2-aspek metalurgis thd kelelahan logam (aa)
TRANSCRIPT
SesiKe-
Pokok Bahasan Hasil Pembelajaran Penilaian Hasil PembelajaranMetode
Penilaian
01Karakteristik
kelelahan logam
Mahasiswa mengetahui dan memahamikegagalan patah lelah pada komponen logam.
Mahasiswa mampu menjelaskankarakteristik dari patah lelah yangterjadi pada komponen logam.
ჱ Tugasჱ UTSჱ UAS
02Aspek metalurgipada kelelahan
logam
Mahasiswa mengetahui dan memahami aspekmetalurgi yang mempengaruhi perilakukelelahan pada logam.
Mahasiswa mampu menjelaskan aspekmetalurgi yang mempengaruhiperilaku kelelahan logam.
03 batas lelah logam
Mahasiswa mengetahui dan memahami bataskelelahan logam serta cara menentukannya.
Mahasiswa mampu menjelaskan bataskelelahan logam serta caramenentukannya.
04 Konsep S-N
Mahasiswa mengetahui dan memahamihubungan antara tegangan (S) yang bekerjapada komponen logam dengan umur (N)komponen tersebut.
Mahasiswa mampu menghitungtegangan yang bekerja pada komponenlogam serta mampu memprediksiumur komponen tersebut berdasarkanKonsep S-N.
05 Konsep -N
Mahasiswa mengetahui dan memahamihubungan antara regangan () yang bekerjapada komponen logam dengan umur (N)komponen tersebut.
Mahasiswa mampu menghitungtegangan dan regangan yang bekerjapada komponen logam serta mampumemprediksi umur komponen tersebutberdasarkan konsep -N.
06Pengaruh takikan
pada perilakukelelahan logam
Mahasiswa mengetahui dan memahamipengaruh takikan ataupun geometrikomponen terhadap kegagalan lelah.
Mahasiswa mampu menjelaskan danmenghitung pengaruh takikan ataupungeometri komponen terhadap umurlelahnya.
07Penjalaran retak
lelah
Mahasiswa mengetahui dan memahamikonsep penjalaran retak lelah.
Mahasiswa mampu menjelaskan dankonsep penjalaran retak lelah sertamampu memprediksi umur lelahberdasarkan konsep tersebut.
Kelelahan logam diawali dengan pembentukan awalretak dan dilanjutkan dengan penjalaran retakanhingga komponen mengalami patah.
Lokasi awal retak pada komponen atau logam yangmengalami pembebanan dinamis atau siklik adalahpada titik daerah dimana memiliki kekuatan yangpaling minimum dan atau pada titik daerah dimanamengalami tegangan yang paling maksimum.
Oleh karena itu untuk memperkirakan umur lelahsuatu komponen merupakan suatu hal yang cukupsulit, hal ini disebabkan oleh banyaknya faktor-faktoryang mempengaruhi umur lelahnya.
Faktor-faktor yang mempengaruhi umur lelah:1.Pembebanan:
1.Jenis beban:uniaksial, lentur, puntir.2.Pola beban: periodik, random.3.Besar beban (besar tegangan).4.Frekwensi siklus beban.
2.Kondisi material.1.Ukuran butir.2.Kekuatan.3.Penguatan dengan larutan padat.4.Penguatan dengan fasa ke-2.5.Penguatan regangan.6.Struktur mikro.7.Kondisi permukaan (surface finish).8.Ukuran Komponen.
3.Proses pengerjaan.1.Proses pengecoran.2.Proses pembentukan.3.Proses pengelasan.4.Proses pemesinan.5.Proses perlakuan panas.
4.Temperatur operasi.5.Kondisi lingkungan.
2.1 Pengaruh PembebananParameter pembebanan yang berpengaruh
terhadap kelelahan logam adalah tegangan rata-rata,σm dan tegangan amplitudo, σa serta frekwensipembebanan.
2.1.1 Pengaruh Tegangan Rata-rata, σm
Gambar. 2.1 Pengertian tegangan siklik. [email protected]
Tegangan amplitudo:σa = (σmax - σmin) / 2 (2.1)Tegangan rata-rata:σm = (σmax + σmin) / 2 (2.2)Rasio tegangan:R = σmin / σmax (2.3)
Besarnya tegangan rata-rata yang bekerja akan menentukanterhadap besarnya tegangan amplitudo yang diijinkan untukmencapai suatu umur lelah tertentu. Bila tegangan rata-ratasama dengan 0 atau rasio tegangan sama dengan -1, makabesarnya tegangan amplitudo yang diijinkan adalah nilai bataslelahnya (Se). Dengan demikian jika tegangan rata-ratanyasemakin besar maka tegangan amplitudonya harus diturunkan.Hal ini terlihat pada alternatif diagram Goodman atau padadiagram-diagram lainnya, lihat Gambar 2.2 berikut ini:
Persamaan-persamaan yang digunakan padadiagram batas tegangan seperti yangditunjukkan dalam Gambar 2.2 diatas adalahsebagai berikut:
• Soderberg (USA, 1930):σa/Se + σm/Sy = 1 (2.4)
• Goodman (England, 1899):σa/Se + σm/Su = 1 (2.5)
• Gerber (Germany, 1874):σa/Se + (σm/Su)
2 = 1 (2.6)• Morrow (USA, 1960s):
σa/Se + σm/σf = 1 (2.7)
dimana, Se adalah batas lelah (endurance limit), Su
adalah kekuatan tarik dan σf adalah tegangan patahsebenarnya (true fracture stress). Perbandingandari tegangan amplitudo terhadap tegangan rata-rata disebut rasio amplitudo (A= σa/σm), sehinggahubungan antara nilai R dan A yaitu sebagaiberikut:
jika R=-1, maka A=~ (kondisi fully reversed)jika R=0, maka A=1 (kondisi zero to maximum)jika R=~, maka A=-1 (kondisi zero to minimum)
Pada Gambar 2.2 diatas yang memperlihatkan amantidaknya kondisi pembebanan terhadap kelelahan logam,berdasarkan hasil diskusi atas berbagai permasalahan, makadapat dinyatakan sebagai berikut:
• Diagram. a (Soderberg) adalah paling konservatif dan palingaman, atau digunakan pada kondisi nilai R mendekati 1.• Data hasil pengujian, cenderung berada diantara diagram. bdan c (Goodman dan Gerber).• Untuk baja keras (getas), diagram. b dan d (Goodman danMorrow) hampir berimpit (sama).• Untuk baja lunak (ulet), diagram. D (Morrow) akan lebihakurat.• Pada kondisi R<1 (atau perbedaan tegangan rata-rata dantegangan amplitudo cukup kecil), maka ke-4 diagram hampirsama (berimpit).
10
Alternatif diagram Goodmanseperti yang ditunjukkan padaGambar 2.2 diatas adalahyang paling banyakdigunakan, dan diagramGoodman yang lama (asli)seperti yang ditunjukkan padaGambar 2.3 dibawah ini,sekarang sudah tidak dipakailagi.
Gambar. 2.3 Diagram Goodman. 11
Pengaruh dari tegangan siklik (SN) terhadap tegangan rata-rata atau sebaliknya, dapat terlihat pada diagram masterseperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.4 berikut ini.
Gambar. 2.4 Diagram master baja AISI 4340untuk menentukan pengaruh dari tegangan rata-
rata pada kelelahan logam.
AISI 4340 steelSu = 158, Sy = 147 kpsi.σmin = 20, σmax = 120,σm = 70, σa = 50 kpsi.
12
Untuk melihat pengaruh tegangan siklik (SN) terhadap umurlelah pada kondisi R=-1 (tegangan siklik sama dengan teganganamplitudo) dapat dilihat pula pada diagram Haigh berikut ini.
Gambar. 2.4 Diagram Haigh.
Jika tegangan siklik atau tegangan amplitudo meningkat,maka umur lelah akan semakin menurun, begitu pula daripengaruh meningkatnya tegangan rata-rata, maka akanmenyebabkan penurunan umur kelelahan logam.
Tabel 2.1 Persamaan dankoordinat perpotongan pada
kuadran ke-1 untuk Goodman dankriteria kegagalan lainnya.
14
Se
Se
Tabel 2.2 Persamaandan koordinat
perpotongan padakuadran ke-1 untukGerber dan kriteriakegagalan lainnya.
Se
Se
2.1.2 Pengaruh Tegangan Amplitudo, σa
Seperti telah dijelaskan sebelumnya, teganganamplituda akan sangat berpengaruh terhadap umurkelelahan logam. Perkiraan kelelahan padapembebanan yang kompleks atau variabel,seringkali didasarkan pada hukum kerusakan nonlinier (linier damage rule) yang pertama kalidiajukan oleh Palmgren (1924) dan dikembangkanoleh Miner (1945) sehingga metoda ini dikenaldengan hukum Miner. Hukum ini tidak selalu sesuaidengan kenyataan, sehingga muncullah berbagaialternatif yang lain seperti teori kerusakan nonlinier (oleh Collins), metoda perhitungan siklus(cycle counting) yaitu metoda perhitungan curahhujan rain flow counting (oleh Downing).
2.1.3 Pengaruh Frekwensi Pembebanan
Pengaruh frekwensi ini dapat dilihat pada pengujiankelelahan logam dengan frekwensi ± 500÷10.000siklus/menit, pada interval ini hampir tidak adapengaruhnya terhadap kekuatan lelah materialnya.Sebagai contoh pada pengujian kelelahan baja denganfrekwensi 200÷5.000 siklus/menit, tidak menunjukkanadanya pengaruh tersebut terhadap batas lelahnya,tetapi pengujian pada frekwensi 100.000 siklus/menit,maka batas lelahnya akan semakin meningkat (karenapada frekwensi tinggi, deformasi plastis yang terjaditidak sebesar pada frekwensi rendah). Pengaruhfrekwensi tersebut terjadi pula pada logam-logam nonferro.
2.2 Pengaruh Kondisi Material
Awal retak lelah terjadi dengan adanya deformasiplastis mikro setempat, dengan demikian komposisikimia dan struktur mikro material akan sangatmempengaruhi kekuatan untuk menahan terjadinyadeformasi plastis sehingga akan sangat berpengaruhpula terhadap kekuatan lelahnya. Parameter-parameter dari kondisi material yang mempengaruhikekuatan lelah tersebut yaitu antara lain dijelaskanberikut ini.
2.2.1 Pengaruh Ukuran Butir
Butir halus yang akan meningkatkan kekuatan luluh dankekuatan lelah atau akan meningkatkan umur lelah logam,hanya dapat terjadi pada pembebanan siklik dengan kondisiHCF atau LCS (High Cycle Fatigue atau Low CycleStress/Strain), tetapi berdasarkan hasil experimenmenunjukkan bahwa pada pembebanan siklik dengan kondisisebaliknya yaitu LCF atau HCS (Low Cycle Fatigue atau HighCycle Stress/Strain), ternyata ukuran butir tidak berpengaruhterhadap umur lelah.
Ukuran butir, pada satu sisi dapat meningkatkan umur lelah,tetapi disisi lain akan meningkatkan kepekaan terhadap takikan(notch). Spesimen yang halus permukaannya dan memilikistruktur berbutir halus, akan meningkatkan umur lelah, tetapijika spesimen tersebut memiliki takikan, maka akan berumurlebih pendek jika berbutir halus.
2.2.2 Pengaruh Kekuatan
Sebagai patokan kasar, baja memiliki batas lelahsebesar:
Se = 0,5 Su (2.8)Hal ini terlihat pada Gambar. 2.5 dan 2.6 berikut
ini:
Gambar. 2.5 Pengaruhkekuatan tarik terhadap
batas lelah.
21
Gambar. 2.6 Hubungan antara batas lelah (lentur putar) dengan kekuatan tarikbaja.
22
Sedangkan untuk logam-logam non ferro (Cu, Ni, Mg,dan lain-lain) memiliki batas lelah sebesar:Se = 0,35 Su (2.9)Perbandingan Kekuatan lelah, Se dan kekuatan tarik,Su disebut rasio kelelahan. Jika pada spesimentersebut memiliki takikan, maka rasio kelelahan akanmenurun hingga 0,2÷0,3. Dengan demikian, semakintinggi kekuatan tarik logam, maka akan semakintinggi pula kekuatan lelahnya. Kekuatan tariktersebut dapat ditingkatkan melalui mekanisme-mekanisme penguatan logam, yaitu antara lain:•Penguatan larutan padat•Penguatan fasa ke-2•Pengutan presipitasi•Penguatan regangan•Dan lain sebagainya
23
Rasio kelelahan dari batas lelah karenapembebanan aksial hasil eksperimen adalah sebesar0,6÷0,9 dan secara konsevatif diestimasi sebesar:
Se (aksial) ≈ 0,7 Se (bending) (2.10)
Sedangkan rasio kelelahan hasil eksperimendengan uji lelah puntir dan bending atau lentur putaradalah sebesar 0,5÷0,6 dan hubungan tersebut secarateoritis dituliskan:
Se (puntir) ≈ 0,577 Se (bending) (2.11)
24
2.2.3 Pengaruh Penguatan Larutan Padat
Atom-atom asing akan menyebabkan distorsi kisi sehinggamenghasilkan medan tegangan pada kisi kristal logam yangakan menghambat gerakan dislokasi yang pada akhirnya akanmeningkatkan kekuatan logam termasuk batas lelahnya,apalagi jika atom asing tersebut yang larut padat interstisi,menimbulkan strain aging, maka akan lebih meningkatkanbatas lelah logam seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2.7berikut ini.
Efek atomasing
Strain aging dariatom asing
Logam murni
Gambar. 2.7 Pengaruh unsur paduan/atomasing terhadap batas lelah.
25
2.2.4 Pengaruh Fasa ke-2
Fasa ke-2 yang keras akan menghalangi gerakan dislokasi sehinggaakan meningkatkan kekuatan logam. Parameter fasa ke-2 yangberpengaruh tersebut adalah: bentuk, ukuran dan distribusinya.
Sebagai contoh baja yang memiliki struktur Ferit-Perlit denganbentuk sementit lamelar dan speroidal, maka kekuatan statiknya relatifsama tetapi batas lelahnya dapat berbeda. Fasa ke-2 dengan bentuklamelar akan memiliki batas lelah yang relatif lebih rendah (Gambar.2.8), hal ini dikaitkan dengan bentuk tersebut akan lebih peka terhadapefek takikan, hal yang serupa terjadi pula pada fasa perlit atau karbidayang kasar, fasa alpha bebas dan austenit sisa.
Sementit speroidal
Sementit lamelarGambar. 2.8 Pengaruh bentuk karbida
terhadap batas lelah.
26
2.2.5 Pengaruh Pengerasan Regangan
Logam yang dikeraskan atau diperkuat melaluimekanisme pengerasan regangan, akanmeningkatkan kekuatan statik dan sikliknya, hal inidikarenakan penjalaran retakan akan menjadi lebihlambat pada logam yang telah mengalamipengerasan regangan (Gambar 2.9).
Gambar. 2.9 Pengaruh pengerolandingin terhadap kurva S-N baja.
27
2.2.6 Pengaruh Struktur Mikro
Struktur mikro merupakan satu faktor disamping komposisikimia yang sangat menentukan kekuatan logam, baikkekuatan statik maupun sikliknya (Gambar 2.10). Sebagaicontoh baja yang memiliki struktur Martensit akan memilikikekuatan statik yang relatif tinggi akan tetapi kekuatanlelahnya relatif lebih rendah (karena bersifat getas)dibandingkan baja dengan struktur Martensit temper (karenaada peristiwa strain aging pada ujung retakan). Batas lelahbaja akan lebih tinggi lagi jika struktur yang dimilikinya adalahfasa Bainit.
Gambar. 2.10 Pengaruhstruktur mikro terhadap
rasio kelelahan.
28
2.2.7 Pengaruh Surface Finish
Kelelahan logam merupakan suatu fenomenapermukaan, sehingga kondisi permukaan (surfacefinish) logam akan sangat mempengaruhi bataslelahnya. Kondisi permukaan tersebut sangatditentukan oleh perlakuan permukaan seperti:• Plating, dimana proses ini akan menghasilkantegangan sisa tarik pada permukaan logam.• Thermal (proses diffusi), seperti karburisasi,nitriding, dan lainnya dapat menimbulkan tegangansisa tekan pada permukaan logam.• Mechanical, misalnya shot peening, dapatmenghasilkan tegangan sisa tekan pada permukaanlogam.
29
Dengan demikian proses perlakuan permukaan dapatmenghasilkan tegangan sisa ataupun ketidakkontinyuan (takik,fillet, retak) pada permukaan logam yang akan sangatmempengaruhi batas lelah dari logam yang bersangkutan(Gambar 2.11 sampai 2.13). Disamping itu proses perlakuanpermukaan yang dapat menghasilkan kekasaran permukaantertentu pada baja akan menghasilkan suatu faktor koreksipermukaan dari komponen baja seperti yang ditunjukkan padaGambar 2.14 dan 2.15.
Gambar. 2.11 Pengaruh pelapisanchrom terhadap kurva S-N baja
4140.
30
Gambar. 2.12 Pengaruh pelapisan nikelterhadap kurva S-N baja.
Gambar. 2.13 Pengaruh shot peeningterhadap kurva S-N baja lapis nikel.
31
Gambar. 2.14 Faktor koreksi kondisipermukaan pada komponen baja.
Gambar. 2.15 Faktor koreksi kekasaranpermukaan (RA : root mean square atau AA :
Arithmetic Average) dan kekuatan darikomponen baja.
32
Proses elektroplating nikel atau chrom dapatmenyebabkan penurunan kekuatan lelah hingga 60 %dan semakin tebal lapisan akan semakin menurunkankekuatan lelahnya, hal ini disebabkan oleh karenatimbulnya tegangan sisa tarik pada permukaan logamyang dilapis yang relatif cukup tinggi. Solusi untukmenghindari pengaruh buruk dari proses ini adalah:1. Dilakukan proses nitriding sebelum proseselektroplating.2. Dilakukan proses shot peening sebelum atausetelah proses elektroplating.3. Dilakukan proses stress relieving (baja = 260oCdan aluminium = 121oC) setelah proseselektroplating.
33
Proses elektroplating cadmium dan seng tidak begituberpengaruh terhadap kekuatan lelah, tetapi semua jenisproses elektroplating jika kurang kontrolnya dapatmenimbulkan penggetasan hidrogen yang mempengaruhikekuatan logamnya.
Pada Gambar 2.16 dan 2.17 ditunjukkan skematisdistribusi tegangan sisa pada batang yang dikenaipembebanan lentur (bending) dan beban aksial tarik.
Gambar. 2.16 Tegangansisa pada batang tanpatakikan yang dikenai
beban lentur.
34
Berdasarkan Gambar 2.16 diatas dapatdijelaskan keadaan tegangan (Gambar 2.16e) padapermukaan batang yang mengalami beban lentur(Gambar 2.16d) yaitu sebagai berikut:1. Pada titik1, permukaan batang mendekati titikluluh dan distribusi tegangan linier (Gambar 2.16a).2. Jika beban lentur meningkat hingga titik 2,permukaan batang mulai mengalami luluh ataudeformasi plastis (Gambar 2.16b).3. Jika momen menurun hingga titik 3, makabatang akan memiliki distribusi tegangan sisa(Gambar 2.16c).
35
Gambar. 2.17 Tegangansisa pada batang bertakikyang dikenai beban tarik.
Contoh lain dari tegangan sisa ini ditunjukkan pada Gambar. 2.17dari batang pelat yang mengalami beban tarik siklik (Gambar 2.17d)dan dapat dijelaskan sebagai berikut:1. Pada titik 1 akan menyebabkan luluh atau deformasi plastis padaujung takikan dari material (Gambar 2.17b) dan jika bebandihilangkan (titik 2), maka material akan mendapat tegangan sisatekan (Gambar 2.17c).2. Jika terjadi beban siklik (titik 3 dan 4), maka tegangan padaujung retakan akan mengalami siklik pula (Gambar 2.17e).
36
Metoda lain untuk menghasilkan tegangan sisaadalah dengan pemberian tegangan awal(prestressing atau presetting) yang dapatmenyebabkan peningkatan kekuatan lelah daribatang bertakik dengan pembebanan aksial sepertiditunjukkan pada Tabel 2.3 berikut ini.
Tabel.2.3 Batas lelah daripelat berlubang dengan
pembebanan
37
Presetting ini umumnya diterapkan pada komponen pegasulir dan pegas daun dimana pemberian beban awal ini harusmemiliki arah yang sama dengan pembebanan kerjanya.Presetting dapat pula menyebabkan penurunan kekuatanlelah 20÷50 % jika diterapkan pada pembebanan lenturputar.
Proses perlakuan permukaan secara thermalmisalnya karburising dan nitriding akan sangatmenguntungkan terhadap ketahanan lelah sepertiyang ditunjukkan pada Tabel. 2.4, hal inidikarenakan proses tersebut menyebabkanpeningkatan kekuatan permukaan material, danmenyebabkan pula timbulnya tegangan sisa tekanpada permukaannya yang disebabkan adanyaperubahan volume. Demikian halnya pada prosesperlakuan permukaan flame dan inductionhardening.
38
Tabel. 2.4 Pengaruhproses nitriding terhadap
batas lelah.
Selanjutnya proses perlakuan permukaan secaramekanis misalnya shot peening yang menyebabkantimbulnya tegangan sisa tekan pada permukaanmaterial, akan sangat menguntungkan kekuatanatau lelah materialnya. Hal ini ditunjukkan padaGambar. 2.18 dan 2.19 berikut ini.
Gambar. 2.18 Pengaruh proses shotpeening terhadap kurva S-N dari roda gigi
yang dikarburisasi.
39
Gambar. 2.19 Pengaruh proses shotpeening terhadap batas lelah dari baja baja
kekuatan tinggi.
2.2.8 Pengaruh Ukuran Komponen
Kelelahan merupakan fenomena permukaan, maka akansangat ditentukan oleh ukuran permukaan. Semakin besarukuran maka akan semakin besar pula kemungkinanterjadinya pembentukan awal retaknya, sehingga munculfaktor modifikasi batas lelah karena faktor ini yaitu sebagaiberikut:Csize = 1 jika d ≤ 8 mm (2.12)
Csize = 1,189 d-0,097 jika 8 mm < d ≤ 250 mm (2.13)
40
Pengaruh ukuran ini berhubungan dengan lapisan tipispermukaan material yang terkena tegangan 95 % atau lebih.Gambar 2.20 menunjukkan semakin besar ukuran akansemakin besar pula volume dari permukaan material yangmengalami tegangannya.
Gambar. 2.20 Gradien tegangan pada spesimenberukuran besar dan kecil.
41
Pengaruh ukuran ini ditunjukkan pada Tabel 2.5berikut ini:
Tabel. 2.5 Pengaruh ukuran terhadap batas lelah.
42
Contoh Soal 2.1:
Beberapa batang baja kekuatan tinggi akandipergunakan sebagai lembaran pegas daun, pegastersebut akan bekerja dengan kondisi tegangan zeroto maximum (R=0) dengan 3 titik pembebanan.Lebar batang adalah 1 in dan tebal: 0,145 in.Pilihlah 2 kondisi perlakuan terhadap batangdibawah ini yang akan memberikan umur lelah takberhingga dengan menggunakan persamaanGoodman sebagai perhitungannya.
43
A. Kondisi as Heat Treated (Quench+Temper):•Kekerasan = 48 HRc (≈ 465 BHN).•Tegangan sisa pada permukaan = 0 ksi.•Kekasaran permukaan (AA) = 24 μin.
B. Kondisi as Shot Peened:•Kekerasan = 49 HRc (≈ 475 BHN).•Tegangan sisa pada permukaan = -80 ksi.•Kekasaran permukaan (AA) = 125 μin.
44
Jawab:
* Untuk kondisi A:
Kekuatan:Se = 100 ksi (BHN > 400) dan,Su = 0,5 BHN = 0,5 . 465 = 232 ksi
Ukuran luas pelat pegas:A = w t = 1 . 0,145 = 0,145 in2 maka,
Diameter ekuivalennya adalah:A = Л/4 dek
2 = 0,145dek = 0,43 in = 10.92 mm sehingga,
45
*Faktor modifikasi pengaruh ukuran:Csize = 1,189 d-0,097 = 1,189 (10,92)-0,097 = 0,94
*Faktor modifikasi pengaruh pembebanan adalah 1karena pembebanan berupa lentur atau bending.Karena kekasaran permukaannya = 24 μin, makasesuai dengan Gambar 2.15 dapat diketahui;*Faktor modifikasi pengaruh kekasaran permukaanyaitu sebesar = 0,75
Dengan demikian batas lelah setelahmemperhitungkan faktor-faktor modifikasinyaadalah:S’
e=Se.Csize.CLoad.Csurf finish=100 . 0,94 . 1 . 0,75= 70,5ksi
46
Maka tegangan yang diijinkan bekerja pada pegastersebut:σa / Se + σm / Su = 1
Untuk pembebanan zero to max atau R=0 maka,σa = σm = σmax / 2 = σ sehingga,σ / Se + σ / Su = 1σ / 70,5 + σ / 232 = 1 maka,σ = 54 ksi sehingga,σmax = 108 ksi
Untuk kondisi A, pegas tersebut dapat bekerja dengan umurtak berhingga dengan siklus tegangan antara 0 ÷ 108 ksi.(aktualnya adalah antara 0 ÷ 100 ksi, dengan demikianperhitungan diatas memiliki faktor kesalahan: 8 %).
47
•Untuk kondisi B:
Kekuatan:Se = 100 ksi (BHN > 400) dan,Su = 0,5 BHN = 0,5 . 475 = 238 ksiKarena kekasaran permukaannya = 125 μin, makasesuai dengan Gambar. 23 dapat diketahui;
*Faktor modifikasi pengaruh kekasaran permukaanyaitu sebesar = 0,58
Dengan demikian batas lelah setelahmemperhitungkan faktor-faktor modifikasinyaadalah:S’
e=Se.Csize.CLoad.Csurf finish=100 . 0,94 . 1 . 0,58= 54,5ksi
48
Karena pengaruh tegangan sisa dipermukaan sebesar-80 maka:σa / Se + σm / Su = 1 dan,σa = σm = σmax / 2 = σ sehingga,σ / Se + {(σ-80) / Su} = 1σ / 54,5 + {(σ-80) / 238} = 1 maka,σ = 59,3 ksi sehingga,σmax = 118,6 ksi
Untuk kodisi B, pegas tersebut dapat bekerja dengan umur takberhingga dengan siklus tegangan antara 0÷118,6 ksi.(aktualnya adalah antara 0÷140 ksi, dengan demikianperhitungan diatas memiliki faktor kesalahan: 15 %).
49
2.3 Pengaruh Proses Pengerjaan
Pada dasarnya setiap ketidakkontinyuan danketidakseragaman pada material akan berpengaruhlangsung terhadap penjalaran retak lelah atauketahanan lelah material, ketidakkontinyuan inidapat berupa takikan dari geometri komponenataupun berupa retakan dan rongga sebagai akibatsuatu proses pengerjaan. Selain ituketidakseragaman yang berupa ketidakmohogenanstruktur ataupun berupa segregasi dari suatuproses pengerjaan akan sangat berpengaruh pulaterhadap ketahanan lelah material.
50
2.3.1 Pengaruh Proses Pengecoran
Hal-hal yang berpengaruh terhadap ketahanan lelah logamsebagai akibat negatif dari proses pengecoran adalah:• Segregasi (terutama segregasi makro)• Cacat rongga• Porositas• Retak panas• Terak, slag atau inklusi• dan lain-lain
Gambar. 2.21 Cacat-cacat coran.
51
2.3.2 Pengaruh Proses Pembentukan
Logam hasil proses pembentukan akan memilikibatas lelah yang lebih tinggi dari benda coran, namuncacat-cacat dari suatu proses pembentukan akansangat merugikan pula terhadap batas lelah logamyang dihasilkan. Cacat-cacat tersebut antara lain:•Cacat laps atau seams (berupa lipatan) padapermukaan produk tempa atau roll.•Oksida yang terjebak pada lipatan di permukaanproduk tempa atau roll.•Permukaan yang kasar.•dan lain-lain.
52
Pada Gambar 2.22, Tabel 2.4 dan Gambar 2.23ditunjukkan pengaruh proses pembentukanterhadap ketahanan lelah baja, dan pada Gambar2.24 ditunjukkan pula pengaruh anisotrop yangdihasilkan dari proses pembentukan logam sertaGambar 2.25 memperlihatkan jenis-jenis cacatproses pembentukan.
Gambar. 2.22 Pengaruh pengerolan dinginterhadap kurva S-N baja.
53
Tabel. 2.6 Kekuatan lelah pada 105
siklus dari baut baja AISI 8635
Gambar. 2.23 Pengaruhpenempaan terhadap batas lelah
baja.
54
Gambar. 2.24 Pengaruhanisotrop terhadap ketahanan
patah.
Gambar. 2.25 Cacat-cacat prosestempa dan ekstrusi.
55
2.3.2 Pengaruh Proses Pengelasan
Proses pengelasan melibatkan pencairan danpembekuan, maka segala jenis cacat-cacat corandapat terjadi didaerah logam las. Sedangkandaerah terpengaruh panas (Heat Affected Zone)dapat terjadi perubahan struktur mikro yangmenghasilkan fasa getas dan butir kasar, hal iniakan sangat merugikan ketahanan lelahsambungan lasan disamping adanya tegangan sisatarik pada daerah tersebut. Pada Gambar 2.26ditunjukkan jenis-jenis cacat lasan.
56Gambar. 2.26 Cacat-cacat lasan.
57
2.3.3 Pengaruh Proses Pemesinan
Kondisi permukaan logam sangat berpengaruhterhadap umur lelahnya, permukaan yang kasarmerupakan tempat yang tegangan lokalnya tinggisehingga dapat menjadi lokasi awal retak lelah.Dengan demikian proses pemesinan yangmenentukan kekasaran permukaan logam akanmenentukan pula terhadap ketahanan lelahnyadisamping timbulnya tegangan sisa sebagai akibatdeformasi plastis pada saat pembentukan geramdalam operasi pemesinan tersebut (Gambar. 2.27),bahkan jika tegangan sisa tarik muncul yang cukupbesar seperti dalam proses penggerindaan yangcukup berat, dapat menimbulkan retak rambut(Gambar 2.28).
58
Gambar. 2.27 Pengaruh prosespenggerindaan terhadap kurva S-N
baja.
Gambar. 2.28 Cacat-cacat prosespemesinan.
59
2.3.5 Pengaruh Proses Perlakuan Panas
Pengaruh dari proses perlakuan panas yang dapat menurunkankekuatan lelah adalah:•Over heating yang menyebabkan butir kasar.•Over heating yang menyebabkan pencairan fasa bertitik cairrendah.•Retak quench.•Tegangan sisa•Dekarburisasi (Tabel 2.7).•dan lain-lain.
Tabel. 2.7 Pengaruhdekarburisasi terhadap batas
lelah.
60
2.4 Pengaruh Temperatur Operasi
Pada temperatur tinggi, kekuatan logam akanmenurun sehingga deformasi plastis akan lebihmudah terjadi dan batas lelah menjadi tidak jelas(hilang) yang disebabkan oleh karena pengaruhmobilitas dislokasi (lihat Gambar 2.29).
RoomTemperature
HighTemperature(750oC)
Gambar 2.29. Pengaruh temperaturterhadap batas lelah baja.
61
2.5 Pengaruh Kondisi Lingkungan
Kondisi lingkungan yang korosif akan menyerangpermukaan logam dan menghasilkan lapisan oksidaatau produk korosi. Umumnya oksida adalah sebagailapis lindung dan dapat mencegah kerusakan korosiselanjutnya, tetapi pembebanan siklik dapatmenyebabkan pecahnya lapisan tersebut dankerusakan korosi berikutnya sehingga timbul korosisumuran yang berfungsi sebagai takikan. Hal itulahyang menyebabkan penurunan kekuatan lelah,pengaruh lingkungan korosif ini menurunkankekuatan lelah logam hingga 10 % serta dapatmenyebabkan batas lelah menjadi tidak jelas (hilang)seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.30, 2.31 danTabel 2.8 dan 2.9 berikut ini.
62
Gambar 2.30. Pengaruh lingkunganterhadap kurva S-N baja.
Gambar 2.31. Pengaruhkekuatan tarik terhadap korosi-
lelah berbagai jenis baja.
63
Tabel. 2.9 Pengaruh perlakuan permukaan terhadap korosi-lelah baja.
Tabel. 2.8 Kekuatan lelah baja pada beberapa kondisi lingkungan.
64
Gambar. 2.32 Pengaruh lingkungan dan variabel metalurgis lainnya terhadapbatas lelah.
65
Tugas:
2.1 Batang silinder berdiameter 2,5 in dan memilikikekasaran permukaan 125 μ in terbuat dari bahanbaja AISI 1035 dengan kekuatan tarik, Su = 92 Ksi.Tentukanlah beban yang akan menghasilkan umurtak berhingga untuk kondisi: pembebanan aksialbolak-balik (R=-1) dan pembebanan puntir bolak-balik (R=-1).2.2 Gambarlah grafik hubungan antara kekuatanlelah, Se dengan kekuatan tarik, Su dengan berbagaikondisi permukaan hasil perlakuan proses: HotRolling, Machining, Forging dan Poleshing.(Gunakanlah Gambar. 2.14).
66
2.3 Suatu baja paduan memiliki kekuatan tarik, Su =100 ksi. Baja tersebut diproses shot peening sehinggamenghasilkan tegangan sisa -50 ksi yangmenyebabkan peningkatan kekerasan dari 200 BHNmenjadi 250 BHN serta peningkatan kekasaranpermukaan dari 5 menjadi 50 μ in. Estimasilahkekuatan lelah baja tersebut sebelum dan setelahperlakuan shot peening.2.4 Poros baja kondisi A hasil proses pemesinan akandiganti oleh poros baja kondisi B hasil proses forging.Tentukanlah diameter dari poros pengganti tersebutyang akan dipakai pada pembebanan puntir bolak-balik yang menghasilkan umur 106 siklus.Poros A: Su = 80 KsiSurface finish, AA = 125 μ in (machined)Diameter = 1,5 inPoros B: Su = 90 KsiSurface finish, AA = as forged