2-Aspek Metalurgis Thd Kelelahan Logam (AA)

II. ASPEK METALURGIS
PADA KELELAHAN LOGAM

Abrianto_Akuan@T.Metalurgi-UNJANI 1

Sesi Metode
Pokok Bahasan Hasil Pembelajaran Penilaian Hasil Pembelajaran
Ke- Penilaian
Mahasiswa mengetahui dan memahami Mahasiswa mampu menjelaskan
Karakteristik kegagalan patah lelah pada komponen logam. karakteristik dari patah lelah yang
01
kelelahan logam terjadi pada komponen logam.

Aspek metalurgi Mahasiswa mengetahui dan memahami aspek Mahasiswa mampu menjelaskan aspek
02 pada kelelahan metalurgi yang mempengaruhi perilaku metalurgi yang mempengaruhi
logam kelelahan pada logam. perilaku kelelahan logam.
Mahasiswa mengetahui dan memahami batas Mahasiswa mampu menjelaskan batas
03 batas lelah logam kelelahan logam serta cara menentukannya. kelelahan logam serta cara
menentukannya.
Mahasiswa mengetahui dan memahami Mahasiswa mampu menghitung
hubungan antara tegangan (S) yang bekerja tegangan yang bekerja pada komponen
04 Konsep S-N pada komponen logam dengan umur (N) logam serta mampu memprediksi
komponen tersebut. umur komponen tersebut berdasarkan ჱ Tugas
Konsep S-N.
ჱ UTS
Mahasiswa mengetahui dan memahami Mahasiswa mampu menghitung ჱ UAS
hubungan antara regangan () yang bekerja tegangan dan regangan yang bekerja
pada komponen logam dengan umur (N) pada komponen logam serta mampu
05 Konsep -N
komponen tersebut. memprediksi umur komponen tersebut
berdasarkan konsep -N.

Mahasiswa mengetahui dan memahami Mahasiswa mampu menjelaskan dan
Pengaruh takikan pengaruh takikan ataupun geometri menghitung pengaruh takikan ataupun
06 pada perilaku komponen terhadap kegagalan lelah. geometri komponen terhadap umur
kelelahan logam lelahnya.

Mahasiswa mengetahui dan memahami Mahasiswa mampu menjelaskan dan
konsep penjalaran retak lelah. konsep penjalaran retak lelah serta
Penjalaran retak
07 mampu memprediksi umur lelah
lelah
Abrianto_Akuan@T.Metalurgi-UNJANI
berdasarkan konsep tersebut. 2

Kelelahan logam diawali dengan pembentukan awal
retak dan dilanjutkan dengan penjalaran retakan
hingga komponen mengalami patah.

Lokasi awal retak pada komponen atau logam yang
mengalami pembebanan dinamis atau siklik adalah
pada titik daerah dimana memiliki kekuatan yang
paling minimum dan atau pada titik daerah dimana
mengalami tegangan yang paling maksimum.

Oleh karena itu untuk memperkirakan umur lelah
suatu komponen merupakan suatu hal yang cukup
sulit, hal ini disebabkan oleh banyaknya faktor-faktor
yang mempengaruhi umur lelahnya.


Faktor-faktor yang mempengaruhi umur lelah:
1.Pembebanan:
1.Jenis beban:uniaksial, lentur, puntir.
2.Pola beban: periodik, random.
3.Besar beban (besar tegangan).
4.Frekwensi siklus beban.
2.Kondisi material.
1.Ukuran butir.
2.Kekuatan.
3.Penguatan dengan larutan padat.
4.Penguatan dengan fasa ke-2.
5.Penguatan regangan.
6.Struktur mikro.
7.Kondisi permukaan (surface finish).
8.Ukuran Komponen.
3.Proses pengerjaan.
1.Proses pengecoran.
2.Proses pembentukan.
3.Proses pengelasan.
4.Proses pemesinan.
5.Proses perlakuan panas.
4.Temperatur operasi. Abrianto_Akuan@T.Metalurgi-UNJANI 4
5.Kondisi lingkungan.

2.1 Pengaruh Pembebanan
Parameter pembebanan yang berpengaruh
terhadap kelelahan logam adalah tegangan rata-rata,
σm dan tegangan amplitudo, σa serta frekwensi
pembebanan.

2.1.1 Pengaruh Tegangan Rata-rata, σm

Gambar. 2.1 Pengertian tegangan siklik.

Tegangan amplitudo:
σa = (σmax - σmin) / 2 (2.1)
Tegangan rata-rata:
σm = (σmax + σmin) / 2 (2.2)
Rasio tegangan:
R = σmin / σmax (2.3)

Besarnya tegangan rata-rata yang bekerja akan menentukan
terhadap besarnya tegangan amplitudo yang diijinkan untuk
mencapai suatu umur lelah tertentu. Bila tegangan rata-rata
sama dengan 0 atau rasio tegangan sama dengan -1, maka
besarnya tegangan amplitudo yang diijinkan adalah nilai batas
lelahnya (Se). Dengan demikian jika tegangan rata-ratanya
semakin besar maka tegangan amplitudonya harus diturunkan.
Hal ini terlihat pada alternatif diagram Goodman atau pada
diagram-diagram lainnya, lihat Gambar 2.2 berikut ini:
6

Gambar. 2.2 Diagram-diagram batas tegangan terhadap
kelelahan logam.
7

Persamaan-persamaan yang digunakan pada
diagram batas tegangan seperti yang
ditunjukkan dalam Gambar 2.2 diatas adalah
sebagai berikut:

• Soderberg (USA, 1930):
σa/Se + σm/Sy = 1 (2.4)
• Goodman (England, 1899):
σa/Se + σm/Su = 1 (2.5)
• Gerber (Germany, 1874):
σa/Se + (σm/Su)2 = 1 (2.6)
• Morrow (USA, 1960s):
σa/Se + σm/σf = 1 (2.7)

8

dimana, Se adalah batas lelah (endurance limit), Su
adalah kekuatan tarik dan σf adalah tegangan patah
sebenarnya (true fracture stress). Perbandingan
dari tegangan amplitudo terhadap tegangan rata-
rata disebut rasio amplitudo (A= σa/σm), sehingga
hubungan antara nilai R dan A yaitu sebagai
berikut:

jika R=-1, maka A=~ (kondisi fully reversed)
jika R=0, maka A=1 (kondisi zero to maximum)
jika R=~, maka A=-1 (kondisi zero to minimum)

9

Pada Gambar 2.2 diatas yang memperlihatkan aman
tidaknya kondisi pembebanan terhadap kelelahan logam,
berdasarkan hasil diskusi atas berbagai permasalahan, maka
dapat dinyatakan sebagai berikut:

• Diagram. a (Soderberg) adalah paling konservatif dan paling
aman, atau digunakan pada kondisi nilai R mendekati 1.
• Data hasil pengujian, cenderung berada diantara diagram. b
dan c (Goodman dan Gerber).
• Untuk baja keras (getas), diagram. b dan d (Goodman dan
Morrow) hampir berimpit (sama).
• Untuk baja lunak (ulet), diagram. D (Morrow) akan lebih
akurat.
• Pada kondisi R<1 (atau perbedaan tegangan rata-rata dan
tegangan amplitudo cukup kecil), maka ke-4 diagram hampir
sama (berimpit).
10

Alternatif diagram Goodman
seperti yang ditunjukkan pada
Gambar 2.2 diatas adalah
yang paling banyak
digunakan, dan diagram
Goodman yang lama (asli)
seperti yang ditunjukkan pada
Gambar 2.3 dibawah ini,
sekarang sudah tidak dipakai
lagi.

Gambar. 2.3 Diagram Goodman. 11

Pengaruh dari tegangan siklik (SN) terhadap tegangan rata-
rata atau sebaliknya, dapat terlihat pada diagram master
seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.4 berikut ini.

AISI 4340 steel
Su = 158, Sy = 147 kpsi.
σmin = 20, σmax = 120,
σm = 70, σa = 50 kpsi.

Gambar. 2.4 Diagram master baja AISI 4340
untuk menentukan pengaruh dari tegangan rata- 12
rata pada kelelahan logam.

Untuk melihat pengaruh tegangan siklik (SN) terhadap umur
lelah pada kondisi R=-1 (tegangan siklik sama dengan tegangan
amplitudo) dapat dilihat pula pada diagram Haigh berikut ini.

Gambar. 2.4 Diagram Haigh.

13

Jika tegangan siklik atau tegangan amplitudo meningkat,
maka umur lelah akan semakin menurun, begitu pula dari
pengaruh meningkatnya tegangan rata-rata, maka akan
menyebabkan penurunan umur kelelahan logam.

Tabel 2.1 Persamaan dan
koordinat perpotongan pada
kuadran ke-1 untuk Goodman dan
kriteria kegagalan lainnya.

Se

Se

14

Tabel 2.2 Persamaan
dan koordinat
perpotongan pada
kuadran ke-1 untuk
Gerber dan kriteria
kegagalan lainnya.

Se

Se

15

2.1.2 Pengaruh Tegangan Amplitudo, σa

Seperti telah dijelaskan sebelumnya, tegangan
amplituda akan sangat berpengaruh terhadap umur
kelelahan logam. Perkiraan kelelahan pada
pembebanan yang kompleks atau variabel,
seringkali didasarkan pada hukum kerusakan non
linier (linier damage rule) yang pertama kali
diajukan oleh Palmgren (1924) dan dikembangkan
oleh Miner (1945) sehingga metoda ini dikenal
dengan hukum Miner. Hukum ini tidak selalu sesuai
dengan kenyataan, sehingga muncullah berbagai
alternatif yang lain seperti teori kerusakan non
linier (oleh Collins), metoda perhitungan siklus
(cycle counting) yaitu metoda perhitungan curah
hujan rain flow counting (oleh Downing).
16

2.1.3 Pengaruh Frekwensi Pembebanan

Pengaruh frekwensi ini dapat dilihat pada pengujian
kelelahan logam dengan frekwensi ± 500÷10.000
siklus/menit, pada interval ini hampir tidak ada
pengaruhnya terhadap kekuatan lelah materialnya.
Sebagai contoh pada pengujian kelelahan baja dengan
frekwensi 200÷5.000 siklus/menit, tidak menunjukkan
adanya pengaruh tersebut terhadap batas lelahnya,
tetapi pengujian pada frekwensi 100.000 siklus/menit,
maka batas lelahnya akan semakin meningkat (karena
pada frekwensi tinggi, deformasi plastis yang terjadi
tidak sebesar pada frekwensi rendah). Pengaruh
frekwensi tersebut terjadi pula pada logam-logam non
ferro.

17

2.2 Pengaruh Kondisi Material

Awal retak lelah terjadi dengan adanya deformasi
plastis mikro setempat, dengan demikian komposisi
kimia dan struktur mikro material akan sangat
mempengaruhi kekuatan untuk menahan terjadinya
deformasi plastis sehingga akan sangat berpengaruh
pula terhadap kekuatan lelahnya. Parameter-
parameter dari kondisi material yang mempengaruhi
kekuatan lelah tersebut yaitu antara lain dijelaskan
berikut ini.

18

2.2.1 Pengaruh Ukuran Butir

Butir halus yang akan meningkatkan kekuatan luluh dan
kekuatan lelah atau akan meningkatkan umur lelah logam,
hanya dapat terjadi pada pembebanan siklik dengan kondisi
HCF atau LCS (High Cycle Fatigue atau Low Cycle
Stress/Strain), tetapi berdasarkan hasil experimen
menunjukkan bahwa pada pembebanan siklik dengan kondisi
sebaliknya yaitu LCF atau HCS (Low Cycle Fatigue atau High
Cycle Stress/Strain), ternyata ukuran butir tidak berpengaruh
terhadap umur lelah.
Ukuran butir, pada satu sisi dapat meningkatkan umur lelah,
tetapi disisi lain akan meningkatkan kepekaan terhadap takikan
(notch). Spesimen yang halus permukaannya dan memiliki
struktur berbutir halus, akan meningkatkan umur lelah, tetapi
jika spesimen tersebut memiliki takikan, maka akan berumur
lebih pendek jika berbutir halus.

19

2.2.2 Pengaruh Kekuatan

Sebagai patokan kasar, baja memiliki batas lelah
sebesar:
Se = 0,5 Su (2.8)
Hal ini terlihat pada Gambar. 2.5 dan 2.6 berikut
ini:

Gambar. 2.5 Pengaruh
kekuatan tarik terhadap
batas lelah.


Gambar. 2.6 Hubungan antara batas lelah (lentur putar) dengan kekuatan tarik
baja.
21

Sedangkan untuk logam-logam non ferro (Cu, Ni, Mg,
dan lain-lain) memiliki batas lelah sebesar:
Se = 0,35 Su (2.9)
Perbandingan Kekuatan lelah, Se dan kekuatan tarik,
Su disebut rasio kelelahan. Jika pada spesimen
tersebut memiliki takikan, maka rasio kelelahan akan
menurun hingga 0,2÷0,3. Dengan demikian, semakin
tinggi kekuatan tarik logam, maka akan semakin
tinggi pula kekuatan lelahnya. Kekuatan tarik
tersebut dapat ditingkatkan melalui mekanisme-
mekanisme penguatan logam, yaitu antara lain:
•Penguatan larutan padat
•Penguatan fasa ke-2
•Pengutan presipitasi
•Penguatan regangan
•Dan lain sebagainya
22

Rasio kelelahan dari batas lelah karena
pembebanan aksial hasil eksperimen adalah sebesar
0,6÷0,9 dan secara konsevatif diestimasi sebesar:
Se (aksial) ≈ 0,7 Se (bending) (2.10)

Sedangkan rasio kelelahan hasil eksperimen
dengan uji lelah puntir dan bending atau lentur putar
adalah sebesar 0,5÷0,6 dan hubungan tersebut secara
teoritis dituliskan:
Se (puntir) ≈ 0,577 Se (bending) (2.11)

23

2.2.3 Pengaruh Penguatan Larutan Padat

Atom-atom asing akan menyebabkan distorsi kisi sehingga
menghasilkan medan tegangan pada kisi kristal logam yang
akan menghambat gerakan dislokasi yang pada akhirnya akan
meningkatkan kekuatan logam termasuk batas lelahnya,
apalagi jika atom asing tersebut yang larut padat interstisi,
menimbulkan strain aging, maka akan lebih meningkatkan
batas lelah logam seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2.7
berikut ini.

Strain aging dari
atom asing

Efek atom
asing

Logam murni
Gambar. 2.7 Pengaruh unsur paduan/atom
asing terhadap batas lelah.

24

2.2.4 Pengaruh Fasa ke-2

Fasa ke-2 yang keras akan menghalangi gerakan dislokasi sehingga
akan meningkatkan kekuatan logam. Parameter fasa ke-2 yang
berpengaruh tersebut adalah: bentuk, ukuran dan distribusinya.
Sebagai contoh baja yang memiliki struktur Ferit-Perlit dengan
bentuk sementit lamelar dan speroidal, maka kekuatan statiknya relatif
sama tetapi batas lelahnya dapat berbeda. Fasa ke-2 dengan bentuk
lamelar akan memiliki batas lelah yang relatif lebih rendah (Gambar.
2.8), hal ini dikaitkan dengan bentuk tersebut akan lebih peka terhadap
efek takikan, hal yang serupa terjadi pula pada fasa perlit atau karbida
yang kasar, fasa alpha bebas dan austenit sisa.

Sementit speroidal

Gambar. 2.8 Pengaruh bentuk karbida
Sementit lamelar
terhadap batas lelah.

25

2.2.5 Pengaruh Pengerasan Regangan

Logam yang dikeraskan atau diperkuat melalui
mekanisme pengerasan regangan, akan
meningkatkan kekuatan statik dan sikliknya, hal ini
dikarenakan penjalaran retakan akan menjadi lebih
lambat pada logam yang telah mengalami
pengerasan regangan (Gambar 2.9).

Gambar. 2.9 Pengaruh pengerolan
dingin terhadap kurva S-N baja.

26

2.2.6 Pengaruh Struktur Mikro

Struktur mikro merupakan satu faktor disamping komposisi
kimia yang sangat menentukan kekuatan logam, baik
kekuatan statik maupun sikliknya (Gambar 2.10). Sebagai
contoh baja yang memiliki struktur Martensit akan memiliki
kekuatan statik yang relatif tinggi akan tetapi kekuatan
lelahnya relatif lebih rendah (karena bersifat getas)
dibandingkan baja dengan struktur Martensit temper (karena
ada peristiwa strain aging pada ujung retakan). Batas lelah
baja akan lebih tinggi lagi jika struktur yang dimilikinya adalah
fasa Bainit.

struktur mikro terhadap
rasio kelelahan.


2.2.7 Pengaruh Surface Finish

Kelelahan logam merupakan suatu fenomena
permukaan, sehingga kondisi permukaan (surface
finish) logam akan sangat mempengaruhi batas
lelahnya. Kondisi permukaan tersebut sangat
ditentukan oleh perlakuan permukaan seperti:
• Plating, dimana proses ini akan menghasilkan
tegangan sisa tarik pada permukaan logam.
• Thermal (proses diffusi), seperti karburisasi,
nitriding, dan lainnya dapat menimbulkan tegangan
sisa tekan pada permukaan logam.
• Mechanical, misalnya shot peening, dapat
menghasilkan tegangan sisa tekan pada permukaan
logam.

28

Dengan demikian proses perlakuan permukaan dapat
menghasilkan tegangan sisa ataupun ketidakkontinyuan (takik,
fillet, retak) pada permukaan logam yang akan sangat
mempengaruhi batas lelah dari logam yang bersangkutan
(Gambar 2.11 sampai 2.13). Disamping itu proses perlakuan
permukaan yang dapat menghasilkan kekasaran permukaan
tertentu pada baja akan menghasilkan suatu faktor koreksi
permukaan dari komponen baja seperti yang ditunjukkan pada
Gambar 2.14 dan 2.15.

Gambar. 2.11 Pengaruh pelapisan
chrom terhadap kurva S-N baja
4140.

29

Gambar. 2.12 Pengaruh pelapisan nikel
terhadap kurva S-N baja.

Gambar. 2.13 Pengaruh shot peening
terhadap kurva S-N baja lapis nikel.

30

Gambar. 2.14 Faktor koreksi kondisi
permukaan pada komponen baja.

Gambar. 2.15 Faktor koreksi kekasaran
permukaan (RA : root mean square atau AA :
Arithmetic Average) dan kekuatan dari
komponen baja.


Proses elektroplating nikel atau chrom dapat
menyebabkan penurunan kekuatan lelah hingga 60 %
dan semakin tebal lapisan akan semakin menurunkan
kekuatan lelahnya, hal ini disebabkan oleh karena
timbulnya tegangan sisa tarik pada permukaan logam
yang dilapis yang relatif cukup tinggi. Solusi untuk
menghindari pengaruh buruk dari proses ini adalah:
1. Dilakukan proses nitriding sebelum proses
elektroplating.
2. Dilakukan proses shot peening sebelum atau
setelah proses elektroplating.
3. Dilakukan proses stress relieving (baja = 260oC
dan aluminium = 121oC) setelah proses
elektroplating.

32

Proses elektroplating cadmium dan seng tidak begitu
berpengaruh terhadap kekuatan lelah, tetapi semua jenis
proses elektroplating jika kurang kontrolnya dapat
menimbulkan penggetasan hidrogen yang mempengaruhi
kekuatan logamnya.

Pada Gambar 2.16 dan 2.17 ditunjukkan skematis
distribusi tegangan sisa pada batang yang dikenai
pembebanan lentur (bending) dan beban aksial tarik.

Gambar. 2.16 Tegangan
sisa pada batang tanpa
takikan yang dikenai
beban lentur.


Berdasarkan Gambar 2.16 diatas dapat
dijelaskan keadaan tegangan (Gambar 2.16e) pada
permukaan batang yang mengalami beban lentur
(Gambar 2.16d) yaitu sebagai berikut:
1. Pada titik1, permukaan batang mendekati titik
luluh dan distribusi tegangan linier (Gambar 2.16a).
2. Jika beban lentur meningkat hingga titik 2,
permukaan batang mulai mengalami luluh atau
deformasi plastis (Gambar 2.16b).
3. Jika momen menurun hingga titik 3, maka
batang akan memiliki distribusi tegangan sisa
(Gambar 2.16c).
34

Gambar. 2.17 Tegangan
sisa pada batang bertakik
yang dikenai beban tarik.

Contoh lain dari tegangan sisa ini ditunjukkan pada Gambar. 2.17
dari batang pelat yang mengalami beban tarik siklik (Gambar 2.17d)
dan dapat dijelaskan sebagai berikut:
1. Pada titik 1 akan menyebabkan luluh atau deformasi plastis pada
ujung takikan dari material (Gambar 2.17b) dan jika beban
dihilangkan (titik 2), maka material akan mendapat tegangan sisa
tekan (Gambar 2.17c).
2. Jika terjadi beban siklik (titik 3 dan 4), maka tegangan pada
ujung retakan akan mengalami siklik pula (Gambar 2.17e).
35

Metoda lain untuk menghasilkan tegangan sisa
adalah dengan pemberian tegangan awal
(prestressing atau presetting) yang dapat
menyebabkan peningkatan kekuatan lelah dari
batang bertakik dengan pembebanan aksial seperti
ditunjukkan pada Tabel 2.3 berikut ini.

Tabel.2.3 Batas lelah dari
pelat berlubang dengan
pembebanan

36

Presetting ini umumnya diterapkan pada komponen pegas
ulir dan pegas daun dimana pemberian beban awal ini harus
memiliki arah yang sama dengan pembebanan kerjanya.
Presetting dapat pula menyebabkan penurunan kekuatan
lelah 20÷50 % jika diterapkan pada pembebanan lentur
putar.

Proses perlakuan permukaan secara thermal
misalnya karburising dan nitriding akan sangat
menguntungkan terhadap ketahanan lelah seperti
yang ditunjukkan pada Tabel. 2.4, hal ini
dikarenakan proses tersebut menyebabkan
peningkatan kekuatan permukaan material, dan
menyebabkan pula timbulnya tegangan sisa tekan
pada permukaannya yang disebabkan adanya
perubahan volume. Demikian halnya pada proses
perlakuan permukaan flame dan induction
hardening.
37

Tabel. 2.4 Pengaruh
proses nitriding terhadap
batas lelah.

Selanjutnya proses perlakuan permukaan secara
mekanis misalnya shot peening yang menyebabkan
timbulnya tegangan sisa tekan pada permukaan
material, akan sangat menguntungkan kekuatan
atau lelah materialnya. Hal ini ditunjukkan pada
Gambar. 2.18 dan 2.19 berikut ini.

Gambar. 2.18 Pengaruh proses shot
peening terhadap kurva S-N dari roda gigi
yang dikarburisasi.

38

Gambar. 2.19 Pengaruh proses shot
peening terhadap batas lelah dari baja baja
kekuatan tinggi.

2.2.8 Pengaruh Ukuran Komponen

Kelelahan merupakan fenomena permukaan, maka akan
sangat ditentukan oleh ukuran permukaan. Semakin besar
ukuran maka akan semakin besar pula kemungkinan
terjadinya pembentukan awal retaknya, sehingga muncul
faktor modifikasi batas lelah karena faktor ini yaitu sebagai
berikut:
Csize = 1 jika d ≤ 8 mm (2.12)
Csize = 1,189 d-0,097 jika 8 mm < d ≤ 250 mm (2.13) 39

Pengaruh ukuran ini berhubungan dengan lapisan tipis
permukaan material yang terkena tegangan 95 % atau lebih.
Gambar 2.20 menunjukkan semakin besar ukuran akan
semakin besar pula volume dari permukaan material yang
mengalami tegangannya.

Gambar. 2.20 Gradien tegangan pada spesimen
berukuran besar dan kecil.

40

Pengaruh ukuran ini ditunjukkan pada Tabel 2.5
berikut ini:

Tabel. 2.5 Pengaruh ukuran terhadap batas lelah.


Contoh Soal 2.1:

Beberapa batang baja kekuatan tinggi akan
dipergunakan sebagai lembaran pegas daun, pegas
tersebut akan bekerja dengan kondisi tegangan zero
to maximum (R=0) dengan 3 titik pembebanan.
Lebar batang adalah 1 in dan tebal: 0,145 in.
Pilihlah 2 kondisi perlakuan terhadap batang
dibawah ini yang akan memberikan umur lelah tak
berhingga dengan menggunakan persamaan
Goodman sebagai perhitungannya.


A. Kondisi as Heat Treated (Quench+Temper):
•Kekerasan = 48 HRc (≈ 465 BHN).
•Tegangan sisa pada permukaan = 0 ksi.
•Kekasaran permukaan (AA) = 24 μin.

B. Kondisi as Shot Peened:
•Kekerasan = 49 HRc (≈ 475 BHN).
•Tegangan sisa pada permukaan = -80 ksi.
•Kekasaran permukaan (AA) = 125 μin.


Jawab:
* Untuk kondisi A:

Kekuatan:
Se = 100 ksi (BHN > 400) dan,
Su = 0,5 BHN = 0,5 . 465 = 232 ksi

Ukuran luas pelat pegas:
A = w t = 1 . 0,145 = 0,145 in2 maka,

Diameter ekuivalennya adalah:
A = Л/4 dek2 = 0,145
dek = 0,43 in = 10.92 mm sehingga,


*Faktor modifikasi pengaruh ukuran:
Csize = 1,189 d-0,097 = 1,189 (10,92)-0,097 = 0,94

*Faktor modifikasi pengaruh pembebanan adalah 1
karena pembebanan berupa lentur atau bending.
Karena kekasaran permukaannya = 24 μin, maka
sesuai dengan Gambar 2.15 dapat diketahui;
*Faktor modifikasi pengaruh kekasaran permukaan
yaitu sebesar = 0,75

Dengan demikian batas lelah setelah
memperhitungkan faktor-faktor modifikasinya
adalah:
S’e=Se.Csize.CLoad.Csurf finish=100 . 0,94 . 1 . 0,75= 70,5
ksi


Maka tegangan yang diijinkan bekerja pada pegas
tersebut:
σa / Se + σm / Su = 1

Untuk pembebanan zero to max atau R=0 maka,
σa = σm = σmax / 2 = σ sehingga,
σ / Se + σ / Su = 1
σ / 70,5 + σ / 232 = 1 maka,
σ = 54 ksi sehingga,
σmax = 108 ksi

Untuk kondisi A, pegas tersebut dapat bekerja dengan umur
tak berhingga dengan siklus tegangan antara 0 ÷ 108 ksi.
(aktualnya adalah antara 0 ÷ 100 ksi, dengan demikian
perhitungan diatas memiliki faktor kesalahan: 8 %).
46

•Untuk kondisi B:

Kekuatan:
Se = 100 ksi (BHN > 400) dan,
Su = 0,5 BHN = 0,5 . 475 = 238 ksi
Karena kekasaran permukaannya = 125 μin, maka
sesuai dengan Gambar. 23 dapat diketahui;

*Faktor modifikasi pengaruh kekasaran permukaan
yaitu sebesar = 0,58

Dengan demikian batas lelah setelah
memperhitungkan faktor-faktor modifikasinya
adalah:
S’e=Se.Csize.CLoad.Csurf finish=100 . 0,94 . 1 . 0,58= 54,5
ksi
47

Karena pengaruh tegangan sisa dipermukaan sebesar
-80 maka:
σa / Se + σm / Su = 1 dan,
σa = σm = σmax / 2 = σ sehingga,
σ / Se + {(σ-80) / Su} = 1
σ / 54,5 + {(σ-80) / 238} = 1 maka,
σ = 59,3 ksi sehingga,
σmax = 118,6 ksi

Untuk kodisi B, pegas tersebut dapat bekerja dengan umur tak
berhingga dengan siklus tegangan antara 0÷118,6 ksi.
(aktualnya adalah antara 0÷140 ksi, dengan demikian
perhitungan diatas memiliki faktor kesalahan: 15 %).

48

2.3 Pengaruh Proses Pengerjaan

Pada dasarnya setiap ketidakkontinyuan dan
ketidakseragaman pada material akan berpengaruh
langsung terhadap penjalaran retak lelah atau
ketahanan lelah material, ketidakkontinyuan ini
dapat berupa takikan dari geometri komponen
ataupun berupa retakan dan rongga sebagai akibat
suatu proses pengerjaan. Selain itu
ketidakseragaman yang berupa ketidakmohogenan
struktur ataupun berupa segregasi dari suatu
proses pengerjaan akan sangat berpengaruh pula
terhadap ketahanan lelah material.


2.3.1 Pengaruh Proses Pengecoran

Hal-hal yang berpengaruh terhadap ketahanan lelah logam
sebagai akibat negatif dari proses pengecoran adalah:
• Segregasi (terutama segregasi makro)
• Cacat rongga
• Porositas
• Retak panas
• Terak, slag atau inklusi
• dan lain-lain

Gambar. 2.21 Cacat-cacat coran.

50

2.3.2 Pengaruh Proses Pembentukan

Logam hasil proses pembentukan akan memiliki
batas lelah yang lebih tinggi dari benda coran, namun
cacat-cacat dari suatu proses pembentukan akan
sangat merugikan pula terhadap batas lelah logam
yang dihasilkan. Cacat-cacat tersebut antara lain:
•Cacat laps atau seams (berupa lipatan) pada
permukaan produk tempa atau roll.
•Oksida yang terjebak pada lipatan di permukaan
produk tempa atau roll.
•Permukaan yang kasar.
•dan lain-lain.


Pada Gambar 2.22, Tabel 2.4 dan Gambar 2.23
ditunjukkan pengaruh proses pembentukan
terhadap ketahanan lelah baja, dan pada Gambar
2.24 ditunjukkan pula pengaruh anisotrop yang
dihasilkan dari proses pembentukan logam serta
Gambar 2.25 memperlihatkan jenis-jenis cacat
proses pembentukan.

Gambar. 2.22 Pengaruh pengerolan dingin

52

Tabel. 2.6 Kekuatan lelah pada 105
siklus dari baut baja AISI 8635

penempaan terhadap batas lelah
baja.

53

anisotrop terhadap ketahanan
patah.

Gambar. 2.25 Cacat-cacat proses
tempa dan ekstrusi.

54

2.3.2 Pengaruh Proses Pengelasan

Proses pengelasan melibatkan pencairan dan
pembekuan, maka segala jenis cacat-cacat coran
dapat terjadi didaerah logam las. Sedangkan
daerah terpengaruh panas (Heat Affected Zone)
dapat terjadi perubahan struktur mikro yang
menghasilkan fasa getas dan butir kasar, hal ini
akan sangat merugikan ketahanan lelah
sambungan lasan disamping adanya tegangan sisa
tarik pada daerah tersebut. Pada Gambar 2.26
ditunjukkan jenis-jenis cacat lasan.


Gambar. 2.26 Cacat-cacat lasan.
56

2.3.3 Pengaruh Proses Pemesinan

Kondisi permukaan logam sangat berpengaruh
terhadap umur lelahnya, permukaan yang kasar
merupakan tempat yang tegangan lokalnya tinggi
sehingga dapat menjadi lokasi awal retak lelah.
Dengan demikian proses pemesinan yang
menentukan kekasaran permukaan logam akan
menentukan pula terhadap ketahanan lelahnya
disamping timbulnya tegangan sisa sebagai akibat
deformasi plastis pada saat pembentukan geram
dalam operasi pemesinan tersebut (Gambar. 2.27),
bahkan jika tegangan sisa tarik muncul yang cukup
besar seperti dalam proses penggerindaan yang
cukup berat, dapat menimbulkan retak rambut
(Gambar 2.28).
57

Gambar. 2.27 Pengaruh proses
penggerindaan terhadap kurva S-N
baja.

Gambar. 2.28 Cacat-cacat proses
pemesinan.

58

2.3.5 Pengaruh Proses Perlakuan Panas

Pengaruh dari proses perlakuan panas yang dapat menurunkan
kekuatan lelah adalah:
•Over heating yang menyebabkan butir kasar.
•Over heating yang menyebabkan pencairan fasa bertitik cair
rendah.
•Retak quench.
•Tegangan sisa
•Dekarburisasi (Tabel 2.7).
•dan lain-lain.

Tabel. 2.7 Pengaruh
dekarburisasi terhadap batas
lelah.

59

2.4 Pengaruh Temperatur Operasi

Pada temperatur tinggi, kekuatan logam akan
menurun sehingga deformasi plastis akan lebih
mudah terjadi dan batas lelah menjadi tidak jelas
(hilang) yang disebabkan oleh karena pengaruh
mobilitas dislokasi (lihat Gambar 2.29).

Room
Temperature
Gambar 2.29. Pengaruh temperatur
terhadap batas lelah baja.

High
Temperature
(750oC)

60

2.5 Pengaruh Kondisi Lingkungan

Kondisi lingkungan yang korosif akan menyerang
permukaan logam dan menghasilkan lapisan oksida
atau produk korosi. Umumnya oksida adalah sebagai
lapis lindung dan dapat mencegah kerusakan korosi
selanjutnya, tetapi pembebanan siklik dapat
menyebabkan pecahnya lapisan tersebut dan
kerusakan korosi berikutnya sehingga timbul korosi
sumuran yang berfungsi sebagai takikan. Hal itulah
yang menyebabkan penurunan kekuatan lelah,
pengaruh lingkungan korosif ini menurunkan
kekuatan lelah logam hingga 10 % serta dapat
menyebabkan batas lelah menjadi tidak jelas (hilang)
seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.30, 2.31 dan
Tabel 2.8 dan 2.9 berikut ini.
61

Gambar 2.30. Pengaruh lingkungan

Gambar 2.31. Pengaruh
kekuatan tarik terhadap korosi-
lelah berbagai jenis baja.

62

Tabel. 2.8 Kekuatan lelah baja pada beberapa kondisi lingkungan.

Tabel. 2.9 Pengaruh perlakuan permukaan terhadap korosi-lelah baja.

63

Gambar. 2.32 Pengaruh lingkungan dan variabel metalurgis lainnya terhadap
batas lelah.


Tugas:

2.1 Batang silinder berdiameter 2,5 in dan memiliki
kekasaran permukaan 125 μ in terbuat dari bahan
baja AISI 1035 dengan kekuatan tarik, Su = 92 Ksi.
Tentukanlah beban yang akan menghasilkan umur
tak berhingga untuk kondisi: pembebanan aksial
bolak-balik (R=-1) dan pembebanan puntir bolak-
balik (R=-1).
2.2 Gambarlah grafik hubungan antara kekuatan
lelah, Se dengan kekuatan tarik, Su dengan berbagai
kondisi permukaan hasil perlakuan proses: Hot
Rolling, Machining, Forging dan Poleshing.
(Gunakanlah Gambar. 2.14).


2.3 Suatu baja paduan memiliki kekuatan tarik, Su =
100 ksi. Baja tersebut diproses shot peening sehingga
menghasilkan tegangan sisa -50 ksi yang
menyebabkan peningkatan kekerasan dari 200 BHN
menjadi 250 BHN serta peningkatan kekasaran
permukaan dari 5 menjadi 50 μ in. Estimasilah
kekuatan lelah baja tersebut sebelum dan setelah
perlakuan shot peening.
2.4 Poros baja kondisi A hasil proses pemesinan akan
diganti oleh poros baja kondisi B hasil proses forging.
Tentukanlah diameter dari poros pengganti tersebut
yang akan dipakai pada pembebanan puntir bolak-
balik yang menghasilkan umur 106 siklus.
Poros A: Su = 80 Ksi
Surface finish, AA = 125 μ in (machined)
Diameter = 1,5 in
Poros B: Su = 90 Ksi
66
Surface finish, AA = as forged

2-Aspek Metalurgis Thd Kelelahan Logam (AA)

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Viewers also liked

Viewers also liked (6)

Similar to 2-Aspek Metalurgis Thd Kelelahan Logam (AA)

Similar to 2-Aspek Metalurgis Thd Kelelahan Logam (AA) (20)

More from Abrianto Akuan

More from Abrianto Akuan (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (20)

2-Aspek Metalurgis Thd Kelelahan Logam (AA)