Perpatahan Rapuh Keramik (1)

Transkripsi

1 #6 - Mechanical Failure #2 1 TIN107 Material Teknik Perpatahan Rapuh Keramik (1) 2 Sebagian besar keramik (pada suhu kamar), perpatahan terjadi sebelum deformasi plastis. Secara umum konfigurasi retakan untuk 4 metode pembebanan umum dapat dilihat pada gambar Taufiqur Rachman 1

2 #6 - Mechanical Failure #2 Perpatahan Rapuh Keramik (2) 3 Ciri perpatahan pada keramik: Titik asal (origin point) Daerah awal (initial region /mirror) adalah rata dan halus. Setelah mencapai kecepatan kritis retakan, akan muncul: Mist (berkabut) Hackle (mematahkan) Perpatahan Polimer 4 Kekuatan perpatahan relatif lebih rendah dibandingkan keramik dan logam. Perpatahan pada polimer thermosetting (jaringan berikatan silang) biasanya yang rapuh (brittle). Untuk polimer thermoplastic, kedua perpatahan (elastis dan rapuh) sangat mungkin. Penurunan suhu, laju regangan meningkat, lekukan tajam, peningkatan ketebalan spesimen adalah beberapa faktor yang dapat mempengaruhi perpatahan rapuh (brittle). Salah satu fenomena yang terjadi pada thermoplastics adalah crazing (deformasi plastis setempat dan membentuk celah kecil dan menjembatani fibrillar /urat saraf) Taufiqur Rachman 2

3 #6 - Mechanical Failure #2 Hubungan Suhu, Dampak Energy Charpy (A) dan % Perpatahan Geser (B) Pengujian Tumbukan 5 Pembebanan tumbukan: Untuk kasus pengujian yang berat. Membuat material lebih rapuh (brittle). Mengurangi ketangguhan (Charpy) final height initial height Tabel Hubungan Taufiqur Rachman 3

4 Impact Energy #6 - Mechanical Failure #2 Contoh Baja Charpy 7 Permukaan perpatahan setelah tumbukan memperlihatkan variasi elastisitas (ductility) terhadap temperatur pengujian ( ). Temperatur/Suhu 8 Peningkatan suhu Meningkatkan %EL dan Kc Ductile-to-Brittle Transition Temperature (DBTT). FCC metals (e.g., Cu, Ni) BCC metals polymers ( e.g., iron at T < 914 C) Brittle More Ductile High strength materials ( y > E/150) Temperature DBTT Taufiqur Rachman 4

5 #6 - Mechanical Failure #2 Kelelahan (Fatigue) 9 Kelelahan adalah suatu bentuk kerusakan yang terjadi pada struktur terhadap tekanan dinamis pada waktu tertentu. Dengan kondisi tersebut adalah mungkin untuk gagal pada level tekanan yang jauh lebih rendah dari kekuatan tarik atau kekuatan luluh pada beban statis. Penyebab terbesar kerusakan pada logam; juga berpengaruh terhadap polimer dan keramik. Biasanya merupakan kerusakan pada jembatan, pesawat terbang dan komponen mesin. Alat pengujian kelelahan untuk pengujian kelenturan yang berputar Siklus Tekanan Kelelahan 10 Variasi tekanan terhadap waktu menyebabkan kerusakan karena kelelahan. Sifat tekanan mungkin axsial (kompresi tegangan), lentur (flexural/bending) atau puntir/memutar (torsion). Ada 3 jenis fluktuasi tekanan terhadap waktu yang terlihat pada gambar: a) Siklus tekanan berbalik amplitudo simetris terhadap tingkat tekanan bernilai nol, b) Siklus tekanan berulang relatif tidak simetris maksimum dan minimum ke tingkat tekanan nol, c) Tingkat tekanan bervariasi (acak) Taufiqur Rachman 5

6 #6 - Mechanical Failure #2 Mekanisme Kelelahan 11 Kerusakan kelelahan Permulaan retakan Rambatan retakan Kerusakan akhir Persamaan pertumbuhan retakan: Dengan Dimana: da = Peningkatan panjang retakan dn = Peningkatan siklus pembebanan m = Kontanta kelelahan dengan angka 1 hingga 6 a = Panjang retakan σ = Tekanan Laju Pertumbuhan Retakan 12 Awalnya, laju pertumbuhan kecil, tetapi meningkat dengan meningkatnya panjang retakan. Tingkat pertumbuhan meningkat dengan tingkat tekanan yg diterapkan untuk panjang retakan yg diberikan (a1) Taufiqur Rachman 6

7 #6 - Mechanical Failure #2 Kurva S-N 13 Merupakan kurva/grafik yang menggambarkan siklus kelelahan ketika diberikan tekanan maksimum Sebuah benda uji dikenai siklus tekanan pada amplitudo dg tekanan maksimum, jumlah siklus untuk kerusakan ditentukan. Prosedur ini diulang pada benda uji lainnya dengan menurunkan amplitudo tekanan. Data diplot sebagai tekanan S dibandingkan dengan jumlah siklus N untuk kerusakan semua benda uji. Sifat umum S N: semakin tinggi tingkat tekanan, semakin sedikit jumlah siklus. Batas Kelelahan 14 Untuk beberapa paduan besi dan titanium, kurva S N menjadi horizontal pada jumlah yang lebih tinggi dari siklus N. Pada dasarnya telah mencapai batas kelelahan, dan di bawah tingkat tekanan material tersebut tidak akan kelelahan. Batas kelelahan merupakan nilai terbesar dari fluktuasi tekanan yang tidak akan menyebabkan kerusakan bagi jumlah siklus yang tak terbatas Taufiqur Rachman 7

8 #6 - Mechanical Failure #2 Perawatan Permukaan 15 Memperbaiki penyelesaian permukaan dengan pemolesan akan meningkatkan umur kelelahan secara signifikan. Salah satu metode yang paling efektif untuk meningkatkan kinerja kelelahan adalah dengan menerapkan kekuatan tekan sisa dalam lapisan tipis terluar permukaan. Sebuah tegangan tarik permukaan akan diimbangi oleh tegangan tekan. Selama pengoperasian mesin, goresan kecil dan alur dapat ditemui, ini dapat membatasi umur kelelahan. Shot peening (deformasi plastis setempat yang kecil dengan diameter mulai dari 0,1 hingga 1,0 mm), partikel keras (shot) diterapkan pada kecepatan tinggi ke permukaan. Deformasi yang dihasilkan menyebabkan kekuatan tekan hingga kedalaman sekitar ¼ hingga ½ dari diameter shot. Grafik perbandingan pengaruh shot peening. Metode Meningkatkan Umur Kelelahan 16 Penerapan tekanan tegangan permukaan (untuk menekan pertumbuhan retakan permukaan) Shot Peening Carburizing Menghilangkan konsentrator tekanan Taufiqur Rachman 8

9 #6 - Mechanical Failure #2 Creep (Mulur) 17 Creep (mulur) adalah deformasi permanen dari material ketika mengalami beban konstan atau tekanan pada waktu tertentu. Umumnya terjadi pada material yang ditempatkan pada suhu yang ditinggikan (> 0,4 Tm) dan terkena tekanan mekanis statis. Contoh: turbin rotor dalam mesin jet dan generator uap yang mengalami tekanan sentrifugal dan tekanan uap yang tinggi. Uji Creep (Mulur) 18 Umumnya dengan memperlakukan benda uji pada beban konstan atau tekanan tetap dan menjaga suhu secara konstan. Setelah pembebanan, terjadi deformasi elastis secara instan. Perbandingan regangan mulur dengan waktu pada beban konstan dan suhu yang ditinggikan secara konstan. Tingkat mulur minimum (pada kondisi stabil laju mulur), adalah kemiringan dari garis linear di wilayah sekunder. Pecahnya masa pakai t r adalah total waktu untuk pecah Taufiqur Rachman 9

10 #6 - Mechanical Failure #2 Daerah Creep (Mulur) 19 1) Mulur utama atau sementara (primary atau transient creep) Menyesuaikan dengan tingkat mulur (laju mulur dapat dikurangi). 2) Mulur kedua atau tambahan (secondary creep) Kondisi stabil, laju creep konstan, wilayah cukup linear (pengerasan regangan dan tahap pemulihan). 3) Mulur ketiga (tertiary creep) Terjadi percepatan laju regangan sampai pecah (pemisahan batas butir, pembentukan retakan internal, rongga dan celah). Perbandingan Daerah Mulur 20 Contoh deformasi pada tekanan konstan (s) dibandingkan dengan waktu Primary Creep : kemiringan (laju mulur) menurun terhadap waktu. Secondary Creep : kondisi stabil, contoh: kemiringan konstan. Tertiary Creep : kemiringan (laju mulur) meningkat terhadap waktu, contoh: laju percepatan Taufiqur Rachman 10

11 #6 - Mechanical Failure #2 Daftar Pustaka Taufiqur Rachman 11