Kegagalan bahan rekayasa hampir selalu mewarnai peristiwa yang tidak diinginkan karena beberapa alasan; yakni nyawa manusia yang terancam, kerugian ekonomi, dan mengganggu ketersediaan produk dan layanan. Meskipun penyebab dari kegagalan dan perilaku material dapat diketahui, namun pencegahan kegagalan sulit untuk dilakukan atau dijamin. Penyebabnya biasanya adalah pemilihan dan pemrosesan bahan yang tidak tepat serta desain komponen yang tidak memadai atau penyalahgunaannya. Ini merupakan tanggung jawab insinyur untuk mengantisipasi dan merencanakan kemungkinan terjadinya kegagalan dan jika kegagalan itu terjadi seorang insinyur harus mampu menilai penyebabnya dan kemudian mengambil tindakan pencegahan yang tepat terhadap insiden yang kemungkinan berulang di masa depan.

Topik-topik berikut dibahas dalam tulisan ini: patahan sederhana (mode ulet dan getas), dasar-dasar mekanika patahan, perpatahan getas keramik, pengujian patahan impak, transisi ulet ke getas, kelelahan, dan mulur. Pembahasan ini termasuk mekanisme kegagalan, teknik pengujian, dan metode jitu agar kegagalan dapat dicegah atau dikendalikan.

DASAR-DASAR PATAHAN
Patahan sederhana adalah pemisahan bodi menjadi dua atau lebih bagian sebagai respons terhadap tegangan statis yang dikenakan (yaitu, konstan atau perlahan berubah dengan waktu) dan di suhu yang relatif rendah terhadap suhu leleh material. Tegangan yang diterapkan dapat berupa tarik, tekan, geser, atau puntir; pembahasan saat ini terbatas pada patahan yang dihasilkan dari beban tarik uniaksial. Untuk bahan rekayasa, dua mode patahan yang mungkin terjadi adalah jenis atau mode patahan: ulet dan getas. Klasifikasinya didasarkan pada kemampuan suatu material untuk mengalami deformasi plastis. Bahan ulet biasanya menunjukkan terjadinya deformasi plastis yang substansial dengan penyerapan energi yang tinggi sebelum patah. Adapun pada patah getas, biasanya hanya sedikit atau bahkan tidak ada deformasi plastis dengan penyerapan energi yang rendah yang menyertai patah getas. Perilaku tegangan-regangan tarik dari kedua jenis patahan dapat ditinjau pada Gambar 1.

"Ulet" dan "rapuh" adalah istilah yang relatif; yang menunjukkan apakah patahan tertentu adalah satu mode atau mode yang lain tergantung pada situasi. Daktilitas (keuletan) dapat diukur dalam hal: persen perpanjangan dan persen pengurangan luas. Selanjutnya, daktilitas adalah fungsi dari suhu material, laju regangan, dan tegangan.

Setiap proses patahan melibatkan dua langkah yakni pembentukan retakan dan propagasi dalam merespon tegangan yang dipaksakan. Mode patahan sangat tergantung pada mekanisme perambatan retak. Patahan ulet dicirikan oleh deformasi plastis yang luas di sekitar retakan. Selanjutnya, proses tersebut berlangsung relatif lambat seiring dengan bertambahnya panjang retakan. Retakan seperti itu sering dikatakan sebagai retakan stabil. Artinya, ia menolak perpanjangan lebih lanjut kecuali ada peningkatan tegangan yang diterapkan. Selain itu, biasanya akan ada bukti deformasi yang cukup besar pada permukaan patahan (misalnya, puntiran dan sobek). Adapun untuk patah getas, retakan dapat menyebar sangat cepat, dengan sangat sedikit pengiring deformasi plastis. Retakan tersebut dapat dikatakan tidak stabil, dan perambatan retak sekali dimulai, akan berlanjut secara spontan tanpa peningkatan besarnya tegangan yang diterapkan.

Patahan ulet hampir selalu disukai karena dua alasan. Pertama, patah getas terjadi secara tiba-tiba dan dahsyat tanpa peringatan apapun; hal ini merupakan konsekuensi dari perambatan retak secara spontan dan cepat. Di sisi lain, untuk patahan ulet, adanya deformasi plastis memberikan peringatan bahwa patahan sudah dekat, yang memungkinkan tindakan pencegahan bisa segera diambil. Kedua, lebih banyak energi regangan yang diperlukan untuk menginduksi patahan ulet karena bahan ulet umumnya lebih tangguh. Di bawah aksi tegangan tarik yang diterapkan, sebagian besar paduan logam bersifat ulet, sedangkan keramik sangat rapuh, dan polimer dapat menunjukkan kedua jenis patahan.

Gambar 1. (a) patah yang sangat ulet dalam yang mana necking (leher= pengecilan volume) spesimen sampai ke suatu titik. (b) patahan cukup ulet setelah beberapa necking. (c) Patah getas tanpa adanya deformasi plastik

PRINSIP MEKANISME PATAHAN

Patahan rapuh dari bahan yang biasanya ulet, seperti yang ditunjukkan dalam foto pada gambar 2, telah menunjukkan perlunya pemahaman yang lebih baik tentang mekanisme patahan.

Gambar 2. Kapal yang mengalami patah getas

Upaya penelitian yang luas selama beberapa dekade terakhir telah menyebabkan evolusi bidang mekanika patahan. Kajian ini memungkinkan kuantifikasi hubungan antara sifat material, level tegangan, adanya cacat yang menghasilkan retak, dan mekanisme perambatan retak. Insinyur desain sekarang lebih siap dalam mengantisipasi terjadinya patahan, sehingga dengan demikian mampu mencegah terjadinya kegagalan struktural. Pembahasan ini berpusat pada beberapa prinsip dasar dari mekanika patahan.

Referensi: Fundamentals of Material Science and Engineering an Integrated Approach, William D. Callister