ASTM E399 Ketangguhan Retak Tegangan Bidang Elastis Linier pada Material Logam

Standar ASTM E399, yang dikembangkan oleh American Society for Testing and Materials (ASTM), menjelaskan metode pengujian untuk menentukan ketangguhan retak material logam dalam kondisi tegangan bidang elastis linier, menggunakan spesimen yang telah mengalami retak akibat kelelahan dengan ketebalan 1,6 mm atau lebih.

Dalam metode ini, sampel dikenai gaya perpindahan retakan yang meningkat secara perlahan atau, dalam kasus khusus (selektif), secara cepat. Rincian alat uji, konfigurasi sampel, dan prosedur eksperimental diberikan dalam standar ini. Dua prosedur untuk menghitung nilai ketangguhan retak menggunakan data eksperimental diuraikan:

Prosedur pengujian KIc: Prosedur pengujian ini bergantung pada pertumbuhan retak hingga 2% dari lebar sampel. Hal ini dapat menyebabkan peningkatan kurva ketahanan-ketangguhan retak tergantung pada ukuran sampel, dengan sampel yang lebih besar menghasilkan hasil ketahanan retak yang lebih tinggi.
Prosedur pengujian KIsi: Prosedur pengujian ini didasarkan pada jumlah perpanjangan retak konstan sebesar 0,5 mm, dan sebagai hasilnya, KIsi kurang sensitif terhadap ukuran sampel dibandingkan KIc. Ketangguhan retak yang kurang sensitif terhadap ukuran (KIsi) ini disebut sebagai tidak sensitif terhadap ukuran di seluruh metode pengujian ini.

Pengujian ketahanan patahan tarik bidang untuk material yang lebih tipis dari 1,6 mm dan cukup rapuh dapat dilakukan menggunakan jenis sampel lain. Tidak ada metode pengujian standar untuk material setipis ini.

ASTM E399 adalah standar mekanika fraktur yang banyak digunakan, dikembangkan untuk menentukan ketangguhan fraktur tarik bidang elastis linier dari material logam. Sifat fundamental yang diukur oleh pengujian ini adalah KIc, yang menggambarkan ketahanan logam terhadap pertumbuhan retak yang tidak stabil ketika terdapat retak tajam di bawah tegangan tarik yang parah.

Ketahanan terhadap retak sangat penting karena suatu komponen dapat retak meskipun tegangan nominalnya berada di bawah kekuatan tarik atau kekuatan luluh konvensional material tersebut, jika terdapat retakan atau cacat yang cukup besar.

Standar ASTM E399 menetapkan persyaratan untuk mengukur ketahanan retak dalam kondisi tegangan bidang elastis linier dominan. Metode ini menggunakan spesimen yang mengandung retakan pra-kelelahan dan menerapkan gaya perpindahan retakan yang meningkat hingga terjadi patahan.

Standar ini dirancang terutama untuk material logam di mana daerah plastis ujung retakan cukup kecil dibandingkan dengan dimensi sampel yang relevan. Hal ini memungkinkan perilaku patahan dikarakterisasi menggunakan mekanika patahan elastis linier.

Standar ASTM E399 mencakup KIc dan juga menyediakan prosedur opsional untuk menentukan KIsi dalam kondisi tertentu.

Ketahanan terhadap retak adalah ukuran kemampuan suatu material untuk menahan perambatan retak. Hal ini berbeda dengan kekuatan tarik. Sementara kekuatan tarik menggambarkan seberapa besar tegangan yang dapat ditahan suatu material sebelum terjadi retak tarik, ketahanan terhadap retak memperhitungkan efek gabungan dari:

Tegangan yang diterapkan
Ukuran retakan
Geometri retakan
Sifat material
Konsentrasi tegangan pada ujung retakan.

Material dengan ketahanan retak yang tinggi dapat menahan retakan yang relatif besar tanpa mengalami kerusakan fatal, dibandingkan dengan material yang memiliki ketahanan retak rendah.

Simbol KIc mewakili ketangguhan patahan tarik bidang suatu material. Nilai ini mencirikan ketahanan material terhadap patahan dalam lingkungan netral ketika dikenai retakan tajam dan kondisi yang mendekati perilaku tarik bidang elastis linier. Standar ini menetapkan bahwa untuk interpretasi KIc yang dimaksud, zona plastis ujung retakan harus tetap kecil relatif terhadap ukuran retakan, ketebalan spesimen, dan jaringan ikat yang tersisa.

Ketika konsentrasi tegangan mencapai ketangguhan retak kritis material di bawah kondisi tegangan bidang yang berlaku, pertumbuhan retak yang tidak stabil dapat terjadi.

Prosedur standar ASTM E399 umumnya mengikuti langkah-langkah dasar berikut:

Persiapan sampel: Sampel logam disiapkan menggunakan proses yang sesuai berdasarkan konfigurasi sampel yang cocok.
Persiapan takik: Sampel tersebut mencakup takik awal yang tajam.
Pembuatan retakan awal akibat kelelahan: Pembebanan siklik digunakan untuk memperpanjang takik awal dan menciptakan retakan kelelahan yang tajam.
Pengukuran dimensi: Dimensi sampel utama dan dimensi retakan diukur.
Pengujian beban patahan: Gaya dan perpindahan dicatat saat sampel diberi beban dalam kondisi terkontrol.
Analisis catatan beban-perpindahan: Beban karakteristik yang digunakan untuk menghitung ketangguhan sementara ditentukan.
Perhitungan KIq (atau Kq): Nilai ketahanan retak sementara dihitung.
Penilaian validasi: Dimensi sampel, perilaku pembebanan, geometri retakan, dan persyaratan lainnya diperiksa.
Pelaporan: Jika persyaratan validitas terpenuhi, hasilnya dapat dilaporkan sebagai KIc.

Standar ASTM E399 memberikan persyaratan untuk berbagai konfigurasi spesimen. Versi terbaru secara khusus mencakup hal-hal berikut:

Spesimen tarik kompak: Ini adalah salah satu konfigurasi yang paling umum digunakan dalam pengujian ketahanan retak. Beban diterapkan melalui lubang di dekat bukaan retak spesimen, menciptakan beban tarik yang mendorong pembukaan retak.
Spesimen lentur tepi tunggal: Spesimen biasanya dikenai lenturan menggunakan susunan pembebanan tiga titik. Ini adalah geometri lain yang umum digunakan untuk menentukan ketangguhan patahan tarik bidang.
Spesimen kompak berbentuk cakram: Ini memberikan konfigurasi alternatif yang dapat berguna ketika material atau geometri spesimen mendukung spesimen berbentuk cakram.
Spesimen berbentuk pegas: Standar ini juga mencakup persyaratan untuk spesimen tarik berbentuk pegas dan spesimen lentur berbentuk pegas.

Konfigurasi sampel yang dipilih bergantung pada material, volume material yang tersedia, geometri komponen, dan persyaratan laboratorium.

Salah satu aspek terpenting dari standar ASTM E399 adalah menciptakan retakan yang cukup tajam sebelum uji patahan akhir. Takik yang dibuat dengan mesin tidak selalu mereproduksi ketajaman dan konsentrasi tegangan dari retakan yang terjadi secara alami. Oleh karena itu, spesimen dikenai pembebanan siklik terkontrol untuk memperlebar takik dan menciptakan retakan pra-kelelahan. Hal ini memberikan kondisi ujung retakan yang lebih realistis untuk uji mekanika patahan.

Beberapa pengukuran sangat penting dalam standar ASTM E399:

Beban yang diterapkan: Gaya yang diterapkan pada sampel selama uji patahan dipantau secara terus menerus.
Panjang retakan: Karena perhitungan intensitas tegangan sangat bergantung pada geometri retakan, panjang retakan kelelahan awal harus ditentukan secara akurat.
Dimensi sampel: Dimensi seperti ketebalan dan lebar penting untuk perhitungan ketahanan retak dan penilaian validasi.
Pergeseran bukaan mulut patahan: Pergeseran di dekat mulut patahan memberikan informasi penting tentang perilaku sampel selama pembebanan.

Standar ASTM E399 penting karena ketahanan terhadap retak merupakan sifat rekayasa yang sangat penting untuk struktur yang mengandung, atau berpotensi mengandung, retakan dan cacat. Standar ini menyediakan metode yang terkontrol dan dapat diulang untuk mengevaluasi sifat ini. Area aplikasinya meliputi:

Struktur kedirgantaraan
Komponen pesawat terbang
Komponen otomotif
Bejana tekan
Peralatan produksi energi
Komponen nuklir
Peralatan minyak dan gas
Jembatan dan komponen struktural
Mesin berat
Peralatan pertahanan
Struktur logam berkekuatan tinggi
Struktur logam berkekuatan tinggi

Selama bertahun-tahun, organisasi kami, dengan tim yang kompeten dan berpengalaman, telah memahami kebutuhan klien, menyediakan layanan pengujian canggih yang mereka butuhkan, dan membantu mereka dalam pembentukan, implementasi, dan peningkatan sistem manajemen. Dalam kerangka kerja ini, kami juga menyediakan layanan pengujian sesuai dengan standar ASTM E399.