Mekanisme kegagalan selain lelah: aus, mulur, retak korosi tegangan, penggetasan, erosi, dan kavitasi

Sebuah laundry rumah sakit mempunyai tangki air panas dari baja tahan karat 304 yang bekerja pada sekitar 70 °C dengan air berklorin dari jaringan kota. Setelah enam tahun, tangki merembes di dekat las sambungan pipa keluar. Di bawah kaca pembesar terlihat retak halus yang bercabang seperti akar pohon, padahal permukaan di sekitarnya hampir tanpa karat. Di ruang yang sama, impeler pompa sirkulasi tangki itu dibongkar karena bising dan alirannya turun. Sisi belakang sudu-sudunya bopeng, kasar seperti spons.

Laporan perawatan menulis kedua temuan sebagai "korosi" dan mengusulkan bahan yang lebih mahal untuk keduanya. Penyelidikan yang lebih teliti menunjukkan bahwa tangki gagal karena retak korosi tegangan, sedangkan impeler rusak karena kavitasi akibat saringan isap yang tersumbat. Mengganti bahan tangki memang menolong; mengganti bahan impeler tanpa membersihkan saringan hanya menunda kerusakan berikutnya. Bab ini menjelaskan mekanisme kegagalan bahan selain kelelahan dan beban lebih, cara membedakannya, dan cara menyelidikinya.

Batas pembahasan

Bab ini membahas aus, erosi, kavitasi, mulur, retak korosi tegangan, dan penggetasan dari sisi bahan, beserta cara membedakan polanya dan langkah investigasi kegagalan. Kelelahan, beban lebih, faktor keamanan, dan membaca permukaan patahan ada di Bab 10 · Mekanikal & Mekatronika; kerangka umum menafsirkan kegagalan melalui bukti di Bab 1; mekanisme korosi elektrokimia, sumuran, dan celah di Bab 19 · Kimia; gesekan, rezim pelumasan, dan kontaminasi pelumas di Bab 8 · Mekanikal & Mekatronika; NPSH dan batas isap pompa di Bab 9 · Bangunan & Fasilitas; tanda kerusakan bantalan di Bab 4 · Mekanikal & Mekatronika; penuaan dan serangan kimia pada plastik dan karet di Bab 22 · Kimia; proses investigasi insiden di Bab 12 · Keselamatan.

Membaca kegagalan dari empat arah

Setiap kegagalan bahan adalah pertemuan empat hal: bahan dan keadaannya, beban termasuk tegangan sisa, lingkungan termasuk suhu dan zat kimia, dan waktu. Satu mekanisme baru bekerja bila ketiga hal pertama memenuhi syaratnya, dan kecepatannya ditentukan waktu. Laju dan bentuk serangan korosi dapat berubah bila bahan berada di bawah tegangan, sehingga mekanisme kegagalan tidak dapat dibaca dari bahan saja.

Akibat praktisnya: setiap mekanisme di bab ini dapat dihentikan dengan menghilangkan salah satu syaratnya, dan sering cara yang paling murah bukan mengganti bahan. Retak korosi tegangan dapat dihentikan dengan menurunkan suhu atau klorida; kavitasi dengan memperbaiki sisi isap; aus abrasif dengan menyaring partikel. Keputusan yang baik dimulai dari diagnosis yang benar.

Aus abrasif dan aus adhesif

Aus abrasif (abrasive wear) adalah keausan yang terjadi bila partikel atau tonjolan yang lebih keras menggores dan memotong permukaan yang lebih lunak. Partikel itu bisa pasir di air, debu di udara, serpihan logam di oli, atau tonjolan pada permukaan pasangan yang kasar. Permukaannya bergaris sejajar arah gerak.

Ketahanan terhadap aus abrasif terutama ditentukan kekerasan bahan relatif terhadap kekerasan partikel. Ketahanan aus bahan cetakan adalah fungsi komposisi kimia dan tingkat kekerasannya, dan partikel karbida sangat keras sehingga memberi baja ketahanan terhadap aus abrasif. Bila bahan lebih keras daripada partikelnya, aus turun tajam; bila partikel jauh lebih keras, misalnya pasir kuarsa, menaikkan kekerasan bahan sedikit hanya menolong sedikit.

Persamaan Archard (Archard equation) adalah hubungan yang sering dipakai untuk memperkirakan aus geser dan abrasif:

$$V = k \frac{F \, s}{H}$$

dengan $V$ volume yang hilang (m³), $F$ gaya tekan (N), $s$ jarak geser (m), $H$ kekerasan permukaan yang aus (Pa), dan $k$ koefisien aus tanpa satuan yang bergantung pada pasangan bahan, pelumasan, dan partikel. Nilai $k$ berbeda ribuan kali antarkeadaan, jadi persamaan ini paling berguna untuk perbandingan: aus sebanding dengan beban dan jarak, dan berbanding terbalik dengan kekerasan.

Kurva aus abrasif yang normal biasanya berbentuk S. Pada perkakas potong, aus cepat di awal, lalu stabil lama, lalu cepat lagi menjelang akhir umur. Pola ini juga terlihat pada banyak komponen mesin: periode pengenalan, periode kerja panjang, lalu aus yang makin cepat ketika celah sudah besar. Mengukur aus secara berkala, seperti dijelaskan di Bab 14 · Mekanikal & Mekatronika tentang pemantauan kondisi, menemukan saat komponen masuk ke bagian akhir kurva.

Pada pompa, aus abrasif oleh pasir mengikis impeler dan cincin aus. Segel di mulut isap impeler umumnya berupa cincin aus, dan karena pompa mengalami aus, head totalnya menurun. Celah cincin aus yang membesar membuat air bersirkulasi kembali di dalam pompa. Tindakan yang paling efektif adalah mengurangi pasir dengan saringan atau bak pengendap; bahan impeler dan cincin yang lebih keras dipertimbangkan setelah itu.

Aus adhesif (adhesive wear) adalah keausan yang terjadi bila dua permukaan logam bergesekan tanpa lapisan pelumas yang cukup. Puncak-puncak kekasaran saling menempel, lalu robek, sehingga logam berpindah dari satu permukaan ke permukaan lain. Pada keadaan berat, permukaan menyatu dan robek dalam bentuk gumpalan; keadaan ini disebut galling atau macet. Pasangan logam yang sejenis dan lunak paling rentan, terutama baja tahan karat austenitik dengan baja tahan karat austenitik, aluminium dengan aluminium, dan titanium.

Cara mencegahnya: pelumasan yang memisahkan permukaan (Bab 8 · Mekanikal & Mekatronika tentang pelumasan), pasangan bahan yang berbeda seperti poros baja dengan bus perunggu, perbedaan kekerasan yang cukup, lapisan permukaan, dan beban permukaan yang tidak berlebihan. Ulir baja tahan karat yang macet saat dikencangkan, seperti dibahas di Bab 3 · Mekanikal & Mekatronika tentang baut dan sambungan ulir, adalah contoh galling yang paling sering ditemui teknisi.

Kelelahan permukaan dan fretting

Kelelahan permukaan (surface fatigue) adalah kerusakan pada permukaan yang menerima tekanan kontak berulang, seperti jalur bantalan gelinding, gigi roda gigi, cam, dan roda. Tegangan geser paling besar terjadi sedikit di bawah permukaan; retak mulai di sana, tumbuh, lalu kepingan logam lepas meninggalkan lubang dangkal bertepi tajam. Pada tahap awal disebut sumuran mikro atau pitting, pada tahap lanjut pengelupasan (spalling). Pada rol pembentuk ulir, pengelupasan puncak biasanya lambat muncul dan setelah mulai pun berkembang perlahan. Kecepatannya sangat bergantung pada beban, kebersihan pelumas, dan kekerasan permukaan; tanda kerusakan pada bantalan dibahas di Bab 4 · Mekanikal & Mekatronika.

Fretting (fretting) adalah kerusakan pada dua permukaan yang dirapatkan tetapi bergerak bolak-balik sangat kecil, misalnya cincin bantalan yang suaiannya longgar, pasak di alurnya, sambungan baut yang bergetar, dan kontak listrik. Gerakan kecil itu menggerus lapisan oksida terus-menerus, dan serbuk oksidanya berwarna coklat kemerahan pada baja, sering seperti bubuk coklat yang basah oleh gemuk. Fretting juga menjadi titik awal retak lelah. Obatnya menghentikan gerakan: suaian yang benar, prapenegangan baut yang cukup, dan permukaan yang rata.

Erosi dan kavitasi

Erosi (erosion) adalah pengikisan oleh aliran fluida, terutama bila membawa partikel. Pada logam yang tahan korosi karena lapisan pelindungnya, aliran cepat dapat mengikis lapisan itu sehingga korosi berjalan di tempat yang terkikis; gabungan ini disebut erosi-korosi (erosion-corrosion). Batas kecepatan yang dianjurkan pabrik pipa dipatuhi untuk menghindari kerusakan bahan pipa oleh erosi-korosi. Erosi-korosi pada pipa tembaga dibahas dengan perhitungan kecepatan di Bab 4. Ciri erosi adalah permukaan halus bergelombang atau berbentuk tapal kuda yang searah aliran, sering di siku, setelah katup, dan di mulut cabang.

Kavitasi (cavitation) adalah terbentuknya gelembung uap ketika tekanan cairan setempat turun di bawah tekanan uapnya, lalu pecahnya gelembung itu ketika masuk ke daerah bertekanan lebih tinggi. Pecahnya gelembung di dekat permukaan menghasilkan semburan mikro yang memukul logam berulang-ulang. Kavitasi disebabkan tekanan masuk sistem yang tidak cukup untuk pompa, dan kavitasi disertai getaran dan bunyi. Kerusakannya berupa bopeng kasar seperti spons atau busa, biasanya di sisi tekanan rendah sudu impeler dekat mulut isap, di belakang dudukan katup yang terbuka sedikit, dan di dinding setelah penyempitan.

Dari sisi bahan, logam yang keras dan tangguh lebih tahan kavitasi: baja tahan karat dan perunggu aluminium bertahan lebih lama daripada besi tuang kelabu dan kuningan. Namun penyebabnya hidraulik, yaitu NPSH yang tersedia kurang daripada yang diperlukan pompa. Saringan isap tersumbat, pipa isap terlalu kecil atau panjang, suhu air terlalu tinggi, dan katup isap yang setengah tertutup adalah penyebab yang sering. Cara memeriksanya ada di Bab 9 · Bangunan & Fasilitas tentang pompa dan NPSH.

Mulur

Mulur (creep) adalah pertambahan bentuk yang berjalan perlahan dan terus-menerus di bawah tegangan yang tetap, walaupun tegangan itu di bawah kekuatan luluh. Untuk logam, mulur menjadi penting bila suhu kerja melebihi sekitar 0,3 sampai 0,5 kali titik lebur dalam kelvin. Sifat ini biasanya hanya penting pada suhu tinggi, misalnya pada sudu turbin uap dan gas.

Untuk baja di mesin laundry dan dapur, suhu kerjanya jauh di bawah batas itu, jadi mulur baja jarang menjadi masalah. Mulur menjadi penting pada bahan yang titik leburnya rendah atau yang bersifat polimer:

1. Plastik pipa dan tangki: pipa plastik air panas kehilangan kekuatan jangka panjang bila suhu naik, sehingga tekanan kerjanya diturunkan. Kelas tekanan dan pengaruh suhu pada pipa plastik ada di Bab 4 · Bangunan & Fasilitas.
2. Paking dan segel: paking melunak dan menipis perlahan di bawah tekanan baut, sehingga gaya jepit berkurang dan sambungan mulai merembes. Itulah sebabnya beberapa paking memerlukan pengencangan ulang setelah pemanasan pertama sesuai petunjuk pabriknya.
3. Aluminium dan timah solder: aluminium mulai mulur pada suhu yang tidak terlalu tinggi, sehingga sambungan penghantar aluminium dapat longgar perlahan; paduan timah solder mulur pada suhu ruang di bawah beban yang terus-menerus.
4. Karet dan elastomer: deformasi tetap akibat tekanan, yang di Bab 22 · Kimia disebut set kompresi, adalah bentuk mulur yang tidak pulih.

Penuaan polimer berjalan bersama mulur. Dengan bertambahnya umur, ring karet keran mengeras dan rusak. Panas, oksigen, ozon, dan bahan kimia mempercepatnya.

Retak korosi tegangan

Retak korosi tegangan (stress corrosion cracking) adalah retak yang tumbuh perlahan karena gabungan tiga hal: bahan yang rentan, tegangan tarik, dan lingkungan tertentu. Tegangan tarik itu dapat berasal dari beban kerja, tekanan dalam, atau tegangan sisa las, tekukan, dan pengencangan. Tegangan sisa sering lebih besar daripada tegangan kerja, sehingga retak korosi tegangan paling sering mulai di dekat las dan di bagian yang dibentuk dingin. Retaknya halus, sering bercabang, dan dapat menembus dinding tanpa banyak karat di permukaan, sehingga kegagalannya terasa mendadak.

Pasangan bahan dan lingkungan yang dikenal:

1. Baja tahan karat austenitik dalam larutan klorida hangat, biasanya di atas sekitar 60 °C. Klorida memekat di tempat air menguap, di bawah isolasi yang basah, dan di celah. Inilah yang terjadi pada tangki di kasus pembuka. Mutu dupleks dan feritik jauh lebih tahan; 316 hanya sedikit lebih baik daripada 304 untuk mekanisme ini.
2. Kuningan dalam lingkungan beramonia, dulu disebut retak musim karena ditemukan pada selongsong peluru kuningan yang disimpan di dekat kandang kuda. Alat sambung kuningan yang dikencangkan terlalu keras dan terkena pembersih beramonia dapat retak dengan cara ini.
3. Baja karbon dalam larutan basa panas pekat. Penggetasan kaustik (caustic embrittlement) adalah pelemahan logam akibat bersentuhan dengan larutan basa. Ketel uap yang air ketelnya tidak dikendalikan dan sambungannya merembes dapat mengalami ini di tempat basa memekat.
4. Aluminium berkekuatan tinggi tertentu dalam air dan udara lembap, terutama bila arah tegangannya melintang terhadap arah serat bahan.

Pencegahannya menghilangkan salah satu syarat: memilih bahan yang tidak rentan untuk lingkungan itu, menurunkan tegangan sisa dengan pelepasan tegangan seperti di Bab 6 tentang perlakuan panas, menghindari tegangan tarik permukaan, menurunkan suhu, mencegah klorida memekat, dan menjaga isolasi tetap kering.

Penggetasan hidrogen dan penggetasan lain

Penggetasan hidrogen (hydrogen embrittlement) adalah keadaan ketika atom hidrogen masuk ke baja berkekuatan tinggi dan membuatnya patah getas di bawah tegangan yang jauh di bawah kekuatannya. Hidrogen masuk dari pencucian asam, pelapisan listrik, korosi, pengelasan dengan elektroda lembap, dan proteksi katodik yang berlebihan. Baja dengan kekerasan tinggi paling rentan, misalnya baut berkekuatan sangat tinggi, pegas, dan komponen yang dikeraskan di atas sekitar 35 sampai 40 HRC. Ciri khasnya adalah patah tertunda (delayed fracture): baut patah beberapa jam atau hari setelah dikencangkan, tanpa beban tambahan. Pencegahannya adalah memanggang komponen segera setelah dilapis untuk mengeluarkan hidrogen, tidak mencuci baut dan pegas berkekuatan tinggi dengan asam pembersih kerak, dan memakai elektroda rendah hidrogen yang kering untuk baja yang mampu kerasnya tinggi.

Penggetasan lain yang perlu dikenal:

1. Penggetasan suhu rendah pada baja feritik di bawah suhu transisinya, seperti dijelaskan di Bab 5 tentang uji impak dan Bab 10 · Mekanikal & Mekatronika tentang membaca patahan.
2. Penggetasan temper pada baja paduan yang ditemper atau didinginkan pelan di rentang tertentu (Bab 6 tentang perlakuan panas).
3. Penggetasan oleh logam cair: logam cair seperti seng atau timah solder dapat menembus batas butir baja tertentu yang bertegangan dan membuatnya retak. Mengelas baja tahan karat yang terkena percikan seng dari baja galvanis di dekatnya adalah contohnya.
4. Fase getas setelah pemanasan lama: baja tahan karat feritik dan dupleks dapat menjadi getas bila lama bekerja di suhu menengah tertentu; batasnya diambil dari data pabrik bahan.

Membedakan pola dan menyelidiki kegagalan

Tabel berikut membantu membedakan mekanisme dari tampilannya. Kelelahan dan beban lebih dari Bab 10 · Mekanikal & Mekatronika tentang kekuatan komponen dicantumkan sebagai pembanding.

Tampilan saja jarang cukup. Pola yang mirip dapat berasal dari mekanisme yang berbeda, dan satu kegagalan sering melibatkan dua mekanisme, misalnya fretting yang memulai retak lelah, atau sumuran yang menjadi titik awal retak korosi tegangan. Pemeriksaan laboratorium dengan potongan melintang dan mikroskop membedakan retak antarbutir dari retak menembus butir dan memastikan mekanismenya.

Investigasi kegagalan bahan mengikuti urutan yang sama dengan investigasi insiden di Bab 12 · Keselamatan, dengan perhatian khusus pada bukti fisik:

1. Amankan bukti: jangan membersihkan, mencocokkan, atau memotong permukaan patahan dan bagian yang aus sebelum difoto. Lindungi dari karat dengan kantong kering.
2. Kumpulkan riwayat: umur komponen, jam kerja, perbaikan sebelumnya, perubahan bahan kimia, air, beban, atau cara operasi, dan kegagalan serupa di mesin lain.
3. Catat kondisi lingkungan: suhu, zat kimia, mutu air, kecepatan aliran, getaran.
4. Periksa dan ukur: foto dengan skala, ukur keausan dan celah, uji kekerasan, uji magnet dan dokumen bahan, bandingkan dengan komponen yang masih baik.
5. Susun hipotesis dari tabel pola dan uji setiap hipotesis dengan bukti yang dapat membantahnya.
6. Tentukan akar penyebab pada tingkat yang dapat diperbaiki: bahan, rancangan, pemasangan, operasi, atau perawatan.
7. Perbaiki dan verifikasi: setelah tindakan diambil, periksa ulang komponen pada waktu yang ditetapkan untuk memastikan mekanismenya berhenti.

Bab 1 tentang struktur material dan kegagalan menekankan bahwa kegagalan ditafsirkan melalui bukti, tidak dari label bahan. Laporan yang hanya menulis "korosi" atau "aus" belum menjelaskan apa pun.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya.

Contoh 1: tangki baja tahan karat yang retak. Retak halus bercabang di dekat las tangki 304 pada 70 °C dengan air berklorin cocok dengan retak korosi tegangan oleh klorida. Las memberi tegangan sisa, suhu di atas sekitar 60 °C, dan klorida memekat di daerah yang airnya menguap di bawah isolasi yang lembap. Tindakan yang dibandingkan: tangki pengganti dari mutu dupleks, menurunkan suhu simpan bila proses mengizinkan, menjaga isolasi tetap kering, dan memeriksa tangki serupa di tempat lain. Pengujian laboratorium potongan retak dipakai untuk memastikan sebelum keputusan pembelian.

Contoh 2: impeler yang bopeng. Kerusakan seperti spons di sisi belakang sudu dekat mulut isap cocok dengan kavitasi, apalagi pompa bising dan alirannya turun. Pemeriksaan menemukan saringan isap tersumbat. Saringan dibersihkan dan dijadwalkan, tekanan isap diukur dan dibandingkan dengan kebutuhan pompa seperti di Bab 9 · Bangunan & Fasilitas tentang NPSH, lalu impeler diganti dengan bahan yang sama. Mengganti bahan impeler tanpa memperbaiki sisi isap hanya menunda kerusakan berikutnya.

Contoh 3: serbuk coklat di bawah cincin bantalan. Saat bantalan dilepas, poros di bawah cincin dalam berwarna buram dengan serbuk coklat kemerahan. Pola ini cocok dengan fretting karena cincin dalam bergerak sedikit di poros. Diameter poros diukur dengan mikrometer (Bab 12 · Mekanikal & Mekatronika tentang pengukuran presisi) dan dibandingkan dengan suaian yang ditentukan pabrik bantalan; poros yang terlalu kecil diperbaiki atau diganti, tidak ditahan dengan perekat tanpa persetujuan.

Contoh 4: baut yang patah keesokan harinya. Baut berkekuatan sangat tinggi pada dudukan mesin dicuci dengan larutan asam pembersih kerak, lalu dipasang dan dikencangkan. Keesokan paginya dua baut patah getas tanpa penyempitan. Pola ini cocok dengan penggetasan hidrogen. Semua baut dari kelompok itu diganti dengan baut baru, dan prosedur pembersihan diubah supaya baut dan pegas berkekuatan tinggi tidak terkena asam.

Contoh 5: siku tembaga yang menipis. Siku tembaga tepat setelah pompa sirkulasi air panas menipis dengan permukaan halus bergelombang searah aliran, sedangkan pipa lurus di sekitarnya utuh. Pola ini cocok dengan erosi-korosi. Kecepatan aliran dihitung seperti di Bab 4 tentang tembaga dan paduannya dan diturunkan dengan pompa yang lebih kecil, katup penyeimbang, atau pipa yang lebih besar, dan jarak pipa lurus setelah pompa ditambah.

Contoh 6: paking flens yang merembes setelah seminggu. Flens air panas yang baru dipasang mulai merembes setelah seminggu bekerja. Baut masih utuh, tetapi gaya jepitnya turun karena paking mulur dan menipis saat dipanaskan pertama kali. Petunjuk pabrik paking dibaca; bila mengizinkan pengencangan ulang, baut dikencangkan ulang dalam keadaan dingin sesuai pola dan torsi dari Bab 3 · Mekanikal & Mekatronika tentang sambungan ulir. Bila tidak, paking diganti dengan jenis yang sesuai suhunya.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan minta keputusan pabrik, insinyur, atau penyelia bila:

1. Retak ditemukan pada tangki, bejana, atau pipa bertekanan, termasuk retak halus tanpa kebocoran.
2. Baut, pegas, atau komponen berkekuatan tinggi patah tanpa beban tambahan, karena kelompok yang sama mungkin akan menyusul.
3. Kegagalan yang sama berulang setelah komponen diganti dengan bahan yang sama.
4. Bopeng kavitasi atau erosi ditemukan pada rumah pompa atau katup bertekanan dan tebal dinding sisanya tidak diketahui.
5. Komponen penahan beban di dekat bagian panas atau dari polimer berubah bentuk secara permanen.
6. Bukti fisik harus dipotong atau dibersihkan untuk pemeriksaan, sedangkan kegagalan itu mungkin akan diselidiki pihak lain.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 10 · Mekanikal & Mekatronika membahas kelelahan, beban lebih, dan membaca patahan yang menjadi pembanding di bab ini. Bab 1 memberi kerangka menafsirkan kegagalan, Bab 19 · Kimia mekanisme korosi, Bab 3 dan Bab 4 kerentanan baja tahan karat dan paduan tembaga, Bab 6 pelepasan tegangan dan penggetasan temper, dan Bab 22 · Kimia penuaan polimer. Bab 8 · Mekanikal & Mekatronika, Bab 4 · Mekanikal & Mekatronika, dan Bab 9 · Bangunan & Fasilitas membahas pelumasan, bantalan, dan NPSH yang menentukan aus, kelelahan permukaan, dan kavitasi. Bab 14 · Mekanikal & Mekatronika memantau kondisi untuk menemukan kegagalan sebelum terjadi, dan Bab 12 · Keselamatan menyusun investigasinya. Bab 8 tentang memilih bahan suku cadang memakai bab ini untuk memilih bahan suku cadang.

Latihan dan pembahasan