⚙MechLearning

Material & Kekuatan Poros: Tegangan, Fatigue & Pemilihan Bahan

Poros, impeller, dan sudu hidup di bawah beban siklik jutaan kali. Modul ini membahas tegangan puntir-lentur, mengapa fatigue membunuh poros yang 'kuat di atas kertas', serta pemilihan bahan dan perlakuan permukaan untuk rotating equipment.

◈ Fondasi⏱ 3-4 jam

Mengapa material untuk rotating engineer

Pompa yang kavitasi menggerus impeller, poros yang misalign patah di keyway, sudu turbin yang kepanasan creep. Semua kegagalan rotating bermuara ke tiga hal: tegangan, siklus, lingkungan. Modul ini memberi cara menghitung yang pertama dan menghormati dua lainnya.

Tegangan yang relevan di poros

  • Puntir: τ = T·r/J — dari daya dan putaran (T = 9550·P/N).
  • Lentur putar: tiap putaran, tiap serat poros kena tarik lalu tekan — beban fatigue sempurna.
  • Kontak (Hertz): di bearing dan roda gigi — picu pitting.

Fatigue: pembunuh diam-diam

Kurva S-N baja menurun lalu mendatar di Se ≈ 0,5·Sut. Di bawah Se (ideal), umur tak hingga. Tapi komponen nyata punya:

  1. Konsentrasi tegangan — keyway, fillet, ulir (Kt 2–3).
  2. Permukaan kasar — goresan = retak mikro bawaan.
  3. Korosi — menghilangkan garis datar S-N sama sekali.
  4. Fretting — gerak mikro di fit kopling/bearing.

Aturan lapangan: poros yang patah di tempat yang sama dua kali = masalah fatigue/desain, bukan apes. Jangan ganti dengan barang sama tanpa mengubah geometri atau beban.

Pemilihan bahan rotating

Part Bahan umum Alasan
Poros pompa AISI 4140 / 4340 kuat, fatigue bagus, bisa di-heat-treatment
Impeller air bersih Besi cor / perunggu murah, korosi moderat
Impeller air laut Duplex / Ni-Al bronze tahan korosi + kavitasi
Sudu turbin uap 12% Cr steel kuat suhu menengah + tahan droplet
Sudu turbin gas panas Superalloy Ni-base creep strength suhu tinggi

Perlakuan permukaan (shot peening, nitriding, coating) sering lebih murah dari naik kelas material — karena retak selalu mulai dari permukaan.

Langkah investigasi patahan

  1. Lihat permukaan patah: beach marks = fatigue; necking = overload; intergranular = korosi/creep.
  2. Hitung tegangan nominal — kalau kecil, cari pengali (Kt, misalignment, resonansi).
  3. Hitung siklus — rpm × jam operasi. Di atas 10⁶ = high-cycle.
  4. Cek lingkungan — korosi, suhu, fretting.
  5. Perbaiki akar, bukan gejala: geometri, alignment, material, atau operasi.

Ringkasan rumus

Konsep Rumus Keterangan
Torsi dari daya T = 9550·P/N P kW, N rpm, T N·m
Puntir poros τ = T·r/J J = πd⁴/32 pejal
Hooke σ = E·ε elastis saja
Batas fatigue Se ≈ 0,5·Sut spesimen ideal
Konsentrasi σ_maks = Kt·σ_nom keyway Kt ≈ 2,5