Fatigue adalah fenomena kegagalan logam dan struktur akibat adanya pembenanan cyclic yang menghasilkan tegangan baik dibawah maupun diatas yield strength material. Retak dapat lahir dan merambat sehingga luas permukaan benda tidak dapat menahan beban lagi dan akhirnya fracture. Biasanya pada saat akhir ini kegagalannya bersifat tiba2 (catastrophic-failure) walaupun perambatan retaknya bisa bertahun-tahun.

Tanya – AImam@mcdermott

Selamat Siang rekan2 migas,

Saya ingin menanyakan beberapa hal mengenai fenomena fatigue dlm disain.

1. Apakah fenomena fatigue itu semata-mata disebabkan karena permukaan geometri struktur yg tidak sempurna (imperfection), sehingga timbul crack initiation dan lalu merambat hingga failure ? Beban yg terjadi masih dibawah yield dan terjadi secara berulang kali.
Atau ada sebab lain ?

2. Apakah ada fenomena fatigue dlm sistem struktur plastis (misalnya dlm struktur yg di disain plastis) ?

Mohon pencerahan dari para ahli2 struktur kita.

Tanggapan 1 – dame_harahap

Fatigue secara teoritis adalah kelelahan material akibat beban yang berulang- ulang. Walaupun belum mencapai titik leleh material. Seperti kawat yang kita bengkokan kedua arah yang berlawanan secara berulang terus menerus. Beban pembengkokan tidak perlu besar, cukup perlahan namun terus menerus akan membuat kawat mengalami kelelahan bahan. dari kurva tegangan- regangan akan terlihat tegangan yang kecil namun regangan yang besar melampaui batas lelehnya bahan. Dalam disain menurut cara plastis, kita melakukan disain dengan mengabaikan hal tersebut.Dalam disain plastis kita memfokuskan mekanisme keruntuhan dari suatu struktur (jadi bukan mekanisme pembebanannya)sedemikian rupa sehingga diperoleh pratanda sebelum struktur runtuh. Mekanisme ini yang kita atur secara aman bagi pemakai struktur.

Tanggapan 2 – Humala.Oloan@pgpaiton

Menambahkan pencerahan dari Bang Dame,

Fenomena fatigue tsb tdk hanya disebabkan oleh permukaan geometri struktur yg tidak sempurna saja melainkan meliputi seluruh imperfection didalam material tsb seperti porosity dll. Fatigue terjadi bila tegangan kerja (Average max and min stress value for the cycle) melebihi fatigue limit material tsb yang merupakan fungsi dari jenis material dan imperfection /notch sensitivity.

Tanggapan 3 – mpag

Teman-teman yang baik, saya ingin turut sharing ….

Fatigue adalah fenomena kegagalan logam dan struktur akibat adanya pembenanan cyclic yang menghasilkan tegangan baik dibawah maupun diatas yield strength material. Retak dapat lahir dan merambat sehingga luas permukaan benda tidak dapat menahan beban lagi dan akhirnya fracture. Biasanya pada saat akhir ini kegagalannya bersifat tiba2 (catastrophic-failure) walaupun perambatan retaknya bisa bertahun-tahun.

Untuk melawan fatigue ada beberapa pendekatan yakni :

1. Infinite Life Design berdasarkan Stress – Life Curve (kurva S-N)

Kurva S-N dibuat berdasarkan stress-controlled fatigue test. Untuk baja dari kurva S-N akan didapat endurance limit, atau batas lelah (bukan titik leleh !). Dari sini engineer mendisain agar beban operasi tidak menghasilkan stress diatas batas lelah ini. Dengan demikian komponen mesin akan memikili umur tidak terhingga (infinite). Makin keras material semakin tinggi nilai endurance limit nya sehingga semakin tahan material terhadap crack initiation (utk low strain or stress). Semakin kasar permukaan (termasuk adanya cacat mikro maupun makro,
sambungan, lasan, korosi) semakin rendah ketahan fatigue karena adanya stress raiser di lokasi tersebut. Jadi untuk kasus ini ketahan fatigue dikendalikan oleh tingkat kekerasan material. Pendekatan ini cocok untuk disain komponen mesin yang memiliki putaran /rpm tinggi dan komponen struktur.

2. Safe-Life Design berdasarkan Strain-Life Curve (kurva E-N)

Kurva S-N dibuat berdasarkan strain -controlled fatigue test. Untuk baja dari kurva E-N akan tidak didapat endurance limit, atau batas lelah tetapi sifat fatigue material (fatigue strength dan fatigue ductility).

Berlainan dengan kurva S-N, kurva E-N dibangun dari test menggunahan cyclic plastic stress (or strain) deformation. Dari sini engineer dapat melihat ketahan material terhadap cyclic plastic deformation. Berguna untuk mendisain kompoen mesin / struktur yang dikenai cyclic strain yang besar.

Untuk high strain or stress ini, semakin ulet material semakin tahan terhadap low cycle fatigue (kebalikan dari yang tadi) dan semakin keras material semakin rendah ketahannya terhadap low cycle fatigue. Jadi dalam hal ini ketahan fatigue dikendalian oleh keuletan material (% elongation).

Penggunaan E-N ini pada pipa thermal, boiler, HE, reactor, dsb.

Kurva S-N dan kurva E-N digunakan untuk melawan fatigue pada komponen yang tidak memiliki crack initation site (permukaan relatif halus/rata). Namun untuk melihat perilaku fatigue pada material yang sudah memiliki cacat (pre-crack) maka digunakan metoda fracture mechanics.

3. Damage Tolerance Design (da/dN vs delta K)

Jika sekarang komponen mesin atau struktur sudah memiliki cacat (retak) akibat welding, korosi, aus, dsb dan dikenai beban siklik, maka kedua metoda diatas sudah tidak dapat dipakai lagi. Tapi harus menggunakan pendekatan fracture mechanics. Pada dasarnya metoda ini melihat perambatan retak (crack growth) untuk memprediksi perlaku retak dan menentukan ukuran kritis. Retak dalam ukuran tertentu masih dapat dibiarkan ada, asal dimonitor laju perambatannya dan komponen masih dapat dibiarkan beroperasi (damage tolerance design). Waktu dari ukuran retak hasil inspeksi terkini menuju ukuran kritis disebut dengan Remaining Life.

Parameter internal yang mengendalikan perambatan retak sekarang adalah fracture toughness material, makin tangguh material main tahan terhadap crack propagation (tapi belum tentu terhadap crack initiation !).

Contoh penggunaan damage tolerance design lebih banyak pada stationary equipment yang sudah memiliki defect / cacat (pipeline, pressur vessel, pipe, struktur jembatan, offshore, rig) yang memiliki frekwensi cyclic loading or tempature relatih rendah dibanding rpm mesin rotating, tetapi bukan berarti benda2 tadi pada disain awal tidak menggunakan pendekatan S-N curve !.

Dalam masalah fatigue tentu saja faktor : alloying, metal processing, temperature, jenis pembenanan, stress ratio, lingkungan, semua mempengaruhi pola dan laju inisiasi dan perambatan retak akibat fatigue ini.sehingga mempengaruhi umur fatigue dari komponen mesin atau struktur tersebut.

Referensi untuk fatigue test diatur oleh ASTM, untuk disain oleh ASME, SEA, untuk evaluasi industri darat oleh API, dan untuk disain dan evaluasi struktur offshore diatur oleh DNV standard code.

Untuk mendalami fatigue dapat dilihat di buku2 dasar mekanik, or you just go to the internet and type the magic words such as : ‘fatigue, crack, cyclic loading, dynamics failure, fatigue of bridge’, etc, wait for a while … you will be amaze ….. then overwhelmed ….. then FATIGUE alias capek / lelah.

Tanggapan selengkapnya dari rekan-rekan Mailing List Migas Indonesia dalam pembahasan ini dapat dilihat dalam file berikut: