1 3 SAINS BAHAN 3.1 Pengenalan Sains bahan atau kejuruteraan bahan merupakan sesuatu bidang antara disiplin yang melibatkan ciri-ciri jirim dan penggunaan jirim dalam pelbagai bidang sains dan kejuruteraan. Sains ini mengaji hubungan antara struktur bahan-bahan dan ciri-ciri mereka. Bidang ini meliputi fizik gunaan dan kimia, serta kejuruteraan kimia, kejuruteraan mekanik, kejuruteraan sivil dan kejuruteraan elektrik. Sains bahan semakin berkembang disebabkan perhatian yang meningkat kepada bidang nanosains dan nanoteknologi. 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 bahan memperihalkan 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. 3.1.1 Struktur Atom Kajian dan penyelidikan yang dijalankan dengan menggunakan kelengkapan moden telah menunjukkan bahawa atom mempunyai struktur dalaman yang terdiri daripada zarah yang lebih kecil. Zarah-zarah ini ialah proton, elektron, dan neutron. Jadual 3-1 menunjukkan jisim dan cas bagi proton, neutron dan elektron. Jadual 3-1: Jisim dan cas bagi zarah.
2 Setiap atom mempunyai ciri-ciri berikut: a) Atom mempunyai suatu pusat yang dikenali sebagai nukleus dan ia mempunyai dua jenis zarah lain, iaitu proton dan neutron. b) Atom mempunyai elektron yang sentiasa berputar mengelilingi nukleus dalam bentuk seakan-akan elips atau kelompong. c) Atom mempunyai orbit atau petala berlapis-lapis. Orbit-orbit ini ditandakan dengan huruf K, L, M, N dan seterusnya. Setiap orbit mempunyai bilangan elektron yang tertentu. Orbit yang paling hampir dengan nukleus ialah K atau 1 dan orbit /petala yang paling luar sekali dikenali sebagai valensi. Setiap orbit mempunyai bilangan elektron yang tertentu (Rujuk Jadual 3-2). Elektronelektron terutama sekali di petala terluar (electron valensi) menentukan kebanyakan sifat-sifat elektrik, mekanik, kimia dan terma bagi sesuatu bahan. Jadual 3-2: Bilangan elektron bagi setiap orbit Terdapat tiga (3) jenis ikatan atom i. Unsur ii. Sebatian iii. Campuran i. Unsur Merupakan gabungan dua atau lebih atom-atom sejenisnya. Nombor atom bagi sesuatu unsur menunjukkan jumlah bilangan proton (zarah bercas positif) yang terdapat dalam nukleus atom bagi unsur tersebut.
3 ii. Sebatian Merupakan gabungan antara dua atau lebih atom yang bergabung secara kimia. Contohnya apabila besi dan sulfur dipanaskan akan menghasilkan besi sulfida. Sebatian semulajadi sangat stabil kerana zarahzarah di dalamnya dipegang dengan kuat. iii. Campuran Merupakan gabungan dua atau lebih atom-atom yang berlainan jenis yang tidak bergabung secara kimia. Atom adalah neutral, apabila jumlah bilangan proton dan jumlah bilangan elektron bagi sesuatu atom adalah sama. Jisim Atom Relatif ( JAR) menunjukkan jumlah bilangan proton dan neutron bagi sesuatu atom. CONTOH 1 Jisim Atom Relatif (JAR) bagi Sulfur ialah 32 dan nombor atomnya ialah 18. Tentukan bilangan proton, elektron dan neutron. Penyelesaian Nombor atom = Jumlah bilangan proton = 18 Atom adalah neutral, maka jumlah bilangan proton = jumlah bilangan elektron = 18 JAR = Bilangan proton + Bilangan neutron Diberi, Bilangan proton = 18 Jisim Atom Relatif (JAR) = 32
4 Masukkan nilai ke dalam formula , JAR = Bilangan proton + Bilangan neutron Bilangan neutron = JAR - Bilangan proton Bilangan neutron = 32 - 18 Maka, Bilangan neutron = 14 CONTOH 2 Nombor atom bagi unsur Kuprum ialah 29. Tentukan bilangan elektron pada setiap lapisan orbitnya dan lukiskan orbit-orbit tersebut. Penyelesaian Nombor atom bagi Kuprum ialah 29. Nombor atom = Bilangan proton = Bilangan elektron = 29 Orbit K = 2 x 1 x 1 = 2 elektron Orbit L = 2 x 2 x 2 = 8 elektron Orbit M = 2 x 3 x 3 = 18 elektron Jumlah = 2 + 8 + 18 = 28 elektron Orbit N = (Jumlah elektron sebenar) – (Jumlah elektron yang telah dilukis) = 29 – 28 = 1 elektron Rajah 3-1 – Elektron valens dalam kuprum
5 3.1.2 Jadual Berkala Terdapat 109 unsur kimia yang diketahui pada masa kini. Jadual Berkala Unsur membolehkan kita mempelajari serta mengingati sifat kimia dan sifat fizik bagi semua unsur dengan lebih sistematik dan lebih mudah. Dalam Jadual Berkala, unsur-unsur disusun mengikut tertib nombor atom menaik secara mengufuk. Setiap turus tegak dalam Jadual Berkala dipanggil kumpulan manakala setiap turus mengufuk dipanggil kala. Jadual Berkala mengandungi lapan kumpulan iaitu: i. Kumpulan I – Logam alkali ii. Kumpulan II – Logam bumi beralkali iii. Kumpulan III iv. Kumpulan IV v. Kumpulan V vi. Kumpulan VI vii. Kumpulan VII – Halogen viii. Kumpulan VIII – Gas adi i) Ciri –Ciri Jadual Perkalaan Unsur Sifat-sifat kimia sesuatu atom bergantung kepada bilangan elektron dalam petala luar atom yang dinamakan atom valensi. Setiap kalaan mempunyai bilangan petala yang sama. Unsur-unsur yang mempunyai bilangan elektron di petala terluar yang sama, iaitu mempunyai sifat-sifat kimia yang sama, disusun dalam kumpulan yang sama. Walaupun sifat-sifat kimia adalah sama, tetapi sifat-sifat fizik unsur berubah secara beransur-ansur apabila menuruni sesuatu kumpulan. Antara Kumpulan II dan Kumpulan III iaitu terletak di tengah-tengah Jadual Berkala, terletak satu blok unsur-unsur berasingan yang dipanggil unsur-unsur peralihan. Jadual Berkala mempunyai 7 kala iaitu dari Kala 1 hingga Kala 7. Kala menunjukkan jumlah petala elektron dalam atom unsur. Kala 1 (1 petala elektron) mengandungi 2 unsur iaitu Hidrogen (H) dan Helium (He). Kala 2 dan 3 masing-masing mempunyai 8 unsur. Kala 4 dan 5 mempunyai 18 unsur manakala Kala 6 mempunyai 32 unsur. Kala 7 mempunyai hanya 23 unsur.
6 Rajah 3-2 Jadual Berkala Unsur Rajah 3-3 Cara membaca Jadual Perkalaan Unsur
7 ii) Kegunaan Jadual Perkalaan Unsur Untuk memudahkan pengkelasan sesuatu unsur. Ia juga dapat memberikan maklumat mengenai unsur-unsur tersebut terutamanya sifat-sifat unsur tersebut kerana ianya dikumpul mengikut susunan. Memudahkan menjangka sesuatu unsur yang masih dalam penemuan dan meramalkan sifat-sifat dan kegunaanya. Mudah untuk menganalisis dan memahami sesuatu tindakbalas antara unsurunsur tersebut. 3.1.2 Jenis-Jenis Ikatan Terdapat 3 cara bagaimana sesuatu atom itu diikat. i. Ikatan Ion / ionik / elektrovalen ii. Ikatan Kovalen iii. Ikatan Logam / metalik i) Ikatan Ionik (Elektrovalen / Ion) Ikatan ini terjadi apabila satu atau lebih elektron dipindahkan (didermakan) daripada satu atom ke satu atom yang alin. Atom yang kehilangan elektron menjadi ion positif (+ve); iaitu kation manakala atom yang menerima elektron bercas negative (–ve) iaitu anion. Perpindahan elektron akan berlalu menyebabkan wujudnya tarikan elektrostatik antara ion-ion yang berlawanan cas dan menghasilkan ikatan ionik. Ikatan ionik berlaku antara unsur-unsur logam dan bukan logam kerana atom logam senang / cenderung untuk membebaskan electron valensi kepada atom bukan logam. Sifat-sifat bahan yang mempunyai ikatan ionik: Kebanyakannya bersifat rapuh Kekonduksian elektrik lemah (kerana cas elektrik dihasilkan melalui pergerakan ion-ion maka elektron lebih senang bergerak berbanding ion). Contoh ikatan ionik boleh dilihat pada tindakbalas antara atom natrium dan klorin. Elektron dipindahkan daripada atom natrium kepada atom klorin untuk membentuk natrium klorida. Rujuk Rajah 3-4.
8 Nombor atom bagi Natrium ialah 11, maka konfigurasi elektronnya ialah 2:8:1 Nombor atom bagi Klorin ialah 17, maka konfigurasi elektronnya ialah 2:8:7 Rajah 3-4 Contoh Ikatan Ionik Natrium Klorida ii) Ikatan Kovalen Ikatan kovalen terbentuk daripada perkongsian elektron atom-atom yang bersebelahan. Salah satu atom menderma sekurang-kurangnya satu elektron untuk dikongsi. Contoh bahan yang mempunyai ikatan kovalen; CH4, Cl2, berlian, SiC dll Sifat-sifat bahan yang mempunyai ikatan kovalen; Kuat Kerapuhan yang tinggi Kekonduksian elektrik yang rendah Contoh ikatan kovalen adalah seperti di bawah: Rajah 3-5 Contoh Ikatan Kovalen Molekul Klorin
9 iii) Ikatan Logam Ikatan logam terbentuk dalam logam dan aloinya secara perkongsian elektron tetapi elektron valensinya tidak terikat pada mana-mana atom yang khusus. Electron valensinya bebas bergerak ke seluruh bahagian logam (membentuk lautan/awan electron) menjadikan logam sebagai pengalir elektrik dan haba yang baik. Contoh bahan yang mempunyai ikatan logam: Magnesium (Mg), kuprum (Cu) Rajah 3-6 Ikatan logam (ion positif dalam gas elektron) 3.2 Pengkelasan Bahan Sains Bahan boleh dikelaskan kepada dua pengkelasan yang utama iaitu logan dan bukan logam. Walaubagaimanapun ia telah dikelaskan kepada 4 bahagian iaitu :- i. Logam Ferus Bukan Ferus ii. Bukan logam Plastik Seramik iii. Komposit iv. Semikonduktor
10 3.2.1 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 kunci kepada kejayaan industri. Pemilihan bahan yang bersesuaian 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: i. Logam ferus ii. Logam bukan ferus. i) 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 a) Keluli b) Besi tuang. a) Keluli Keluli terbahagi kepada 2 jenis iaitu: keluli karbon biasa, dan keluli aloi Keluli Karbon Biasa Untuk menghasilkan keluli, besi jongkong dileburkan semula supaya bahanbahan 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.
11 Rajah 3-7 Carta Bahan Logam Keluli karbon biasa boleh digredkan kepada tiga jenis iaitu :- i. Keluli berkarbon rendah/keluli biasa. ii. Keluli berkarbon sederhana iii. Keluli berkarbon tinggi i) Keluli berkarbon 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. 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.
12 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. Rajah 3-8 Logam Ferus 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.
13 Gred-gred keluli ditentukan melalui peratus karbon seperti di Jadual 3-2 di bawah: Jadual 3-2 Gred-gred keluli Keluli aloi boleh dibahagikan kepada beberapa jenis iaitu: i) Keluli tahan karat (Stainless steel) ii) Keluli tahan lasak (High speed steel) iii) Keluli wolferam (Tungsten) iv) Keluli alat (Tool steel) i) Keluli tahan karat (Stainless steel) Unsur-unsur aloi dalam keluli tahan karat ialah kromium (Cr) dan juga nikel (Ni).
14 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. ii) Keluli tahan lasak (High speed steel) Ia mengandungi karbon dan bahan-bahan lain seperti kromium , wolferam, manganum 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 mata alat 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. b) Besi Tuang Besi tuang (Cast iron) mengandungi 2% – 3.5% karbon dan sejumlah kecil mangan. Bendasing yang terdapat di dalam besi mentah yang dapat memberikan kesan buruk kepada sifat bahan, seperti belerang dan fosforus, telah dikurangkan kepada tahap boleh diterima. Ia mempunyai takat lebur pada julat 1420–1470 K, yang lebih rendah berbanding dua komponen utamanya, dan menjadikannya hasil pertama yang melebur apabila karbon dan besi dipanaskan serentak. Sifat mekanikalnya berubah-ubah, bergantung kepada bentuk karbon yang diterap ke dalam aloi. Di antara jenis-jenis besi tuang yang biasa digunakan secara meluas ialah :-
15 i) Besi Tuang Kelabu Dalam besi tuang 'kelabu', karbon hadir dalam bentuk serpihan halus grafit, dan ini juga menyebabkan bahan menjadi rapuh kerana ciri-ciri grafit yang mempunyai pinggir-pinggir tajam yang merupakan Kawasan tegasan tinggi. Jenis besi kelabu yang baru, yang dinamakan 'besi mulur', adalah dicampur dengan kandungan surih magnesium untuk mengubah bentuk grafit menjadi sferoid, atau nodul, lantas meningkatkan ketegaran dan kekuatan besi. ii) Besi Tuang Putih Besi tuang 'putih' mengandungi karbon dalam bentuk cementite, atau besi karbida. Sebatian keras dan rapuh ini mendominasi sifat-sifat utama besi tuang 'putih', menyebabkannya keras, tetapi tidak tahan kejutan. iii) Besi Tuang Tempawan Besi paling tulen dihasilkan dengan kandungan karbon kurang daripada 0.12%. dalam relau, besi jongkong lebih tulen digunakan dan karbon yang terbakar menjadi karbon monoksida. Kemuluran sangat tinggipemanjangan 25% - 30% panjang asal .Kekuatan tegangan maksimum ~355 N/mm2. Senang dikerjakan, mudah kimpal. Tahan hentaman dan tahan kakisan. Rajah 3-9 Contoh kegunaan Besi Tuang
16 ii) Logam Bukan Ferus Logam bukan ferus ialah logam yang tidak mempunyai besi. Contohnya aluminium, tembaga, kuprum, timah, zink, magnesium dan titanium. Logamlogam 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. Aluminium 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 sifat-sifat 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. Rajah 3-10 Contoh kegunaan aluminium
17 Kuprum Dan Aloinya Kuprum (tembaga) 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. 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 api. Beberapa kegunaan pelbagai gred kuprum tulen di antaranya ialah dawai, lilitan elektrik dan pendawaian kepingan lapisan untuk senibina. 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. Rajah 3-11 Contoh Kuprum
18 Timah Logam yang amat berat, berwarna kelabu kebiru-biruan dan beracun. Timah menjadi logam paling sesuai untuk menyalut keluli bagi membuat plat tin bagi menghasilkan tin makanan. Nikel Nikel mempunyai sifat rintangan kakisan yang cemerlang terhadap kakisan dan banyak jenis asid. Nikel selalu digunakan dalam industry makanan dan kimia. Rajah 3-12 Aloi Nikel Zink Zink adalah sejenis logam yang rapuh dan mulur, berwarna putih kebiru-biruan. Penggunaan zink yang utama adalah untuk saduran iaitu menyalut zink pada kepingan keluli, bahagian struktur dan paku, sebagai pelindung kepada kakisan. 3.2.2 Bukan Logam i) Seramik Perkataan seramik memberikan bayangan yang berbeza kepada setiap individu. 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
19 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. ii) Plastik / 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 hydrogen serta unsurunsur 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 dan tindakbalas itu dipanggil pempolimeran. X-X-X-X-X-X Polimer 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:- Mengandungi gabungan karbon dan 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.
20 iii) 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 juzukjuzuknya. 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 samada dalam bentuk, serat, `single’, ’weaved’, ’braided’, ’tow’, `honey comb’ dan lain-lain. Manakala bahan matrix pula terdiri dari epoxy, polyester, phenilocs, polietheretherlketon dan lain-lain. Kelebihan utama bahan komposit ialah kerana ianya mempunyai sifat yang kuat berbanding dengan berat bahan tersebut. Kekuatan bandingan (specific weight) sesuatu bahan penting dalam industri pengangkutan, terutamanya industri dalam aerospace, aircraft, otomotif, pengangkutan dan lain-lain. 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. iv) Semikonduktor Semikonduktor mempunyai sifat pertengahan antara pengalir dan penebat. Ciriciri 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.
21 3.2 Sifat-Sifat Bahan Pemilihan sesuatu logam untuk menghasilkan sebarang komponen bergantung kepada beberapa faktor. Antara faktor penting ialah kos dan sifat logam yang dipilih. Sifat logam dibahagikan kepada 3 kategori utama iaitu: i. Sifat kimia ii. Sifat fizikal iii. Sifat mekanikal 3.3.1 Sifat Kimia Sifat kimia merupakan kelakuan (tindakbalas) logam terhadap unsur kimia. Sebagai contoh, rintangan sesuatu logam terhadap karat atau kakisan. (Sifat kimia tidak akan diperbincangkan dengan lebih mendalam di dalam kertas penerangan ini) 3.3.2 Sifat Fizikal Antara sifat fizikal logam ialah i. keberaliran elektrik dan haba, ii. takat lebur logam (kebolehleburan) iii. keupayaan sesuatu bahan untuk tahan dalam suhu tinggi. a) Takat Lebur, Takat Didih Kestabilan sesuatu bahan dikaitkan dengan kekuatan ikatan tersebut. Suatu penunjuk kekuatan ikatan dan kestabilan ialah takat lebur suatu bahan. Apabila suatu bahan dipanaskan, penyerapan tenaga haba menyebabkan pertambahan dalam amplitud getaran atom. Suatu takat akan dicapai apabila tenaga getaran sudah mencukupi untuk mengatasi tenaga ikatan antara atom dan atom memperolehi tenaga untuk bergerak, dalam perkataan lain bahan tersebut akan lebur. Kedua-dua ikatan ionik dan kovalen merupakan suatu ikatan kuat yang mempunyai suatu julat tenaga ikatan yang sama. Sifat fizikal ini penting diketahui terutamanya dalam perawatan haba terutamanya selepas kerja-kerja panas seperti selepas proses menempa, kerja sejuk seperti proses pemesinan dan sebagainya untuk merawat struktur logam sebagaimana yang dikehendaki. Pengetahuan tentang takat lebur sesuatu logam juga amat penting dalam pemilihan bahan yang akan digunakan untuk membuat enjin jet, enjin turbin mahupun enjin kereta kerana ianya akan mempengaruhi kecekapan enjin tersebut meskipun tidak sampai meleburkan komponen enjin tersebut.
22 b) Keberaliran elektrik dan haba Dalam ikatan ionik dan kovalen, elektron valensi ditempatkan dalam orbit di sekitar satu atau dua pasang atom tetapi dalam ikatan logam, elektron valensi tidak setempat dan hablur logam boleh diikat kepada suatu susunan ion positif diserap oleh awan elektron dan gas elektron. Dalam medan elektrik ,gas elektron bergerak dalam satu arah , dinamakan arus elektrik. Logam merupakan pengalir elektrik. Keberkesanan pengaliran haba adalah sama adalah sama dengan keberaliran terhadap elektrik. Di dalam kejuruteraan, haba tentu (specific heat) lebih praktikal digunakan untuk membandingkan antara logam. Logam yang mempunyai haba tentu yang tinggi akan mudah mengalirkan haba dan faktor ini akan memberikan kesan semasa proses pemesinan kerana logam berkenan tidak akan mengumpulkan haba yang akan menyebabkan berlaku pengembangan setempat kesan dari sifat keberaliran haba yang tidak baik (akan berrlaku `local heat’). Kesannya dari pemanasan setempat ini akan menyebabkan kualiti produk seperti surface finish, dimension accuracy dan tool & die wear’ mungkin tidak sebagaimana yang dikehendaki. 3.3.3 Sifat Mekanikal Sifat mekanikal ialah sifat yang menunjukkan perlakuan sesuatu logam dan kebanyakan sifat ini dapat diuji menggunakan alat penguji tertentu. Sifat-sifat tersebut termasuklah kerapuhan, kemuluran, kekerasan, keteguhan, keanjalan dan kekuatan. a) Kerapuhan Logam yang rapuh mempunyai sifat mudah retak atau pecah walaupun cuma dikenakan ketukan atau hentakan yang lemah seperti di dalam rajah di bawah. Contoh bahan yang rapuh ialah besi tuang. b) Kemuluran Rajah 3-13 Kerapuhan
23 Logam yang mempunyai sifat mulur boleh ditarik panjang dengan acuan tanpa pecah atau putus walaupun tegangan dikenakan keatasnya seperti dalam Rajah 3-14. Contoh logam mulur ialah tembaga dan aluminium. Logam ini sangat sesuai untuk dibuat dawai atau rod. Rajah 3-14 Kemuluran c) Kekerasan Kekerasan ialah kemampuan logam menahan daripada ditusuki oleh sesuatu benda apabila melakukan kerja-kerja seperti menuris, mencakar atau menebuk. Logam keras biasanya lambat haus dan boleh dikeraskan melalui proses tindakan haba. Contoh logam keras ialah keluli berkarbon, keluli tahan lasak dan alat keluli. Logam ini boleh dijadikan alat pemotong setelah dikenakan tindakan haba pengerasan dan pembajaan. Kekerasan logam ini biasanya diuji dengan menggunakan alat penguji kekerasan Rockwell, Vickers dan Brinnell. d) Keteguhan Kemampuan logam mengekalkan kekuatannya setelah mengalami perubahan bentuk yang kekal diistilahkan sebagai keteguhan, seperti di dalam Rajah 3-15. Biasanya logam jenis ini boleh menahan hentaman, pukulan atau hentakan secara mengejut tanpa retak, pecah atau patah. Sifat ini bertentangan dengan sifat kerapuhan. Logam yang tinggi tingkat keteguhannya membengkok dahulu sebelum pecah atau patah. Keteguhan sesuatu logam biasanya diuji dengan alat penguji Charpy atau Izod.
24 Rajah 3-15 Keteguhan logam menahan hentaman secara mengejut tanpa retak e) Ketempaan Sifat ketempaan menerangkan kebolehan sesuatu logam logam untuk menanggung beban tukulan dan boleh dibentuk tanpa atau retak. Logam jenis ini biasanya digunakan dalam kerja-kerja menempa seperti membuat kepala rivet. f) Keanjalan Logam yang boleh kembali kepada bentuk asal selepas dikenakan beban atau daya dikatakan mempunyai sifat kenjalan. Bagaimanapun keanjalan ini mempunyai had yang dinamakan had anjal iaitu tegasan maksimum (mampatan atau tegangan) yang boleh dikenakan tanpa mengubah ukuran panjang asal logam itu apabila beban dikeluarkan. Rujuk Rajah 3-16. Pegas biasanya diperbuat daripada keluli yang mempunyai sifat keanjalan. Rajah 3-16 Keanjalan logam apabila dikenakan daya pesongan
25 g) Kekuatan Kekuatan logam ialah keupayaannya menahan daya atau beban tanpa alah berubah atau berubah bentuk. Kekuatan logam diuji dengan cara membengkokkan sekeping logam. Walaupun logam itu bengkok (berubah bentuk) tetapi ia tidak pecah atau retak. Beban boleh dikenakan dengan berbagai –bagai cara seperti beban tegangan, beban mampatan atau beban ricih.Rujuk Rajah 3-17 .Ukuran kekuatan ini misalnya dinyatakan dalam kilogram per sentimeter persegi. Misalnya kekuatan tenaga tegangan keluli ialah 4250 kg per cm2. Ini bermakna bahawa beban maksimum yang diperlukan untuk memutuskan logam itu secara tegangan ialah 4250 g. Bentuk beban yang dikenakan juga mempengaruhi kekuatan logam. Sebagai contoh, logam boleh bertambah kekuatan dan kemulurannya apabila dikenakan beban static tetapi menjadi lemah dan rapuh jika dikenakan hentaman. Kekuatan sesuatu logam logam akan berbeza jika beban yang dikenakan sama ada secara pantas atau secara perlahan. Rajah 3-17 Kekuatan logam terhadap daya tegangan, mampatan dan ricihan
26 LATIHAN Sila jawab soalan dibawah ini. 1. Nyatakan zarah-zarah asas yang terdapat di dalam atom? 2. Apakah yang dimaksudkan dengan nombor atom? 3. Apakah Jisim Atom Relatif? 4. Nombor atom bagi Magnesium ialah 12, nyatakan bilangan proton dan elektron yang terdapat di dalam atom Magnesium. 5. Atom Plumbum mempunyai 82 proton dan 125 neutron. Nyatakan nombor atom dan Jisim Atom Relatif bagi atom Plumbum. 6. Atom Kalium mempunyai 11 Nombor atom. Lukiskan orbit bagi atom kalium tersebut. 7. Terangkan perbezaan antara kekerasan dan kerapuhan. RUJUKAN: 1. B.C. William (2001), Material Science and Engineering an Introduction Sixth Edition, UK, Wiley. 2. W.F. Smith (1996), Principles of Material Science and Engineering, 3rd Edition, UK, McGrawHill. 3. Rosiah Yahya, Aishah Mohd. Jelan, Latifah Abdul Latif Dan Mohd Jamil Maah (1999), Kimia Tak Organik Asas Matrikulasi Cetakan Kedua, Kuala Lumpur, Fajar Bakti Sdn Bhd. 4. Esah Hamzah, Jasmin Hashim, Norhisyam Abdul Hamid dan Norhayati Ahmad (1999), Nota Sains Bahan Edisi Kedua, Johor, UTM. 5. Ahmad Fahmi Fadzil, Wan Abd Aziz Wan Kadir, Nazri Wahab , Modul Politeknik Teknologi Bahan 1, Polimas. 6. http://www.one-school.net/index1.html, Jadual Berkala, 9.40 p.m 7. http://pkukmweb.ukm.my/~drkmy/tekno/notes/, Logam, Bukan Logam 10.54 p.m 8. Sains Kejuruteraan Jentera (Nota Panduan Politeknik Malaysia) Md Nor Yusof dan Abdul Rahman Mohammad, STP Fizik Jilid 1 (Logman)