5303 bab 01_perpatahan_dan_kelelahan
-
Upload
tian-jonathan -
Category
Documents
-
view
771 -
download
4
Transcript of 5303 bab 01_perpatahan_dan_kelelahan
![Page 1: 5303 bab 01_perpatahan_dan_kelelahan](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022052602/5599b9b61a28ab88658b4758/html5/thumbnails/1.jpg)
Perpatahan dan Kelelahan(Fracture and Fatigue)
Oleh:Ellyawan Arbintarso, MSc.
![Page 2: 5303 bab 01_perpatahan_dan_kelelahan](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022052602/5599b9b61a28ab88658b4758/html5/thumbnails/2.jpg)
Ellyawan Arbintarso 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
![Page 3: 5303 bab 01_perpatahan_dan_kelelahan](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022052602/5599b9b61a28ab88658b4758/html5/thumbnails/3.jpg)
Ellyawan Arbintarso 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
![Page 4: 5303 bab 01_perpatahan_dan_kelelahan](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022052602/5599b9b61a28ab88658b4758/html5/thumbnails/4.jpg)
Ellyawan Arbintarso 4
Info dan Kontak
• Laboratorium Pengujian Bahan ISTA • Jl. I Dewa Nyoman Oka 32 Kotabaru Yk• Email: [email protected]• Email: [email protected]• Email: [email protected]
![Page 5: 5303 bab 01_perpatahan_dan_kelelahan](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022052602/5599b9b61a28ab88658b4758/html5/thumbnails/5.jpg)
Ellyawan Arbintarso 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
![Page 6: 5303 bab 01_perpatahan_dan_kelelahan](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022052602/5599b9b61a28ab88658b4758/html5/thumbnails/6.jpg)
Ellyawan Arbintarso 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%
![Page 7: 5303 bab 01_perpatahan_dan_kelelahan](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022052602/5599b9b61a28ab88658b4758/html5/thumbnails/7.jpg)
Ellyawan Arbintarso 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
![Page 8: 5303 bab 01_perpatahan_dan_kelelahan](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022052602/5599b9b61a28ab88658b4758/html5/thumbnails/8.jpg)
Ellyawan Arbintarso 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 KonsentrasiTegangan
Mekanika Perpatahan
![Page 9: 5303 bab 01_perpatahan_dan_kelelahan](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022052602/5599b9b61a28ab88658b4758/html5/thumbnails/9.jpg)
Ellyawan Arbintarso 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
![Page 10: 5303 bab 01_perpatahan_dan_kelelahan](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022052602/5599b9b61a28ab88658b4758/html5/thumbnails/10.jpg)
Ellyawan Arbintarso 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
![Page 11: 5303 bab 01_perpatahan_dan_kelelahan](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022052602/5599b9b61a28ab88658b4758/html5/thumbnails/11.jpg)
Ellyawan Arbintarso 11
Evolusi Rancangan Struktur
Adaptasi Empiris dariRancangan yg Sukses:
Prosedur coba-coba
Pendekatan kekuatan bahanDengan teori Elastisitas dgnFaktor keamanan yg besar
Pengenalan KonsentrasiTegangan
σ = σnom [1+2 (a/R)1/2]
Piramid di Mesir dan Katedral Agung di Eropa
Penemuan abad 19 oleh Cauchy dll
Inglis (1913, USA)Kolosov (USSR)Paradok:Pd R = 0, σnom → 0
2b
2a
σ nom
σ nom
R
![Page 12: 5303 bab 01_perpatahan_dan_kelelahan](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022052602/5599b9b61a28ab88658b4758/html5/thumbnails/12.jpg)
Ellyawan Arbintarso 12
Evolusi Rancangan Struktur
Mekanika PerpatahanBesar toleransi serabut retak untuk beban yg
Diberikan/beban aman operasi untuk Ukuran serabut yang diberikanDengan menggunakan LEFM
K(a, σ, B) = KIc
Pendekatan Toleransi Rusak-Laju pertumbuhan serabut
- Ukuran kritis dlm perawatan
Griffith (1922) Teori Pecah/Remuk (Theory of Rupture)
Perkembangan lanjut oleh:Obriemoff (1930)Westerfaard (1939)Irwin dan Orowan (1948)Rice dan Cherepanov, (1960)
![Page 13: 5303 bab 01_perpatahan_dan_kelelahan](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022052602/5599b9b61a28ab88658b4758/html5/thumbnails/13.jpg)
Ellyawan Arbintarso 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
![Page 14: 5303 bab 01_perpatahan_dan_kelelahan](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022052602/5599b9b61a28ab88658b4758/html5/thumbnails/14.jpg)
Ellyawan Arbintarso 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, γ = Energi total pemisahan antar atom
– Untuk banyak bahan γ = Eb/40
– Teg. Luluh σth = E/6
b
Eth
γσ =
σσ
Model atom untukkekuatan teoritis
b
![Page 15: 5303 bab 01_perpatahan_dan_kelelahan](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022052602/5599b9b61a28ab88658b4758/html5/thumbnails/15.jpg)
Ellyawan Arbintarso 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”
a
bentukretak
![Page 16: 5303 bab 01_perpatahan_dan_kelelahan](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022052602/5599b9b61a28ab88658b4758/html5/thumbnails/16.jpg)
Ellyawan Arbintarso 16
Sejarah Perkembangan Mekanika Perpatahan
- Westergaard melanjutkan teori Griffith dan menunjukkan bahwa kekuatan patah dari bentuk retak adalahdimana a adalah panjang retakBatasan-batasan:
1. γ adalah valid untuk bahan getas
2. Perhitungan γ tidak jelas
3. Nilai γ lebih besar untuk bahan teknik
a
Ef π
γσ 2=
![Page 17: 5303 bab 01_perpatahan_dan_kelelahan](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022052602/5599b9b61a28ab88658b4758/html5/thumbnails/17.jpg)
Ellyawan Arbintarso 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)
� γp = energi plastis pada ujung retaka
E pf π
γγσ
)( +=
![Page 18: 5303 bab 01_perpatahan_dan_kelelahan](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022052602/5599b9b61a28ab88658b4758/html5/thumbnails/18.jpg)
Ellyawan Arbintarso 18
Sejarah Perkembangan Mekanika Perpatahan
• Karena pembilang adalah sifat bahan, kita dapat mendifinisikan sebagai
• Dimana K = faktor intensitas tegangan pada ujung retak, σ 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
a
K
πσ =
![Page 19: 5303 bab 01_perpatahan_dan_kelelahan](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022052602/5599b9b61a28ab88658b4758/html5/thumbnails/19.jpg)
Ellyawan Arbintarso 19
Sejarah Perkembangan Mekanika Perpatahan
• James Rice (1967) dan Cherepanov (1966)– Mekanika Perpatahan Non-linier
–J = ∂Π/∂a
– Dimana Π (pi) adalah energi potensial total dari bahan (elastis-plastis) non-linier yang mempunyai retak
![Page 20: 5303 bab 01_perpatahan_dan_kelelahan](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022052602/5599b9b61a28ab88658b4758/html5/thumbnails/20.jpg)
Ellyawan Arbintarso 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.
2b
2a
σ nom
σ nom
R
2a
σ nom
σ nom
Takikan elips
Retak
![Page 21: 5303 bab 01_perpatahan_dan_kelelahan](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022052602/5599b9b61a28ab88658b4758/html5/thumbnails/21.jpg)
Ellyawan Arbintarso 21
Matematika Definisi dari Retak
• Aliran Tegangan sekitar Takikan dan Retak– Pembebanan melintang thd sumbu utama
• Takikan
– Konsentrasi Tegangan (Kt); σ = σnom (1+2 (a/Rmin)1/2)
– Rmin adalah jari-jari kelengkungan ujung sumbu utama
• Retak
– Faktor Intensitas Tegangan (K); K = σnom (πa)1/2
![Page 22: 5303 bab 01_perpatahan_dan_kelelahan](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022052602/5599b9b61a28ab88658b4758/html5/thumbnails/22.jpg)
Ellyawan Arbintarso 22
• Pembebanan sejajar thd sumbu utama– Takikan
• Konsentrasi Tegangan (Kt); σ = σnom (1+2 (a/Rmak)1/2)
• Rmak adalah jari-jari kelengkungan ujung sumbu utama
– Retak• Faktor Intensitas Tegangan (K); K = 0 shg σ
= σnom
![Page 23: 5303 bab 01_perpatahan_dan_kelelahan](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022052602/5599b9b61a28ab88658b4758/html5/thumbnails/23.jpg)
Ellyawan Arbintarso 23
Pengaruh Retak pada Struktur
Pembebanan Statis
Grafik Kekuatan Sisa
2a
σ c
W
σ c
Ukuran retakWaktu
kekuatan rancangan
Perkiraan bebankerja tertinggi
beban kerja normal
gagal
Kekuat
an sisa
gagal waktudigunakan
![Page 24: 5303 bab 01_perpatahan_dan_kelelahan](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022052602/5599b9b61a28ab88658b4758/html5/thumbnails/24.jpg)
Ellyawan Arbintarso 24
Pengaruh Retak pada Struktur
2a
W
σ (t)
σ (t)
Pembebanan Fatik
Tarik
Tekan
Tegangan
Waktu
Spektrum beban
tidak stabil
mulairetak retak
tumbuhpanjan
g retak
, a
SiklusWaktu
![Page 25: 5303 bab 01_perpatahan_dan_kelelahan](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022052602/5599b9b61a28ab88658b4758/html5/thumbnails/25.jpg)
Ellyawan Arbintarso 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?
![Page 26: 5303 bab 01_perpatahan_dan_kelelahan](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022052602/5599b9b61a28ab88658b4758/html5/thumbnails/26.jpg)
Ellyawan Arbintarso 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
![Page 27: 5303 bab 01_perpatahan_dan_kelelahan](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022052602/5599b9b61a28ab88658b4758/html5/thumbnails/27.jpg)
Ellyawan Arbintarso 27
Mekanika Perpatahan