Kekuatan Kelelahan: Properti Baja Kritis untuk Aplikasi Beban Siklis

Definisi dan Konsep Dasar

Kekuatan kelelahan mengacu pada tingkat stres maksimum yang dapat ditahan oleh suatu material untuk jumlah siklus tertentu tanpa kegagalan di bawah kondisi beban siklik. Ini mewakili kemampuan material untuk menahan kerusakan dan pembentukan retakan ketika dikenakan aplikasi stres berulang seiring waktu.

Sifat ini sangat mendasar dalam desain rekayasa karena sebagian besar komponen mekanis mengalami beban siklik selama layanan. Berbeda dengan sifat kekuatan statis, kekuatan kelelahan menangani degradasi kinerja material yang bergantung pada waktu di bawah stres yang berfluktuasi.

Dalam metalurgi, kekuatan kelelahan menempati posisi kritis antara sifat mekanis statis (seperti kekuatan luluh) dan karakteristik daya tahan jangka panjang. Ini menjembatani kesenjangan antara respons beban segera dan perilaku material yang bergantung pada waktu, menjadikannya penting untuk memprediksi umur komponen dalam aplikasi dinamis.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, kelelahan melibatkan akumulasi progresif deformasi plastis lokal. Beban siklik menyebabkan pergerakan dislokasi sepanjang bidang slip, menciptakan pita slip yang persisten di mana ekstrusi dan intrusi mikroskopis terbentuk di permukaan material.

Ketidakteraturan permukaan ini bertindak sebagai konsentrator stres, memulai mikroretakan yang berkembang dengan siklus yang berlanjut. Proses ini melibatkan tiga fase yang berbeda: inisiasi retakan di daerah stres tinggi, pertumbuhan retakan stabil yang tegak lurus terhadap stres tarik maksimum, dan fraktur cepat akhir ketika retakan mencapai ukuran kritis.

Dislokasi menumpuk di batas butir dan rintangan selama siklus, menciptakan konsentrasi stres lokal. Mekanisme ini menjelaskan mengapa retakan kelelahan biasanya dimulai di permukaan, inklusi, atau diskontinuitas lain di mana konsentrasi stres paling tinggi.

Model Teoretis

Pendekatan stres-hidup (S-N), yang dipelopori oleh August Wöhler pada tahun 1850-an, tetap menjadi model teoretis dasar untuk analisis kelelahan. Pendekatan empiris ini menghubungkan amplitudo stres yang diterapkan dengan jumlah siklus hingga kegagalan melalui kurva S-N yang ditentukan secara eksperimental.

Pemahaman tentang kelelahan berkembang secara signifikan dengan Hukum Paris pada tahun 1960-an, yang mengkuantifikasi laju pertumbuhan retakan menggunakan prinsip mekanika fraktur. Teori sebelumnya oleh Basquin (kelelahan siklus tinggi) dan Coffin-Manson (kelelahan siklus rendah) menetapkan hubungan matematis antara stres, regangan, dan umur kelelahan.

Pendekatan modern mencakup metode strain-life untuk kelelahan siklus rendah dan model berbasis energi yang mempertimbangkan energi histeresis sebagai kekuatan pendorong untuk kerusakan kelelahan. Model probabilistik juga muncul untuk menangani sifat statistik dari kegagalan kelelahan.

Dasar Ilmu Material

Struktur kristal secara signifikan mempengaruhi perilaku kelelahan, dengan logam kubik berpusat wajah (FCC) biasanya menunjukkan ketahanan kelelahan yang lebih baik dibandingkan logam kubik berpusat badan (BCC) karena lebih banyak sistem slip yang tersedia dan stres gesekan yang lebih rendah untuk pergerakan dislokasi.

Batas butir bertindak sebagai penghalang untuk pergerakan dislokasi dan propagasi retakan, menjadikan baja butir halus umumnya lebih tahan terhadap kelelahan. Namun, hubungan ini menjadi kompleks pada jumlah siklus yang sangat tinggi di mana fitur mikrostruktur lainnya mendominasi.

Ketahanan kelelahan secara fundamental berkaitan dengan kemampuan material untuk mengakomodasi deformasi plastis lokal tanpa pembentukan retakan. Ini terhubung dengan teori dislokasi, perilaku pengerasan regangan, dan stabilitas mikrostruktur di bawah kondisi beban siklik.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Rumus Definisi Dasar

Persamaan Basquin menggambarkan 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 logam)

Rumus Perhitungan Terkait

Untuk 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 logam)

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.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Model-model ini mengasumsikan beban amplitudo konstan di lingkungan non-korosif pada suhu kamar. Beban amplitudo variabel memerlukan model kerusakan kumulatif seperti aturan Miner.

Pendekatan S-N menjadi kurang akurat untuk jumlah siklus yang sangat rendah (<1000 siklus) di mana deformasi plastis yang signifikan terjadi. Demikian pula, kelelahan siklus sangat tinggi (>10⁷ siklus) mungkin menyimpang dari model ini karena mekanisme inisiasi retakan di bawah permukaan.

Formulasi ini mengasumsikan perilaku material isotropik dan tidak secara langsung memperhitungkan stres residual, kondisi permukaan, atau efek ukuran tanpa faktor modifikasi.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM E466: Praktik standar untuk melakukan pengujian kelelahan aksial dengan amplitudo konstan yang dikendalikan gaya pada material logam.

ISO 1143: Material logam - Pengujian kelelahan lentur batang berputar.

ASTM E606: Metode pengujian standar untuk pengujian kelelahan yang dikendalikan regangan, berlaku untuk karakterisasi kelelahan siklus rendah.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Mesin pengujian servo-hidrolik memberikan kontrol yang tepat terhadap parameter beban untuk pengujian kelelahan aksial. Sistem ini menerapkan pola beban sinusoidal atau terprogram lainnya sambil memantau perpindahan dan beban.

Mesin balok berputar mengenakan spesimen pada pembengkokan murni saat berputar, menciptakan stres tarik dan tekan yang bergantian. Metode klasik ini tetap berharga untuk evaluasi material komparatif.

Sistem pengujian resonansi canggih beroperasi pada frekuensi tinggi (50-200 Hz) untuk pengujian kelelahan siklus tinggi yang dipercepat, menggunakan resonansi spesimen untuk mencapai jumlah siklus tinggi secara efisien.

Persyaratan Sampel

Spesimen uji aksial standar biasanya memiliki bagian pengukur yang seragam dengan transisi halus ke bagian pegangan yang lebih besar. Dimensi umum termasuk bagian pengukur dengan diameter 6-10mm dengan panjang keseluruhan 100-150mm.

Persiapan permukaan memerlukan penghalusan yang hati-hati untuk menghilangkan bekas pemesinan, biasanya melalui abrasif yang semakin halus untuk mencapai kekasaran permukaan Ra < 0.2μm.

Spesimen harus bebas dari stres residual yang dapat mempengaruhi hasil, sering kali memerlukan perlakuan penghilang stres. Penyelarasan sangat penting, karena ketidakselarasan memperkenalkan stres pembengkokan yang secara signifikan mempengaruhi umur kelelahan.

Parameter Uji

Pengujian standar dilakukan pada suhu kamar (20-25°C) dengan kelembapan relatif di bawah 85% kecuali efek lingkungan sedang dipelajari.

Frekuensi beban biasanya berkisar antara 1-100 Hz tergantung