FATIGUE (KELELAHAN) BAHAN
Fatigue (kelelahan) adalah salah satu jenis kerusakan atau kegagalan yang di akibatkan oleh beban berulang. perpatahan akibat fatigue terjadi dalam 3 fase: 1) permulaan retak 2)penyebaran retak 3) patah.
Diperkirakan 50% - 90% (gambar 1) penyebab utama kegagalan pemakaian bahan adalah fatigue (kelelahan). ini di picu oleh retak pada bahan yang berawal dari lokasi yang paling lemah kemudian terjadi pembebanan bolak – balik sehingga keretakan tersebut menyebar dan mengakibatkan bahan itu patah.
Gambar. 1 Distribusi mode kegagalan
3 siklus tegtangan yang umum terjadi pada fatigue (kelelahan) bahan:
A. fluktuasi tegangan terjadi mulai dari tegangan rata-rata nol dengan amplitude yang konstan
B. fluktuasi tegangan dimulai di atas garis rata-rata noldengan amplitude konstan
C. fluktuasi tegangan yang acak
seperti yang ditunjukkkan pada gambar
Karakteristik kelelahan logam dapat dibedakan menjadi 2 yaitu karakteristik makro dan karakteristik mikro. Karakteristik makro merupakan ciri-ciri kelelahan yang dapat diamati secara visual(dengan mata telanjang atau dengan kaca pembesar). Sedangkan karakteristik mikro hanya dapat diamati dengan menggunakan mikroskop.
KarakteristikMakroskopis
Karakteristik makroskopis dari kelelahan logam adalah sebagaiberikut:
1. Tidak adanya deformasi plastis secara makro.
2. Terdapat tanda ’garis-garis pantai’ (beach marks) atau clam shell atau stop/arrest marks , seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2 dibawah ini.
3. Terdapat ’Ratchet marks’ seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3 dibawah ini.
Karakteristik Mikroskopis
Karakteristik mikroskopis dari kelelahan logam adalah sebagai berikut:
1. Pada permukaan patahan terdapat striasi (striations).
2. 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).
Persamaan striasi dan beach marks adalah sebagai berikut:
1. Ke-2 nya menunjukkan posisi ujung retak yang terjadi setiap saat sebagai fungsi dari waktu siklik.
2. Ke-2 nya berasal dari lokasi awal retak yang sama.
3. Ke-2 nya memiliki arah yang sama(parallel ridges).
4. Ke-2 nya tidak hadir pada logam-logam yang terlalu keras atauterlalu lunak.
Perbedaan striasi dan beach marks adalah sebagai berikut:
1. Ukuran striasi adalah mikroskopis (1 ÷ 100 µ) dan hanya dapat dilihat dengan menggunakan mikroskop elektron.
2. Ukuran beach marks adalah makroskopis (> 1000 µ atau 1mm) dan dapat dilihat dengan mata telanjang.
3. Striasi mewakili majunya ujung retakan yang bergerak setiapsatu siklus pembebanan, sedangkan beach marks mewakili posisi dari ujung retakan ketika beban siklik berhenti untuksatu perioda tertentu. (satu beach mark dapat terdiri atasratusan bahkan ribuan buah striasi)
FAKTOR-FAKTOR YANG MEMPENGARUHI FATIGUE LIFE
1. STRESS CONCENTRATION
Pemicu-pemicu terjadinya konsentrasi tegangan seperti fillet, notch, alur pasak, positas, inklusi dan lain-lain akan menyebabkan menurunnya umur fatigue/fatigue life. Untuk menentukan hubungan tegangan siklus untuk spesimen dengan notch, maka diperlukan tegangan nominal. Perbandingan antara fatigue limit dengan notch dan fatigue limit tanpa notch disebut fatigue norch faktor (Kt).
Atau dari nilai Kt, dapat dihitung notch sensitivitas dengan symbol q
Dimana : Kt = faktor konsentrasi tegangan
Bila kekuatan tarik , radius notch dan ukuran penampang naik, dan bila ukuran butir turun maka nilai Q akan naik.
2. DIMENSI (SIZE)
Bila ukuran spesimen bertambah maka ketahanan fatigue kadang-kadang menurun. Hal ini ada beberapa alasan, Kegagalan akibat fatigue biasanya dimulai dari permukaan. Jadi bila penambahan size dilakukan maka memberikan kemungkinan menimbulkan keberadaan cacat. Akibatnya retak berawal pada cacat tersebut.
3. EFEK PERMUKAAN
Ketahanan fatigue sangat dipengaruhi oleh kondisi permukaan. Kondisi permukaan tersebut adalah sifat permukaan seperti perlakuan permukaan seperti surface hardening dan tegangan sisa permukaan. Efek dari surface finishing atau kekasaran permukaan secara qualitatif juga mempengaruhi ketahanan fatigue suatu material seperti yang ditunjukkan pada Tabel.1.
Perlakuan-perlakuan permukaan yang akan merubah sifat mekanik permukaan juga akan mempengaruhi ketahanan fatigue bahan.
4. TEGANGAN RATA - RATA (MEAN STRESS)
Tegangan rata-rata (mean stress) juga mempengaruhi ketahanan fatigue. Tegangan ini ditunjukkan dengan amplitudo tegangan yang dinyatakan dengan ratio tegangan R = tegangan min/tegangan maks. Untuk R = -1 artinya amplitudo tegangan tarik sama dengan amplitudo tegangan tekan. Bila nilai R cendrung menjadi positif maka ketahanan fatiguenya menjadi turun. Pengaruh ratio tegangan ditunjukkan pada Gambar.6.
5. FAKTOR METALURGI YANG MEMPENGARUHI KETAHANAN FATIGUE
v UKURAN BUTIR
semakin halus ukuran butir maka ketahanan fatiguenya meningkat. Namun tidak berpengaruh pada baja tanpa notchyang mendapat perlakuan panas
v STRUKTUR MIKRO
Perubahan struktur mikro yang mempengaruhi ketahanan fatigue. Karena bila terjadi perubahan struktur mikro berarti akan terjadi perubahan fasa pada bahan, karena bervariasinya fasa-fasa pada materi maka akan memberikan perbedaan pengaruh terhadap ketahanan fatigue
v ORIENTASI
Material yang mengalami metal working seperti proses roll akan memiliki orientasi arah butir yang searah dengan pengerolan, dalam hal ini ketahanan fatigue bersifat anisotropic. Ketahanan fatigue akan meningkat bila arah pembebanan searah dengan arah pengerolan,dan akan rendah bila sebaliknya.
Grafik S-N atau Grafik Tegangan – Siklus Kegagalan (T – S)
Grafik S-N atau grafik tegangan – siklus kegagalan (T – S) adalah grafik yang didapat dari hasil pengujian fatik yang merupakan grafik hubungan antara kekuatan fatik dan jumlah siklus pembebanan. Grafik S-N memberikan banyak informasi sifat fatik karena pada saat pengujian, dimasukkan faktor geometri, perlakuan permukaan, kondisi pembebanan, temperatur dan proses perlakuan material. Kekurangan grafik S-N adalah tidak dapat memprediksi deformasi plastis lokal dan efek dari tegangan rata-rata. Contoh grafik S-N diperlihatkan pada Gambar.9
Gambar 9. Grafik Hasil Pengujian Fatik (Fatigue Test)
Dari grafik diatas terdapat informasi mengenai karakteristik fatik dari material, sumbu horizontal menunjukkan data jumlah siklus pembebanan dan sumbu vertikal menunjukkan kekuatan fatik. Pada rentang siklus 107 sampai 108 dapat diamati ada tiga buah data spesimen yang diberi tanda panah. Arti tanda ini adalah spesimen belum patah pada saat pengujian dihentikan. Kondisi ini dinamakan batas ketahanan material dalam menerima beban fatik (endurance limit). Tingkat tegangannya dinamakan tegangan endurance (σe). Untuk merencanakan komponen yang memiliki umur pakai aman atau bahkan umur tak hingga maka tingkat tegangan yang diaplikasikan harus dibawah batas tegangan endurance nya.
PERAMBATAN RETAK (CRACK PROPAGATION)
Perambatan retak adalah tahap ke2 dari ke3 tahap proses kerusakan , dalam hal ini retak tumbuh dan menjalar mencapai batas kritis. Dari data perambatan retak dari prediksi fatigue life dapat dikembangkan dengan rumus:
da/dN = C ( K)m
dimana :
K = range faktor intensitas tegangan C = konstanta material
m = material constant, da/Dn= laju pertumbuhan retak
Laju perambatan retak merupakan fungsi dari faktor intensitas tegangan. Retak berawal dari daerah yang paling lemah, kemudian berkembang seiring dengan berjalannya siklus pembebanan. Didalam suatu percobaan biasanya perambatan retak dapat diukur secara visual dengan alat teleskop, atau bisa dilakukan dengan alat ultrasonik.
Laju perambatan retak merupakan fungsi dari faktor intensitas tegangan. Retak berawal dari daerah yang paling lemah, kemudian berkembang seiring dengan berjalannya siklus pembebanan. Didalam suatuipercobaan biasanya perambatan retak dapat diukur secara visual dengan alat teleskop.atau bisa dilakukan dengan alat ultrasonik ataupun dengan alat pengubah resistivitas listrik.
da/dN dievaluasi pada suatu panjang retak , kemudian untuk panjang retak tersebut. Dengan mengasumsi bahwa panjang retak a pada suatu panjang konstan dan hanya tegangan yang bervariasi. Hal ini ditunjujkkan untuk suatu kalibrasi K sederhana :
K =
=
=
dimana :
= range tegangan = range beban
A = penampang a = panjang retak
CIRI PATAH LELAH
secara makroskopi kegagalan akibat fatigue selalu ditunjukkan dengan adanya deformasi plastis yang sedikit yang terlihat rata dan diikuti oleh patah statik. Secara makro kegagalan akibat fatigue sering ditandai dengan adanya beach mark atau garis pantai. Beach mark adalah garis yang menunujukkan hubungan siklus selama pembebanan.
Lokasi dan bentuk dari beach mark bervariasi terhadap kondisi pembebanan. Retak selalu dimulai dari daerah konsentrasi teganganseperti fillet dan alur pasak pada poros. Dengan bergantung pada kondisi pembebanan, maka retak awal dapat berawal dari beberapa tempat. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar.A dan B.
Gambar.A. Permukaan patah fatigue dengan multiorigin
Gambar.B. Awal retak pada selinder dinding tebal
Pengaruh kondisi pembebanan fatigue akan mempengaruhi karakteristik permukaan patahnya , seperti yang ditunjukkan pada Gambar.C
Gambar.C. Permukaan patah fatigue terhadap kondisi beban
DAFTAR PUSTAKA
http://knuklebomb.files.wordpress.com/2010/12/fatigue-life-prediction.doc
http://202.91.15.14/upload/files/8502_Bab_08_FATIK.ppt
http://andysembiring.blogspot.com/2011/05/faktor-faktor-yang-mempengaruhi-fatigue.html
http://www.scribd.com/doc/34105713/Fatigue-Kelelahan-Logam-AA
http://www.scribd.com/doc/29446632/Laporan-Uji-Fatigue-Matrek
