan yang mirip patahan pada uji impact ataupun pada uji fracture-toughness fracture-toughness pada material material yang sama. Bidang patahannya patahannya nampak lebih kasar atau "berserabut" "berserabut" (fibrous).
Luas daerah patah akhir ditentukan oleh besarnya besarnya beban. Bentuk bidang patah akhir tergantung pada jenis material (getas atau ulet) dan ukuran tebal material serta arah pembebanann ya. Pada material yang yang ulet dan cukup tebal, daerah patah akhir ditandai oleh : (Gb. 9) a.
Patah tarikan (tensile fracture) dengan modus regangan bidang {plain strain) sebagai kelanjutan retak lelah dan letaknya satu bidang dengan patah lelah. b. Patah geseran (shear fracture) dengan modus tegangan bidang (plane stress) yang mernbentuk sudut 45 0 terhadap patah tarikan. Pada Gb. 9 tersebut dapat ditentukan lokasi awal retakan, yaitu pada permukaan dan ditunjukkan oleh alur-alur "chevron".
Material ulet yang tipis menunjukkan ciri yang berbeda dengan patahan pada pelat yang teba1. Gb. 10 memperlihatkan pa tah lelah pada pelat yang re latif ti- pis. Daerah patah akhir membentuk sudut 450 terhadap permukaan. Bidang patah akhir ini dapat berupa bidang geser tunggal (single shear plane) ataupun idang geser ganda ganda (double shear plane). Pengaruh besarnya tegangan nominal dan pengaruh pemusatan tegangan serta garis pembebanan terhadap bentuk bidang patah lelah dikemukakan secara skemat is pada Gb. 11 (2).
6. Mekani Mekanism sme e Awal Awal Reta Retakan kan Secara mikroskopis mikroskopis awal retakan dimulai dimulai dengan terjadinya deformasi plastis setempat. Deformasi pla stis setempat yang skalanya mikroskopis ini terjadi karena besarnya pemusatan cacat pada material, antara lain: 1. Goresan pada permukaan 2. Retakan pada permukaan ataupun didekat permukaan 3. Inklusi
Tegangan yang terpusat tadi akan menyebahkan terjadi deformasi plastis setem pat. Hal ini terbukti dengan teramatinya garis-garis slip pada permukaan spesimen yang diuji lelah. (4). Slip setempat ini akan menimbulkan pula cacat permukaan yang berupa ekstr aksi dan intrusi (G b. 11) . Terbentuknya garis-garis slip ini biasanya berlangsung dalam beberapa ribu siklus tegangan yang pertama. Siklus pembebanan selanjutnya akan menyebabkan terjadinya lebih banyak lagi garis - garis slip, khususnya disekitar daerah ekstrusi dan intrusi tadi. Dari daerah inilah retakan akan berawal. 7. Mekani Mekanisme sme Penjala Penjalaran ran Retaka Retakan n Awal retakan mula -mula akan menjalar pada bidang slip didalam beberap a butir. Peristiwa ini disebut tahap I penjalaran retakan. Kecepatan perambatan retakan pada tahap I ini sangat lambat, yaitu dengan order beberapa angstrom per siklus. Pengamatan secara makro tidak akan menampakkan penjalaran tahap I ini.
Selanjutnya penjalaran tahap II terjadi dengan ciri adanya striasi (striation) yang teramati melalui mikroskop elektron (Gb. 13). striasi adalah garis-garis halus yang rnenyatakan majunya retakan untuk setiap siklus beban. Garis striasi tersebut terjadi akibat pembukaan retakan yang disusul dengan penumpulan ujung retakan secara plastis, kemudian dilanjutkan dengan penutupan retakan akibat turunnya tegangan. Hal ini secara skematis dikemukakan pada Gb. 14 (4). Laju perambata n pada tahap II berkisar beber apa mikro meter per siklus.
Tahap II ini boleh dikatakan rnendorninasi penjalaran retakan lelah. Oleh karena itu banyak penelitian telah difokuskan kepada rnasalah perambatan retak tahap II ini dengan tujuan agar berbagai hubungan rnengenai penjalaran retakan dapat disusun. Dari sini dapat dilakukan perkiraan umur lelah yang yang aman atau eban dinamik yang aman ataupun panjang retakan yang masih aman untuk suatu konstruksi. Perambatan retakan tersebut dapat juga dinyatakan sebagai regangan total yang didekati dengan persamaan eksponensial yang berlaku di daerah elastis dan plastis :
da dN
CI c
mI
Satu cara yang sangat jelas menunjukkan laju perambatan retakan adalah dengan rnemplotnya terhadap faktor intensitas intensitas t egangan. Faktor AK d idefinisikan sebagai: ΔK
K ma x K min
ΔK σ ma x
πa σ min
πa σ r
πa
Hubungan antara da/dN dengan 6K ditunjukkan secara skernatis pada Gb. 15 (4). Daerah I dibatasi dibatasi oleh ? K th Bila ? K < ? K th th. Bila th, perambatan retak lelah tidak teramati. Dengan kata lain, lain, bila bila ? K < ? K th , r naka retakan tidak akan rnenjalar. rnenjalar. Di daerah II hubungan antara Log. da/dN dengan dengan ? K dapat dikatakan linier linier seperti yang dinyatakan sebagai Hukum Paris sbb :
da dN dimana :
A( K) P
p = kerniringan kurva (P 3 untuk baja ; P = 3 4 untuk AI) A = harga da/dN da/dN pada saat ? K = 1
Di daerah III terjadi percepatan pada laju perambatan retak. Di sini harga K max max mendekati harga fracture t oughness material Kc . Pengaruh rasio tegangan R terhadap persamaan Paris adalah :
da dN
A ( K ) P (1 R) K c ΔK
dimana : Kc = fracture to ughness R = rasio tegangan = σmin/σmax = K min min/K max max
8. Penga Pengaru ruh h Pembeb Pembeban anan an Parameter pembebanan yang berpengaruh terhadap kelelahan adalah : 1. tega tegangan ngan rata-ra rata-rata ta σm 2. tegangan variabel σ a 3. freku rekuen enssi beba beban n 8. 1. Pengaruh tegangan tegangan rata-rata ; Tegangan rata-rata σm berpengaruh pula terhadap variabel σa yang diijinkan untuk untuk mencapai suatu suatu umur lelah tertentu. Bila σm = 0 (atau R = -1), maka σa yang diijinkan adalah batas kelelahannya σf . Apabila σm makin besar, maka σa harus diturunka n. Bahkan bila σm = σu material, maka σm = o.
Pengaruh tegangan rata-rata σm seperti tersebut diatas dinyatakan dalam Gb. 16 (2). Garis lurus yang menghubungkan σa = σf dengan dengan σm = σf adalah garis Goodman yang dimodifikasi. Garis Goodman yang asli sekarang sudah tidak dipakai lagi, yaitu dengan anggapan bahwa σf = = ? σu. Modifikasi garis Goodman yang penting adalah bahwa harga σz ditentukan dengan eksperimen.
Gerber mendapatkan hubungan σa vs σm berupa lengkungan yang disebut parabola Gerber. Gerber. Hubungan antara σa dengan σm yang "lebih aman" σa adalah bila tegangan rata-rata σm dibatasi sama dengan batas luluh material σy. Hubungan ini dikemukakan oleh Soderbergh.
Ketiga persamaan yang menghubungkan σa dengan σm diatas adalah : Hukum Goodman yang dimodifikasi : σa = σf (l – ( (σm / σu)) Hukum gerber : σa = σf (l (l – ( (σm / σu)2) Hukum Soderbergh : σa = σf (l (l – ( (σm / σy)) 8.2. Pengaruh tegangan variabel variabel Amplitudo tegangan juga berpengaruh terhadap umur kelelahan. Perkiraan kelelahan pada pembebanan yang kompleks seringkali didasarkan pada hukum kerusakan linier Hipotesa ini dikenal dengan hukum miner (Miners Law). Asurnsi yang dipergunakannya adalah bahwa sejumlah siklus n i pada amplitudo tegangan σi yang menghasilkan umur lelah sampai Ni siklus, akan menyebabkan kerusakan lelah yang diukur untuk setiap perbandingan siklus kurnulatif ni / Ni, dan patah lelah akan terjadi terjadi bila bila ? (ni/Ni) = 1. n1 N1
n2 N 2
.......
n K N K
K
1 atau j i
nj Nj
1
Hukum Miner ini tidak selalu sesuai dengan kenyataan oleh karena itu kemudian muncul berbagai alternative yang lain. Yang lebih jelas adalah bahwa pengaruh amplituda tegangan dapat diamati diamati dengan eksperimen. Hal ini dilakukan dengan uji lelah yang memakai blok atau internal tegangan. Suatu spesimen dibebani dengan suatu amplituda tegangan selama beberapa siklus. Kemudian harga amplituda tegangan ini diubah-ubah. Data percobaan ini dapat dipakai pada teori kerusakan linier yang telah diuraikan diatas. 8.3. Pengaruh frekuensi pembebanan. Frekuensi beban yang dipakai pada uji lelah biasanya berkisaran antara 500 sampai 10.000 siklus per menit. Pada interval ini pengaruh frekuensi terhadap batas kelelahan adalah kecil sekali dan boleh dikatakan tidak ada pengaruhnya. Sebagai contoh, baja yang diuji lelah pada frekuensi antara 200 sampai 5000 siklus per menit tidak menunjukkan pengaruh frekuensi terhadap batas kelelahan. Akan tetapi bila frekuensi yang dipakai sangat tinggi, misalnya 100.000 siklus permenit, maka kekuatan lelahnya akan meningkat. Hal ini dapat dijelaskan bahwa pada frekuensi tinggi deformasi plastis yang terjadi tidak sebesar apabila frekuensinya rendah. Pengaruh seperti ini dialami pula oleh logam non fero.
9. Pengar Pengaruh uh Para Parame mete terr Mate Materr i Pada Pada bagi bagian an depa depan n tela telah h diur diurai aika kan n bahw bahwa a awal awal reta retak k lela lelah h dan dan penjabarann ya terjadi akibat def or masi plastis setempat yang ska lanya mikroskopis. mikroskopis. Dengan demikian maka struktur mikro yang dapat dapat mempengaruhi mempengaruhi terjadinya terjadinya deformasi deformasi p lastis akan berpengaruh berpengaruh terhadap kekuatan lelah ataupun batas lelah nya. Parameter material yang berpengaruh ada lah. : 1. ukur ukuran an buti butirr 2. keku kekuat atan an loga logam m 3. penguata penguatan n dengan dengan larut padat padat 4. fasa asa kedu kedua a 5. pengua penguata tan n rega reganga ngan n 6. stru strukt ktur ur mikr mikro o
9.1. Pengaruh ukuran butir butir Hasi1 eksperimen {2) menunjukkan bahwa pada low cycle fatigue (high cycle strain), yaitu dengan siklus regangan yang besar, ukuran butir tidak erpengaruh terhadap umur lelah. lelah. Dilain pihak, pihak, pada high-cycle fatigue (low cyclic strain), yaitu pada siklus regangan yang kecil, besar butir justru erpengaruh terhadap terhadap umur lelahnya. lelahnya. Butir yang halus halus akan menaikkan menaikkan umur lelahnya.
Namun begitu pengaruh yang demikian belum tentu selalu terjadi. Butir yang halus yang disatu pihak akan meningkatkan umur lelahnya, di lain pihak ustru akan menyebabkan logam menjadi lebih peka terhdap takikan (notch). Dengan demikian, maka spesimen yang halus permukaannya memang akan naik umur lelahnya apabila halus butirnya. Spesimen yang diberi takikan akan erurnur lebih pendek lagi bila butirnya halus. Contoh lain adalah komponen yang harus tahan lelah dan tahan mulur (creep). Ketahanan mulur Justru memerlukan ukuran butir yang agak kasar, yaitu untuk menghindari migrasi batas butir. Karena itu material yang akan menghadapi kondisi operasi yang semacam ini perlu memiliki ukuran butir yang optimal. 9.2. pengaruh kekuatan logam : Pada beban statik, kekuatan logam adalah identik .atau berbanding lurus dengan kekerasa nnya. Selanjutnya pada kondisi fatigue, hubungan antara kekuatan logam dengan batas kelelahan tidaklah demikian sederhana (Gb.l7) Sebagai patokan kasar, baja memiliki batas lelah σf .= ½ σu Logam-logam non fero seperti nikel, tembaga dan magnesium mempunyai batas lelah σf = = 0,35 σu. Perbandingan antara σf dengan dengan σu disebut rasio kelelahan (fatigue ratio). Angka-
angka tersebut diperoleh pada permukaan spesimen yang halus (dipoles). Untuk spesimen dengan takikan, maka rasio kelelahan untuk baja turun menjadi 0,20 - 0,30. 0,30. Kekuatan luluh luluh dan kekuatan tarik material material dinaikkan dengan erbagai metoda, yaitu antara penguatan dengan larut padat, penguatan dengan kedua, penguatan dengan presipitasi dan penguatan regangan. Namun demikian pengaruhnya terhadap kenaikan batas lelahnya tidaklah berbanding lurus begitu saja terhadap peningkatan kekuatan luluhnya.
9.3. Pengaruh penguatan larut padat Atom asing yang larut padat akan menaikkan menaikkan kekuatan kekuatan paduan. paduan. Hal ini uga akan menaikkan batas lelahnya seperti yang telah diamati pada besi dan aluminium yang diberi unsur paduan yang larut padat (4). Kenaikan batas lelahnya hampir sebanding dengan peningkatan.
Atom asing yang larut padat interstisi ternyata~ menyebabkan adanya batas lelah yang jelas. jelas. pengaruh pengaruh ini secara secara skematis skematis ditunjukkan ditunjukkan pada Gb. 18 Logam murni akan berumur lebih panjang bila tegangan yang bekerja lebih rendah (Kurva A).
Adanya atom asing yang larut padat akan menaikan kekuatan luluhnya. Akibatnya adalah bahwa deformas i plast is setempat akan lebih lebih sukar terjadi. Hal ini dinyatakan oleh oleh naiknya kurva S - N (Kurva B). B). Bila atom asing tersebut tersebut larut padat secara interstisi sehingga menimbulkan strain aging, maka terjadila h lagi peningkatan kekuatan. Efek pengerasa n strain aging yang setempat ini akan erirnbang dengan turunnya kekuatan akibat kerusakan lelah. Penimbangan ini terjadi pada suatu harga tegangan (Kurva C).
Bila strain aging terjadi lebih hebat maka terjadilah peningkatan batas lelah (Kurva D). 9.4. Pengaruh Fasa Kedua Kedua Contoh-contoh berikut dapat memberikan gambaran mengenai pengaruh fasa kedua terhadap kekuatan statik dan kekuatan lelah. Baja karbon eutektoid (dengan 0,8 % C) dapat dibuat dengan perlit yang kasar ataupun dengan struktur ferit dan sementit sementit sferoidal. sferoidal. Kekuatan statik baja baja dengan dua struktur struktur mikro tersebut adalah sama, akan tetapi batas lelahnya berbeda sekali. Baja dengan perlit yang kasar akan memiliki batas lelah yang lebih rendah. Hal ini disebabkan oleh lebih pekanya sementit lamelar terhadap efek takikan. (Gb.19).
Contoh lain adalah pada pada paduan aluminium aluminium berkekuatan tinggi. Proses presipitas i yang dilakuk an pada paduan ini akan menaikkan kekerasan (yang erarti pula menaikkan kekuatannya). Akan tetapi batas lelahnya masih tergantung pada sejauh mana pro ses presipitasi presipitasi ini berlangsu ng. Ukuran presipitat akan berpengaruh pada batas lelahnya. Demikian pula sifat koheren atau non koheren antara presipitat dengan matriksnya akan mempengaruhi batas lelahnya. 9.5. Pengaruh pengerasan regangan Logam yang diperkuat dengan pengerasan regangan ternyata memiliki atas lelah yang lebih lebih tinggi dari pada yang dalam keadaan lunak. Hal ini dapat dimengerti karena penjalaran retakan akan lebih lambat pada logam yang dikeraskan dengan deformasi plastis ini. (2). 9.6. Pengaruh struktur mikro Proses perlakuan panas sering kali dipakal untuk mengubah sifat mekanik. Hal ini secara mikro dapat dipandang sebagai proses yang mengubah struktur mikro logam. Contoh berikut menggambarkan pengaruh proses perlakuan panas pada baja.
Kekerasan yang tinggi dapat dicapai bila baja mempunyai fasa martensit hasil proses celup cepat dari fasa austenit. austenit. Kekuatan tariknya tariknya pun akan tinggi tinggi pula. Namun demikian fasa martensit ini bersifat getas. Uji lelah menghasi lkan atas lelah yang justru rendah. Untuk memperbaikinya dilakukan proses tempering. Proses celup cepat yang disusul dengan tempering tempering ini akan menaikkan atas lelahnya. Lebih lanjut, proses proses austempering yang yang menghasilkan struktur struktur ainit bahkan menghasilkan batas lelah yang lebih tinggi dari pada yang diquench dan ditemper (4).
Spesimen baja yang diquench ditemper menunjukkan batas lelah yang sangat jelas. Penyebabnya diduga oleh adanya peristiwa strain aging yang terjadi pada ujung retakan. Pengaruh kekerasan baja hasil proses perlakua n panas terhadap batas lelah ditunjukkan pada Gb. 20 (4) Sa mpai kekerasan tertentu tertentu harga atas lelah akan naik, kemudian batas lelah akan justru turun. Ditinjau dari struktur mikronya, efek takikan dapat terjadi pada perlit yang kasar, ferit yang bebas, sisa austenit dan partikel karbida yang kasar.
10. Rengaruh Rengaruh Proses Pengerja~n Pengerja~n Proses pengerjaan dimulai dengan tahap pengecoran atau pembuatan padua n, dilanj utkan den gan pros es pembe ntukan , pengela san, pemes inan da n proses pe rlakua n panas. Pro ses -prose s pengerj aan terse but aka n mengu bah ben tuk dan sifat sifat benda benda kerja. kerja. U raian raian ini lebih lebih difoku difokuska skan n kepada kepada faktor faktor -faktor -faktor yang yang langsung berpengaruh terhadap ketahanan lelah materi al, yaitu yaitu antara lain: 1. Pengaruh Pengaruh proses proses peng pengeco ecoran ran 2. Pengaru Pengaruh h proses proses pemb pembent entuka ukan n 3. Pengaru Pengaruh h proses proses peng pengelas elasan an 4. Pengaru Pengaruh h prose prosess pemes pemesinan inan 5. Pengaru Pengaruh h proses proses perla perlakua kuan n panas
Pada dasarnya setiap diskontinuitas pada materi langsung pada penjalaran retak lelah. Diskontinuitas dapat berupa retakan ataupun akibat proses pengerjaan, dapat pula berupa segregasi unsur-unsur paduan sehingga komposis i kimia unsur-unsurnya tidak merata diseluruh bagian.
10.1. Pengaruh Proses Pengecoran Segregasi terutama yang berskala makro akan langsung berpengaruh pada ketahanan lelah material. Pada proses pembekuan, bagian yang terlebih dahulu membeku akan lebih lebih rniskin unsur paduan. Sebaliknya didaerah tengah yang membeku belakangan akan lebih lebih kaya unsur paduan. Hal ini akan menghasilkan menghasilkan enda kerja yang permukaannya lebih lunak yang berarti pula akan lebih rendah kekuatan lelahnya. Satu usaha untuk meratakan distribusi unsur paduan adalah proses homogenisasi. Proses hornogenisasi di lakukan lakukan pada suhu tinggi dan waktu yang relatif panjang agar proses difusi dapat berlangsung dengan cukup baik. Cacat pengeco ran sepert i rongga, poros itas dan retak panas jelas akan menurunka n kekuatan lelah. Demikian pula adanya terak (slag) dan inklusi yang terikut didalarn benda corakan mengakibatkan efek takikan. 10.2. Pengaruh proses pembentukan Proses pembentukan (forming) selain dipakai untuk mengubah bentuk uga digunakan untuk memperbaiki struktur mikro. Cacat coran yang berupa segregasi atau pun rongga akan dikurangi oleh proses pembentukan.
Dengan demikian jelaslah bahwa material hasil proses pembentukan akan mempunyai batas lelah lelah yang lebih lebih tinggi daripada benda cor. Namun demikian perlu dicata t bahwa pro ses pembe ntuka n pun dapat menimbu lkan cacat pada enda kerja. Cacat proses pembentukan yang sangat berpengaruh berpengaruh adalah "laps" "laps" atau "seams" "seams" pada permukaan. Cacat ini berupa lipatan pada permukaan benda tempa atau profil yang dirol. Oksida permukaan akan terjebak pada lipatan ini. Tempat inilah akan menjadi awal retakan lelah. Proses pembentukan juga berpengaruh dalam hal tegangan sisa. Sebagai i1ustrasi, contoh berikut akan menunjukkan pengaruh yang negatif dan pengaruh yang positif terhadap ketahanan lelah material. Menanyakan material akan mengalami retak lelah yang Oleh karena itu tegangan sisa tarik pada permukaan akan menurunkan batas lelahnya. Suatu usaha untuk memperbaikinya adalah dengan membuat tegangan sisa ertanda negatif negatif atau tegangan tegangan tekan. tekan. Kondisi ini justru akan memperbaiki memperbaiki ketahanan lelahnya. lelahnya. Tegangan sisa tekan pada permukaan permukaan ini dapat diperoleh dengan proses pengerolan yang reduksinya sangat kecil atau yang dikenal dengan skin pass rolling. rolling. (Gb. .21 ) (4). Cara lain lain adalah dengan melakukan melakukan proses penarika n kawat yang t ahap akhir nya memaka i reduks i kecil (G b. 22) . (5).
Tegangan sisa tekan pad a perrnukaan pelat dapat pula diperoleh dengan shot peening. Proses shot peening ini sudah rnerupakan prosedur standard dalam pernbuatan pegas dau n (6). 10.3. Rengaruh proses pehgelasan Pengelasan rnelibatkan proses pembekuan. pembekuan. Jelaslah bahwa bahwa didaerah didaerah logam las segala rnacarn rnacarn cacat pengecoran dapat terjadi disitu. disitu. Didaerah HAZ atau daerah yang dipengaruhi oleh panas terjadi proses pernanasan dan pendinginan. Perubahan strukt ur mikro atau transformasi fasa dapat berlangsun g di HAZ. Fasa yang getas serta butir yang yang kasar dapat terjadi di HAZ. Oleh karena itu tidaklah heran bahwa lelah sarnbungan las adalah lebih rendah daripada daripada logam induknya. induknya. (Gb. 23). (7). Tegangan sisa pada pada HAZ juga akan rnenurunkan kekuatan lelah. Karena itu proses post weld heat treatment akan menaikkan kekuatan lelah benda kerja yang dilas. 10.4. Pengaruh proses pe mesinan Kondisi permukaan sangat berpengaruh pada lelah benda kerja. Permukaan yang kasar merupakan tempat-tempat yang tegangan lukalnya tinggi, sehingga akan menjadi menjadi tempat awal retakan. Pengaruh takikan terhadap umur lelah ditunjukkan pada Gb. 24.
Proses pemesinan dapat dipandang sebagai pemotongan yang terjadi secara geseran (shear). Proses pembentukan geram ini terjadi dengan didahului oleh deformasi plastis setempat. Dengan demikian pada permukaan hasil proses pemes inan tidak aka n luput dari tegang an sisa. Tegang an sisa tarik yang besar dapat terjadi pada proses gerinda (grinding). Bahkan kadang-kadang demikian esar sampai-sampai permukaan hasil penggerindaan dapat retak. Oleh karena itu enda kerja hasil proses gerinda harus diwaspadai dalam hal ketahanan lelahnya. Proses pelepasan tegangan sisa (stress -relieving) akan memperbaiki kekuatan lelahnya.
10.5. Pengaruh proses perlakuan panas Di depan telah diuraikan pengaruh perubahan strutur mikro terhadap umur lelah. Dalam bagian ini fokus pembahasan diarahkan kepada kondisi proses yang dapat menurunkan umur lelahnya. Suhu yang terlampau tinggi (overheating) menyebabkan butir yang sangat kasar. Pengaruhnya yang langsung adalah menurunnya kekuatan lelah. Overheating dapat pula menyebabkan cairnya fasa yang bertitik cair rendah (eutectic melting). Hal ini dapat terjadi pada paduan Aluminium. Jelaslah cairnya cairnya aringan eutektik di batas butir akan sangat menurunkan kekuatan lelahnya.
Retak akibat proses celup cepat (quenching) jelas merupakan tempat awalnya perambatan ratak lelah. lelah. Retak ini dapat disebabkan oleh tegangan tegangan termal dan atau oleh oleh tegangan akibat transfor masi fasa. Retak ini harus harus dihindari dengan alan pemilihan laju pendinginan yang tidak terlampau cepat. Bentuk benda kerja yang tidak seragarn {ada bagian yang tebal dan ad a pula yang tipis) memudahkan terjadinya terjadinya retak pada proses proses celup cepat. Dekarburisasi Dekarburisasi pada permukaan permukaan baja akan melunakkan permukaan permukaan tersebut. Akibat selanjutnya selanjutnya adalah bahwa retakan lelah akan berawal dari daerah yang mengalami dekarburisasi ini. Usaha untuk mengatasinya ialah dengan melakukan perlakuan panas pada atrnosfer tungku yang terkontrol, misalnya dengan l.ingkungan gas endotherm dan gas endomix. 11. Pengaruh Pengaruh Lingkungan Lingkungan Faktor Faktor lingku lingkunga nga n yang yang perl perlu u diba dibahas has adalah adalah tem kondisi kondisi lingkungan lingkungan yang dapat m enyebabkan enyebabkan korosi.
peratur peratur operasi operasi serta serta
11.1. Pengaruh temperatur Pada suhu tinggi, kekuatan logam akan berkurang Jelaslah bahwa deformasi plastis mudah terjadi pada suhu tinggi ini. Oleh karena itu maka kekuatan lelah juga akan turun pada temperatur yang tinggi. Gb. 25 menunjukkan pengaruh suhu uji lelah lelah terhadap kekuatan lelah Inconel 700, yaitu suatu paduan Ni- Co -Cr yang sering d ipakai sebaga i mater ial sudu tu rbin gas. (1)
11.2. Pengaruh lingkungan yang korosif Lingkungan yang korosif biasanya disimulasi di laboratorium dengan melakukan pada kabut air garam dengan berbagai macam konsentrasi dan pH. Kondisi lingkungan semacam ini memang jauh lebih panas dari pada lingkungan yang sebenarnya akan dialami, kecuali untuk peralatan proses kimia. Akan tetapi lingkungan uji lelah yang sangat korosif ini memang berguna untuk membuat "material "material rating" seperti pada Gb.26. Gabungan korosi-lelah ini akan menurunkan umur lelah dan ketahanan lelah material. Gb. 27 menunjukkan kurva S-N baja AISI 1036 yang diuji pada kabut air garam (3 % NaCl). Proses korosi lelah pada baja ini juga ditandai oleh tidak adanya batas lelah. Udara lembab ataupun udara laut adalah lingkungan yang lebih "realistis " yang sering dialami oleh konstruksi. Cuaca yang lernbab dilaporkan dapat rnenurunkan kekuatan lelah 10%. 12. Metode Pemeriksa Pemeriksaan an Retak Lelah Retak lela lela h adalah retakan retakan yang rnenjalar rnenjalar sejalan sejalan dengan dengan waktu pembebana n. Oleh kar ena itu de teksi re tak lelah p ada kompone n pada s aat yang tepat akan dapat rnenghindarkan terjadinya kecelakaan akibat patah lelah. Bila suatu retak lelah diternukan pada suatu kom ponen, maka perlu diambil langkah dari berbagai alternatif berikut ini :
a) menggantikannya dengan kornponen yang baru b) memperbaiki dan mernperkuat kornponen yang retak c) dalam jangka yang lebih panjang, memperbaiki design komponen tersebut.
Mengingat pentingnya deteksi retak lelah ini, maka interval pemeriksaan komponen harus ditentukan secara tepat. Jadwal pemeriksaan yang terlalu sering akan menaikkan beaya inspeksi (termasuk "kerugian" akibat terhentinya peralatan selama pemeriksaan). Pemeriksaan yang terlampau jarang intervalnya akan erbahaya, karena retak lelah dapat menjalar telah sedemikian jauh sehingga patah lelah telah terjadi sebelum inspeksi berikutnya. Oleh karena itu penentuan jadwal inspeksi perlu didasarkan oleh perkiraan kecepatan perambatan retak lelah yang mungkin terjadi pada komponen sesuai dengan kondisi pembebanan yang dialaminya. Perhitungan perambatan retakan ini cukup sulit dan sering perlu didukung oleh data eksperimen lelah untuk komponen yang bersangkutan. bersangkutan. Pemeriksaan retak lelah cukup sulit dilakukan bila hanya secara visual saja. Hal ini disebabkan oleh karena retak lelah adalah retak yang tidak "menganga"; kedua sisi material tetap kelihatan utuh. Oleh karena itu pendeteksiannya memerlukan bantuan berbagai metoda NDT atau NDI. Metoda NDI yang sering dipakai adalah :
1. 2. 3. 4. 5.
Eddy current, khususnya bila retak lelah masih kecil ukurannya. Ultrasonic method, khususnya hila ukuran retakan telah cukup besar. X-ray radiography: rnemberikan ukuran retak yang lebih tepat. Dye penetrant test Magnetic particle test
Metoda NDI tersebut diatas biasanya dipakai secara kornplementer, dalam arti satu metoda akan rnendukung cara yang lainnya.
Literatur: 1) 2) 3). 4). 5). 6).
7).
McClintock, F.A., & Argon.. A.S., "Mechanical Behavior of Materials", Addison Wesley, 1966. ASM , "Metals Hadbook Vol. 10, Failure Analysis vention", American Society for Metals, 1975. Sumitro, H., "Analisa "Analisa kerusakan kerusakan pada Roda Gigi Gigi Cacing Mesin Pengerolan Pipa, Tugas Akhir, Jurusan Mesin ITB,1988. Dieter, G.E., "Mechanical "Mechanical Metallurgy , McGraw Hill , , 1986. Verein Deutscher Eisenhuttenleute, "Herstellung von draht", Verlag Stahleisen, 1969. Siswosuwarno, M., et al., “Influence of Shot-Peening in The Surface Microstructure of Leaf Spring", Third national Conf. on Automotive Eng., 1985. Wiryosumarto, Wiryosumarto, H.; Okumura, T., "Teknik "Teknik Pengelasan 1979 .
BAB V TRANSISI ULET KE GETAS Material yang tadinya bersifat ulet dapat berubah menjadi getas. Faktor utama yang mempengaruhinya adalah keadaan tegangan temperatur dan laju regangan. perubahan sifat ulet ke sifat getas ini disebut transmisi ulet ke getas. Patah getas adalah modus modus kegagalan yang sangat sangat ditakuti. Hal ini adalah karena tingginya kecepatan perambatan retaknya.
Metoda uji yang seringkali dipakai untuk menentukan temperatur transisi adalah uji impact charpy,khususnya dengan spesimen bertakik V atau CVN (Charpy V Notch Specimen). Cara menentukan temperatur transisi dari data uji impact adalah sebagai berikut: 1. Transisi energy : suhu transisi yang menyebabkan penyerapan energi sebesar 15 atau 30 FT - LB. 2. Transisi retakan: luas patah ulet dibandingkan dengan luas total dibawah takikan; angka yang sering dipakai 50%. 3. Transisi keuletan : kontraksi di dasar takikan diukur; suhu transisi adalah yang memberikan kontraksi sebesar sebesar 1%. Kontraksi lateral yang yang menunjukkan sifat ulet.
Data uji impact dari suatu jenis baja karbon rendah diolah seperti dalam gambar beriku berikutt ini :
Gbr.1. Karakteristik daerah suhu transisi baja karbon rendah (1)
Pengaruh suhu uji impact terhadap bentuk patahan ditunjukkan pada gbr.2.
Gambar.2. Gambar.2. Pengaruh suhu terhadap perbandingan patah ulet (1)
menjelang PD II -
Berbagai jembatan jembatan baja konstruksi las las patah : beban beban relatif
kecil cuaca musim dingin; patah tiba-tiba; retak berawal dari lasan ; kemudian didapatkan bahwa baja yang dipakai bertransisi ke sifat getas pada suhu musim ding in. PD II - Sekitar 5000 kapal angkut dibangun selama PD II; sampai th 1946 lebih dari 1000 kapal mengalami retak getas. 1942 - 1952 - lebih dari 200 kapal retak getas; tujuh kapal liberty dan sembilan kapal tanker patah menjadi dua bagian akibat patah get as; retakan berawal dari sudut / pojok lubang persegi. 1951-1953 - dua kapal tanker yang relatif baru patah get as menjadi dua bagian. 1954 - tanker pecah di musim dingin dingin 1960-1965 - sepuluh kapal patah getas. 1972 - kapal tongkang yang.panjangnya 584 ft patah menjadi dua pada saat sandar di pelabuhan (gb.3).
Mengenai uji impact ternyata spesimen bertakik V menghasilkan data suhu transisi yang berdekatan dengan kenyataan (service failures). Temperatur transisi yang diperoleh dari spesimen bertakik lubang kunci adalah lebih rendah dari yang bertakik bertakik V.
Dengan demikian suhu transisi yang didapatkan dari spesimen
bertakik bertakik V akan lebih lebih realistis realistis dan lebih lebih konservatif. konservatif. Kejadian
patah
getas
meskipun
tidak
sesering
patah lelah
adalah
tetap
dikhawatirkan. Ringkasan kejadian berikut berikut dapat memberikan memberikan gambaran tentang tentang bencana patah getas.
1886 - Pecahnya konstruksi pipa pipa setinggi 250 ft di long long island sewaktu.dilakukan sewaktu.dilakuk an uji hidrostatik untuk acceptance. 1919 - Tangki tetes (molasses) (molasses) berisi 213 juta gallon gallon tetes pecah pecah di boston. boston.
gb.3. tongkang patah getas menjadi dua.(3).