Oleh : Mohamed Afiq Rahmat
Penuntut PhD, Kejuruteraan Mekanikal, Monash University Australia
Fenomena kelesuan logam, bermaksud logam berupaya untuk meretak dan patah secara tiba-tiba. Ia merupakan subtopik dalam bidang kejuruteraan mekanikal (khususnya mekanik retak) yang diberi tumpuan khusus dalam penyelidikan lebih mendalam agar ianya dapat mencapai penambahbaikan yang berterusan.
Kelesuan boleh digambarkan seperti logam yang dikenakan daya secara berulangan (cyclic loading) sama seperti getaran. Sekali imbas dan secara menyeluruh, sifat mekanikal logam tersebut seperti tiada perubahan sekiranya magnitud daya yang dialami tidak mencapai had ketegangan atau had keanjalan logam tersebut, namun pada skala mikroskopik, dan terutamanya pada bahagian yang mempunyai aliran tekanan yang tertumpu, longgokkan sesaran atom (dislocation motion) berlaku dimana terbentuknya struktur yang dipanggil ‘persistant slip bands (PSB)’. PSB tersebut adalah kawasan berdekatan dengan permukaan logam dimana susunan barisan atom menggalakkan penghasilan retakan mikro dengan susunan arah 45 darjah dari arah daya ulangan (45 darjah adalah arah maksima tegasan ricih). Di sini bermulanya tahap pertama kelesuan logam.
Seterusnya dalam tahap yang kedua, retakan mikro tersebut akan membesar dan bersambungan antara satu sama lain. Retakan tersebut juga akan mula bertukar arah 90 darjah dari permukaan logam iaitu arah maksima tegasan tegangan. Akhirnya salah satu retakan akan menjadi dominan dan boleh dilihat dengan mata kasar. Pengulangan daya yang berterusan akan menyebabkan propagasi retakan (crack propagation) sampai ke tahap dimana luas permukaan keratan rentas yang belum retak tidak mampu menampung beban daya yang dialami. Di sini, tenaga yang diberi melalui pengulangan daya telahpun merentasi tahap tahanan retakan (fracture toughness) logam tersebut dan berlakunya retakkan secara menyeluruh (brittle fracture). Retakan terakhir inilah tahap kegagalan lesu yang ketiga dan terakhir.
Faktor terbesar dalam menangani kelesuan logam berada di permukaan logam tersebut. Keadaan permukaan logam tersebut boleh menentukan samada retakan mikro seperti yang telah dijelaskan pada tahap pertama fenomena kelesuan logam dapat diawalkan atau tidak.
Masalah kelesuan logam telah dikenalapasti sebagai salah satu punca utama kegagalan komponen-komponen logam dan juga struktur umum.
Penggeselan logam juga boleh memendekkan hayat kelesuan logam. Geselan disifatkan sebagai alihan dua permukaan yang menyentuh dengan amplitud ulangan alihan yang kecil. Ulangan alihan (slip motion) dua permukaan yang bersentuh ini boleh menggalakkan geselan. Fenomena ini juga bergantung pada beberapa faktor lain seperti kekerapan ulangan, skala amplitud permukaan tersebut dan biasanya terdapat pada komponen-komponen logam yang diapit. kerosakkan permukaan yang melalui geseran boleh dikategorikan sebagai kelusuhan geseran (fretting wear) atau kelesuan geseran (fretting fatigue) dimana daya tahanan logam tersebut terhadap kelesuan boleh jatuh beberapa tahap.
Pengkaji awal fenomena kelesuan geseran membandingkan dua keadaan kelesuan biasa dan kelesuan geseran dengan menggunakan graf lengkung S-N. Melalui kaedah ini, faktor pengurangan hayat kelesuan logam dapat ditubuhkan. Faktor pengurangan ini dapat dilihat bergantung pada beberapa pembolehubah:
a) nilai amplitud ulangan alihan di kawasan geseran;
b) nilai dan juga pengedaran tekanan di kawasan geseran;
c) jenis logam/permukaan yang bersentuh (bergantung pada kekuatan mekanikal, komposisi kimia, dll);
d) daya geseran dan juga keadaan tekanan di permukaan;
e) kekerapan ulangan alihan;
f) suhu sekitar; dan akhir sekali
g) keadaan persekitaran termasuklah faktor kelembapan, risiko pengaratan dan lain-lain.
Kelesuan logam bukanlah sebuah fenomena ekslusif dimana ianya hanya diambil peduli oleh para jurutera struktur dan para penyelidik sains yang di bawah bidang masing-masing, malah ianya pernah menjadi tema buku novel yang tersohor tulisan Nevil Shute bertajuk ‘No Highway’. Novel tersebut mengisahkan tentang seorang penyelidik aero-angkasa yang menemui teori (dongeng) tentang kelesuan logam pada struktur pesawat awam yang telah ke udara. Walaupun sebenarnya topik kelesuan logam ini tidaklah se-dramatis novel beliau (novelnya juga diadaptasikan oleh Hollywood pada tahun 50-an dengan tajuk 'No Highway in the Sky'), namun ianya tetap penting untuk pengetahuan orang ramai.
Rujukan
- Dowling N.E, Mechanical Behavior of Materials, 4th Edition, 2013, Prentice Hall.
- Lindley T.C, Fretting fatigue in engineering alloys, International Journal of Fatigue, 19, 1998
- Shute N, No Highway (Fiction)
Kredit foto : mdp.eng.cam.ac.uk
