Masa Fatigue: Memprediksi Daya Tahan Komponen Baja di Bawah Beban Siklis

Definisi dan Konsep Dasar

Umur kelelahan mengacu pada jumlah siklus stres yang dapat ditahan oleh suatu material sebelum gagal di bawah kondisi pemuatan siklik. Ini mewakili kemampuan material untuk menahan kerusakan struktural progresif ketika dikenakan stres yang berfluktuasi di bawah kekuatan tarik maksimum. Properti ini sangat penting dalam desain rekayasa karena sebagian besar kegagalan mekanis dalam layanan terjadi akibat kelelahan daripada kelebihan statis.

Dalam metalurgi, umur kelelahan menempati posisi sentral di persimpangan sifat mekanik, karakteristik mikrostruktur, dan kondisi layanan. Ini berbeda secara fundamental dari sifat statis seperti kekuatan luluh atau kekuatan tarik dengan menggabungkan sifat kerusakan yang bergantung pada waktu dan kumulatif dalam material. Memahami umur kelelahan sangat penting untuk memprediksi daya tahan komponen dalam aplikasi di mana pemuatan siklik tidak dapat dihindari.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, kelelahan melibatkan inisiasi dan propagasi retakan melalui suatu material. Proses ini dimulai dengan deformasi plastis lokal di daerah konsentrasi stres, seperti pita slip yang persisten, inklusi, atau ketidakteraturan permukaan. Deformasi ini menciptakan intrusi dan ekstrusi di permukaan material, yang akhirnya berkembang menjadi mikroretakan.

Seiring pemuatan siklik berlanjut, dislokasi terakumulasi dan berinteraksi, membentuk pita slip yang persisten di mana regangan menjadi semakin terlokalisasi. Lokalisasi ini menyebabkan pembentukan retakan mikroskopis yang akhirnya bersatu dan menyebar melalui material. Fase propagasi retakan ditandai dengan garis-garis pada permukaan patahan, masing-masing mewakili satu siklus pemuatan.

Model Teoretis

Pendekatan stres-umur (S-N), yang dikembangkan oleh August Wöhler pada tahun 1850-an, adalah model sistematis pertama untuk prediksi umur kelelahan. Model empiris ini menghubungkan amplitudo stres yang diterapkan dengan jumlah siklus hingga kegagalan dan tetap menjadi dasar analisis kelelahan.

Pemahaman historis berkembang secara signifikan dengan Hukum Paris pada tahun 1960-an, yang mengkuantifikasi laju pertumbuhan retakan menggunakan prinsip mekanika patah. Pendekatan modern mencakup metode strain-umur (hubungan Coffin-Manson), kriteria berbasis energi, dan model akumulasi kerusakan seperti aturan Miner.

Model probabilistik telah mendapatkan perhatian karena pendekatan deterministik sering kali gagal memperhitungkan sifat statistik dari kelelahan. Ini termasuk distribusi statistik dari umur kelelahan dan metodologi desain berbasis keandalan yang mengakui penyebaran yang melekat dalam data kelelahan.

Dasar Ilmu Material

Ketahanan kelelahan pada baja sangat terkait dengan struktur kristal dan batas butir. Material dengan butir halus biasanya menunjukkan ketahanan kelelahan yang lebih baik karena batas butir bertindak sebagai penghalang terhadap pergerakan dislokasi dan propagasi retakan. Orientasi bidang kristal relatif terhadap stres yang diterapkan juga mempengaruhi perilaku kelelahan melalui aktivasi sistem slip.

Fitur mikrostruktur secara signifikan mempengaruhi umur kelelahan, termasuk distribusi fase, kandungan inklusi, dan morfologi presipitat. Pada baja, struktur pearlitik umumnya memberikan ketahanan kelelahan yang moderat, sementara struktur martensitik yang dipanaskan sering kali memberikan kinerja yang lebih baik karena dispersi karbida yang halus dan kepadatan dislokasi yang tinggi.

Prinsip dasar ilmu material dari teori cacat berlaku langsung untuk kelelahan, karena inisiasi retakan biasanya terjadi pada diskontinuitas mikrostruktur yang berfungsi sebagai konsentrator stres. Energi yang diperlukan untuk propagasi retakan terkait dengan ketangguhan patah material dan laju pelepasan energi regangan.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Persamaan Basquin mewakili rezim kelelahan siklus tinggi:

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

Di mana:
- $\sigma_a$ adalah amplitudo stres
- $\sigma'_f$ 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 rezim kelelahan siklus rendah, 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.

Untuk propagasi retakan, Hukum Paris menggambarkan hubungan:

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

Di mana:
- $da/dN$ adalah laju pertumbuhan retakan
- $\Delta K$ adalah rentang faktor intensitas stres
- $C$ dan $m$ adalah konstanta material

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Model-model ini mengasumsikan pemuatan amplitudo konstan dalam lingkungan non-korosif. Pemuatan amplitudo variabel memerlukan metode penghitungan siklus seperti analisis rainflow dan aturan akumulasi kerusakan.

Pendekatan S-N umumnya valid untuk kelelahan siklus tinggi (>10³ siklus) tetapi menjadi kurang akurat dalam rezim siklus rendah di mana deformasi plastis signifikan terjadi. Ekstrem suhu, lingkungan korosif, dan frekuensi yang sangat tinggi dapat membatalkan model standar.

Kebanyakan model kelelahan mengasumsikan perilaku material isotropik dan mengabaikan evolusi mikrostruktur selama siklus, yang dapat menyebabkan ketidakakuratan dalam memprediksi umur kelelahan material yang mengalami pelunakan atau pengerasan siklik.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

• ASTM E466: Praktik Standar untuk Melakukan Uji Kelelahan Axial Amplitudo Konstan yang Dikuasai Gaya pada Material Logam
• ASTM E606: Metode Uji Standar untuk Pengujian Kelelahan yang Dikuasai Regangan
• ISO 1143: Material Logam - Pengujian Kelelahan Pembengkokan Batang Berputar
• ASTM E647: Metode Uji Standar untuk Pengukuran Laju Pertumbuhan Retakan Kelelahan

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Mesin pengujian servo-hidrolik umumnya digunakan untuk pengujian kelelahan axial, menerapkan siklus beban sinusoidal pada frekuensi yang biasanya antara 1-100 Hz. Mesin balok berputar menerapkan stres pembengkokan melalui rotasi spesimen, menciptakan stres tarik dan tekan yang bergantian.

Sistem pengujian kelelahan resonan beroperasi pada frekuensi resonan spesimen (biasanya 50-300 Hz), memungkinkan pengujian frekuensi tinggi. Sistem ini menggunakan prinsip resonansi mekanis untuk mencapai jumlah siklus tinggi secara efisien.

Peralatan canggih termasuk kamera termografi untuk mendeteksi pembangkitan panas di lokasi inisiasi retakan dan sistem korelasi citra digital untuk mengukur bidang regangan selama siklus.

Persyaratan Sampel

Spesimen kelelahan axial standar biasanya memiliki panjang gauge 25-50 mm dengan diameter bagian yang dikurangi 6-12 mm. Spesimen balok berputar biasanya berdiameter 5-10 mm dengan radius fillet yang dikontrol dengan hati-hati untuk menghindari konsentrasi stres.

Persiapan permukaan memerlukan penghalusan untuk menghilangkan bekas pemesinan, biasanya hingga kekasaran permukaan Ra < 0.2 μm