INSTITUT LATIHAN JABATAN TENAGA MANUSIA KEMENTERIAN SUMBER MANUSIA MALAYSIA
KERTAS PENERANGAN (SK2021-LE3-IS3a) TAJUK KEMAHIRAN DAN SEMESTER
MEKANIKAL DAN PENGELUARAN – SEMESTER 2
No. DAN TAJUK MODUL
SK 2021 SAINS KEJURUTERAAN II
No. DAN TAJUK PENGALAMAN PEMBELAJARAN
LE1 FAHAM KERJA, TENAGA DAN KUASA LE2 FAHAM DINAMIK LE3 FAHAM SAINS BAHAN
OBJEKTIF PPRESTASI AKHIRAN /TPO
FAHAM KERJA, TENAGA, KUASA, DINAMIK DAN SAINS BAHAN DENGAN MENGGUNAKAN SAINS KEJURUTERAAN SUPAYA :1. KERJA, TENAGA DAN KUASA DIAPLIKASIKAN. 2. KONSEP ASAS DINAMIK DAN ANALISISNYA DIAPLIKASIKAN. 3. TEORI SAINS SAINS BAHAN DIAPLIKASIKAN. DIAPLIKASIK AN.
70
ISI KANDUNGAN LE 3 – FAHAM SAINS BAHAN
TASK 02.03 – Sains Bahan.
71
No. & TAJUK LE3 Faham Sains Bahan PENGALAMAN PEMBELAJARAN
No. & TAJUK TUGASAN
TASK 02.03 – Sains Bahan
Code No. : SK 2021-LE3-IS3a
Muka : 1
drp : 7
TAJUK : SAINS BAHAN TUJUAN : 1. Mengenalpasti jenis-jenis jenis-jeni s bahan logam dan bukan logam serta komposit yang yang digunakan dalam bidang kejuruteraan. kejuruteraan. PENERANGAN 1. PENGENALAN Di dalam bidang kejuruteraan, bahan merupakan elemen terpenting dalam sesuatu produk ataupun barangan kegunaaan seharian.Segala bentuk benda yang digunakan oleh manusia seperti peralatan, mesin, peranti elektronik atau segala bentuk struktur kejuruteraan terdiri daripada pelbagai jenis bahan. Sains bahan adalah mengkaji struktur termasuk struktur atom, mikrostruktur dan makrostruktur dan ini dihubungkait dengan sifat-sifat bahan. Sains bahan juga mempertimbangkan fabrikasi atau pemprosesan bahan. Kejuruteraan Kejurutera an bahan memperihalkan memperihalka n pengkajian dan juga penggunaan prinsip sains bahan supaya bahan boleh direka bentuk menjadi benda atau barangan penting untuk keperluan manusia. Hampir lebih daripada separuh kajian kejuruteraan bahan berasaskan fizik dan kimia tulin.
2. PENGKELASAN BAHAN Bahan boleh dibahagikan kepada 6 jenis Logam Seramik Polimer Komposit Semikonduktor Biobahan
• • • • • •
2.1 Logam Logam merupakan bahan kejuruteraan yang terpenting. Ia menjadi bahan utama dalam pelbagai perusahaan pembuatan dan pembinaan. Boleh dikatakan kebanyakan barang keperluan harian diperbuat logam. Oleh sebab logam terdiri daripada berbagai-bagai jenis, maka sifat-sifatnya juga berlainan. Pengetahuan tentang sifat-sifat logam samada sifat fizikal ataupun sifat mekanikal penting diketahui oleh mereka yang terlibat dalam secara langsung dalam industri berkenaan kerana pemilihan bahan yang sesuai merupakan merupakan kunci kepada kejayaan industri. Pemilihan bahan bahan yang bersesuaian dengan dengan penggunaan dan fungsi peralatan bukan sahaja meningkatkan daya tahan dan jangka hayat peralatan berkenaan malah akan mengurangkan kos keseluruhan industri. Bahan logam boleh dikelaskan kepada dua kumpulan iaitu: 2.1.1 Logam ferus 2.1.2 Logam bukan ferus. 72
Code No. : SK2021-LE3-IS3a
Muka : 2
drp : 7
Bahan Logam
Logam Bukan Ferus
Logam Ferus
Aluminium Keluli
Besi Tuang (Cast Ir on) Kuprum
Keluli Karbon Biasa
Keluli Karbon Rendah
Besi Tuang Kelabu
Nikel
Besi Tuang Putih
Magnesium
Keluli Aloi
Keluli Karbon Tinggi
Besi Tuang Tempawan
Zink
Timah
Keluli Karbon Sederhana
Perak
Rajah 1: Pengkelasan Bahan Logam 2.1.1
Logam ferus Logam ferus adalah adalah suatu logam yang mengandungi besi dalam kandungannya. Logam-logam jenis ini banyak didapati, mudah dihasilkan dan harganya lebih murah jika dibandingkan dengan logam-logam bukan ferus. Logam ferus juga mempunyai berbagai sifat mekanikal yang mana banyak bergantung pada jumlah kandungan campuran logamnya. Logam ferus terbahagi kepada dua iaitu keluli dan besi tuang.
2.1.1.1 Keluli 2.1.1.1.1 2.1.1.1. 1
Keluli Karbon Biasa
Untuk menghasilkan keluli, besi jongkong dileburkan semula supaya bahan-bahan asing yang terlalu banyak di dalamnya dapat dipisahkan. Keluli mempunyai kandungan karbon sebanyak 0.02% hingga 1.7%. Jika dibanding dengan logam lain, keluli adalah lebih kuat dan boleh dikeraskan dengan tindakan haba. Keluli karbon biasa boleh digredkan kepada tiga jenis iaitu :i.
Keluli berkarbon rendah/keluli rendah/keluli biasa. Keluli karbon rendah (0.3%C) mempunyai sifat kemuluran dan fabrikasi (rolling, drawing dan welding) yang baik. Biasa digunakan dalam keadaan sepuh lindap dan sepuh lazim. Kegunaannya ialah sebagai keluli struktur untuk jambatan, bangunan, kapal, kenderaan dan dandang.
73
Code No. : SK2021-LE3-IS3a
Muka : 3
drp : 7
ii. Keluli berkarbon sederhana. Keluli karbon pertengahan (0.3%-0.7%C) biasa dilindapkejut dan dibaja untuk menerbitkan keliatan dan kekuatan. Kegunaannya untuk aci, gear, connecting rod, gandar dan acuan untuk tempaan. iii. Keluli berkarbon tinggi. Keluli karbon tinggi (0.7%-1.7%C) pula dilindapkejut untuk memperolehi kekerasan dan dibaja untuk mendapatkan sifat keliatan bagi spring, acuan dan alat pemotong. Untuk memperbaiki sifat-sifat mekanik keluli karbon biasa, unsur-unsur lain ditambah dalam kadar yang kecil dan rawatan haba yang sesuai dilakukan. Contohnya;
Pengerasan selongsong (case hardening) boleh dilakukan ke atas keluli karbon rendah yang terlalu mulur sifatnya (dead mild steel, 0.05-0.15%C). MnS di dalam keluli ini ditinggikan kandungannya supaya mudah dimesin (free cutting). Berbagai-bagai cara telah digunakan untuk memperbaiki sifat kekautan keluli. Di antaranya ialah dengan menghaluskan saiz bijian dengan menggunakan Al, Mn dan Nb.
Gred-gred keluli ditentukan melalui peratus karbon. Karbon ( Peratus )
Jenis Keluli
0.008–0.15
Keluli biasa
0.15 0.1 – 0.3 0.25 – 0.4 0.3 – 0.45 0.4 – 0.5 0.55 – 0.65 0.65 – 0.75 0.75 – 0.85 0.85 – 0.95 0.95 – 1.1
Keluli biasa Keluli biasa Keluli karbon Keluli karbon Keluli karbon Keluli karbon Keluli karbon Keluli karbon Keluli karbon Keluli karbon
1.1 – 1.4
Keluli karbon tinggi
sederhana sederhana sederhana tinggi tinggi tinggi tinggi tinggi
Kegunaan Kepingan dan jalur untuk kerja tekan; dawai dan rod untuk buat paku, skru, bar untuk menguatkan konkrit. Kualiti kes penyusukkarbonan. Plat dan bahagian keluli, untuk kerja struktur. Bar penarikan sinar. Shaf dan tiub bertegangan tinggi. Shaf, gear, tayar keretapi. Acuan tempaan, landasan keretapi dan pegas. Tukul, gergaji, dan pelapik untuk silinder. Pahat kerja sejuk, blok acuan tempaan tinggi. Penebuk, mata ricih, dawai bertegangan tinggi. Pisau, kapak, pemetik, acuan skru dan tap pemotong kisar. Galas bebola, gerudi, pemotong kayu dan alat pemotong kayu dan logam, belati.
Jadual 1: Gred-gred Keluli 2.1.1.1.2 2.1.1.1. 2
Keluli Aloi
Struktur keluli karbon ini boleh diubah untuk memperbaiki sifat mekaniknya dengan menggunakan unsur-unsur lain dalam kombinasi yang tertentu, terpulang kepada perkhidmatan yang diperlukan. Keluli ini dibahagikan dibahagikan kepada beberapa jenis iaitu: i.
Keluli tahan karat (Stainless steel) Unsur-unsur aloi dalam keluli tahan karat ialah kromium (Cr) dan juga nikel (Ni). Ia perlu wujud dalam kadar yang tertentu bagi membolehkan keluli mempunyai sifat tahan kakisan. Ianya banyak digunakan untuk membuat peralatan hospital, industri-industri pengeluaran makanan, alat-alat dapur dan peralatan-peralatan lain yang perlu tahan karat serta tahan pada suhu yang tinggi.
74
Code No. : SK2021-LE3-IS3a
Muka : 4
drp : 7
ii.
Keluli tahan lasak (High speed steel) Ia mengandungi karbon dan bahan-bahan lain seperti kromium , wolferam, mangganum dan molibdenum. Ianya banyak digunakan untuk membuat pelbagai peralatan dibengkel kejuruteraan dan mata alat mesin untuk memotong logam pada kelajuan yang tinggi.
iii.
Keluli wolferam (Tungsten) Ianya adalah sejenis keluli yang keras dan dapat menahan suhu yang tinggi. Ianya banyak digunakan untuk membuat alat-alat dan mataalat pemotong logam pada kelajuan yang lebih tinggi.
iv.
Keluli alat (Tool steel) Keluli alat terdiri dari berbagai-bagai jenis komposisi kimia dan rawatan yang berbeza-beza menurut kegunaan tertentu. Keluli-keluli alat digunakan untuk memotong, mericih, membentuk, menggolek dan menempa di mana setiap satunya memerlukan kekerasan, kekuatan, rintangan haus dan haba.
2.1.1.2 Besi tuang Besi diperbuat daripada bijih besi yang utama iaitu oksida dan karbonat. Bijih besi yang asli ialah tahi bintang (Shooting star atau meteor). Bijih besi ini dileburkan dalam relau jenis aci besar yang dinamakan relau bagas. Di antara jenis-jenis besi tuang yang biasa digunakan secara meluas ialah :i. ii. iii. 2.1.2
Besi Tuang Kelabu Besi Tuang Putih Besi Tuang Tempawan
Logam bukan ferus Logam bukan ferus ialah logam yang tidak mempunyai besi. Contohnya aluminium, tembaga, kuprum, timah, zink, magnesium dan titanium. Logam-logam ini mempunyai mempunyai sifat semulajadi tersendiri. Tembaga dan aluminium merupakan pengalir yang baik. manakala, timah dan zink pula digunakan sebagai bahan penyalut bagi mengelakkan karat.
2.1.2.1Aluminium dan aloinya Aluminium diperbuat daripada bijih bauksit, suatu alumina hidrat dan galian ini biasanya mempunyai besi oksida dan galian lain bersama-samanya. Aluminium merupakan satu daripada unsur yang amat banyak terdapat dalam kerak bumi. Ia berwarna putih perak, mempunyai sifatsifat mulur, tempawan, mudah dituang dan mudah dimesin. Ketumpatannya yang rendah membuatkannya cukup sesuai digunakan dalam bidang pengangkutan darat, laut dan udara. Aluminium merupakan bahan pengalir haba dan elektrik yang kedua terbaik selepas tembaga dan sesuai untuk dijadikan dawai elektrik. Proses pengaloian dan rawatan haba tertentu boleh meningkatkan lagi ciri-ciri mekanikal logam ini. Aloi aluminium yang paling umum ialah Duralamin, iaitu sejenis aloi dengan unsur pengaloian utamanya kuprum, (lebih kurang 4% Cu). Kegunaan aloi ini selepas dalam keadaan terawat haba ialah sebagai bahan utama dalam pembinaan pesawat. 2.1.2.2 Kuprum dan aloinya Kuprum ialah bahan pengalir haba dan elektrik yang terbaik. Ia berwarna merah kekuningan, mempunyai sifat mulur dan tempawan.Kuprum ini lebih kuat berbanding aluminium kerana ia sangat mulur dan boleh dikendalikan semasa kerja panas. Satu lagi keistimewaan kuprum ialah tidak berkarat, mudah disambung dengan cara memateri dan mengimpal loyang.
75
Code No. : SK2021-LE3-IS3a
Muka : 5
drp : 7
Bijih kuprum yang utama merupakan campuran kompleks di antara kuprum dan sulfida, dengan proses pengeluaran kuprum daripada bijihnya samada dilakukan melalui proses melebur atau cara penarikan elektrolit. Kuprum boleh ditulenkan dengan kaedah elektrolit atau teknik penulenan penulenan api. Beberapa kegunaan pelbagai gred kuprum tulen di antaranya ialah dawai, lilitan elektrik dan pendawaian kepingan lapisan untuk seni bina. Aloi utama kuprum ialah loyang dan gangsa. LOYANG merupakan aloi kuprum dan zink. Aloi ini sering digunakan untuk pembuatan komponen dalam kondenser, komponen atau alat perkapalan, perhiasan dan sebagai muntz metal . Manakala, GANGSA pula ialah aloi kuprum dengan timah. Gangsa lebih kuat dan mempunyai ketahanan kakisan yang baik. Gangsa sering digunakan sebagai bilah turbin dan bahan utama dalam pembuatan duit syiling dan lain-lain lagi. 2.2 Seramik Perkataan seramik memberikan bayangan yang berbeza kepada setiap individu. individu. Kebanyakan Kebanyakan daripada kita akan memikirkan seramik bererti tembikar dan potteri, manakala bagi seorang jurutera mereka memikirkan seramik sebagai bahan baru seperti oksida, karbide dan nitrida tersinter. Seramik adalah sebatian unsur logam dan bukan logam terikat bersama dengan ikatan kovelen atau ionik. Seramik boleh dibahagikan kepada seramik tradisional dan seramik teknikal. Contoh seramik tradisional ialah bata, porselin, ubin dan barangan sanitari. Manakala, seramik teknikal terdiri daripada sebatian tulin atau hampir tulin seperti magnesium oksida, aluminium oksida, barium titanate, silikon karbida dan silikon nitride. Seramik sebenarnya merangkumi batu, simen, konkrit, batu-bata, kaca, oksida logam dan lain-lain. Seramik merupakan penebat elektrik dan haba yang baik. Sifat seramik yang paling nyata ialah keras dan rapuh.
2.3
Polimer Polimer biasanya dikenali sebagai plastik. (Poly) maksudnya banyak dan (mer) bermaksud unit. Polimer ialah bahan organik terhasil daripada gabungan molekul rantai panjang yang mengandungi karbon dan hidrogen serta unsur-unsur lain. Monomer : Unit tunggal. Molekul-molekul mudah atau kecil yang diikat secara kovalen kedalam rantai yang panjang. Dikenali juga sebagai “mer” X Monomer Polimer : Molekul rantai panjang yang terhasil daripada ulangan unit-unit monomer monomer dan tindakbalas itu dipanggil pempolimeran. X-X-X-X-X-XPolimer Polimer membentuk suatu kumpulan bahan-bahan asli dan tiruan (sintetik) yang memainkan peranan yang semakin meningkat di dalam teknologi moden. Kebanyakkan polimer adalah bahan organik yang mempunyai ciri-ciri seperti berikut:i. ii. iii.
Mengandungi gabungan karbon dan oksigen, oksigen , hidrogen dan lain-lain bahan organik dan bukan organik. Secara amnya, pada suhu biasa ia adalah bahan bukan berhablur. Mempunyai struktur rangkaian yang panjang.
76
Code No. : SK2021-LE3-IS3a
2.4
Muka : 6
drp : 7
Komposit Namanya sahaja sudah menggambarkan bahan ini terdiri dari lebih dari satu komponen. Komposit merupakan sebarang bahan berbilang fasa. Walaubagaimanapun ia selalunya dihadkan kepada bahan khusus dua atau lebih fasa digabungkan untuk memberi sifat yang tidak diberi pada juzuk-juzuknya. Sebutan komposit merangkumi bahan tetulang serat, rod halus dan plat, rencaman zarah seperti serakan aloi yang diperkuat dan sermet, laminat dan bahan apitan. Prinsip komposit bukanlah baru, contoh penggunaan jerami dalam batu-bata lumpur kering, penggunaan rambut dan serat lain untuk menguatkan plaster. Bahan-bahan asli yang selalu digunakan dalam industri komposit terdiri daripada serat dari tumbuhan, bulu binatang, kulit dan sebagainya. Bahan-bahan lain yang biasa digunakan dalam industri komposit termasuklah polimer, kaca, grafit, boron, aluminium alumini um samada dalam bentuk, serat, `single’, ’weaved’, ’braided’, ’tow’ , `honey comb’ dan lain-lain. Manakala bahan matrix pula matrix pula terdiri dari epoxy, polyester, phenilocs, polietheretherlketon dan polietheretherlketon dan lain-lain. Kelebihan utama bahan komposit ialah kerana ianya mempunyai sifat yang kuat berbanding dengan berat bahan tersebut. Kekuatan bandingan (specific (specific weight ) sesuatu bahan penting dalam industri pengangkutan, terutamanya industri dalam aerospace, aircraft, otomotif, pengangkutan dan lain-lain. lain-lai n. Kekuatan bahan komposit kadang-kadang melibihi kekuatan metal. Produk yang biasa kita jumpa dalam kehidupan harian hasil dari teknologi komposit ialah seperti bot, tangki air, tabung gas, baju kalis peluru adan lain-lain.
2.5
Semikonduktor Semikonduktor mempunyai sifat pertengahan antara pengalir dan penebat. Ciri-ciri sifat elektrik bahan ini amat sensitif dengan kehadiran surihan bendasing. Semikonduktor intrinsik adalah semikonduktor tulin. Semikonduktor ekstrinsik pula dihasilkan dengan menambah atom bendasing di dalam semikonduktor intrinsic. Proses penambahan ini dinamakan pendopan (doping) manakala bendasing tersebut dpanggil dopan. Mekanisma pendopan ialah proses resapan pada suhu tinggi. Terdapat dua jenis semikonduktor iaitu jenis-n (negative) dan jenis-p (positif). Kebanyakan peranti elektronik menggunakan semikonduktor jenis ekstrinsik.
77
Code No. : SK2021-LE3-IS3a
Muka : 7
drp : 7
SOALAN 1. Sebutkan jenis-jenis logam ferus. 2. Terangkan Keluli karbon tinggi (High carbon steel) dan dan Keluli tahan lasak (High speed steel) steel) 3. Apakah kegunaan aluminium? aluminium ? 4. Apakah yang dimaksudkan dengan pempolimeran? pempolimera n?
RUJUKAN 1. William,BC (2001), Material Science and Engineering an Introduction Introducti on Sixth Edition, UK, UK, Wiley. rd
2. W.F. Smith (1996), Principles of Material Science and Engineering, Engineerin g, 3 Edition, UK, McGrawHill . 3. Rosiah Yahya, Aishah Mohd. Jelan, Latifah Abdul Latif Dan Mohd Jamil Maah (1999), Kimia Tak Tak Organik Asas Matrikulasi Cetakan Kedua , Kuala Lumpur,Fajar Bakti Sdn Bhd. 4. Esah Hamzah, Hamzah, Jasmin Hashim, Norhisyam Abdul Hamid dan Norhayati Ahmad (1999), Nota Sains Bahan Edisi Kedua, Johor, UTM.
78
