Transcript KEGAGALAN BAHAN EBB 224 Rekabentuk Bahan Kejuruteraan Dr. Zuhailawati Hussain

KEGAGALAN BAHAN
EBB 224 Rekabentuk Bahan Kejuruteraan
Dr. Zuhailawati Hussain
Pengenalan
Kelakuan ketika penggunaan sesuatu bahan
ditentukan oleh sifat terwujud bahan, sistem tegasan yang
bertindak ke atasnya & persekitaran ketika bahan
itu beroperasi.
Komponen gagal – apabila bahan yang tidak sesuai
dipilih untuk pembuatan komponen @ apabila
keadaan penggunaan lebih teruk dari yang
dijangka oleh pereka.
Jenis-jenis umum kegagalan mekanikal yang dialami
semasa praktikal ialah:
i. Alah, iaitu apabila bahan komponen dikenakan beban
statik. Alah menyebabkan ubahbentuk kekal yang boleh
menghasilkan ketidakjajaran atau halangan kepada
pergerakan mekanikal.
ii. Lengkokan yang berlaku pada tiang yang panjang apabila
ia di kenakan beban mampatan, atau tiub berdinding
nipis apabila ia dikenakan beban kilasan.
iii. Kegagalan rayapan, berlaku apabila terikan rayapan
melebihi toleran yang dibenarkan dan mengakibatkan
gangguan kepada komponen. Dalam keadaan yang ekstrim
komponen boleh pecah. Bagi sambungan bolt dan aplikasi
serupa kegagalan berlaku apabila tegasan awal bersantai
pada aras rendah dari had dibenarkan, dan sambungan
akhirnya menjadi longgar @ bocor.
iv. Kegagalan disebabkan haus berlebihan yang berlaku
dalam komponen yang melibatkan pergerakan relatif
seperti galas. Gagal – ketidaktepatan pergerakan,
gangguan & hilang bentuk komponen
v. Kegagalan secara pecah akibat beban statik iaitu
peringkat yang berlaku selepas alah. Kegagalan boleh
secara mulur atau rapuh.
vi. Gagal lesu akibat dari lebihan tegasan, kecacatan bahan
atau peningkat tegasan. Lazim terjadi secara tiba-tiba
tanpa petunjuk visual.
vii. Pecah hasil drpd gabungan tegasan dan kakisan yang
berlaku akibat dari pemulaan retak pada titik tumpuan
tegasan. Cth- retak disekeliling lubang rivet dalam
dandang.
viii.Gagal disebabkan oleh beban hentakan yang berlaku
secara belahan dalam bahan mulur. Cth-keluli jika
kurang dari suhu peralihan rapuh-mulur.
Kegagalan 1-4: lazimnya tidak melibatkan pecah yang
sebenarnya, komponen dianggap gagal apabila prestasi
adalah kurang dari had boleh terima.
5-9: komponen pecah dan ini boleh menyebabkan
perpindahan beban ke komponen lain dan kegagalan
lain terhasil.
Kegagalan dielakkan melalui rekabentuk berhati-hati
dan pemilihan faktor keselamatan yang sesuai.
Kegagalan dielakkan melalui rekabentuk berhati-hati dan
pemilihan faktor keselamatan yang sesuai.
Pecah
Pecah: pemisahan jasad kepada serpihan-serpihan akibat
tegasan, pada suhu kurang dari takat lebur.
Langkah pecah:
Pembentukan retak
Perambatan retak
Bergantung kepada keupayaan bahan untuk mengalami
ubahbentuk plastik sebelum berlakunya pecah, terdapat dua mod
pecah yang boleh dikenalpasti: pecah rapuh dan pecah
mulur.
i. I. Pecah mulur – kebanyakan logam (tidak terlalu
sejuk):
ubahbentuk plastik yang ekstensif dan penyerapan
tenaga (keliatan) sebelum gagal
retak adalah stabil: menahan pemanjangan
selanjutnya melainkan tegasan kenaan ditingkatkan
II. Pecah rapuh –seramik, ais, logam sejuk:
Ubahbentuk plastik dan penyerapan tenaga yang
sedikit
Retak tidak stabil: merambat pantas tanpa
peningkatan dalam tegasan kenaan
Pecah mulur lebih digemari untuk kebanyakan
penggunaan
Pecah Mulur
& Pecah Rapuh
A. Sangat mulur, logam lembut (seperti Pb, AU) pada
suhu bilik, kebanyakan logam, polimer dan kaca pada suhu
tinggi
B. Mulur sederhana: lazim bagi logam mulur
C. Pecah rapuh: logam sejuk, seramik
Pecah Mulur (Kehelan
dibenarkan)
a.
b.
c.
d.
e.
Perleheran
Pembentukan rongga
Pembesaran rongga hingga membentuk retak
Perambatan retak
Pecah
Pecah Rapuh (Pergerakan
Kehelan Terhad)
Ubahbentuk plastik yang sangat sedikit
Perambatan retak sangat pantas
Retak merambat berserenjang dengan arah arah
tegasan kenaan
Retak selalunya merambat secara belahan – pemutusan
ikatan atom di sepanjang satah kristalografi tertentu
(satah belahan)
A. Pecah transgranul: Retak melalui butir-butir.
Permukaan pecah mempunyai tekstur muka kecil;
disebabkan orientasi satah belahan yang berbeza dalam
butir
B. Pecah Intergranul: Retak merambat di sepanjang
sempadan butir (sempadan butir dilemahkan atau menjadi
rapuh disebabkan oleh pengasingan bendasing dan
sebagainya)
Ujian Hentaman
(menguji ciri pecah di bawah kadar terikan tinggi)
• Dua ujian piawai iaitu Charpy dan Izod yang mengukur
tenaga hentaman (tenaga yang diperlukan untuk
memecahkan bahan uji dengan beban hentaman)
• Juga dipanggil keliatan takuk.
Peralihan Mulur ke Rapuh
Sekiranya suhu berkurangan bahan mulur boleh menjadi
rapuh – peralihan mulur ke rapuh
Peralihan mulur ke rapuh boleh diukur melalui ujian
hentaman:
tenaga
yang
diperlukan
untuk
pecah
berkurangan tiba-tiba dalam satu julat suhu yang sempitsuhu peralihan mulur ke rapuh.
Pengaloian lazimnya meningkatkan suhu peralihan
mulur ke rapuh.
Logam FCC kekal mulur sehingga ke suhu yang lebih
rendah.
Bagi seramik, peralihan ini berlaku pada suhu yang
lebih tinggi berbanding logam.
Pengurangan Pecah Rapuh
Utk aplikasi melibatkan tanggungan beban, cth – galas,
logam lazimnya digunakan jika keliatan tinggi
diperlukan.
Bahan polimer menjadi pilihan jika cirri tambahan
diperlukan spt dielektrik yang tinggi, ringan & lutsinar.
Seramik terlalu rapuh utk kegunaan yang melibatkan
beban hentaman.
Beberapa pertimbangan penting dalam merekabentuk
struktur logam keluli jika pecah rapuh ingin dielakkan:
suhu operasi, komposisi dan saiz butir keluli,
persekitaran penggunaan dan taburan tegasan.
1. Suhu
Pada suhu subzero, keluli menunjukkan rintangan yang
tinggi terhadap aliran plastik, maka ia lebih cenderung
untuk gagal secara pecah rapuh.
Peralihan dari kelakuan mulur ke rapuh berlaku pada julat
suhu tertentu, iaitu suhu peralihan mulur ke rapuh
(DBTT).
Kejatuhan mendadak dalam tenaga yang diperlukan untuk
memecahkan spesimen apabila sifat rapuh terjadi.
Suhu peralihan bukanlah suhu spesifik kerana ia
bergantung kpd: kaedah ujian yang dijalankan, komposisi
aloi serta saiz dan bentuk spesimen.
Bahan yang bersifat mulur dalam keadaan plat nipis pada
suatu suhu mungkin bersifat rapuh jika ia dalam bentuk
plat yang tebal pada suhu yang sama.
2. Komposisi dan
Saiz Butir
Bagi keluli karbon biasa, peningkatan kandungan
karbon akan meningkatkan kerapuhan bahan, i.e.,
ia
meningkatkan
suhu
peralihan
dan
mengurangkan tenaga yang diserap untuk pecah
di atas suhu peralihan.
Kandungan unsur pengaloian dalam keluli karbon
biasa mempengaruhi suhu peralihan:
fosforus berlebihan dalam tidak diingini –
unsur ini meningkatkan suhu peralihan.
Mn & Ni – memperbaiki suhu peralihan
3. Saiz butir
Lebih kecil saiz butir ferit – lebih rendah suhu
peralihan.
Semakin kecil saiz butir
semakin pendek satah gelinciran dalam
butir,
bilangan interaksi kehelan berkurang
kurang peluang untuk pembinaan tumpuan tegasan yang
cukup untuk menukleuskan retak.
4. Persekitaran
Sesetengah persekitaran boleh meningkatkan
kecenderungan bahan untuk patah secara rapuh.
Cth: persekitaran yang menyebabkan hidrogen
melarut dalam keluli.
Keluli menjadi rapuh pada suhu bilik.
Keluli kekuatan tinggi – menjadi rapuh melalui
‘electrolytic plating”, krn hidrogen dilarutkan
dalam keluli semasa di dalam elektrolit.
rapuh jika ia dalam bentuk plat yang tebal pada
suhu yang sama.
5.Taburan Tegasan
Bahan yg mulur sepenuhnya dalam keadaan beban
tegangan satu paksi boleh menjadi rapuh apabila
dikenakan tegasan gabungan seperti bahan
struktur.
2 faktor perlu dipertimbangkan:
Kesan tumpuan tegasan
Komponen tegasan tegangan dalam arah selain
dari arah beban.
Komponen tegangan terbina dalam satah mengufuk
hasil drpd pengembangan Poisson
meningkat apabila tebal plat meningkat.
plat tebal bertakuk menjadi rapuh & plat nipis
menjadi mulur.
Penumpuan tegasan:
dielakkan terutama dalam komponen yg mengalami
tegasan tinggi utk mengurangkan kebarangkalian pecah
rapuh:
takuk - teknik kerja yg silap
tanda pemesinan & kimpalan yg tidak bermutu
mikrostruktur bahan – bilah grafit dlm besi tuang
kelabu bertindak spt takuk
Lain-lain kegagalan:
LESU
RAYAPAN