FATIK (FATIGUE)MEKANIKA PERPATAHAN

Ellyawan Arbintarso

*PendahuluanKelelahan (Fatik - fatigue) adalah kegagalan dibawah beban berulangTerdapat tiga fase dalam perpatahan fatik: permulaan retak, penyebaran retak, dan patahFatik menduduki 90% penyebab utama kegagalan pemakaian

*Pendahuluan (lanjutan)Suatu bagian dapat dikenakan berbagai macam kondisi pembebanan, termasuk tegangan berfluktuasi, regangan berfluktuasi, temperatur berfluktuasi (fatik termal), atau dalam kondisi lingkungan korosif atau temperatur tinggiKebanyakan kegagalan pemakaian terjadi sebagai akibat tegangan-tegangan tarik.

*Pendahuluan (lanjutan)Tiga jenis siklus tegangan yang umum terjadi diperlihatkan pada gambar 1: pembalikan sempurna (gambar a) dimana fluktuasi tegangan berkisar suatu rata-rata (mean) nol dengan amplitudo konstan; pengulangan (gambar b) dimana fluktuasi tegangan berkisar suatu rata-rata (mean) tidak sama dengan nol tetapi dengan amplitudo konstan; dan rumit (gambar c) dimana kedua pertukaran dan rata-rata beban berubah, bisa secara acak maupun berpola tertentu.

*Pendahuluan (lanjutan)ABC

*Pendahuluan (lanjutan)Kegagalan fatik bermula prioritas terhadap permulaan suatu retak. Dengan pengulangan pembebanan, lokalisasi daerah pengembangan slip/luncuran (deformasi plastik)Woods memperlihatkan dimana suatu rangkaian instrusi dan ekstrusi berkembang selama siklus tegangan

*Pendahuluan (lanjutan)ketika slip terjadi, berada permukaan bebas sebagai suatu langkah disebabkan oleh perpindahan logam sepanjang bidang slip. Ketika tegangan berbalik, slip yang terjadi dapat menjadi negatif (berlawanan) dari slip awal, secara sempurna mengesampingkan setiap efek deformasi. Deformasi ini ditekankan oleh pembebanan yang berulang, sampai suatu retak yang dapat terlihat akhirnya muncul

*Pendahuluan (lanjutan)Retak mula-mula terbentuk sepanjang bidang slip. Pertumbuhan retak berorientasi secara kristalografi sepanjang bidang slip untuk suatu jarak yang pendek dianggap sebagai Tahap I pertumbuhan retakArah penyebaran retak menjadi tegak lurus secara makrokopik terhadap tegangan tarik maksimum dianggap sebagai Tahap II penyebaran retak, dan hal itu merupakan sebagian besar umur penyebaran retak

*Pendahuluan (lanjutan)Siklus relatif untuk permulaan retak dan penyebarannya tergantung pada tegangan yang dikenakanKetika tegangan meningkat, fase permulaan retak menurunPada tegangan-tegangan yang sangat rendah (fatik siklus tinggi), sebagian besar dari umur fatik digunakan untuk memulai suatu retak

*Pendahuluan (lanjutan)Pada tegangan-tegangan sangat tinggi (fatik siklus rendah), retakan terbentuk lebih diniFatik dapat dibagi menjadi dua kategori, siklus tinggi dan siklus rendahDaerah siklus rendah adalah merupakan hasil dari tegangan-tegangan dimana sering cukup tinggi untuk berkembang menjadi regangan plastik yang signifikanTerdapat perbedaan gambaran antara fatik siklus tinggi (tegangan rendah) dan fatik siklus rendah (tegangan tinggi)

*Data Tegangan SiklusData fatik biasanya disajikan dalam bentuk kurva T S, dimana Tegangan yang diberikan (T) diplot terhadap siklus kegagalan (S)Dalam kurva T-S, jumlah total siklus kegagalan, yaitu, termasuk siklus untuk permulaan ditambah siklus penyebaranKetika tegangan menurun, siklus mencapai kegagalan meningkat

*Data Tegangan Siklus (lanjutan)Batas ketahanan adalah tegangan dimana tidak akan menyebabkan kegagalan dalam 107 siklus

*Data Tegangan Siklus (lanjutan)Yang mempengaruhi karakteristik sifat fatik dari bahan:umur pada suatu tegangan khusus atau batas ketahanankondisi pemakaianUntuk merancang suatu komponen dimana tidak terdefinisikan akhirnya (last indefinitely), batas ketahanan harus dipertimbangkan

*Data Tegangan Siklus (lanjutan)Jika suatu komponen tidak diperkirakan terhadap tidak terdefinisikan akhirnya (last indefinitely), misal, jika terdapat alur pasak pada tegangan yang tinggi terlokalisir atau kondisi tegangan dimana dapat menyebabkan peretakan awal, penerapan umur terhingga perlu dipertimbangkan

*Faktor Mekanik yang Mempengaruhi Umur Fatik Konsentrasi Tegangan Peningkatan tegangan menurunkan umur fatikPemicunya dapat secara mekanis (misal: fillet atau alur pasak) maupun metalurgi (misal; porositas atau inklusi).Kegagalan fatik selalu dimulai pada peningkatan tegangan, biasanya pada atau dekat dengan permukaan

*Konsentrasi Tegangan (lanjutan)Efek dari takikan dievaluasi dengan membandingkan data T-S bertakik dengan tidak bertakikUntuk menjelaskan suatu kurva T-S untuk sebuah benda uji bertakik, tegangan jaringan diplotfaktor takikan fatik (Kf)

*Konsentrasi Tegangan (lanjutan)dari Kf, sensitifitas takikan, q, dapat dihitung

Dimana Kc = faktor konsentrasi teganganMeningkatnya kekuatan tarik, jari-jari takikan dan bagian ukuran, dan menurunnya ukuran butir, meningkatkan sensitifitas takikan q

*Konsentrasi Tegangan (lanjutan)Efek jari-jari takikan terhadap sensitifitas takikan untuk beberapa bahan

*Konsentrasi Tegangan (lanjutan)Efek dari kekuatan tarik merupakan kebalikan yang menonjol dalam benda uji yang halus, yaitu dimana meningkatnya kekuatan, meningkatkan umur fatikDalam konsep mekanika perpatahan, ketika peningkatan kekuatan menurunkan ukuran retak kritis, dan kegagalan terjadi pada suatu panjang retak terpendek

*Ukuran StrukturMeningkatnya ukuran benda uji, umur fatik kadang-kadang menurunKegagalan fatik biasanya dimulai pada permukaanPenambahan luas permukaan dari benda uji besar meningkatkan kemungkinan dimana terdapat suatu aliran, yang akan memulai kegagalan dan menurunkan waktu untuk memulai retak

*Ukuran Struktur (lanjutan)Peningkatan ukuran benda uji juga menurunkan gradien tegangan sehingga lebih banyak bahan memungkinkan menegang lebih tinggiData pengujian kadang tidaklah konsisten secara menyeluruh; beberapa peneliti tidak menuliskan efek dari ukuran. Mungkin terdapat suatu efek dari jenis pengujian yang digunakan. Dalam Baja Karbon murni, batang halus tidak menunjukkan efek dimana batang bertakik berpengaruh

*Efek PermukaanDalam banyak pengujian dan aplikasi pemakaian, tegangan maksimum terjadi pada permukaanUmur fatik, oleh karena itu, sensitif terhadap kondisi permukaanBeberapa faktor-faktor lain yang harus dipertimbangkan, seperti sifat-sifat permukaan dan tegangan sisa permukaan

*Efek Permukaan (lanjutan)PENGERJAAN AKHIR PERMUKAAN (KEKASARAN PERMUKAAN)Ketika pengerjaan akhir permukaan menjadi besar (coarser), kedalaman takikan meningkat. Oleh karena itu, permukaan menjadi lebih kasar (rougher), umur fatik menurun

*Efek Permukaan (lanjutan)Hubungan antara kekasaran pengerjaan akhir dengan umur fatik untuk SAE 3130 dibawah tegangan pembalikan sempurna pada 95.000 psi, mengambarkan efek ini

Operasi pengerjaan akhirKekasaran permukaan (mm)Umur Fatik (siklus)Mesin bubut10524.000Pemolesan sebagian dg tangan691.000Pemolesan dg tangan5137.000Gerinda7217.000Gerinda dan pemolesan2234.000

*Efek Permukaan (lanjutan)SIFAT-SIFAT PERMUKAANEfek pemrosesan permukaan dapat dibagi kedalam bagian dimana menurunkan umur dan meningkatkan umur Pelapisan (electroplating) selalu menurunkan umur fatikPeretakan permukaan (berkembangnya tegangan tarik )Pengetasan hidrogen (pembebasan hidrogen dari katoda)

*Efek Permukaan (lanjutan)Dekarburisasi (penghilangan karbon) baja terjadi pada perlakuan panas tanpa atmosfir atau selama proses pemadatan pengecoran tanam dapat mengurangi umur fatikKarburisasi meningkatkan umur fatik, seperti nitridisasi dan pengerasan permukaan nyala api dan induksi. terjadi dengan penguatan permukaan bahan atau dengan pembangkitan tegangan-tegangan tekan sisa