Kekuatan Lelah TINJAUAN PUSTAKA

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Kekuatan Lelah

Kekuatan lelah suatu bahan disusun dari serangkaian percobaan dengan pemberian beban sampai terjadi kegagalan pada siklus tertentu, hasilnya digambarkan dalam suatu bentuk kurva S-N Kurva Wohler seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.1. Pada kurva S-N, tegangan S dipetakan terhadap jumlah siklus hingga terjadi kegagalan, sedangkan N adalah jumlah siklus tegangan yang menyebabkan terjadinya patah sempurna benda uji . Tegangan yang dipetakan dapat berupa tegangan bolak-balik, tegangan maksimum dan tegangan minimum. Menurut Dieter 1986, nilai tegangan adalah tegangan nominalnya dengan demikian tidak terdapat penyesuaian untuk konsentrasi tegangan. a S maks S min S Indra Hasan : Kekuatan Lelah Baja HQ 705 Dan Baja Thyrodur 1730 Di Lingkungan Kelembaban Tinggi, 2006 USU Reepository © 2008 Gambar 2.1. Kurva S-N dari Hasil Pengujian Metode Standar Uji Fatik Collins, pp. 375 Pada baja, siklus N yang melampaui batas lelah N 10 7 , baja dianggap mempunyai umur tak terhingga atau kegagalan diprediksi tidak akan terjadi, sedangkan untuk logam bukan besi non ferrous tidak terdapat batas lelah yang signifikan, memiliki kurva S-N dengan gradien yang turun sedikit demi sedikit sejalan dengan bertambahnya jumlah siklus. Tegangan pada spesimen di suatu titik tertentu dengan tipe pembebanan cantilever ditentukan dengan rumus berikut shigley, 1989: zx c c c I Y M S = dimana: S c = tegangan pada titik c di permukaan spesimen M c = momen pada titik c akibat beban pada spesimen Y c = jarak maksimum dari titik pusat spesimen ke arah titik c pada permukaan spesimen I zx = momen inersia polar spesimen = 4 64 c d π d c = diameter pada titik c spesimen Hubungan antara tegangan pada spesimen akibat beban dengan jumlah putaran sampai terjadi patah lelah sempurna adalah: S = a N b 2.2 dimana : S = Tegangan bolak-balik atau Kekuatan lelah MPa N = Jumlah siklus tegangan Indra Hasan : Kekuatan Lelah Baja HQ 705 Dan Baja Thyrodur 1730 Di Lingkungan Kelembaban Tinggi, 2006 USU Reepository © 2008 e ut S S a 2 9 , = e ut S S b 9 , log 3 1 − = S e = ka. kb. kc. kd. ke. S e ’ 2.3 dimana S e ’ = batas ketahanan endurance limit dari spesimen uji test specimen = 0,504 S ut S ut = kekuatan tarik maksimum MPa ka = faktor permukaan = a S ut b kb = faktor ukuran = 1133 , 62 , 7 − ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ d kc = faktor beban kd = faktor temperatur ke = faktor modifikasi terhadap pemusatan tegangan Kegagalan lelah disebabkan beban berulang beban dinamis atau perubahan struktur permanen, terlokalisasi dan progresif yang terjadi pada bahan yang dibebani dengan teganganregangan fluktuasi yang dapat mengakibatkan retak atau patahan setelah jumlah siklus tertentu. Kondisi pembebanan yang menyebabkan kelelahan adalah fluktuasi tegangan, mencakup getaran, fluktuasi regangan, fluktuasi temperatur thermal fatigue, atau salah satu kondisi di atas di dalam lingkungan korosif atau pada suhu tinggi Dieter, 1986. Sedangkan yang menyebabkan kegagalan lelah adalah tegangan tarik maksimum yang cukup tinggi, variasi atau Indra Hasan : Kekuatan Lelah Baja HQ 705 Dan Baja Thyrodur 1730 Di Lingkungan Kelembaban Tinggi, 2006 USU Reepository © 2008 fluktuasi tegangan yang cukup besar, dan siklus penerapan tegangan yang cukup besar. Tegangan berulang yang menyebabkan kelelahan digambarkan berbentuk sinusoidal antara tegangan maksimum dan minimum, tegangan tarik dianggap positif dan tegangan tekan dianggap negatif. Pada tipe pembebanan cantilever, tegangan maksimum dan minimum tidak sama, tegangan tarik lebih besar dari tegangan tekan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.2. Gambar 2.2 Siklus tegangan lelah Hertzberg, R.W., 1996 2.1.1 Faktor-faktor yang Mempengaruhi Kekuatan Lelah Faktor-faktor yang mempengaruhi atau cendrung mengubah kondisi kelelahan atau kekuatan lelah yaitu tipe pembebanan, putaran, kelembaban lingkungan korosi, konsentrasi tegangan, suhu, kelelahan bahan, komposisi kimia bahan, tegangan- tegangan sisa, dan tegangan kombinasi. Faktor yang mempengaruhi dan cendrung Indra Hasan : Kekuatan Lelah Baja HQ 705 Dan Baja Thyrodur 1730 Di Lingkungan Kelembaban Tinggi, 2006 USU Reepository © 2008 mengubah kekuatan lelah pada pengujian ini adalah kelembaban lingkungan, tipe pembebanan, putaran, suhu, komposisi kimia bahan dan tegangan sisa. Faktor yang diperhitungkan adalah kelembaban lingkungan korosi dan tipe pembebanan sedangkan putaran, suhu, komposisi kimia dan tegangan sisa sebagai variabel yang konstan selama pengujian sehingga tidak ada pengaruh yang signifikan terhadap kekuatan lelah. a. Faktor Kelembaban Lingkungan Faktor kelembaban lingkungan sangat mempengaruhi kekuatan lelah sebagaimana yang telah diteliti oleh Haftirman 1995 bahwa kekuatan lelah sangat menurun pada lingkungan kelembaban tinggi yaitu pada kelembaban relatif 70 sampai 85. Lingkungan kelembaban tinggi membentuk pit korosi dan retak pada permukaan spesimen yang menyebabkan kegagalan lebih cepat terjadi. Ko Haeng Nam 2003, menyatakan bahwa pada kelembaban relatif 85 terjadi transisi tegangan lebih besar dibandingkan dengan kelembaban relatif 5 sampai 55, dan Nakajima M., 2003 menyatakan terjadi penurunan tegangan pada udara laboratorium dibandingkan dengan lingkungan udara kering. Pengaruh kelembaban tinggi terhadap setiap kekuatan bahan juga berbeda, untuk bahan dengan kekerasan yang tinggi, kelembaban sangat menurunkan kekuatan lelah dibanding bahan dengan kekerasan yang rendah, sebagaimana yang telah diteliti oleh Haftirman 1995 terhadap baja HT 800 yang dibandingkan dengan baja SS 400, bahwa baja HT 800 dengan kekerasan yang Indra Hasan : Kekuatan Lelah Baja HQ 705 Dan Baja Thyrodur 1730 Di Lingkungan Kelembaban Tinggi, 2006 USU Reepository © 2008 tinggi 268 Hv mengalami penurunan kekuatan lelah yang lebih besar dari penurunan kekuatan lelah baja SS 400 engan kekerasan 166 Hv. Lee dan Uhlig 1972 menyatakan bahwa semakin keras suatu baja semakin besar penurunan kekuatan lelahnya pada lingkungan kelembaban relatif 70. b. Tipe Pembebanan Tipe pembebanan dipilih berdasarkan kasus di lapangan yaitu untuk poros pemipih karet pada pabrik karet di PTPN III dengan tipe pembebanan cantilever yang menerima beban lentur dan puntir. Tipe pembebanan ini sangat mempengaruhi kekuatan lelah sebagaimana yang diteliti oleh Ogawa 1989 bahwa baja S45C yang diberikan tipe pembebanan lentur putar dan pembebanan aksial mempunyai kekuatan lelah yang sangat berbeda, baja S45C dengan pembebanan aksial mempunyai kekuatan lelah lebih rendah dari baja yang menerima pembebanan lentur putar. c. Faktor Putaran Putaran yang mempengaruhi kelelahan pada pengujian ini direduksi dari 1450 rpm menjadi 887,5 rpm yang diukur dengan tachometer dan putaran tersebut digunakan untuk mendapatkan pengaruh pembebanan pada spesimen tetapi masih dalam batas tidak ada pengaruh putaran yang signifikan terhadap kekuatan lelah, sebagaimana yang telah diteliti oleh Iwamoto 1989 dengan hasil bahwa putaran antara 750 rpm sampai 1500 rpm mempunyai kekuatan lelah yang hampir sama tetapi apabila putaran 50 rpm menurunkan kekuatan Indra Hasan : Kekuatan Lelah Baja HQ 705 Dan Baja Thyrodur 1730 Di Lingkungan Kelembaban Tinggi, 2006 USU Reepository © 2008 lelah jauh lebih besar dari putaran 750 rpm dan 1500 rpm, sehingga putaran yang berada diantara 750 rpm sampai 1500 rpm tidak mempengaruhi kekuatan lelah dengan signifikan sebagaimana putaran 887,5 rpm pada pengujian ini. d. Faktor Suhu Faktor suhu sangat mempengaruhi kekuatan lelah karena suhu menaikkan konduktivitas elektrolit lingkungan sehingga dapat mempercepat proses oksidasi. Untuk mengkondisikan pengujian standar terhadap suhu, pengujian dilakukan pada temperatur kamar. Menurut Haftirman 1995 bahwa pengujian pada lingkungan dengan suhu 40 o C retakan pada spesimen memanjang dari pada pengujian di suhu 25 o C dengan retakan yang halus, karena suhu yang tinggi menyebabkan molekul air yang terbentuk mengecil di permukaan baja sehingga mempercepat terjadi reaksi oksidasi dan membuat jumlah pit korosi jauh lebih banyak, akibatnya pit korosi cepat bergabung membentuk retakan yang memanjang. Dieter 1986 mengemukakan secara umum kekuatan lelah baja akan turun dengan bertambahnya suhu di atas suhu kamar kecuali baja lunak dan kekuatan lelah akan bertambah besar apabila suhu turun. e. Faktor Tegangan Sisa Faktor tegangan sisa yang mungkin timbul pada saat pembuatan spesimen direduksi dengan cara melakukan pemakanan pahat sehalus mungkin terhadap spesimen sehingga pemakanan pahat tidak menimbulkan suhu yang bisa menyebabkan munculnya tegangan sisa maupun tegangan lentur pada spesimen. Indra Hasan : Kekuatan Lelah Baja HQ 705 Dan Baja Thyrodur 1730 Di Lingkungan Kelembaban Tinggi, 2006 USU Reepository © 2008 f. Faktor Komposisi Kimia Pengaruh faktor komposisi kimia terhadap kekuatan lelah diharapkan sama untuk seluruh spesimen uji dengan pemilihan bahan yang diproduksi dalam satu kali proses pembuatan, sehingga didapat kondisi pengujian yang standar untuk seluruh spesimen uji. 2.1.2 Mekanisme Kegagalan Fatik Kegagalan fatik dimulai dengan terjadinya deformasi plastis slip secara lokal. Bila slip terjadi maka slip tersebut dapat terlihat pada permukaan logam sebagai suatu tangga step yang disebabkan oleh pergerakan logam sepanjang bidang slip. Demikian seterusnya maka lama-kelamaan akan terjadi suatu retak. Slip pada pembebanan rotating bending ditunjukkan pada Gambar 2.3. Gambar 2.3 . Bentuk Alur dan Puncak Slip yang Digabungkan dari Hasil Pembebanan Berulang Collins, pp.182 Siklus untuk menimbulkan awal retak dan penjalaran retak tergantung pada tegangan yang bekerja. Bila tegangan yang bekerja tinggi maka waktu terbentuknya awal retak akan lebih pendek. Pada tegangan yang sangat rendah maka hampir seluruh umur lelah digunakan untuk membentuk retak awal. Pada tegangan yang tinggi sekali retak terbentuk sangat cepat. Indra Hasan : Kekuatan Lelah Baja HQ 705 Dan Baja Thyrodur 1730 Di Lingkungan Kelembaban Tinggi, 2006 USU Reepository © 2008 Retak permulaan ini begitu kecil sehingga tidak bisa dilihat oleh mata telanjang. Sekali suatu retak muncul, pengaruh pemusatan tegangan menjadi bertambah besar dan retak tersebut akan maju lebih cepat. Begitu ukuran luas yang menerima tegangan berkurang, tegangan bertambah besar sampai akhirnya luas yang tersisa tiba-tiba gagal menahan tegangan tersebut. Karena itu kegagalan lelah ditandai dari perkembangan retak yang ada dan kepatahan mendadak dengan daerah yang mirip kepatahan bahan rapuh Shigley, 1989.

2.2. Mekanisme Kegagalan Fatik Korosi