8 Faktor yang Mempengaruhi Kekuatan Kelelahan Material Logam

Kekuatan fatik material sangat sensitif terhadap berbagai faktor internal dan eksternal.

Faktor eksternal mencakup bentuk, ukuran, permukaan akhir, dan kondisi servis komponen, sedangkan faktor internal mencakup komposisi material, struktur mikro, kemurnian, dan tegangan sisa.

Perubahan kecil pada faktor-faktor ini dapat menyebabkan fluktuasi atau perubahan signifikan pada kinerja fatik material. Memahami dampak dari berbagai faktor terhadap kekuatan fatik sangat penting dalam penelitian fatik.

Penelitian ini memberikan dasar untuk desain struktural suku cadang yang tepat, pemilihan bahan yang sesuai, dan penerapan teknologi pemrosesan dingin dan panas yang efektif, sehingga memastikan bahwa suku cadang memiliki kinerja fatik yang tinggi.

Faktor-faktor yang Mempengaruhi Kekuatan Kelelahan Material Logam

Berikut ini adalah konten dalam bentuk tabel:

01 EEfek dari konsentrasi stres

Metode konvensional untuk mengukur kekuatan fatik melibatkan penggunaan spesimen halus yang diproses secara hati-hati.

Namun demikian, pada kenyataannya, komponen mekanis sering kali memiliki berbagai bentuk celah, seperti anak tangga, alur pasak, ulir, dan lubang oli.

Takik ini menghasilkan konsentrasi tegangan, menyebabkan tegangan aktual maksimum pada akar takik jauh lebih besar daripada tegangan nominal bagian tersebut.

Sebagai hasilnya, sistem kegagalan kelelahan bagian sering dimulai dari takik ini.

Faktor konsentrasi tegangan teoritis Kt:

Di bawah kondisi elastis yang ideal, rasio tegangan aktual maksimum terhadap tegangan nominal pada akar takik dihitung berdasarkan teori elastis.

Faktor konsentrasi tegangan efektif (atau faktor konsentrasi stres kelelahan) Kf:

Batas fatik spesimen halus (σ-1) dan batas fatik spesimen berlekuk (σ-1n) dievaluasi.

Faktor konsentrasi tegangan efektif tidak hanya dipengaruhi oleh ukuran dan bentuk komponen, tetapi juga oleh sifat fisik, pemrosesan, perlakuan panas, dan faktor material lainnya.

Faktor konsentrasi tegangan efektif meningkat dengan bertambahnya ketajaman takik, tetapi biasanya lebih kecil daripada faktor konsentrasi tegangan teoretis.

Koefisien sensitivitas takik kelelahan q:

Koefisien sensitivitas takik fatik menunjukkan sensitivitas material terhadap takik fatik dan dihitung dengan rumus berikut:

Kisaran nilai q adalah antara 0 dan 1. Semakin kecil nilai q, semakin tidak sensitif material yang dikarakterisasi terhadap takik.

Telah ditunjukkan bahwa q bukan hanya konstanta untuk material, tetapi juga bergantung pada ukuran takik.

Nilai q hanya dianggap tidak bergantung pada takik apabila radius takik lebih besar dari nilai tertentu, yang bervariasi untuk material atau kondisi perlakuan yang berbeda.

02 Pengaruh faktor ukuran

Ketidakhomogenan struktur material dan adanya cacat internal mengakibatkan peningkatan kemungkinan kegagalan seiring dengan bertambahnya ukuran material, sehingga menurunkan batas fatiknya.

Fenomena efek ukuran adalah masalah yang signifikan ketika mengekstrapolasi data kelelahan dari spesimen laboratorium kecil ke bagian praktis yang lebih besar.

Tidak mungkin untuk mereplikasi konsentrasi tegangan dan gradien tegangan dari bagian berukuran sebenarnya pada sampel kecil, yang menyebabkan ketidaksesuaian antara hasil yang diperoleh di laboratorium dan kegagalan kelelahan bagian tertentu yang spesifik.

03 IPengaruh status pemrosesan permukaan

Permukaan mesin selalu mengandung bekas pemesinan yang tidak rata, yang bertindak seperti celah kecil, yang menyebabkan konsentrasi tegangan pada permukaan material dan mengurangi kekuatan fatiknya.

Penelitian menunjukkan bahwa untuk baja dan paduan aluminiumbatas kelelahan pemesinan kasar (pembubutan kasar) berkurang 10% hingga 20% atau lebih dibandingkan dengan pemolesan memanjang.

Bahan dengan kekuatan yang lebih tinggi lebih sensitif terhadap permukaan akhir.

04 Dampak dari memuat pengalaman

Pada kenyataannya, tidak ada bagian yang beroperasi di bawah amplitudo tegangan yang benar-benar konstan.

Beban berlebih dan beban sekunder dapat berdampak pada batas kelelahan material.

Studi menunjukkan bahwa kerusakan akibat beban berlebih dan pelatihan beban sekunder lazim terjadi pada material.

Kerusakan akibat beban berlebih mengacu pada penurunan batas kelelahan material setelah mengalami sejumlah siklus tertentu di bawah beban yang lebih tinggi dari batas kelelahannya.

Semakin besar tingkat kelebihan beban, semakin cepat siklus kerusakan terjadi, seperti yang digambarkan pada gambar di bawah ini.

Batas kerusakan yang berlebihan

Dalam kondisi tertentu, sejumlah contoh kelebihan beban mungkin tidak menyebabkan kerusakan pada material.

Karena efek penguatan deformasi, pasivasi ujung retak, dan tegangan tekan sisa, material juga diperkuat, sehingga meningkatkan batas fatiknya.

Oleh karena itu, gagasan tentang kerusakan akibat beban berlebih harus direvisi dan dimodifikasi.

Fenomena pelatihan beban sekunder mengacu pada peningkatan batas kelelahan suatu material setelah sejumlah siklus tertentu di bawah tekanan yang berada di bawah batas kelelahan tetapi di atas nilai batas tertentu.

Dampak dari latihan beban sekunder tergantung pada sifat-sifat material itu sendiri.

Secara umum, bahan dengan plastisitas yang baik harus memiliki siklus latihan yang lebih panjang dan mengalami tekanan latihan yang lebih tinggi.

05 Pengaruh komposisi kimia

Kekuatan fatik dan kekuatan tarik memiliki korelasi yang kuat dalam kondisi tertentu.

Akibatnya, dalam kondisi tertentu, setiap elemen paduan yang meningkatkan kekuatan tarik juga dapat meningkatkan kekuatan fatik material.

Di antara berbagai faktor, karbon memiliki dampak paling signifikan terhadap kekuatan bahan.

Namun, beberapa kotoran yang terbentuk inklusi dalam baja dapat memiliki efek negatif pada kekuatan fatik.

06 Pengaruh perlakuan panas pada Struktur Mikro

Efek perlakuan panas pada kekuatan fatik sebagian besar merupakan efek dari struktur mikro, karena perlakuan panas yang berbeda menghasilkan struktur mikro yang berbeda.

Meskipun komposisi bahan yang sama dapat mencapai kekuatan statis yang sama melalui berbagai perlakuan panas, kekuatan fatiknya dapat sangat bervariasi karena struktur mikro yang berbeda.

Pada tingkat kekuatan yang sama, kekuatan fatik perlit serpihan terasa lebih rendah daripada perlit granular.

Semakin kecil partikel sementit, semakin tinggi kekuatan fatiknya.

Dampak struktur mikro pada sifat kelelahan material tidak hanya terkait dengan sifat mekanik dari berbagai struktur, tetapi juga dengan ukuran butir dan karakteristik distribusi struktur dalam struktur komposit.

Penghalusan butiran dapat meningkatkan kekuatan fatik material.

07 Pengaruh inklusi

Adanya inklusi atau lubang yang tercipta dapat bertindak sebagai takik kecil, menyebabkan konsentrasi tegangan dan regangan di bawah beban bolak-balik, dan menjadi sumber patahan fatik, yang berdampak negatif pada kinerja fatik material.

Dampak inklusi terhadap kekuatan fatik bergantung pada berbagai faktor, termasuk jenis, sifat, bentuk, ukuran, jumlah, dan distribusi inklusi, serta tingkat kekuatan material dan kondisi serta tingkat tegangan yang diberikan.

Berbagai jenis inklusi memiliki sifat mekanik dan fisik yang unik, dan pengaruhnya terhadap sifat kelelahan bervariasi. Inklusi plastik, seperti sulfida, cenderung berdampak kecil pada sifat fatik baja, sedangkan inklusi rapuh, seperti oksida dan silikat, memiliki efek buruk yang signifikan.

Inklusi dengan koefisien muai yang lebih besar dari matriks, seperti sulfida, memiliki dampak yang lebih kecil akibat tegangan tekan pada matriks, sedangkan inklusi dengan koefisien muai yang lebih kecil dari matriks, seperti alumina, memiliki dampak yang lebih besar akibat tegangan tarik pada matriks. Kekompakan inklusi dan logam dasar juga mempengaruhi kekuatan fatik.

Jenis inklusi juga dapat mempengaruhi dampaknya. Sulfida, yang mudah berubah bentuk dan dikombinasikan dengan baik dengan logam dasar, memiliki dampak yang lebih kecil, sedangkan oksida, nitrida, dan silikat, yang rentan terhadap pemisahan dari logam dasar, menghasilkan konsentrasi tegangan dan memiliki efek buruk yang lebih besar.

Dampak inklusi pada sifat fatik material bervariasi di bawah kondisi pembebanan yang berbeda. Di bawah beban tinggi, beban eksternal cukup untuk menginduksi aliran plastis pada material, terlepas dari adanya inklusi, dan dampaknya minimal.

Namun, pada rentang tegangan batas fatik material, keberadaan inklusi menyebabkan konsentrasi regangan lokal dan menjadi faktor pengendali deformasi plastis, yang secara signifikan mempengaruhi kekuatan fatik.

Dengan kata lain, inklusi terutama berdampak pada batas fatik material dan memiliki efek yang kecil pada kekuatan fatik dalam kondisi tegangan tinggi. Untuk meningkatkan kinerja fatik material, metode peleburan pemurnian, seperti peleburan vakum, degassing vakum, dan electroslag peleburan ulang, dapat digunakan untuk secara efektif mengurangi kandungan pengotor dalam baja.

08 Pengaruh perubahan properti permukaan dan tegangan sisa

Selain hasil akhir permukaan yang disebutkan sebelumnya, pengaruh kondisi permukaan juga mencakup perubahan dalam sifat mekanis permukaan dan efek tegangan sisa pada kekuatan kelelahan.

Perubahan sifat mekanik lapisan permukaan mungkin disebabkan oleh komposisi kimia dan struktur mikro lapisan permukaan yang berbeda, atau dari penguatan deformasi permukaan.

Perlakuan panas permukaan, seperti karburasi, nitridasidan carbonitriding, tidak hanya dapat meningkatkan ketahanan aus komponen tetapi juga meningkatkan kekuatan fatiknya, terutama ketahanannya terhadap fatik korosi dan lubang.

Dampak perlakuan panas kimiawi permukaan terhadap kekuatan fatik sangat bergantung pada mode pembebanan, konsentrasi karbon dan nitrogen dalam lapisan, kekerasan dan gradien permukaan, rasio kekerasan permukaan terhadap kekerasan inti, kedalaman lapisan, serta ukuran dan distribusi tegangan tekan sisa yang terbentuk selama perawatan permukaan.

Sejumlah pengujian telah menunjukkan bahwa, selama takik dikerjakan dengan mesin terlebih dahulu dan kemudian diberi perlakuan panas kimiawi, secara umum, semakin tajam takiknya, semakin besar peningkatan kekuatan fatiknya.

Efek perlakuan permukaan pada sifat fatik bervariasi berdasarkan mode pembebanan.

Di bawah pembebanan aksial, tidak ada distribusi tegangan yang tidak merata di sepanjang kedalaman lapisan, yang berarti bahwa tegangan di permukaan dan di bawah lapisan adalah sama.

Dalam skenario ini, perawatan permukaan hanya dapat meningkatkan kinerja fatik lapisan permukaan, karena material inti tidak diperkuat, sehingga membatasi peningkatan kekuatan fatik.

Dalam kondisi lentur dan torsi, tegangan terkonsentrasi pada lapisan permukaan dan tegangan sisa dari perlakuan permukaan dan tekanan eksternal ditumpangkan, mengurangi tekanan aktual pada permukaan.

Pada saat yang sama, penguatan material permukaan meningkatkan kekuatan fatik dalam kondisi tekukan dan torsi.

Sebaliknya, perlakuan panas kimiawi seperti karburasi, nitridasi, dan karbonitridasi dapat sangat mengurangi kekuatan fatik material jika kekuatan permukaan komponen berkurang karena dekarburisasi selama perlakuan panas.

Demikian pula, kekuatan fatik lapisan permukaan, seperti Cr dan Ni, menurun karena efek takik yang disebabkan oleh retakan pada lapisan, tegangan tarik sisa yang disebabkan oleh lapisan pada logam dasar, dan penggetasan hidrogen yang disebabkan oleh penyerapan hidrogen selama proses elektroplating.

Quenching induksi, quenching api permukaan, dan quenching cangkang baja dengan kemampuan pengerasan rendah dapat menghasilkan lapisan kekerasan permukaan dengan kedalaman tertentu dan membentuk tegangan tekan sisa yang menguntungkan pada lapisan permukaan, sehingga menjadi metode yang efektif untuk meningkatkan kekuatan fatik komponen.

Penggulungan dan pemotretan permukaan peening juga dapat menciptakan lapisan pengerasan deformasi dengan kedalaman tertentu pada permukaan spesimen dan menghasilkan tegangan tekan sisa, yang juga merupakan cara yang efektif untuk meningkatkan kekuatan fatik.

Bagaimana kekuatan fatik material dapat ditingkatkan melalui optimalisasi pemrosesan permukaan?

Meningkatkan kekuatan fatik material melalui optimalisasi kondisi pemrosesan permukaan dapat dicapai dengan beberapa cara:

Memperkenalkan tegangan tekan sisa: Menjelang akhir pemrosesan komponen, metode seperti shot peening digunakan untuk memperkenalkan besaran dan kedalaman tegangan tekan tertentu. Hal ini secara efektif dapat meningkatkan integritas permukaan dan meningkatkan umur dan kekuatan fatik. Telah diterima secara luas bahwa tegangan tekan sisa merupakan mekanisme penguatan yang penting untuk meningkatkan ketahanan fatik dan ketahanan korosi tegangan pada material teknik.

Mengoptimalkan deformasi permukaan: Mengejar pengerasan pemrosesan skala nano dapat mengorbankan keuletan demi kekuatan, tetapi hal ini mempercepat perambatan retak, yang merugikan kelelahan. Oleh karena itu, pengejaran efek pengerasan yang berlebihan terhadap deformasi permukaan harus dihindari untuk mencegah dampak buruk terhadap performa fatik.

Penguatan bergulir: Sebagai salah satu teknik penguatan permukaan mekanis, proses rolling strengthening secara efektif dapat meningkatkan performa fatik, ketahanan aus, ketahanan korosi, dan toleransi kerusakan material. Teknik ini telah diterapkan pada perawatan modifikasi permukaan seperti pada bilah mesin pesawat terbang.

Teknologi modifikasi permukaan: Melalui teknologi modifikasi permukaan, kekerasan permukaan material, ketahanan aus, dan ketahanan korosi dapat ditingkatkan sekaligus mengurangi kemungkinan kerusakan akibat kelelahan. Mengoptimalkan integritas material dapat mengurangi cacat internal dan tegangan sisa, sehingga meningkatkan kinerja fatiknya.

Pengaruh perlakuan panas dan struktur mikro: Kondisi perlakuan panas yang berbeda menghasilkan struktur mikro yang berbeda, sehingga pengaruh perlakuan panas pada kekuatan fatik pada dasarnya adalah pengaruh struktur mikro. Dengan mengontrol proses perlakuan panas, struktur mikro yang lebih kondusif untuk meningkatkan kekuatan fatik dapat diperoleh.

Apa dampak spesifik dari kelembapan lingkungan pada kekuatan fatik material yang berbeda?

Dampak spesifik kelembaban lingkungan pada kekuatan fatik material yang berbeda terutama tercermin dalam aspek-aspek berikut ini:

Untuk baja kromium berkekuatan tinggi, kelembapan lingkungan memiliki dampak yang signifikan terhadap daya tahannya. Dalam kondisi lembap dan panas tertentu, umur kelelahan material terpengaruh, sehingga mempercepat perambatan retak.

Performa fatik material logam juga dipengaruhi oleh lingkungan sekitar, terutama dalam kasus fatik korosi. Hal ini mengacu pada respons material logam di bawah efek interaktif media korosif dan beban siklik, yang sering digunakan untuk menggambarkan perilaku fatik material di lingkungan berair.

Studi tentang kinerja kelelahan tarik laminasi komposit serat karbon dalam kondisi lingkungan yang berbeda (seperti kondisi kering suhu kamar, kondisi kering suhu rendah, dan kondisi lembab suhu tinggi) menunjukkan bahwa lingkungan yang lembab dan panas merupakan salah satu faktor utama yang mempengaruhi sifat mekanik material komposit ini.

Penelitian mengenai tren degradasi dan mekanisme kinerja kelelahan CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) di lingkungan yang lembab dan panas menunjukkan bahwa kondisi tersebut menyebabkan berbagai bentuk dan tingkat kerusakan pada matriks, serat, dan antarmuka serat-matriks CFRP, yang mengarah pada degradasi sifat mekanik CFRP.

Di bawah lingkungan RH 60 ℃ / 95%, kinerja fatik sambungan perekat CFRP / paduan aluminium menurun dengan bertambahnya waktu penuaan, dan penurunan kekuatan fatik lebih terlihat pada tahap awal penuaan.

Penelitian telah menemukan bahwa lingkungan yang lembap memiliki dampak yang signifikan pada mekanisme dan tingkat kerusakan akibat kelelahan. Semakin tinggi kelembapan relatif, semakin parah kerusakan fatiknya.

Apa saja efek korosi pada kekuatan fatik logam dan paduan logam dalam kondisi lingkungan yang berbeda?

Efek korosi pada kekuatan fatik logam dan paduan di bawah kondisi lingkungan yang berbeda terutama tercermin dalam aspek-aspek berikut:

Dampak pra-korosi: Pra-korosi dapat secara signifikan mempengaruhi kurva S-N fatik dan perilaku inisiasi retak fatik pada paduan aluminium, tetapi tidak berdampak pada perilaku perambatan retak. Umur inisiasi retak setelah pra-korosi hanya menyumbang kurang dari 20% dari total umur, yang menyebabkan penurunan tajam dalam umur fatik.

Deformasi di lingkungan korosif: Bahan logam medis mengalami deformasi tertentu selama proses fatik di lingkungan udara konvensional. Namun, deformasi ini diperburuk di lingkungan korosif, sehingga memengaruhi kinerja fatik.

Keausan dan korosi di lingkungan laut: Studi tentang sifat korosi dan keausan material logam di lingkungan laut menunjukkan bahwa mekanisme keausan secara bertahap bertransisi dari keausan abrasif ke mekanisme yang didominasi oleh kelelahan korosi yang dipercepat oleh keausan.

Penurunan kekuatan fatik di lingkungan yang erosif: Dalam kondisi lingkungan yang erosif, tingkat penurunan kekuatan fatik logam atau paduan tergantung pada kondisi lingkungan dan kondisi pengujian. Sebagai contoh, batas kekuatan fatik yang terlihat pada baja di udara tidak lagi terlihat pada lingkungan yang korosif.

Karakteristik kelelahan korosi dalam lingkungan korosi atmosfer yang keras: Masih banyak masalah yang harus dipelajari di bidang kegagalan fatik korosi pada paduan aluminium di bawah kopling lingkungan korosi atmosfer yang keras dan kondisi beban dinamis kereta api berkecepatan tinggi. Hal ini mengindikasikan bahwa korosi memiliki dampak yang signifikan terhadap kekuatan fatik logam dan paduan dalam lingkungan spesifik ini.

Karakteristik kurva S-N dari kelelahan korosi: Kurva S-N kelelahan korosi tidak memiliki bagian horizontal, yang menunjukkan bahwa batas kelelahan korosi adalah nilai di bawah umur tertentu, yaitu hanya ada batas kelelahan korosi bersyarat. Hal ini menunjukkan bahwa faktor yang mempengaruhi kekuatan fatik di lingkungan korosi lebih kompleks daripada di udara.

Performa kelelahan di lingkungan korosif tertentu: Studi tentang kinerja fatik material paduan aluminium kedirgantaraan dalam lingkungan korosi NaCl 3.5% menunjukkan bahwa kinerja fatik dalam lingkungan korosif memiliki dampak yang signifikan terhadap kekuatan fatik logam dan paduan.

Bagaimana mekanisme pengaruh struktur mikro (butiran sangat halus, butiran nano) pada kekuatan fatik material logam?

Pengaruh struktur mikro (butiran sangat halus, butiran nano) terhadap kekuatan fatik material logam terutama tercermin dalam aspek-aspek berikut:

Hubungan antara penyesuaian ukuran butir dan kekuatan fatik:

Penelitian menunjukkan bahwa untuk material dengan komposisi tertentu, ketika ukuran butirannya disesuaikan pada rentang yang luas untuk mengubah kekuatan, kekuatan fatik material akan meningkat seiring dengan peningkatan kekuatan tarik, dan kemudian menurun. Hal ini menyiratkan bahwa dalam rentang tertentu, mengurangi ukuran butir dapat meningkatkan kekuatan fatik material, tetapi bila ukuran butir dikurangi sampai batas tertentu, butir yang terlalu halus dapat menyebabkan penurunan kekuatan fatik.

Pengaruh fraksi volume batas butir:

Material butiran dan nanometal ultra halus memiliki butiran kecil dan fraksi volume batas butir yang besar, sehingga memberikan sifat yang unik dan sangat baik. Namun, material ini menghasilkan sejumlah besar cacat selama proses penghalusan butiran, yang menyebabkan penurunan ketangguhan dan plastisitas yang signifikan, hilangnya kemampuan pengerasan kerja, sehingga memengaruhi kinerja kelelahan siklus rendah.

Dampak deformasi plastis pada kekuatan fatik:

Dengan membuat material logam mengalami deformasi plastis yang parah (SPD), struktur mikro seperti butiran ultrafine dan nanogram dapat diproduksi, sehingga meningkatkan kekuatan fatik material. Namun, setelah diperlakukan dengan SPD, kekuatan fatik logam murni yang diwakili oleh tembaga tampaknya mencapai nilai saturasi, yang menunjukkan bahwa ada batasan tertentu untuk meningkatkan kekuatan fatik lebih lanjut dengan mengoptimalkan proses SPD.

Peranan energi sesar susun:

Selama deformasi siklik, dengan menurunnya energi patahan susun, ketidakstabilan mikrostruktur yang disebabkan oleh pertumbuhan butir dan pita geser yang terlokalisasi dengan regangan tinggi menunjukkan peningkatan yang nyata. Hal ini menunjukkan bahwa mekanisme mikroskopis kerusakan fatik material secara bertahap akan bergeser dari pertumbuhan butir yang didominasi oleh migrasi batas butir ke bentuk lain, yang mempengaruhi kinerja fatik.

Perbedaan performa kelelahan di bawah kontrol tegangan dan kontrol regangan:

Memurnikan butiran material logam menjadi butiran sangat halus atau nanogram dapat meningkatkan performa kelelahan siklus tinggi dalam kondisi yang terkendali oleh tegangan, tetapi sering kali mengurangi performa kelelahan siklus rendah dalam kondisi yang terkendali oleh regangan. Hal ini terutama karena setelah butiran dimurnikan ke tingkat submikron atau nanometer, struktur mikro material berubah, sehingga memengaruhi kinerja fatik.