Mengungkap 6 Faktor yang Mempengaruhi Sifat Kelelahan Material

Jenis kelelahan material

Kelelahan Regangan (Kelelahan Siklus Rendah): Jenis kelelahan ini terjadi di bawah tingkat stres yang tinggi dan dengan jumlah siklus yang terbatas. Kerusakan material yang disebabkan oleh kelelahan regangan biasanya diatur oleh nilai regangan yang dapat diterima.

Kelelahan Stres (Kelelahan Siklus Tinggi): Jenis kelelahan ini terjadi di bawah tingkat stres yang rendah dan dengan jumlah siklus yang tinggi. Material rusak karena kelelahan akibat tegangan, yang biasanya diatur oleh nilai tegangan yang dapat diterima.

Kelelahan Sekunder: Jenis kelelahan ini terjadi ketika tingkat tegangan turun di bawah nilai tertentu, menyebabkan retakan berhenti tumbuh.

Faktor-faktor yang Mempengaruhi Sifat Kelelahan Material

1. Stres rata-rata

Karakteristik fatik material diwakili oleh hubungan antara tegangan yang diberikan (S) dan jumlah siklus (N) hingga gagal.

Di bawah beban fatik, jenis spektrum beban yang paling sederhana adalah tegangan siklik amplitudo konstan.

Ketika rasio tegangan (R) sama dengan -1, hubungan tegangan-umur, yang diperoleh dari pengujian di bawah beban siklik amplitudo konstan simetris, mewakili kurva kinerja kelelahan dasar material.

Dampak perubahan rasio tegangan (R) pada kinerja kelelahan akan dibahas kemudian.

Seperti yang ditunjukkan pada gambar di atas, peningkatan rasio tegangan R menunjukkan bahwa tegangan siklik rata-rata S_m meningkat. Dan ketika amplitudo tegangan S_a diberikan, memang ada:

S_m = (1+R)S_a/(1-R)

Secara umum, ketika S_a diberikan, R meningkat, dan tegangan rata-rata S_m juga meningkat.

Peningkatan bagian tarik pada beban siklik tidak menguntungkan bagi inisiasi dan perambatan retak kelelahanyang akan mengurangi umur kelelahan.

Kecenderungan umum pengaruh tegangan rata-rata pada kurva S-N ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Kurva S-N dasar diperoleh ketika tegangan rata-rata, S_msama dengan nol.

Ketika S_m lebih besar dari nol, yang berarti material mengalami tegangan rata-rata tarik, kurva S-N bergeser ke bawah. Hal ini menyiratkan bahwa umur material di bawah amplitudo tegangan yang sama menurun, atau kekuatan kelelahan menurun dalam masa pakai yang sama, yang berdampak negatif pada kelelahan.

Ketika S_m kurang dari nol, yang berarti material mengalami tegangan rata-rata kompresi, kurva S-N bergeser ke atas. Hal ini menunjukkan bahwa umur material di bawah amplitudo tegangan yang sama meningkat, atau kekuatan fatik meningkat di bawah umur yang sama, dan tegangan rata-rata kompresi memiliki efek positif pada fatik.

Hubungan antara amplitudo tegangan siklik (S_a) dan tegangan rata-rata (S_m) dipelajari untuk masa pakai tertentu (N), dan hasilnya ditunjukkan pada gambar yang menyertainya.

Terlihat bahwa karena tegangan rata-rata (S_m) meningkat, amplitudo tegangan yang sesuai (S_a) menurun. Namun, perlu dicatat bahwa tegangan rata-rata (S_m) tidak akan pernah bisa melebihi kekuatan ultimit (S_u) dari bahan tersebut.

Kekuatan utama (S_u) didefinisikan sebagai kekuatan tarik utama bahan rapuh dengan kekuatan tinggi atau kekuatan luluh dari bahan yang ulet.

Gambar tersebut menunjukkan hubungan Sa-Sm dari material logam N = 10^7, yang dinormalisasi dengan batas fatik (S-1) dan kekuatan ultimit (S_u).

Dengan demikian, hubungan Sa-Sm dalam kondisi kehidupan yang setara dapat digambarkan sebagai berikut:

(S_a/S-1) + (S_m/S_n) = 1

Ini adalah kurva parabola pada gambar, yang dikenal sebagai kurva Gerber, dan titik-titik data terutama terletak di dekat kurva ini.

Representasi lainnya adalah garis lurus yang ditunjukkan pada gambar, yang disebut sebagai:

n(S_a/S-1) + (S_m/S_n) = 1

Persamaan yang disebutkan di atas dikenal sebagai garis Goodman dan semua titik uji umumnya berada di atas garis ini.

Bentuk garis lurus sangat mudah dan, untuk umur tertentu, estimasi hubungan Sa-Sm adalah hati-hati, sehingga menjadikannya pilihan populer dalam praktik teknik.

2. Memuat formulir

Batas kelelahan material menunjukkan tren berikut untuk berbagai bentuk beban:

S (menekuk)>S (meregang)>S (memutar)

Dengan mengasumsikan tingkat tegangan yang diterapkan sama, volume zona tegangan tinggi dalam tegangan dan kompresi sama dengan seluruh volume spesimen yang diuji. Namun demikian, dalam kasus pembengkokan, volume zona tegangan tinggi secara signifikan lebih kecil.

Kegagalan kelelahan terutama ditentukan oleh dua faktor: besarnya tegangan yang diberikan (penyebab eksternal) dan kemampuan material untuk menahan kegagalan fatik (penyebab internal). Kegagalan biasanya terjadi pada area dengan tegangan tinggi atau pada cacat material.

Ketika tegangan siklik maksimum (S_maks) pada gambar adalah sama, volume material yang besar pada area tegangan tinggi selama siklus tegangan dan kompresi meningkatkan kemungkinan cacat dan inisiasi retak. Oleh karena itu, di bawah tingkat tegangan yang sama, umur spesimen di bawah beban siklik tegangan-kompresi lebih pendek daripada di bawah tekukan.

Dengan kata lain, untuk masa pakai yang sama, kekuatan fatik di bawah siklus tegangan-kompresi lebih rendah daripada di bawah tekukan. Umur fatik semakin berkurang selama torsi, tetapi volumenya hanya berdampak kecil.

Perbedaan umur kelelahan pada kondisi tegangan yang berbeda dapat dijelaskan dengan kriteria kegagalan yang berbeda, tetapi tidak akan dibahas lebih lanjut di sini.

3. Efek ukuran

Dampak dari ukuran spesimen yang berbeda pada kinerja fatik juga dapat dikaitkan dengan volume zona tegangan tinggi yang bervariasi.

Ketika tingkat tegangan tetap konstan, ukuran spesimen yang lebih besar menghasilkan volume material yang lebih besar di area tegangan tinggi.

Kelelahan terjadi pada titik terlemah pada material di dalam area tegangan tinggi. Semakin besar volumenya, semakin tinggi kemungkinan terjadinya cacat atau titik lemah.

Oleh karena itu, ketahanan fatik komponen berukuran besar lebih rendah daripada spesimen berukuran kecil. Ini berarti bahwa, untuk umur pakai N tertentu, kekuatan fatik komponen berukuran besar menurun. Selain itu, di bawah tingkat tegangan tertentu, umur fatik komponen berukuran besar juga menurun.

4. Permukaan akhir

Dari konsep lokalitas fatik, jelaslah bahwa permukaan yang kasar pada spesimen menyebabkan peningkatan konsentrasi tegangan lokal, yang memperpendek umur inisiasi retak.

Kurva S-N dasar material ditentukan dengan mengukur spesimen standar dengan hasil akhir yang baik, yang dicapai melalui penggerindaan halus.

5. Perawatan permukaan

Sebagai aturan umum, retakan fatik selalu berasal dari permukaan. Untuk meningkatkan kinerja fatik, berbagai metode sering digunakan selain meningkatkan permukaan akhir. Metode-metode ini bertujuan untuk memperkenalkan tekanan tegangan sisa pada permukaan komponen yang memiliki tegangan tinggi, dengan tujuan meningkatkan umur kelelahan.

Jika tegangan siklik seperti yang ditunjukkan pada urutan 1-2-3-4, dan tegangan rata-rata diwakili oleh S_m, penambahan kompresi tegangan sisa S_res akan menghasilkan tingkat tegangan baru 1′-2′-3′-4′, yang merupakan superposisi dari deret tegangan asli dan -S_res. Hal ini menyebabkan pengurangan tegangan rata-rata menjadi S'_myang menghasilkan peningkatan kinerja kelelahan.

Metode umum untuk meningkatkan masa pakai komponen termasuk tembakan permukaan peeningekstrusi dingin pada komponen, dan pengenalan tegangan tekan sisa pada permukaannya.

Kekuatan material memiliki dampak langsung pada kinerja fatiknya. Kekuatan material yang lebih tinggi mengarah ke tingkat stres siklik yang lebih rendah dan, oleh karena itu, masa pakai yang lebih lama dan efek perpanjangan masa pakai yang lebih baik.

Shot peening khususnya efektif di area dengan gradien tegangan atau konsentrasi tegangan takik.

Permukaan nitridasi atau perlakuan karburasi dapat meningkatkan kekuatan permukaan material dan menginduksi tegangan sisa tekan, yang keduanya berkontribusi pada peningkatan kinerja fatik.

Hasil pengujian menunjukkan bahwa perlakuan nitridasi atau karburasi dapat melipatgandakan batas fatik baja. Efek ini bahkan lebih jelas terlihat pada spesimen yang memiliki takik.

6. Pengaruh lingkungan dan suhu

Kurva S-N bahan biasanya diperoleh di bawah suhu kamar dan kondisi atmosfer.

Kelelahan di lingkungan korosif seperti air laut, asam, dan basa disebut sebagai kelelahan korosi.

Kehadiran media korosif memiliki efek yang merugikan pada kelelahan.

Kelelahan korosi adalah proses kompleks yang melibatkan tindakan mekanis dan kimiawi dan mekanisme kegagalannya rumit.

Ada beberapa faktor yang memengaruhi kelelahan korosi, dan tren umumnya adalah sebagai berikut:

(1) Pengaruh frekuensi siklus beban adalah signifikan. Di lingkungan non-korosif, frekuensi memiliki pengaruh yang kecil pada kurva S-N material dalam rentang frekuensi yang relatif lebar (seperti 200Hz). Namun, di lingkungan korosif, saat frekuensi menurun, waktu yang dialami oleh jumlah siklus yang sama meningkat, memberikan waktu yang cukup bagi korosi untuk berdampak signifikan pada penurunan kinerja fatik.

(2) Pencelupan setengah dalam media korosif (seperti air laut) lebih tidak menguntungkan daripada pencelupan penuh.

(3) Baja tahan korosi dengan ketahanan fatik korosi yang baik berkinerja lebih baik daripada baja karbon biasa, yang mengalami penurunan signifikan pada batas fatiknya, atau bahkan hilang sama sekali, di lingkungan korosif.

(4) Batas fatik bahan logam pada umumnya meningkat dengan penurunan suhu. Namun demikian, dengan menurunnya suhu, ketangguhan patahan material juga menurun, yang menyebabkan kerapuhan pada suhu rendah. Setelah retakan terjadi, fraktur ketidakstabilan lebih mungkin terjadi. Suhu tinggi mengurangi kekuatan bahandapat menyebabkan creep, dan tidak baik untuk kelelahan. Perlu juga dicatat bahwa tegangan tekan sisa yang diberikan untuk meningkatkan kinerja fatik juga akan hilang dengan meningkatnya suhu.