Laporan Praktikum

Laboratorium Teknik Material 1

Modul E Uji Lelah

Oleh :

Nama : Suselo Suluhito

NIM : 13108095

Kelompok : 9

Anggota (NIM) : Jonathan RMS (13108057)

Isra Hadi (13108059)

Alfian Sulthoni (13108061)

Andi Mochammad AIM (13108067)

Edo Prawiratama (13108074)

Tony Kosasih (13108094)

Suselo Suluhito (13108095)

Tanggal Praktikum : 20 April 2010

Nama Asisten (NIM) : Jati Raharja (137060)

Tanggal Pengesahan : 25 April 2010

Laboratorium Metalurgi

Program Studi Teknik Mesin

Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara

Institut Teknologi Bandung

2010

BAB I

PENDAHULUAN

LATAR BELAKANG

Kegagalan suatu material selama ini kebanyakan disebabkan oleh bebandinamik. Pembebanan dinamik adalah suatu pembebanan dengan melibatkantegangan aksial ( tarik – tekan ), fleksural ( bending ) dan torsional ( puntiran )yang berfluktuasi. Meskipun tegangan yang diterima oleh material lebih rendah dariharga tegangan luluhnya, kegagalan dapat saja terjadi suatu saat. Kegagalan yangdisebabkan oleh beban dinamik ini disebut dengan Fatigue Failures.

TUJUAN PRAKTIKUM

1. Mengetahui perilaku material oleh beban dinamik2. Mengetahui metode untuk menentukan kekuatan lelah serta batas lelah suatu

material.3. Memahami mekanisme dan bentuk patahan suatu material akibat Fatigue

failure.

BAB II

DASAR TEORI

Kegunaan utama Uji Fatigue adalah menentukan umur suatu material.

Sehingga dapat ditentukan kira - kira waktu dari terjadinya kegagalan pada suatu

material.

Apabila suatu material diberi beban dinamik secara terus-menerus akan terjadi

tegangan yang berubah-ubah di dalam material tersebut. Tegangan yang berubah-ubah

ini dapat menyebabkan material mencapai batas lelahnya, sehingga material menjadi

patah. Walaupun tegangan yang bekerja berada di bawah kekuatan luluhnya.

Batas lelah (fatigue limit) merupakan batas suatu spesimen untuk menerima

tegangan bolak-balik secara terus-menerus tanpa terjadi patah. Kekuatan lelah adalah

suatu tingkat tegangan yang menentukan besarnya tegangan yang mampu diterima

oleh material untuk sejumlah putaran tertentu. Batas lelah atau kekuatan lelah material

bergantung pada beberapa faktor antara lain :

a. Ukuran komponen

Batas lelah benda uji yang kecil lebih tinggi dibandingkan kekuatan lelah

benda uji yang besar. Hal ini disebabkan karena pada volume / luas penampang

yang lebih luas, semakin besar kemungkinan terjadinya awal retakan karena

biasanya kegagalan lelah mulai terjadi pada permukaan.

b. Konsentrasi tegangan

Daerah-daerah seperti sudut yang tajam/takik yang merupakan tempat

konsentrasi tegangan akan menurunkan batas lelah, karena biasanya daerah pusat

tegangan inilah yang menjadi awal retakan.

c. Kekasaran permukaan dan proses pengerjaan

Pada dasarnya kegagalan lelah mulai terjadi pada permukaan bahan. Oleh

karena itu, sifat-sifat lelah sangat peka terhadap permukaan bahan. Permukaan

yang kasar akan menghasilkan harga batas lelah yang lebih rendah dibandingkan

permukaan yang kasar.

d. Tegangan sisa

Adanya tegangan sisa akan menurunkan batas lelah material karena

pada daerah tegangan sisa, terpusat (terkonsentrasi) tegangan yang dapat

mengakibatkan awal retakan.

Kegagalan lelah adalah hal yang sangat berbahaya, karena terjadi tanpa

petunjuk awal. Kelelahan mengakibatkan patahan yang terlihat rapuh tanpa deformasi

pada patahan tersebut.

Faktor-faktor utama yang menyebabkan terjadinya kegagalan lelah :

a. tegangan tarik maksimum yang cukup tinggi

b. variasi atau fluktuasi tegangan yang cukup besar

c. siklus penerapan yang cukup lama

Bentuk penampang patahan akibat akibat pembebanan dinamik dapat dicirikan

oleh adanya :

a. Retakan awal (crack initiation)

b. Daerah rambatan retak (crack growth)

c. Daerah beban berlebih (overloaded area)

Awal retakan biasanya terjadi pada bagian dimana terdapat konsentrasi

tegangan (seperti sudut yang tajam atau takik). Seringkali perkembangan retakan

ditandai dengan oleh sejumlah cincin atau ‘garis pantai’ (beach mark), bergerak ke

dalam dari titik dimana kegagalan mulai terjadi. Ketika daerah retakan sudah sangat

besar, sehingga bagian yang belum retak tidak dapat lagi menahan perkembangan

retakan, maka langsung terjadi patah.

Manfaat uji lelah antara lain :

mencegah ataupun memperlambat kerusakan pada material

mengetahui batas lelah atau tahanan suatu material

mengetahui kelakuan material bila menerima beban dinamik

Metode dasar dalam penyajian data kelelahan adalah dengan menggunakan

kurva S-N yaitu dengan memplot data tegangan (S) tehadap jumlah siklus hingga

terjadi kegagalan (N). Pada umumnya kurva S-N berkaitan dengan kegagalan lelah

pada jumlah siklus yang besar (N>105 siklus).

Berdasarkan Kurva S-N diatas kita mendapatkan persamaan-persamaan sebagai

berikut:

Range of Stress:= − (1)

Alternating Stress:= = (2)

Mean Stress:= (3)

Stress Ratio:= (4)

Amplitude Ratio:= = (5)

Kurva S-N untuk material baja membentuk garis horisontal pada suatu beban

tegangan tertentu. Dibawah tegangan ini, secara teoritis, baja mampu menerima beban

lelah secara terus-menerus tanpa terjadi patah (batas lelah).

Sebagian besar logam bukan besi, seperti aluminium, magnesium, dan paduan

tembaga memiliki kurva S-N dengan gradien yang turun sedikit demi sedikit sejalan

dengan bertambahnya jumlah siklus (putaran). Bahan-bahan demikian tidak

mempunyai batas lelah karenanya kurva S-N tidak pernah menjadi horizontal.

Sebagai gantinya ditentukan suatu parameter yang disebut kekuatan lelah yaitu

besarnya tegangan yang mampu diterima oleh material untuk sejumlah putaran

tertentu.

Cara untuk menentukan kurva S-N adalah menguji benda uji pertama pada

tegangan tinggi, yang dimaksudkan agar benda uji menjadi patah. Kemudian,

tegangan uji diturunkan untuk benda uji berikutnya. Pengujian ini dilakukan berulang-

ulang hingga terdapat benda uji yang tidak rusak pada siklus pembebanan tertentu.

Tegangan tertinggi pada saat tidak terjadi kegagalan dianggap sebagai batas lelah.

Kekuatan lelah akan banyak berkurang bila terdapat hal-hal yang dapat

mempertinggi tegangan, seperti takik atau lubang. Retakan lelah pada bagian-bagian

struktur biasanya berawal dari titik-titik yang memiliki tegangan tertinggi. Salah satu

cara mengatasinya adalah dengan mengurangi ketidaksamaan geometris tersebut

melalui proses pemesinan yang baik.

Faktor reduksi kekuatan fatigue merupakan perbandingan batas lelah benda uji

bertakik dengan benda uji tak bertakik. Nilai Kf ini dipengaruhi oleh ketajaman

Number of cycle to failure

E

106

Stress

Fatigue limit

Fatigue strength

bentuk takik, jenis takik, jenis bahan, jenis pembebanan, dan level tegangan.

Kegunaannya adalah untuk menggambarkan efektivitas takik dalam menurunkan

batas lelah.

Industri yang sering menggunakan hasil pengujian lelah antara lain industri

pesawat terbang, otomotif, dan furnitur. Industri yang juga sering menggunakan hasil

pengujian lelah ini adalah industri yang berkaitan dengan bejana tekan, reaktor nuklir,

turbin uap, atau mesin pembangkit daya.

BAB III

PENGOLAHAN DATA

Dari asisten didapat data sebagai berikut:

no σ max (Mpa)σ min(Mpa)

1 200 -1002 150 603 250 -1004 150 255 150 -506 200 -1257 100 75

Lalu dengan menggunakan persamaan (1), persamaan (2), persamaan (3), persamaan (4), danpersamaan (5) kita mendapatkan nilai-nilai sebagai berikut:

no σ max (MPa)σ min(MPa)

σ m

(MPa)σ r

(MPa)σ a

(MPa) R A1 200 -100 50 300 150 -0.5 32 150 60 105 90 45 0.4 0.4285713 250 -100 75 350 175 -0.4 2.3333334 150 25 87.5 125 62.5 0.166667 0.7142865 150 -50 50 200 100 -0.33333 26 200 -125 37.5 325 162.5 -0.625 4.3333337 100 75 87.5 25 12.5 0.75 0.142857

Dari literatur didapat bahwa nilai σ UTS = 310 MPa dan nilai σ yield = 285 MPa

Lalu dari data yang telah diperoleh, kita dapat membuat kurva Goodman sebagai berikut:

-200

-100

0

100

200

300

400

0 50 100 150 200 250 300 350

σa

(MPa

)

σ m (MPa)

Kurva Goodman

Series1

Series2

Series3

Series4

Series5

data 2 (aman)

Data 3 (patah)

Data 6 (patah)

Data 1 (patah)

Data 4 (aman)

Data 7 (aman)

Data 5 (aman)

Linear (data 2 (aman))

BAB IV

ANALISIS DATA

Dari pengolahan data diatas didapat bahwa σ max, σ min, σ alternating, σ range, σmean, R,dan A mempunyai keterkaitan untuk menentukan apakah specimen tersebut berada pada batasaman atau tidak ketika diberi beban berulang dalam pengetesan uji fatigue.

Pada pengolahan data diatas didapat pada data 2, data 4, data 5, dan data 7 berada padabatas aman kurva Goodman sehingga specimen tersebut tidak akan patah ketika diberi bebanberulang. Sedangkan pada data 1, data 3, dan data 6 melebihi batas aman kurva Goodman sehinggaspecimen tersebut akan patah ketika diberi beban berulang pada batas siklus tertentu.

Untuk membuat kurva Goodman kita harus mengetahui σ ultimate dan σ yieldnya terlebihdahulu. Dari literature, didapatkan σ ultimate adalah sebesar 310 MPa dan σ yield adalah sebesar285 MPa.

Pada praktikum ini, praktikan tidak ditunjukkan oleh asisten bentuk logam hasil patahan olehuji fatigue sehingga praktikan tidak dapat menganalasis bentuk daerah retakan awal, rambatanretak, dan beban berlebih.

BAB V

KESIMPULAN & SARAN

A. Kesimpulan

1. Uji fatigue digunakan untuk mengetahui kapan material gagal oleh adanya beban dinamis.

2. Kegagalan material dalam uji fatigue dibagi menjadi 3 fase, yaitu awal retakan (crack

initiation), penjalahan retakan (crack propagation), dan saat material patah (final failure).

3. Pada specimen 2, specimen 4, specimen 5, dan spesimen 7 didapat pada batas aman kurva

Goodman sehingga specimen tidak akan patah.

4. Pada specimen 1, specimen 3, dan specimen 6 didapat diluar batas aman pada kurva

Goodman sehingga dapat dipastikan specimen tersebut patah oleh uji fatigue.

B. Saran

Pada praktikum selanjutnya, disarankan untuk memperlihatkan contoh spesimen

yang patah dalam uji fatigue pada praktikan, agar praktikan dapat mengetahui seperti apa

patahan karena uji fatigue. Sehingga walaupun praktikan tidak melakukan pengujian tetapi

tetap dapat membayangkan sedikit praktikum yang seharusnya dilakukan.

Selain itu, hendaknya asisten memberikan sedikit penjelasan mengenai percobaan

fatigue sehingga praktikan mengerti gambaran uji fatigue tersebut.

BAB VI

DAFTAR PUSTAKA

Callister, William D. “Materials and Science Engineering: an Introduction”, 6th edition. John Wiley &Sons, Inc. 2003.

Dieter, George E. “Mechanical Metallurgy”. McGraw Hill Book Co. 1988.

Popov, E.P. “Mekanika Teknik”, edisi kedua. Penerbit Erlangga, 1996