Kelelahan pada Baja: Mekanisme Kegagalan, Pengujian & Metode Pencegahan

Definisi dan Konsep Dasar

Kelelahan adalah kerusakan struktural yang progresif, terlokalisasi, dan permanen yang terjadi pada material yang dikenakan tegangan siklik atau berfluktuasi di bawah kekuatan tarik maksimum material. Ini merupakan salah satu mekanisme kegagalan yang paling umum pada komponen baja, menyumbang sekitar 90% dari semua kegagalan layanan mekanis.

Kelelahan pada dasarnya adalah proses degradasi yang bergantung pada waktu di mana pemuatan dan pelepasan berulang menyebabkan inisiasi dan propagasi retakan hingga terjadi patahan akhir. Berbeda dengan mode kegagalan statis, kelelahan dapat menyebabkan kegagalan yang katastrofik pada tingkat tegangan yang jauh di bawah kekuatan luluh material.

Dalam metalurgi, kelelahan menempati posisi kritis di persimpangan sifat mekanik, karakteristik mikrostruktur, dan kondisi layanan. Ini menjembatani kesenjangan antara kekuatan material teoritis dan desain rekayasa praktis, mewakili pertimbangan kunci dalam aplikasi di mana pemuatan siklik hadir.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, kelelahan dimulai dengan deformasi plastis terlokalisasi di daerah konsentrasi tegangan. Deformasi ini menciptakan pita slip yang persisten (PSB) di mana pergerakan dislokasi terjadi sepanjang bidang kristalografi dengan resistensi paling sedikit.

Pemuatan siklik menyebabkan dislokasi terakumulasi di batas butir, inklusi, atau fitur mikrostruktur lainnya, membentuk intrusi dan ekstrusi di permukaan material. Ketidakteraturan permukaan ini bertindak sebagai konsentrator tegangan, yang akhirnya berkembang menjadi mikroretakan yang menyebar melalui material.

Proses kelelahan melibatkan tiga tahap yang berbeda: inisiasi retakan (biasanya di permukaan), propagasi retakan yang stabil (mengikuti Hukum Paris), dan patahan cepat akhir ketika penampang yang tersisa tidak dapat lagi mendukung beban yang diterapkan.

Model Teoretis

Pendekatan hubungan tegangan-hidup (S-N), yang dipelopori oleh August Wöhler pada tahun 1850-an, adalah model sistematis pertama untuk kelelahan. Model empiris ini mengaitkan amplitudo tegangan siklik dengan jumlah siklus hingga kegagalan, menetapkan konsep batas kelelahan untuk material ferrous.

Pemahaman berkembang secara signifikan dengan mekanika patahan elastis linier Irwin pada tahun 1950-an, yang menyediakan kerangka untuk menganalisis propagasi retakan. Pendekatan strain-hidup yang dikembangkan pada tahun 1960-an oleh Coffin dan Manson menangani kelelahan siklus rendah di mana deformasi plastis mendominasi.

Pendekatan modern mencakup model berbasis energi yang mempertimbangkan energi histeresis sebagai parameter kerusakan kelelahan, dan mekanika kerusakan kontinu yang memperlakukan kelelahan sebagai deteriorasi progresif integritas material melalui variabel kerusakan.

Dasar Ilmu Material

Ketahanan kelelahan pada baja sangat dipengaruhi oleh struktur kristal, dengan struktur kubik berpusat badan (BCC) biasanya menunjukkan batas kelelahan yang berbeda sementara struktur kubik berpusat wajah (FCC) menunjukkan kurva kelelahan yang kontinu tanpa batas ketahanan yang jelas.

Batas butir memainkan peran ganda dalam kelelahan: mereka dapat menghambat propagasi retakan dengan memaksa retakan untuk mengubah arah, tetapi mereka juga dapat berfungsi sebagai situs inisiasi karena penumpukan dislokasi dan ketidakcocokan regangan antara butir yang berdekatan.

Kehadiran, morfologi, dan distribusi partikel fase kedua, inklusi, dan presipitat secara signifikan mempengaruhi kinerja kelelahan dengan berfungsi sebagai situs konsentrasi tegangan. Baja bersih dengan inklusi minimal biasanya menunjukkan ketahanan kelelahan yang lebih baik.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Hubungan tegangan-hidup untuk kelelahan siklus tinggi umumnya dinyatakan menggunakan persamaan Basquin:

$\sigma_a = \sigma'_f (2N_f)^b$

Di mana:
- $\sigma_a$ adalah amplitudo tegangan
- $\sigma'_f$ adalah koefisien kekuatan kelelahan
- $N_f$ adalah jumlah siklus hingga kegagalan
- $b$ adalah eksponen kekuatan kelelahan (biasanya antara -0.05 dan -0.12 untuk baja)

Formula Perhitungan Terkait

Untuk kelelahan siklus rendah di mana regangan plastis mendominasi, hubungan Coffin-Manson berlaku:

$\Delta\varepsilon_p = \varepsilon'_f (2N_f)^c$

Di mana:
- $\Delta\varepsilon_p$ adalah amplitudo regangan plastis
- $\varepsilon'_f$ adalah koefisien duktilitas kelelahan
- $c$ adalah eksponen duktilitas kelelahan (biasanya antara -0.5 dan -0.7 untuk baja)

Amplitudo regangan total menggabungkan komponen elastis dan plastis:

$\Delta\varepsilon/2 = \sigma'_f/E (2N_f)^b + \varepsilon'_f (2N_f)^c$

Di mana $E$ adalah modulus elastis.

Kecepatan pertumbuhan retakan selama fase propagasi mengikuti Hukum Paris:

$da/dN = C(\Delta K)^m$

Di mana:
- $da/dN$ adalah kecepatan pertumbuhan retakan per siklus
- $\Delta K$ adalah rentang faktor intensitas tegangan
- $C$ dan $m$ adalah konstanta material

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Model-model ini mengasumsikan perilaku material isotropik dan paling akurat untuk kondisi pemuatan uniaxial. Untuk kelelahan multiaxial, kriteria yang lebih kompleks seperti pendekatan bidang kritis harus diterapkan.

Pendekatan tegangan-hidup berlaku terutama untuk kelelahan siklus tinggi (>10³ siklus) di mana tegangan tetap sebagian besar elastis. Di bawah ambang ini, pendekatan berbasis regangan lebih tepat.

Model-model ini umumnya mengasumsikan pemuatan amplitudo konstan di lingkungan non-korosif. Pemuatan amplitudo variabel memerlukan model kerusakan kumulatif seperti aturan Miner, yang memiliki batasan signifikan dalam memperhitungkan efek urutan beban.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM E466: Praktik Standar untuk Melakukan Uji Kelelahan Axial Amplitudo Konstan yang Dikendalikan Gaya pada Material Logam - mencakup prosedur untuk pengujian kelelahan axial di bawah kontrol gaya.

ASTM E606: Metode Uji Standar untuk Pengujian Kelelahan yang Dikendalikan Regangan - merinci metode untuk pengujian kelelahan yang dikendalikan regangan, terutama relevan untuk kelelahan siklus rendah.

ISO 1143: Material Logam - Pengujian Kelelahan Pembengkokan Batang Berputar - menetapkan prosedur untuk pengujian kelelahan pembengkokan berputar.

ASTM E647: Metode Uji Standar untuk Pengukuran Kecepatan Pertumbuhan Retakan Kelelahan - menyediakan prosedur untuk menentukan kecepatan pertumbuhan retakan kelelahan menggunakan spesimen ketegangan kompak atau spesimen retak tengah.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Mesin pengujian servo-hidrolik memberikan kontrol yang tepat terhadap beban atau perpindahan untuk pengujian kelelahan axial. Sistem ini biasanya beroperasi pada frekuensi antara 0.1-100 Hz tergantung pada persyaratan pengujian.

Mesin balok berputar menerapkan tegangan pembengkokan pada spesimen silindris yang berputar di sekitar sumbu longitudinalnya, menciptakan tegangan yang sepenuhnya terbalik di permukaan spesimen.

Sistem pengujian kelelahan resonan beroperasi pada frekuensi resonan spesimen (biasanya 50-300 Hz), memungkinkan pengujian yang dipercepat sambil mempertahankan kontrol beban yang tepat.

Teknik canggih termasuk deteksi termografis, yang memantau perubahan suhu yang terkait dengan deformasi plastis,