2. Menghindari kegagalan/kerusakan yang sama dimasa yang akan datang dengan melakukan langkah-langkah penanggulangan

Transkripsi

1 Failure Analysis Analisis kegagalan adalah langkah-langkah pemeriksaan kegagalan atau kerusakan pada suatu komponen yang mencakup situasi dan kondisi kegagalan atau kerusakan tersebut, sehingga dapat ditentukan penyebab dari kegagalan/kerusakan yang terjadi pada komponen tersebut. Analisis kegagalan mempunyai tujuan sebagai berikut : 1. Menemukan penyebab utama kegagalan 2. Menghindari kegagalan/kerusakan yang sama dimasa yang akan datang dengan melakukan langkah-langkah penanggulangan 3. Sebagai bahan pengaduan teknis terhadap pembuat komponen 4. Sebagai langkah awal untuk perbaikan kualitas komponen tersebut 5. Sebagai penentuan kapan waktu perawatan (maintenance) dilakukan. Kegiatan Analisis kegagalan seringkali harus dilakukan oleh berbagai ahli dari berbagai disiplin ilmu yang bekerja sama sesuai dengan prosedur/tahapan yang telah ditetapkan. Adapun tahapan/langkah utama dalam melakukan Analisis kegagalan adalah sebagai berikut : 1. Melakukan investigasi lapangan, yang meliputi : Melakukan observasi lapangan Mengukur dimensi obyek yang diselidiki Melakukan wawancara/interview terhadap pihak terkait Mendokumentasikan temuan lapangan (fotografi) 2. Melakukan uji tidak merusak di lapangan Menentukan panjang retak aktual Menentukan derajat kerusakan (damage level determination) dengan cara: uji kekerasan, uji metalografi in-situ, uji komposisi kimia (dengan portable spectrometry). 3. Melakukan uji aspek metalurgis di laboratorium Pengukuran dimensi dari objek yang diteliti Dokumentasi fraktografi (makro optik, dan mikro - SEM) Analisis komposisi kimia dari paduan dan/atau produk korosi

2 Inspeksi metalografi (sampling, cutting, molding, polishing, etching). Uji sifat mekanik 4. Melakukan analisis beban dan tegangan Perhitungan beban dan tegangan kritis Perhitungan mekanika retak 5. Mempelajari aspek desain, operasi dan inspeksi terkini 6. Melakukan analisis mendalam dan komprehensif terhadap informasi/data yang telah diperoleh 7. Mempersiapkan laporan dan presentasi teknik 8. Mempersiapkan saran untuk perbaikan. Identifikasi Jenis Kegagalan Kegagalan dapat didefinisikan sebagai kerusakan yang tidak wajar atau rusak sebelum waktunya. Adapun penyebab utama kegagalan dapat dikelompokkan sebagai berikut : 1. Kesalahan dalam disain 2. Kesalahan dalam pemilihan material 3. Kesalahan dalam proses pengerjaan 4. Kesalahan dalam pemasangan/perakitan 5. Kesalahan operasional 6. Kesalahan perawatan (maintenance) Secara umum komponen dapat dikatakan gagal apabila masuk dalam kriteria sebagai berikut: 1. Komponen tidak dapat beroperasi atau tidak dapat digunakan sama sekali 2. Komponen dapat digunakan tetapi umur pakainya terbatas (tidak sesuai dengan umur pakai yang dikehendaki) 3. Komponen mengalami kelainan dan dapat membahayakan bila digunakan.

3 Kegagalan suatu komponen biasanya diawali dengan retakan yang menjalar sehingga menyebabkan suatu cacat. Retakan yang terjadi dapat dikatagorikan atas ciri-ciri makroskopis, yaitu sebagai berikut : 1. Patah ulet (Ductile fracture) 2. Patah getas (Brittle fracture) 3. Patah lelah (Fatigue fracture) 4. Retak korosi tegangan (Stress corrosion cracking) 5. Penggetasan (Embrittlement) 6. Mulur (Creep) dan Stress rupture Patah Ulet (Ductile fracture) Patah ulet adalah patah yang diakibatkan oleh beban statis, jika beban dihilangkan maka penjalaran retak akan berhenti. Patah ulet ini ditandai dengan penyerapan energi disertai adanya deformasi plastis yang cukup besardi sekitar patahan, sehingga permukaan patahan nampak kasar, berserabut (fibrous), dan berwarna kelabu. Patah Getas (Brittle fracture) Patah getas terjadi dengan ditandai penjalaran retak yang lebih cepat dibanding patah ulet dengan penyerapan energi yang lebih sedikit, serta hampir tidak disertai dengan deformasi plastis. Permukaan patahan pada komponen yang mengalami patah getas terlihat mengkilap, granular dan relatif rata. Patah getas dapat mengikuti batas butir ataupun memotong butir. Bila bidang patahannya mengikuti batas butir, maka disebut patah getas intergranular, sedangkan bila patahannya memotong butir maka disebut patah getas transgranular. Patah Lelah (Fatigue fracture) Patah lelah terjadi pada komponen kontruksi dengan pembebanan yang berubahubah atau berulang-ulang, meskipun harga tegangan nominalnya masih dibawah kekuatan luluh material. Patah lelah berawal dari lokasi yang mengalami pemusatan tegangan (stress concentration) dimana apabila tegangan setempat tersebut tinggi bahkan melampaui batas luluh material, akibatnya di tempat tersebut akan terjadi deformasi plastis dalam skala makroskopis. Dari lokasi tersebut akan berawal retak lelah (Crack initiation) yang selanjutnya terjadi perambatan retak (Crack propagation) sejalan dengan pembebanan yang berfluktuasi. Bila perambatan retak

4 lelah ini telah jauh, sehingga luas penampang yang tersisa tidak lagi mampu mendukung beban, maka komponen akan patah. Peristiwa patah tahap akhir ini disebut patah akhir (Final fracture). Modus patahan pada tahap tersebut adalah patah statik, yaitu karena tegangan yang bekerja pada penampang yang tersisa sudah melampaui kekuatan tarik material. Retak Korosi Tegangan (Stess corrosion cracking) Peristiwa retak korosi tegangan adalah gabungan antara tegangan tarik dengan pengaruh lingkungan yang telah mengandung ion-ion ataupun larutan kimia. Kebanyakan retakannya mengikuti batas butir. Secara makro perambatan retak korosi tegangan terlihat bercabang seperti akar/ranting pohon, sedangkan secara mikro dibawah mikrosokop perambatan retakannya dapat transgranular maupun intergranular (melalui batas butir). Penggetasan (Embrittlement) Peristiwa penggetasan ini dapat terjadi pada material yang peka terhadap penggetasan hidrogen. Atom-atom hidrogen yang larut interstisi dapat bertemu dan berkumpul membentuk molekul gas hidrogen, sehingga mengakibatkan material menjadi patah karena tidak tersedianya ruang yang cukup untuk gas tersebut, yang akhirnya gas yang bertekanan tinggi akan mendesak material menjadi patah. Masuknya hidrogen ke dalam material ini biasanya terjadi pada proses pengerjaan, misalnya pada proses pengelasan dan electroplating atau pada operasi di lingkungan yang banyak hidrogennya. Mulur (Creep) dan Stress Rupture Peristiwa mulur yang dimaksud yaitu deformasi yang berjalan dengan waktu, oleh karena itu mulur selalu ditandai dengan adanya deformasi plastis yang cukup besar. Peristiwa mulur ini terjadi bila komponen bekerja pada suhu tinggi, yaitu di atas 0,4 atau 0,5 titik cair dari material komponen tersebut dalam Kelvin. Sedangkan stress rupture selain disertai oleh deformasi plastis juga ditandai oleh adanya retak intergranular yang banyak ditemui di sekitar patahan. Jelaskan jenis perpatahan Berdasarkan jejak perpatahannya (fracture path), maka perpatahan dibagi menjadi 4 bagian, yaitu:

5 a. Perpatahan ulet (dimple rupture) Ciri-ciri: ada deformasi plastis, permukaan kusam/buram dan berserat, tegangan geser dominan dan bentuk patahan cup & cone 45 o dengan τ maks, σ nom atau σ slip. Aspek struktur mikro: dengan SEM tampak dimple. Fig. 1 Tensile test fracture surface of a high-purity, coarse-grained Al-4.2 Cu alloy with (a) IG facets at low magnification (10 ) and (b) uniform dimples on one facet at higher magnification b. Perpatahan getas (cleavage rupture). Ciri-ciri: tidak ada deformasi plastis, permukaan terang dan kristalin, permukaan patahan σ utama dan ada chevron marks atau hearing bone marks. Fig. 2 Macroscopic chevron markings on the fracture surface pointing back to the fracture origin. ASTM A517H plate. Source: Metals Handbook, 9th ed., Vol 12, Fractography,1987, p 347 Aspek struktur utama: butir kasar (susunan facet pada permukaan belah atau pola sungai), terkadang antara ciri-ciri cleavage ada dimple dan pada polifase (perlite à α + Fe 3C) terdapat garis dan dimple. Faktor-faktor utama: stress konsentrasi, tegangan tarik dan temperatur relatif rendah. c. Perpatahan fatik (fatigue rupture)

6 Ciri-ciri: deformasi plastis sedikit sekali atau hampir tidak ada, perpatahannya progrsif (berawal dari retak halus yang merambat akibat beban berfluktuatif) dan ada beach marks (deformasi plastis di ujung retakan) atau rachet marks ( permukaan). Tahapan perpatahan: inisiasi, perambatan, kemudian patahan akhir. Fig. 3 Fracture planes that are 45 to the direction of loading. (a) Single-shear plane. (b) Double-shear plane d. Perpatahan dekohesif (decohesive rupture) Perpatahan jenis ini diakibatkan oleh terjadinya pelemahan ikatan pada material, baik sepanjang batas butir atau memotong batas butir. Pelemahan ini dapat terjadi akibat terdapatnya inklusi, endapan, void atau bahkan hidrogen. Jelaskan perbedaan klasifikasi inter & trans-crystalline. Secara umum, perpatahan transkristalin merupakan perpatahan yang merambat memotong butir. Sedangan perpatahan interkristalin merupakan perpatahan yang merambat sepanjang batas butir, akibat terjadinya pelemahan pada batas butir, missal terbentuknya endapan yang getas. Berdasarkan jenis perpatahannya, perpatahan transkristalin dibagi menjadi: Perpatahan ulet, terjadi akibat terbentuknya mikrovoid

7 Perpatahan getas, permukaan patahannya rata Perpatahan microductile, dapat disebabkan oleh aus, fatik atau korosi Sedangkan berdasarkan jenis perpatahannya, perpatahan interkristalin dibagi menjadi: Perpatahan getas, dapat terjadi akibat penggetasan hidrogen, segregasi, presipitat. Perpatahan ulet, umum terjadi akibat creep. Jelaskan perbedaan ciri-ciri patah ulet dan patah getas Patah ulet memiliki ciri-ciri sebagai berikut: ada deformasi plastis permukaan kusam/buram dan berserat tegangan geser dominan bentuk patahan cup and cone 45 o dengan τ max tegak lurus σ nom atau // σ slip dengan pengamatan SEM terdapat dimple pada permukaan patahan Patah getas memiliki ciri-ciri sebagai berikut: tidak ada deformasi plastis permukaan terang dan kristalin permukaan patahan tegak lurus σ utama terdapat chevron marks atau hearing bone marks Jelaskan perbedaan dari striasi dan beach marks Striation:

8 Karakteristik utama fatik pada tahap propagasi, dimana retak merambat dan meninggalkan tonjolan (ridge, striation) pada permukaan. Berukuran kecil dan hanya tampak dengan SEM/TEM Akibat perambatan retak akibat sekali pembebanan (siklus). Beach marks: Merupakan deformasi plastis di ujung retakan Berukuran cukup besar dan dapat diamati dengan kasat mata Aspek penyebab: lokasi posisi front retak setelah terhenti. Beachmarks terdiri dari beberapa striasi. Jelaskan mekanisme tahapan perpatahan akibat fatik berikut gambar. Perpatahan fatik terdiri dari 3 tahap, yaitu: a. Inisiasi retak: pada tahapan ini, terjadi inisiasi retak. Inisiasi retak umum terjadi pada permukaan material, akibat adanya konsentrasi tegangan, cacat, ketidaksempurnaan permukaan, dll. b. Perambatan retak: pada tahapan ini, retak yang terjadi pada permukaan akan merambat ke arah dalam akibat pembebanan fluktuatif. Seberapa cepat perambatan retak tergantung kepada besarnya pembebanan. Perambatan retak akan menghasilkan beachmarks dan striasi pada permukaan patahan. c. Patahan akhir: pada tahapan ini, permukaan material sudah tidak mampu lagi menahan pembebanan sehingga permukaan material akan patah. Umumnya permukaan patahan yang dihasilkan pada tahap patahan akhir adalah patahan getas.

9 Jelaskan beberapa pencegahan agar terhindar dari patah fatik Kegagalan akibat fatik dapat dicegah dengan beberapa cara, yaitu: Mengurangi atau mengeliminasi adanya konsentrasi tegangan pada desain komponen. Hindari terdapatnya permukaan material yang lancip dan tajam. Mengurang tegangan sisa tensile akibat proses manufaktur Mencegah perkembangan diskontinuitas pada permukaan selama pemrosesan Melakukan surface treatment untuk menghambat terjadinya inisiasi retak pada permukaan. Jelaskan mekanisme patahan akibat perapuhan (embrittleness) & beri beberapa contoh yang saudara ketahui Patahan akibat perapuhan (embrittleness) dapat terjadi karena terbentuknya fasa atau endapan yang getas pada material. Terbentuknya fasa atau endapan yang getas, dapat disebabkan oleh banyak faktor, seperti lingkungan, pemrosesan, perlakuan panas, dll. Sehingga ketika material mengalami pembebanan berlebih material akan cepat patah tanpa terjadinya deformasi plastis. Contoh : Hydrogen embrittlement: penggetasan terjadi akibat adsorbsi hidrogen ke dalam material. Strain age embrittlement: penggetasan akibat proses aging pada endapan, sehingga endapan bersifat brittle.

10 Quench age embrittlement: penggetasan terjadi akibat terbentuknya endapan karbida. Tempered embrittlement: penggetasan terjadi akibat terbentuknya karbida atau nitrida pada saat dilakukan proses tempering. Umum terjadi pada baja perkakas. Sigma-phase embrittlement: penggetasan terjadi akibat terbentuknya fasa sigma yang getas pada ferritic stainless steel. Apakah setiap jenis perpatahan material disebabkan oleh hanya satu jenis perpatahan. Jelaskan menurut saudara dengan memberikan contoh. Umumnya perpatahan material bersifat kompleks, dimana perpatahan tidak hanya disebabkan oleh satu jenis perpatahan. Hal ini dikarenakan pada saat penggunaan, suatu komponen dapat mengalami banyak jenis pembebanan, misal gabungan beban tarik, tekan, geser, dll. Material logam yang tidak homogen juga dapat menjadi penyebab terjadinya perpatahan yang kompleks. Hadirnya cacat, inklusi, endapan, segregasi akan mempengaruhi permukaan patahan. Selain itu, material juga tidak bersifat 100% ulet atau getas. Contoh: Suatu komponen yang mengalami kegagalan akibat penggetasan hidrogen. Penggetasan hidrogen terjadi akibat adanya adsorbsi atom hidrogen ke dalam material, yang kemudian akan membentuk molekul hidrogen di dalam material. Hadirnya molekul hidrogen di dalam material akan menimbulkan tekanan internal, dan tempat terjadinya inisiasi retak. Selain itu, hadirnya molekul hidrogen akan menyebabkan terjadinya diskontinuitas di dalam material yang dapat menyebabkan perpatahan dekohesif. Namun permukaan patahan yang dihasilkan akan menghasilkan perpatahan getas. Jadi pada kasus kegagalan akibat penggetasan hidrogen, secara umum terjadi perpatahan dekohesif dan perpatahan getas. Ciri Patah Ulet, Patah Getas, dan DBT (Ductile to Brittle Tension) 1. Patah Ulet Patah ulet adalah patah akibat deformasi berlebih, elastis atau plastis, terkoyak atau patah geser (tearing or shear fracture) ciri patah ulet :

11 terjadi penyerapan energi adanya deformasi plastis yang cukup besar di sekitar patahan permukaan patahan nampak kasar,berserabut (fibrous), dan berwarna kelabu. 2. Patah Getas ciri patah getas: penjalaran retak yang lebih cepat dibanding patah ulet penyerapan energi yang lebih sedikit tidak disertai dengan deformasi plastis permukaan patahan pada komponen yang mengalami patah getas terlihat mengkilap, granular dan relatif rata. Patah getas dapat mengikuti batas butir ataupun memotong butir. Bila bidang patahannya mengikuti batas butir, maka disebut patah getas intergranular, sedangkan bila patahannya memotong butir maka disebut patah getas transgranular. 3.DBT (Ductile to Brittle Tension) Beberapa bahan tiba-tiba menjadi getas dan patah karena perubahan temperatur dan laju reaksi, walaupun pada dasarnya logam tersebut ulet. Gejala ini disebut transisi ulet-getas, yang merupakan hal penting ditinjau dari penggunaan praktis bahan. Bahan yang dapat memberikan patahan getas adalah bcc seperti Fe, W, Mo, Nb, Ta, dan logam hcp seperti Znserta paduannya, sedangkan fcc tidak bisa sama sekali. gejala ini juga mudah terjadi pada plastik. faktor faktor penyebab DBT (Ductile to Brittle Tension): tegangan 3 sumbu : karena keadaan tegangan menjadi rumit terhadap dua atau tiga sumbu disebabkan oleh pangkal takikan, maka terjadi peningkatan yang menyolok dari tegangan mulur dan patah getas mudah terjadi. laju regangan : peningkatan tegangan mulur yang sangat ditandai oleh peningkatan laju regangan yang mengakibatkan patah getas. temperatur : makin rendah temperatur maka semakin mudah terjadi patah getas.

12