3. Batas Kelelahan Logam Konsep S-N (AA)
26
-
Upload
abrianto-akuan -
Category
Education
-
view
3.492 -
download
4
Transcript of 3. Batas Kelelahan Logam Konsep S-N (AA)
SesiKe-
Pokok Bahasan Hasil Pembelajaran Penilaian Hasil PembelajaranMetode
Penilaian
01Karakteristik
kelelahan logamMahasiswa mengetahui dan memahamikegagalan patah lelah pada komponen logam.
Mahasiswa mampu menjelaskankarakteristik dari patah lelah yangterjadi pada komponen logam.
ჱ Tugasჱ UTSჱ UAS
02Aspek metalurgipada kelelahan
logam
Mahasiswa mengetahui dan memahami aspekmetalurgi yang mempengaruhi perilakukelelahan pada logam.
Mahasiswa mampu menjelaskan aspekmetalurgi yang mempengaruhiperilaku kelelahan logam.
03 batas lelah logamMahasiswa mengetahui dan memahami bataskelelahan logam serta cara menentukannya.
Mahasiswa mampu menjelaskan bataskelelahan logam serta caramenentukannya.
04 Konsep S-N
Mahasiswa mengetahui dan memahamihubungan antara tegangan (S) yang bekerjapada komponen logam dengan umur (N)komponen tersebut.
Mahasiswa mampu menghitungtegangan yang bekerja pada komponenlogam serta mampu memprediksiumur komponen tersebut berdasarkanKonsep S-N.
05 Konsep -N
Mahasiswa mengetahui dan memahamihubungan antara regangan () yang bekerjapada komponen logam dengan umur (N)komponen tersebut.
Mahasiswa mampu menghitungtegangan dan regangan yang bekerjapada komponen logam serta mampumemprediksi umur komponen tersebutberdasarkan konsep -N.
06Pengaruh takikan
pada perilakukelelahan logam
Mahasiswa mengetahui dan memahamipengaruh takikan ataupun geometrikomponen terhadap kegagalan lelah.
Mahasiswa mampu menjelaskan danmenghitung pengaruh takikan ataupungeometri komponen terhadap umurlelahnya.
07Penjalaran retak
lelahMahasiswa mengetahui dan memahamikonsep penjalaran retak lelah.
Mahasiswa mampu menjelaskan dankonsep penjalaran retak lelah sertamampu memprediksi umur lelahberdasarkan konsep tersebut. 2
Konsep tegangan-siklus (S-N) merupakan pendekatanpertama untuk memahami fenomena kelelahanlogam. Konsep ini secara luas dipergunakan dalamaplikasi perancangan material dimana tegangan yangterjadi dalam daerah elastik dan umur lelah cukuppanjang. Metoda S-N ini tidak dapat dipakai dalamkondisi sebaliknya (tegangan dalam daerah plastisdan umur lelah relatif pendek), hal ini dapat dilihatpada Gambar 3.1. Umur lelah yang diperhitungkandalam metoda S-N ini adalah umur lelah tahap I(inisiasi retak lelah) dan umur lelah II (propagasiretakan).
4
HCS=High Cycles Stress/Strain LCF=Low Cycles Fatigue
LCS=Low Cycles Stress/Strain PCS=Plastic Cycles Strain
HCF=High Cycles Fatigue ECS=Elastic Cycles Strain
HCF atau ECSLCF atau PCS
LCF
HCF Total = Elastic and Plastic
Elastic
Plastic
Gambar. 3.1 Pembagian daerah umur lelah dalam kurva S-N.
Batas daerah pada Gambar 41 tersebut diatas adalahantara 10÷105 tergantung jenis materialnya (baja:±104 siklus).
Dasar dari metoda S-N ini adalah diagram Wohleratau diagram S-N yang secara experimen didapat daripengujian lelah lentur putar dengan tegangan yangbekerja berfluktuasi secara sinusiodal antarategangan tarik dan tekan, sebagai contoh adalah padapengujian R.R Moore dengan 4 titik pembebanan padafrekwensi 1750 rpm terhadap spesimen silindrisberdiameter 0,25÷0,3 in. Kurva hasil pengujian iniditunjukkan pada Gambar 3.2, 3.3 dan 3.4 berikut ini.
Kekuatan lelah atau batas lelah (endurancelimit), Se adalah tegangan yang memberikanumur tak berhingga. Sebagai Contoh padanilai batas lelah baja AISI 1045 seperti yangditunjukkan pada Gambar 3.2 diatas yaitusebesar 50 ksi. Kebanyakan jenis baja dengankekuatan tarik dibawah 200 ksi memiliki nilaibatas lelah sebesar 0,5 dari kekuatantariknya, hal ini ditunjukkan pada Gambar 2.7dan Gambar 3.4 diatas.
Tegangan dibawah batas lelah akan menyebabkanlogam aman terhadap kelelahan, hal ini disebabkankarena gerakan dislokasinya akan terhambat olehatom-atom asing interstisi sehingga tidak akanmenghasilkan PSB (Presistant Slip Band). Batas lelahlogam-logam BCC (Body Centered Cubic) akan tidakjelas sehingga kurvanya menjadi kontinyu jikamengalami kondisi sebagai berikut:
Over load periodik (sehingga dislokasi mengalamiunlock atau unpin).Lingkungan yang korosif.Temperatur tinggi (sehingga mobilitas dislokasitinggi).
10
Pada logam-logam FCC (Face centered Cubic), bataslelahnya tidak jelas atau kurvanya kontinyu (Gambar3.5), sehingga kekuatan lelahnya ditentukan dari nilaitegangan yang memberikan umur: 5X108 siklus.
BCC Metals
FCC Metals
Gambar. 3.5 Perbandingan kurva S-N pada logam BCC dan FCC.
11
Kurva S-N baja dapat diestimasi dari rasio kelelahanseperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.7 dan 3.4yaitu ditunjukkan pada Gambar 3.6 berikut ini.
Gambar. 3.6 Estimasi kurva S-N untuk Baja.
Hubungan tegangan siklik, S dan umur lelah, N(siklus):S = 10C Nb (untuk: 103 < N < 106) (3.1)atau:N = 10-C/b S1/b (untuk: 103 < N < 106) (3.2)
Eksponen C dan b ditentukan sebagai berikut:b = - 1/3 log (S1000/Se) (3.3)C = log {(S1000)
2/Se} (3.4)
Batas lelah:Se = 0,5 Su (Su ≤ 200 ksi atau 1379 Mpa)
(3.5)Se = 0,25 BHN (BHN ≤ 400) (3.6)Se = 100 ksi atau 689,5 Mpa (3.7)
(Su > 200 ksi atau 1379 Mpa)
Tegangan siklik yang menghasilkan umur 1000 siklus:S1000 = 0,9 Su (3.8)
Estimasi hubungan S-N (untuk: 103 < N < 106)adalah:S = 1,62 Su N-0,085 (3.9)atauS = 0,81 BHN N-0,085 (3.10)
14
Berdasarkan persamaan garis lurus(Y=mX+C) dari Gambar 3.6 diatas, estimasihubungan S-N (untuk: 103 < N < 106 atauSe<S<S1000) adalah:
S=-[(S1000 – Se)/(106 – 103)] N + S1000
=-(S1000 – Se) 10-6 N + S1000
=-(0,9 Su – 0,5 Su) 10-6 N + 0,9 Su
=-0,4 Su 10-6 N + 0,9 Su
=Su (0,9 – 0,4 10-6 N)
S/Su=k=0,9 – 0,4 10-6 N0,4 10-6 N = 0,9 – k
15
maka:
N = [(0,9-k)/0,4] 106 (3.11)
Untuk N>106 siklus:Sa/Sb = (Nb/Na)
R (3.12)
dimana:Sa = Kekuatan lelah pada umur Na
Sb = Kekuatan lelah pada umur Nb
Na = Umur lelah pada kekuatan lelah Sa
Nb = Umur lelah pada kekuatan lelah Sb
R = Rasio tegangan = σmin / σmax
Pada tegangan siklik, S atau SN sebesar teganganpatah sebenarnya, σf maka umur lelah adalahsebesar 1 atau ¼ siklus.
Hubungan tegangan maksimum, σmax dengan bataslelah dan kekuatan tarik, dapat dirumuskan sebagaiberikut:
σmax = (2 Se Su) / {Se + Su + R (Se – Su)} (3.13)
17
Contoh Soal 3.1:
Suatu komponen baja dengan Su = 150 ksidan Se = 60 ksi mengalami pembebanan siklikdengan tegangan maksimum 110 ksi dantegangan minimum 10 ksi. Denganmenggunakan persamaan Goodman, tentukanumur komponen baja tersebut.
Jawab:σmax = 110 Ksiσmin = 10 Ksiσa = ( 110 – 10 ) : 2 = 50 Ksiσm = (110 + 10 ) : 2 = 60 Ksi
18
dari persamaan Goodman:σa /Se + σm /Su = 1σa /SN + σm /Su = 150/SN + 60/150 = 1SN = 83 Ksi
Jika diplot pada Diagram haigh:
Su=15060
83
Se=0,5Su=60
S1000=0,9Su=110
σm
σa
19
Maka umur komponen akan berada pada siklus antara103 ÷ 106 dengan nilai tegangan siklik sebesar 83 Ksi.
Jika diplot pada Diagram S-N:
S (Ksi)
N (siklus)
110
83
60
103 106
dapat dihitung berdasarkan persamaanS-N:
S = 1,62 . Su . N-0,085
83 = 1,62 . 150 . N-0,085
N = 3,1 . 105 Siklus
Contoh Soal 3.2:
Suatu batang komponen baja dengankekuatan tarik, Su = 114 Ksi memiliki lebar 1inch dan tebal ¼ inch dan pada kedua sisinyaterdapat takikan ½ lingkaran dengan radius1/10 inch.Tentukan umur lelah komponen tersebut jikadikenai beban berulang (R=-1) denganamplitudo beban 10 Kips.
Jawab.
Penampang sisa, Anet = ¼ . 0,8 = 0,2 in2
Maka:Snet = P/Anet = 10 Kips / 0,2 in2 = 50 Ksi
Berdasarkan persamaan S-N, sehingga:S = 1,62 . Su . N-0,085
50 = 1,62 . 114 . N-0,085
N = 4,7 . 106 Siklus
3.1 Baja dengan kekuatan tarik, Su = 100 Ksi.Prediksikanlah tegangan siklik yang diijinkan yangakan memberikan umur: 103 dan 106 siklus. Ulangiprediksi tersebut untuk baja dengan kekuatan tarik220 Ksi. Gambarkan pula skematis kurva S-N nya.
3.2 Estimasikanlah kekerasan minimum (BHN) daribaja yang akan dipakai sebagai suatu komponenyang mendapat tegangan siklik ± 100 Ksi dan harusberumur 500.000 siklus.
3.3 Estimasikanlah umur lelah (dalam siklus) yangdirencanakan terhadap komponen: batang torak padamesin otomotif, handle rem sepeda motor dan engselpintu. Berikanlah penjelasannya.
3.4 Suatu baja dengan kekuatan tarik, Su = 70 Ksidan kekuatan lelah, Se = 33 Ksi. Tentukanlahtegangan maksimum (zero to max, R = 0) yangmemberikan umur lelah: 103 dan 106 siklus.Gunakanlah persamaan Goodman dalam prediksitersebut.
3.5 Suatu komponen mengalami tegangan siklik:σmax = 75 Ksi dan σmin = -5 Ksi. Jika komponentersebut terbuat dari baja dengan kekuatan tarik, Su
= 100 Ksi, prediksikanlah umur lelahnya.
3.6 Pendekatan lain dalam memprediksi umur lelahadalah dengan persamaan Basquin (1910):
σa = (σf - σm) (2Nf)b
dimana:σf = kekuatan patah sebenarnya (true fracturestrength)b = eksponen kekuatan lelah2Nf = umur kegagalan (cycles to failure)
Jika Su = 75 Ksi, σf = 120 Ksi dan b = -0,085.Tentukanlah tegangan siklik yang diijinkan (σa) yangdapat bergabung dengan σm sebesar 40 ksi danmemberikan umur lelah 5.105 siklus. Bandingkan pulahasilnya jika prediksi dilakukan melalui persamaanGoodman.
