3. Batas Kelelahan Logam Konsep S-N (AA)

abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI
1

Sesi Metode
Pokok Bahasan Hasil Pembelajaran Penilaian Hasil Pembelajaran
Ke- Penilaian

Mahasiswa mampu menjelaskan
Karakteristik Mahasiswa mengetahui dan memahami
01 karakteristik dari patah lelah yang
kelelahan logam kegagalan patah lelah pada komponen 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 mampu menjelaskan batas
Mahasiswa mengetahui dan memahami batas
03 batas lelah logam kelelahan logam serta cara
kelelahan logam serta cara menentukannya.
menentukannya.
Mahasiswa mampu menghitung
Mahasiswa mengetahui dan memahami
tegangan yang bekerja pada komponen
hubungan antara tegangan (S) yang bekerja
04 Konsep S-N logam serta mampu memprediksi
pada komponen logam dengan umur (N)
umur komponen tersebut berdasarkan ჱ Tugas
komponen tersebut.
Konsep S-N.
ჱ UTS
Mahasiswa mampu menghitung ჱ UAS
Mahasiswa mengetahui dan memahami
tegangan dan regangan yang bekerja
hubungan antara regangan () yang bekerja
05 Konsep -N pada komponen logam serta mampu
pada komponen logam dengan umur (N)
memprediksi umur komponen tersebut
komponen tersebut.
berdasarkan konsep -N.

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

Mahasiswa mampu menjelaskan dan
Penjalaran retak Mahasiswa mengetahui dan memahami konsep penjalaran retak lelah serta
07
lelah konsep penjalaran retak lelah. mampu memprediksi umur lelah
berdasarkan konsep tersebut. 2

Konsep tegangan-siklus (S-N) merupakan pendekatan
pertama untuk memahami fenomena kelelahan
logam. Konsep ini secara luas dipergunakan dalam
aplikasi perancangan material dimana tegangan yang
terjadi dalam daerah elastik dan umur lelah cukup
panjang. Metoda S-N ini tidak dapat dipakai dalam
kondisi sebaliknya (tegangan dalam daerah plastis
dan umur lelah relatif pendek), hal ini dapat dilihat
pada Gambar 3.1. Umur lelah yang diperhitungkan
dalam metoda S-N ini adalah umur lelah tahap I
(inisiasi retak lelah) dan umur lelah II (propagasi
retakan).

3

HCF Total = Elastic and Plastic

Elastic
LCF Plastic

LCF atau PCS HCF atau ECS

HCS=High Cycles Stress/Strain LCF=Low Cycles Fatigue
LCS=Low Cycles Stress/Strain PCS=Plastic Cycles Strain
HCF=High Cycles Fatigue ECS=Elastic Cycles Strain

Gambar. 3.1 Pembagian daerah umur lelah dalam kurva S-N.
4

Batas daerah pada Gambar 41 tersebut diatas adalah
antara 10÷105 tergantung jenis materialnya (baja:
±104 siklus).

Dasar dari metoda S-N ini adalah diagram Wohler
atau diagram S-N yang secara experimen didapat dari
pengujian lelah lentur putar dengan tegangan yang
bekerja berfluktuasi secara sinusiodal antara
tegangan tarik dan tekan, sebagai contoh adalah pada
pengujian R.R Moore dengan 4 titik pembebanan pada
frekwensi 1750 rpm terhadap spesimen silindris
berdiameter 0,25÷0,3 in. Kurva hasil pengujian ini
ditunjukkan pada Gambar 3.2, 3.3 dan 3.4 berikut ini.

5

Gambar. 3.2 Kurva S-N
baja AISI 1045.

Gambar. 3.3 Kurva S-
N aluminium 2024-T4.

6

Gambar. 3.4 Kurva S-N beberapa baja yang diplot
dalam rasio Se/Su.

abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI 7

Kekuatan lelah atau batas lelah (endurance
limit), Se adalah tegangan yang memberikan
umur tak berhingga. Sebagai Contoh pada
nilai batas lelah baja AISI 1045 seperti yang
ditunjukkan pada Gambar 3.2 diatas yaitu
sebesar 50 ksi. Kebanyakan jenis baja dengan
kekuatan tarik dibawah 200 ksi memiliki nilai
batas lelah sebesar 0,5 dari kekuatan
tariknya, hal ini ditunjukkan pada Gambar 2.7
dan Gambar 3.4 diatas.


Tegangan dibawah batas lelah akan menyebabkan
logam aman terhadap kelelahan, hal ini disebabkan
karena gerakan dislokasinya akan terhambat oleh
atom-atom asing interstisi sehingga tidak akan
menghasilkan PSB (Presistant Slip Band). Batas lelah
logam-logam BCC (Body Centered Cubic) akan tidak
jelas sehingga kurvanya menjadi kontinyu jika
mengalami kondisi sebagai berikut:

Over load periodik (sehingga dislokasi mengalami
unlock atau unpin).
Lingkungan yang korosif.
Temperatur tinggi (sehingga mobilitas dislokasi
tinggi).


Pada logam-logam FCC (Face centered Cubic), batas
lelahnya tidak jelas atau kurvanya kontinyu (Gambar
3.5), sehingga kekuatan lelahnya ditentukan dari nilai
tegangan yang memberikan umur: 5X108 siklus.

BCC Metals

FCC Metals

Gambar. 3.5 Perbandingan kurva S-
N pada logam BCC dan FCC.
10

Kurva S-N baja dapat diestimasi dari rasio kelelahan
seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.7 dan 3.4
yaitu ditunjukkan pada Gambar 3.6 berikut ini.

Gambar. 3.6 Estimasi kurva S-N untuk Baja.
11

Hubungan tegangan siklik, S dan umur lelah, N
(siklus):
S = 10C Nb (untuk: 103 < N < 106) (3.1)
atau:
N = 10-C/b S1/b (untuk: 103 < N < 106) (3.2)

Eksponen C dan b ditentukan sebagai berikut:
b = - 1/3 log (S1000/Se) (3.3)
C = log {(S1000)2/Se} (3.4)


Batas lelah:
Se = 0,5 Su (Su ≤ 200 ksi atau 1379 Mpa)
(3.5)
Se = 0,25 BHN (BHN ≤ 400) (3.6)
Se = 100 ksi atau 689,5 Mpa (3.7)
(Su > 200 ksi atau 1379 Mpa)

Tegangan siklik yang menghasilkan umur 1000 siklus:
S1000 = 0,9 Su (3.8)

Estimasi hubungan S-N (untuk: 103 < N < 106)
adalah:
S = 1,62 Su N-0,085 (3.9)
atau
S = 0,81 BHN N-0,085 (3.10)

Berdasarkan persamaan garis lurus
(Y=mX+C) dari Gambar 3.6 diatas, estimasi
hubungan S-N (untuk: 103 < N < 106 atau
Se<S<S1000) adalah:

S=-[(S1000 – Se)/(106 – 103)] N + S1000
=-(S1000 – Se) 10-6 N + S1000
=-(0,9 Su – 0,5 Su) 10-6 N + 0,9 Su
=-0,4 Su 10-6 N + 0,9 Su
=Su (0,9 – 0,4 10-6 N)

S/Su=k=0,9 – 0,4 10-6 N
0,4 10-6 N = 0,9 – k
14

maka:

N = [(0,9-k)/0,4] 106 (3.11)

Untuk N>106 siklus:
Sa/Sb = (Nb/Na)R (3.12)

dimana:
Sa = Kekuatan lelah pada umur Na
Sb = Kekuatan lelah pada umur Nb
Na = Umur lelah pada kekuatan lelah Sa
Nb = Umur lelah pada kekuatan lelah Sb
R = Rasio tegangan = σmin / σmax

15

Pada tegangan siklik, S atau SN sebesar tegangan
patah sebenarnya, σf maka umur lelah adalah
sebesar 1 atau ¼ siklus.

Hubungan tegangan maksimum, σmax dengan batas
lelah dan kekuatan tarik, dapat dirumuskan sebagai
berikut:

σmax = (2 Se Su) / {Se + Su + R (Se – Su)} (3.13)


Contoh Soal 3.1:

Suatu komponen baja dengan Su = 150 ksi
dan Se = 60 ksi mengalami pembebanan siklik
dengan tegangan maksimum 110 ksi dan
tegangan minimum 10 ksi. Dengan
menggunakan persamaan Goodman, tentukan
umur komponen baja tersebut.

Jawab:
σmax = 110 Ksi
σmin = 10 Ksi
σa = ( 110 – 10 ) : 2 = 50 Ksi
σm = (110 + 10 ) : 2 = 60 Ksi
17

dari persamaan Goodman:
σa /Se + σm /Su = 1
σa /SN + σm /Su = 1
50/SN + 60/150 = 1
SN = 83 Ksi

Jika diplot pada Diagram haigh:
σa

S1000=0,9Su=110

83
Se=0,5Su=60

σm
60 Su=150

18

Maka umur komponen akan berada pada siklus antara
103 ÷ 106 dengan nilai tegangan siklik sebesar 83 Ksi.

Jika diplot pada Diagram S-N:

S (Ksi)

110

83

60

N (siklus)
103 106

19

dapat dihitung berdasarkan persamaan
S-N:

S = 1,62 . Su . N-0,085
83 = 1,62 . 150 . N-0,085
N = 3,1 . 105 Siklus


Contoh Soal 3.2:

Suatu batang komponen baja dengan
kekuatan tarik, Su = 114 Ksi memiliki lebar 1
inch dan tebal ¼ inch dan pada kedua sisinya
terdapat takikan ½ lingkaran dengan radius
1/10 inch.
Tentukan umur lelah komponen tersebut jika
dikenai beban berulang (R=-1) dengan
amplitudo beban 10 Kips.


Jawab.

Penampang sisa, Anet = ¼ . 0,8 = 0,2 in2
Maka:
Snet = P/Anet = 10 Kips / 0,2 in2 = 50 Ksi

Berdasarkan persamaan S-N, sehingga:
S = 1,62 . Su . N-0,085
50 = 1,62 . 114 . N-0,085
N = 4,7 . 106 Siklus


23

3.1 Baja dengan kekuatan tarik, Su = 100 Ksi.
Prediksikanlah tegangan siklik yang diijinkan yang
akan memberikan umur: 103 dan 106 siklus. Ulangi
prediksi tersebut untuk baja dengan kekuatan tarik
220 Ksi. Gambarkan pula skematis kurva S-N nya.

3.2 Estimasikanlah kekerasan minimum (BHN) dari
baja yang akan dipakai sebagai suatu komponen
yang mendapat tegangan siklik ± 100 Ksi dan harus
berumur 500.000 siklus.

3.3 Estimasikanlah umur lelah (dalam siklus) yang
direncanakan terhadap komponen: batang torak pada
mesin otomotif, handle rem sepeda motor dan engsel
pintu. Berikanlah penjelasannya.

24

3.4 Suatu baja dengan kekuatan tarik, Su = 70 Ksi
dan kekuatan lelah, Se = 33 Ksi. Tentukanlah
tegangan maksimum (zero to max, R = 0) yang
memberikan umur lelah: 103 dan 106 siklus.
Gunakanlah persamaan Goodman dalam prediksi
tersebut.

3.5 Suatu komponen mengalami tegangan siklik:
σmax = 75 Ksi dan σmin = -5 Ksi. Jika komponen
tersebut terbuat dari baja dengan kekuatan tarik, Su
= 100 Ksi, prediksikanlah umur lelahnya.

3.6 Pendekatan lain dalam memprediksi umur lelah
adalah dengan persamaan Basquin (1910):
σa = (σf - σm) (2Nf)b

25

dimana:
σf = kekuatan patah sebenarnya (true fracture
strength)
b = eksponen kekuatan lelah
2Nf = umur kegagalan (cycles to failure)

Jika Su = 75 Ksi, σf = 120 Ksi dan b = -0,085.
Tentukanlah tegangan siklik yang diijinkan (σa) yang
dapat bergabung dengan σm sebesar 40 ksi dan
memberikan umur lelah 5.105 siklus. Bandingkan pula
hasilnya jika prediksi dilakukan melalui persamaan
Goodman.

26

3. Batas Kelelahan Logam Konsep S-N (AA)

Recommandé

Recommandé

Contenu connexe

Tendances

Tendances (20)

En vedette

En vedette (10)

Plus de Abrianto Akuan

Plus de Abrianto Akuan (20)

Dernier

Dernier (20)

3. Batas Kelelahan Logam Konsep S-N (AA)