FAKTOR-FAKTOR YANG MEMPENGARUHI FATIGUE LIFE

1. Stress Concentration

Pemicu-pemicu terjadinya konsentrasi tegangan seperti fillet, notch, alur pasak, positas, inklusi dan lain-lain akan menyebabkan menurunnya umur fatigue/fatigue life. Pengaruh-pengaruh notchs dapat di evaluasi dengan membandingkan antara data dengan notch dengan data tanpa notch, Untuk menentukan hubungan tegangan siklus untuk spesimen dengan notch, maka diperlukan tegangan nominal (net stress). Perbandingan antara fatigue limit dengan notch dan fatigue limit tanpa notch disebut fatigue norch faktor (Kt).

Atau dari nilai Kt, dapat dihitung notch sensitivitas dengan symbol q

Dimana : Kt = faktor konsentrasi tegangan

Bila kekuatan tarik , radius notch dan ukuran penampang naik, dan bila ukuran butir turun maka nilai Q akan naik. Efek dari radius notch terhadap notch sensitivitas untuk beberapa material ditunjukkan pada Gambar. 4. Efek kekuatan tarik dipengaruhi oleh kekasaran permukaan. Kekuatan tarik yang meningkat akan diikuti oleh ketahanan fatigue yang meningkat.

2. DIMENSI (SIZE)

Bila ukuran spesimen bertambah maka ketahanan fatigue kadang-kadang menurun. Hal ini ada beberapa alasan, Kegagalan akibat fatigue biasanya dimulai dari permukaan. Jadi bila penambahan size dilakukan maka memberikan kemungkinan menimbulkan keberadaan cacat. Akibatnya retak berawal pada cacat tersebut.

3. EFEK PERMUKAAN

Ketahanan fatigue sangat dipengaruhi oleh kondisi permukaan. Kondisi permukaan tersebut adalah sifat permukaan seperti perlakuan permukaan seperti surface hardening dan tegangan sisa permukaan. Efek dari surface finishing atau kekasaran permukaan secara qualitatif juga mempengaruhi ketahanan fatigue suatu material seperti yang ditunjukkan pada Tabel.1.

Perlakuan-perlakuan permukaan yang akan merubah sifat mekanik permukaan juga akan mempengaruhi ketahanan fatigue bahan. Seperti perlakuan ; Elektroplating sering akan menurunkan ketahanan fatigue. Hal ini dapat menimbulkan tegangan tarik sisa pada permukaan akibat proses tersebut, sehingga dapat memicu rerak pada permukaan. Perlakuan lain seperti dekarburisasi dapat mengurangi ketahanan fatigue. Namun sebaliknya proses pengerasan permukaan seperti karburisasi, nitridasi, induksi dan flame hardening dapat meningkatkan ketahanan fatigue.

Tegangan sisa (residual stress) terutamanya tegangan sisa tekan akan memberikan peningkatan ketahanan fatigue. Tegangan sisa ini dapat dikembangkan dengan melakukan deformasi plastis yang tidak seragam pada suatu penampang. Hal ini dapat diterangkan pada Gambar.5.

4. TEGANGAN RATA - RATA (MEAN STRESS)

Tegangan rata-rata (mean stress) juga mempengaruhi ketahanan fatigue. Tegangan ini ditunjukkan dengan amplitudo tegangan yang dinyatakan dengan ratio tegangan R = tegangan min/tegangan maks. Untuk R = -1 artinya amplitudo tegangan tarik sama dengan amplitudo tegangan tekan. Bila nilai R cendrung menjadi positif maka ketahanan fatiguenya menjadi turun. Pengaruh ratio tegangan ditunjukkan pada Gambar.6.

5. FAKTOR METALURGI YANG MEMPENGARUHI KETAHANAN

FATIGUE

Kelelahan bahan /fatigue sangat sensitif terhadap desain struktur. Ada beberapa faktor metalurgi yang berpengaruh terhadap ketahanan fatigue/fatigue life.

· Ukuran butir

Ukuran butir akan mempengaruhi ketahanan fatigue terutama untuk material nonfero dan baja yang dianil. Bila ukuran butir semakin halus maka ketahan fatiguenya akan meningkat. Namun tidak untuk baja yang tanpa notch yang diperlakukan panas, hal ini tidak ada pengaruh.

· Struktur mikro

Perubahan struktur mikro akan mempengaruhi perubahan ketahanan fatigue, hal ini dikarenakan bila terjadi perubahan struktur mikro berarti akan terjadi perubahan fasa pada bahan. Karena bervariasinya fasa-fasa pada material maka akan memberikan perbedaan pengaruh terhadap ketahanan fatigue. Sebagai contoh perlit yang kasar akan memberikan dampak rendah dibandingkan dengan karbida partikel/spheroidal microstructure. Bentuk karbida yang bulat meningkatkan ketahan fatigue, hal ini dikarenakan karbida bulat meiliki efek konsentrasi tegangan yang rendah. Contoh lain pada baja yang di quench yang memiliki sturktur mikro martensit temper akan memilki ketahanan fatigue yang sangat baik dibandingkan strukturmikro campuran seperti martensit- bainit atau ferit.

· Orientasi

Material yang mengalami pengerjaan logam/metal working seperti proses roll akan memiliki orientasi arah butir yang searah dengan arah pengerolan. Jadi dalam hal ini ketahanan fatigue bersifat anisotropic. Ketahanan fatigue akan meningkat bila arah pembebanan searah dengan arah longitudinal atau searah dengan arah pengerolan. Sebaliknya ketahanan fatigue akan rendah bila pembebanan diberikan tegak lurus dengan arah pengerolan.

Fatigue

Fatigue adalah salah satu jenis kerusakan/kegagalan yang diakibatkan oleh beban berulang. Ada 3 fase didalam kerusakan akibat fatigue yaitu ; pengintian retak (crack initiation), perambatan retak (crack propagation) dan patah static (fracture). Formasi dipicu oleh inti retak yang dapat berawal dari lokasi yang paling lemah kemudian terjadi pembebanan bolak balik yang menyebabkan local plastisitas sehingga terjadi perambatan retak hingga mencapai ukuran retak kritis dan akhirnya gagal. Kerusakan jenis ini paling banyak terjadi didunia teknik yaitu kira-kira 90% dari semua kerusakan/kegagalan yang sering terjadi.

Suatu komponen mesin/konstruksi dapat mengalami pembebanan dalam beberapa variasi beban seperti fluktuasi beban, fluktuasi regangan atau fluktuasi temperatur. Bahkan tidak jarang konstruksi mengalam tegangan gabungan maupun kontaminasi dengan lingkungan yang korosif yang tentunya akan menyebabkan suatu konstruksi akan lebih terancam keamanannya.

Tiga siklus umum yang dapat menunjukkan suatu siklus tegangan fatigue yaitu yang pertama adalah fluktuasi tegangan terjadi mulai dari tegangan rata-rata nol dengan amplitude yang konstan. Yang kedua yaitu fluktuasi tegangan dimulai diatas garis rata-rata nol dengan amplitude konstan. Dan yang ketiga fluktuasi tegangan yang acak/random. Tiga siklus tersebut ditunjukan pada Gambar.1

Kerusakan atau kegagalan akibat fatigue berawal pada pengintian retak dengan beban yang bolak balik, yang menyebabkan deformasi plastis local berupa slipyang ditunjukkan dengan terbentuknya intrusi dan ekstrusi sebagai cirri terjadinya slip yang menyebabkan local deformasi. Kejadian ini ditunjukkan pada Gambar 2.

Awal retak terbentuk pada daerah slip. Pertumbuhan retak secara kritalografi terorientasi sepanjang bidang slip dalam jarak yang pendek. Waktu yang pendek tersebut ditunjukkan sebagai pertumbuhan retak tahap pertama. Arah dari pertumbuhan retak secara makroskopik menjadi normal atau tegak lurus terhadap tegangan tarik. Hal ini ditunjukkan sebagai perambatan retak tahap kedua, yang dinyatakan sebagai umur perambatan retak.

Siklus relatif selama pengintian dan perambatan retak bergantung pada tegangan yang dialami. Bila tegangan menjadi naik maka fase pengintian retak menjadi turun. Fatigue dapat dibagi menjadi dua katagori yaitu fatigue siklus tinggi dan siklus rendah. Pada fatigue siklus rendah retak terjadi sangat lama sedangkan pada fatigue siklus tinggi retak terbentuk lebih awal.

Ada perbedaan yang tampak secara visual antara fatigue siklus rendah (high stress) dan fatigue siklus tinggi (low stress). Pada fatigue siklus rendah slip bands yang terbentuk akan lebih kasar sedangkan pada fatigue siklus tinggi slip bends yang terbentuk lebih halus.

KURVA TEGANGAN – SIKLUS ( S – N )

Data fatigue biasanya disajikan dalam kurva tegangan dan siklus, dimana tegangan adalah S dan siklus adalah N. Jumlah siklus adalah siklus mulai dari pengintian retak samapiperambatan retak.

Bila tegangan turun maka jumlah siklus untuk terjadi kegagalan menjadi naik, sedangkan bila tegangan naik maka julmlah siklus menjadi berkurang. Pada baja sebagai ferrous alloy, terdapat batas tegangan dimana kegagalan fatigue tidak terjadi atau terjadi pada siklus yang amat panjang (infinite). Nilai batas tersebut terlihat sebagai suatu aimptotik yang menunjukkan nilai fatigue limit atau endurance limit. Endurance limit adalah tegangan dimana tidak terjadinya kegagalan atau fracture didalam range 10⁷ cycles. Berbeda dengan material nonferrous seperti paduan aluminium dan lainnya tidak memiliki fatigue limit. Untuk melihat perbedaaan antara kedua paduan tersebut dapat ditunjukkan pada Gambar.3.

Dengan memahami karakteristik suatu konstruksi atau komponen mesin yang mengalami fatigue, maka suatu perencanaan atau desain perlu dipertimbangkan dari aspek endurance limit suatu material