mechanical failure · mekanika perpatahan tin107 - material teknik materi #4 13 adalah ilmu yang...
TRANSCRIPT
TIN107 - Material Teknik #4 - Mechanical Failure
6623 - Taufiqur Rachman 1
66
23
-T
au
fiq
ur
Ra
ch
ma
nh t t p : / / t a u f i q u r r a c h m a n . w e b l o g . e s a u n g g u l . a c . i d
MECHANICAL FAILURE (KERUSAKANMEKANIS)TIN107 – Material TeknikMateri #4
1TIN107 - Material Teknik
h t t p : / / t a u f i q u r r a c h m a n . w e b l o g . e s a u n g g u l . a c . i d
66
23
-T
au
fiq
ur
Ra
ch
ma
n
Jenis Perpatahan (Fracture)
Perpatahan sederhana adalah pemisahan materialmenjadi dua atau lebih sebagai reaksi terhadap teganganstatis (konstan) dan pada suhu yang relatif rendahterhadap Tm dari material.
Digolongkan berdasarkan pada kemampuan suatumaterial untuk mengalami deformasi plastis.
• Disertai dengan deformasi plastisyang signifikan
Ductile fracture (perpatahan elastis)
• Sedikit/tidak ada deformasi plastis• Secara tiba-tiba, dan catastrophic
(kerusakan yang berat/parah)
Brittle fracture (perpatahan rapuh)
Materi #4
2
TIN107 - Material Teknik
TIN107 - Material Teknik #4 - Mechanical Failure
6623 - Taufiqur Rachman 2
h t t p : / / t a u f i q u r r a c h m a n . w e b l o g . e s a u n g g u l . a c . i d
66
23
-T
au
fiq
ur
Ra
ch
ma
nMekanisme Perpatahan (Fracture)
Penerapan Tekanan (Stress)
Pembentukan Retakan (Crack)
Perambatan (Propagation)
Kerusakan elastis (ductile) memiliki deformasi plastisyang luas di sekitar ujung retak. Proses ini berlangsungrelatif lambat (stabil). Retakan tersebut menolak setiapperpanjangan yang ada kecuali terdapat peningkatantekanan.
Pada kerusakan rapuh (brittle), retakan dapat menyebarsangat cepat, dengan sedikit deformasi. Retakan ini lebihtidak stabil dan perambatan retak akan berlanjut tanpapeningkatan tekanan.
Materi #4
3
TIN107 - Material Teknik
h t t p : / / t a u f i q u r r a c h m a n . w e b l o g . e s a u n g g u l . a c . i d
66
23
-T
au
fiq
ur
Ra
ch
ma
n
Perambatan Retakan
Perambatan retakan terjadi karena ketajaman ujung
retakan.
Material yang mengalamideformasi plastis di ujung,
akan menumpulkan retakan.
Ada keseimbangan energipada retakan.
Disebut energi reganganelastis.
• Energi yang tersimpandalam material yangmengalami deformasielastis.
• Energi ini dilepaskanketika retakan merambat.
• Penciptaan permukaanbaru memerlukan energi.
Materi #4
4
TIN107 - Material Teknik
brittle
plastic
daerah deformasi
TIN107 - Material Teknik #4 - Mechanical Failure
6623 - Taufiqur Rachman 3
h t t p : / / t a u f i q u r r a c h m a n . w e b l o g . e s a u n g g u l . a c . i d
66
23
-T
au
fiq
ur
Ra
ch
ma
nDuctile Vs Brittle
Materi #4TIN107 - Material Teknik
5
Sangat Elastis
Elastisitas Menengah Rapuh
Tingkatan perpatahan
Besar Sedang%AR atau %EL Kecil
Perpatahan elastis biasanya lebihdiinginkan dari
pada perpatahan rapuh
Elastis:
Ada peringatan
sebelum perpatahan
Rapuh:
Tidak ada peringatan
h t t p : / / t a u f i q u r r a c h m a n . w e b l o g . e s a u n g g u l . a c . i d
66
23
-T
au
fiq
ur
Ra
ch
ma
n
Kerusakan Elastis Menengah
Tahapan kerusakan :
Hasil permukaan patahan (pada baja)
Materi #4
6
TIN107 - Material Teknik
Menciut Kekosongan inti
PatahPerambatanretakan
Peleburanrongga
Partikel yg berfungsi
sebagai tempat kekosongan inti
50 mm
Sumber: V.J. Colangelo and F.A. Heiser, Analysis of Metallurgical Failures
Gambarpermukaan patahandari kawatpada ban.100 mm
TIN107 - Material Teknik #4 - Mechanical Failure
6623 - Taufiqur Rachman 4
h t t p : / / t a u f i q u r r a c h m a n . w e b l o g . e s a u n g g u l . a c . i d
66
23
-T
au
fiq
ur
Ra
ch
ma
nContoh: Kerusakan pada pipa
Materi #4
7
TIN107 - Material Teknik
Kerusakan elastis:
• Satu bagian
• Deformasi besar/luas
Kerusakan rapuh:
• Berkeping-keping
• Deformasi kecil
Sumber: V.J. Colangelo and F.A. Heiser, Analysis of Metallurgical Failures
h t t p : / / t a u f i q u r r a c h m a n . w e b l o g . e s a u n g g u l . a c . i d
66
23
-T
au
fiq
ur
Ra
ch
ma
n
Gambar Kerusakan Elastis & Rapuh
Materi #4TIN107 - Material Teknik
8
Perpatahan Elastis(membentuk cangkir
& kerucut)
Perpatahan rapuh
TIN107 - Material Teknik #4 - Mechanical Failure
6623 - Taufiqur Rachman 5
h t t p : / / t a u f i q u r r a c h m a n . w e b l o g . e s a u n g g u l . a c . i d
66
23
-T
au
fiq
ur
Ra
ch
ma
n
(b) Gambar (SEM) daricekungan berbentukparabola dari bebangeser.
(a) Gambar (SEM) yangmenunjukkan cekunganberbentuk bola yangdihasilkan dari bebantarik uniaksial.
Gambar Kerusakan Elastis
Materi #4
9
TIN107 - Material Teknik
h t t p : / / t a u f i q u r r a c h m a n . w e b l o g . e s a u n g g u l . a c . i d
66
23
-T
au
fiq
ur
Ra
ch
ma
n
Gambar Perpatahan Rapuh
Materi #4TIN107 - Material Teknik
10
Pola yang khas pada permukaan perpatahan: berbentuk V "chevron“, Tanda permulaan kerusakan
Tanda permulaan kerusakan
TIN107 - Material Teknik #4 - Mechanical Failure
6623 - Taufiqur Rachman 6
h t t p : / / t a u f i q u r r a c h m a n . w e b l o g . e s a u n g g u l . a c . i d
66
23
-T
au
fiq
ur
Ra
ch
ma
nPerpatahan Transgranular
Perpecahan dalam materialcrystallin yang paling rapuh,
perambatan retakan yangdihasilkan dari pemecahan
ikatan atom yang berulang padabidang tertentu.
Hal ini menyebabkanperpatahan transgranular,
dimana retakan terbagi (pecah)menjadi butiran.
Materi #4
11
TIN107 - Material Teknik
Butiran
Garis dari perambatan retakan
h t t p : / / t a u f i q u r r a c h m a n . w e b l o g . e s a u n g g u l . a c . i d
66
23
-T
au
fiq
ur
Ra
ch
ma
n
Perpatahan Intergranular
Kerusakan intergranular biasanya terjadi karena penipisan/penurunan unsur chromium pada batas butir atau semacam melemahnya batas butir akibat serangan
kimia, oksidasi, kerapuhan (embrittlement).
Materi #4
12
TIN107 - Material Teknik
Garis perambatan retakan
Butiran
TIN107 - Material Teknik #4 - Mechanical Failure
6623 - Taufiqur Rachman 7
h t t p : / / t a u f i q u r r a c h m a n . w e b l o g . e s a u n g g u l . a c . i d
66
23
-T
au
fiq
ur
Ra
ch
ma
nMekanika Perpatahan
Materi #4TIN107 - Material Teknik
13
Adalah ilmu yang membahas
hubungan antara:
Sifat material
Tingkat tekanan
Kesalahan (cacat) yang menghasilkan
retakan
Mekanisme perambatan
retakan
h t t p : / / t a u f i q u r r a c h m a n . w e b l o g . e s a u n g g u l . a c . i d
66
23
-T
au
fiq
ur
Ra
ch
ma
n
Pemusatan Tekanan
Materi #4TIN107 - Material Teknik
14
Pengukuran kekuatan perpatahan untuk material yangrapuh (brittle) sebagian besar jauh lebih rendahdibandingkan dengan perhitungan teoritis yangdidasarkan pada energi ikatan atom.
Perbedaan ini dikarenakan kesalahan (cacat) mikroskopisatau retakan yang melekat pada materi sangat kecil.
Kecacatan berfungsi sebagai konsentrator tekanan ataukumpulan tekanan, sehingga memperkuat tekanan padasuatu titik.
Tekanan setempat ini berkurang seiring dengan jarak dariujung retakan.
TIN107 - Material Teknik #4 - Mechanical Failure
6623 - Taufiqur Rachman 8
h t t p : / / t a u f i q u r r a c h m a n . w e b l o g . e s a u n g g u l . a c . i d
66
23
-T
au
fiq
ur
Ra
ch
ma
nKetangguhan (Toughness) Perpatahan
Materi #4TIN107 - Material Teknik
15
Ketangguhan perpatahan mengukur ketahanan material yang rapuh(mudah pecah) ketika retakan terjadi.
Merupakan indikasi/gejala dari tingkat tekanan yang diperlukan untukmemperluas kesalahan (cacat) yang sudah ada sebelumnya.
Kesalahan dapat tampak sebagai retakan, celah, inklusi metalurgi(penyertaan logam), cacat las, ketidaksinambungan desain, ataukombinasinya.
Merupakan penerapan umum untuk mengasumsikan kesalahan(cacat) yang terjadi dan dengan memanfaatkan pendekatan mekanikaperpatahan elastis linier (Linear Elastic Fracture Mechanics/LEFM)untuk merancang komponen penting.
Pendekatan ini menggunakan ukuran dan fitur dari kesalahan (cacat),komponen geometri, kondisi muatan dan faktor ketangguhanperpatahan untuk mengevaluasi kemampuan komponen yangmengandung kesalahan (cacat) untuk melawan perpatahan.
h t t p : / / t a u f i q u r r a c h m a n . w e b l o g . e s a u n g g u l . a c . i d
66
23
-T
au
fiq
ur
Ra
ch
ma
n
Ductile & Brittle
Materi #4TIN107 - Material Teknik
16
Pengaruh dari kumpulan tekanan lebih signifikan padamaterial yang rapuh (brittle) dibandingkan pada materialyang elastis (ductile).
Untuk material yang elastis (ductile), hasil deformasiplastis pada saat tekanan maksimum melebihi kekuatanluluh (yield strength).
Hal ini menyebabkan distribusi yang lebih seragamtekanan di sekitar kumpulan tekanan, faktor konsentrasitekanan maksimum akan berkurang dari nilai teoritis.
Pada bahan yang rapuh (brittle), tidak ada distribusi ulangatau titik luluh (yielding).
TIN107 - Material Teknik #4 - Mechanical Failure
6623 - Taufiqur Rachman 9
h t t p : / / t a u f i q u r r a c h m a n . w e b l o g . e s a u n g g u l . a c . i d
66
23
-T
au
fiq
ur
Ra
ch
ma
nTabel Ketangguhan Perpatahan
Materi #4TIN107 - Material Teknik
17
h t t p : / / t a u f i q u r r a c h m a n . w e b l o g . e s a u n g g u l . a c . i d
66
23
-T
au
fiq
ur
Ra
ch
ma
n
Faktor Intensitas Tekanan ( K )
Digunakan untuk menentukan faktor ketangguhanperpatahan pada sebagian besar material.
Sebuah tulisan romawi menunjukkan model dariperpatahan dan tiga model dari perpatahantersebut diilustrasikan pada gambar di sebelahkanan.
Model I adalah kondisi dimana bidangretakan adalah normal terhadap arah pembebanantarik terbesar. Ini adalah model yang paling seringditemui.
Faktor intensitas tekanan merupakan fungsipembebanan, ukuran retakan, dan strukturgeometri, yang ditunjukkan oleh persamaanberikut :
Materi #4
18
TIN107 - Material Teknik
TIN107 - Material Teknik #4 - Mechanical Failure
6623 - Taufiqur Rachman 10
h t t p : / / t a u f i q u r r a c h m a n . w e b l o g . e s a u n g g u l . a c . i d
66
23
-T
au
fiq
ur
Ra
ch
ma
n
KI : Ketangguhan perpatahan, dgn ukuran
𝜷 : Panjang retakan & faktor komponen geometri yang berbeda untuk setiap bahan percobaan, serta tidak memiliki ukuran.
σ : Tekanan yg diterapkan dlm Mpa atau psi
a : Panjang retakan dalam meter atau inchi.
Faktor Intensitas Tekanan ( K )
Materi #4
19
TIN107 - Material Teknik
h t t p : / / t a u f i q u r r a c h m a n . w e b l o g . e s a u n g g u l . a c . i d
66
23
-T
au
fiq
ur
Ra
ch
ma
n
Tekanan Kritis
Materi #4TIN107 - Material Teknik
20
Semua material yang rapuh (brittle) mengandung populasiretakan kecil dan kesalahan (cacat) dengan berbagai macamukuran, geometri dan orientasi.
Ketika besarnya tekanan tarik pada ujung salah satu kesalahan(cacat) melebihi nilai dari tekanan kritis, maka bentuk retakandan perambatan yang menyebabkan terjadinya kerusakan.
Syarat untuk perambatan retakan :
K ≥ Kc
Faktor Intensitas TekananTergantung pada beban & geometri.
Ketangguhan Perpatahan :Tergantung pada material, suhu,
lingkungan, & tingkat pembebanan.
TIN107 - Material Teknik #4 - Mechanical Failure
6623 - Taufiqur Rachman 11
h t t p : / / t a u f i q u r r a c h m a n . w e b l o g . e s a u n g g u l . a c . i d
66
23
-T
au
fiq
ur
Ra
ch
ma
nPengujian Compact Tension (CT)
Materi #4
21
TIN107 - Material Teknik
Single Edge Notch Bend (SENB)or three-point bend
h t t p : / / t a u f i q u r r a c h m a n . w e b l o g . e s a u n g g u l . a c . i d
66
23
-T
au
fiq
ur
Ra
ch
ma
n
Kesalahan (Cacat) - Pusat Tekanan
Materi #4
22
TIN107 - Material Teknik
Jika retakan menyerupai lubangberbentuk elips melalui sebuahbidang, dan berorientasi tegak luruspada tekanan, maka tekananmaksimum σm :
ρt = radius lengkunganσo = tekanan yang diterapkanσm = tekanan pada ujung retakana = panjang retakan permukaan
atau ½ dari panjang retakaninternal
σm/σo = Kt atau faktor konsentrasitekanan
ot
1/2
tom ςK
ρ
a2ςς
TIN107 - Material Teknik #4 - Mechanical Failure
6623 - Taufiqur Rachman 12
h t t p : / / t a u f i q u r r a c h m a n . w e b l o g . e s a u n g g u l . a c . i d
66
23
-T
au
fiq
ur
Ra
ch
ma
n
Syarat pertumbuhan retakan : a πYς
max
cdesign
πaY
K<ς
2
design
cmax
Yς
K
π
1a
K ≥ Kc
Desain – Pertumbuhan Retakan
Hasil1: Ukuran kesalahan (cacat) terbesar menyatakan desain tekanan.
Hasil 2: Desain tekanan menyatakan ukuran kesalahan (cacat) terbesar.
Materi #4
23
TIN107 - Material Teknik
Yang terbesar adalah pertumbuhan retakan yang pertama ditekan.
amax
σno fracture
fracturefracture
amax
σ
no fracture
h t t p : / / t a u f i q u r r a c h m a n . w e b l o g . e s a u n g g u l . a c . i d
66
23
-T
au
fiq
ur
Ra
ch
ma
n
Mengurangi ukuran cacat.
Contoh Desain: Sayap Pesawat
Desain A Desain B Cacat terbesar = 9 mm Menggunakan material yg sama Tekanan kerusakan = 112 Mpa Cacat terbesar = 4 mm
Tekanan kerusakan B = ?
Hasil :
Materi #4
24
TIN107 - Material Teknik
Sebuah material memiliki Kc = 26 MPa-m0.5. Terdapat 2 desain yangmempertimbangkan ....
Gunakan ...
B maxc Amaxc aςaς
9 mm112 MPa 4 mm
max
cc
a πY
Kς
Point penting: Y dan Kc sama untuk kedua desain. Y adalah parameter tidak berdimensi.
• Jawaban: MPa 168)(ς Bc
TIN107 - Material Teknik #4 - Mechanical Failure
6623 - Taufiqur Rachman 13
h t t p : / / t a u f i q u r r a c h m a n . w e b l o g . e s a u n g g u l . a c . i d
66
23
-T
au
fiq
ur
Ra
ch
ma
nSensor Saringan Pesawat Terbang
Materi #4TIN107 - Material Teknik
25
Merupakan teknologi Structural Health Monitoring/SHM.
Serat saringan yang tertanam pada sensor yang dirancanguntuk memantau integritas struktural pesawat dan suhudi luar.
Ketika membungkus pesawat terbang, sensor dapatmembantu mencegah retakan mikroskopis yang dapatberkembang menjadi kerusakan besar secara tiba-tiba(catastrophic).
Terbuat dari polimer plastik, saringan dirancang sehinggatidak menambah berat yang signifikan atau menarikpesawat terbang.
h t t p : / / t a u f i q u r r a c h m a n . w e b l o g . e s a u n g g u l . a c . i d
66
23
-T
au
fiq
ur
Ra
ch
ma
n
Contoh Aplikasi SHM … (1)
Sistem SHM dapat tersusun dengan cara yang sama padasistem saraf manusia, dengan sensor terkonsentrasi dibidang utama pada beban yang tertinggi.
Materi #4
26
TIN107 - Material Teknik
TIN107 - Material Teknik #4 - Mechanical Failure
6623 - Taufiqur Rachman 14
h t t p : / / t a u f i q u r r a c h m a n . w e b l o g . e s a u n g g u l . a c . i d
66
23
-T
au
fiq
ur
Ra
ch
ma
nContoh Aplikasi SHM … (2)
Studi pada lengkungan panel sarang lebah berinti, menunjukkanbahwa pemantauan emisi akustik (AE) adalah metode yang dapatdiandalkan untuk mencari tempat kerusakan awal dan untukpelacakan perkembangan retakan. (Sumber: Fisik Akustik Corp.)
Materi #4
27
TIN107 - Material Teknik
h t t p : / / t a u f i q u r r a c h m a n . w e b l o g . e s a u n g g u l . a c . i d
66
23
-T
au
fiq
ur
Ra
ch
ma
n
Contoh Aplikasi SHM … (3)
Piezoelektric berbasis sistem sensor dari Teknologi Acellent,yg disebut lapisan SMART, mengidentifikasi kerusakan dgnaktuator keramik kecil
Materi #4
28
TIN107 - Material Teknik
TIN107 - Material Teknik #4 - Mechanical Failure
6623 - Taufiqur Rachman 15
h t t p : / / t a u f i q u r r a c h m a n . w e b l o g . e s a u n g g u l . a c . i d
66
23
-T
au
fiq
ur
Ra
ch
ma
nContoh Aplikasi SHM … (4)
Sensor pemantauan vakum komparatif (CVM) dalam bentuktambalan berperekat karet yang sangat tipis, dapat mendeteksiretakan pada material. Karet tersebut terdiri dari deretan kecillaser, dan membentuk alur yang saling berhubungan (galery),dimana tekanan udara diterapkan. Setiap retakan yang merambatdi bawah batas galery sensor dan terjadi perubahan yangmengakibatkan tekanan terpantau.
Materi #4
29
TIN107 - Material Teknik
h t t p : / / t a u f i q u r r a c h m a n . w e b l o g . e s a u n g g u l . a c . i d
66
23
-T
au
fiq
ur
Ra
ch
ma
n
Tabel Teknik Nondestructive Testing (NDT)
Materi #4TIN107 - Material Teknik
30
TIN107 - Material Teknik #4 - Mechanical Failure
6623 - Taufiqur Rachman 16
h t t p : / / t a u f i q u r r a c h m a n . w e b l o g . e s a u n g g u l . a c . i d
66
23
-T
au
fiq
ur
Ra
ch
ma
nDaftar Pustaka
http://www.csun.edu
http://web.utk.edu
http://www.virginia.edu
http://www.compositesworld.com
http://www.photonics.com
Materi #4
31
TIN107 - Material Teknik