Latar Belakang
Hampir semua kegagalan yang terjadi pada mesin-mesin adalah akibat beban dinamik (beban yang berubah-ubah terhadap waktu) dibandingkan akibat beban statik. Kegagalan ini biasanya terjadi pada level tegangan dibawah yield strength material.
Sehingga dengan hanya melakukan desain berdasarkan teori kegagalan statik bisa mengakibatkan hasil desain tidak aman atau mengalami kegagalan ketika hasil desain tersebut menerima beban dinamik.
Uji fatik adalah kelelahan yang sering terjadi pada material yang dinamis. Sejak tahun 1830 telah diketahui bahwa logam yang dikenai tegangan berulang akan rusak pada tegangan yang jauh lebih rendah dibanding yang dibutuhkan untuk menimbulkan perpatahan pada beban tungggal.
Kegagalan yang terjadi pada keadaan beban dinamik dinamakan kegagalan lelah (fatigue failures), barangkali karena pada umumnya kegagalan tersebut hanya terjadi setelah periode pemakaian yang cukup lama.
Terdapat tiga faktor dasar yang diperlukan agar terjadi kegagalan lelah. Ketiga factor tersebut adalah:
- tegangan tarik maksimum yang cukup tinggi
- variasi atau flutuasi tegangan yang cukup besar
- siklus penerapan tegangan yang cukup besar
Rumusan Masalah
Pada makalah ini terdapat rumusan masalah yang akan dibahas, diantaranya:
- Apakah maksud dari Pengujian Fatik?
- Bagaimana mekanisme dari pengujian fatik?
- Bagaimana menentukan pembebanan dari pengujian fatik?
- Apa saja jenis patahan patahan yang terjadi pada pengujian fatik.
A. Pengertian Pengujian fatik
Uji fatik adalah kelelahan yang sering terjadi pada material yang dinamis. Sejak tahun 1830 telah diketahui bahwa logam yang dikenai tegangan berulang akan rusak pada tegangan yang jauh lebih rendah dibanding yang dibutuhkan untuk menimbulkan perpatahan pada beban tungggal.
Kegagalan yang terjadi pada keadaan beban dinamik dinamakan kegagalan lelah (fatigue failures), barangkali karena pada umumnya kegagalan tersebut hanya terjadi setelah periode pemakaian yang cukup lama. Kegagalan fatiq semakin menonjol sejalan dengan pengembangan teknologi seperti; pesawat, mobil, kompresor, pompa, dan lain-lainnya.
Kesemuanya mengalami beban berulang dan getaran. Hingga kini sering dinyatakan bahwa kelelahan meliputi paling tidak 90% dari seluruh kegagalan yang disebabkan oleh hal-hal yang bersifat mekanis.
Terdapat tiga faktor dasar yang diperlukan agar terjadi kegagalan lelah. Ketiga factor tersebut adalah:
1. tegangan tarik maksimum yang cukup tinggi
Tegangan tarik maksimum merupakan factor yang bisa membuat benda uji adatu kompenen mesin mengalami kegagalan lelah. Tegangan tarik yang tinggi membuat kegagalan lelah lebih cepat tejadi. Dimana saat tegangan tarik semakin besar, maka semakin cepat pula kegagalah lelah terjadi.
2. variasi atau flutuasi tegangan yang cukup besar
Variasi atau fluktuasi tegangan adalah naik turunnya besaran tegangan yang mengakibatkan kegagalan lelah terjadi. Biasanya benda uji atau komponen mesin akan mengalami kegagalan lelah pada atau sekitar permukaan benda uji. Dengan adanya fluktuasi tegangan tersebut membuat benda uji di bawah batas kegagalan lelah, sehingga mengakibatkan umur kegagalan lelah semakin cepat.
3. siklus penerapan tegangan yang cukup besar
Semakin besar siklus tegangan yang diterapkan pada pengujian fatik, menyebabkan cepat terjadinya kegagalan lelah. Dealoam banyak pengujian dan aplikasi pemakaian, tegangan maksimum terjadi pada permukaan benda uji atau kompnen mesin.
Selain tiga faktor diatas terdapat sejumlah variable lain, yakni; konsentrasi tegangan, korosi, suhu, kelebihan bahan, struktur metalurgis, tegangan sisa, dan tegangan kombinasi yang cendrung untuk mengubah kondisi kelelahan.
B. Mekanisme pengujian Fatik
Ada tiga tahap terjadinya kegagalan lelah, yaitu crack initiation, crack propagation, dan fracture secara tiba-tiba akibat pertumbuhan crack yang tidak stabil.
a. Crack initiation
Pada skala mikroskopik material (logam) ulet (ductile) adalah tidak homogen dan anisotropic sehingga pasti terdapat stress concentration (notched). Ketika ada beban yang berosilasi (beban dinamik) di daerah notch akan menyebabkan local yielding pada daerah tersebut Yielding plastis yang terlokalisasi tersebut menyebabkan distorsi dan membentuk “slip band ” sepanjang batas kristal material. Slip band dalah daerah yang sangat intens mengalami deformasi akibat shear motion.
Dengan semakin banyaknya tegangan yang berosilasi maka slip band terus bertambah dan akan bergabung membentuk mikroskopic crack. Walaupun tidak ada notch mekanisme ini tetap terjadi sepanjang beban dinamik melampaui yield strength di suatu daerah mikroskopik pada material.
Keberadaan void atau inclusion membantu terjadinya crack. Material yang keuletannya lebih rendah cenderung lebih cepat mengalami crack, dengan kata lain material tersebut “more notch sensitivity”. Untuk material getas, mekanisme local yield (crack initiation) tidak terjadi, tetapi langsung ke tahap rack propagation di tempat dimana terdapat void atau inklusi pada material.
b. Crack propagation
Crack yang berujung tajam menimbulkan konsentrasi tegangan yang lebih besar dibandingkan dengan notch, dan daerah plastis selalu timbul di ujung crack ketika crack terbuka akibat tegangan tarik, yang kemudian menumpulkan crack. Crack yang tumpul mengurangi efektivitas konsentrasi tegangan.
Ketika tegangan tarik berubah siklus ke tegangan tekan/ nol/ tegangan tarik yang cukup kecil seperti pada gambar a, b dan c di samping akan menyebabkan crack menutup dan momentarily yielding berhenti dan hal ini menyebabkan crack meruncing kembali tetapi dengan dimensi yang lebih besar. Hal ini terjadi berulang-ulang sepanjang tegangan lokal di ujung crack bersiklus mulai dari bawah tegangan tarik yield (<σy) sampai tegangan diatas tegangan tarik yield (>σy).
Mekanisme lain penyebab crak propagation adalah korosi. Apabila ada suatu komponen mesin yang terdapat crack di dalamnya berada di lingkunagan korosif maka crack dapat tumbuh ketika menerima beban statik. Kombinasi tegangan dan korosi memiliki efek yang saling bersinergi satu sama lain yang mana material akan cepat terkorosi ketika menerima tegangan dibandingkan material yang tidak menerima tegangan.
c. Fracture
Pertumbuhan crack pada suatu komponen akibat siklus beban dinamik akan mencapai dimensi tertentu yang cukup besar untuk menimbulkan stress intensity factor, K di ujung crack yang selevel dengan fracture toughness, Kc material sehingga komponen tersebut dapat gagal secara tiba-tiba tanpa adanya peringatan terlebih dahulu pada siklus beban dinamik berikutnya.
Mekanisme kegagalan ini sama dengan kondisi dimana K=Kc tercapai dengan adanya mekanisme crack propagation. Pemeriksaan dengan menggunakan mata telanjang pada komponen yang gagal akibat fatigue menunjukkan suatu pola tertentu.
Ada suatu daerah yang dimulai dari tempat dimana awal micocrack terjadi yang mana daerah tersebut kelihatan mengkilap (burnished). Daerah tersebut terpisah dengan daerah yang terlihat pudar/ tidak mengkilap dan kasar (dull and rough) dan terlihat seperti patah getas.
C. Pembebanan pengujian Fatik
Beban yang bervariasi terhadap waktu (beban dinamik) memiliki potensi untuk menyebabkan kegagalan lelah. Karakter beban tersebut secara substansial dapat bervariasi dari aplikasi yang satu ke aplikasi yang lain.
Aplikasi beban pada rotating machinery, amplitudo bebannya akan selalu konsisten (tetap) sepanjang waktu dan berulang-ulang pada frekuensi tertentu. Aplikasi beban pada service equipment (segala jenis kendaraan), amplitude dan frekuensi bebannya acak sepanjang waktu. Bentuk gelombang beban sebagai fungsi waktu pada service equipment yang dalam keadaan tidak terkorosi terlihat tidak memiliki pengaruh signifikan pada kegagalan lelah.
a. Rotating Machinery Loading
Tegangan sebagai fungsi waktu yang dialami rotating machinery dapat dimodelkan sebagai berikut:
Gambar Nilai alternating, mean, dan range
Tiga kondisi tegangan siklus pada gambar diatas:
- Fully reversed
- Repeated ( kasus Release tension, gelombang diatas sumbu axis)
- Fluctuating
Selain tiga kondisi tegangan diatas, ada satu lagi kondisi tegangan yang sering digunakan, yaitu release compression dimana gelombang dibawah sumbu axis. Keempat kondisi tegangan mempunyai amplitudo yang konstan.
- Stress range (Δσ)
- Stress ratio
- Amplitude ratio
Amplitude ratio A berhubungan dengan stress ratio R, seperti ditunjukkan dalam persamaan berikut:
b. Service Equipment Loading
Karakter beban sebagai fungsi waktu untuk service equipment tidak mudah didefinisikan seperti pada rotating machinery. Data terbaik didapatkan dari pengukuran actual pada service equipment dengan simulasi kondisi operasi, contohnya:
- Industri mobil menggunakan kendaraan prototipe untuk menguji kondisi jalan dengan melakukan simulasi berbagai macam permukaan dan tikungan jalan. Kendaraan uji sangat mahal karena dilengkapi dengan accelerometers, force transducers, strain gages, dan berbagai macam intrumen yang lain yang memberikan sejumlah data yang besar ke computer yang mana data tersebut dalam bentuk digital untuk dianalisis lebih lanjut.
- Industri pesawat terbang juga melengkapi pesawat uji dengan berbagai peralatan yang mencatat in-flight force, acceleration, dan strain data.
- Kapal laut dan offshore oil platform juga dilakukan pengujian actual.
c. Rotary bending machine
Pada pengujian fatik yang dilakukan dengan Rotary Bending Mchine, jika bena diputar dan diberi beban maka akan terjadri momen lenturnpada benda uji dan mengakibatkan terjadinya beban lentur pada permukaan benda uji.
Gambar di atas menunjukkan gaya-gaya yang bekerja pada pengujian lelah tipe rotary bending tegangan maksimum yang bekerja spesimen berada pada daerah area uji. Dari hasil pengujian ini akan diperoleh informasi mengenai kekuatan lelah dari bahan dan pada benda uji yang berputar diberikan beban maka akan terjadi momen lentur sebesar (M). Tegangan lentur yang terjadi pada permukaan bahan dapat ditentukan dengan menggunakan momen inersia dan jarak melintang benda uji dengan persamaan sebagai berikut :
Dimana :
- σ = Tegangan lentur (kg/cm2)
- d = Diameter benda uji (cm)
- W = Beban yang digunakan (kg)
- π = 3.14
- L = Jarak antara beban dan titik area pengujian (cm)
D. Kurva S-N pada Pengujian fatik
Metode dasar untuk penyajian data kelelahan adalah menggunakan kurva S-N, yaitu pemetaan tegangan (S) terhadap jumlah siklus hingga terjadi kegagalan (N). Nilai tegangan yang diplot dapat berupa nilai tegangan maksimum, minimum atau nilai rata-rata (Julie A. Bannantine et. al, 1990:11).
Kurva kelelahan untuk logam besi dan bukan besi
Kurva di atas menunjukkan kurva ke-lelahan untuk logam besi dan bukan besi (non ferrous). Siklus S-N yang melampaui batas lelah (N > 107), baja dianggap mempunyai umur yang tak berhingga atau kegagalan diprediksi tidak akan terjadi, sedangkan untuk logam bukan besi tidak terdapat batas lelah yang signifikan dengan kurva S-N dengan gradien yang turun sedikit demi sedikit sejalan dengan bertambahnya jumlah siklus.
Kekuatan lelah atau batas lelah (endurance limit, Se) adalah tegangan yang memberikan umur tak berhingga. Tegangan dibawah batas lelah akan menyebabkan logam aman terhadap kelelahan, hal ini disebabkan karena gerakan dislokasinya akan terhambat oleh atom-atom asing sehingga tidak akan menghasilkan PSB (Presistant Slip Band) (George E. Dieter, 1992: 4)
Gambar . Grafik S-N aluminium alloys (tidak ada endurance limit)
Gambar. Endurance limit sebagai fungsi kekuatan ultimate untuk baja karbon, baja paduan, dan besi tempa.
Gambar. Grafik S-N untuk ferrous alloys (endurance limit terlihat jelas)
Grafik S-N secara umum untuk baja
E. Jenis - Jenis Patahan pada Pengujian fatik
Gambar . Dua contoh kegagalan fatigue
Pada gambar diatas adalah dua contoh kegagalan fatigue:
a. Poros berpasak dengan material baja 1040 mengalami kegagalan akibat beban rotating bending dan crack diawali dari jalur pasak (keyway).
b. Crankshaft pada mesin diesel mengalami kegagalan akibat kombinasi bending dan torsi yang mana crack diawali pada daerah yang ditunjuk panah.
Daerah yang mengkilap adalah daerah crack dan lebih sering memperlihatkan beachmark (disebut beachmark karena mereka menyerupai riak-riak yang tertinggal di pasir laut akibat mundurnya gelombang laut). Beachmark berbeda dengan striation yang mana striation jauh lebih kecil dan tidak dapat dilihat dengan mata telanjang. Beachmark terjadi akibat proses permulaan dan berakhirnya pertumbuhan crack dan beachmark tersebut mengelilingi/ melingkupi suatu daerah yang menjadi awal mula terjadinya crack yang biasanya berupa notch atau internal stress-riser. Kadangkadang beachmark terlihat kabur (tidak jelas) akibat banyaknya gesekan pada permukaan crack. Daerah patah getas (brittle failure) yang terlihat kasar dan tidak mengkilap merupakan daerah dimana kegagalan terjadi secara tiba-tiba ketika crack mencapai batas ukurannya dimana K=Kc.
Pola patahan baja tahan karat AISI 304 dalam lingkungan 3,5% NaCl pada tegangan 369.53 MPa
Fenomena ini terjadi pada lingkungan 3,5% NaCl disebabkan karena larutan 3,5% NaCl berfungsi sebagai media pendingin sehingga deformasi plastis akibat tegangan geser yang terjadi lebih kecil. Perputusan (rupture) yang terjadi menunjukkan pola kegagalan getas (brittle failure) membentuk garis pantai (beach mark) ditunjukkan pada foto Gambar di atas.
Gambar. Fatigue striation pada permukaan crack pada paduan aluminium. Jarak antar striation berhubungan dengan bentuk siklus beban dinamik
Gambar: Penampang patah lelah pada specimen remelting
Daftar Pustaka
- http://masmukti.files.wordpress.com/2011/10/bab-06-kriteria kegagalan-lelah2.pdf
- http://prodipps.unsyiah.ac.id/Jurnalmtm/images/Jurnal/2012Juli/herdiSusanto.pdf
- Sonny, Harsono C, 2006, Karakteristik Kekuatan Fatik pada Paduan Alumunium Tuang, Fakultas Teknik, Universitas Negeri Semarang, Semarang
- Sugiarto, Teguh. Sugiyanto & Zulhanif. juli 2013. “ Analisis Uji Kelelahan Baja Karbon Sedang Aisi 1045 dengan Heat Treatmen dengan Menggunakan Alat Rotary Bending”.Jurnal Vema Volume 3.
Mau donasi lewat mana?
Donate with PaypalGopay-