1 MECHANICAL FAILURE (KERUSAKAN MEKANIS) TIN107 Material Teknik Jenis Perpatahan (Fracture) 2 Perpatahan sederhana adalah pemisahan material menjadi dua atau lebih sebagai reaksi terhadap tegangan statis (konstan) dan pada suhu yang relatif rendah terhadap T m dari material. Digolongkan berdasarkan pada kemampuan suatu material untuk mengalami deformasi plastis. Ductile fracture (perpatahan elastis) Brittle fracture (perpatahan rapuh) Disertai dengan deformasi plastis yang signifikan Sedikit/tidak ada deformasi plastis Secara tiba-tiba, dan catastrophic (kerusakan yang berat/parah) 6623 - Taufiqur Rachman 1
Mekanisme Perpatahan (Fracture) 3 Penerapan Tekanan (Stress) Pembentukan Retakan (Crack) Perambatan (Propagation) Kerusakan elastis (ductile) memiliki deformasi plastis yang luas di sekitar ujung retak. Proses ini berlangsung relatif lambat (stabil). Retakan tersebut menolak setiap perpanjangan yang ada kecuali terdapat peningkatan tekanan. Pada kerusakan rapuh (brittle), retakan dapat menyebar sangat cepat, dengan sedikit deformasi. Retakan ini lebih tidak stabil dan perambatan retak akan berlanjut tanpa peningkatan tekanan. Perambatan Retakan 4 Perambatan retakan terjadi karena ketajaman ujung retakan. Material yang mengalami deformasi plastis di ujung, akan menumpulkan retakan. plastic brittle daerah deformasi Ada keseimbangan energi pada retakan. Disebut energi regangan elastis. Energi yang tersimpan dalam material yang mengalami deformasi elastis. Energi ini dilepaskan ketika retakan merambat. Penciptaan permukaan baru memerlukan energi. 6623 - Taufiqur Rachman 2
Ductile Vs Brittle 5 Tingkatan perpatahan Sangat Elastis Elastisitas Menengah Rapuh %AR atau %EL Besar Sedang Kecil Perpatahan elastis biasanya lebih diinginkan dari pada perpatahan rapuh Elastis: Ada peringatan sebelum perpatahan Rapuh: Tidak ada peringatan Kerusakan Elastis Menengah 6 Tahapan kerusakan : Menciut Kekosongan inti Peleburan rongga Perambatan retakan Patah Hasil permukaan patahan (pada baja) Partikel yg berfungsi sebagai tempat kekosongan inti 50 mm 100 mm Gambar permukaan patahan dari kawat pada ban. Sumber: V.J. Colangelo and F.A. Heiser, Analysis of Metallurgical Failures 6623 - Taufiqur Rachman 3
Contoh: Kerusakan pada pipa 7 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 Gambar Kerusakan Elastis & Rapuh 8 Perpatahan Elastis (membentuk cangkir & kerucut) Perpatahan rapuh 6623 - Taufiqur Rachman 4
Gambar Kerusakan Elastis 9 (a) Gambar (SEM) yang menunjukkan cekungan berbentuk bola yang dihasilkan dari beban tarik uniaksial. (b) Gambar (SEM) dari cekungan berbentuk parabola dari beban geser. Gambar Perpatahan Rapuh 10 Tanda permulaan kerusakan Pola yang khas pada permukaan perpatahan: berbentuk V "chevron, Tanda permulaan kerusakan 6623 - Taufiqur Rachman 5
Perpatahan Transgranular 11 Perpecahan dalam material crystallin yang paling rapuh, perambatan retakan yang dihasilkan dari pemecahan ikatan atom yang berulang pada bidang tertentu. Garis dari perambatan retakan Butiran Hal ini menyebabkan perpatahan transgranular, dimana retakan terbagi (pecah) menjadi butiran. Perpatahan Intergranular 12 Kerusakan intergranular biasanya terjadi karena penipisan/penurunan unsur chromium pada batas butir atau semacam melemahnya batas butir akibat serangan kimia, oksidasi, kerapuhan (embrittlement). Butiran Garis perambatan retakan 6623 - Taufiqur Rachman 6
Mekanika Perpatahan 13 Sifat material Mekanisme perambatan retakan Adalah ilmu yang membahas hubungan antara: Tingkat tekanan Kesalahan (cacat) yang menghasilkan retakan Pemusatan Tekanan 14 Pengukuran kekuatan perpatahan untuk material yang rapuh (brittle) sebagian besar jauh lebih rendah dibandingkan dengan perhitungan teoritis yang didasarkan pada energi ikatan atom. Perbedaan ini dikarenakan kesalahan (cacat) mikroskopis atau retakan yang melekat pada materi sangat kecil. Kecacatan berfungsi sebagai konsentrator tekanan atau kumpulan tekanan, sehingga memperkuat tekanan pada suatu titik. Tekanan setempat ini berkurang seiring dengan jarak dari ujung retakan. 6623 - Taufiqur Rachman 7
Ketangguhan (Toughness) Perpatahan 15 Ketangguhan perpatahan mengukur ketahanan material yang rapuh (mudah pecah) ketika retakan terjadi. Merupakan indikasi/gejala dari tingkat tekanan yang diperlukan untuk memperluas kesalahan (cacat) yang sudah ada sebelumnya. Kesalahan dapat tampak sebagai retakan, celah, inklusi metalurgi (penyertaan logam), cacat las, ketidaksinambungan desain, atau kombinasinya. Merupakan penerapan umum untuk mengasumsikan kesalahan (cacat) yang terjadi dan dengan memanfaatkan pendekatan mekanika perpatahan 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 ketangguhan perpatahan untuk mengevaluasi kemampuan komponen yang mengandung kesalahan (cacat) untuk melawan perpatahan. Ductile & Brittle 16 Pengaruh dari kumpulan tekanan lebih signifikan pada material yang rapuh (brittle) dibandingkan pada material yang elastis (ductile). Untuk material yang elastis (ductile), hasil deformasi plastis pada saat tekanan maksimum melebihi kekuatan luluh (yield strength). Hal ini menyebabkan distribusi yang lebih seragam tekanan di sekitar kumpulan tekanan, faktor konsentrasi tekanan maksimum akan berkurang dari nilai teoritis. Pada bahan yang rapuh (brittle), tidak ada distribusi ulang atau titik luluh (yielding). 6623 - Taufiqur Rachman 8
Tabel Ketangguhan Perpatahan 17 Faktor Intensitas Tekanan ( K ) 18 Digunakan untuk menentukan faktor ketangguhan perpatahan pada sebagian besar material. Sebuah tulisan romawi menunjukkan model dari perpatahan dan tiga model dari perpatahan tersebut diilustrasikan pada gambar di sebelah kanan. Model I adalah kondisi dimana bidang retakan adalah normal terhadap arah pembebanan tarik terbesar. Ini adalah model yang paling sering ditemui. Faktor intensitas tekanan merupakan fungsi pembebanan, ukuran retakan, dan struktur geometri, yang ditunjukkan oleh persamaan berikut : 6623 - Taufiqur Rachman 9
Faktor Intensitas Tekanan ( K ) 19 K I : Ketangguhan perpatahan, dgn ukuran σ : Tekanan yg diterapkan dlm Mpa atau psi β : Panjang retakan & faktor komponen geometri yang berbeda untuk setiap bahan percobaan, serta tidak memiliki ukuran. a : Panjang retakan dalam meter atau inchi. Tekanan Kritis 20 Semua material yang rapuh (brittle) mengandung populasi retakan kecil dan kesalahan (cacat) dengan berbagai macam ukuran, geometri dan orientasi. Ketika besarnya tekanan tarik pada ujung salah satu kesalahan (cacat) melebihi nilai dari tekanan kritis, maka bentuk retakan dan perambatan yang menyebabkan terjadinya kerusakan. Syarat untuk perambatan retakan : K Kc Faktor Intensitas Tekanan Tergantung pada beban & geometri. Ketangguhan Perpatahan : Tergantung pada material, suhu, lingkungan, & tingkat pembebanan. 6623 - Taufiqur Rachman 10
Pengujian Compact Tension (CT) 21 Single Edge Notch Bend (SENB) or three-point bend Kesalahan (Cacat) - Pusat Tekanan 22 Jika retakan menyerupai lubang berbentuk elips melalui sebuah bidang, dan berorientasi tegak lurus pada tekanan, maka tekanan maksimum σ m : ς ρ t σ o σ m a m 2ς o 1/2 t a ρ K ς = radius lengkungan = tekanan yang diterapkan = tekanan pada ujung retakan = panjang retakan permukaan atau ½ dari panjang retakan internal σ m /σ o = K t atau faktor konsentrasi tekanan t o 6623 - Taufiqur Rachman 11
Desain Pertumbuhan Retakan 23 Syarat pertumbuhan retakan : Yς π a Hasil1: Ukuran kesalahan (cacat) terbesar menyatakan desain tekanan. K ς c design< Y πamax σ K Kc Yang terbesar adalah pertumbuhan retakan yang pertama ditekan. Hasil 2: Desain tekanan menyatakan ukuran kesalahan (cacat) terbesar. 2 1 K a c max π Yς design a max fracture no fracture a max fracture no fracture σ Contoh Desain: Sayap Pesawat 24 Sebuah material memiliki Kc = 26 MPa-m 0.5. Terdapat 2 desain yang mempertimbangkan... Desain A Cacat terbesar = 9 mm Tekanan kerusakan = 112 Mpa Gunakan... K ς c c Y π amax Point penting: Y dan Kc sama untuk kedua desain. Y adalah parameter tidak berdimensi. Desain B Menggunakan material yg sama Cacat terbesar = 4 mm Tekanan kerusakan B =? Hasil : 112 MPa 9 mm 4 mm ς c amax ς c amax A B Jawaban: (ς c ) B 168 MPa Mengurangi ukuran cacat. 6623 - Taufiqur Rachman 12
Sensor Saringan Pesawat Terbang 25 Merupakan teknologi Structural Health Monitoring/SHM. Serat saringan yang tertanam pada sensor yang dirancang untuk memantau integritas struktural pesawat dan suhu di luar. Ketika membungkus pesawat terbang, sensor dapat membantu mencegah retakan mikroskopis yang dapat berkembang menjadi kerusakan besar secara tiba-tiba (catastrophic). Terbuat dari polimer plastik, saringan dirancang sehingga tidak menambah berat yang signifikan atau menarik pesawat terbang. Contoh Aplikasi SHM (1) 26 Sistem SHM dapat tersusun dengan cara yang sama pada sistem saraf manusia, dengan sensor terkonsentrasi di bidang utama pada beban yang tertinggi. 6623 - Taufiqur Rachman 13
Contoh Aplikasi SHM (2) 27 Studi pada lengkungan panel sarang lebah berinti, menunjukkan bahwa pemantauan emisi akustik (AE) adalah metode yang dapat diandalkan untuk mencari tempat kerusakan awal dan untuk pelacakan perkembangan retakan. (Sumber: Fisik Akustik Corp.) Contoh Aplikasi SHM (3) 28 Piezoelektric berbasis sistem sensor dari Teknologi Acellent, yg disebut lapisan SMART, mengidentifikasi kerusakan dgn aktuator keramik kecil 6623 - Taufiqur Rachman 14
Contoh Aplikasi SHM (4) 29 Sensor pemantauan vakum komparatif (CVM) dalam bentuk tambalan berperekat karet yang sangat tipis, dapat mendeteksi retakan pada material. Karet tersebut terdiri dari deretan kecil laser, dan membentuk alur yang saling berhubungan (galery), dimana tekanan udara diterapkan. Setiap retakan yang merambat di bawah batas galery sensor dan terjadi perubahan yang mengakibatkan tekanan terpantau. Tabel Teknik Nondestructive Testing (NDT) 30 6623 - Taufiqur Rachman 15
Daftar Pustaka 31 http://www.csun.edu http://web.utk.edu http://www.virginia.edu http://www.compositesworld.com http://www.photonics.com 6623 - Taufiqur Rachman 16