Fatique / Fatik

Definisi

Fatique merupakan bentuk kegagalan yang terjadi pada struktur yang disebabkan oleh tegangan dynamic dan berulang.

Contoh :

Jembatan

Pesawat terbang

Komponen mesin, dll

Kegagalan ini dinamakan fatique karena kejadian ini berlangsung dalam jangka waktu yang lama.

Cyclic Stresses

Bentuk –bentuk tegangan yang menyebabkan fatique adalah :

1. Axial (tension-compression)

2. Flexural (bending)

3. Torsional (twisting)

Tipe fluktuasi (stress – time) pembebanan ada tiga macam, yaitu :

1. Reverse Stress Cycle

Amplitudonya simetris terhadap zero stress level

Contohnya : Besar Maximum tensile stress = Besar Minimum compressive stress

2. Repeated Stress Cycle

Amplitudo besar maximum tensile stress dan besar minimum compressive stress tidak simetris terhadap zero stress level

3. Random Stress Cycle

Stress level bervariasi secara random dalam amplitudo dan frequencynya

Beberapa parameter fluktuasi stress adalah :

1. Mean stress sm

. sm = ½ (smax + smin )

2. Range of Stress

. sr = smax - smin

. sa = ½ sr

3. Stress ratio

. R = (smin / smax )

S-N Curve

Sifat fatik material dapat diketahui dari hasil laboratorium test simulasi. Pengujian fatik biasanya mengikuti ASTM Standard E 466. Proses pengujian nya mesti di design supaya menghasilkan the service stress conditions diantaranya :

- Stress level

- Time frequency

- Stress pattern,dan lain-lain.

Contoh 1. model pengujian fatik, schematic diagram of rotating –bending.

Cara pengujian fatik adalah sbb:

1. Specimen di beri siklus tegangan dengan besar amplitude maximum hingga 2/3 static tensile strengthnya. Dan saat failure jumlah siklus yang diperlukan dihitung.

2. Proses ini diulangi secara terus menerus dengan dengan mengurangi amplitude tegangan maximumnya.

3. Datanya kemudian di gambarkan sebagai kurva stress vs logarithmic jumlah cycle yang menunjukkan kegagalan setiap specimen.

4. S menunjukkan stress amplitude sa (biasanya nilai dari smax atau smin)

Contoh Kurva S-N hasil uji fatik material

Fatique limite : (endurance limits)

Merupakan nilai batas fatique failure material tidak akan terjadi

Contohnya :(seperti gbr diatas)

Steels biasanya memiliki nilai fatique limits dalam daerah 35 hingga 60% dari tensile strengthnya.

Non ferros alloy (alumunium, copper, magnesium) tidak memiliki fatique limits sehingga fatik akan terjadi tergantung pada nilai tegangannya. Yang dikenal dengan fatique strength.

Fatique strength didefinisikan sebagai level stress dimana failure akan mulai terjadi setelah sejumlah cycle pembebanan.

Fatique life (Nf) didefinisikan Jumlah siklus yang menyebabkan kegagalan pada suatu material.

Contoh S-N Curve tentang fatique strength dan fatique life

Fatique in Polymeric Materials

Polymer juga mengalami kegagalan akibat fatik dengan besar stress levelnya relative lebih rendah dibandingkan yield strengthnya. Perilaku Fatique polymer adalah lebih sensitive terhadap frequency pembebanan dibandingkan metal, siklus polymer saat saat frequency tinggi atau tegangan yang tinggi dapat menyebabkan local heating, sehingga menjadi lebih lunak.

Contoh fatique S-N curve pada beberapa polymer

Crack initiation and propagation

Proses kegagalan fatik terjadi dalam tiga tahap, yaitu :

1. Crack initiation

2. Crack propagation

3. Final failure

Fatique life, Nf merupakan penjumlahan dari crack initiation, Ni dan crack propagation, Np.

Nf = Ni + Np

Kontribusi dari tahap final failure, pada total fatique life sebenarnya tidak signifikan saat final failure terjadi secara cepat. Sedangkan proporsi dari crack initiation dan crack propagation tergantung pada material dan kondisi pengujian, yaitu :

1. Pada low stress levels ( High – cycle fatique )

Porsi terbesar dari fatique life di ditentukan oleh crack initiation.

2. Pada High stress levels ( Low – cycle fatique )

Porsi terbesarnya ditentukan oleh crack propagation. ( Np > Ni )

Crack biasanya terjadi pada permukaan dari komponen yang merupakan pusat dari konsentrasi tegangan. Pembentukan crack bermula pada goresan pada permukaan, fillet yang tajam, keyways, threads, dll. Disamping itu cyclic loading juga bisa menghasilkan microscopis surface discontinuitas hasil dari dislocation slip steps yang juga bisa miningkatkan stress, sehingga menimbulkan initial crack.

Schematic representation showing stages I and II of fatique crack propagation in polycrystalline

Bila inti crack terbentuk maka akan segera tumbuh dengan sangat lambat pada metal polycristaline,ini akan terjadi di sepanjang bidang crystallographic. Tahap ini dinamakan stage I propagation. Tahap ini kemudian kemudian berlanjut dengan stage II propagation, dimana pertambahan panjang crack meningkat secara dramatis, dalam arah yang tegak lurus arah tegangan tariknya. Selama tahap ini proses pertumbuhan crack dengan repetitive crack tip plastic blunting and sharpening, seperti gbr berikut.

Fatique crack propagation mechanism( Stage II )

Daerah permukaan patahan yang terbentuk selama stage II propagation di nyatakan dengan dua type tanda yaitu

1. Beachmarks

2. Striations

Kedua bentuk ini menunjukkkan posisi dari crack tip pada beberapa titik dan muncul sebagai concentric ridges yang berkembang dari crack initiation . bisanya berbentuk circular atau semicircular. Beachmarks ( biasa disebut juga clamshell) bentuknya bisa dilihat dengan mata telanjang.

Tanda ini biasanya muncul pada komponen2 yang di interruption selama stage II. Contahnya adalah mesin – mesin yang dioperasikan selama normal works hours. Masing-masing beachmark band menunjukkan periode waktu dimana crack growth terjadi.

Fatique Striation merupakan fenomena microskopis dan hanya dapat dilihat dengan pengamatan menggunakan SEm atau TEM.

Keberadaan kedua type tanda ini (beachmark dan striation) merupakan tanda failure karena fatique. Sedangan bila tidak ada kedua tanda ini bisa dipastikan failure bukan karena fatique.

Fracture surface of rotating steel shaft that experienced fatique failure. Beachmark are visible in photograph

Transmision Electron Fractograph showing fatique striations in alumunium

Crack Propagation Rate

Tujuan

1. Pengukuran kecepatan pertumbuhan crack adalah diharapkan dapat meminimalkan terjadinya fatique failure.

2. Mengembangkan criteria untuk memprediksi fatique life dengan berdasarkan parameter material dan stress.

Hasil studi tentang crack menunjukkan bahwa usia struktur tergantung pada kecepatan dari pertumbuhan crack. Selama stage II propagation crack tumbuh dari ukuran yang sangat kecil hingga ukuran yang memiliki panjang kritis. Berdasarkan hasil percobaan yang memonitor panjang crack selama cyclic stresses . menunjukkan seperti pada gambar berikut.

Crack length versus the number of cycles at stress levels s1 dan s2 for fatique study

Berdasarkan gbr diatas :

Initial crack length ao untuk kedua jenis pembebanan sama. Kecepatan pertumbuhan crack da/dN yang merupakan slope (gradient) pada beberapa titik dari kurva.

Berdasarkan kurva tersebut :

1. Awalnya growth rate kecil, tetapi meningkat dengan peningkatan ukuran crck length

2. Growth rate meningkat dengan meningkatnya stress level dan untuk panjang crack tertentu (a1 dalam gbr 9.37)

Fatique crack propagation rate selama stage II adalah fungsi bukan saja stress level dan crack size tetapi juga variable materials.

Secara matematis dapat ditulis sebagai berikut :

(da/dN) = A (Δ K)m

Parameter :

A dan m constants for the particular materials, which also depend on environment, frequency, dan stress ratio. (m bernilai dari 1 sd 6 )

ΔK = Kmax – Kmin = Stress intensity factor range at crack tip

crack growth dihentikan atau diabaikan untuk bagian compression dari stress cycle, jika smin adalah compressible maka Kmin dan smin adalah nol. ΔK = Kmax dan Δs =smax

Schematic representation of logarithmic fatique crack propagation rate vs log stress intensity factor range ΔK

Pada daerah dengan label I

(Pada daerah low stress level dan small crack sizes) preexisting crack tidak akan tumbuh akibat cyclic loading.

Pada daerah dengan label III

Crack growth tumbuh dengan cepat sehingga fracture sangat cepat terjadi.

Pada daerah dengan label II

- Merupakan daerah linier

- Konsisten dengan persamaan da/dN = A(ΔK)m

Tujuan dari failure analysis adalah

1. Dapat memprediksi fatique life untuk beberapa komponen

2. Memberikan services constraint (maintenance)

3. Laboratory test data

CONTOH SOAL FATIQUE LIFE PREDICTION

Lembaran steel yang relative besar mengalami tegangan cyclic tarik dan kompresi dengan besar 100 MPa dan 50 MPa. Berdasarkan pengujian diperkirakan bahwa surface crack terbesar adalah 2 . 0 mm. (2 x 0.001 m). Tenetukan fatique life dari lembaran steel ini jika plane strain fracture toughness adalah 25 MPa√m dan nilai m dan A adalah 3 dan 1.0 x 0.000 000 000 001. Untuk Δs dalam MPa dan a dalam meter. Assumsikan bahwa parameter Y tidak tergantung pada panjang crack dan bernilai 1.0

Jawaban

Pertama hitung panjang kritis crack (critical crack length) ac,

Dan assumsikan tegangannya adalah 100 MPa.

Dimana :

.KIc = 25 MPa√m

.s=100 MPa

.Y = 1

Maka nilai critical crack length nya :

.ac = 0.02 m

Dengan menggunakan atas terbawah, ao = 0.002 m. dan batas atasnya, ac = 0.02 m. Besar Δs = 100 MPa untuk tensile stress dan smin adalah compression.

Maka fatique life Nf nya dapat kita hitung besarnya adalah

Nf =5.49 x 106 cycle

FACTOR – FACTOR YANG MEMPENGARUHI FATIQUE LIFE

Beberapa faktor yang mempengaruhi fatik life adalah:

1. Mean stress level

2. Geometrical design

3. Surface effect

4. Metallurgical variables

5. The environment