1. TM-475
Semester 7
1
abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI

2. Tujuan Umum:
1. Memberikan pemahaman tentang aspek mekanik dan metalurgi terhadap
kegagalan patah
2. Memahami fenomena kelelahan (fatigue) pada logam dan struktur
3. Memahami konsep mekanika retakan dan implikasinya pada desain teknik
Mata Kuliah Prasyarat: Metalurgi Mekanik I & II, Metalurgi
Fisik I & II.
Kaitan dg Mata Kuliah Lain: Analisis Kegagalan Logam.
Materi:
1. Metalurgi kelelahan logam
2. Metoda-metoda prediksi umur lelah
3. Kelelahan logam pada amplitudo berubah
4. Konsep mekanika retakan
5. Faktor intensitas tegangan (KIc)
6. Desain toleransi kerusakan dan prediksi umur sisa
2
abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI

3. Referensi:
1. Fundamentals of metal fatigue analysis, Julie A Bannantine.
2. Elementary engineering fracture mechanics, David Broek.
3. Mechanical Metallurgy, Dieter.
4. Fracture mechanics dan prediksi umur lelah, Mardjono
Siswosuwarno.
5. Aplikasi mekanika retakan pada analisis kegagalan logam,
Ahmad Taufik.
Ketentuan Perkuliahan:
1. Jumlah Tatap Muka di kelas : 14 X
2. Tugas terstruktur pada setiap sesi perkuliahan
3. Mahasiswa wajib hadir kuliah minimal 80 %
4. Keterlambatan kuliah maksimum 15 menit
5. Bobot nilai : Tugas = 20 %, UTS dan UAS masing-
masing 40 %
3
abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI

4. Sesi Metode
Pokok Bahasan Hasil Pembelajaran Penilaian Hasil Pembelajaran
Ke- Penilaian
Mahasiswa mengetahui dan memahami Mahasiswa mampu menjelaskan
Karakteristik kegagalan patah lelah pada komponen logam. karakteristik dari patah lelah yang
01
kelelahan logam terjadi pada komponen logam.
Aspek metalurgi Mahasiswa mengetahui dan memahami aspek Mahasiswa mampu menjelaskan aspek
02 pada kelelahan metalurgi yang mempengaruhi perilaku metalurgi yang mempengaruhi
logam kelelahan pada logam. perilaku kelelahan logam.
Mahasiswa mengetahui dan memahami batas Mahasiswa mampu menjelaskan batas
03 batas lelah logam kelelahan logam serta cara menentukannya. kelelahan logam serta cara
menentukannya.
Mahasiswa mengetahui dan memahami Mahasiswa mampu menghitung
hubungan antara tegangan (S) yang bekerja tegangan yang bekerja pada komponen
04 Konsep S-N pada komponen logam dengan umur (N) logam serta mampu memprediksi
komponen tersebut. umur komponen tersebut berdasarkan ჱ Tugas
Konsep S-N.
ჱ UTS
Mahasiswa mengetahui dan memahami Mahasiswa mampu menghitung ჱ UAS
hubungan antara regangan () yang bekerja tegangan dan regangan yang bekerja
pada komponen logam dengan umur (N) pada komponen logam serta mampu
05 Konsep -N
komponen tersebut. memprediksi umur komponen tersebut
berdasarkan konsep -N.
Mahasiswa mengetahui dan memahami Mahasiswa mampu menjelaskan dan
Pengaruh takikan pengaruh takikan ataupun geometri menghitung pengaruh takikan ataupun
06 pada perilaku komponen terhadap kegagalan lelah. geometri komponen terhadap umur
kelelahan logam lelahnya.
Mahasiswa mengetahui dan memahami Mahasiswa mampu menjelaskan dan
konsep penjalaran retak lelah. konsep penjalaran retak lelah serta
Penjalaran retak
07 mampu memprediksi umur lelah
lelah
berdasarkan konsep tersebut.
abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI
4

5. Sesi Metode
Pokok Bahasan Hasil Pembelajaran Penilaian Hasil Pembelajaran
Ke- Penilaian
Mahasiswa mengetahui dan memahami Mahasiswa mampu menjelaskan
pengaruh amplitudo tegangan maupun pengaruh amplitudo tegangan
Kelelahan pada regangan yang tidak konstan terhadap perilaku maupun regangan yang tidak konstan
08
amplitudo berubah kelelahan logam. terhadap perilaku kelelahan logam
serta dapat memprediksi umur
lelahnya.
Mahasiswa mengetahui dan memahami konsep Mahasiswa mampu menjelaskan
dasar mekanika retakan dan hubungannya konsep dasar mekanika retakan dan
Konsep dasar dengan kegagalan patah. mampu menghitung parameter
09
mekanika retakan kegagalan berdasarkan konsep
tersebut.
Mahasiswa mengetahui dan memahami Mahasiswa dapat menjelaskan
tegangan elastik
10 keadaan tegangan elastik pada ujung retakan. keadaan tegangan elastik pada ujung
pada ujung retakan
retakan.
Mahasiswa mengetahui dan memahami Mahasiswa dapat menjelaskan ჱ Tugas
Plastisitas pada ჱ UTS
11 plastisitas logam pada ujung retakan. plastisitas logam pada ujung retakan.
ujung retakan ჱ UAS
Mahasiswa mengetahui dan memahami Mahasiswa dapat menjelaskan dan
parameter dari faktor intensitas tegangan dan mampu menghitung faktor intensitas
Faktor intensitas hubungannya dengan kegagalan patah. tegangan yang bekerja pada suatu
12
tegangan komponen logam.
Mahasiswa mengetahui dan memahami Mahasiswa dapat menjelaskan
Tegangan dan
keadaan tegangan maupun regangan bidang keadaan tegangan maupun regangan
13 Regangan bidang
pada ujung retakan. bidang pada ujung retakan.
pada ujung retakan
Mahasiswa mengetahui dan memahami konsep Mahasiswa dapat menjelaskan konsep
Desain toleransi desain toleransi kerusakan dan cara desain toleransi kerusakan serta
14 kerusakan dan memprediksi umur sisa dari suatu komponen mampu menghitung dan memprediksi
prediksi umur sisa logam. umur sisa dari suatu komponen 5
logam.
abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI

6. I. KARAKTERISTIK KELELAHAN LOGAM
Kelelahan (Fatigue) adalah salah satu jenis kegagalan
(patah) pada komponen akibat beban dinamis
(pembebanan yang berulang-ulang atau berubah-ubah).
Diperkirakan 50%-90% (Gambar.1.1) kegagalan mekanis
adalah disebabkan oleh kelelahan.
6
Gambar. 1.1 Distribusi mode kegagalan.

7. Modus kegagalan komponen atau struktur dapat
dibedakan menjadi 2 katagori utama yaitu:
1.Modus kegagalan quasi statik (modus kegagalan
yang tidak tergantung pada waktu, dan ketahanan
terhadap kegagalannya dinyatakan dengan kekuatan).
2.Modus kegagalan yang tergantung pada waktu
(ketahanan terhadap kegagalannya dinyatakan dengan
umur atau life time).
Jenis- jenis modus kegagalan quasi statik yaitu:
1.Kegagalan karena beban tarik.
2.Kegagalan karena beban tekan.
Kegagalan karena beban geser.
Patahan yang termasuk jenis modus kegagalan ini
adalah patah ulet dan patah getas.
7

8. Sedangkan jenis-jenis modus kegagalan yang
tergantung pada waktu yaitu:
1. Kelelahan (patah lelah).
2. Mulur.
3. Keausan.
4. Korosi.
Fenomena kelelahan logam mulai timbul pada
pertengahan abad ke-19 yaitu dengan seringnya terjadi patah
pada komponen kereta api dimasa itu:
• Di Versailles (Paris), 1944, menewaskan 40-80 penumpang,
akibat patah poros roda.
• 20 April 1887, 3 orang tewas dan 2 terluka, akibat patah
draw bar.
• 27 Mei 1887, 6 orang tewas, akibat patah roda.
• 23 Juni 1887, 1 orang tewas, akibat patah rel.
•2 Juli 1887, Kecelakaan paling serius, akibat patah poros roda. 8

9. Pelopor dalam penelitian mengenai kelelahan
logam adalah Wohler (Jerman) dan Fairbairn
(Inggris) tahun 1860. Pengamatan yang lebih
mendetail terhadap kelelahan logam, dilakukan
sejak 1903 oleh Ewing dan Humparey yang
mengarah pada lahirnya teori ’Mekanisme Patah
Lelah’.
Hingga saat ini, mekanisme patah lelah
adalah terdiri atas 3 tahap kejadian yaitu:
Tahap awal terjadinya retakan (crack inisiation).
Tahap penjalaran retakan (crack propagation).
Tahap akhir (final fracture). 9

10. Pada Gambar. 1.2 dibawah ini ditunjukkan secara skematis
penampilan permukaan patahan dari kegagalan lelah pada
berbagai kondisi pembebanan.
Gambar. 1.2 Skematis permukaan
patah lelah dari penampang bulat
dan persegi pada berbagai kondisi
pembebanan.
10
abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI

11. Karakteristik kelelahan logam
dapat dibedakan menjadi 2 yaitu karakteristik
makro dan karakteristik mikro.
Karakteristik makro merupakan ciri-ciri
kelelahan yang dapat diamati secara visual
(dengan mata telanjang atau dengan kaca
pembesar). Sedangkan karakteristik mikro
hanya dapat diamati dengan menggunakan
mikroskop.
abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI 11

12. 1.1 Karakteristik Makroskopis
Karakteristik makroskopis dari kelelahan logam adalah sebagai
berikut:
1. Tidak adanya deformasi plastis secara makro.
2.Terdapat tanda ’garis-garis pantai’ (beach marks) atau clam
shell atau stop/arrest marks, seperti yang ditunjukkan pada
Gambar. 1.3 dibawah ini.
1932
1947
1948
1950
1951
Gambar. 1.3 Permukaan
patah lelah pada poros.
12

13. 3. Terdapat ’Ratchet marks’ seperti yang ditunjukkan
pada Gambar. 1.4 dibawah ini.
Gambar. 1.4 Permukaan patah lelah
dari baut akibat beban tarik.
13
abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI

14. abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI 14

15. Ratchet marks menjalar kearah radial dan merupakan
tanda penjalaran retakan yang terjadi bila terdapat lebih dari
satu lokasi awal retak, ratchet marks ini merupakan pertemuan
beach marks dari satu lokasi awal retak dengan beach marks
dari lokasi lainnya.
Tanda garis-garis pantai (beach marks)
yang merupakan tanda penjalaran retakan,
mengarah tegak lurus dengan tegangan tarik
dan setelah menjalar sedemikian hingga
penampang yang tersisa tidak mampu lagi
menahan beban yang bekerja, maka akhirnya
terjadilah patah akhir atau patah statik. 15

16. Luas daerah antara tahap penjalaran retakan dan
tahap patah akhir secara kuantitatif dapat
menunjukkan besarnya tegangan yang bekerja. Jika
luas daerah tahap penjalaran retakan lebih besar
daripada luas daerah patah akhir, maka tegangan
yang bekerja relatif rendah, demikian sebaliknya.
Tahap I terjadinya kelelahan logam yaitu tahap
pembentukan awal retak, lebih mudah terjadi pada
logam yang bersifat lunak dan ulet tetapi akan lebih
sukar dalam tahap penjalaran retakannya (tahap II),
artinya logam-logam ulet akan lebih tahan terhadap
penjalaran retakan. Demikian sebaliknya, logam yang
keras dan getas, akan lebih tahan terhadap
pembentukkan awal retak tetapi kurang tahan
terhadap penjalaran retakan. 16

17. Tahapan pembentukan awal retak dan penjalaran
retakan dalam mekanisme kelelahan logam,
membutuhkan waktu sehingga umur lelah dari
komponen atau logam, ditentukan dari ke-2 tahap
(Gambar. 1.5) tersebut
(total fatigue life, NT = fatigue initiation, Ni + fatigue
propagation, Np)
Fase-fase yang terjadi selama kejadian kelelahan
logam tersebut adalah sebagai berikut:
Cyclic Pengintian Perambatan Perambatan Patah
slip retak mikro retak mikro retak makro akhir
Umur pengintian awal retak Umur Penjalaran retakan
17
Gambar. 1.5 Fase-fase kegagalan lelah (fatigue).

18. Gambar. 1.6 Skematis
penampang melintang dari
kegagalan lelah tahap I
dan II.
Tahap I (pembentukan awal retak) dan tahap II
(penjalaran retakan) pada mekanisme kegagalan
patah lelah tersebut (Gambar. 1.6) dapat dijelaskan
lagi dengan penggambaran sebagai berikut: 18

19. Tahap retak mikro (tahap I)
Gambar. 1.7 Skematis tahap
retak mikro dan makro pada
kelelahan logam.
Tahap retak makro (tahap II)
19

20. 1.2 Karakteristik Mikroskopis
Karakteristik mikroskopis dari kelelahan logam adalah sebagai
berikut:
1.Pada permukaan patahan terdapat striasi (striations).
2.Permukaan patahan memperlihatkan jenis patah
transgranular (memotong butir) tidak seperti jenis patah
intergranular seperti yang terjadi pada kasus SCC (stress
corrosion cracking) atau mulur (creep).
Persamaan striasi dan beach marks adalah
sebagai berikut:
1.Ke-2 nya menunjukkan posisi ujung retak yang terjadi setiap
saat sebagai fungsi dari waktu siklik.
2.Ke-2 nya berasal dari lokasi awal retak yang sama.
3.Ke-2 nya memiliki arah yang sama (parallel ridges).
4.Ke-2 nya tidak hadir pada logam-logam yang terlalu keras
atau terlalu lunak. 20
abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI

21. abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI 21

22. Perbedaan striasi dan beach marks adalah
sebagai berikut:
1.Ukuran striasi adalah mikroskopis (1 ÷ 100 µ) dan hanya dapat
dilihat dengan menggunakan mikroskop elektron.
2.Ukuran beach marks adalah makroskopis (> 1000 µ atau 1
mm) dan dapat dilihat dengan mata telanjang.
3.Striasi mewakili majunya ujung retakan yang bergerak setiap
satu siklus pembebanan, sedangkan beach marks mewakili
posisi dari ujung retakan ketika beban siklik berhenti untuk
satu perioda tertentu. (satu beach mark dapat terdiri atas
ratusan bahkan ribuan buah striasi).
abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI
22

23. abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI
23

24. 1.Carilah sah satu contoh gambar/photo
penampang patah lelah (fatigue fracture),
berilah keterangan posisi awal retak, arah
penjalaran retakan dan daerah patah
akhirnya. Jelaskan jenis material, jenis
beban yang bekerja, dan jelaskan pula
secara kualitatif besarnya pembebanannya.
2. Buatlah skematis penampang patahan
dari kedua gambar berikut dan tunjukkan
posisi awal retak, arah perambatan
retakan, patah akhir dan jenis bebannya.
abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI
24

25. Fig. 1.1 Fatigue-fracture surface of a keyed
shaft of AISI 1040 steel (~30 HRC).
25
abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI

26. Fig. 1.2 Fatigue fracture surface of a 200-mm (8-in) diameter
piston rod of an alloy steel steam hammer used for forging.
26
abrianto_akuan@T.Metalurgi-UNJANI