30
3. Gradient Factor. 4. Specimen Endurance Limit.
2.4.3 Tegangan dan Regangan Termal
Beban luar bukanlah satu-satunya sumber tegangan dan regangan di suatu struktur. Perubahan temperatur menyebabkan ekspansi atau kontraksi bahan,
sehingga terjadi regangan termal dan tegangan termal. Pada kebanyakan bahan, regangan termal
ε
t
sebanding dengan perubahan temperatur ΔT; jadi ,
6 Dalam hal ini benda mengalami sedikit perubahan volume dimana semua
komponen regangan geser sama dengan nol. Jika suatu batang yang ditahan untuk menahan pertambahan panjang dan
karena adanya kenaikan suhu yang merata, akan menyebabkan adanya tegangan sehingga terjadi tegangan tekan. Tegangan ini disebut thermal fatigue
σ = ε E = α ΔT E
7 Dimana:
α = koefisien ekspansi thermal ΔT = perubahan temperatur
E = Modulus elastisitas
2.4.4 Fatik Siklus Tinggi
Berdasar umur fatigue N, fatigue dapat diklarifasi menjadi fatigue siklus rendah low cycles fatigue untuk umur fatigue 10
≤ N ≤ 10
3
dan fatigue siklus tinggi high cycles fatigue untuk umur fatigue
N ≥ 10
3
. Dua cara pendekatan yang pertama memiliki parameter yang sama, yaitu mengolah parameter beban
menjadi fungsi tegangan atau regangan terhadap siklus. Cara pendekatan yang terakhir menggunakan parameter perambatan retak crack propagation dengan
memantau retak mula yang memiliki laju pertumbuhan panjang retak yang proporsional dengan intensitas tegangan yang diterapkan untuk mencapai
perpatahan.
Universitas Sumatera Utara
31
Fatik siklus tinggi melibatkan siklus dalam jumlah yang besar N10
5
siklus dan memakai tegangan elastis. Pengujian fatik siklus tinggi biasanya didapatkan 10
7
siklus dan kadang kala 5 x 10
8
siklus untuk logam nonbesi. Walaupun tegangan yang dipakai cukup rendah untuk sampai menjadi elastik,
deformasi plastis dapat mengambil tempat dititik crack. Data fatik siklus tinggi biasanya ditampilkan sebagai plot tegangan, S, melawan jumlah siklus sampai
gagal, N. Rumus log digunakan menghitung jumlah siklus. Nilai dari tegangan, S, bisa saja tegangan maksimum, σ
max
, tegangan minimum, σ
min
, atau tegangan amplitudo, σ
a
. Hubungan S-N biasanya adalah menentukan nilai spesifik dari tegangan rata-
rata, σ
m
, atau satu dari dua rasio, R atau A. Estimasi penentuan siklus fatik tinggi dapat menggunakan rumus Basquin;
sebagai berikut: 8
Umur fatik adalah banyaknya jumlah siklus sampai terjadi kegagalan pada level tegangan tertentu, sedangkan kekuatan lelah juga disebut sebagai batas daya
tahan adalah stres bawah yang gagal tidak terjadi. Sebagai tingkat stres diterapkan menurun, jumlah siklus kegagalan meningkat. Biasanya, kekuatan
kelelahan meningkat sebagai statis kekuatan tarik meningkat. Sebagai contoh, baja berkekuatan tinggi dipanaskan sampai melewati batas 1400Mpa 200 ksi
titik luluh yang lebih tinggi daripada paduan aluminium yang hanya 480 Mpa 70 ksi titik luluh. Perbandingan kurva S-N untuk baja dan aluminium ditujukan pada
gambar 2.4. Perhatikan bahwa baja tidak hanya memiliki kekuatan luluh yang lebih tinggi dari aluminium, tetapi juga memiliki batas ketahanan. Di bawah
tingkat stres tertentu, paduan baja tidak akan pernah mengalami kegagalan karena untuk beban siklik saja. Di sisi lain, aluminium tidak memiliki batas ketahanan
yang pasti. Dia akan selalu mengalami kegagalan jika diuji dengan jumlah siklus yang cukup. Oleh karena itu, kekuatan fatik dari aluminium biasanya dilaporkan
sebagai tegangan yang dapat bertahan dalam jumlah siklus yang besar, biasanya 5 x 10
8
siklus. Perlu dicatat bahwa ada cukup banyak tersebar di hasil tes kelelahan. Oleh karena itu penting untuk menguji dalam jumlah spesimen yang memadai
untuk mendapatkan hasil statistik bermakna.
Universitas Sumatera Utara
32
Untuk jumlah yang besar dari baja, terdapat korelasi langsung antara kekuatan tarik dengan kekuatan fatik; baja dengan kekuatan tarik yang lebih besar akan
memiliki batas ketahanan yang tinggi. Batas ketahanan normalnya dalam jarak 0.35 sampai 0.60 dari kekuatan tarik. Hubungan ini tertuju kepada kekerasan
sekitar 40 HRC ~120Mpa, atau 180 ksi kekuatan tarik, dan kemudian menyebar menjadi sangat baik untuk dipercaya gambar 2.5. Bukan karena ini kita dapat
dengan bijaksananya menggunakan baja yang berkekuatan tarik tinggi agar secara mungkin memaksimalkan umur fatik karena, bila kekuatan tarik meningkat,
kekuatan patah menurun dan sensitivitas lingkungan meningkat. Batas ketahanan dari baja kekuatan tinggi begitu ekstrim sensitifnya dengan kondisi permukaan,
kondisi bertegangan sisa, dan kehadiran dari pencantuman yang bertindak sebagai konsentrasi tegangan.
Retak fatik ini muncul begitu dini dalam penggunaan keseharian dari komponen oleh formasi dari retak kecil, umumnya pada beberapa titik diatas
permukanan eksternal. Retak tersebut kemudian mulai merambat perlahan ke material dalam arah perlahan menuju pusat tarik poros gambar 2.3.
Proses terjadinya retak ini dibagi menjadi 3 tahap: 1.
Mulai terjadinya retak, 2.
Perambatan retak 3.
Kegagalan akhir.
Gambar 2.19 Tipe Penyebaran dari retak fatik Sumber: Elements of Metallurgy and Engineering Alloys 05224G
Universitas Sumatera Utara
33
Puncaknya, area penyebrangan dari titik tersebut tidak lagi dapat menahan beban, dan komponen akan gagal akibat tekanan. Permukaan patah akibat dari
kelelahan kekuatan tinggi dapat dilihat gambar 2.4. Porsi dari permukaan patah akibat retak fatik yang tumbuh dan porsi ini terakhir akan retak akibat dari
pembebanan berlebih.
Gambar 2.20 Pertumbuhan Retak Fatik dalam Bagian Baja Berkekuatan Tinggi Sumber: Elements of Metallurgy and Engineering Alloys 05224G
Seperti yang sudah disinggung sebelumnya, kebanyakan data fatik didalam literatur telah ditentukan untuk benar-benar reversed bending
dengan σ
m
=0. Bagaimanapun, efek dari tegangan rata-rata sangatlah penting, dan peningkatan
tegangan rata-rata juga akan menyebabakan penurunan umur fatik gambar 2.21.
Gambar 2.21 Efek dari tegangan rata-rata terhadap umur fatik Sumber: Elements of Metallurgy and Engineering Alloy 05224G
Universitas Sumatera Utara
34
Rumus matematika telah dikembangkan dan dapat mengizinkan efek dari tegangan rata-rata atas tegangan amplitudo dan terprediksi dari data penuh
reversed-bending . Goodman mengembangkan permodelan linier, namun Gerber
menggunakan model parabola gambar 2.22. Data pengujian untuk logam lentur biasanya akan jatuh mendekati model kurva parabola Gerber; namun, dikarenakan
penyebaran data fatik dan kenyataan data yang lebih mendekati garis Goodman, hubungan Goodman yang lebih konservatif lebih sering dipraktikkan. Jika
komponen dari perancangan adalah atas dasar luluh ketimbang kekuatan puncak, maka akan lebih mendekati ke rumus Soderberg. Dalam matematika, ketiga
hubungan ini dapat dituliskan menjadi Goodman
9
Soderberg 10
Gerber 11
Dimana: σ
e
= kekuatan fatik untuk siklus N dibawah tegangan rata-rata nol σ
a
= kekuatan fatik untuk siklus N dibawah tegangan rata-rata dari σ
m
σ
u
= kekuatan tarik puncak σ
y
= kekuatan luluh
Universitas Sumatera Utara
35
Gambar 2.22 Perbandingan kurva Goodman, Gerber dan Soderberg sumber: Element of Metallurgy and Engineering Alloys 05224G
2.4.5 Menentukan Umur Fatik
Kategori