Kelelahan material (fatigue)

Fatigue atau kelelahan merupakan kerusakan material yang disebabkan oleh pembebanan yang berulang – ulang dalam waktu yang lama. Apabila suatu logam diberi beban secara berulang (tegangan atau regangan), maka logam tersebut akan patah. Kerusakan akibat beban berulang ini disebut patah lelah (fatigue failures), umumnya hal ini terjadi setelah pemakaian material yang cukup lama. Kerusakan ini terjadi tanpa peringatan terlebih dahulu, secara tiba – tiba, dan menyeluruh. Lebih dari 90% penyebab kegagalan mekanik disebabkan oleh patah lelah. Terdapat 3 fase dalam perpatahan fatigue, yaitu:

  1. Permulaan retak (initiation crack)
  2. Penyebaran retak (crack propagation)
  3. Perpatahan akhir (fracture failure)
Fase perpatahan fatigue. Sumber: PT. Hesa Laras Cemerlang

Proses dari permulaan retak umumnya terjadi di permukaan material yang lemah atau daerah dimana terjadi konsentrasi tegangan di permukaan, seperti goresan, notch, lubang, dll, akibat adanya pembebanan berulang. Selanjutnya, permulaan retak ini berkembang menjadi microcracks, perambatan atau perpaduan microcracks ini kemudian membentuk macrocracks yang akan berujung pada failure. Maka setelah itu, material akan mengalami perpatahan akhir, hal ini dikarenakan material telah mengalami siklus tegangan dan regangan yang menghasilkan kerusakan permanen.

Pada dasarnya kegagalan fatigue dimulai dengan terjadinya retakan pada permukaan material. Hal ini membuktikan bahwa sifat – sifat fatigue sangat peka terhadap kondisi permukaan, yang dipengaruhi oleh beberapa faktor, antara lain kekasaran permukaan, perubahan sifat – sifat permukaan, dan tegangan sisa permukaan. Oleh karena itu, batas ketahanan (endurance limit) sangat tergantung pada kualitas penyelesaian permukaan. Perlakuan permukaan dapat merubah kondisi permukaan dan tegangan sisa di permukaan. Perlakuan permukaan yang menghasilkan tegangan sisa tekan akan mengakibatkan ketahanan lelah meningkat, sedangkan perlakuan permukaan yang menghasilkan tegangan sisa tarik akan menurunkan ketahanan fatigue-nya.

Pada permukaan material terjadi konsentrasi tegangan tekan atau tarik yang paling tinggi. Jika kondisi permukaan sedang menerima tegangan tarik maka tegangan sisa tekan pada permukaan akan menghasilkan resultan tegangan tekan yang semakin besar. Tegangan tekan akan menghambat terjadinya initiation crack, sehingga ketahanan lelah meningkat, dan akan terjadi sebaliknya apabila terjadi tegangan sisa tarik di permukaan. Lokasi awal retak pada komponen atau logam yang mengalami pembebanan dinamis atau siklik adalah pada titik daerah yang memiliki kekuatan yang paling minimum dan atau pada titik daerah yang mengalami tegangan paling maksimum.

Kegagalan komponen atau struktur dapat dibedakan menjadi dua kategori utama. Pertama, kegagalan quasi statik (kegagalan yang tidak tergantung pada waktu, dan ketahanan terhadap kegagalannya dinyatakan dengan kekuatan). Kedua, kegagalan yang tergantung pada waktu (ketahanan terhadap kegagalannya dinyatakan dengan umur atau life time). Kelelahan logam (patah lelah) termasuk dalam kegagalan yang tergantung pada waktu.

Faktor – faktor yang mempengaruhi kelelahan logam:

  1. Pembebanan
    • Jenis beban: uniaksial, lentur, puntir
    • Pola beban: periodik, random
    • Besar beban (besar tegangan)
    • Frekuensi siklus beban
  2. Kondisi material (ukuran butir, kekuatan, penguatan dengan larutan padat, penguatan dengan fasa ke-dua, penguatan regangan, struktur mikro, kondisi permukaan (surface finish), ukuran komponen)
  3. Proses pengerjaan (proses pengecoran, proses pembentukan, proses pengelasan, proses pemesinan, proses perlakuan panas)
  4. Temperatur operasi
  5. Kondisi lingkungan
Permukaan retak fatigue. Sumber: Ewing & Humfrey (1903)

Kontributor: Feri Wijanarko

By Caesar Wiratama

aeroengineering services merupakan layanan dibawah CV. Markom dengan solusi terutama CFD/FEA.

Author: Caesar Wiratama

caesar@aeroengineering.co.id +62 821-3868-4162

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *