Mekanisme Kegagalan Lelah

Hampir semua kegagalan yang terjadi pada mesin-mesin adalah akibat beban dinamik (beban yang berubah-ubah terhadap waktu) dibandingkan akibat beban statik.

Kegagalan ini biasanya terjadi pada level tegangan dibawah yield strength material. Sehingga dengan hanya melakukan desain berdasarkan teori kegagalan statik bias mengakibatkan hasil desain tidak aman atau mengalami kegagalan ketika hasil desain tersebut menerima beban dinamik.

Ada tiga tahap terjadinya kegagalan lelah, yaitu crack initiation, crack propagation, dan fracture secara tiba-tiba akibat pertumbuhan crack yang tidak stabil.

 

• Crack initiation

Pada skala mikroskopik material (logam) ulet (ductile) adalah tidak homogen dan anisotropic sehingga pasti terdapat stress concentration (notched). Ketika ada beban yang berosilasi (beban dinamik) di daerah notch akan menyebabkan local yielding pada daerah tersebut Yielding plastis yang terlokalisasi tersebut menyebabkan distorsi dan membentuk “slip band ” sepanjang batas kristal material. Slip band adalah daerah yang sangat intens mengalami deformasi akibat shear motion. Dengan semakin banyaknya tegangan yang berosilasi maka slip band terus bertambah dan akan bergabung membentuk mikroskopic crack.

Walaupun tidak ada notch mekanisme ini tetap terjadi sepanjang beban dinamik melampaui yield strength di suatu daerah mikroskopik pada material. Keberadaan void atau inclusion membantu terjadinya crack.

Material yang keuletannya lebih rendah cenderung lebih cepat mengalami crack, dengan kata lain material tersebut “more notch sensitivity”. Untuk material getas, mekanisme local yield (crack initiation) tidak terjadi, tetapi langsung ke tahap crack propagation di tempat dimana terdapat void atau inklusi pada material.

• Crack Propagation

Crack yang berujung tajam menimbulkan konsentrasi tegangan yang lebih besar dibandingkan dengan notch, dan daerah plastis

selalu timbul di ujung crack ketika crack terbuka akibat tegangan tarik, yang kemudian menumpulkan crack. Crack yang tumpul mengurangi efektivitas konsentrasi tegangan. Ketika tegangan tarik berubah siklus ke tegangan tekan/ nol/ tegangan tarik yang cukup kecil seperti pada gambar a, b dan c di samping akan menyebabkan crack menutup dan momentarily yielding berhenti dan hal ini menyebabkan crack meruncing kembali tetapi dengan dimensi yang lebih besar. Hal ini terjadi berulang-ulang sepanjang tegangan lokal di ujung crack bersiklus mulai dari bawah tegangan tarik yield (<σ_y) sampai tegangan diatas tegangan tarik yield (>σ_y).

Mekanisme lain penyebab crak propagation adalah korosi. Apabila ada suatu komponen mesin yang terdapat crack di dalamnya berada di lingkunagan korosif maka crack dapat tumbuh ketika menerima beban statik. Kombinasi tegangan dan korosi memiliki efek yang saling bersinergi satu sama lain yang mana material akan cepat terkorosi ketika menerima tegangan dibandingkan material yang tidak menerima tegangan. Kondisi akibat kombinasi tersebut dapat berbentuk stress-corrosion (tegangan yang mempercepat korosi) atau environmentally assisted cracking (lingkungan korosif yang membantu crack propagation).

• Fracture

Pertumbuhan crack pada suatu komponen akibat siklus beban dinamik akan mencapai dimensi tertentu yang cukup besar untuk menimbulkan stress intensity factor, K di ujung crack yang selevel dengan fracture toughness, Kc material sehingga komponen tersebut dapat gagal secara tiba-tiba tanpa adanya peringatan terlebih dahulu pada siklus beban dinamik berikutnya. Mekanisme kegagalan ini sama dengan kondisi dimana K=K_c tercapai dengan adanya mekanisme crack propagation.

Pemeriksaan dengan menggunakan mata telanjang pada komponen yang gagal akibat fatigue menunjukkan suatu pola tertentu. Ada suatu daerah yang dimulai dari tempat dimana awal micocrack terjadi yang mana daerah tersebut kelihatan mengkilap (burnished). Daerah tersebut terpisah dengan daerah yang terlihat pudar/tidak mengkilap dan kasar (dull and rough) dan terlihat seperti patah getas.

Dua contoh kegagalan fatigue:

1. Poros berpasak dengan material baja 1040 mengalami kegagalan akibat beban rotating bending dan crack diawali dari jalur pasak (keyway).
2. Crankshaft pada mesin diesel mengalami kegagalan akibat kombinasi bending dan torsi yang mana crack diawali pada daerah yang ditunjuk panah.

Daerah yang mengkilap adalah daerah crack dan lebih sering memperlihatkan beachmark (disebut beachmark karena mereka menyerupai riak-riak yang tertinggal di pasir laut akibat mundurnya gelombang laut). Beachmark berbeda dengan striation yang mana striation jauh lebih kecil dan tidak dapat dilihat dengan mata telanjang. Beachmark terjadi akibat proses permulaan dan berakhirnya pertumbuhan crack dan beachmark tersebut mengelilingi/ melingkupi suatu daerah yang menjadi awal mula terjadinya crack yang biasanya berupa notch atau internal stress-riser. Kadang-kadang beachmark terlihat kabur (tidak jelas) akibat banyaknya gesekan pada permukaan crack.

Daerah patah getas (brittle failure) yang terlihat kasar dan tidak mengkilap merupakan daerah dimana kegagalan terjadi secara tiba-tiba ketika crack mencapai batas ukurannya dimana K=K_c.

(sumber :Buku Ajar Dasar Perancangan Elemen Mesin” Dhimas Satria. ST. MEng)