Analisis Kasus Fraktur Kelelahan Bending Khas Baut Stud Pengikat

Kegagalan kelelahan adalah salah satu mode kegagalan komponen mekanis yang paling umum. Data statistik menunjukkan bahwa 50% hingga 80% dari seluruh kegagalan komponen mekanis disebabkan oleh kerusakan akibat kelelahan. Sebelum terjadinya patah lelah, komponen biasanya tidak menunjukkan deformasi plastis atau tanda-tanda pra-kerusakan yang jelas. Namun demikian, patah tulang akibat kelelahan terjadi secara tiba-tiba dan merusak, sering kali menyebabkan kerusakan peralatan yang parah dan kecelakaan keselamatan. Kerusakan akibat kelelahan mengikuti hukum inisiasi dan propagasi tertentu dan akhirnya berkembang menjadi fraktur kelelahan total.

Definisi Kelelahan: Kelelahan logam mengacu pada penurunan sifat mekanis bahan logam secara terus-menerus akibat aksi siklik berulang akibat tegangan atau regangan yang bergantian.

Definisi Fraktur Kelelahan: Ketika bahan logam terkena tegangan dan regangan bolak-balik siklik dalam jangka panjang, terjadi perubahan mikrostruktur lokal dan penyebaran cacat internal secara terus-menerus, yang mengakibatkan penurunan sifat mekanik dan akhirnya patah total pada komponen. Proses kegagalan ini didefinisikan sebagai fraktur kelelahan. Tegangan yang menyebabkan patah lelah umumnya jauh lebih rendah dari batas kekuatan statis material. Fraktur kelelahan ditandai dengan kejadian yang tiba-tiba, lokalitas yang tinggi, dan sensitivitas yang tinggi terhadap kerusakan permukaan dan internal.

1. Analisis Morfologi Makroskopis Permukaan Rekahan

Objek penelitian dalam hal ini adalah baut stud retak yang digunakan pada peralatan turbin angin. Ciri-ciri morfologi makroskopis permukaan rekahan dianalisis sebagai berikut:

1. Sisi kiri dan kanan bawah permukaan rekahan menunjukkan morfologi cekung dan cembung yang tidak beraturan. Sisi kiri menunjukkan lekukan cembung berbentuk busur, sedangkan sisi kanan tersebar dengan beberapa takik bergerigi kecil. Busur bagian bawah patahan membentuk ujung tombak yang tajam.

2. Area tengah rekahan yang luas berfungsi sebagai daerah perambatan retakan, ditutupi dengan tanda pantai yang jelas, yang merupakan ciri makroskopis khas dari rekahan lelah.

3. Jejak karat terlihat pada permukaan rekahan di zona inisiasi retakan dan zona perambatan tanda pantai, yang disebabkan oleh paparan lingkungan luar dalam jangka waktu lama.

4. Zona rekahan sesaat menghadirkan bibir geser yang lebar dan halus dengan permukaan rekahan halus dan cerah bebas karat. Hal ini menunjukkan bahwa patahan akhir terjadi dengan cepat dan termasuk dalam patahan sesaat yang ulet.

5. Betis bawah dari tiang yang retak memiliki permukaan yang halus dan cerah dengan bekas gesekan yang jelas, membentuk permukaan busur halus yang dihasilkan oleh gesekan berulang dalam jangka panjang.

6. Tidak ditemukan necking atau deformasi yang jelas pada posisi patah, sehingga tidak termasuk kemungkinan patah tarik akibat beban berlebih.

2. Analisis Mekanisme Kegagalan Makroskopis

1. Retakan dimulai pada sisi bawahbaut pejantan. Tepi tajam yang halus, takik bergerigi, dan celah berbentuk busur di bagian bawah betis membentuk daerah konsentrasi tegangan, yang merupakan sumber inisiasi retakan asli.

2. Fitur tanda pantai di zona perambatan retakan sangat menonjol. Pada tahap perambatan awal, jarak tanda pantai kecil, menunjukkan pertumbuhan retakan yang stabil dan lambat di bawah tekanan tangensial siklik. Pada tahap perambatan selanjutnya, jaraknya meningkat secara signifikan, menunjukkan percepatan perambatan retak dan peningkatan risiko kegagalan.

3. Bibir geser yang lebar, halus dan cerah di zona patahan sesaat menunjukkan karakteristik patahan ulet yang khas, membuktikan bahwa tiang memiliki kekuatan dan ketangguhan yang serasi dengan sifat mekanik komprehensif yang sangat baik.

4. Permukaan busur halus pada sisi tiang merupakan morfologi gesekan yang khas. Hal ini menunjukkan bahwa stud mengalami tegangan bolak-balik lateral jangka panjang, terus menerus berbalas selama pengoperasian, dan menghasilkan gesekan dan ekstrusi berulang dengan dinding lubang roda gigi, yang akhirnya membentuk permukaan halus yang dipoles.

Kesimpulan Makroskopis: Patah tulang tiang merupakan patah tulang lelah lentur yang khas. Zona rekahan sesaat memberikan karakteristik rekahan ulet yang menguntungkan tanpa fitur rekahan getas.

3. Analisis Morfologi Mikroskopis

Untuk lebih memperjelas mekanisme rekahan, deteksi mikroskopis pemindaian mikroskop elektron (SEM) dilakukan pada spesimen rekahan untuk mengamati fitur mikrostruktur dari berbagai daerah rekahan.

1. Pengamatan SEM menunjukkan guratan-guratan kelelahan yang berbeda dan teratur pada zona perambatan retakan, yang merupakan gambaran mikroskopis inti dari retakan kelelahan logam dan sesuai dengan tanda pantai makroskopis, yang mengkonfirmasikan kegagalan kelelahan.

2. Sejumlah besar lesung pipit yang terdistribusi secara merata diamati pada gambar SEM, yang merupakan manifestasi mikroskopis khas dari ketangguhan material yang sangat baik. Hal ini cocok dengan bibir geser lebar di zona rekahan makroskopis dan memverifikasi koordinasi yang wajar antara kekuatan dan plastisitas tiang.

3. Tidak ditemukan morfologi rekahan belahan luas pada seluruh permukaan rekahan. Hanya sejumlah kecil fitur belahan dada yang muncul di area lokal, bergantian dengan lesung pipit. Hal ini menunjukkan bahwa material tersebut memiliki kerapuhan yang rendah serta kesesuaian kekuatan dan ketangguhan yang optimal.

Kesimpulan Mikroskopis: Permukaan aslipejantanmempertahankan bekas pahat belok dengan kekasaran permukaan yang tinggi, membentuk area konsentrasi tegangan yang lemah. Selama pengoperasian peralatan, stud menanggung tegangan lentur tangensial bolak-balik terus menerus, dan tanda permukaan pahat dipoles menjadi permukaan busur halus dengan gesekan berulang. Dalam kondisi pembengkokan, tumbukan, dan gesekan bolak-balik frekuensi tinggi dalam jangka panjang, retakan mikro lebih disukai dimulai pada cacat permukaan kasar dan membentuk sumber kelelahan. Dengan aksi beban bolak-balik yang terus menerus, retakan merambat secara bertahap dan akhirnya menyebabkan patahan lelah lengkung dengan siklus tinggi. Ciri morfologi makroskopis dan mikroskopis sangat konsisten, membuktikan bahwa patahan mendadak disebabkan oleh akumulasi kerusakan akibat kelelahan akibat lentur.

4. Investigasi di Tempat dan Analisis Kondisi Kerja

Untuk mengembalikan kondisi kerja kegagalan yang sebenarnya, dua investigasi lapangan dilakukan di lokasi turbin angin. Informasi yang relevan termasuk durasi pengoperasian peralatan, proses perakitan, posisi pemasangan, morfologi rekahan, dan catatan pemeliharaan telah diverifikasi untuk memperjelas kondisi kegagalan.

Lebih dari tiga puluh turbin angin berkapasitas 1,5 MW telah beroperasi selama lebih dari tiga tahun, dan hanya satu baut tiang yang patah, yang merupakan kasus kegagalan tersendiri. Pemeriksaan di tempat menunjukkan bahwa tiang yang retak dipasang dengan deviasi posisi. Satu sisi betis pas dengan permukaan ujung lubang roda gigi tanpa celah apa pun, sementara sisi lainnya memiliki jarak perakitan yang besar. Penyimpangan pemasangan menyebabkan stud membengkok dan membalas secara terus menerus dengan pengoperasian turbin, menghasilkan beban lateral bolak-balik jangka panjang dan menimbulkan potensi risiko kegagalan kelelahan.

Sisi tiang yang dipasang rapat tidak memiliki celah dan tidak dapat diakses oleh perkakas, membuktikan bahwa posisi ini mengalami tekanan tangensial siklik yang sangat tinggi dan menyebabkan kesulitan besar dalam pembongkaran selanjutnya. Di bawah tekanan bolak-balik vertikal aksial terus menerus, sisi tiang yang pas dengan dinding lubang mengalami pembengkokan, benturan, dan gesekan berulang kali dengan lubang roda gigi. Tanda belok aslinya telah hilang seluruhnya, membentuk permukaan busur halus seperti cermin dengan karakteristik gesekan yang jelas.

Turbin angin beroperasi pada kecepatan putar 17 putaran/menit selama 15 jam per hari, menghasilkan sekitar 15.300 siklus setiap hari. Total siklus operasi mencapai 2,8×10⁶ dalam waktu setengah tahun dan 2,0×10⁷ dalam waktu tiga setengah tahun. Stud berayun dalam amplitudo kecil sekitar 4 mm dengan amplitudo tegangan rendah dan tingkat tegangan keseluruhan rendah, termasuk dalam kondisi kerja kelelahan siklus tinggi tegangan rendah. Patahan ini disebabkan oleh akumulasi kelelahan lentur dalam jangka panjang akibat beban lateral yang bergantian, yang merupakan kasus khas fraktur kelelahan akibat lentur baut.

5. Ringkasan Komprehensif

1. Mode kegagalan tiang dipastikan sebagai patahan lelah lentur, bukan patahan beban berlebih, patah getas, atau patah karena cacat material.

2. Penyebab utama kegagalan adalah proses perakitan yang tidak tepat. Penyimpangan posisi menyebabkan pemasangan stud secara unilateral dengan lubang roda gigi, sehingga menghasilkan tegangan lentur tangensial bolak-balik yang berkelanjutan. Kerusakan akibat kelelahan terakumulasi terus menerus selama pengoperasian peralatan dengan siklus tinggi dan akhirnya menyebabkan patah tulang akibat kelelahan.