MECHANICAL FAILURE · Mekanika Perpatahan TIN107 - Material Teknik Materi #4 13 Adalah ilmu yang membahas hubungan antara: Sifat material Tingkat tekanan Kesalahan (cacat) yang menghasilkan

TIN107 - Material Teknik #4 - Mechanical Failure

6623 - Taufiqur Rachman 1

66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

nh t t p : / / t a u f i q u r r a c h m a n . w e b l o g . e s a u n g g u l . a c . i d

MECHANICAL FAILURE (KERUSAKANMEKANIS)TIN107 – Material TeknikMateri #4

1TIN107 - Material Teknik

h t t p : / / t a u f i q u r r a c h m a n . w e b l o g . e s a u n g g u l . a c . i d

66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

n

Jenis Perpatahan (Fracture)

Perpatahan sederhana adalah pemisahan materialmenjadi dua atau lebih sebagai reaksi terhadap teganganstatis (konstan) dan pada suhu yang relatif rendahterhadap Tm dari material.

Digolongkan berdasarkan pada kemampuan suatumaterial untuk mengalami deformasi plastis.

• Disertai dengan deformasi plastisyang signifikan

Ductile fracture (perpatahan elastis)

• Sedikit/tidak ada deformasi plastis• Secara tiba-tiba, dan catastrophic

(kerusakan yang berat/parah)

Brittle fracture (perpatahan rapuh)

Materi #4

2

TIN107 - Material Teknik




66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

nMekanisme Perpatahan (Fracture)

Penerapan Tekanan (Stress)

Pembentukan Retakan (Crack)

Perambatan (Propagation)

Kerusakan elastis (ductile) memiliki deformasi plastisyang luas di sekitar ujung retak. Proses ini berlangsungrelatif lambat (stabil). Retakan tersebut menolak setiapperpanjangan yang ada kecuali terdapat peningkatantekanan.

Pada kerusakan rapuh (brittle), retakan dapat menyebarsangat cepat, dengan sedikit deformasi. Retakan ini lebihtidak stabil dan perambatan retak akan berlanjut tanpapeningkatan tekanan.

Materi #4

3



66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

n

Perambatan Retakan

Perambatan retakan terjadi karena ketajaman ujung

retakan.

Material yang mengalamideformasi plastis di ujung,

akan menumpulkan retakan.

Ada keseimbangan energipada retakan.

Disebut energi reganganelastis.

• Energi yang tersimpandalam material yangmengalami deformasielastis.

• Energi ini dilepaskanketika retakan merambat.

• Penciptaan permukaanbaru memerlukan energi.

Materi #4

4


brittle

plastic

daerah deformasi




66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

nDuctile Vs Brittle

Materi #4TIN107 - Material Teknik

5

Sangat Elastis

Elastisitas Menengah Rapuh

Tingkatan perpatahan

Besar Sedang%AR atau %EL Kecil

Perpatahan elastis biasanya lebihdiinginkan dari

pada perpatahan rapuh

Elastis:

Ada peringatan

sebelum perpatahan

Rapuh:

Tidak ada peringatan


66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

n

Kerusakan Elastis Menengah

Tahapan kerusakan :

Hasil permukaan patahan (pada baja)

Materi #4

6


Menciut Kekosongan inti

PatahPerambatanretakan

Peleburanrongga

Partikel yg berfungsi

sebagai tempat kekosongan inti

50 mm

Sumber: V.J. Colangelo and F.A. Heiser, Analysis of Metallurgical Failures

Gambarpermukaan patahandari kawatpada ban.100 mm




66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

nContoh: Kerusakan pada pipa

Materi #4

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


66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

n

Gambar Kerusakan Elastis & Rapuh


8

Perpatahan Elastis(membentuk cangkir

& kerucut)

Perpatahan rapuh




66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

n

(b) Gambar (SEM) daricekungan berbentukparabola dari bebangeser.

(a) Gambar (SEM) yangmenunjukkan cekunganberbentuk bola yangdihasilkan dari bebantarik uniaksial.

Gambar Kerusakan Elastis

Materi #4

9



66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

n

Gambar Perpatahan Rapuh


10

Pola yang khas pada permukaan perpatahan: berbentuk V "chevron“, Tanda permulaan kerusakan

Tanda permulaan kerusakan




66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

nPerpatahan Transgranular

Perpecahan dalam materialcrystallin yang paling rapuh,

perambatan retakan yangdihasilkan dari pemecahan

ikatan atom yang berulang padabidang tertentu.

Hal ini menyebabkanperpatahan transgranular,

dimana retakan terbagi (pecah)menjadi butiran.

Materi #4

11


Butiran

Garis dari perambatan retakan


66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

n

Perpatahan Intergranular

Kerusakan intergranular biasanya terjadi karena penipisan/penurunan unsur chromium pada batas butir atau semacam melemahnya batas butir akibat serangan

kimia, oksidasi, kerapuhan (embrittlement).

Materi #4

12


Garis perambatan retakan

Butiran




66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

nMekanika Perpatahan


13

Adalah ilmu yang membahas

hubungan antara:

Sifat material

Tingkat tekanan

Kesalahan (cacat) yang menghasilkan

retakan

Mekanisme perambatan

retakan


66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

n

Pemusatan Tekanan


14

Pengukuran kekuatan perpatahan untuk material yangrapuh (brittle) sebagian besar jauh lebih rendahdibandingkan dengan perhitungan teoritis yangdidasarkan pada energi ikatan atom.

Perbedaan ini dikarenakan kesalahan (cacat) mikroskopisatau retakan yang melekat pada materi sangat kecil.

Kecacatan berfungsi sebagai konsentrator tekanan ataukumpulan tekanan, sehingga memperkuat tekanan padasuatu titik.

Tekanan setempat ini berkurang seiring dengan jarak dariujung retakan.




66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

nKetangguhan (Toughness) Perpatahan


15

Ketangguhan perpatahan mengukur ketahanan material yang rapuh(mudah pecah) ketika retakan terjadi.

Merupakan indikasi/gejala dari tingkat tekanan yang diperlukan untukmemperluas kesalahan (cacat) yang sudah ada sebelumnya.

Kesalahan dapat tampak sebagai retakan, celah, inklusi metalurgi(penyertaan logam), cacat las, ketidaksinambungan desain, ataukombinasinya.

Merupakan penerapan umum untuk mengasumsikan kesalahan(cacat) yang terjadi dan dengan memanfaatkan pendekatan mekanikaperpatahan 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 ketangguhanperpatahan untuk mengevaluasi kemampuan komponen yangmengandung kesalahan (cacat) untuk melawan perpatahan.


66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

n

Ductile & Brittle


16

Pengaruh dari kumpulan tekanan lebih signifikan padamaterial yang rapuh (brittle) dibandingkan pada materialyang elastis (ductile).

Untuk material yang elastis (ductile), hasil deformasiplastis pada saat tekanan maksimum melebihi kekuatanluluh (yield strength).

Hal ini menyebabkan distribusi yang lebih seragamtekanan di sekitar kumpulan tekanan, faktor konsentrasitekanan maksimum akan berkurang dari nilai teoritis.

Pada bahan yang rapuh (brittle), tidak ada distribusi ulangatau titik luluh (yielding).




66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

nTabel Ketangguhan Perpatahan


17


66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

n

Faktor Intensitas Tekanan ( K )

Digunakan untuk menentukan faktor ketangguhanperpatahan pada sebagian besar material.

Sebuah tulisan romawi menunjukkan model dariperpatahan dan tiga model dari perpatahantersebut diilustrasikan pada gambar di sebelahkanan.

Model I adalah kondisi dimana bidangretakan adalah normal terhadap arah pembebanantarik terbesar. Ini adalah model yang paling seringditemui.

Faktor intensitas tekanan merupakan fungsipembebanan, ukuran retakan, dan strukturgeometri, yang ditunjukkan oleh persamaanberikut :

Materi #4

18





66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

n

KI : Ketangguhan perpatahan, dgn ukuran

𝜷 : Panjang retakan & faktor komponen geometri yang berbeda untuk setiap bahan percobaan, serta tidak memiliki ukuran.

σ : Tekanan yg diterapkan dlm Mpa atau psi

a : Panjang retakan dalam meter atau inchi.

Faktor Intensitas Tekanan ( K )

Materi #4

19



66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

n

Tekanan Kritis


20

Semua material yang rapuh (brittle) mengandung populasiretakan kecil dan kesalahan (cacat) dengan berbagai macamukuran, geometri dan orientasi.

Ketika besarnya tekanan tarik pada ujung salah satu kesalahan(cacat) melebihi nilai dari tekanan kritis, maka bentuk retakandan perambatan yang menyebabkan terjadinya kerusakan.

Syarat untuk perambatan retakan :

K ≥ Kc

Faktor Intensitas TekananTergantung pada beban & geometri.

Ketangguhan Perpatahan :Tergantung pada material, suhu,

lingkungan, & tingkat pembebanan.




66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

nPengujian Compact Tension (CT)

Materi #4

21


Single Edge Notch Bend (SENB)or three-point bend


66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

n

Kesalahan (Cacat) - Pusat Tekanan

Materi #4

22


Jika retakan menyerupai lubangberbentuk elips melalui sebuahbidang, dan berorientasi tegak luruspada tekanan, maka tekananmaksimum σm :

ρt = radius lengkunganσo = tekanan yang diterapkanσm = tekanan pada ujung retakana = panjang retakan permukaan

atau ½ dari panjang retakaninternal

σm/σo = Kt atau faktor konsentrasitekanan

ot

1/2

tom ςK

ρ

a2ςς




66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

n

Syarat pertumbuhan retakan : a πYς

max

cdesign

πaY

K<ς

2

design

cmax

Yς

K

π

1a

K ≥ Kc

Desain – Pertumbuhan Retakan

Hasil1: Ukuran kesalahan (cacat) terbesar menyatakan desain tekanan.

Hasil 2: Desain tekanan menyatakan ukuran kesalahan (cacat) terbesar.

Materi #4

23


Yang terbesar adalah pertumbuhan retakan yang pertama ditekan.

amax

σno fracture

fracturefracture

amax

σ

no fracture


66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

n

Mengurangi ukuran cacat.

Contoh Desain: Sayap Pesawat

Desain A Desain B Cacat terbesar = 9 mm Menggunakan material yg sama Tekanan kerusakan = 112 Mpa Cacat terbesar = 4 mm

Tekanan kerusakan B = ?

Hasil :

Materi #4

24


Sebuah material memiliki Kc = 26 MPa-m0.5. Terdapat 2 desain yangmempertimbangkan ....

Gunakan ...

B maxc Amaxc aςaς

9 mm112 MPa 4 mm

max

cc

a πY

Kς

Point penting: Y dan Kc sama untuk kedua desain. Y adalah parameter tidak berdimensi.

• Jawaban: MPa 168)(ς Bc




66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

nSensor Saringan Pesawat Terbang


25

Merupakan teknologi Structural Health Monitoring/SHM.

Serat saringan yang tertanam pada sensor yang dirancanguntuk memantau integritas struktural pesawat dan suhudi luar.

Ketika membungkus pesawat terbang, sensor dapatmembantu mencegah retakan mikroskopis yang dapatberkembang menjadi kerusakan besar secara tiba-tiba(catastrophic).

Terbuat dari polimer plastik, saringan dirancang sehinggatidak menambah berat yang signifikan atau menarikpesawat terbang.


66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

n

Contoh Aplikasi SHM … (1)

Sistem SHM dapat tersusun dengan cara yang sama padasistem saraf manusia, dengan sensor terkonsentrasi dibidang utama pada beban yang tertinggi.

Materi #4

26





66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

nContoh Aplikasi SHM … (2)

Studi pada lengkungan panel sarang lebah berinti, menunjukkanbahwa pemantauan emisi akustik (AE) adalah metode yang dapatdiandalkan untuk mencari tempat kerusakan awal dan untukpelacakan perkembangan retakan. (Sumber: Fisik Akustik Corp.)

Materi #4

27



66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

n

Contoh Aplikasi SHM … (3)

Piezoelektric berbasis sistem sensor dari Teknologi Acellent,yg disebut lapisan SMART, mengidentifikasi kerusakan dgnaktuator keramik kecil

Materi #4

28





66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

nContoh Aplikasi SHM … (4)

Sensor pemantauan vakum komparatif (CVM) dalam bentuktambalan berperekat karet yang sangat tipis, dapat mendeteksiretakan pada material. Karet tersebut terdiri dari deretan kecillaser, dan membentuk alur yang saling berhubungan (galery),dimana tekanan udara diterapkan. Setiap retakan yang merambatdi bawah batas galery sensor dan terjadi perubahan yangmengakibatkan tekanan terpantau.

Materi #4

29



66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

n

Tabel Teknik Nondestructive Testing (NDT)


30




66

23

-T

au

fiq

ur

Ra

ch

ma

nDaftar Pustaka

http://www.csun.edu

http://web.utk.edu

http://www.virginia.edu

http://www.compositesworld.com

http://www.photonics.com

Materi #4

31


http://www.csun.edu/~bavarian/Courses/MSE 227/Lectures_Exam2/ch9_Failure_Mechanisms.ppt

http://web.utk.edu/~prack/mse201/Chapter 8 Failure.pdf

http://www.virginia.edu/

http://www.compositesworld.com/articles/structural-health-monitoring-composites-get-smart

http://www.photonics.com/Article.aspx?AID=30528

MECHANICAL FAILURE · Mekanika Perpatahan TIN107 - Material Teknik Materi #4 13 Adalah ilmu yang membahas hubungan antara: Sifat material Tingkat tekanan Kesalahan (cacat) yang menghasilkan

Documents