2

BAB IITINJAUAN PUSTAKA

2.1 PerpatahanA. Definisi Perpatahan

Patah lelah (fatique) merupakan salah satu penyebab utama kegagalan material konstruksi. Pelopor dalam penelitian mengenai kelelahan logam adalah Wohler (Jerman) dan Fairbairn (Inggris) tahun 1860. Pengamatan yang lebih mendetail terhadap kelelahan logam, dilakukan sejak 1903 oleh Ewing dan Humparey yang mengarah pada lahirnya teori “Mekanisme Patah Lelah”.

Gambar 1. Distribusi mode kegagalanModus kegagalan komponen atau struktur dapat dibedakan menjadi 2

kategori utama yaitu:1. Modus kegagalan quasi static (modus kegagalan yang tidak tergntung pada

waktu, dan ketahanan terhadap kegagalannya dinyatakan dengan kekuatan).

2. Modus kegagalan yang tergantung pada waktu (ketahanan terhadap kegagalannya dinyatakan dengan umur).

Jenis-jenis modus kegagalan quasi statik yaitu: 1. Kegagalan karena beban tarik2. Kegagalan karena beban tekan3. Kegagalan karena beban geser.

Patahan yang termasuk jenis modus kegagalan ini adalah patah ulet dan patah getas. Sedangkan jenis-jenis modus kegagalan yang tergantung waktu yaitu:

1. Kelelahan (patah lelah)

3

2. Mulur3. Keausan4. Korosi.

B. Karakteristik Patahan1. Karakteristik Makroskopis

Karakteristik makroskopis dari kelelahan logam adalah sebagai berikut:—Tidak adanya deformasi plastis secara makro.—Terdapat tanda “garis-garis pantai” (beach marks) atau clam shell atau

arrest marks, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2 dibawah ini.

Gambar 2. Permukaan patah lelah pada poros—Terdapat ’Ratchet marks’ seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3

dibawah ini.

Gambar 3. Permukaan patah lelah dari baut akibat beban tarikRatchet marks menjalar kearah radial dan merupakan tanda penjalaran

retakan yang terjadi bila terdapat lebih dari satu lokasi awal retak, ratchetmarks ini merupakan pertemuan beachmarks dari satu lokasi awal retak dengan beachmarksdari lokasi lainnya.

Tanda garis-garis pantai (beach marks) yang merupakan tanda penjalaran retakan, mengarah tegak lurus dengan tegangan tarik dan setelah menjalar sedemikian hingga penampang yang tersisa tidak mampu lagi menahan beban yang bekerja, maka akhirnya terjadilah patah akhir atau patah statik. Luas daerah antara tahap penjalaran retakan dan tahap patah akhir secara kuantitatif dapat menunjukkan besarnya tegangan yang bekerja. Jika luas daerah tahap penjalaran

4

retakan lebih besar daripada luas daerah patah akhir, maka tegangan yang bekerja relatif rendah, demikian sebaliknya. Tahap I terjadinya kelelahan logam yaitu tahap pembentukan awal retak, lebih mudah terjadi pada logam yang bersifat lunak dan ulet tetapi akan lebih sukar dalam tahap penjalaran retakannya (tahap II), artinya logamlogam ulet akan lebih tahan terhadap penjalaran retakan. Demikian sebaliknya, logam yang keras dan getas, akan lebih tahan terhadap pembentukkan awal retak tetapi kurang tahan terhadap penjalaran retakan.2. Karakteristik Mikroskopis

Karakteristik mikroskopis dari kelelahan logam adalah sebagai berikut:— Pada permukaan patahan terdapat striasi (striations).— Permukaan patahan memperlihatkan jenis patah transgranular (memotong

butir) tidak seperti jenis patah intergranular seperti yang terjadi pada kasus SCC (stress corrosion cracking) atau mulur (creep).

C. Faktor-faktor PatahanUmur lelah dapat ditingkatkan dengan cara normalizing atau pengarbonan

ulang, selanjutnya terhadap specimen ini dilakukan normalizing ulang & dilanjutkan material yang tidak dinormalizing awal sehingga tidak diperoleh perbedaan yang signifikan. Normalizing ulang juga menyebabkan butir material lebih peka terhadap patah.

Untuk memperkirakan umur lelah suatu komponen merupakan suatu hal yang cukup sulit, hal ini disebabkan oleh banyaknya faktor-faktor yang mempengaruhi umur lelahnya. Faktor-faktor tersebut adalah:

1. Pembebanana. Jenis beban: uniaksial, lentur, puntirb. Pola beban: periodik, randomc. Besar beband. Frekwensi siklus beban.

2. Kondisi materiala. Ukuran butirb. Kekuatanc. Penguatan dengan larutan padatd. Penguatan dengan fasa ke-2e. Penguatan reganganf. Struktur mikrog. Kondisi permukaan (surfacefinish)h. Ukuran Komponen.

3. Proses pengerjaana. Proses pengecoranb. Proses pembentukanc. Proses pengelasand. Proses pemesinan

5

e. Proses perlakuan panas.4. Temperatur operasi5. Kondisi lingkungan.

D. Mekanisme PerpatahanMekanisme patah lelah di awali timbulnya inti retak akibat pergerakan

dislokasi siklik, dilanjutkan dengan pertumbuhan menjadi micro crack, kemudian tumbuh menjadi macro crack, selanjutnya berkembang (propagasi) hingga terjadi patah lelah. a. Retakan

Berikut ini adalah efek dari retakan pada material:

Gambar 3. Penurunan kekuatan dari struktur teknik terhadap pertumbuhan retak dalam pembebanan

b. Takikan dan Konsentrasi TeganganTakikan yang lancip dan dalam akan menyebabkan penurunan kekuatan

pada bahan yang getas dan peningkatan kekuatan pada bahan yang ulet, hal ini disebabkan konsentrasi tegangan dan pembatasan atau pemaksaan. Konsentrasi tegangan dapat diperhitungkan dengan elips Inglis, yaitu:

smax = tegangan maksimums tegangan yang

digunakan

Gambar 4. Elips Inglis

Ukur

an re

tak

Waktu, siklus beban tidak adakerusakan

kerusakanmungkin

terjadi

kerusakanterjadi

Waktu, siklus beban

teg. perkiraan

teg. perkiraanbatas atas

teg. desain

keku

atan

s

s

tegangan

jarak

2b

2a

σmax

σ=1+2

ab

6

Faktor konsentrasi tegangan adalah k, maka:

r = radius kurva

Bahan getas sensitive terhadap takikan yang berakibat terjadi pelemahan bahan saat mendapat takikan, sedangkan pada bahan ulet tidak terlalu sensitive dengan takikan dan dimungkinkan terjadi penguatan karena takikan.E. Jenis Patahan

Patahan dibedakan menjadi dua jenis, yaitu:

Gambar 5. Patah ulet dan patah getas1. Patah Ulet

Patah ulet adalah patah akibat dari deformasi berlebih, elastic atau plastis, terkoyak ataupun patah geser. Dengan ciri terjadi penyerapan energy, adanya deformasi plastis yang cukup besar disekitar patahan dan permukaan patahan Nampak kasar, berserabut dan berwarna kelabu.2. Patah Getas

Patah getas memiliki ciri penjalaran energy yang lebih sedikit, tidak disertai dengan deformasi plastis dan permukaan patahan pada komponen yang mengalami patah getas terlihat mengkilap, granular dan relaif rata. Patah getas dapat mengikuti butir ataupun memotong butir. Bila bidang patahannya mengkuti batas butir, maka disebut patah getas intergranular, sedangkan bila patahannya memotong butir disebut patah getas transgranular.

Gambar 6. Transgranular dan intergranular

ρ=b2

a

σ max=σ (1+2√aρ)

untuk a >>ρ , σ max=2 σ √aρ=kσ

7

F. Kinerja PerpatahanKinerja perpatahan adalah daerah dibawah kurva tegangan/regangan tarik

untuk spesimen yang presisi.

Gambar 7. Grafik perpatahanBahan yang tanggguh mengembangkan zona plastic yang luas sebelum

terjadi kerusakan dan sensitifitas takikannya kecil.

Gambar 8. Grafik tegangan terhadap jarakKeterangan: < 1 sensitif terhadap takikan dan ketangguhan rendah

> 1 tidak sensitif terhadap takikan dan ketangguhan tinggi

Dalam logam, kapasitas kinerja pengerasan yang tinggi selalu berhubungan dengan keuletan dan ketangguhan yang tinggi. Pengerjaan dingin dapat menurunkan keuletan dan menurunkan ketangguhan, namun pembelahan kristal tidak terjadi dalam kristal logam berbentuk FCC

Gambar 9. Grafik gaya terhadap jarak

Transisi dari ulet ke getas selalu diamati dalam penurunan temperature. Transisi perpatahan dari getas ke ulet pada baja karbon terdapat perubahan mekanisme perpatahan dan aluminium tidak ada perubahan mekasnisme perpatahan.

W

s

tegangan

Retak/takikan

jarak

teganganluluh

zona plastis

getas

tangguh

F

x

c

W = kinerjavolume

= zona x jarakluas x panjang

=∫σ dε

σ pembanding

σ presisi

<1

σ pembanding

σ presisi

≈1 to 2

σ=Kεn

dσdε

=σ ketika necking ε c

ε c=n

8

Gambar 10. Grafik transisi perptahan baja karbon dan alumuniumFaktor-faktor yang mempengaruhi ketangguhan meliputi:1. Temperatur dan laju regangan 2. Geometri dari takikan 3. Ukuran spesimen 4. Mekanisme perpatahan

Pada suhu rendah, retak dapat merambat lebih cepat daripada terjadinya deformasi plastik, berarti energi yang diserap sedikit. Baja dibebani secara perlahan-lahan dapat patah ulet dan patah rapuh pada impack (beban kejut).

2.2 KelelahanKelelahan merupakan suatu kegagalan lelah terjadi ketika sebuh bahan telah

mengalami silus tegangan & regangan yang menghasilkan kerusakan yang permanan, juga dapat terjadi dibawah atau diatas tegangan luluh. Kegagalan lelah pada umumnya meliputi pertumbuhan inti dan penebaran dari sebuah retak.A. Penyebab Kelelahan

1. Kelelahan yang dikontrol oleh tegangan—Lengkung rotasi (rotating bending)—Getaran (vibration)— Penekanan(presuriation)—Kontak Gelinding (Rolling Contacts)

2. Kelelahan yang dikontrol oleh regangan.— Siklus (thermal Cyclus)—Tarikan besar (secerv notehes)—Terbuka / Tertutup (opened / closed)Umur lelah atau fatique life, biasanya 107 siklus perkiraan dari jumlah siklus

yang dialami oleh suatu piston mobil dari 100.000 mil (~ 330.000 ). Pengukuran Kelelahan diperoleh dari :

1. Struktur presisi (smooth) dan bertekuk (notehead)a) Kelelahan meiputi pertumbuhan inti dan penyebaran retakanb) Karateristik dengan umur lelah T - S (Tegangan – Siklus, S-N) atau R – S

(Regangan Siklus, − )

Energiimpak

Temperatur

baja karbon

aluminium

9

c) Takikan mengkonsentrasikan tegangan & regangan.2. Struktur Retak

a) Kelelahan meliputi penyebarab retakb) Karateristik dengan laju pertumbuhan retak lelah.Tujuan untuk memprediksi umur lelah atau siklus pembebanan maksimum

untuk menentukan umur yang tidak terbatas (infinite life).B. Deformasi atau Perubahan

1. Deformasi ElastisPada pembebanan rendah dalam uji tarik hubungan antara tegangan dan

regangan linier deformasi elastic, dimana hubungan tersebut masih dalam daerah deformasi elastic, dikenal sebagai hokum Hooke, deformasi yang mempunyai hubungan tegangan & regangan linier (proposional) disebut deformasi elastis.

Hubungan tegangan geser & regangan geser dinyatakan dengan:τ = G . α

Dimana: τ = tegangan geser α = Regangan geserG = modulus geser

2. Deformasi PlastisUntuk material logam, umumnya deformasi elastis terjadi <0.05 regangan,

bila regangan >0.005 terjadi deformasi plastis (deformasi permanen).a) Keuletan (dictilusy)

Keuletan adalah derajat deformasi plastis terjadinya patah, dimana keuletan dinyatakan dengan:— Presentase & longasi

% EI = (Li-Lo) / Lo x 100%— Presentase reduksi Area

% AR = (Ao-Ai) / Ao x 100 %b) Kelelahan dalam Logam

Deformasi plastis terjadi pada butir-butir orientasi yang sesuai, meskipun dibawah batas elastis. Pada logam murni, dimana langkah slip ekstrusi mengawali terjadinya retakan (memerlukan banyak siklus). Pada logam komersial, dimana akumulasi regangan plastis menumbuhkan inti retakan kecil ditempat inklusi (memerlukan sedikit siklus). Dimana, sebuah retak dapat menumbuhkan inti tetapi tidak menyebarkan retakan.c) Analisa untuk menentukan penyebab kegagalan

Kegagalan dapat diartikan kerusakan yang tidak wajar, rusak sebelum waktunya. Suatu komponen atau peralatan dikatakan kesalahan jika:— Sama sekali tidak dapat dioperasikan—Dapat dioperasikan, tetapi tidak berfungsi dengan baik—Ada kerusakan, tetapi tidak aman bila dioperasikan.

10