Transcript Perpatahan dan Kelelahan (Fracture and Fatigue)
Perpatahan dan Kelelahan (Fracture and Fatigue)
Oleh:
Ellyawan Arbintarso, MSc.
Silabus
• • • • •
TUJUAN PERKULIAHAN M
engenalkan mekanika perpatahan pada bahan
M
ahasiswa dapat mengetahui teori mekanika perpatahan
M
ahasiwa dapat memahami pendekatan teori perpatahan ke dalam perancangan struktur
M
ahasiswa dapat mengetahui pengujian ketangguhan patah dan analisa yang dibutuhkan Ellyawan Arbintarso 2
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 Ellyawan Arbintarso 3
Info dan Kontak
• Laboratorium Pengujian Bahan ISTA • Jl. I Dewa Nyoman Oka 32 Kotabaru Yk • Email: [email protected]
• Email: [email protected]
• Email: [email protected]
Ellyawan Arbintarso 4
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 Ellyawan Arbintarso 5
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% Ellyawan Arbintarso 6
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 Ellyawan Arbintarso 7
Pendahuluan Mekanika Perpatahan
•
PENDAHULUAN
• Filosofi perancangan konvensional - Kekuatan - Tekukan - Defleksi Meniadakan Konsentrasi Tegangan • Perubahan: – Peningkatan NDE – Cacat bukan akhir dari segalanya – Biaya pengantian dan perbaikan – Kemungkinan perawatan berkala
Mekanika Perpatahan
Ellyawan Arbintarso 8
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 Ellyawan Arbintarso 9
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 Ellyawan Arbintarso 10
Evolusi Rancangan Struktur
Adaptasi Empiris dari Rancangan yg Sukses: Prosedur coba-coba Piramid di Mesir dan Katedral Agung di Eropa Pendekatan kekuatan bahan Dengan teori Elastisitas dgn Faktor keamanan yg besar Penemuan abad 19 oleh Cauchy dll Pengenalan Konsentrasi Tegangan = nom [1+2 (a/R) 1/2 ] Inglis (1913, USA) Kolosov (USSR) Paradok: Pd R = 0, nom 0 Ellyawan Arbintarso nom 2a R nom 11
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) = K Ic Griffith (1922) Teori Pecah/Remuk (
Theory of Rupture
) Pendekatan Toleransi Rusak -Laju pertumbuhan serabut - Ukuran kritis dlm perawatan Perkembangan lanjut oleh: Obriemoff (1930) Westerfaard (1939) Irwin dan Orowan (1948) Rice dan Cherepanov, (1960) Ellyawan Arbintarso 12
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 Ellyawan Arbintarso 13
Sejarah Perkembangan Mekanika Perpatahan (a) Teori Kekuatan Antar Atom
– Sifat-sifat kristal dapat dihitung berdasarkan sifat latis-latis – Kekuatan teoritis
th
E b
– Dimana E = modulus elastisitas, b = jarak atom atom seimbang, = Energi total pemisahan antar atom – Untuk banyak bahan – Teg. Luluh th = E/6 = Eb/40 b Ellyawan Arbintarso Model atom untuk kekuatan teoritis 14
Sejarah Perkembangan Mekanika Perpatahan (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” bentuk retak Ellyawan Arbintarso a 15
Sejarah Perkembangan Mekanika Perpatahan
- Westergaard melanjutkan teori Griffith dan menunjukkan bahwa kekuatan patah dari bentuk retak adalah dimana a adalah panjang retak
f
Batasan-batasan: 1. adalah valid untuk bahan getas 2. Perhitungan tidak jelas 3. Nilai lebih besar untuk bahan teknik 2
E
a
Ellyawan Arbintarso 16
Sejarah Perkembangan Mekanika Perpatahan
•
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)
E
(
f
a p
) – p = energi plastis pada ujung retak Ellyawan Arbintarso 17
Sejarah Perkembangan Mekanika Perpatahan
• Karena pembilang adalah sifat bahan, kita dapat mendifinisikan sebagai
K
a
• 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 = K 2 /E*
• E* = modulus elastis efektif • Teori ini disebut
Teori Perpatahan Griffith Irwin-Orowan
Ellyawan Arbintarso 18
Sejarah Perkembangan Mekanika Perpatahan
•
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 Ellyawan Arbintarso 19
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.
nom nom Retak Takikan elips 2a 2a R nom nom Ellyawan Arbintarso 20
Matematika Definisi dari Retak
•
Aliran Tegangan sekitar Takikan dan Retak
– Pembebanan melintang thd sumbu utama •
Takikan
– Konsentrasi Tegangan (K t ); (a/R min ) 1/2 ) = nom (1+2 – R min adalah jari-jari kelengkungan ujung sumbu utama •
Retak
– Faktor Intensitas Tegangan (K); K = nom ( a) 1/2 Ellyawan Arbintarso 21
• Pembebanan sejajar thd sumbu utama –
Takikan
• Konsentrasi Tegangan (K t ); (a/R mak ) 1/2 ) = nom (1+2 • R mak adalah jari-jari kelengkungan ujung sumbu utama –
Retak
• Faktor Intensitas Tegangan (K); K = 0 shg nom = Ellyawan Arbintarso 22
Pengaruh Retak pada Struktur
Pembebanan Statis
c 2a W c
Grafik Kekuatan Sisa
kekuatan rancangan Perkiraan beban kerja tertinggi gagal w aktu digunakan beban kerja normal gagal Ukuran retak Waktu Ellyawan Arbintarso 23
Pengaruh Retak pada Struktur Pembebanan Fatik
(t) 2a Tarik
Tegangan
Tekan W Spektrum beban Waktu tidak stabil (t) mulai retak Ellyawan Arbintarso Siklus Waktu retak tumbuh 24
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?
Ellyawan Arbintarso 25
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 Ellyawan Arbintarso 26
Mekanika Perpatahan
Ellyawan Arbintarso 27