Perpatahan dan Kelelahan (Fracture and Fatigue)

1
Perpatahan dan Kelelahan(Fracture and Fatigue)

• Oleh
• Ellyawan Arbintarso, MSc.

2
Silabus

• TUJUAN PERKULIAHAN
• Mengenalkan mekanika perpatahan pada bahan
• Mahasiswa dapat mengetahui teori mekanika
  perpatahan
• Mahasiwa dapat memahami pendekatan teori
  perpatahan ke dalam perancangan struktur
• Mahasiswa dapat mengetahui pengujian ketangguhan
  patah dan analisa yang dibutuhkan

3
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

4
Info dan Kontak

• Laboratorium Pengujian Bahan ISTA
• Jl. I Dewa Nyoman Oka 32 Kotabaru Yk
• Email arbintarso_at_yahoo.co.uk
• Email ellyawansa_at_yahoo.co.uk
• Email pakwawan_at_fastmail.fm

5
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

6
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

7
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

8
Pendahuluan Mekanika Perpatahan

• PENDAHULUAN
• Filosofi perancangan konvensional
• Perubahan
• Peningkatan NDE
• Cacat bukan akhir dari segalanya
• Biaya pengantian dan perbaikan
• Kemungkinan perawatan berkala

- Kekuatan - Tekukan - Defleksi
Meniadakan Konsentrasi Tegangan
Mekanika Perpatahan
9
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

10
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

11
Evolusi Rancangan Struktur
Adaptasi Empiris dari Rancangan yg
Sukses Prosedur coba-coba
Piramid di Mesir dan Katedral Agung di Eropa
Penemuan abad 19 oleh Cauchy dll
Pendekatan kekuatan bahan Dengan teori
Elastisitas dgn Faktor keamanan yg besar
Inglis (1913, USA) Kolosov (USSR) Paradok Pd R
0, ?nom ? 0
Pengenalan Konsentrasi Tegangan ? ?nom 12
(a/R)1/2
12
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) KIc
Griffith (1922) Teori Pecah/Remuk (Theory of
Rupture)
Perkembangan lanjut oleh Obriemoff
(1930) Westerfaard (1939) Irwin dan Orowan
(1948) Rice dan Cherepanov, (1960)

• Pendekatan Toleransi Rusak
• Laju pertumbuhan serabut
• Ukuran kritis dlm perawatan

13
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

14
Sejarah Perkembangan Mekanika Perpatahan

• (a) Teori Kekuatan Antar Atom
• Sifat-sifat kristal dapat dihitung berdasarkan
  sifat latis-latis
• Kekuatan teoritis
• Dimana E modulus elastisitas, b jarak atom
  atom seimbang, ? Energi total pemisahan antar
  atom
• Untuk banyak bahan ? Eb/40
• Teg. Luluh ?th E/6

15
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

16
Sejarah Perkembangan Mekanika Perpatahan

• - Westergaard melanjutkan teori Griffith dan
  menunjukkan bahwa kekuatan patah dari bentuk
  retak adalah
• dimana a adalah panjang retak
• Batasan-batasan
• 1. ? adalah valid untuk bahan getas
• 2. Perhitungan ? tidak jelas
• 3. Nilai ? lebih besar untuk bahan teknik

17
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)
• ?p energi plastis pada ujung retak

18
Sejarah Perkembangan Mekanika Perpatahan

• Karena pembilang adalah sifat bahan, kita dapat
  mendifinisikan sebagai
• 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 K2/E
• E modulus elastis efektif
• Teori ini disebut Teori Perpatahan
  Griffith-Irwin-Orowan

19
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

20
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.

Retak
Takikan elips
21
Matematika Definisi dari Retak

• Aliran Tegangan sekitar Takikan dan Retak
• Pembebanan melintang thd sumbu utama
• Takikan
• Konsentrasi Tegangan (Kt) ? ?nom (12
  (a/Rmin)1/2)
• Rmin adalah jari-jari kelengkungan ujung sumbu
  utama
• Retak
• Faktor Intensitas Tegangan (K) K ?nom (?a)1/2

22

• Pembebanan sejajar thd sumbu utama
• Takikan
• Konsentrasi Tegangan (Kt) ? ?nom (12
  (a/Rmak)1/2)
• Rmak adalah jari-jari kelengkungan ujung sumbu
  utama
• Retak
• Faktor Intensitas Tegangan (K) K 0 shg ?
  ?nom

23
Pengaruh Retak pada Struktur
Pembebanan Statis
Grafik Kekuatan Sisa
24
Pengaruh Retak pada Struktur
Pembebanan Fatik
Spektrum beban
25
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?

26
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

27
Mekanika Perpatahan