FATIGUE (Kelelahan)

Fatigue atau kelelahan adalah bentuk dari kegagalan yang terjadi pada struktur karena beban dinamik yang berfluktuasi dibawah yield strength yang terjadi dalam waktu yang lama dan berulang-ulang. Fatik menduduki 90% penyebab utama kegagalan pemakaian. Terdapat 3 fase dalam perpatahan fatik : permulaan retak, penyebaran retak, dan patah. Mekanisme dari permulaan retak umumnya dimulai dari crack initiation yang terjadi di permukaan material yang lemah atau daerah dimana terjadi konsentrasi tegangan di permukaan (seperti goresan, notch, lubang-pits dll) akibat adanya pembebanan berulang. Selanjutnya, adalah penyebaran retak ini berkembang menjadi microcracks. Perambatan atau perpaduan microcracks ini kemudian membentuk macrocracks yang akan berujung pada failure. Maka setelah itu,   material akan mengalami apa yang dinamakan perpatahan. Perpatahan terjadi ketika material telah mengalami siklus tegangan dan regangan yang menghasilkan kerusakan yang permanen.

Suatu bagian dari benda dapat dikenakan berbagai macam kondisi pembebanan termasuk tegangan berfluktuasi, regangan berfluktuasi, temperatur berfluktuasi (fatik termal), atau dalam kondisi lingkungan korosif atau temperatur tinggi. Kebanyakan kegagalan pemakaian terjadi sebagai akibat dari  tegangan-tegangan tarik.

Awal proses terjadinya kelelahan (fatigue) adalah jika suatu benda menerima beban yang berulang maka akan terjadi slip. Ketika slip terjadi dan benda berada di permukaan bebas maka sebagai salah satu langkah yang disebabkan oleh perpindahan logam sepanjang bidang slip. Ketika tegangan berbalik, slip yang terjadi dapat menjadi negatif (berlawanan) dari slip awal, secara sempurna dapat mengesampingkan setiap efek deformasi. Deformasi ini ditekankan oleh pembebanan yang berulang, sampai suatu retak yang dapat terlihat akhirnya muncul retak mula-mula terbentuk sepanjang bidang slip.

Fatigue menyerupai brittle farcture yaitu ditandai dengan deformasi plastis yang sangat sedikit. Proses terjadinya fatigue ditandai dengan crack awal, crack propagatin dan fracture akhir. Permukaan fracture biasanya tegak lurus terhadap beban yang diberikan. Dua sifat makro dari kegagalan fatigue adalah tidak adanya deformasi plastis yang besar dan farcture yang menunjukkan tanda-tanda berupa ‘beachmark’ atau ‘camshell’. Tanda-tanda makro dari fatigue adalah tanda garis garis pada pemukaan yang hanya bisa dilihat oleh mikroskop elektron.

Faktor-faktor yang mempengaruhi fatigue adalah :

1.  Tegangan Siklik

Besarnya tegangan siklik tergantung pada kompleksitas geometri dan pembebanan.

            2.  Geometri

Konsentrasi stress akibat variasi bentuk geometri merupakan titik dimulainya fatigue cracks.

            3.  Kualitas permukaan

Kekasaran permukaan dapat menyebabkan konsentrasi stress mikroscopic yang menurunkan ketahanan fatik

            4.  Tipe material

Fatigue setiap material berbeda beda, contohnya komposit dan polymer memiliki fatigue yang berbeda dengan metal.

            5.  Tegangan sisa

Proses manufaktur seperti pengelasan, pemotongan, casting dan proses lainnya yang melibatkan panas atau deformasi dapat membentuk tegangan sisa yang dapat menurunkan ketahanan fatik material.

            6.  Besar dan penyebaran internal defects

Cacat yang timbul akibat proses casting seperti gas porosity, non-metallic inclusions dan shrinkage voids dapat nenurunkan ketahanan fatik.

            7.  Arah beban

Untuk non-isotropic material, ketahanan fatik dipengaruhi oleh arah tegangan utama.

            8.  Besar butir

Pada umumnya semakin kecil ukuran butir akan memperpanjang fatigue.

 

            9.  Lingkungan

Kondisi lingkungan yang dapat menyebabkan erosi, korosi dapat mempengaruhi fatigue life.

            10.  Temperatur

Temperatur tinggi menurunkan ketahanan fatik material.

Fatigue life dapat ditingkatkan dengan cara :

1. Mengontrol tegangan

– Peningkatan tegangan menurunkan umur fatik.

– Pemicunya dapat secara mekanis (fillet atau alur pasak) maupun metalurgi (porositas atau inklusi).

– Kegagalan fatik selalu dimulai pada peningkatan tegangan

2. Mengontrol struktur mikro

– Meningkatnya ukuran benda uji, umur fatik kadang-kadang menurun

– Kegagalan fatik biasanya dimulai pada permukaan

– Penambahan luas permukaan dari benda uji besar meningkatkan kemungkinan dimana terdapat suatu aliran, yang akan memulai kegagalan dan menurunkan waktu untuk memulai retak

3. Mengontrol penyelesaian permukaan

– Dalam banyak pengujian dan aplikasi pemakaian, tegangan maksimum terjadi pada  permukaan

– Umur fatik sensitif terhadap kondisi permukaan

– Faktor lain yang harus dipertimbangkan adalah tegangan sisa permukaan.