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
Simple tension cable
Ski lift (photo courtesy P.M. Anderson)
Simple shear drive shaft
6
OTHER COMMON STRESS STATES (1)
7
OTHER COMMON STRESS STATES (2)
Bi-axial tension
Hydrostatic compression
Pressurized tank
(photo courtesy P.M. Anderson)
(photo courtesy P.M. Anderson)
s lt 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 _at_ 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

• 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)

• 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 _at_ konkrit, ubahbentuk
  elastik tidak linear tetapi masih bolehbalik.

17
UBAHBENTUK PLASTIK (KEKAL)

• 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
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 gt 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 lt N lt4.

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 lbf0.472
  in
• Luas Awal Ao ?/4 d2 ?/4 0.50020.196 in2
• Luas pada daya Ai ?/4 0.47220.175 in2
• Andaikan tiada perubahan isipadu semasa
  pemanjangan, Aolo Aili atau liloAoAi

35

• Tegasan kejuruteraanF/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 sebenarF/Ai17,000lbf/0.175in2
• 97,000psi
• Terikan sebenar ln(li/lo) ln(Ao/Ai)
• ln 0.196in2/0.175in2 ln1.120.113

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 N5 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.