Apakah Anda benar-benar memahami kekuatan lelah bahan logam?

 

IFenomena dan Karakteristik Kelelahan Logam

 

1. Fenomena Kelelahan Logam

Pembentukan Retakan: Di bawah tekanan bergantian atau regangan siklik, material logam secara bertahap membentuk retakan kecil di area tekanan tinggi setempat.

Perambatan Retakan: Retakan kecil ini secara bertahap meluas seiring waktu karena tekanan berkelanjutan.

Kegagalan Retak: Bila retakan menjalar sampai batas tertentu, material yang tersisa tidak mampu lagi menahan beban, sehingga mengakibatkan retak total pada komponen logam.

 

 

 

▲Gambar 1 Tekanan Siklus Umum

 

2. Karakteristik Kelelahan Logam

Tiba-tiba: Kegagalan kelelahan logam sering terjadi secara tiba-tiba seiring berjalannya waktu dan tidak mudah dideteksi sebelumnya.

Lokalitas: Kegagalan biasanya terjadi di area dengan tekanan lokal yang tinggi, dengan lokasi yang relatif terkonsentrasi.

Sensitivitas: Kelelahan logam sensitif terhadap faktor lingkungan dan cacat. Misalnya, kekasaran permukaan, tingkat oksidasi, dan kondisi korosi komponen semuanya dapat memengaruhi kekuatan kelelahan.

Ketergantungan Siklus: Kelelahan logam berhubungan langsung dengan tingkat tegangan beban siklus dan jumlah siklus. Bahkan jika tingkat tegangan berada di bawah kekuatan luluh material, pembebanan siklus jangka panjang masih dapat menyebabkan kegagalan akibat kelelahan.

Sifat Statistik: Menurut statistik, sekitar 80%-90% kegagalan struktur teknik disebabkan oleh kelelahan logam.

 

 

 

▲Berbagai jenis morfologi fraktur kelelahan

 

 

II Klasifikasi Kelelahan Logam

 

1. Klasifikasi Berdasarkan Jumlah Beban Siklik

Kelelahan Siklus Tinggi: Mengacu pada kelelahan di bawah tekanan rendah (tekanan kerja di bawah batas luluh material, dan bahkan di bawah batas elastis) dengan siklus tekanan yang melebihi 100,000. Ini adalah jenis kegagalan kelelahan yang paling umum, yang juga dikenal sebagai kelelahan tekanan. Kinerja kelelahan siklus tinggi dijelaskan oleh kurva SN (kurva tekanan-umur), yang menunjukkan bahwa untuk rasio tekanan tertentu, semakin rendah tekanannya, semakin lama umur pakainya.

Kelelahan Siklus Rendah: Mengacu pada kelelahan di bawah tekanan tinggi (tekanan kerja mendekati batas luluh material) atau kondisi regangan tinggi dengan siklus tegangan di bawah 10,000 hingga 100,000. Karena regangan plastik bergantian memainkan peran utama dalam jenis kegagalan kelelahan ini, maka hal ini juga disebut kelelahan plastik atau kelelahan regangan.

 

2. Klasifikasi Berdasarkan Bentuk Kegagalan Kelelahan

Kelelahan Termal: Kegagalan kelelahan yang disebabkan oleh tekanan termal berulang karena perubahan suhu.

Kelelahan Korosi: Kegagalan kelelahan komponen mesin akibat aksi gabungan beban bergantian dan media korosif (seperti asam, alkali, air laut, gas aktif, dan lain-lain).

Kelelahan Kontak: Mengacu pada kegagalan kelelahan permukaan kontak komponen mesin, di mana pengelupasan atau penghancuran permukaan terjadi di bawah tekanan kontak berulang, yang menyebabkan kegagalan komponen.

 

 

III. Kurva Kelelahan

 

 

 

▲Kurva Kelelahan Bahan Logam

 

 

▲Kurva SN

 

Diagram di atas menggambarkan hubungan antara tegangan lelah dan umur lelah, yang dikenal sebagai kurva SN, yang digunakan untuk menentukan batas lelah dan menetapkan dasar untuk kriteria tegangan lelah.

Batas Kelelahan: Mengacu pada indikator kekuatan kemampuan material untuk menahan siklus tegangan yang tak terbatas jumlahnya tanpa retak; batas kelelahan bersyarat mengacu pada indikator kekuatan kemampuan material untuk menahan siklus tegangan yang terbatas jumlahnya tanpa retak. Keduanya secara kolektif disebut sebagai kekuatan kelelahan. Semakin besar kekuatan tarik, semakin besar pula batas kelelahannya.

 

 

IV. Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Kekuatan Lelah Material Logam

 

1. Bentuk dan Ukuran Komponen

Komponen mekanis sesungguhnya pasti memiliki bentuk takik yang berbeda-beda, seperti anak tangga, alur pasak, ulir, dan lubang oli, yang menyebabkan konsentrasi tegangan dan memengaruhi kekuatan lelah.

Efek ukuran komponen juga merupakan pertimbangan penting. Komponen yang lebih besar dibandingkan dengan sampel yang lebih kecil mungkin memiliki konsentrasi tegangan dan gradien tegangan yang lebih besar, yang memengaruhi kinerja kelelahan.

2. Permukaan Akhir

Permukaan akhir yang rendah dapat menyebabkan konsentrasi tegangan pada permukaan material, sehingga mengurangi kekuatan lelah material. Misalnya, pemesinan kasar (pembubutan kasar) dibandingkan dengan pemolesan halus longitudinal dapat mengurangi batas lelah sebesar 10% hingga 20% atau lebih.

3. Ketentuan Layanan

Lingkungan kerja, seperti adanya media korosif, dapat menyusup ke dalam retakan mikro dan memicu kegagalan komponen akibat kelelahan.

Material kedirgantaraan yang digunakan dalam kondisi iklim yang kompleks, seperti suhu tinggi, kelembapan tinggi, dan suhu rendah, juga dapat memengaruhi kinerja kelelahannya.

4. Komposisi Bahan

Komposisi material logam secara langsung memengaruhi kinerja kelelahannya. Misalnya, peningkatan kandungan karbon mengurangi kekuatan fraktur martensit dan meningkatkan kecenderungan untuk memadamkan retakan.

5. Keadaan Organisasi

Struktur mikro bahan logam memiliki dampak signifikan terhadap kekuatan lelahnya. Struktur yang diperoleh setelah pendinginan dan tempering dapat lebih meningkatkan kekuatan lelah.

6. Kemurnian

Cacat seperti inklusi pada material dapat menjadi sumber kelelahan, sehingga mengurangi kekuatan lelah.

7. Stres Sisa

Kehadiran tegangan sisa juga dapat memengaruhi kinerja kelelahan material.

8. Kekuatan dan Plastisitas Material

Semakin baik kekuatan dan plastisitas bahan logam, semakin tinggi kemampuannya dalam menahan kegagalan akibat kelelahan.

9. Amplitudo Tegangan

Besarnya amplitudo tegangan secara langsung mempengaruhi masa lelah logam.

10. Tekanan Rata-rata

Besarnya dan sifat (tarik atau tekan) tegangan rata-rata juga memengaruhi kinerja kelelahan logam.

11. Jumlah Siklus

Kegagalan kelelahan logam biasanya terjadi setelah sejumlah siklus tertentu.

12. Efek Konsentrasi Stres

Perubahan mendadak pada kontur bagian atau diskontinuitas internal (seperti pori-pori, inklusi, retakan, dsb.) dapat menjadi sumber konsentrasi tegangan, yang mempercepat proses kegagalan lelah.

 

 

V Metode Penentuan Kurva Kelelahan

Metode untuk menentukan kurva kelelahan, khususnya kurva SN, merupakan pendekatan krusial untuk mengevaluasi kinerja kelelahan material di bawah tekanan atau regangan siklik.

 

1. Menentukan Tujuan dan Kondisi Tes

Tentukan dengan jelas jenis material yang akan diuji, kisaran tingkat tegangan, frekuensi, dan parameter lainnya.

Pilih peralatan pengujian yang tepat, seperti mesin uji kelelahan, dan sesuaikan serta kalibrasi menurut persyaratan pengujian.

2. Mempersiapkan Spesimen

Menyiapkan spesimen yang memenuhi persyaratan berdasarkan standar dan persyaratan pengujian yang relevan.

Ukur dan catat dimensi, berat, dan parameter lain dari spesimen secara akurat.

3. Pemasangan Spesimen

Pasang spesimen pada mesin uji kelelahan, pastikan keselarasan antara sumbu spesimen dan sumbu pembebanan.

Untuk pengujian yang memerlukan perlengkapan atau perangkat khusus, pasang dan sesuaikan sesuai kebutuhan.

4. Menetapkan Parameter Uji

Berdasarkan tujuan dan kondisi pengujian, tetapkan bentuk gelombang pembebanan (misalnya, gelombang sinus, gelombang persegi), tingkat beban, frekuensi, dan parameter lainnya.

Untuk pengujian yang perlu mensimulasikan kondisi kerja sesungguhnya, tetapkan parameter lingkungan yang sesuai seperti suhu dan kelembapan.

5. Memulai Pengujian dan Merekam Data

Nyalakan mesin pengujian dan mulai pembebanan siklik.

Selama pengujian, catat data seperti beban, perpindahan, dan waktu untuk setiap siklus.

Pantau deformasi dan kegagalan spesimen, dan catat tepat waktu jumlah dan bentuk kegagalan kelelahan.

6. Membuat Plot Kurva SN

Berdasarkan data uji, buat kurva SN dengan tingkat tegangan (S) sebagai sumbu horizontal dan logaritma umur lelah (N, yaitu jumlah siklus) sebagai sumbu vertikal.

Kurva SN biasanya terdiri dari tiga bagian: daerah kelelahan siklus rendah, daerah kelelahan masa pakai terbatas, dan daerah kelelahan siklus tinggi. Bagian-bagian ini dapat dibagi dan diberi label sesuai dengan data pengujian.

7. Analisis dan Interpretasi Data

Menganalisis data kurva SN, termasuk perhitungan dan perbandingan parameter seperti kemiringan dan intersep.

Menafsirkan kinerja kelelahan dan karakteristik umur material berdasarkan bentuk dan parameter kurva SN.

Gabungkan informasi tentang mikrostruktur dan komposisi kimia material untuk menganalisis mekanisme dan faktor yang memengaruhi kegagalan kelelahan.