Apa yang Kelelahan Mental?
Kelelahan logam adalah kerusakan progresif yang disebabkan oleh tegangan atau regangan yang berulang atau berfluktuasi. Retakan kecil dapat terbentuk, membesar selama banyak siklus beban, dan akhirnya menyebabkan bagian tersebut patah. Kelelahan dapat terjadi di bawah kekuatan luluh statis logam karena deformasi dan kerusakan terkonsentrasi secara lokal, meskipun seluruh bagian tampak tidak berubah.
Mengapa tekanan berulang dapat mematahkan logam di bawah titik luluh?
Tegangan yang dihitung untuk seluruh bagian dapat menyembunyikan permintaan lokal yang jauh lebih tinggi. Akar ulir, bahu, ujung las, goresan, atau lubang korosi memusatkan tegangan. Pergeseran mikroskopis yang berulang dapat menciptakan kerusakan permanen di sana tanpa membuat seluruh komponen terlihat mengalami deformasi plastis. Bahkan spesimen yang halus pun dapat mengalami kerusakan akibat kelelahan pada fitur mikrostruktural.
Deformasi siklik lokal menciptakan retakan kecil pada permukaan yang rentan, fitur mikrostruktural, atau cacat. Cacat yang sudah ada dapat sangat memperpendek periode inisiasi ini.
Siklus kerusakan yang berkelanjutan dapat memperluas retakan. Laju pertumbuhan berubah tergantung pada ukuran retakan, beban, material, dan lingkungan; suatu siklus beban tidak selalu berarti laju kemajuan yang tetap.
Bagian yang tersisa menjadi tidak mampu menahan beban, atau retakan mencapai kondisi tidak stabil. Pemisahan akhir kemudian dapat terjadi dengan cepat.
Poros dapat mengalami pembengkokan bolak-balik saat berputar di bawah gaya eksternal yang konstan. Braket dapat mengalami siklus akibat getaran, pipa akibat perubahan tekanan, dan bagian yang terkekang akibat pemanasan dan pendinginan. Oleh karena itu, kelelahan bergantung pada riwayat beban di lokasi kritis , bukan hanya pada usia logam tersebut.
Kegagalan akibat kelelahan material dapat berakhir dengan patahan akibat beban berlebih. Peristiwa akhir tersebut tidak menghapus riwayat pertumbuhan retakan sebelumnya. Beban berlebih tunggal, per creep suhu tinggi yang berkelanjutan, dan retakan korosi tegangan memiliki pendorong utama yang berbeda, meskipun lebih dari satu mekanisme dapat bekerja bersamaan.
Rentang tegangan, amplitudo, dan tegangan rata-rata
Beban maksimum saja tidak menggambarkan siklus kelelahan. Catat kedua ekstremnya, urutannya, dan jumlah pengulangannya. Untuk satu siklus stres reguler:
Rentang dan amplitudo berbeda dengan faktor dua. Periksa mana yang digunakan kurva kelelahan sebelum memasukkan nilai tegangan. Ekspresi rasio tegangan membutuhkan tegangan maksimum yang bukan nol.
Contoh soal: sebuah siklus dari 20 hingga 120 MPa memiliki rentang 100 MPa, amplitudo 50 MPa, nilai rata-rata 70 MPa, dan R ≈ 0.167. Siklus yang sepenuhnya terbalik dari −120 hingga +120 MPa memiliki nilai maksimum yang sama, tetapi amplitudonya adalah 120 MPa dan R = −1.
Ini adalah masukan kelelahan yang berbeda. Umur pakainya tidak dapat dibandingkan hanya berdasarkan tegangan maksimum saja. Tegangan tarik rata-rata dapat mengurangi ketahanan pada banyak material yang tidak dilas; aturan detail pengelasan seringkali memperhitungkan tegangan sisa secara berbeda.
Cara membaca kurva S–N
Kurva S–N menghubungkan ukuran tegangan siklik yang ditentukan dengan jumlah siklus terhadap kriteria kegagalan yang dinyatakan. Dalam kondisi yang sebanding, tegangan siklik yang lebih rendah umumnya berhubungan dengan umur kelelahan yang lebih panjang.
Baca sumbu-sumbunya terlebih dahulu. S dapat berarti amplitudo tegangan atau rentang tegangan ; N biasanya diplot pada skala logaritmik. Kemudian periksa material, perlakuan panas, permukaan, geometri, rasio tegangan, suhu, lingkungan, dan dasar statistik.
"Runout " berarti pengujian dihentikan sebelum kriteria kegagalan tercapai. Ini adalah bukti bahwa spesimen tersebut berhasil melewati durasi pengujian, bukan bukti umur pakai yang tak terbatas.
Tidak ada jumlah siklus universal yang menyebabkan kelelahan. Beberapa material menunjukkan batas daya tahan di bawah kondisi pengujian tertentu; kombinasi material-lingkungan lainnya tidak. Kurva spesimen yang dipoles tidak boleh langsung diterapkan pada bagian yang berkorosi, berlekuk, atau dilas.
Kelelahan siklus tinggi dan siklus rendah
Penilaian siklus tinggi umumnya memperlakukan respons siklik secara keseluruhan sebagai sebagian besar elastis dan menggunakan data tegangan-umur. Penilaian siklus rendah berfokus pada regangan plastis siklik yang signifikan, seringkali menggunakan data regangan-umur untuk siklus mulai-berhenti atau siklus termal yang parah.
Transisi tersebut bergantung pada respons lokal dan material. Jumlah siklus tetap, seperti 10⁵ , bukanlah garis pemisah universal.
Cocokkan tes dengan pertanyaan
ASTM E466 membahas pengujian aksial amplitudo konstan yang dikendalikan gaya. ASTM E606/E606M membahas kelelahan yang dikendalikan regangan. ASTM E647 membahas laju pertumbuhan retak kelelahan.
Metode spesimen ini menjawab pertanyaan yang berbeda. Pengujian komponen representatif masih diperlukan di mana geometri, sambungan, atau riwayat penggunaan tidak dapat ditransfer secara memadai dari data kupon.
Apa yang dihitung oleh hukum Paris dan aturan Miner?
Pertumbuhan retakan dari cacat yang diketahui atau diasumsikan
Hubungan tipe Paris memperkirakan kemajuan retakan per siklus pada bagian tengah kurva pertumbuhan retakan yang sesuai. Di sini a adalah panjang retakan, N adalah jumlah siklus, ΔK adalah rentang faktor intensitas tegangan, dan C serta m disesuaikan untuk kondisi pengujian tertentu. Hubungan ini tidak berlaku di seluruh riwayat pertumbuhan: retakan kecil, perilaku mendekati ambang batas, peleburan skala besar, lingkungan, dan ketidakstabilan akhir memerlukan perlakuan yang sesuai.
Mengakumulasi siklus amplitudo variabel
Aturan Miner menambahkan fraksi siklus, di mana n i adalah jumlah yang diterapkan pada satu level dan N i adalah umur yang sesuai dari kurva yang berlaku. D = 1 adalah konvensi kegagalan ideal yang umum, bukan jam fisik yang tepat. Efek urutan dan interaksi dapat berpengaruh. Jumlah kerusakan bukanlah persentase dari sisa umur yang dikonfirmasi.
Apa yang mengubah umur kelelahan suatu komponen?
Kekuatan material hanyalah salah satu input. Jalur pembebanan, geometri lokal, dan kondisi produksi menentukan apakah hasil laboratorium menggambarkan bagian yang sebenarnya.
Pemuatan dan perakitan
Rentang beban, tingkat rata-rata, kelebihan beban, dan urutan semuanya penting. Ketidaksejajaran, keseimbangan yang buruk, resonansi, kehilangan beban awal, dan gesekan dapat menciptakan beban siklik yang tidak termasuk dalam perhitungan awal.
Geometri dan permukaan
Bahu yang tajam, alur pasak, lubang, dan perubahan kekakuan yang tiba-tiba meningkatkan tuntutan lokal. Bekas pahat, goresan, kerusakan akibat penggerindaan, dan lubang korosi dapat menjadi asal mula retakan. Lokasi dan arahnya penting, begitu pula ukurannya.
Bahan dan proses
Tingkat mutu, perlakuan panas, struktur mikro, inklusi, porositas, dan kondisi permukaan memengaruhi inisiasi dan pertumbuhan. Tegangan tarik atau tekan sisa dari pengelasan, pemesinan, atau perlakuan juga mengubah respons lokal.
Lingkungan dan suhu
Korosi dapat menciptakan lubang dan mempercepat keretakan. Suhu, waktu kontak, dan paparan dapat menyebabkan creep atau kerusakan lain di samping kelelahan material. Uji kering pada suhu ruangan tidak menjamin kinerja di setiap lingkungan layanan.
Investigasi nyata: pin menara WWVB
NIST menelusuri penyebab runtuhnya menara tersebut hingga ke retakan kelelahan pada pin isolator baja AISI 4140 pengganti. Retakan dimulai pada bagian fillet antara kepala dan badannya. Investigasi mengidentifikasi radius yang tajam, bekas pengerjaan mesin melingkar, dan lubang-lubang kecil; gambar juga tidak memenuhi persyaratan penyelesaian dan toleransi yang memadai.
Laporan tersebut menjelaskan mengapa kekuatan statis yang lebih tinggi pada bagian pengganti tidak mengimbangi detail dan kondisi permukaan yang buruk. Rekomendasinya membahas radius, toleransi, material, dan perlakuan panas secara bersamaan. Sumber: NISTIR 6619, kesimpulan dan rekomendasi, halaman cetak 23–24.
Mengapa sambungan las memerlukan penilaian tersendiri?
Bentuk ujung las, akar las, geometri sambungan, keselarasan, dan tegangan sisa dapat mendominasi perilaku kelelahan las. Banyak metode desain menggunakan kategori detail las dan kurva S–N yang sesuai, alih-alih menetapkan umur pakai berdasarkan kekuatan tarik logam dasar.
Ikuti definisi tegangan dan penanganan tegangan sisa yang berlaku dalam metode yang digunakan. Meningkatkan kekuatan paduan atau memperbesar ukuran las tidak secara otomatis memperbaiki detail kelelahan. TWI menjelaskan dasar dari aturan detail pengelasan ini.
Untuk komponen yang dilas laser, geometri sambungan dan kondisi proses tetap menjadi bagian dari penilaian. Panduan HAZ pengelasan laser kami menjelaskan perubahan material di sekitarnya; zona yang terkena panas yang sempit saja bukanlah bukti umur kelelahan.
Bagaimana cara mengurangi kegagalan akibat kelelahan material?
Mengurangi permintaan siklik, meningkatkan detail yang rentan, dan memverifikasi kondisi produksi. Inspeksi mendukung kontrol ini tetapi tidak menggantikannya.
- Ukur siklus kerja. Sertakan pengoperasian normal, penyalaan awal, pematian, getaran, benturan, peristiwa termal, dan beban yang tidak biasa. Tentukan masa pakai yang dibutuhkan dan apa yang dianggap sebagai kegagalan.
- Perbaiki jalur pemuatan. Tinjau kembali keselarasan, penyangga, keseimbangan, beban awal, dan resonansi. Gunakan transisi dan radius yang sesuai untuk mengurangi konsentrasi tegangan lokal.
- Kendalikan permukaan dan sambungan yang diproduksi. Tentukan geometri kritis, penyelesaian akhir, perlakuan panas, batas cacat, kondisi pengelasan, dan perlindungan korosi. Kualifikasi setiap proses peening, dressing, atau proses perbaikan lainnya untuk detail aktual.
- Validasi dan kendalikan perubahan. Gabungkan metode kelelahan yang sesuai dengan pengujian dan inspeksi yang representatif. Nilai kembali perubahan pada sumber material, pengerjaan mesin, perlakuan panas, pengelasan, pelapisan, perakitan, atau beban layanan.
Kekakuan yang lebih tinggi dapat mengurangi defleksi tetapi juga dapat mengubah di mana beban ditanggung. Kekuatan statis yang lebih tinggi saja tidak menjamin ketahanan terhadap kelelahan. Pisahkan persyaratan ini saat meninjau kekakuan dan kekuatan.
Bagaimana retakan akibat kelelahan dideteksi?
Pemeriksaan visual dapat melewatkan retakan kecil dan sempit. Pilih pengujian non-destruktif (NDT) yang sesuai dengan material, orientasi dan lokasi retakan yang diharapkan, kondisi permukaan, dan akses yang tersedia.
Tidak adanya indikasi yang perlu dilaporkan berarti tidak ada yang terdeteksi dalam kemampuan dan cakupan prosedur tersebut. Ini tidak membuktikan bahwa setiap retakan tidak ada. Untuk bagian yang kritis terhadap kelelahan material, interval inspeksi perlu didasarkan pada ukuran retakan yang terdeteksi, perilaku pertumbuhan, dan kondisi kritis.
Pada layar yang sempit, geser tabel ke samping.
| metode | Berguna untuk | Batasan penting |
|---|---|---|
| Pemeriksaan visual | Kerusakan yang mudah diakses, korosi, gesekan, dan retakan yang terlihat. | Retakan yang sempit, tersembunyi, atau berada di bawah permukaan mungkin tidak terlihat. |
| Cairan penetran | Retakan permukaan pada material nonporous yang sesuai | Membutuhkan permukaan yang bersih dan mudah diakses; tidak dapat memperlihatkan retakan yang sepenuhnya terpendam. |
| Partikel magnetik | Retakan permukaan dan dekat permukaan pada material feromagnetik | Tidak cocok untuk aluminium atau tembaga; arah magnetisasi memengaruhi deteksi. |
| Eddy saat ini | Retakan permukaan dan dekat permukaan pada material penghantar listrik | Sensitivitas kedalaman bergantung pada material dan frekuensi; probe, geometri, lapisan, dan orientasi retakan memengaruhi respons. |
| Pengujian ultrasonik | cacat internal atau yang terhubung ke permukaan dengan jalur suara yang sesuai | Akses, kalibrasi, dan orientasi cacat menentukan kemampuan deteksi dan pengukuran ukuran. |
Sumber daya inspeksi FHWA menjelaskan pengujian penetran , partikel magnetik , dan arus eddy , termasuk keterbatasan praktisnya. Prosedur yang memenuhi syarat harus mewakili bagian yang sedang diperiksa.
Jika diduga terdapat retakan pada bagian yang penting untuk keselamatan atau menahan beban, segera hentikan pengoperasian bagian tersebut dengan aman dan dapatkan penilaian dari ahli yang berkualifikasi sebelum melakukan pembebanan atau perbaikan lebih lanjut. Penggerindaan permukaan, pengeboran berhenti, atau penambahan las saja tidak cukup untuk membuktikan bahwa retakan dan penyebabnya telah diatasi.
Apa yang dapat diungkapkan oleh permukaan patahan
Patahan akibat kelelahan dapat mengandung titik awal, daerah pertumbuhan progresif, dan daerah patahan akhir yang lebih kasar. Pita progresif yang melengkung, yang sering disebut tanda pantai (beach marks), atau langkah-langkah dengan banyak titik awal dapat membantu analis merekonstruksi urutannya. Fitur-fitur ini tidak selalu ada pada setiap kegagalan akibat kelelahan.
Bekas gesekan di pantai dapat mencerminkan perubahan beban atau lingkungan. Bekas gesekan tersebut tidak boleh dihitung sebagai siklus layanan individual. Goresan mikroskopis, jika ada, juga perlu diinterpretasikan dalam konteks material dan beban.
Konfirmasikan mekanisme tersebut dengan menggunakan patahan, material, geometri, dan riwayat pengoperasian secara bersamaan. Untuk bagian yang dilas, bandingkan mekanisme yang mungkin terjadi dalam panduan jenis retakan las kami.
Simpan bukti sebelum dibersihkan.
Ambil foto rakitan, orientasi, dan permukaan patahan sebelum memindahkan bagian-bagiannya jika aman untuk melakukannya. Simpan fragmen yang sesuai, catatan material dan proses, catatan pengoperasian, data beban atau getaran, dan riwayat perawatan terbaru.
Lindungi permukaan patahan dari gesekan dan kontak. Jangan menggunakan sikat kawat, semprotan pasir, pemolesan, atau memaksa kedua bagian tersebut menyatu sebelum analis kegagalan memutuskan cara memeriksanya. Pembersihan untuk inspeksi dan pengawetan patahan untuk analisis adalah tugas yang berbeda.
Menyebut mekanisme tersebut sebagai "kelelahan" hanyalah permulaan. Investigasi harus menjelaskan mengapa siklus yang merusak dan lokasi yang rentan itu ada, kemudian memverifikasi bahwa tindakan korektif mengatasi keduanya.
Sumber dan referensi pengujian
- NASA — Pengujian Kelelahan: plastisitas siklik, inisiasi, pengujian tegangan-umur dan regangan-umur.
- NIST — Analisis Kegagalan Menara WWVB: kegagalan pin yang terdokumentasi dan rekomendasinya.
- TWI — Kegagalan akibat kelelahan dan pencegahannya: perkembangan retakan dan peran detail pengelasan.
- TWI — Aturan desain kelelahan untuk struktur las: kategori detail, tegangan sisa, dan batasan kerusakan kumulatif.
- ASTM: E466-21, E606/E606M-21 ke E647-24: halaman cakupan publik untuk pengujian terkontrol gaya, terkontrol regangan, dan pertumbuhan retak.
- FHWA — Evaluasi Teknologi NDE untuk Deteksi Retak Kelelahan: kemampuan inspeksi dan pemantauan retakan kelelahan.
Apakah Anda merencanakan sambungan yang akan mengalami beban berulang?
Bagikan gambar, kondisi material, beban layanan, dan persyaratan inspeksi kepada Oceanplayer Laser untuk membahas contoh pengelasan yang representatif.