Sifat Mekanikal Bahan

1. Sifat Mekanikal Bahan Dr. Zuhailawati Hussain EBB 224 Rekabentuk Bahan Kejuruteraan

2. Sifat Mekanik Bahan & Ubahbentuk Plastik • Bahan struktur yang digunakan bagi tujuan kejuruteraan mekanikal dan awam perlu mempunyai kekuatan. • Bahan binaan mesti berupaya menanggung tindakan daya-daya tanpa mengalami jumlah herotan yang besar • Tindakbalas bahan terhadap daya luaran dirujuk sebagai sifat mekanik

3. Contoh: Keelastikan, kekerasan, keliatan serta kelakuan rayapan dan lesu. • Jurutera berminat dengan ‘ketumpatan daya” yang diperlukan untuk menghasilkan sedikit amaun ubahbentuk, samada sementara atau kekal dalam bahan. • Untuk membincangkan bagaimana bahan berubahbentuk (memanjang , termampat) atau pecah di bawah pengaruh beban kenaan, perlu ketahui kaedah ujian dan istilah yang piawai

4. Tegasan Kejuruteraan Unit: N/m2 a. Tegasan tegangan,  b. Tegasan ricih,  Komponen tegasan yang selari dengan satah dipanggil tegasan ricih, .

5. COMMON STATES OF STRESS F F A = cross sectional o Area (when unloaded) Note:  = M/AcR here. • Simple tension: cable Ski lift(photo courtesy P.M. Anderson) • Simple shear: drive shaft

6. OTHER COMMON STRESS STATES (1) • Simple compression: (photo courtesy P.M. Anderson) Note: compressive structure member (s < 0 here). (photo courtesy P.M. Anderson)

7. OTHER COMMON STRESS STATES (2) • Bi-axial tension: • Hydrostatic compression: Pressurized tank (photo courtesy P.M. Anderson) (photo courtesy P.M. Anderson) s < 0 h

8. Tensile Testing • Schematic Test Frame Extensometer to measure strain

9. Kekuatan tegangan: tegasan maksimum Perleheran • Lengkungan daya vs anjakan menunjukkan ubahbentuk elastik, alah, perleheran dan kegagalan sampel • Lengkungan tegasan vs terikan kejuruteraan memberi bentuk yang sama Daya Kekuatan patah Anjakan

10. Tegasan Kejuruteraan:  = F /Ao • Ukuran ketumpatan daya. F ialah beban kenaan berserenjang dengan keratan rentas sampel, Ao ialah luas keratan rentas sebelum pengenaan beban. Terikan Kejuruteraan: = l / lo (X 100%) l ialah perubahan panjang, lo ialah panjang asal. Tiada unit. Tegasan & terikan bernilai positif bagi beban tegangan, negatif bagi beban mampatan.

11. Modulus Elastik, E • Bagi ujian tegangan, jika ubahbentuk adalah elastik, hubungan tegasan-terikan diberikan oleh Hukum Hooke, = E • E dikenal sebagai modulus elastik @ Young • Berkaitan dengan kekakuan bahan dan merupakan nilai yang sangat penting kepada jurutera binaan. • Unit N/m2 (Pa) • E boleh diterbitkan dari kecerunan di bahagian linear graf tegasan-terikan Had Perkadaran, P • Titik bila terikan tidak lagi berkadaran dengan tegasan

12. Kekuatan Alah, y • Tegasan apabila berlakunya titik alah pada graf tegasan-terikan • Lazim digunakan untuk menunjukkan tegasan terkecil untuk berlakunya ubahbentuk plastik bagi bahan yang tidak mempamirkan titik alah • Bagi bahan yang tidak mempamirkan had perkadaran yang jelas, kekuatan alah ditentukan dengan membina garis selari dengan bahagian elastik pada terikan 0.1% (dikenali juga sebagai tegasan bukti) • Tegasan alah ialah ukuran rintangan terhadap ubahbentuk plastik

13. smaller %EL E ngineering (brittle if %EL<5%) tensile s stress, larg er %EL (ductile if A o L A o L %EL>5%) f f Kekuatan Tegangan, TS • Tegasan kejuruteraan tertinggi dalam keadaan tegangan • Logam - berlaku bila perleheran bermula; seramik - berlaku bila perambatan retak bermula; polimer - bila tulang belakang polimer selari dan mulai pecah Kemuluran Engineering tensile strain, e

14. Keliatan • Tenaga untuk memecahkan satu unit isipadu bahan • Dianggar oleh luas di bawah graf tegasan-terikan

15. UBAHBENTUK ELASTIK (BOLEHBALIK) 1. Initial 2. Small load 3. Unload • Bersifat bolehbalik apabila tegasan di pindahkan bahan kembali ke dimensi asal. • Berlaku pada terikan sangat kecil

16. Atom-atom dianjak dari kedudukan awal oleh pengenaan tegasan tetapi apabila tegasan ini dialihkan, atom-atom kembali kekedudukan asal dengan syarat terikan bersifat elastik. • Terikan adalah berkadaran dengan tegasan kenaan dan bahan mematuhi Hukum Hooke – yg menyatakan bagi jasad elastik, terikan yang dihasilkan berkadar terus dengan tegasan kenaan. • Bahan seperti polimer @ konkrit, ubahbentuk elastik tidak linear tetapi masih bolehbalik.

17. UBAHBENTUK PLASTIK (KEKAL) 3. Unload 1. Initial 2. Small load • Tegasan & terikan tidak berkadaran, ubahbentuk tidak bolehbalik • Ubahbentuk berlaku melalui pemutusan & penyusunan semula ikatam atom (dalam bahan berhablur - terutamanya disebabkan oleh pergerakan kehelan)

18. Berlaku apabila bahan dikenakan tegasan ke satu tahap yang melebihi had elastik. • Berlaku akibat pergerakan atom-atom dalam struktur bahan ke kedudukan baru yang kekal. Apabila tegasan dikeluarkan, hanya terikan elastik hilang dan terikan plastik dikekalkan.

19. Kelakuan Tegasan-Terikan Bahan Rajah tegasan-terikan bagi pelbagai bahan (i) Bahan tidak mulur, (ii) bahan semi mulur, (iii) & (iv) Bahan mulur

20. Rajah I • Bahan kemuluran rendah, mengalami sedikit atau tiada langsung ubahbentuk plastik sebelum gagal. • Tiada titik alah dan hanya pemanjangan elastik berlaku. • e.g keluli diperkeras sepenuhnya, besi tuangan dan konkrit • Bahan mulur memberikan satu had elastik (atau had perkadaran). Ubahbentuk plastik berlaku jika had ini dilampaui. • Tegasan maksimum yang boleh diterima oleh bahan sebelum berlakunya aliran plastik dikenali sebagai kekuatan alah.

21. Rajah iii • Bagi bahan ferus yang lembut (wrought iron dan keluli karbon rendah) dan bahan plastik • Titik mula berlakunya aliran plastik ditanda sebagai titik alah yang mudah dikenalpasti. Rajah iv • Logam dan aloi mulur- had elastik sukar dikenalpasti. • Bagi jurutera rekabentuk tegasan alah sesuatu bahan memberi nilai yang lebih penting berbanding kekuatan maksimum yang diperolehi semasa aliran plastik. • Satu nilai ganti bagi kekuatan alah perlu diterbitkan untuk bahan yang tidak menunjukkan titik alah yang jelas – dikenali sebagai tegasan bukti “proof stress”, iaitu tegasan yang menghasilkan 0.1-0.5% pemanjangan kekal (plastik) dalam panjang tolok bahan uji.

22. Satu nilai ganti bagi kekuatan alah perlu diterbitkan untuk bahan yang tidak menunjukkan titik alah yang jelas – dikenali sebagai tegasan bukti “proof stress”, iaitu tegasan yang menghasilkan 0.1-0.5% pemanjangan kekal (plastik) dalam panjang tolok bahan uji. Rajah ii • Bahan yang dilakukan rawatan seperti pengerasan kerja, rawatan haba atau pengaloian adalah lebih kuat tetapi kurang mulur berbanding bahan dalam keadaan lembut sepenuhnya.

23. Tegasan Sebenar & Tegasan Kejuruteraan • Kekuatan tegangan bahan diterbitkan dengan membahagikan daya maksimum yang ditanggung semasa ujian dengan luas keratan rentas asal. • Pengurangan luas keratan rentas pada titik terkecil di perleheran semasa peringkat terakhir ubahbentuk plastik tidak diambilkira. • Untuk menentukan rajah tegasan/terikan sebenar pengurangan luas keratan rentas perlu diambilkira dengan mengukur diameter minimum pada perleheran bagi setiap daya yang digunakan. • Pengukuran tegasan sebenar tidak praktikal dan tegasan kejuruteraan lebih dipertimbangkan.

24. Majoriti graf tegasan-terikan merujuk kepada tegasan kejuruteraan. • Pengurangan luas leratan rentas bahan mulur semasa aliran plastik menyebabkan kekuatan pecah kurang dari kekuatan tegangan. Tegasan pecah sebenar lebih besar seperti yg ditunjukkan dlm rajah. Tegasan Sebenar Tegasan Kejuruteraan =Daya / Luas asal

25. TS (ceram) ~ TS (met) >> TS (poly) Perbandingan Sifat-sifat Bahan

26. Kekerasan • Rintangan untuk menghasilkan lekukan kekal pada permukaan • Kekerasan tinggi • – rintangan terhadap ubahbentuk plastik atau retak dalam mampatan yang tinggi • - sifat lelas yang lebih baik 21

27. Faktor Rekabentuk Dan Faktor Keselamatan • Salah satu ciri terpenting sesuatu bahan ialah tindakbalas bahan tersebut terhadap tegasan. • Komponen (dari sayap kapal terbang hinggalah tulang manusia) mestilah menanggung tegasan tanpa mengalami ubahbentuk (kemusnahan). • Bagi aplikasi struktur, tegasan alah lebih penting dari kekuatan tegangan kerana sebaik sahaja titik alah dilampaui, struktur berubahbentuk melebihi had terima. • Ketidakpastian ketika mengukur magnitud daya/tegasan kenaan semasa penggunaan kerana pengiraan hanyalah anggaran • Pengukuran sifat-sifat bahan menunjukkan perbezaan

28. Maka, rekabentuk perlu mengambilkira faktor-faktor tersebut sebagai langkah menghalang kegagalan • 1. Tegasan Rekabentuk • d= N’c • d = tegasan rekabentuk • N’ = faktor rekabentuk > 1 • c = tegasan maksimum dibenarkan • * Pastikan bahan yang dipilih untuk sesuatu kegunaan mempunyai kekuatan alah (y) lebih tinggi dari d.

29. 2. Tegasan selamat atau tegasan kerja w = y/N w = tegasan kerja/selamat y = kekuatan alah bahan, N ialah faktor keselamatan , Lazimnya 1.2 < N <4.

30. Contoh Pengiraan 1. Data tegasan-terikan kejuruteraan berikut diperolehi bagi keluli karbon biasa 0.2% C. (a) Plotkan graf tegasan-terikan kejuruteraan. (b) Tentukan kekuatan tegangan muktamad aloi. (c) Tentukan peratus pemanjangan ketika patah.

31. (a) (b) Kekuatan tegangan muktamad = 524 MPa (c) Pemanjangan = 0.19 x 100% = 19%

32. 2. Satu wayar keluli dengan keratan rentas 0.55mm2 dan 10 m panjang ditarik secara elastik sebanyak 1.68 mm oleh satu daya 17.24 N. Tentukan modulus keelastikan keluli tersebut.  = F/A = 17.24 N/ 0.55 mm2 = 31.34 MN/m2  = 1.68 x 10-3m / 10m = 0.000168 E = /=31.34 MN/m2 / 0.000168 = 186.5 GPa

33. 3. Satu sampel membulat dari jenis keluli karbon 1030 dengan diameter 0.500 inci ditarik hingga gagal dengan menggunakan mesin ujian tegangan. Diameter sampel pada permukaan patah ialah 0.343 inci. Tentukan peratus pengurangan luas sampel. % pengurangan luas = (Ao-Af)/ Af X 100% = (1 – Af/Ao) X 100% = = (1-0.47) x100% = 53%

34. 4. Bandingkan tegasan & terikan kejuruteraan dengan tegsan & terikan sebenar bagi ujian tegangan ke atas keluli karbon rendah yang mempunyai nilai-nilai berikut: Beban kenaan ke atas spesimen= 17, 000 lbf Diameter asal spesimen = 0.500 inci Diameter spesimen di bawah daya 17,000 lbf=0.472 in Luas Awal Ao = /4 d2 = /4 0.5002=0.196 in2 Luas pada daya Ai =/4 0.4722=0.175 in2 Andaikan tiada perubahan isipadu semasa pemanjangan, Aolo = Aili atau lilo=AoAi

35. Tegasan kejuruteraan=F/Ao =17,000lbf/0.196 in2 = 86,700 psi Terikan kejuruteraan= l/l = (li – lo)/lo =(Ao/Ai)–1 =0.196in2/0.175in2 –1 =0.12 Tegasan sebenar=F/Ai=17,000lbf/0.175in2 =97,000psi Terikan sebenar = ln(li/lo)= ln(Ao/Ai) =ln 0.196in2/0.175in2 = ln1.12=0.113

36. 5. Anda telah diberi tugas untuk membina sebuah peralatan ujian tegangan yang berupaya menahan beban maksimum 220,000 N. • Rekabentuk tersebut memerlukan 2 penyokong silinder dengan setiap satu boleh menyokong separuh dari beban maksimum. • Anda juga dikehendaki menggunakan rod aci keluli karbon biasa yang mempunyai alah minimum 310 MPa dan kekuatan tegangan 565 MPa. Tentukan diameter yang sesuai bagi peyokong-penyokong tersebut.

37. Faktor keselamatan N=5 untuk meminimumkan lenturan elastik rod semasa ujian tegangan. Tegasan kerja w ialah, w = y / N = 310 MPa / 5 = 62 MPa Ao = (d/2)2 = F /w d ialah diameter rod & F ialah beban kenaan. Setiap penyokong mesti menyokong separuh dari beban kenaan 110,000N. Maka d ialah Diameter setiap rod mestilah 47.5 mm.