Menguasai Batas Kelelahan: Bagaimana Material Menahan Siklus Stres Tak Terbatas

Tingkat stres di bawahnya jumlah siklus beban yang tidak terbatas dapat diberikan pada material tanpa menginduksi kegagalan kelelahan dikenal sebagai batas kelelahan atau batas daya tahan. Aluminium dan tembaga, di sisi lain, tidak, dan akhirnya gagal bahkan dari amplitudo stres kecil. Beberapa logam, seperti logam ferrous dan logam titanium, memiliki batas yang jelas.

Istilah “kekuatan kelelahan” atau “daya tahan kelelahan” digunakan ketika material tidak memiliki batas yang jelas dan didefinisikan sebagai jumlah tertinggi stres bengkok sepenuhnya terbalik yang dapat ditahan material untuk jumlah siklus tertentu sebelum gagal dari kelelahan.

Siklus stres, stres residu, karakteristik material, cacat internal, ukuran butir, suhu, geometri desain, kualitas permukaan, oksidasi, korosi, dll. semuanya memiliki dampak pada umur kelelahan. Ada nilai amplitudo stres teoretis untuk beberapa material, paling tidak steel dan titanium, di bawahnya material tidak akan gagal untuk jumlah siklus manapun. Nilai ini dikenal sebagai batas kelelahan, batas daya tahan, atau kekuatan kelelahan.

Dalam artikel ini, pertanyaan berikut akan dibahas:

• Apa itu batas kelelahan?
• Siapa yang menemukan batas kelelahan?
• Definisi batas kelelahan
• Apa nilai tipikal untuk batas kelelahan?

Apa itu batas kelelahan?

Tingkat stres di bawahnya jumlah siklus beban yang tidak terbatas dapat diberikan pada material tanpa menginduksi kegagalan kelelahan dikenal sebagai batas kelelahan atau batas daya tahan.

Untuk menghitung umur kelelahan material, insinyur menggunakan berbagai teknik. Pendekatan stres-umur, yang di antara yang paling berguna, sering dikarakterisasi oleh kurva S-N, juga dikenal sebagai kurva Wöhler. Gambar menampilkan teknik ini. Dibuat grafik terhadap umur komponen atau jumlah siklus hingga kegagalan adalah stres yang diterapkan (S) (N).

Umur komponen bertumbuh lambat pada awalnya dan kemudian cukup cepat saat stres menurun dari nilai tinggi. Data yang digunakan untuk memplot kurva akan ditangani secara statistik karena kelelahan, seperti retakan rapuh, memiliki sifat yang sangat bervariasi. Penyimpangan hasil adalah akibat dari sensitivitas kelelahan terhadap beberapa parameter tes dan material yang sulit untuk diatur dengan baik.

Siklus stres, stres residu, karakteristik material, cacat internal, ukuran butir, suhu, geometri desain, kualitas permukaan, oksidasi, korosi, dll. semuanya memiliki dampak pada umur kelelahan. Ada nilai amplitudo stres teoretis untuk beberapa material, paling tidak steel dan titanium, di bawahnya material tidak akan gagal untuk jumlah siklus manapun. Nilai ini dikenal sebagai batas kelelahan, batas daya tahan, atau kekuatan kelelahan.

Siapa yang menemukan batas kelelahan?

August Wöhler pertama kali mengusulkan ide batas daya tahan pada tahun 1870. Namun, studi terbaru berpendapat bahwa tidak ada batas daya tahan untuk material logam dan bahwa, dengan cukup banyak siklus stres, bahkan stres terendah akan akhirnya menghasilkan kegagalan kelelahan.

Definisi batas kelelahan

Istilah berikut didefinisikan untuk kurva S-N:

Batas kelelahan

Tingkat stres di bawahnya kegagalan kelelahan tidak terjadi dikenal sebagai batas kelelahan (kadang disebut sebagai batas daya tahan). Hanya beberapa logam titanium dan logam ferrous (berbasis besi) yang dapat mencapai batas ini karena kurva S–N untuk material ini menjadi horizontal pada nilai N yang lebih tinggi. Logam struktural lainnya, seperti aluminium dan tembaga, tidak memiliki titik kegagalan yang jelas dan secara bertahap luntur bahkan di bawah stres ringan. Batas standar untuk steel berkisar dari 290 MPa hingga 1/2 kekuatan tarik ultimatif (42 ksi).

Kekuatan kelelahan

Menurut ASTM, kekuatan kelelahan, atau SNf, adalah tingkat stres di mana kegagalan terjadi setelah jumlah siklus yang ditentukan (misalnya, 10^7 siklus). Sebagai contoh, legas titanium Ti-6Al-4V yang dianil mempunyai kekuatan kelelahan sekitar 240 MPa pada 10^7 siklus dan faktor konsentrasi stres = 3,3.

Umur kelelahan

Perilaku kelelahan material didefinisikan oleh umur kelelahannya. Menurut plot S–N, ini adalah jumlah siklus yang diperlukan untuk kegagalan terjadi pada tingkat stres tertentu.

Ada tiga langkah yang berbeda yang terdiri dari proses kegagalan kelelahan:

Pembentukan retakan terjadi saat retakan kecil berkembang pada lokasi di mana ada konsentrasi tegangan tinggi. Propagasi retakan, di mana setiap siklus stres menyebabkan retakan bergerak maju sedikit. Fase pertumbuhan retakan seringkali menghabiskan mayoritas umur kelelahan. Setelah retakan yang berkembang mencapai ukuran krusial, kegagalan ultimatif terjadi sangat cepat.

Pada suatu titik konsentrasi stres pada permukaan komponen, retakan yang terkait dengan kegagalan kelelahan hampir selalu dimulai (atau “nukleasi”). Setiap faktor yang meningkatkan konsentrasi stres dan kemunculan retakan akan memendekkan umur kelelahan. Akibatnya, umur kelelahan ditingkatkan dengan memoles daripada menggiling hingga tingkat finishing permukaan yang lebih tinggi. Umur kelelahan komponen logam juga akan ditingkatkan dengan memperkuat dan mengeras lapisan permukaan.

Tonton video di bawah ini untuk mempelajari lebih lanjut tentang batas kelelahan:

Apa nilai tipikal untuk batas kelelahan?

Batas (Se) untuk steel biasanya berkisar dari 290 MPa hingga setengah dari kekuatan tarik ultimatif (42 ksi). (Se) biasanya 0,4 kali kekuatan tarik ultimatif untuk legas yang terbuat dari besi, aluminium, dan tembaga.

Nilai maksimum biasanya untuk tembaga adalah 97 MPa, aluminium 130 MPa (19 ksi), dan besi 170 MPa (24 ksi) (14 ksi). Perhatikan bahwa nilai ini berlaku untuk spesimen tes yang halus dan “tidak bergerigi.” Untuk spesimen dengan gerigi, batas daya tahan jauh lebih rendah.

Batas kelelahan untuk material polimer telah terbukti mewakili ketawalan inheren dari ikatan kovalen yang harus terputus untuk memperpanjang retakan. Saat beban dipertahankan di bawah kekuatan inheren, polimer dapat berjalan selamanya tanpa terbentuk retakan selama proses termo kimia lainnya tidak mengganggu rantai polimer.

Ringkasan

Untuk menghitung umur kelelahan material, insinyur menggunakan berbagai teknik. Pendekatan stres-umur, yang di antara yang paling berguna, sering dikarakterisasi oleh kurva S-N, juga dikenal sebagai kurva Wöhler. Gambar menampilkan teknik ini. Dibuat grafik terhadap umur komponen atau jumlah siklus hingga kegagalan adalah stres yang diterapkan (S) (N).

Tingkat stres di bawahnya jumlah siklus beban yang tidak terbatas dapat diberikan pada material tanpa menginduksi kegagalan kelelahan dikenal sebagai batas kelelahan atau batas daya tahan. Itu semua untuk artikel ini, di mana pertanyaan berikut dijawab:

• Apa itu batas kelelahan?
• Siapa yang menemukan batas kelelahan?
• Definisi batas kelelahan
• Apa nilai tipikal untuk batas kelelahan?

Saya harap Anda banyak belajar dari pembacaan ini, jika demikian, silakan bagikan dengan orang lain. Terima kasih telah membaca, jumpa lagi!