DASAR - DASAR MEKANIKA ( ILMU LOGAM - METALURGI )

TERJEMAHAN DARI BUKU MECHANICAL METALLURGI KARYA DIETER.

Semoga membantu

Bab 1. Dasar - Dasar Mekanika

PENGANTAR

Metalurgi mekanik adalah bidang metalurgi yang terutama berkaitan dengan respon logam terhadap gaya atau beban. Gaya dapat timbul dari penggunaan logam sebagai bagian atau bagian dalam struktur atau mesin, dalam hal ini perlu diketahui sesuatu tentang nilai batas yang dapat dipertahankan tanpa kegagalan. Di sisi lain, tujuannya mungkin untuk mengubah ingot tuang menjadi bentuk yang lebih berguna, seperti pelat datar, dan di sini perlu diketahui kondisi suhu dan laju pembebanan yang meminimalkan gaya yang diperlukan untuk melakukannya. pekerjaan.

Metalurgi mekanik bukanlah subjek yang dapat diisolasi dan dipelajari dengan rapi dengan sendirinya. Ini adalah kombinasi dari banyak disiplin ilmu dan banyak pendekatan untuk masalah pemahaman respon material terhadap gaya. Di satu sisi adalah pendekatan yang digunakan dalam kekuatan material dan dalam teori elastisitas dan plastisitas, di mana logam dianggap sebagai material homogen yang perilaku mekanisnya dapat dijelaskan secara tepat berdasarkan hanya beberapa konstanta material. Pendekatan ini adalah dasar untuk desain rasional elemen struktural dan bagian mesin. Topik kekuatan bahan, elastisitas, dan plastisitas dibahas di Bagian Satu buku ini dari sudut pandang yang lebih umum daripada yang biasanya dipertimbangkan dalam kursus pertama tentang kekuatan bahan.

Materi di Bab. 1 sampai 3 dapat dianggap sebagai kerangka matematis yang menjadi dasar sebagian besar sisa buku ini. Untuk mahasiswa teknik yang telah mengikuti kursus lanjutan dalam kekuatan material atau desain mesin, mungkin akan memungkinkan untuk membaca sekilas bab-bab ini dengan cepat. Namun, bagi sebagian besar siswa. metalurgi dan untuk melatih insinyur di industri, ada baiknya meluangkan waktu untuk mengenal matematika yang disajikan di Bagian Satu.

Teori kekuatan material, elastisitas, dan plastisitas kehilangan banyak kekuatannya ketika struktur logam menjadi pertimbangan penting dan tidak lagi dapat dianggap sebagai media yang homogen. Contohnya adalah perilaku logam pada suhu tinggi, di mana struktur metalurgi dapat terus berubah seiring waktu, atau dalam transisi ulet-ke-getas, yang terjadi pada baja karbon. Penentuan hubungan antara perilaku mekanik dan struktur (seperti yang terdeteksi terutama dengan teknik mikroskopis dan x-ray) adalah tanggung jawab utama ahli metalurgi mekanik. Ketika perilaku mekanik dipahami dalam hal struktur metalurgi, umumnya mungkin untuk diperbaiki

sifat mekanik atau setidaknya untuk mengontrol mereka. Bagian Dua dari buku ini berkaitan dengan dasar-dasar metalurgi dari perilaku mekanis logam. Siswa metalurgi akan menemukan bahwa beberapa materi di Bagian Dua telah tercakup dalam mata kuliah metalurgi fisik sebelumnya, karena metalurgi mekanik merupakan bagian dari bidang metalurgi fisik yang lebih luas. Namun, mata pelajaran ini dipertimbangkan secara lebih rinci daripada yang biasanya terjadi pada kursus pertama

metalurgi fisik. Selain itu, topik-topik tertentu yang lebih berkaitan dengan metalurgi fisik daripada metalurgi mekanik telah dimasukkan untuk memberikan kesinambungan dan untuk membantu siswa nonmetalurgi yang mungkin tidak memiliki mata kuliah metalurgi fisik.

Tiga bab terakhir dari Bagian Dua terutama membahas konsep atomistik aliran dan rekahan logam. Banyak perkembangan di bidang ini merupakan hasil dari aliansi fisikawan keadaan padat dengan ahli metalurgi. Ini telah menjadi area kemajuan besar. Pengenalan mikroskop elektron transmisi telah menyediakan alat eksperimental yang penting untuk memverifikasi teori dan memandu analisis. Tubuh teori dislokasi dasar disajikan yang berguna untuk memahami perilaku mekanik padatan kristal.

Data dasar mengenai kekuatan logam dan pengukuran untuk kontrol rutin sifat mekanik diperoleh dari sejumlah kecil uji mekanik standar. Bagian Tiga, Penerapan Pengujian Material, membahas masing-masing pengujian mekanis yang umum. bukan dari sudut pandang teknik pengujian yang biasa, melainkan dari pertimbangan tentang apa yang ditunjukkan oleh pengujian ini tentang kinerja layanan logam dan bagaimana variabel metalurgi memengaruhi hasil pengujian ini. Sebagian besar materi di Bagian Satu dan Dua telah digunakan di Bagian Tiga. Diasumsikan bahwa pembaca telah menyelesaikan kursus konvensional dalam pengujian material atau akan secara bersamaan mengambil kursus laboratorium di mana pengenalan teknik pengujian akan diperoleh.

Bagian Empat mempertimbangkan faktor metalurgi dan mekanik yang terlibat dalam pembentukan logam menjadi bentuk yang berguna. Upaya telah dilakukan untuk menyajikan analisis matematis dari proses pengerjaan logam utama, meskipun dalam kasus-kasus tertentu hal ini tidak mungkin dilakukan, baik karena detail yang diperlukan atau karena analisis berada di luar cakupan buku ini. Tidak ada upaya yang dilakukan untuk memasukkan teknologi khusus yang luas yang terkait dengan setiap proses pengerjaan logam, seperti penggulungan atau ekstrusi, meskipun beberapa upaya telah dilakukan untuk memberikan kesan umum tentang peralatan mekanis yang diperlukan dan membiasakan pembaca dengan kosa kata khusus. bidang pengerjaan logam: Penekanan utama telah ditempatkan pada penyajian gambaran yang cukup disederhanakan dari kekuatan yang terlibat dalam setiap proses dan bagaimana faktor geometris dan metalurgi mempengaruhi beban pembentukan dan keberhasilan proses pengerjaan logam.

1-2. KEKUATAN BAHAN ( Mekanika bahan )

Kekuatan material adalah kumpulan pengetahuan yang berhubungan dengan hubungan antara gaya internal, deformasi, dan beban eksternal. Dalam metode analisis umum yang digunakan dalam kekuatan bahan, langkah pertama adalah mengasumsikan bahwa bagian tersebut berada dalam kesetimbangan. Persamaan kesetimbangan statis diterapkan pada gaya yang bekerja pada beberapa bagian tubuh untuk mendapatkan hubungan antara gaya eksternal yang bekerja pada anggota dan gaya internal yang menahan aksi beban eksternal. Karena persamaan kesetimbangan harus dinyatakan dalam bentuk gaya yang bekerja di luar benda, maka perlu mengubah gaya penahan internal menjadi gaya eksternal. Ini dilakukan dengan melewati sebuah pesawat melalui tubuh di tempat tujuan. Bagian tubuh yang berbaring di satu sisi bidang pemotongan dihilangkan dan digantikan oleh gaya yang diberikannya pada bagian potongan dari bagian tubuh yang tersisa. Karena gaya yang bekerja pada "benda bebas" menahannya dalam kesetimbangan, persamaan kesetimbangan dapat diterapkan pada soal.

Gaya penahan internal biasanya diekspresikan oleh tegangan! bekerja pada luasan tertentu, sehingga gaya dalam adalah integral dari tegangan dikali luas diferensial tempat gaya bekerja. Untuk mengevaluasi integral ini, perlu diketahui distribusi tegangan pada luas bidang potong. Distribusi tegangan diperoleh dengan mengamati dan mengukur distribusi regangan pada komponen struktur, karena tegangan tidak dapat diukur secara fisik. Namun, karena tegangan sebanding dengan regangan untuk deformasi kecil yang terlibat dalam sebagian besar pekerjaan, penentuan distribusi regangan memberikan distribusi tegangan. Ekspresi untuk tegangan kemudian disubstitusi ke dalam persamaan kesetimbangan, dan persamaan tersebut diselesaikan untuk tegangan dalam hal beban dan dimensi komponen struktur.

Asumsi penting dalam kekuatan material adalah bahwa benda yang dianalisis bersifat kontinyu, homogen, dan isotropik. Benda kontinu adalah benda yang tidak mengandung rongga atau ruang kosong apa pun. Sebuah benda adalah homogen jika memiliki sifat yang identik di semua titik. Suatu benda dianggap isotropik terhadap beberapa sifat jika sifat tersebut tidak berubah terhadap arah atau orientasi. Properti yang bervariasi dengan orientasi sehubungan dengan beberapa sistem sumbu dikatakan anisotropik.

Untuk tujuan sekarang tegangan didefinisikan sebagai gaya per satuan luas. Regangan istilah pendamping didefinisikan sebagai perubahan panjang per satuan panjang. Definisi yang lebih lengkap akan diberikan kemudian.

Sementara bahan rekayasa seperti baja, besi tuang, dan aluminium mungkin tampak memenuhi kondisi ini jika dilihat pada skala kasar, mudah terlihat ketika dilihat melalui mikroskop bahwa bahan tersebut sama sekali tidak homogen dan isotropik. Sebagian besar logam teknik terdiri dari lebih dari satu fasa, dengan sifat mekanik yang berbeda, sedemikian rupa sehingga pada skala mikro mereka heterogen. Selanjutnya, bahkan logam fase tunggal biasanya akan menunjukkan segregasi kimiawi, dan karena itu sifat-sifatnya tidak akan identik dari titik ke titik. Logam terdiri dari agregat butiran kristal yang memiliki sifat berbeda dalam arah kristalografi yang berbeda. Alasan mengapa persamaan kekuatan material menggambarkan perilaku logam nyata adalah bahwa, secara umum, butiran kristal sangat kecil sehingga, untuk spesimen volume makroskopik apa pun, material secara statistik homogen dan isotropik. Namun, ketika logam mengalami deformasi parah pada arah tertentu, seperti pada penggulungan atau penempaan, sifat mekaniknya mungkin anisotropik pada skala makro. Contoh lain dari sifat anisotropik adalah bahan komposit yang diperkuat serat dan kristal tunggal. Kurangnya kontinuitas mungkin ada pada pengecoran berpori atau bagian metalurgi serbuk dan, pada tingkat atom, pada cacat seperti kekosongan dan dislokasi.

1-3 PERILAKU ELASTIS DAN PLASTIK

Pengalaman menunjukkan bahwa semua bahan padat dapat berubah bentuk saat mengalami beban eksternal. Lebih lanjut ditemukan bahwa hingga beban pembatas tertentu, benda padat akan kembali ke dimensi aslinya ketika beban dihilangkan. Pemulihan dimensi asli dari benda yang berubah bentuk ketika beban dihilangkan dikenal sebagai

perilaku elastis. Beban pembatas di luar mana bahan tidak lagi berperilaku elastis adalah batas elastis. Jika batas elastis terlampaui, benda akan mengalami set permanen atau deformasi saat beban dihilangkan. Benda yang mengalami deformasi permanen dikatakan telah mengalami deformasi plastis.

Untuk sebagian besar material, selama beban tidak melebihi batas elastis, deformasi sebanding dengan beban. Hubungan ini dikenal sebagai hukum Hooke; itu lebih sering dinyatakan sebagai tegangan sebanding dengan regangan. Hukum Hooke mensyaratkan bahwa hubungan beban-deformasi harus linier. Namun, tidak selalu berarti bahwa semua bahan yang berperilaku elastis akan memiliki hubungan tegangan regangan linier. Karet merupakan salah satu contoh bahan dengan hubungan tegangan-regangan nonlinier yang masih memenuhi definisi bahan elastis.

Deformasi elastis pada logam cukup kecil dan membutuhkan instrumen yang sangat sensitif untuk pengukurannya. Instrumen ultrasensitif telah menunjukkan bahwa batas elastis logam jauh lebih rendah daripada nilai yang biasanya diukur dalam uji teknik bahan. Karena alat pengukur menjadi lebih sensitif, batas elastis berkurang, sehingga untuk sebagian besar logam hanya ada kisaran beban yang agak sempit di mana hukum Hooke berlaku secara ketat. Ini, bagaimanapun, adalah yang utama dari kepentingan akademis. Hukum Hooke tetap menjadi hubungan yang cukup valid untuk desain teknik.

Gambar I-I Batang silinder mengalami beban aksial

Gambar 1-2 Diagram benda bebas untuk Gambar 1-1.

1-4. AVERAGE STRESS AND STRAIN

(TEGANGAN RATA-RATA DAN REGANGAN RATA-RATA)

Sebagai titik awal dalam pembahasan tegangan dan regangan, pertimbangkan batang silinder seragam yang dikenai beban tarik aksial (Gbr. 1-1). Asumsikan bahwa. dua tanda pengukur diletakkan pada permukaan batang dalam keadaan tidak tegang dan La adalah panjang pengukur di antara tanda-tanda ini. Sebuah beban P diterapkan pada salah satu ujung batang, dan panjang pengukur mengalami sedikit peningkatan panjang dan penurunan diameter. Jarak antara tanda pengukur telah meningkat sebesar 8, yang disebut deformasi. Regangan linear rata-rata e adalah rasio perubahan panjang dengan panjang aslinya.

Regangan adalah besaran tak berdimensi karena 8 dan La dinyatakan dalam satuan panjang.

Gambar 1-2 menunjukkan diagram benda bebas untuk batang silinder yang ditunjukkan pada Gambar 1-1. Beban eksternal P diseimbangkan oleh gaya penahan internal fa dA, di mana a adalah tegangan normal terhadap bidang potong dan A adalah luas penampang batang. Persamaan kesetimbangan adalah

Jika tegangan didistribusikan secara merata di seluruh area A, yaitu, jika a konstan, Persamaan. (1-2) menjadi

Secara umum, tegangan tidak akan seragam pada luasan A, dan oleh karena itu Eg. (1-3) merupakan stres rata-rata. Agar tegangan benar-benar seragam, setiap elemen longitudinal pada batang harus mengalami regangan yang persis sama, dan proporsionalitas antara tegangan dan regangan harus identik untuk setiap elemen. Anisotropi yang melekat antara butiran dalam logam polikristalin mengesampingkan kemungkinan keseragaman tegangan yang lengkap pada benda berukuran makroskopik. Kehadiran lebih dari satu fase juga menimbulkan ketidakseragaman tegangan pada skala mikroskopis. Jika tulangan tidak lurus atau tidak dibebani terpusat, regangan akan berbeda untuk elemen longitudinal tertentu dan tegangan tidak akan seragam. Gangguan ekstrim dalam keseragaman pola tegangan terjadi ketika ada perubahan penampang yang tiba-tiba. Hal ini menghasilkan peningkatan stres atau konsentrasi stres (lihat Bab 2-15).

Di bawah batas elastis Hukum Hooke dapat dianggap valid, sehingga tegangan rata-rata sebanding dengan regangan rata-rata,

Konstanta E adalah modulus elastisitas, atau modulus Young.

1-5 DEFORMASI TARIK PADA LOGAM ULET ( DUCTILE )

Data dasar tentang sifat mekanik logam ulet diperoleh dari uji tarik, di mana spesimen yang dirancang dengan sesuai dikenai beban aksial yang meningkat hingga patah. Beban dan elongasi diukur pada interval yang sering selama pengujian dan dinyatakan sebagai tegangan dan regangan rata-rata menurut persamaan pada bagian sebelumnya. (Rincian lebih lengkap tentang uji tegangan diberikan di Bab 8.)

Data yang diperoleh dari uji tarik umumnya diplot sebagai diagram tegangan-regangan. Gambar 1-3 menunjukkan kurva tegangan-regangan tipikal untuk logam seperti aluminium atau tembaga. Bagian linier awal dari kurva OA adalah daerah elastis yang di dalamnya hukum Hooke dipatuhi. Titik A adalah batas elastis, yang didefinisikan sebagai tegangan terbesar yang dapat ditahan logam tanpa mengalami regangan permanen saat beban dihilangkan. Penentuan batas elastis cukup membosankan, sama sekali tidak rutin, dan bergantung pada kepekaan instrumen pengukur regangan. Untuk alasan ini sering diganti dengan batas proporsional, titik A'. Batas proporsional adalah tegangan di mana kurva tegangan-regangan menyimpang dari linearitas. Kemiringan kurva tegangan-regangan di wilayah ini adalah modulus elastisitas.

Gambar 1-3 Kurva tegangan-regangan tegangan tipikal.

Untuk keperluan teknik batas perilaku elastis yang dapat digunakan dijelaskan oleh kekuatan luluh, titik B. Kekuatan luluh didefinisikan sebagai tegangan yang akan menghasilkan sejumlah kecil deformasi permanen, umumnya sama dengan regangan. 0,002. Pada Gambar 1-3 regangan permanen ini, atau offset, adalah OC. Deformasi plastis dimulai ketika batas elastis terlampaui. Ketika deformasi plastis spesimen meningkat, logam menjadi lebih kuat (pengerasan regangan) sehingga beban yang diperlukan untuk memperpanjang spesimen meningkat dengan regangan lebih lanjut. Akhirnya beban mencapai nilai maksimum. Beban maksimum dibagi dengan luas asli spesimen adalah kekuatan tarik ultimat. Untuk logam ulet, diameter spesimen mulai berkurang dengan cepat melebihi beban maksimum, sehingga beban yang diperlukan untuk melanjutkan deformasi turun hingga spesimen patah. Karena tegangan rata-rata didasarkan pada luas asli spesimen, tegangan juga berkurang dari beban maksimum hingga patah.

1-6 PERILAKU DUCTILE ( ULET ) VS BRITTLE ( GETAS )

Perilaku umum material di bawah beban dapat diklasifikasikan sebagai ulet atau rapuh tergantung pada apakah material tersebut menunjukkan kemampuan untuk mengalami deformasi plastis atau tidak. Gambar 1-3 mengilustrasikan kurva tegangan-regangan tegangan dari bahan ulet. Bahan yang benar-benar rapuh akan patah hampir pada batas elastis (Gbr. 1-4a), sedangkan logam rapuh, seperti besi tuang putih, menunjukkan sedikit plastisitas sebelum patah (Gbr. 1-4b). Daktilitas yang memadai merupakan pertimbangan teknik yang penting, karena memungkinkan material untuk mendistribusikan kembali tekanan lokal. Ketika tegangan lokal pada takikan dan konsentrasi tegangan tidak disengaja lainnya tidak harus dipertimbangkan, maka desain untuk situasi statis dapat dilakukan berdasarkan tegangan rata-rata. Namun, dengan bahan yang rapuh, tekanan lokal terus bertambah ketika tidak ada hasil lokal. Akhirnya, retakan terbentuk pada satu atau lebih titik konsentrasi tegangan, dan menyebar dengan cepat ke seluruh bagian. Bahkan jika tidak ada konsentrasi tegangan pada bahan rapuh, patahan masih akan terjadi secara tiba-tiba karena tegangan luluh dan kekuatan tarik hampir identik.

Penting untuk dicatat bahwa kerapuhan bukanlah sifat mutlak dari logam. Logam seperti tungsten, yang rapuh pada suhu kamar, ulet pada suhu tinggi. Sebuah logam yang rapuh dalam ketegangan mungkin ulet di bawah kompresi hidrostatik. Selain itu, logam yang ulet dalam tegangan pada suhu kamar dapat menjadi rapuh dengan adanya takikan, suhu rendah, kecepatan pemuatan yang tinggi, atau zat penggetas seperti hidrogen.

Gambar 1-4 (a) Kurva tegangan-regangan untuk material yang benar-benar rapuh (perilaku ideal); (b) kurva tegangan-regangan untuk logam rapuh dengan sedikit daktilitas.

1-7 APA YANG MENYEBABKAN KEGAGALAN ?

Anggota struktural dan elemen mesin dapat gagal menjalankan fungsi yang dimaksudkan dalam tiga cara umum:

1. Deformasi elastis yang berlebihan

2. Menghasilkan, atau deformasi plastis yang berlebihan

3. Fraktur

Pemahaman tentang jenis-jenis keruntuhan yang umum adalah penting dalam desain yang baik karena selalu diperlukan untuk menghubungkan beban dan dimensi komponen struktur dengan beberapa parameter material penting yang membatasi kapasitas pemikul beban komponen struktur. Untuk jenis kegagalan yang berbeda, parameter signifikan yang berbeda akan menjadi penting.

Dua tipe umum dari deformasi elastis berlebihan dapat terjadi: (1) defleksi berlebihan pada kondisi kesetimbangan stabil, seperti defleksi balok pada beban yang diterapkan secara bertahap; (2) defleksi tiba-tiba, atau tekuk, dalam kondisi kesetimbangan yang tidak stabil.

Deformasi elastis yang berlebihan pada bagian mesin dapat berarti kegagalan mesin sama seperti jika bagian tersebut benar-benar retak. Misalnya, poros yang terlalu fleksibel dapat menyebabkan keausan bantalan yang cepat, atau defleksi yang berlebihan pada bagian yang saling berdekatan dapat mengakibatkan gangguan dan kerusakan pada bagian tersebut. Jenis keruntuhan tekuk mendadak dapat terjadi pada kolom ramping ketika beban aksial melebihi beban kritis Euler atau ketika tekanan eksternal yang bekerja terhadap cangkang berdinding tipis melebihi nilai kritis. Kegagalan karena elastis berlebihan

deformasi dikendalikan oleh modulus elastisitas, bukan oleh kekuatan material. Umumnya, kontrol metalurgi kecil dapat dilakukan pada modulus elastisitas. Cara yang paling efektif untuk meningkatkan kekakuan suatu komponen struktur biasanya dengan mengubah bentuknya dan meningkatkan dimensi penampangnya.

Leleh atau deformasi plastis yang berlebihan, terjadi ketika batas elastis logam telah terlampaui. Menghasilkan menghasilkan perubahan bentuk permanen, yang dapat mencegah bagian dari berfungsi dengan baik lagi. Dalam logam ulet di bawah kondisi pembebanan statis pada suhu kamar, leleh jarang menghasilkan fraktur, karena regangan logam mengeras saat berubah bentuk, dan tegangan yang meningkat diperlukan untuk menghasilkan deformasi lebih lanjut. Kegagalan oleh deformasi plastis yang berlebihan dikendalikan oleh kekuatan luluh logam untuk kondisi pembebanan uniaksial. Untuk kondisi pembebanan yang lebih kompleks, kekuatan luluh masih merupakan parameter yang signifikan, tetapi harus digunakan dengan kriteria keruntuhan yang sesuai (Bag. 3-4). Pada suhu yang secara signifikan lebih besar dari suhu kamar, logam tidak lagi menunjukkan pengerasan regangan. Sebaliknya, logam dapat terus menerus berubah bentuk pada tekanan konstan dalam waktu f yang bergantung pada hasil yang dikenal sebagai mulur. Kriteria keruntuhan pada kondisi mulur diperumit oleh fakta bahwa tegangan tidak sebanding dengan regangan dan fakta lebih lanjut bahwa sifat mekanik material dapat berubah cukup besar selama pelayanan. Fenomena kompleks ini akan dipertimbangkan secara lebih rinci di Bab. 13.

Terbentuknya retakan yang dapat mengakibatkan terputusnya kontinuitas komponen struktur secara keseluruhan merupakan fraktur. Bagian yang terbuat dari logam ulet yang dibebani secara statis jarang patah seperti spesimen tarik, karena pertama-tama akan gagal karena deformasi plastis yang berlebihan. Namun, logam gagal karena patah dalam tiga cara umum: (1) patah getas secara tiba-tiba; (2) kelelahan, atau fraktur progresif; (3) fraktur tertunda. Pada bagian sebelumnya telah ditunjukkan bahwa bahan rapuh patah di bawah beban statis dengan sedikit bukti luluh. Jenis patahan getas yang tiba-tiba juga dapat terjadi pada logam ulet biasa dalam kondisi tertentu. Baja struktural karbon polos adalah contoh paling umum dari material dengan transisi ulet-ke-getas. Perubahan dari jenis patahan ulet ke getas didorong oleh penurunan suhu, peningkatan laju pembebanan, dan adanya keadaan tegangan yang kompleks akibat takik. Masalah ini dipertimbangkan dalam Bab. 14. Metode analisis yang kuat dan cukup umum untuk masalah patah getas adalah teknik yang disebut mekanika patahan. Ini diperlakukan secara rinci dalam Bab. 11.

Sebagian besar patah tulang pada bagian-bagian mesin disebabkan oleh kelelahan. Kegagalan kelelahan terjadi pada bagian-bagian yang mengalami tekanan bolak-balik, atau berfluktuasi. Retakan kecil dimulai pada titik lokal, umumnya pada takik atau konsentrasi tegangan, dan secara bertahap menyebar ke seluruh penampang sampai bagian tersebut patah. Kegagalan kelelahan terjadi tanpa tanda-tanda luluh yang terlihat pada tegangan nominal atau rata-rata yang jauh di bawah kekuatan tarik logam. Kegagalan kelelahan disebabkan oleh tegangan tarik lokal kritis yang sangat sulit untuk dievaluasi, dan oleh karena itu desain untuk kegagalan kelelahan didasarkan terutama pada hubungan empiris menggunakan tegangan nominal. Kelelahan logam dibahas secara lebih rinci dalam Bab. 12.

Salah satu jenis fraktur tertunda yang umum adalah kegagalan tegangan-pecah, yang terjadi ketika logam telah dimuat secara statis pada suhu tinggi untuk jangka waktu yang lama. Bergantung pada tekanan dan suhu, mungkin tidak ada luluh sebelum patah. Jenis patah tulang tunda yang serupa, di mana tidak ada peringatan dengan leleh sebelum keruntuhan, terjadi pada suhu kamar ketika baja dibebani secara statis dengan adanya hidrogen.

Semua bahan teknik menunjukkan variabilitas tertentu dalam sifat mekanik, yang pada gilirannya dapat dipengaruhi oleh perubahan perlakuan panas atau fabrikasi. Selanjutnya, ketidakpastian biasanya ada mengenai besarnya beban yang diterapkan, dan penaksiran biasanya diperlukan dalam menghitung tegangan untuk semua bagian kecuali komponen struktur yang paling sederhana. Penyisihan harus dibuat untuk kemungkinan muatan tak disengaja dengan besaran tinggi. Jadi, untuk memberikan margin keselamatan dan untuk melindungi terhadap kegagalan dari sebab-sebab yang tidak terduga, tegangan yang diijinkan harus lebih kecil daripada tegangan yang menghasilkan kegagalan. Nilai tegangan untuk bahan tertentu yang digunakan dengan cara tertentu yang dianggap sebagai tegangan aman biasanya disebut tegangan kerja aw• Untuk aplikasi statis tegangan kerja logam ulet biasanya didasarkan pada kekuatan luluh ao dan untuk logam rapuh pada kekuatan tarik ultimit au. Nilai stres kerja ditetapkan oleh lembaga lokal dan federal dan oleh organisasi teknis seperti American Society of Mechanical Engineers (ASME). Tegangan kerja dapat dianggap sebagai kekuatan luluh atau kekuatan tarik dibagi dengan angka yang disebut faktor keamanan.

Nilai yang diberikan pada faktor keamanan bergantung pada perkiraan semua faktor yang dibahas di atas. Selain itu, pertimbangan yang hati-hati harus diberikan pada konsekuensi yang akan dihasilkan dari kegagalan. Jika kegagalan akan mengakibatkan hilangnya nyawa, faktor keamanan harus ditingkatkan. Jenis peralatan juga akan mempengaruhi faktor keamanan. Dalam peralatan Inilitary, di mana bobot yang ringan mungkin menjadi pertimbangan utama, faktor keamanan mungkin lebih rendah daripada peralatan komersial. Faktor keamanan juga akan bergantung pada jenis pembebanan yang diharapkan. Untuk pembebanan statis, seperti pada gedung, faktor keamanan akan lebih rendah daripada mesin, yang mengalami getaran dan tegangan yang berfluktuasi.

1-8 KONSEP STRES (TEGANGAN) DAN JENIS-JENIS STRES (TEGANGAN)

Stres didefinisikan sebagai gaya per satuan luas. Di Detik. 1-4 tegangan dianggap merata di seluruh luas penampang anggota. Namun, ini bukan kasus umum. Gambar I-Sa merepresentasikan benda dalam kesetimbangan di bawah aksi gaya eksternal PI' P2, ••• , Ps. Ada dua jenis gaya luar yang dapat bekerja pada benda: gaya permukaan dan gaya benda. Gaya yang didistribusikan di atas permukaan benda, seperti tekanan hidrostatik atau tekanan yang diberikan oleh satu benda ke benda lain, disebut gaya permukaan. Gaya yang didistribusikan pada volume benda, seperti gaya gravitasi, gaya magnet, atau gaya inersia (untuk benda yang bergerak), disebut gaya benda. Dua jenis gaya benda yang paling umum dijumpai dalam praktik keteknikan adalah gaya sentrifugal akibat rotasi berkecepatan tinggi dan gaya akibat perbedaan suhu pada benda (tegangan termal).

Secara umum gaya tidak akan terdistribusi secara merata pada setiap penampang tubuh yang diilustrasikan pada Gambar. I-Sa. Untuk mendapatkan tegangan pada suatu titik 0 pada suatu bidang seperti mm, bagian 1 dari benda dihilangkan dan diganti dengan sistem gaya luar pada mm yang akan mempertahankan setiap titik pada bagian 2 dari benda pada posisi yang sama seperti sebelumnya. penghapusan bagian 1. Ini adalah situasi pada Gambar. 1-5b. Kami kemudian mengambil area ΔA yang mengelilingi titik 0 dan perhatikan bahwa gaya ΔP bekerja

Gambar 1-5 (a) Benda dalam kesetimbangan di bawah aksi gaya eksternal PI"'" Ps; (b) gaya yang bekerja pada bagian-bagian.

di daerah ini. Jika luas ΔA terus dikurangi menjadi nol, nilai batas rasio ΔP/ ΔA adalah tegangan pada titik 0 pada bidang mm benda 2.

Tegangan akan searah dengan resultan gaya P dan umumnya akan membentuk sudut terhadap ΔA. Tegangan yang sama pada titik 0 pada bidang mm akan diperoleh jika benda bebas dibangun dengan menghilangkan bagian 2 dari benda padat. Namun, tegangan akan berbeda pada bidang lain yang melewati titik 0, seperti bidang nn.

Tidak nyaman menggunakan tegangan yang condong pada suatu sudut yang berubah-ubah terhadap daerah di mana tegangan itu bekerja. Tegangan total dapat diselesaikan menjadi dua komponen, tegangan normal tegak lurus terhadap ΔA, dan tegangan geser (atau tegangan geser) 7" yang terletak pada bidang mm luas. Untuk mengilustrasikan hal ini, perhatikan

Gambar 1-6. Resolusi tegangan total ke dalam komponen-komponennya.

Gambar 1-6. gaya P membentuk sudut 0 dengan garis normal z terhadap bidang luas A. Juga, bidang yang memuat garis normal dan P memotong bidang A sepanjang garis putus-putus yang membentuk sudut 0 dengan sumbu y. Tegangan normal diberikan oleh

Tegangan geser pada bidang bekerja sepanjang garis OC dan memiliki besaran

Tegangan geser ini selanjutnya dapat diselesaikan menjadi komponen-komponen yang sejajar dengan arah x dan y yang terletak pada bidang.

Oleh karena itu, secara umum bidang tertentu dapat memiliki satu tegangan normal dan dua tegangan geser yang bekerja padanya.

1-9 KONSEP REGANGAN DAN JENIS-JENIS REGANGAN

Di bagian. 1-4 regangan linier rata-rata didefinisikan sebagai rasio perubahan panjang dengan panjang asli dari dimensi yang sama.

Dengan analogi dengan definisi tegangan pada suatu titik, regangan pada suatu titik adalah rasio deformasi terhadap panjang gage ketika panjang gage mendekati nol.

Daripada merujuk perubahan panjang ke panjang gage asli, seringkali lebih berguna untuk. mendefinisikan regangan sebagai perubahan dalam dimensi linier dibagi dengan nilai sesaat dari dimensi.

Persamaan di atas mendefinisikan regangan alami, atau benar. Regangan sejati, yang berguna untuk mengatasi masalah plastisitas dan pembentukan logam, akan dibahas lebih lengkap di Bab. 3. Untuk saat ini perlu dicatat bahwa untuk regangan yang sangat kecil yang persamaan elastisitasnya valid, kedua definisi regangan memberikan nilai yang identik.

Deformasi elastis benda tidak hanya akan menghasilkan perubahan panjang elemen linier pada benda, tetapi juga dapat mengakibatkan perubahan sudut awal antara dua garis mana pun. Perubahan sudut dalam sudut kanan dikenal sebagai regangan geser.

Gambar 1-7 mengilustrasikan regangan yang dihasilkan oleh geseran murni satu sisi kubus. Sudut di A, yang awalnya 90 derajat, berkurang dengan penerapan tegangan geser sejumlah kecil f). Regangan geser y sama dengan perpindahan a dibagi jarak antar bidang, h. Rasio a/h juga merupakan garis singgung dari sudut di mana elemen telah diputar. Untuk sudut kecil yang biasanya terlibat, garis singgung sudut dan sudut (dalam radian) adalah sama. Oleh karena itu, regangan geser sering dinyatakan sebagai sudut rotasi.

1-10 SATUAN STRES (tegangan) DAN lainnya

Sistem Satuan Internasional, biasanya disebut SI (untuk Systeme International), diikuti dalam buku ini dan dirangkum dalam Lampiran A. Ada tujuh satuan dasar SI untuk mengukur besaran, yaitu meter (m) untuk panjang, kilogram (kg) untuk massa, detik (s) untuk waktu, ampere (A) untuk arus listrik, kelvin (K) untuk suhu termodinamika, mol (mol) untuk jumlah zat, dan candela (cd) untuk intensitas cahaya. Semua unit lain berasal dari ini.

Beberapa unit turunan memiliki nama khusus. Misalnya, frekuensi diukur dalam satuan s -1 (yaitu per detik), dan satuan ini dikenal sebagai hertz (Hz); gaya diukur dalam satuan m kg S-2 (yaitu gaya yang diperlukan untuk mempercepat satu kg hingga percepatan satu meter per detik kuadrat), dan satuan turunan ini disebut newton (N); tegangan memiliki dimensi gaya per satuan luas dan karenanya diukur dalam satuan N m - 2, yang dikenal sebagai pascal (Pa). Perhatikan bahwa karena percepatan gravitasi adalah 9,807 m s- 2, beban 1 kg menghasilkan gaya sebesar 9,807 N. Dapat dilihat dari Lampiran A bahwa meskipun besaran yang berbeda dapat dinyatakan dalam satuan turunan yang berbeda, satuan tersebut dapat berupa identik bila dinyatakan dalam satuan dasar (misalnya stres dan kepadatan energi).

Untuk menghindari pendeskripsian besaran dengan angka yang sangat besar atau kecil secara eksplisit, sistem prefiks digunakan untuk menunjukkan kelipatan dari suatu satuan (lihat Lampiran A). Sebagai contoh, tegangan 1 Pa sangat kecil, dan sebagian besar tekanan kepentingan praktis berada dalam rentang 10 pangkat 6 Pa hingga 1011 Pa. Rentang ini lebih mudah dinyatakan dengan menggunakan kelipatan 1 MPa hingga 100 GPa. Unit dalam produk dipisahkan dalam buku ini dengan spasi, mis. MJ m - 3 bukan MJm- 3: ini tidak benar-benar diperlukan tetapi merupakan bantuan untuk kejelasan.

Akhirnya harus ditekankan kembali bahwa ketegangan hanyalah sebuah angka. Ini adalah kuantitas tanpa dimensi dan tidak dinyatakan dalam satuan fisik.

Contoh Tegangan geser yang diperlukan untuk memunculkan retakan batas butir pada deformasi suhu tinggi telah diperkirakan

di mana 'Yb adalah energi permukaan batas butir, katakanlah 2 J m-2

; G adalah modulus geser, 75 GPa; L adalah jarak geser batas butir, diasumsikan sama dengan diameter butir 0,01 mm, dan v adalah rasio Poisson, v = 0,3. Untuk menghitung 7″, kita perlu memastikan bahwa unit-unitnya konsisten dan prefiksnya telah dievaluasi dengan benar.