ILTEK,Volume 6, Nomor 12, Oktober 2011

899

FAKTOR PERPATAHAN & KELELAHAN PADA KEKUATAN BAHANMATERIAL

Kaharuddin AdamDosen Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Univ. Islam Makassar

ABSTRAKDalam aplikasi keteknikan, kemampuan untuk menentukan suatu perpatahan bahan tergantung pada beban

maksimum yang dapat diterima oleh suatu konstruksi.Dalam mendesai pada suatu batang, perlu diperhatikan faktorperpatahan & kelelahan suatu material. Perlu juga diperhatikan sifat bahan baja tahan karat, apakah sifatnya tahankorosi, kekuatan & keuletan tinggi & kandung Cr tinggi. Adapun Masalah bagaimana mengetahui faktor perpatahan &kelelahan pada kekuatan bahan material. Perpatahan merupakan suatu bagian bahan yang terpisah akibat beban yangdiberikan sehingga pembentukan retak dibawah konduksi siklus tegang & regangan. Kelelahan adalah pertumbuhan inti& pertumbuhan akibat retakan tetapi tidak menyebarkan retakan. Kegagalan dapat diartikan kerusakan yang tak wajar,rusak sebelum waktunya.

Kata Kunci: Perpatahan, Kelelahan

PENDAHULUAN

1.1. Latar BelakangUntuk mengetahui perkembangan ilmu pengetauan

& teknologi yang semakin canggih pada pihak yangmempunyai kualitas dalam meningkatkan mutuproduksi, tingkat kestabilan & kekakuan bahanproduksi dari segi penggunaan bahan adalah akibatperpatahan dan kelelahan pada konstruksinya, bilabeban tersbut menerima beban.

Pada semua konstruksi teknik, bagian-bagianpelengkap suatu bangunan konstruksi haruslah diberiukuran-ukuran fisik, hal ini harus di ukur dengan tepatuntuk menahan gaya-gaya yang sesungguhnya.

Jadi suatu bahan haruslah berukuran yang cukupmemadai, sehingga bagian-bagian suatu material /bahan harus cukup tegar seingga tidak akan melenturatau melengkung melebihi batas yang diizinkan bilabekerja dibawah beban yang diberikan.

Dalam aplikasi keteknikan, kemampuan untukmenentukan suatu perpatahan bahan tergantung padabeban maksimum yang dapat diterima oleh suatukonstruksi.

Dalam mendesai pada suatu batang, perludiperhatikan faktor perpatahan & kelelahan suatumaterial. Perlu juga diperhatikan sifat bahan baja tahankarat, apakah sifatnya tahan korosi, kekuatan &keuletan tinggi & kandung Cr tinggi.

1.2. Rumusan MasalahBagaimana mengetahui faktor perpatahan &kelelahan pada kekuatan bahan material.

1.3. Batasan MasalahBagaimana ketahanan terhadap kekuatan bahanakibat perpatahan kelelahan.

1.4. TujuanUntuk mengetahui pengaruh besarnya kekuatanbahan terhdap perpatahan & kelelahan.

TINJAUAN PUSTAKA2.1. Sejarah Perkembangan Mekanika Perpatahan

- Abad 15. Leonardo Da Vincia. Tes kekuatan pada kabel besi dengan

panjang berbeda.b. Kekuatan berbanding terbalik proporsional

dengan volume bahan- Abad 19. Cauchy

Hubungan tegangan-regangan pada kondisiistimewa & konsentrasi tegangan.

- 1922 - Teori Perpatahan GriffithUbungan kuantitatif pertama antara kekuatanbahan / material dengan ukuran retak.

2.2. a. Teori Perpatahan / KelelahanMenggunakan persamaan matematika Inggris,

untuk konsentrasi tegang, seperti halnya kaca dimanaenergy permukaan yang dihancurkanoleh pembentukanpermukaan retak baru adalah setara dengan ketahananpertumbuhan retak.

Retak adalah suatu tarikan Ellips dengan sumbupanjang a agak besar (panjang retak) & sumbu pendekb adalah hal (o)

Jari-jari kelengkunagn pada ujung retak adalah hal(o).

2b

nom

-

Tarikan Ellips

nom

ILTEK,Volume 6, Nomor 12, Oktober 2011

900

2a

Retak

2.b. Teori KelelahanAkibat gesekan poros dengan benturan yang kuran

diperhatikan atau mengalami siklus tegangan-regangan, sehingga terjadi kerusakan yang permanen.2.c. Teori Retak

Aliran tegangan sekitar tarikan &retak pembebananmelintang terhadap sumbu utama.1. Tarikan

- Konsentrasi tegang (Kt)= nom ( 1 + 2 (a / Rmin)½

- Rmin adalah jari-jari kelengkungan ujung sumbuutama.

2. Retak- Faktor inensitas tegangan (K)

K = nom ( .a)1/2

3. Tujuan Teknologi Mekanika Perpatahana. Perkembangan metode prediksi & peritungan

dari seberapa cepat retak akan tumbuh &seberapa cepat kekuatab sisa akan menurun.

b. Kekhususan1.Seberapa kekuatan tegangan sebagai fungsi

ukuran retak.2.Seberapa ukuran retak dapat di toleransikan

pada beban kerja (ukuran kerja kritis).3.Seberapa panjang retak tumbuh dari suatu

ukuran awal tertentu terhadap suatu ukurankritis.

4.Seberapa ukuran serabut yang diiznkan ketikastructural mulai digunakan,

5.Seberapa sering struktur tersebut diinspeksi.4. Sifat Mekanika

Material / bahan dalam penggunaanya dikenakangaya atau beban, karena itu perlu diketahui karaktermaterial agatr deformasi yang terjadi kerusakan ataupatah.- Karakter material / bahan tergantung pada :

1. Komposisi kimia2. Struktur mikro3. Sifat material, sifat mekanik, sifat fisik & kimia.

- Kekuatan / Strength1. Ukuran besar gaya yang diperlukan untuk

mematahkan atau merusak suatu bahan.2. Kekuatan luluh / yeld strength, kekuatan bahan

terhadap deformasi awal.3. Kekuatan tarik / fensile strength, kekuatan

maksimum / ductility, berhubungan besarRegangan sebelum perpatahan.

4. Kekerasan / Hardness, ketahanan bahanterhadap penetrasi pada permukaannya.

5. Ketangguhan / lougness, jumlah energy yangmampu diserap bahan sampai terjadiperpatahan.

6. Mulur / Creep7. Kelelahan / Fatique, ketahanan bahan terhadap

pembenanan dinamik.8. Patahan / failure

- Konsep Tegangan / Stress & Regangan / Starin

beban Tarik

beban Tekan

beban Geser

PERPATAHAN

Patah lelah (fatique) merupakan sala satu penyebabutama kegagalan bahan / material konstruksi.Kelelahan material adalah proses perubahan dinais(tegangan-regangan) sehingga terjadi retak (crack)ataupun patah. Mekanisme patah lelah di awalitimbulnya inti retak akibat pergerakan dislokasi siklik,dilanjutkan dengan pertumbuhan menjadi micro crack,kemudian tumbuh menjadi macro crack, selanjutnyaberkembang (propagasi) ingga terjadi patah lelah.

Umur lelah dapat ditingkatkan dengan caranormalizing / pengarbonan ulang, selanjutnya terhadapspecimen ini dilakukan normalizing ulang &dilanjutkan material yang tidak dinormalizing awalsehinggat tidak diperoleh perbedaan yang signifikan.

Normalizing ulang juga menyebabkan butirmaterial lebih peka terhadap patah.

B

C

Percobaan & diakhiri dengan dapat didahuluioleh deformasi plastik, maka disebut perpatahan ulet,bila deformasi plastik di sebut perpatahan rapuh.

Keuletan relatif dapat ditentukan dari:1. Pengukuran keuletan (dengan mengukur %

perpanjangan atau % penyusutan penampang)2. Jumlah energy yang diserap pada percobaan

Impack /pukul.Pada suhu rendah, retak dapat merambat lebih cepat

daripada terjadinya deformasi plastik, berarti energyyang diserap sedikit. Baja dibebani secara perlahan-lahan dapat patah ulet & patah rapuh pada impack(beban kejut).

nom

nom

ILTEK,Volume 6, Nomor 12, Oktober 2011

901

- Kelelahan terjadi pada Turbin daya & peralatanmekanik lainnya yang tadinya digunakan dengancukup memuaskan untuk jangka waktu lama,logam lelah dapat patah karena kelelahan,diketahui bahwa perpatahan terjadi karenapergerakan mikro struktur yang terlokalisirmenyebabkan perambatan retak. Pada tahappermulaan tumbuhnya retak terlihat terjadinya slipmikroskopis & slip tak mampu balik didalambutir-butir. Terjadinya penurunan keuletan secarabertahap pada bidang skip yang menyebabkanterbentuknya retak microskopik.

Slip

3.1. Perpatahan KelinganKadang-kadang pengelingan tidak terjadi atau

mengalami geseran terjai tegangan tarik tetapi justruterjadi perpatahan.

F F

Tahanan yang diinginkan oleh paku keeling dikenalsebagai tahanan patah.

3.2. Patahan Sambungan LasPatahan terjadi akibat sambungan yang tidak sesuai

dengan lasan. Ciri-ciri patahan1. Patah Ulet

a. Terlihat adanya deformasi plastik yang cukupbanyak, seperti deformasi slip & kembar.

b. Butir-butir Kristal bentuk memanjng karenaadanya regangan geser.

c. Penampang lintang dari benda mengecil &untuk baja dimana muka patahnya berwarna keabu-abuan.

d. Patah ulet akibatnya bahan mendapat bebanmelebihi kekuatan pada uji tarik akibatpenampangnya tidak cukup luas karena danyacacat dalam sambungan las yang tidak baik.

2. Patah GetasPatah getas terjadi saat yang tidak dapat diduga,baik pada waktu pembuatan maupun waktu sesudahselesai pembuatan dengan beban lebih rendah daripada batas luluh bahan. Patahnya Tegak lurusterhadap arah tegangan tarik dengan permukaanpatahan yang mengkilap, hal ini patahan terjadipada permukaan Kristal & tampaknya adanya garis-garis halus.

3. Patah Fatik / KetahananPatah akibat tegangan berulang yang besarnyadibawah tegangan yang dibolehkan, gejala patahakibat beban luar yang berulang & perubahanbentuk yang berulang.

4. Patah MulurSifat untuk meregang bila di bebani, regangan initerjadi suhu yang tinggi & tegangan yang lebihrendah dari pada tegangan luluh, sehingga terjadiperubahan bentuk plastik & kemudian patah, hal inidisebut mulur.

Reg D2/2 D patah mulur

Mukamulur III

CMuka mulur II

B

AMuka Mulur I

\Reg elastic –plastik pd pembebanan

wkt(dtk)

Gambar : Kurva Mulur

KELELAHAN / FATIQUEKelelahan merupakan suatu kegagalan lelah terjadi

ketika sebuh bahan telah mengalami silus tegangan &regngan yang menghasilkan kerusakan yang permanan,juga dapat terjadi dibawah atau diatas tegangan luluh.Kegagalan lelah pada umumnya meliputi pertumbuhaninti dan penebaran dari sebuah retak.4.1. Penyebab Kelelahan- Kelelaan yang dikontrol oleh tegangan.

1. Lengkung rotasi (rotating bending)2. Getaran (vibration)3. Penekanan(presuriation)4. Kontak Gelinding (Rolling Contacts)

- Kelelahan yang dikontrol oleh regangan.1. Siklus (thermal Cyclus)2. Tarikan besar (secerv notehes)3. Terbuka / Tertutup (opened / closed)Umur lelah / fatique life, biasanya 107 siklus

perkiraan dari jumlah siklus yang dialami oleh suatupiston mobil dari 100.000 mil (~ 330.000 ).Pengukuran Kelelahan diperoleh dari :1. Struktur presisi (smooth) dan bertekuk (notehead)

a. Kelelahan meiputi pertumbuhan inti &penyebaran retakan (prpogation of crack).

b. Karateristik dengan umur lelah T - S (Tegangan– Siklus, S-N) atau R – S (Regangan Siklus,− ).

c. Takikan mengkonsentrasikan tegangan &regangan.

2. Struktur Retak.a. Kelelahan meliputi penyebarab retakb. Karateristik dengan laju pertumbuhan retak

lelah (fatique, crack growth rate)Tujuan untuk memprediksi umur lela atau sikluspembebanan maksimum untuk menentukanumur yang tidak terbatas (infinite life).

4.2. Deformasi / Perubahan

- Deformasi ElastisPada pembebanan rendah dalam uji tarik hubunganantara tegangan & regangan linier deformasi

ILTEK,Volume 6, Nomor 12, Oktober 2011

902

elastic, dimana hubungan tersebut masih dalamdaerah deformasi elastic, dikenal sebagai hokumHooke, deformasi yang mempunyai hubungantegangan & regangan linier (proposional) disebutdeformasi elastis.Hubungan tegangan geser & regangan geser

dinyatakan dengan:= .Dimana: = tegangan geser

=Regangan geserG=modulus geser

- Deformasi PlastisUntuk material logam, umumnya deformasi elastisterjadi <0.05 regangan, bila regangan >0.005 terjadideformasi plastis (deformasi permanen).

4.3. A. Keuletan (dictilusy)Keuletan = derajat deformasi plastis terjadinya

patah, dimana keuletan nyatakan dengan:- Presentase & longasi

% EI = (Li-L0) / L0 x 100%- Presentase reduksi Area

% AR = (A0AI) / Ao x 100 %B. Kelelahan dalam Logam

Deformasi plastis terjadi pada butir-butir orientasiyang sesuai, meskipun dibawah batas elastis. Padalogam murni, dimana langkah slip ekstrusimengawali terjadinya retakan (memerlukan banyaksiklus). Pada logam komersial, dimana akumulasiregangan plastis menumbuhkan inti retakan kecilditempat inklusi (memerlukan sedikit siklus).Dimana, sebuah retak dapat menumbuhkan intitetapi tidak menyebarkan retakan.

C. Analisa untuk menentukan penyebab kegagalanSuatu komponen atau peralatan dikatakankesalahan jika:1. Sama sekali tidak dapat dioperasikan2. Dapat dioperasikan, tetapi tidak berfungsi

dengan baik.3. Ada kerusakan, tetapi tidak aman bila

dioperasikan.

Kegagalan dapat diartikan kerusakan yang tidakwajar, rusak sebelum waktunya

U (st.37)=(tegangan maksimum)

9i

design =4i ( tegangan linier)

D. Penyebab utama kegagalan / kesalahan1. Kesalahan dalam perencanaan / design.

a.Operasi yang sebenarnya, antara lain: beban,lingkungan, suhu operasi, dsb.

b.Adanya tarikan.2. Kesalahan dalam pemilihan material / bahan

a. Data material yang tidak mencukupi,misalnya hanya data uji tarik, padahalbebannya dinamik akan terjadi fatiquem dst.

b. Kriteria pemilihan material.Kaitan antara beban / tegangan & suhuoperasi dengan mekanisme kegagalan sertacriteria pemilihan material.

3. Cacat Materiala. Cacat dipermukaan & didalam material akan

menurunkan kekuatannya.b. Cacat pengecoran: Inklusi, porosititas,

rongga, retak penysutan, dst.c. Cacat pengerolan / tampa: Segresi,

Laminasi, oksida didekat permukaan, dst.4. Kesalahan dalam proses pengerjaan

a. Proses Farming, dapat menimbulkantegangan sisa, retak mikro, dst.

b. Machining & Grinding juga menimbulkantegangan sisa & pemusatan tegangan akibatkekasaran permukaan.

c. Gridning (asah / yang berlebihan sampaikelewat panas, dapay menyebabkan retakpada permukaan.

d. Penandanaan dapat menimbulkanppemutusan tegangan.

e. Pemanas hanya dapat menyebabkan bajamenjadi lunak (dekorborasi), penyimpangan(distorsi) & bahkan retak poros cukup cepat.

f. Plast listrik dapat menyebabkan penggetasanhydrogen.

g. Pengelasan dapat meninggalkan cacat-cacatpengelasan al : proditas, inklusi, retaktegangan sisa, peka pada baja tahan karat,dst.

5. Kesalahan dalam pemasangan / perekatana. Kesalaan dalam pemasangan, seperti halnya

kelurusan akan menimbulkan beban yangberlebihan.

b. Begitu pula dengan pemakssan dalamperakitan.

6. Kesalahan operasia. Kondisi operasi yang tidak normal /

berlebihan, missal: beban, kecepatan, suhu,akan merusakn peralatan.

b. Bila lingkungan lebih korosif yang didugasebelumnya.

c. Perawatan yang kurangd. Prosedur start-up & shect-down yang salah.- Retakan biasanya dikelompokkan atas cirri-

ciri mikroskopis, al:a. Patah ulet ( Ductile Frecture)

Patah ulet disertai adanya deformasi plastisdisekitar patahan. Permukaan patahanNampak berserabut (Sibraus), sehinggakelihatannya berusaha kelabu.

b. Patah getas (Brittle Fracture)Patah getas menjalar dengan kecepatantinggi daripada patah ulet. Patah getashamper tidak disertai dengan deformasiplastis. Permukaan patah getas kelihatan

ILTEK,Volume 6, Nomor 12, Oktober 2011

903

mengkilap, berbutir (gramular) & relatifrata.

awal

RetakanGambar: Permukaan Patah Getas

Patah getas dapat mengikuti batas butir ataupunmemotong butir. Bila retakannya mengikuti batas butirmaka disebut patah getas Integramular, bila retaknyamemotong butir, maka dinamai patah getasTransgramular. Patah getas Transgramular dapat terjadipada baja karbon rendah pada suhu operasi yang sangatrendah.

Inti Tergramlor`

Transgramlor

c. Patah Lelah (Fatique Farcture)Beban yang berubah-ubah atau berulang-ulangdapat mengakibatkan patah lelah berawal darilokasi yang mengalami pemuasatan tegangan,misalnya akibat adanya cacat tarikan. Tegangansetempat akan tinggi, bahkan melampaui batasluluh material. Akibatnya ditemapt itu akan terjadideformasi pastos dalam skala mikroskopis.Tegangan yang berfluktuari akan menyebabkanterjadinya skip antara bidang-bidang atomnya. Darilokasi tersebut akan berawal retak lelah yangselanjutnya merambat. Perambatan retak sejalandengan pembebanan yang berfluktuasi. Bila retaklelah ini telah jauh merambat, sehingga luaspenampang yang tersisa tidak lagi dapatmendukung beban, maka komponen akan patah.

Inti retak

Garis Pantau

Patah Statis

Gambar: Permukaan Patah Lelah

d. Retak Korosi TeganganPeristiwa retak Korosi tegangan adalah gabunganantara tegangan tarik dengan pengaruh lingkungan,kebanyakan retakannya mengikuti batas utirsehingga berupa retakan. Integramlor. Hal inisering kali terjadi pada paduan Al – Zn – Mg. bajakonstruksi pun juga dapat mengalami retak korosi

tegangan bila bekerja pada lingkungan yangmengandung mitra pekat yang panas atau larutanNa OH. Baja berkekuatan tinggi juga peka terhadapkorosi tegangan, begitu juga kuningan padalingkungan yang tercemar dengan amoniak.

e. PenggetasanBaja berkekuatan tinggi peka terhadap penggetasan.Atom-atom hydrogen yang tadinya intersisi dapatbertemu & berkumpul membentuk melokul gashydrogen. Akibat tidak tersediannya ruang cukupgas tersbut akan bertekanan tinggi sekali &mendesak baja hingga patah getas. Masuknyahydrogen kedalam baja ini dapat terjadi pada prosespengerjaan, misalnya pengelasan, Electro plating,ataupun banyak hidrogennya.

f. MulurPeristiwa mukur ini terjadi bila komponen bekerjapada suhu tinggi, yaitu diatas 0.4 atau 0.5 titikcairnya dalam suhu oK. Mulur ini adalah deformasiyang berjalan dengan waktu. Oleh karena itu mulurditandai dengan adanya deformasi yang cukupbesar.

g. Retak dengan modus gabunganPatahan juga terjadi pada gabungan dari duamodus.Contoh:Peristiwa patah lelah yang berawal dari lokasi yangterkorosi. Tempat yang terserang Korosi akanmengalami pemuratan tegangan. Retak lelah akanberawal dari bagian retak kemudian menjalar.

KESIMPULAN & SARAN

5.1 Kesimpulan1. Perpatahan merupakan suatu bagian bahan yang

terpisah akibat beban yang diberikan sehinggapembentukan retak dibawah konduksi siklus tegang& regangan.

2. Kelelahan adalah pertumbuhan inti & pertumbuhanakibat retakan tetapi tidak menyebarkan retakan.

3. Kegagalan dapat diartikan kerusakan yang takwajar, rusak sebelum waktunya.

5.2 Saran-saran

1. Disarankan agar supaya bahan yang digunakanuntuk ketahanan suatu beban perlu diperhatikanfaktor kandungan dalam karbon.

2. Agar suapaya jangan terjadi kegagalan perludilakukan analisa kegagalan.

DAFTAR PUSTAKA

1. Colangelo, VJ, Heiser, FA, 1974, AnalisisMetalurgi Failure, John Wiley & Son, USA.

2. Adwards, Wanhill, 2001, Fractures Mechanic, JohnWiley & Son, London,

3. Sunallman RE, ahli bahasa, Djapril Srtiati,Metalurgi Fisik Modern, Gramedia, Pustaka Utama,Jakarta, 1985.

4. Dieter, ahli bahasa, Djapril Sriati, 1989, MetalurgiMekanik, jilid I & II, Erlangga, Jakarta.

ILTEK,Volume 6, Nomor 12, Oktober 2011

904