Sains bahan dan kejuruteraan EDISI PERTAMA 2023 Len Bin Annuar Rigos ASAS
PENGENALAN KEPADA SAINS BAHAN DAN KEJURUTERAAN STRUKTUR DAN IKATAN BAHAN SIFAT DAN KELAKUAN GAGAL BAHAN LARUTAN PEPEJAL DAN GAMBARAJAH FASA 01 02 03 04 05 06 Topik APLIKASI DAN JENIS LOGAM ALOI FABRIKASI LOGAM 07 KAKISAN LOGAM
Pengenalan kepada Sains Bahan dan kejuruteraan Menerangkan berkenaan asas sains Rumusan : Topik ini menerangkan secara asas berkenaan dengan sains bahan dalam kejuruteraan serta pengkelasan bahan seperti logam, Polimer, seramik, komposit dan bahan termaju. Diakhir topik ini, anda dapat: 1. bahan. 2. Menentukan pengkelasan bahan. Topik 1
PENGENALAN Dalam kehidupan seorang jurutera dan juruteknik mekanikal di industri, semestinya tidak akan terlepas dari menggunakan pelbagai jenis bahanbahan tertentu untuk menyelesaikan tugasan seharian. Begitu juga sebagai seorang pelajar yang terlibat dalam bidang kejuruteraan umumnya, kita juga amat terdedah dengan pelbagai jenis mesin atau peralatan yang mempunyai fungsi-fungsi tertentu. Pemilihan dan penggunaan bahan yang sesuai merupakan aspek utama dan penting untuk difikirkan sebelum menghasilkan sesuatu rekabentuk komponen. Oleh itu, adalah perlu untuk kita didedahkan dengan bahan-bahan kejuruteraan yang terdapat di industri seterusnya memahami sifat-sifat dan kelakuan bahan tersebut untuk tujuan kejuruteraan. Ini kerana, pihak industri menentukan bahan mana yang patut digunakan untuk sesuatu produk dengan mengenalpasti sifat sesuatu bahan.
Satu cabang ilmu yang berkaitan dengan bahan adalah sains bahan. Sains bahan merupakan suatu kajian sains yang mempertimbangkan pengetahuan asas mengenai struktur dalaman termasuk struktur atom, sifat-sifat dan pemprosesan bahan. Asasasas kajian sains ini amat penting supaya ianya boleh diolah menjadi produk yang bermanfaat dalam rekabentuk dan pembuatan komponen. Didalam buku ini juga akan disentuh beberapa topik berkenaan dengan struktur dan ikatan sesuatu bahan, sifat dan kelakuan sesuatu bahan, larutan pepejal dan rajah keseimbangan fasa, aloi logam , fabrikasi logam dan diakhir topik menyentuh berkenaan pengujian terhadap sesuatu bahan.
PENGKELASAN BAHAN Secara amnya, bahan dikelaskan kepada beberapa kumpulan yang utama seperti logam, polimer, seramik, komposit dan bahan termaju. Pengkelasan bahan penting kepada kita kerana setiap bahan dalam kelas yang tertentu mempunyai sifat dan ciriciri yang berbeza. Logam Bahan yang versatil seperti logam terbahagi kepada dua kumpulan, samada ianya logam ferus ataupun logam bukan ferus. Logam ferus beserta aloinya merupakan kumpulan yang mana didalam kandungan logamnya mengandungi unsur-unsur berbesi (ferum) manakala logam bukan ferus beserta aloi sebaliknya tiada mengandungi unsurunsur berbesi. Contoh logam ferus bersama aloinya seperti besi dan keluli. Logam bukan ferus pula seperti aluminium, kuprum dan titanium.
Secara umumnya, logam mempunyai sifat pengaliran elektrik dan haba yang baik, kekuatan yang tinggi dan bersifat mulur. Logam dalam keadaan yang tulen mempunyai kegunaan yang terhad dan bersifat ekstrim menyebabkan ianya tidak sesuai untuk tugas-tugas kejuruteraan sebenar. Oleh sebab itu, logam biasanya akan dialoikan untuk digunakan dalam keadaan yang tertentu. Pengaloian merupakan gabungan rapat dua dan lebih logam atau bahan bukan logam digabung bersama untuk mempertingkatkan sifat-sifat tertentu logam tulen. Keluli aloi menduduki kedudukan yang utama dan paling meluas penggunaannya di industri disebabkan oleh sifat kekuatannya yang tinggi, mudah didapati dan dibentuk. Penerangan yang lebih lanjut akan disentuh dalam topik logam aloi.
Pengkelasan logam
Polimer Bahan polimer dapat dikategorikan kepada dua jenis iaitu polimer asli dan polimer tiruan. Polimer asli merupakan bahan polimer yang terbentuk secara semulajadi contohnya getah, protein, sutera dan kanji. Bahan kejururuteraan yang dikenali sebagai plastik lebih tepat dipanggil polimer merupakan bahan tiruan (sintetik), iaitu bahan tersebut merupakan bahan buatan manusia yang melalui beberapa proses pembuatan industri Petrokimia. Polimer adalah bahan organik daripada gabungan struktur rantaian panjang molekul hidrokarbon serta unsur lain yang dihasilkan melalui proses tindakbalas kimia yang dipanggil pempolimeran. Terdapat pelbagai bentuk susunan rantai molekul polimer seperti berbentuk amorfus, lurus, bercabang dan berpaut silang.
Polimer memainkan peranan yang besar dalam kehidupan seharian kita. Kebanyakan komponen kejuruteraan yang menggunakan bahan logam dan seramik , kini pemilihan bahan telah beralih kepada bahan polimer sebagai alternatif disebabkan oleh sifat-sifat yang ada pada bahan ini iaitu mudah dibentuk dan ringan. Susunan rantai molekul polimer (a) lurus (b) berpaut silang (c) bercabang
Polimer boleh dibahagikan kepada dua kumpulan yang utama iaitu termoplastik dan termoset. Polimer termoplastik merupakan bahan yang boleh dipanaskan semula berulang kali dan boleh diacu mengikut acuan yang dikenakan keatasnya. Ini bermakna, Polimer termoplastik merupakan bahan yang boleh dikitar semula. Antara contoh polimer termoplastik adalah polyvinylchloride (PVC), polystyrene (PS) dan polyethylene (PE). Perkara sebaliknya berlaku pada termoset, apabila dipanaskan pada kali pertama, ianya akan terus terset atau terawet dan tidak dapat diacu semula. Antara contoh polimer termoset adalah Melamine dan polyester resin. Secara umumnya, polimer mempunyai sifat pengaliran elektrik dan haba yang rendah, oleh itu penggunaan polimer pada suhu tinggi adalah tidak sesuai.
Pengkelasan Polimer
Seramik Apabila disebut seramik, seringkali kita terbayangkan bahan seperti tembikar ataupun pasu. Seramik merupakan bahan tak organik yang merangkumi batu, kaca, konkrit, pasir dan lain-lain. Bahan Seramik terbahagi kepada dua iaitu seramik tradisional dan seramik kejuruteraan atau termaju. Seramik tradisional dihasilkan daripada bahan berasaskan tanah liat atau silica, contohnya seperti bata binaan, jubin lantai, kaca dan hasilan tembikar. Manakala seramik termaju merupakan bahan seramik yang baru yang diperolehi secara kimia seperti oksida, karbida dan nitrida.
Contoh bahan seramik termaju adalah seperti alumina yang digunakan sebagai bahan penebat pada palam pencucuh. Secara umumnya, seramik merupakan penebat haba dan elektrik yang baik, mempunyai kekerasan dan kekuatan yang tinggi. Namun begitu, ia juga bersifat rapuh dan tidak mampu menanggung beban apabila dikenakan daya secara mengejut. Pengkelasan Seramik
Komposit Komposit merupakan bahan yang dihasilkan melalui gabungan dua atau lebih bahan yang berbeza bentuk, komposisi kimia dan tak larut antara satu sama lain. Walaubagaimanapun ia selalunya dihadkan kepada bahan khusus dua atau lebih fasa digabungkan untuk memberi sifat-sifat yang tidak boleh diperolehi oleh bahan individu itu sendiri. Kebiasaannya komposit terdiri dari dua fasa, iaitu yang pertama dipanggil fasa matrik yang merupakan satu fasa yang memenuhi fasa yang kedua dan mempunyai komposisi yang lebih tinggi. Fasa kedua iaitu fasa terserak merupakan fasa yang tidak berterusan yang dikelilingi oleh matrik dan komposisinya lebih rendah dari komposisi matrik. Fasa matriks dan fasa terserak
Antara penggunaan aplikasi komposit yang banyak digunakan adalah seperti komposit plastik diperkuat gentian kaca (fiberglass composite). Bahan kategori Plastik yang digunakan adalah polyester atau epoxy resin akan menjadi fasa matrik manakala gentian kaca dari kategori seramik akan menjadi fasa terserak. Pengkelasan Komposit berdasarkan matriks
Bahan termaju bahan yang digunakan dalam teknologi tinggi pada masa kini dan juga masa akan datang dipanggil bahan termaju. Teknologi tinggi yang dimaksudkan merupakan alat atau peralatan yang canggih yang biasanya direkabentuk untuk prestasi yang maksimum. Contoh bahan termaju yang akan disentuh dalam buku ini adalah bahan-bio, semikonduktor , bahan nano kejuruteraan dan bahan pintar. Bahan-Bio Bahan-Bio digunakan dalam komponen-komponen yang diimplan ke dalam tubuh manusia untuk menggantikan bahagian-bahagian badan dengan cara merawat atau menggantikan mana-mana tisu, organ atau fungsi badan yang berpenyakit atau rosak. Bahan tersebut hendaklah tidak menghasilkan tindakbalas bertoksik dan sesuai dengan tisu badan. Antara contoh aplikasi bahanbio adalah seperti implan dalam bidang pergigian, injap jantung tiruan dan kanta lekap.
Semikonduktor Semikonduktor merupakan bahan yang mempunyai sifat diantara penebat dan pengalir elektrik. Bahan ini bertindak sebagai penebat pada suhu yang sangat rendah namun pada suhu bilik ia boleh bertindak sebagai pengalir elektrik. Semikonduktor banyak digunakan dalam bidang elektronik dan industri komputer. Bahan kejuruteraan nano Merupakan satu cabang sains yang sedia ada ke skala kecil yang melibatkan pemahaman, manipulasi, dan kawalan jirim pada dimensi nanometer iaitu saiz antara 1 hingga 100 nanometer . Teknologi nano ini telah dapat memanipulasi sesuatu bahan secara kecilan sehingga ianya berhampiran kepada skala atom serta mampu menghasilkan satu struktur, bahan dan peranti yang baru. Bahan-bahan dengan struktur pada skala nano sering mempunyai sifat optik, elektronik atau mekanikal yang unik.
Kebanyakan bahan-bahan berskala nano terlalu kecil untuk dilihat dengan mata kasar walaupun dengan menggunakan mikroskop makmal konvensional. Antara aplikasi bahan kejuruteraan nano dalam bidang perubatan adalah seperti digunakan untuk merekabentuk ubat-ubatan yang mensasarkan kepada organ tertentu atau sel-sel kanser. Di dalam bidang kejuruteraan pula dengan menambah bahan nano kepada simen, kain dan bahan-bahan lain untuk menjadikan bahan tersebut lebih kuat dan lebih ringan, oleh sebab itu ianya amat berguna dalam bidang elektronik.
Bahan pintar Bahan-bahan pintar adalah sekumpulan bahanbahan baru dan sedang dibangunkan bakal mempunyai pengaruh yang ketara ke atas banyak teknologi pada masa kini. Bahan-bahan pintar ini membayangkan bahawa ianya boleh diubah secara terkawal oleh rangsangan luar seperti tekanan, suhu, kelembapan, pH, elektrik atau medan magnet dan kemudian memberi respon kepada perubahanperubahan dalam keadaan yang telah di tetapkan. Antara contoh komponen-komponen yang bahan pintar termasuklah beberapa jenis penderia (sensor) yang mengesan isyarat masukan. Bahan- bahan yang lain adalah seperti piezoelectric dan bahan Photochromic. Bahan piezoelectric menghasilkan voltan bila tekanan dikenakan, ia mempunyai keupayaan untuk menjana cas elektrik. Bahan Photochromic pula boleh mentransformasi warna apabila terdedah kepada cahaya. Keadaan ini boleh digambarkan dalam aplikasi cermin mata.