107 bab 02 mekanika perpatahan i
DESCRIPTION
metalurgiTRANSCRIPT
Mekanika Perpatahan I
Bab 2
Ellyawan Arbintarso
Ellyawan Arbintarso2
Mekanika Perpatahan I
Mekanika perpatahan dalam desain Perlu perhatian yang serius, karena
dapat menimbulkan kerusakan yang luar biasa dan dapat menelan korban jiwa, walaupun tidak umum terjadi.
Teknik desain dengan memperhitungkan mekanika perpatahan adalah suatu metode yang umum dalam keselamatan Industri yang kritis, seperti dalam pembangkit daya/listrik dan peralatan luar angkasa
Ellyawan Arbintarso3
Tegangan Rancang dan Faktor Keselamatan
Struktur dirancang tanpa mekanika perpatahan menggunakan rumusan tegangan rancang (design stress) sbb:
Faktor keselamatan dihitung lebih tinggi dari tegangan yang diperkirakan akan terjadi atau bervariasi tergantung jenis bahan
tankeselamafaktor
luluhteganganrancangtegangan
Ellyawan Arbintarso4
Faktor Keselamatan
Struktur teknik, bagaimanapun juga, dapat mengandung retakan atau berkembang menjadi retakan selama penggunaan
retakan tersebut dapat tumbuh /menjalar seiring dengan kelelahan atau pengaruh lingkungan
Faktor keselamatan tidak diperhi-tungkan terhadap kehadiran retakan dimana dapat menurunkan kekuatan struktur dengan dratis
Ellyawan Arbintarso5
Efek dari retakan U
kura
n re
tak
Waktu, siklus beban tidak adakerusakan
kerusakanmungkin
terjadi
kerusakanterjadi
Waktu, siklus beban
teg. perkiraan
teg. perkiraanbatas atas
teg. desain
keku
atan
Penurunan kekuatan dari struktur teknik terhadap pertumbuhan retak dalam
pembebanan
Ellyawan Arbintarso6
Tujuan dari Mekanika Perpatahan
adalah untuk menjawab
pertanyaan sbb: Bagaimana kekuatan dari suatu struktur
bervariasi dengan ukuran retak? Bagaimana panjang retak dapat
ditoleransikan pada beban perkiraan yang akan ditanggung? (ukuran retakan kritis)
Berapa lama retak akan tumbuh/ menjalar untuk menuju ukuran retakan kritis?
Ellyawan Arbintarso7
Pada tingkatan berapa cacat awal (pre-existing flaws) dapat ditoleransi untuk permulaan pembebanan?
Berapa sering suatu struktur harus diperiksa untuk mencegah kerusakan?
Tujuan dari Mekanika Perpatahan
adalah untuk menjawab pertanyaan sbb:
Ellyawan Arbintarso8
Bagaimana Suatu Benda Dapat
Patah? Terdapat banyak mekanisme perpatahan yaitu:
Pembelahan lewatbutir (transgranular cleavage)
Pembelahan antarbutir (intergranular cleavage)
Pengabungan keuletan rongga mikro (ductile microvoid coalesence)
Mulur (creep) Kelelahan/fatik (fatigue)
Ellyawan Arbintarso9
Peretakan dipengaruhi lingkungan (environ-mentally assisted cracking)
Berkembangnya jaringan keretakan yang lembut (Crazing)
Kehilangan lapisan (Delamination) Benang pembentuk tercabut keluar (fibre
pull-out) Fase peretakan getas (brittle phase
cracking) Peretakan antarmuka (interface cracking) Pertumbuhan rongga inti (void nucleation)
Bagaimana Suatu Benda Dapat Patah?
Ellyawan Arbintarso10
Ketangguhan dapat dipengaruhi dengan adanya perubahan pada mekanisme perpatahan dan mekanisme perpatahan dapat berubah setiap saat
Ellyawan Arbintarso11
Takikan dan Konsentrasi Tegangan
Takikan bertindak sebagai konsentrasi tegangan Takikan yang lancip dan dalam mungkin akan
menyebabkan:Penurunan kekuatan pada bahan yang getasPeningkatan kekuatan pada bahan yang ulet
Pengaruh tersebut terjadi dikarenakan:- Konsentrasi tegangan- Pembatasan/pemaksaan (constraint)
Ellyawan Arbintarso12
Elips Inglis
Konsentrasi tegangan dapat diper-hitungkan menggunakan elips Inglis
b
a21max
tegangan
jarak
2b
2a
max = tegangan maksimum = tegangan yang
digunakan
Ellyawan Arbintarso13
Faktor Konsentrasi Tegangan
Faktor konsentrasi tegangan = k
kaauntuk
a
a
b
2,
21
max
max
2 = radius kurva
Ellyawan Arbintarso14
Pelemahan Akibat Takikan pada Bahan Getas
Bahan getas adalah sensitif terhadap takikan
Efek dari faktor konsentrasi tegangan pada penggunaan tegangan patah dari bahan sensitif terhadap takikan
k1
k3
k2
k3 > k 2 > k 1
Ellyawan Arbintarso15
Penguatan Akibat Takikan pada Bahan Ulet
Bahan ulet adalah tidak terlalu sensitif terhadap takikan dan dimungkinkan terjadi penguatan karena takikan.
Tegangan luluh tarik dari bahan ulet kemungkinan akan meningkat dengan adanya sebuah takikan yang berhubungan dengan pembatasan (constraint)
Ellyawan Arbintarso16
Penguatan Akibat Takikan pada Bahan Ulet
Pembatasan deformasi plastis bahan oleh bahan yang elastis
ElastisElastis
Plastis
FF
3
1
2
Ellyawan Arbintarso17
Penguatan Takikan (notch strengthening) dan Pembatasan (constraint)
Tegangan tarik transversal (2 dan 3) berhubung dengan pembatasan dari zona plastik oleh daerah elastik meningkatkan tegangan tarik aksial (1) dibutuhkan untuk memberikan tegangan geser yang cukup untuk meluluhkan bahan.
Ellyawan Arbintarso18
Penguatan Takikan (notch
strengthening) dan Pembatasan (constraint)
tegangan geser kritis untuk peluluhan
tidak ada pembatasan
dengan pembatasan
Ellyawan Arbintarso19
Pengukuran Ketangguhan (toughness)
Ada beberapa cara untuk mengukur ketangguhan Kinerja dari perpatahan (work of fracture) Sensitifitas takikan (notch sensivity) Keuletan dan kinerja pengerasan (ductility
and work hardening) Ketangguhan Impak (impact toughness) Ketangguhan Perpatahan (fracture
toughness)Sebagian cara sangat bermanfaat untuk desain teknik dibanding yang lain.
Ellyawan Arbintarso20
Kinerja Perpatahan
Kinerja perpatahan adalah daerah dibawah kurva tegangan/regangan tarik untuk spesimen yang presisi
W
Analisa serupa dapat digunakan untuk spesimen dengan takikan
dpanjangxluas
jarakxzona
volume
kinerjaW
Ellyawan Arbintarso21
Sensitifitas Takikan
Bahan yang tangguh mengembangkan zona plastik yang luas sebelum terjadi kerusakan dan sensitifitas takikannya sedikit (kecil)
tegangan
Retak/takikan
jarak
teganganluluh
zona plastis
getas
tangguh
21
1
topresisi
pembanding
presisi
pembanding
< 1 sensitif terhadap takikan dan ketangguhan rendah> 1 tidak sensitif terhadap takikan dan ketangguhan tinggi
Ellyawan Arbintarso22
Keuletan dan Kinerja Pengerasan
Dalam logam, kapasitas kinerja pengerasan yang tinggi selalu berhubungan dengan keuletan dan ketangguhan yang tinggi
Pengerjaan dingin dapat menurunkan keuletan dan menurunkan ketangguhan
F
x
c
n
neckingketikad
d
K
c
c
n
Ellyawan Arbintarso23
Keuletan dan Kinerja Pengerasan
Pembelahan kristal tidak terjadi dalam kristal logam berbentuk FCC
tegangangagal
Temperatur
mekanismepembelahan
Penguatan ulet
uletgetas
Ellyawan Arbintarso24
Ketangguhan Impak
Transisi dari ulet ke getas selalu diamati dalam penurunan temperatur
Transisi perpatahan dari getas ke ulet pada baja karbon (terdapat perubahan mekanisme perpatahan) dan aluminium (tidak ada perubahan mekasnisme perpatahan)
Energiimpak
Temperatur
baja karbon
aluminium
Energi besar = uletEnergi rendah = getasEnergi potensial Impak = mgh
Ellyawan Arbintarso25
Faktor-faktor yang mempengaruhi ketangguhan meliputi:Temperatur dan laju reganganGeometri dari takikanUkuran spesimenMekanisme perpatahan
Efek tersebut berhubungan dengan peningkatan tegangan luluh, pembatasan dan tegangan patah
Standarisasi spesimen uji diperlukan untuk membandingkan ketangguhan dari bahan-bahan.
Ellyawan Arbintarso26
Definisi transisi
Transisi ulet ke getas dapat didefinisikan dalam beberapa cara, seperti:Energi kritis perpatahanPenurunan 50% energiDeformasi pada spesimen ujiPerpatahan yang tampak
dipermukaan (FATT) Dari hal tersebut diatas akan
memberikan temperatur transisi yang berbeda-beda
Ellyawan Arbintarso27
Definisi transisi
Energiimpak
Temperatur
35 j
T 0 T 1
pembelahan 70%
pembelahan 20%
tiada pembelahan
berubah 50%
Ellyawan Arbintarso28
Keterbatasan Pengujian
Impak Uji Impak biasanya digunakan untuk
perkiraan dan kontrol kualitas dari bahan, bukan untuk teknik desain.
Pembatasan pengujian tersebut meliputi:
Ukuran spesimen terlalu kecil Ukuran spesimen terlalu tipis Sensitif terhadap laju regangan Sulit untuk menggunakan energi
impak dalam desain
Ellyawan Arbintarso29
Ringkasan
Perpatahan suatu benda tergantung dari:
Ketangguhan bahan Konsentrasi tegangan Pembatasan Diperlukan suatu metode untuk
memprediksi sifat-sifat keretakan pada komponen struktur.
Thank you very much to Dr. Marrow