Kegagalan Fatigue — Kurva S-N

Kegagalan fatigue terjadi ketika pembebanan berulang menimbulkan kerusakan selama banyak siklus, bahkan jika setiap siklus berada di bawah kekuatan tarik statis material. Kurva S-N menunjukkan tren dasarnya: untuk satu material dalam satu kondisi uji, tegangan siklik yang lebih tinggi biasanya berarti lebih sedikit siklus hingga gagal, dan tegangan siklik yang lebih rendah biasanya berarti lebih banyak siklus hingga gagal.

Jika Anda hanya mengingat satu gagasan, ingat syarat di baliknya: kurva S-N hanya berlaku untuk material, kondisi permukaan, lingkungan, dan pengaturan pembebanan yang digunakan saat pengukuran.

Apa yang Diberitahukan Kurva S-N

Kurva S-N berasal dari uji fatigue. Setiap spesimen dibebani berulang kali pada tingkat tegangan tertentu sampai gagal, lalu jumlah siklusnya dicatat. Dengan memplot banyak hasil pengujian, diperoleh kurva tegangan terhadap umur.

Pada banyak grafik, $N$ ditampilkan pada sumbu logaritmik karena umur fatigue dapat berkisar dari ribuan hingga jutaan siklus. Sumbu tegangan sering berupa amplitudo tegangan, tetapi besaran tegangan yang tepat bergantung pada metode pengujian.

Jadi, kurva S-N bukan hukum universal. Kurva ini adalah data terukur untuk suatu pengaturan yang terdefinisi.

Hubungan Inti Tegangan-Umur

Untuk satu sistem material tetap dan satu kondisi pembebanan tetap, kurva menyatakan tren seperti ini:

$$\text{larger } S \quad \Rightarrow \quad \text{smaller } N$$

Itulah gagasan utamanya. Kurva ini tidak memberikan satu rumus sederhana yang berlaku untuk setiap material di setiap rentang.

Insinyur sering membicarakan umur fatigue dan kekuatan fatigue:

• umur fatigue berarti jumlah siklus hingga gagal pada tingkat tegangan tertentu
• kekuatan fatigue berarti tingkat tegangan yang terkait dengan jumlah siklus tertentu

Keduanya adalah dua cara membaca kurva yang sama.

Cara Membaca Contoh Kurva S-N

Misalkan sebuah laboratorium telah mengukur kurva S-N untuk satu spesimen baja yang dipoles pada satu rasio pembebanan tetap. Pada kurva khusus itu:

• amplitudo tegangan sebesar $300\ \mathrm{MPa}$ berkaitan dengan sekitar $10^5$ siklus hingga gagal
• amplitudo tegangan sebesar $220\ \mathrm{MPa}$ berkaitan dengan sekitar $10^6$ siklus hingga gagal

Sekarang bayangkan komponen Anda mengalami amplitudo tegangan mendekati $220\ \mathrm{MPa}$ dalam kondisi yang sama seperti pengujian. Anda akan membaca kurva itu sebagai umur fatigue sekitar $10^6$ siklus.

Mengapa ini penting? Penurunan tegangan yang tidak terlalu besar, dari $300\ \mathrm{MPa}$ ke $220\ \mathrm{MPa}$ dalam contoh ini, mengubah perkiraan umur sekitar faktor $10$.

Itu tidak berarti setiap komponen nyata yang dibuat dari baja tersebut akan mencapai $10^6$ siklus. Takik, permukaan kasar, korosi, tegangan rata-rata, dan temperatur semuanya dapat menggeser umur fatigue nyata dari kurva laboratorium.

Kapan Batas Ketahanan Berlaku

Beberapa material sering dimodelkan memiliki batas ketahanan, artinya kurva menjadi hampir datar di bawah tingkat tegangan tertentu dan material mungkin bertahan pada jumlah siklus yang sangat besar dalam kondisi pengujian tersebut.

Gagasan itu hanya berguna jika sesuai dengan perilaku material. Banyak paduan aluminium tidak menunjukkan batas ketahanan yang jelas pada plot S-N standar. Dalam kasus itu, tegangan yang lebih rendah biasanya berarti umur lebih panjang, tetapi bukan jaminan umur tak hingga.

Jadi pertanyaan yang lebih baik bukan "Apakah fatigue berhenti di bawah tegangan ini?" Melainkan "Untuk material dan kondisi ini, umur berapa yang didukung oleh data?"

Kesalahan Umum tentang Kegagalan Fatigue

Menganggap satu kurva S-N bersifat universal

Kurva S-N bergantung pada material, perlakuan panas, geometri spesimen, kondisi permukaan, lingkungan, dan rasio pembebanan. Mengubah hal-hal itu dapat mengubah kurva.

Mencampuradukkan kekuatan statis dengan ketahanan fatigue

Suatu material dapat memiliki kekuatan tarik tinggi tetapi tetap gagal karena fatigue jika mengalami cukup banyak siklus dan konsentrasi tegangan lokal.

Mengasumsikan batas ketahanan ada pada setiap material

Jalan pintas ini bisa sangat menyesatkan untuk material yang justru dirancang berdasarkan kriteria umur terbatas.

Mengabaikan konsentrasi tegangan

Retak nyata sering mulai di dekat lubang, ulir, sudut tajam, atau takik lainnya. Spesimen laboratorium yang halus dapat berperilaku sangat berbeda dari komponen nyata.

Di Mana Kurva S-N Digunakan

Kurva S-N digunakan ketika komponen menghadapi banyak beban berulang, seperti poros berputar, pegas, struktur pesawat, jembatan, dan bagian mesin. Kurva ini sangat berguna dalam fatigue siklus tinggi, ketika siklus elastis mendominasi dan umur diukur sepanjang banyak pengulangan.

Kurva ini kurang cocok sebagai deskripsi lengkap ketika regangan plastis besar terjadi pada setiap siklus. Dalam rezim itu, metode regangan-umur sering lebih tepat.

Inti Praktisnya

Jika suatu komponen gagal karena fatigue, pertanyaannya biasanya bukan "Apakah beban satu kalinya terlalu besar?" Melainkan "Apakah beban berulangnya terlalu tinggi untuk jumlah siklus yang harus mampu ditahan komponen?"

Perubahan cara berpikir inilah yang membuat kurva S-N berguna. Kurva ini menghubungkan tegangan berulang dengan umur yang diharapkan dengan cara yang tidak dapat diberikan oleh kekuatan statis saja.

Coba Kasus Serupa

Ambil satu titik dari kurva S-N dan tanyakan bagaimana tegangan yang diizinkan berubah jika umur yang dibutuhkan meningkat sebesar faktor $10$. Jika Anda ingin mencoba versi Anda sendiri, telusuri kasus serupa dan bandingkan bagaimana desain berubah ketika fatigue, bukan hanya kekuatan statis, yang mengendalikan komponen.