perpatahan dan-kelelahan

Perpatahan dan Kelelahan

(Fracture and Fatigue)

Oleh:

Ellyawan Arbintarso, MSc.

Ellyawan Arbintarso 2

Silabus

• TUJUAN PERKULIAHAN

• Mengenalkan mekanika perpatahan pada

bahan

• Mahasiswa dapat mengetahui teori mekanika

perpatahan

• Mahasiwa dapat memahami pendekatan teori

perpatahan ke dalam perancangan struktur

• Mahasiswa dapat mengetahui pengujian

ketangguhan patah dan analisa yang

dibutuhkan


Silabus

• Pendahuluan Mekanika Perpatahan

• Efek takikan terhadap konsentrasi tegangan

• Pengukuran ketangguhan patah

• Mekanika Perpatahan Elastis lurus

• Pendekatan mekanika perpatahan berdasar energi

• Ketangguhan patah dan Faktor intensitas tegangan

• Fatik dan mekanisme

• Pertumbuhan retak fatik

• Perhitungan umur lelah


Info dan Kontak

• Laboratorium Pengujian Bahan ISTA

• Jl. I Dewa Nyoman Oka 32 Kotabaru Yk

• Email: [email protected]




Pustaka

• Colangelo, VJ., Heiser, FA., 1974, Analysis of Metallurgical Failures, John Wiley & Son, USA

• Dieter, (alih bahasa Djaprie), 1989, Metalurgi Mekanik, jilid 1, Erlangga, Jakarta

• Dieter, (alih bahasa Djaprie), 1989, Metalurgi Mekanik, jilid 2, Erlangga, Jakarta

• Erwalds, Wanhill, 2001, Fracture Mechanic, John Wiley & Son, London

• Smallman RE, alih bahasa Djaprie Sriati, Metalurgi Fisik Modern, Gramedia Pustaka Utama, Jakarta, 1985


Penilaian

• UAS berbobot 20%

• UTS berbobot 20%

• Tugas/kuis berbobot 50%

– Tugas yang dikumpulkan tidak tepat waktu

tidak akan dinilai!

– Kuis dilakukan dikelas pada waktu tertentu

• Kehadiran berbobot 10%


Mengapa perlu mempelajari

Mekanika Perpatahan?• Bahan yang mempunyai kekuatan tinggi

dapat gagal dengan beban yang rendah

• Banyak penyebab kegagalan produk yang tidak bisa dijelaskan dengan teori elastisitas dan plastisitas

• Perancangan struktur mesin perlu menambahkan aspek kemungkinan terjadi retak


Pendahuluan Mekanika Perpatahan

• PENDAHULUAN

• Filosofi perancangan konvensional

• Perubahan:

– Peningkatan NDE

– Cacat bukan akhir dari segalanya

– Biaya pengantian dan perbaikan

– Kemungkinan perawatan berkala

- Kekuatan

- Tekukan

- Defleksi

Meniadakan

Konsentrasi

Tegangan

Mekanika

Perpatahan


Sejarah Kegagalan

Kegagalan pada Kapal Liberty

• Selama Perang Dunia II

– Dibangun lebih dari 2500 Kapal kelas Liberty

– Sekitar 700 struktur gagal terpotong

– Sekitar 145 patah menjadi 2 bagian

• Alasan

– Serabut retak pada sambungan las

– Menggunakan bahan berkekuatan tinggi

(ketangguhan patah rendah)

– Temperatur rendah menurunkan ketangguhan

patah


Sejarah Kegagalan

Penelitian Biro Nasional Standar 1982

• Harga berhubungan dengan:– Kehilangan langsung dan keterkaitan biaya

– Rancangan struktur berlebihan karena:

• Kualitas bahan tidak seragam

• Inspeksi, perbaikan dan penggantian komponen yang rusak

• Sekitar 120 trilyun USD per tahun

• Penghematan dapat dilakukan dari:– Teknologi Mekanika Perpatahan modern sekitar

35 trilyun USD (30%)

– Teknologi Mekanika Perpatahan lanjut: tambahan 28 trilyun USD


Evolusi Rancangan Struktur

Adaptasi Empiris dari

Rancangan yg Sukses:

Prosedur coba-coba

Pendekatan kekuatan bahan

Dengan teori Elastisitas dgn

Faktor keamanan yg besar

Pengenalan Konsentrasi

Tegangan

= nom [1+2 (a/R)1/2]

Piramid di Mesir dan

Katedral Agung di Eropa

Penemuan abad 19

oleh Cauchy dll

Inglis (1913, USA)

Kolosov (USSR)

Paradok:

Pd R = 0, nom 0

2b

2 a

nom

nom

R


Evolusi Rancangan Struktur

Mekanika Perpatahan

Besar toleransi serabut retak untuk beban yg

Diberikan/beban aman operasi untuk

Ukuran serabut yang diberikan

Dengan menggunakan LEFM

K(a, , B) = KIc

Pendekatan Toleransi Rusak

-Laju pertumbuhan serabut

- Ukuran kritis dlm perawatan

Griffith (1922)

Teori Pecah/Remuk

(Theory of Rupture)

Perkembangan lanjut oleh:

Obriemoff (1930)

Westerfaard (1939)

Irwin dan Orowan (1948)

Rice dan Cherepanov, (1960)


Sejarah Perkembangan

Mekanika Perpatahan

• Abad 15 - Leonardo da Vinci– Test kekuatan pada kabel besi dgn panjang

berbeda

– Kekuatan berbanding terbalik proporsional dgn volume bahan

• Abad 19 – Cauchy– Hubungan tegangan-regangan pada kondisi

istemewa dan Konsentrasi tegangan

• 1922 – Teori Perpatahan Griffith– Hubungan kuantitatif pertama antara kekuatan

material dengan ukuran retak


Sejarah Perkembangan Mekanika Perpatahan

(a) Teori Kekuatan Antar Atom

– Sifat-sifat kristal dapat dihitung

berdasarkan sifat latis-latis

– Kekuatan teoritis

– Dimana E = modulus elastisitas, b = jarak

atom atom seimbang, = Energi total

pemisahan antar atom

– Untuk banyak bahan = Eb/40

– Teg. Luluh th = E/6

b

Eth

M odel atom untuk

kekuatan teoritis

b



(b) Teori Perpatahan

- Menggunakan persamaan

matematika Inglis untuk

konsentrasi tegangan, ditunjukkan

untuk bahan seperti kaca “Energi

permukaan yang dihamburkan

oleh pembentukan permukaan

retak baru adalah setara dengan

ketahanan pertumbuhan retak”

a

bentuk

retak



- Westergaard melanjutkan teori Griffith dan

menunjukkan bahwa kekuatan patah dari

bentuk retak adalah

dimana a adalah panjang retak

Batasan-batasan:

1. adalah valid untuk bahan getas

2. Perhitungan tidak jelas

3. Nilai lebih besar untuk bahan teknik

a

Ef

2



• 1948 George Irwin (Lab. Riset AL

USA)

– Melanjutkan teori Griffith untuk logam

– Mengembangkan metode matematika

untuk menghitung parameter patah dan

mengukur parameter patah kritis

(ketangguhan)

– p = energi plastis pada ujung retak

a

Ep

f

)(



• Karena pembilang adalah sifat bahan, kita dapat

mendifinisikan sebagai

• Dimana K = faktor intensitas tegangan pada

ujung retak, adalah tegangan yg kecil

• Kita dapat menghubungkan K dan G, laju

perubahan energi total potensial w.r.t. panjang

retak a.

• G = K2/E*

• E* = modulus elastis efektif

• Teori ini disebut Teori Perpatahan Griffith-

Irwin-Orowan

a

K



• James Rice (1967) dan Cherepanov (1966)

– Mekanika Perpatahan Non-linier

–J = / a

– Dimana (pi) adalah energi potensial total

dari bahan (elastis-plastis) non-linier yang

mempunyai retak


Matematika Definisi dari Retak

• Difinisi– Retak adalah suatu takikan elips dengan sumbu

panjang a yang agak besar (panjang retak) dan

sumbu pendek b adalah nol. Dengan kata lain,

jari-jari kelengkungan pada ujung retak adalah nol.

2b

2 a

nom

nom

R

2a

nom

nom

Takikan

elips

Retak


Matematika Definisi dari Retak

• Aliran Tegangan sekitar Takikan dan

Retak

– Pembebanan melintang thd sumbu utama

• Takikan

– Konsentrasi Tegangan (Kt); = nom (1+2

(a/Rmin)1/2)

– Rmin adalah jari-jari kelengkungan ujung

sumbu utama

• Retak

– Faktor Intensitas Tegangan (K); K = nom

( a)1/2


• Pembebanan sejajar thd sumbu utama

– Takikan

• Konsentrasi Tegangan (Kt); = nom (1+2

(a/Rmak)1/2)

• Rmak adalah jari-jari kelengkungan ujung

sumbu utama

– Retak

• Faktor Intensitas Tegangan (K); K = 0 shg

= nom


Pengaruh Retak pada Struktur

Pembebanan Statis

Grafik Kekuatan Sisa

2a

c

W

c

U kuran retak

W aktu

kekuatan rancangan

Perkiraan beban

kerja tertingg i

beban ke rja norm al

gaga l

Ke

ku

ata

n s

isa

gaga l w aktu

d igunakan


Pengaruh Retak pada Struktur

2a

W

(t)

(t)

Pembebanan Fatik

Tarik

Tekan

Tegangan

W aktu

Spektrum beban

tidak stab il

m ula i

re takre tak

tum buhpa

nja

ng

re

tak

, a

S ik lus

W aktu


Tujuan Teknologi Mekanika Perpatahan

• Perkembangan metode prediksi dan perhitungan dari seberapa cepat retak akan tumbuh dan seberapa cepat kekuatan sisa akan menurun

• Kekhususan:– Seberapa kekuatan tegangan sebagai fungsi

ukuran retak?

– Seberapa ukuran retak dapat ditoleransikan pada beban kerja (ukuran retak kritis)?

– Seberapa panjang suatu retak tumbuh dari suatu ukuran awal tertentu terhadap suatu ukuran kritis?

– Berapa ukuran serabut yang diijinkan ketika struktural mulai digunakan?

– Seberapa sering struktur tsb diinspeksi?


Disiplin ilmu Mekanika Perpatahan

• Meliputi 4 disiplin ilmu:

• Teknik – pembebanan 7 analisa tegangan

• Mekanika Terapan – tegangan ujung retak dan pergerakan gaya

• Pengujian – Kuantitatif parameter kritis dan pencocokan parameter analitis

• Ilmu Bahan – proses kegagalan pada skala atom. Meliputi dislokasi dan ketidak-murnian


Mekanika Perpatahan

perpatahan dan-kelelahan

Education