eISBN 978-967-2774-27-3
TAN CHIN CHAI
eISBN 978-967-2774-27-3 Cetakan Pertama 2022 © PERPUSTAKAAN POLITEKNIK SEBERANG PERAI Hakcipta terpelihara. Tidak dibenarkan mengeluar ulang mana-mana bahagian artikel, ilutrasi dan isi kandungan buku ini dalam apa bentuk dengan apa cara cetakan samada secara elektronik, fotokopi, mekanik, rakaman atau apa cara selain mendapat kebenaran bertulis daripada penulis dan penerbit. Perpustakaan Negara Malaysia Data Pengkatalogan-dalam-Penerbitan Tan, Chin Chai Pengenalan Kepada UJIAN TEGANGAN : Teori dan Praktikal / TAN CHIN CHAI. Mode of access: Internet eISBN 978-967-2774-27-3 1. Tensile architecture. 2. Mechanical engineering. 3. Government publications--Malaysia. I. Judul. 721.0449 Di susun semak oleh :- Unit Penyelidikan & Penerbitan JKM Politeknik Seberang Perai Diterbitkan oleh :- Politeknik Seberang Perai, Jalan Permatang Pauh, 13500 Permatang Pauh, Pulau Pinang. Tel : 04-5383322 Fax : 04-5389266 Email : [email protected] 4. Electronic books.
PENGHARGAAN Penulis ingin mengambil kesempatan ini untuk mengucapkan ribuan terima kasih kepada pihak Unit Penyelidikan & Penerbitan JKM (UPPen) kerana telah memberi latihan dan keizinan kepada penulis untuk menulis buku ini. Penulis ingin merakamkan setinggi-tinggi penghargaan kepada pihak UPPen JKM, penilai dan penyunting dalam membantu dan memberikan tunjuk ajar semasa proses menyiapkan buku ini. Ribuan terima kasih diucapkan kepada rakan-rakan yang telah memberi bantuan, kerjasama dan sumbangan dalam apa jua bentuk yang berkaitan dengan buku ini. Akhir sekali, diucapkan terima kasih kepada pelbagai pihak yang telah membantu sama ada secara langsung atau tidak langsung.
Muka surat Penghargaan i 1.0 Pengenalan Kepada Pengujian Bahan 1 1.1 Kelebihan Ujian Musnah 2 1.2 Kekurangan Ujian Musnah 2 2.0 Pengenalan Kepada Ujian Tegangan 3 2.1 Prinsip Ujian Tegangan 3 2.2 Kaedah Bebanan Dikenakan 4 2.3 Spesifikasi Piawai Spesimen Ujian 5 2.4 Gambarajah Tegasan Melawan Terikan Dan Beban Melawan Pemanjangan 7 2.5 Jenis-jenis Patah 11 2.5.1 Patah Rapuh 11 2.5.2 Patah Mulur 13 2.6 Data-data Ujian Tegangan 15 2.6.1 Kekuatan Tegangan 15 2.6.2 Tegasan Alah 16 2.6.3 Tegasan Bukti 16 2.6.4 Had Perkadaran Dan Had Kenyal 16 2.6.5 Modulus Keanjalan 18 2.6.6 Peratus Pemanjangan 18 2.6.7 Peratus Pengurangan Luas 19 2.6.8 Faktor Keselamatan 20 2.7 Piawaian 20 3.0 Contoh Soalan Dan Penyelesaian 23 3.1 Contoh Soalan 1 23 3.2 Contoh Soalan 2 24 4.0 Aktiviti 26 4.1 Soalan Aktiviti 1 26 KANDUNGAN
4.2 Soalan Aktiviti 2 28 4.3 Soalan Aktiviti 3 29 5.0 Praktikal 31 6.0 Penilaian Kendiri 34 7.0 Maklum Balas 37 7.1 Maklum Balas Soalan Aktiviti 37 7.2 Maklum Balas Penilaian Kendiri 42 Bibliografi 46
Pengenalan Kepada Ujian Tegangan Teori & Praktikal 1 Pengenalan 1.0 PENGENALAN KEPADA PENGUJIAN BAHAN Adakah anda faham maksud bagi pengujian bahan? Pengujian merupakan bahagian yang perlu dilakukan dalam sebarang aktiviti kejuruteraan. Pemeriksaan dan pengujian mesti dilakukan pada pelbagai peringkat dalam proses kompleks untuk menghasilkan bahan kejuruteraan sama ada logam, polimer, seramik atau komposit. Pengujian juga dilakukan semasa pembentukan bahan ini kepada komponen atau pemasangan komponen untuk membentuk suatu hasil kejuruteraan bagi memenuhi keperluan tertentu. Keperluan ujian ini tidak dapat dielakan apabila sesuatu barangan telah buat. Amat perlu sekali untuk memeriksa dan menguji barangan semasa hayat khidmatnya supaya dapat mengesan perubahan seperti kemungkinan berlakunya lesu atau kerosakkan kakisan. Pengujian bahan ditakrifkan sebagai satu peringkat/bahagian dalam aktiviti kejuruteraan untuk memeriksa dan menguji barangan semasa hayat perkhidmatan supaya dapat mengesan perubahan pada bahan tersebut. Tindak balas sesuatu bahan terhadap sesuatu keadaan akan bergantung kepada kerencaman kimia, struktur hablurnya, pengubahsuaian yang dialami oleh struktur asas ini semasa proses pengolahan, proses perawatan haba yang dialami oleh bahan dan magnitud serta mod tindakan daya kenaan. Maka ujian-ujian dilakukan ke atas sesuatu bahan adalah perlu bagi beberapa tujuan seperti berikut: i. Menentukan mutu sesuatu bahan. Ini boleh menjadi sebagai satu aspek proses kawalan dalam loji pengeluaran. ii. Menentukan sifat-sifat mekanikal seperti kekuatan, kekerasan, kemuluran, keliatan dan sebagainya. iii. Mengesan kecacatan dalam bahan komponen yang dihasilkan. Contoh hasil kerja kimpalan. iv. Menilai prestasi bahan dalam keadaan perkhidmatan yang tertentu. Contohnya pengujian pada blok enjin di industri otomobil. Jenis ujian yang digunakan boleh dikelaskan kepada dua kategori iaitu ujian musnah dan ujian tanpa musnah. Ujian musnah untuk menentukan sifat bahan dan ujian tanpa musnah untuk menentukan keutuhan bahan atau komponen. Ujian musnah dilakukan pada spesimen ujian dan spesimen tersebut akan musnah atau pecah dalam proses tersebut. Jika spesimen ujian dipilih dan disediakan dengan betul, keputusan akan menunjukkan sifat bahan yang diwakili oleh spesimen tersebut. Contoh ujian musnah adalah ujian tegangan, ujian kekerasan (ujian brinell, vickers, rockwell, knoop dan skleroskop shore), ujian hentaman (ujian izod dan charpy), ujian rayapan, ujian kelesuan dan ujian bengkokan. Ujian tanpa musnah adalah bersifat tanpa musnah dan digunakan untuk mengesan kehadiran kecacatan dalaman atau permukaan pada bahan, komponen atau barangan siap. Dengan sifatnya tersendiri, ujian ini tidak memusnahkan bahagian yang hendak diuji dan persampelan tidak diperlukan kerana jika perlu setiap bahan boleh diperiksa. Terdapat
Pengenalan Kepada Ujian Tegangan Teori & Praktikal 2 suatu siri kaedah ujian tanpa musnah untuk menyiasat bahan tersebut iaitu kaedah visual, kaedah penusukan cecair, kaedah zarah magnet, kaedah elektrik, kaedah ultrasonik dan kaedah radiografi. 1.1 KELEBIHAN UJIAN MUSNAH i. Dapat menentukan sifat-sifat mekanikal bahan. Contoh sifat kekerasan, kekuatan tegangan, keliatan dan sebagainya. ii. Data-data yang lengkap diperolehi untuk dianalisa secara terperinci. iii. Rekod kekal boleh disimpan sebagai rujukan. Ia boleh digunakan sebagai panduan dalam merekabentuk dan pemilihan bahan dalam proses pembuatan. iv. Terdapat piawaian rujukan maka dapat penyelarasan keputusan (mesin dan sampel). v. Spesimen ujian mempunyai had geometri dan saiz tertentu maka ia lebih mudah untuk diuji. vi. Berkesan dan boleh harap. vii. Tidak memerlukan kepakaran iaitu mesin dan peralatan mudah dikendalikan. 1.2 KEKURANGAN UJIAN MUSNAH i. Spesimen ujian akan musnah selepas diuji, ini akan menyebabkan kos pengeluaran mengingkat. ii. Operator yang cekap dan mahir diperlukan untuk melakukan ujian dan mentafsir data. iii. Mesin dan peralatan pengujian bahan adalah besar dan berat jadi tidak mudah alih. iv. Daya atau beban yang tinggi diperlukan untuk melakukan ujian. v. Spesimen ujian piawaian diperlukan maka memakan masa dalam proses penyediaan dan pengujian. vi. Masa pengujian agak lama, contohnya ujian rayapan, ujian lesu, ujian tegangan dan sebagainya. vii. Berkemampuan dalam menentukan sifat-sifat mekanikal bahan sahaja. Bagi kecacatan lain seperti keliangan dan retak tidak dapat dikesan.
Pengenalan Kepada Ujian Tegangan Teori & Praktikal 3 Ujian Tegangan 2.0 PENGENALAN KEPADA UJIAN TEGANGAN Ujian tegangan juga dikenali sebagai ujian ketegangan, ia adalah ujian asas kepada sains bahan dan kejuruteraan di mana spesimen ujian yang dikenakan terkawal ketegangan sehingga gagal. Ujian tegangan digunakan secara meluas untuk menyediakan maklumat rekabentuk asas pada kekuatan bahan dan ujian penerimaan untuk spesifikasi bahan. Ujian tegangan adalah salah satu kaedah yang lazim digunakan untuk menentukan sifat mekanikal bahan seperti kekuatan tegangan, kemuluran, modulus elastik dan ketegaran pengerasan keupayaan. Ujian tegangan uniaxial adalah kaedah yang paling biasa digunakan untuk mendapatkan ciri-ciri mekanikal isotropik bahan. Sebilangan bahan menggunakan ujian tegangan biaxial. Perbezaan utama antara kedua-dua jenis mesin ujian ini adalah bagaimana kaedah beban dikenakan pada bahan. 2.1 PRINSIP UJIAN TEGANGAN Kekuatan ditakrifkan sebagai kebolehan sesuatu bahan menentang daya yang dikenakan ke atasnya tanpa pecah atau putus. Biasanya, kekuatan dinyatakan sebagai rintangan bahan terhadap daya statik sepaksi yang bertindak ke atas sesuatu komponen atau spesimen. Sesuatu jasad itu dikatakan dalam keadaan tegang jika daya yang bertindak cuba memanjangkan bahan itu. Daya yang bertindak ini adalah daya tegangan. Dalam ujian tegangan, mesin yang menjalankan ujian ini mengawal dengan teliti dan sistematik daya tegangan atau beban yang bertindak ke atas spesimen. Rajah 2.1 dan rajah 2.2 menunjukkan mesin dan rajah skema bagi ujian tegangan. Rajah 2.1: Mesin Ujian Tegangan Sumber: Honjin Profesional Instrument Production
Pengenalan Kepada Ujian Tegangan Teori & Praktikal 4 Spesimen-spesimen yang diuji hendaklah memenuhi spesifikasi piawai. Spesimen ujian piawaian dipasang ke dalam mesin ujian tegangan. Ujian tegangan dijalankan ke atas spesimen ujian yang mempunyai keratan rentas yang seragam. Data yang diukur adalah daya yang bertindak dan pemanjangan spesimen akibat tindakan daya. Beban atau daya ditingkatkan sedikit demi sedikit sehingga spesimen ujian itu patah. Beban yang dikenakan serta pemanjangan yang berlaku dicatatkan semasa ujian dijalankan. Ekstensometer yang dipasangkan pada spesimen dan digunakan untuk mengukur pemanjangan spesimen yang berlaku sepanjang masa ujikaji dilakukan. 2.2 KAEDAH BEBANAN DIKENAKAN Terdapat pelbagai jenis mesin ujian tegangan yang berbeza di pasaran. Mesin ujian tegangan jenis universal adalah sesuai untuk ujian sepaksi tegangan dan mampatan manakala ujian lenturan jenis tiga titik pada spesimen sesuai untuk ujian jenis rasuk. Terdapat ciri-ciri yang tertentu mesti ada pada mesin ujian tegangan dan tidak mengira saiznya. Antara ciri-ciri ini adalah seperti berikut: i. Sistem untuk menempatkan dan memegang spesimen ujian dengan kaedah yang betul. ii. Suatu mekanisme untuk mengenakan daya kepada spesimen ujian dan mengubah daya pada kadar yang terkawal. iii. Suatu sistem untuk mengukur daya yang dikenakan dengan tepat. iv. Suatu sistem untuk pengukuran ketepatan dan merekodkan perubahan pada ukuran spesimen ujian. Spesimen Genggam Kepala rentas boleh bergerak Panjang tolok Daya Daya Arah pusingan Rajah 2.2: Rajah Skema Mesin Ujian Tegangan
Pengenalan Kepada Ujian Tegangan Teori & Praktikal 5 v. Suatu sistem mekanikal/hidraulik untuk mengenakan beban dan penggunaan daya yang bergerak/dikekalkan dalam kadar malar. Daya yang dikenakan kepada spesimen ujian boleh diukur dengan menggunakan beberapa kaedah. Piawaian ketepatan mesin ujian tegangan diberikan dalam BS1610 (1985) dan ASTM E4-89. Antaranya: i. Tuil mekanikal Ia dilengkapkan dengan pemberat joki yang boleh digerakan. Ini adalah sistem tertua tetapi sangat tepat. Kekurangan utama sistem ini adalah saiznya besar dan memerlukan ruang yang besar. ii. Sistem hidraulik Mesin yang menggunakan sistem hidraulik untuk membuat pengukuran beban pada spesimen ujian. Peningkatan tekanan minyak akan meningkatkan daya apabila dikenakan pada spesimen ujian di mana akan menggerakkan omboh dalam silinder bertekanan kecil yang ditentukur terhadap tuil bandul berbeban lalu mengeluarkan bandul daripada kedudukan menegak. Apabila daya dan tekanan minyak meningkat maka bandul digerakkan jauh dari menegak dan menyebabkan penunjuk bergerak sekeliling permukaan dail berskala bertentukuran. Ini juga merupakan sistem pengukuran yang berupaya memberi ketepatan tinggi. iii. Sistem pesongan pegas Prinsip yang digunakan di dalam mesin meja Tensometer Monsanto Huondfield yang kecil dengan pesongan kenyal rasuk keluli di bawah beban akan menyebabkan omboh bergerak ke dalam silinder kecil yang berisi raksa. Raksa dipaksa masuk ke dalam tiub kaca yang dicagak bersebelahan skalar tertentukuran. Terdapat satu julat rasuk yang mempunyai pelbagai darjah kekakuan untuk memberi satu siri julat beban. iv. Sistem sel beban Suatu sel beban mungkin sama ada tranduser atau suatu kepingan bahan yang disediakan dengan rapi dan dipasang dengan tolok terikan sensitif. Pengenaan beban membentuk suatu isyarat keluaran elektrik dari sel tersebut dan dibesarkan serta ditunjukkan sebagai meter bacaan-keluaran berdigit dan/atau paparan bergraf. 2.3 SPESIFIKASI PIAWAI SPESIMEN Spesimen ujian paiwaian digunakan untuk ujian tegangan adalah dibuat atau dibentuk dengan mengikut ukuran paiwaian supaya patah akan berlaku di bahagian yang dikehendaki. Ukuran yang disyorkan untuk spesimen ujian tegangan jenis logam diberikan dalam BS18 (1987), ASTM E8-89b dan ASTM E8M-89b, supaya ujian konsisten untuk sebarang bahan yang diberi, dimensi dan susuk piawai adalah wajar dipatuhi. Jejari-jejari
Pengenalan Kepada Ujian Tegangan Teori & Praktikal 6 bahu juga sangat mustahak kerana perubahan-perubahan yang kecil boleh mengakibatkan perbezaan yang besar dalam keputusan data ujian. Kemasan permukaan juga amat mustahak kerana kesan akibat daripada terkena alat-alat boleh menyebabkan penumpuan tegasan. Terdapat 2 jenis spesimen ujian tegangan iaitu spesimen ujian jenis bulat dan rata. Rajah 2.3 dan 2.4 menunjukkan jenis spesimen ujian bulat dan spesimen ujian rata manakala ukuran-ukuran piawaian bagai kedua-dua spesimen ujian diberi dalam Jadual 2.1 dan 2.2. Jadual 2.1: Jadual Ukuran Piawai Spesimen Ujian Tegangan Jenis Bar Bulat Ao (mm2 ) d (mm) Lo (mm) Lc (mm) r Bahan tuangan (mm) r bahan (mm) 200 15.96 80 88 15 30 150 13.82 69 76 13 26 100 11.28 56 62 10 20 50 7.98 40 44 8 16 25 5.64 28 31 5 10 12.5 3.99 20 21 4 8 d = garispusat spesimen ujian, Lo = panjang tolok, Lc = panjang selari, Ao = luas keratan rentas asal, r = jejari pada bahu (rujuk kepada Rajah 2.3). Untuk spesimen ujian yang berkadaran Lo = 5.65 So, Lo 5d. Sumber: BS18 dan dihasilkan semula oleh kebenaran Bristish Standards Insttution. LO LC d r d = Garispusat r = Jejari Lo = Panjang tolok Lc = Panjang selari minima Rajah 2.3: Spesimen Ujian Tegangan Jenis Bar Bulat
Pengenalan Kepada Ujian Tegangan Teori & Praktikal 7 Jadual 2.2: Jadual Ukuran Piawai Spesimen Ujian Tegangan Jenis Bar Rata b (mm2 ) Lo (mm) Lc (mm) Lt (mm) r (mm) 25 100 125 300 25 12.5 50 63 200 25 6 24 30 100 12 3 12 15 50 6 b = lebar spesimen ujian, Lo = panjang tolok, Lc = panjang selari, Lt = jumlah panjang, r = jejari pada bahu (rujuk kepada rajah 2.4). Sumber: BS18 dan dihasilkan semula oleh kebenaran Bristish Standards Insttution. 2.4 GAMBARAJAH TEGASAN MELAWAN TERIKAN DAN BEBAN MELAWAN PEMANJANGAN Dalam ujian tegangan, beban kenaan dan pemanjangan yang terhasil boleh diplotkan seperti dalam Rajah 2.5. Beban ditingkatkan sedikit demi sedikit sehingga spesimen ujian itu patah. Beban yang dikenakan serta pemanjangan yang berlaku semasa ujian dijalankan dicatit. Alat khas iaitu ekstensometer digunakan untuk mengukur pemanjangan yang berlaku. Pemanjangan dari A ke B adalah berkadar berterus dengan beban. Sekiranya beban dialih, spesimen ujian akan kembali kepada panjang asalnya. Dalam keadaan LO LC b r b = Lebar r = Jejari Lt = Jumlah panjang minima Lo = Panjang tolok Lc = Panjang selari minima Lt Rajah 2.4: Spesimen Ujian Tegangan Jenis Bar Rata
Pengenalan Kepada Ujian Tegangan Teori & Praktikal 8 bebanan yang ringan ini, bahan dikatakan mempamerkan sifat keanjalan. Dari B ke C, dapat diperhatikan bahawa logam memanjang secara tiba-tiba tanpa penambahan beban. Jika beban dialih, logam tersebut tidak dipantul semula kepada panjang asalnya. Ia dikatakan mengalami set kekal. Titik ini merupakan titik alah. Tegasan alah adalah tegasan pada titik alah dimana beban di B dibahagi dengan luas keratan rentas asal spesimen ujian. Biasanya, pereka bentuk mengambil nilai 50% daripada angka ini sebagai faktor keselamatan. Rajah 2.5: Lengkung Beban – Pemanjangan Bagi Keluli Karbon Rendah Pemanjangan dari C ke D tidak lagi berkadar terus dengan beban. Jika beban dialih, pemantulan kepada panjang asal akan berlaku. Di bawah pembebanan ini, bahan tersebut dikatakan menunjukkan sifat plastik. Titik D dirujuk sebagai tegasan tegangan muktamad bahan. Ini ditentukan dengan membahagi beban di D dengan luas keratan rentas asal spesimen ujian. Walaupun titik ini merupakan satu angka yang berguna bagi penunjuk lengkung: A = Tidak dikenakan daya C = Takat alah bawah L1 = Pemanjangan elastik B = Had kenyal D = Beban maksimum L2 = Pemanjangan plastik yang sekata B1 = Takat alah atas E = Pecah / patah L3 = Perleheran Beban L1 L2 L3 E D B1 C B Pemanjangan A
Pengenalan Kepada Ujian Tegangan Teori & Praktikal 9 membandingkan kekuatan bahan, nilai ini kurang praktikal untuk digunakan kerana alatalat kejuruteraan biasanya tidak beroperasi pada titik pecah ini. Dari D ke E, spesimen ujian kelihatan terus merengang di bawah tindakan beban yang mengurang. Sebenarnya diameter/lebar spesimen ujian semakin mengecil iaitu perleheran sedang berlaku di mana tegasan tetap bertambah. Akhirnya spesimen ujian akan putus pada titik E. Dalam had kenyal, Hukum Hooke menyatakan bahawa tegasan adalah berkadar terus dengan terikan maka diberi dalam persamaan seperti berikut: = = Manakala Rajah 2.6 menunjukkan jujukan ujian tegangan dalam beberapa peringkat pemanjangan berlaku pada spesimen ujian. Kebanyakan aloi tidak mempamerkan had kenyal dan takat alah. Untuk menentukan nilai had kenyal yang dianggap penting dalam pemilihan sesuatu bahan, satu cara telah yang dikenali iaitu tegasan bukti. Tegasan bukti ditakrifkan sebagai tegasan yang boleh menghasilkan terikan plastik yang tertentu iaitu 0.1% atau 0.2%. Rajah 2.7 menunjukkan lengkung tegasan-terikan bagi bahan yang mempunyai sifat kemuluran yang rendah seperti keluli karbon sederhana yang telah dikeraskan dan kemudiannya dibajakan. Jika titik C diambil kira, nilai terikannya diberikan oleh titik D yang menggabungkan ciri-ciri elastik dan plastik. Jika beban dikurangkan secara perlahanlahan, lengkung tegasan-terikan akan ditunjukkan oleh garisan BC. Semasa beban dikurangkan, ubah bentuk plastik dipulihkan menyebabkan lengkung itu lurus dan selari dengan lengkung peringkat awal semasa beban dikenakan. Titik B menunjukkan jumlah ubah bentuk elastik yang berlaku dan AB ialah nilai terikan elastik. Dalam ujian ini, tegasan bukti yang dihasilkan pada titik C ialah 0.2%. AB ialah ubah bentuk elastik dan BD ialah ubah bentuk plastik yang dihasilkan jika specimen ujian itu dikenakan tegasan bukti pada titik C. Biasanya bahan itu dikatakan menunjukkan spesifikasi ini jika tegasan bukti dikenakan selama 15 saat dan kemudiannya dikurangkan, spesimen ujian itu berlaku pemanjangan, panjangnya bertambah dan kekal pada nilai tidak kurang daripada 0.2% panjang asal. Unit bagi kekuatan tegangan muktamad diberi dalam N/mm2 . () =
Pengenalan Kepada Ujian Tegangan Teori & Praktikal 10 Rajah 2.6: Jujukan Ujian Tegangan Yang Menunjukkan Beberapa Peringkat Pemanjangan Spesimen Ujian lo le Pemanjangan sekata, lu Perleheran Jumlah pemanjangan, lf Pemanjangan pasca sekata Ao Ofset Y Elastik Plastik Tegasan KTM Terikan (Untuk lo = 1) l P Patah Y eo eu ef Tan-1 E
Pengenalan Kepada Ujian Tegangan Teori & Praktikal 11 2.5 JENIS-JENIS PATAH Patah adalah pemisahan atau penyerpihan dari satu badan padu kepada dua atau lebih bahagian di bawah tindakan tegasan. Proses patah boleh dipertimbangkan kepada dua peringkat iaitu permulaan retak dan penyebaran retak. Patah boleh dikelaskan kepada 2 kategori am iaitu patah rapuh dan patah mulur. 2.5.1 PATAH RAPUH Patah rapuh untuk logam digambarkan keadaan cepat dari penyebaran retak dengan tiada ubah bentuk kasar atau hanya sedikit ubah bentuk mikro. Kecenderungan untuk patah rapuh menambah dengan penurunan suhu, penambahan kadar terikan dan keadaan tegasan tiga paksi. Patah rapuh hendaklah dihindarkan sebab ia berlaku tanpa amaran dan biasanya menghasilkan kecelakaan. Patah rapuh dalam logam dipercayai mengambil tempat dalam tiga keadaan iaitu: i. Ubah bentuk plastik tumpu kehelan di sepanjang satah gelincir pada halangan/rintangan. ii. Tegasan ricih terbina di mana kehelan disekat dan keputusannya retak halus adalah dinukleuskan. iii. Tegasan lanjutan menyebarkan retakan halus dan menyimpan tenaga tegasan elastik untuk menyumbang pada sebaran untuk retak. Rajah 2.7: Lengkung Tegasan-Terikan Patah A D Terikan 0.2% panjang tolok B C Tegasan
Pengenalan Kepada Ujian Tegangan Teori & Praktikal 12 Rajah 2.8(a): Sampel Logam Mengalami Patah Rapuh Sumber: materialengineeringranggaagung.wordpress.com Rajah 2.8: Patah Rapuh Daya Terdapat sedikit ubah bentuk mikro
Pengenalan Kepada Ujian Tegangan Teori & Praktikal 13 Rajah 2.8(b): Perbezaan Lengkung Tegasan-Terikan Di Antara Bahan Mulur dan Bahan Rapuh Sumber: Investigating Material Failures, Dana Ashkenazi, Polymorphism 2.5.2 PATAH MULUR Patah mulur untuk logam berlaku selepas pemanjangan ubah bentuk plastik. Patah mulur dapat digambarkan oleh tanggapan sebelum ubah bentuk plastik dan semasa penyebaran retak. Ubah bentuk adalah kasar pada permukaan patah. Sekiranya tegasan dikenakan terhadap spesimen ujian di mana melewati kekuatan tegangan muktamad dan panjang tertanggung, maka spesimen ujian akan patah. Terdapat 3 peringkat patah mulur yang nyata/jelas boleh dikenali, rujuk pada Rajah 2.9 iaitu: i. Spesimen ujian membentuk leher dan bentuk-bentuk rongga dalam kawasan perleheran. ii. Rongga pada leher bercantum/bergabung menjadi retak di bahagian tengah spesimen ujian dan menyebar menghala permukaan spesimen ujian pada arah serenjang dengan tindakan tegasan. iii. Bila retak menghampiri permukaan, arah retak menukar kepada 45o terhadap paksi tegangan dan patah bentuk cawan dan kon dihasilkan.
Pengenalan Kepada Ujian Tegangan Teori & Praktikal 14 Rajah 2.9(a): Sampel Aluminium Mengalami Patah Mulur Sumber: https://ms.vvikipedla.com/wiki/Tensile_testing Daya (a) (b) (c) (d) (e) Daya retak Patah bentuk kon & cawan tindakan tegasan rongga 45o terhadap paksi daya Rajah 2.9: Patah Mulur - Pembentukan Retak Pada Spesimen Ujian
Pengenalan Kepada Ujian Tegangan Teori & Praktikal 15 2.6 DATA-DATA UJIAN TEGANGAN Ujian tegangan digunakan dengan meluas untuk menentukan kelakuan bagi bahan logam dan plastik. Ciri-ciri yang selalu ditentukan adalah seperti berikut: i. Kekuatan Tegangan (Tensile Strength) ii. Tegasan Alah (Yield Strength) iii. Tegasan Bukti (Proof Stress) iv. Had Perkadaran dan Had Kenyal v. Modulus Keanjalan (Modulus Young) vi. Peratus Pemanjangan vii. Peratus Pengurangan Luas 2.6.1 KEKUATAN TEGANGAN Kekuatan tegangan (T.S) adalah berasaskan kepada beban maksima yang boleh ditanggung oleh spesimen ujian tersebut, apabila ia diuji sehingga musnah/patah dan berhubungan dengan titik U dalam Rajah 2.10(a). Nilai berangka kekuatan tegangan dikira sebagai suatu tegasan namaan dan diberi oleh beban maksima. Lazimnya, unit kekuatan tegangan disebut dalam MPa, MN/m2 atau N/mm2 . = Beban Lengkung tegasan terikan yang sebenar U E F Perleheran berlaku Pemanjangan Rajah 2.10(a): Lengkung Beban-Pemanjangan Dan Hubungannya Dengan Lengkung Tegasan-Terikan. 0
Pengenalan Kepada Ujian Tegangan Teori & Praktikal 16 2.6.2 TEGASAN ALAH (TITIK ALAH) Terdapat ketidakselanjaran yang mendadak dalam lengkung beban-pemanjangan untuk besi tempawan dan kebanyakan keluli (Rajah 2.10(b)) dan bahan tersebut akan alah mendadak dengan sedikit atau tanpa peningkatan beban yang sesuai (titik Y pada Rajah 2.10(b)). Takat alah secara mendadak ini selalunya adalah lebih kurang 5 hingga 7 peratus daripada panjang tolok asal. Takat alah titik Y hampir sama dengan had kenyal. Tegasan alah bahan diberi oleh: = 2.6.3 TEGASAN BUKTI (TEGASAN ALAH OFSET) Kebanyakan logam, tidak seperti keluli dapat menunjukkan peralihan yang licin daripada kelakuan ubah bentuk kenyal kepada plastik. Amat sukar sekali untuk menentukan nilai had kenyal dengan tepat dan parameter tegasan bukti ditentukan. Ini adalah tahap tegasan yang diperlukan untuk menghasilkan beberapa jumlah kecil tertentu ubah bentuk plastik. Selalunya, jumlah terikan plastik yang ditentukan ialah 0.1% tetapi nilai terikan plastik yang lain boleh digunakan seperti 0.2% atau 0.3%. Rajah 2.10(c), jika OA bersepadan dengan x peratus daripada panjang tolok asal dan AP dilukis selari kepada OE, maka titik P menandakan x peratus beban bukti. Nilai untuk tegasan bukti diberi oleh: % = % 2.6.4 HAD PERKADARAN DAN HAD KENYAL Had perkadaran merupakan nilai tegasan pada kedudukan lengkung tegasan-terikan berhenti menjadi garis lurus, iaitu titik Hukum Hooke berhenti digunakan. Had kenyal ditakrifkan sebagai paras tegasan dengan terikan berhenti daripada keseluruhannya menjadi kenyal. Dalam kebanyakan kawasan, kedua-dua nilai ini adalah sama, tetapi beberapa logam polihabluran tidak mematuhi sepenuhnya Hukum Hooke. Bahan seperti ini disebut tidak kenyal, tetapi lengkung tegasan-terikan tidak banyak berubah dari lelurus. Amat sukar untuk menentukan nilai untuk had perkadaran kerana nilai yang diperoleh bergantung kepada kepekaan sistem pengukuran beban dan ekstensometer digunakan.
Pengenalan Kepada Ujian Tegangan Teori & Praktikal 17 Rajah 2.10(b): Lengkung Beban-Pemanjangan Dengan Titik Alah Yang Tajam (Keluli lembut) Beban U Y F Pemanjangan 0 Beban U E F Pemanjangan Rajah 2.10(c): Penentuan Beban Bukti Dari Lengkung Beban-Pemanjangan 0 p A
Pengenalan Kepada Ujian Tegangan Teori & Praktikal 18 2.6.5 MODULUS KEANJALAN Modulus keanjalan, E adalah satu pemalar perkadaran dalam persamaan Hukum Hooke. Modulus keanjalan ini adalah kecerunan lengkung beban-pemanjangan dalam kawasan anjal lelurus dan nilainya bergantung kepada bahan yang digunakan. Unit modulus keanjalan disebut dalam MPa, GPa, GN/m2 atau KN/mm2 . Rajah 10(d): Graf Beban Melawan Pemanjangan = = = = , = = Dimana, E = Modulus Keanjalan = Tegasan = Terikan A = Luas keratan rentas x = pemanjnagan P = Beban Persamaan ini dikenali sebagai Hukum Hooke dan namanya diambil daripada seorang saintis Inggeris terkenal Robert Hooke (1635 - 1703). Modulus keanjalan ini kebiasaannya dipanggil sebagai Modulus Young sempena nama seorang saintis Inggeris Thomas Young (1773 - 1829). 2.6.6 PERATUS PEMANJANGAN Panjang tolok ditanda pada spesimen ujian sebelum ujian dijalankan. Setelah patah, keduadua bahagian tersebut diletakkan bersama dan jarak di antara tanda tolok diukur semula
Pengenalan Kepada Ujian Tegangan Teori & Praktikal 19 seperti ditunjukkan dalam Rajah 2.11. Jumlah pemanjangan diungkap dalam peratus panjang tolok asal, kemudiannya disebut sebagai nilai peratus pemanjangan: = [ − ] × % Dengan L sebagai panjang di antara tanda tolok selepas patah dan Lo adalah panjang tolok asal. Nilai peratus pemanjangan untuk sesuatu bahan akan menunjukkan ukuran bahan tersebut. 2.6.7 PERATUS PENGURANGAN LUAS Peratus pengurangan luas disebut untuk spesimen ujian bar bulat sebagai ganti kepada nilai peratus pemanjangan. Terdapat kelebihan tertentu dalam kaedah ini kerana pengurangan nilai luas adalah bebas daripada ukuran panjang spesimen ujian. Ia merupakan perbezaan luas di antara luas keratan rentas spesimen ujian pada titik patah dengan luas keratan rentas asal diungkap sebagai peratus luas muka keratan rentas asal. = [ − ] × % Rajah 2.11: Pemanjangan Spesimen Ujian Selepas Diuji L Lo L = panjang diantara tanda tolok selepas patah Lo = panjang tolok asal
20 Dimana A adalah luas keratan rentas pada titik patah manakala Ao adalah luas muka keratan rentas asal spesimen. 2.6.8 FAKTOR KESELAMTAN Dalam penggunaan atau suatu rekabentuk memang sukar untuk menentukan dengan tepat bagi daya/beban yang dikenakan ke atas satu struktur atau bahagian mesin, oleh sebab ini maka faktor keselamatan digunakan. Faktor keselamatan ditakrifkan sebagai nisbah beban maksima dengan beban kerja/beban alah iaitu = = dan/atau = = Nilai faktor keselamatan yang digunakan bagi sesuatu penggunaan bergantung kepada beberapa situasi. Diantaranya ialah: i. Kemungkinan berlaku beban berlebihan. ii. Jenis beban yang dikenakan iaitu sama ada statik, hentaman atau beban ulang alik. iii. Kemungkinan ada kecacatan dalam bahan yang akan digunakan. iv. Tujuan kegunaan dan akibat kegagalan. 2.7 PIAWAIAN Piawaian yang digunakan dalam ujian tegangan boleh dibahagikan kepada mesin ujian tegangan dan spesimen ujian, antaranya adalah: i. Mesin Ujian Tegangan: BS 1610 (1985), ASTM E4-89. ii. Spesimen Ujian: BS18 (1987), ASTM E8-89b, ASTM E8M-89b.
21 (a) Sifat elastik yang sedikit tetapi keplastikannya agak lebih, biasanya untuk logam tulen. Beban pemanjangan (b) Sifat elastik tetapi sifat plastik yang sedikit. beban pemanjangan (c) Sifat elastik tetapi sifat plastik yang terhad. beban pemanjangan (d) Sifat elastik dan plastik yang baik pemanjangan beban Rajah 2.12: Lengkung Beban-Pemanjangan Bagi Bahan Mempunyai Sifat Elastik Dan Plastik Yang Berlainan. (e) Sifat elastik dan plastik yang baik seperti (d) tetapi mempunyai takat alah. beban pemanjangan
22 Jadual 2.3: Keputusan Ujian Tegangan Tipikal Bagi Bahan Logam Bahan Keadaan Kekuatan Tegangan Pemanjangan (%) Titik Alah (MPa) TB 0.1% (MPa) KTM (MPa) Gangsa Tersepuh lindap - 125 385 70 Aluminium Keras - 590 775 4 Loyang (70/30) Tersepuh lindap - 77 325 70 Loyang (70/30) Keras - 510 695 5 Loyang Komersial (63/37) Tersepuh lindap - 95 340 55 Loyang Komersial (63/37) Keras - 540 725 4 Loyang Muntz (60/40) Tersemperit - 110 370 40 Kupro-nikel (Ni256) Tersepuh lindap - - 355 45 Kupro-nikel (Ni256) Keras - - 600 5 Duralumin Terkeras tua - 280 400 10 Besi tuang kelabu - - - 150 / 250 Boleh diabaikan Gangsa timah rendah Tersepuh lindap - 110 340 65 Gangsa timah rendah Keras - 620 740 5 Aloi magnesium Tempawan - 155 280 10 Keluli karbon sederhana Terkeras lindap kejut dan terbaja pada 550 - 650oC 550 - 750 14 Keluli karbon rendah Tersepuh lindap 350oC 250 - 450 / 525 20 / 25 Keluli tanpa karat (berferit) Tersepuh lindap 340 - 510 31 Keluli tanpa karat (berausterit 18/8) Tersepuh lindap 278 - 618 50 Keluli tanpa karat (berausterit 18/8) Gelekan sejuk 803 - 896 30 TB = Tegasan Bukti, KTM = Kekuatan Tegangan Muktamad
23 Contoh Soalan & Penyelesaian 3.0 CONTOH SOALAN DAN PENYELESAIAN 3.1 CONTOH SOALAN 1 Satu bar rata berkeratan rentas segiempat berukuran 25mm x 45mm dan panjang 2.7m adalah bertindak oleh satu daya tegangan paksi 72KN. Pemanjangan yang berlaku ke atas bar ialah 23mm. Hitungkan nilai bagi: i. Tegasan ii. Terikan iii. Modulus keanjalan iv. Peratus pemanjangan Penyelesaian 72KN 72KN 45 x 25mm 2.7 m i. = P A = (72×103 ) (45×25) = 64 N/mm2 ii. = x L = 23 2.7×1000 = 8.519 × 10−3 iii. E = = 64 8.519 × 10−3 = 7.513 KN/mm2 iv. Peratus Pemanjangan Pada Spesimen Ujian = [L −Lo] Lo × 100% = 23 2.7 × 1000 × 100% = 0.85%
24 3.2 CONTOH SOALAN 2 Dalam satu ujikaji tegangan spesimen ujian logam keluli lembut diuji sehingga putus, diameter rod tolok yang digunakan ialah 14.25mm dan panjang tolok 52mm. Pada peringkat awal keputusan ujian seperti berikut telah direkodkan: Beban (KN) 0 20 40 60 80 Pemanjangan (mm) 0 0.030 0.062 0.091 0.121 Data-data lain yang diperolehi ialah panjang akhir tolok selepas patah 64.48mm dan diameter rod pada bahagian leher 11.53mm. i. Dengan menggunakan skala yang sesuai, lakarkan graf beban lawan pemanjangan sehingga beban 80KN. Tentukan cerun graf tersebut. ii. Kirakan modulus keanjalan, peratus pemanjangan tolok dan peratus pengurangan luas keratan rentas tolok tersebut. Penyelesaian Diberi, Lo = 52 mm, L = 64.48 mm Do = 14.25 mm D = 11.53 mm i. Graf Beban Melawan Pemanjangan Cerun = 72 − 26 0.11 − 0.04 = 657KN/mm
25 ii. Ao = π 4 × 14.252mm2 = 159.485mm2 A = π 4 × 11.532mm2 = 104.412mm2 E = FL Ax = cerun × L A = 657 × 103 × 52 × 4 π × 14.252 = 214.215KN/mm2 Peratus Pemanjangan Pada Spesimen Ujian = [L − Lo] Lo × 100% = 64.48 − 52 52 × 100% = 24% Peratusan Pengurangan Luas Pada Spesimen Ujian = [Ao−A] Ao × 100% = 159.485 − 104.412 159.485 × 100% = 34.53%
26 Aktiviti 4.0 AKTIVITI ▪ Uji kefahaman anda sebelum meneruskan input selanjutnya. ▪ Sila semak jawapan anda pada maklum balas di halaman berikutnya. 4.1 SOALAN AKTIVITI 1 a) Huraikan secara ringkas prinsip ujian tegangan. ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ b) Namakan bahagian-bahagian mesin ujian tegangan. c) Nyatakan LIMA (5) sifat penting dalam menjamin keberkesanan keputusan sesebuah mesin ujian tegangan. i._______________________________________________________________________ ii.______________________________________________________________________ iii.______________________________________________________________________ iv.______________________________________________________________________ v.______________________________________________________________________ (vi) (iv) (ii) (iii) (i) (v)
27 d) Senaraikan kaedah-kaedah yang boleh digunakan untuk mengukur daya-daya yang dikenakan kepada spesimen ujian dalam ujian tegangan. i._______________________________________________________________________ ii.______________________________________________________________________ iii.______________________________________________________________________ iv.______________________________________________________________________ e) Apakah data yang diukur dalam ujian tegangan ini? ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ f) Lakar dan labelkan DUA (2) jenis spesimen ujian tegangan yang digunakan.
28 4.2 SOALAN AKTIVITI 2 a) Lakarkan lengkung beban-pemanjangan bagi keluli karbon rendah. Tanda dan labelkan lengkung tersebut. b) Takrifkan patah. ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ c) Adakah bahan yang rapuh itu semestinya lemah? Berikan alasan anda. ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ d) Isikan tempat kosong berikut dengan perkataan yang berkaitan dengan sifat rapuh dan mulur bagi logam seperti berikut: Patah rapuh untuk logam digambarkan oleh keadaan cepat dari (i)___________________dengan tiada ubah bentuk kasar atau hanya sedikit ubah bentuk mikro. Kecenderungan untuk patah rapuh menambah dengan (ii)__________________, penambahan (iii)_________________ dan keadaan tegasan tiga paksi. Patah rapuh hendaklah dihindarkan sebab ia berlaku tanpa amaran dan biasanya menghasilkan (iv)______________________.
29 Patah mulur untuk logam berlaku selepas pemanjangan (v)____________________. Patah mulur dapat digambarkan oleh tanggapan sebelum ubah bentuk plastik dan semasa (vi)___________________. Ubah bentuk adalah (vii)____________________pada permukaan patah. Sekiranya tegasan dikenakan terhadap spesimen ujian di mana melewati (viii)_____________________dan panjang tertanggung, maka spesimen ujian akan patah. e) Terangkan kaedah menentukan had elastik bahan jika bahan itu tidak mempunyai titik alah? ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ 4.3 SOALAN AKTIVITI 3 a) Apakah ciri-ciri yang selalu ditentukan dalam ujian tegangan? i._______________________________________________________________________ ii.______________________________________________________________________ iii.______________________________________________________________________ iv.______________________________________________________________________ v.______________________________________________________________________ vi.______________________________________________________________________ b) Senaraikan formula untuk ciri-ciri bagi soalan (a). i. iv. ii. v. iii. vi.
30 c) Mengapakah tegasan bukti perlu digunakan atau ditentukan? ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ d) Keputusan berikut didapati daripada satu ujian tegangan: Parameter Keputusan Garispusat tolok 10 mm Panjang tolok 50 mm Beban maksima 40 KN Beban bukti 0.1% 37 KN Pangjang akhir tolok 58.88 mm Garispusat pada leher 7.7 mm Tentukan, i. Kekuatan tegasan muktamad ii. Tegasan bukti 0.1% iii. Peratusan pemanjangan iv. Peratusan pengurangan luas e) Tandakan betul ( ) dan salah ( ) bagi kenyatan di bawah: i. Semua jenis bahan dapat menunjukkan titik alah pada lengkung beban-pemanjangan. ------( ) ii. Had kenyal ditakrifkan sebagai paras tegangan dengan terikan berhenti daripada keseluruhan menjadi kenyal. ------( ) iii. Perbezaan luas di antara luas keratan rentas spesimen ujian pada titik patah dengan luas keratan rentas asal diangkap sebagai peratus luas keratan rentas asal. ------( ) iv. Piawaian yang digunakan dalam ujian tegangan bagi spesimen ujian adalah ASTM-E8. ------( ) .
31 Praktikal 5.0 PRAKTIKAL Tujuan utama praktikal ini adalah untuk menentukan kelakuan bagi bahan logam. Ciri-ciri yang ditentukan adalah Kekuatan Tegangan (Tensile Strength), Tegasan Alah (Yield Strength), Modulus Keanjalan (Modulus Young), Peratus Pemanjangan dan Peratus Pengurangan Luas. Alatan dan bahan yang digunakan adalah mesin ujian tegangan dan spesimen ujian piawaian. Langkah-langkah kerja untuk mengendalikan ujian tegangan seperti di bawah. a) Pengenalan kepada bahagian-bahagian pada mesin ujian tegangan b) Prosedur kerja i. Sediakan dua keeping spesimen ujian iaitu jenis bar bulat keluli karbon dan alumimium dengan mengikut ukuran piawaian yang ditentukan. ii. Hidupkan mesin ujian tegangan dan komputer. iii. Pasangkan spesimen ujian bar bulat keluli karbon di kedua-dua hujung genggam pada mesin ujian tegangan. iv. Setkan kedudukan ekstensometer. v. Setkan data atau parameter yang diperlukan ke dalam komputer. vi. Tekan butang START untuk memulakan ujian. Spesimen Genggam Kepala rentas boleh bergerak Panjang tolok Daya Daya Arah pusingan Rajah 5: Bahagian-bahagian Pada Mesin Ujian Tegangan
32 vii. Tunggu bacaan yang dipaparkan di skrin komputer untuk analisa dan mengeplotkan Graf Beban melawan Pemanjangan dan Graf Tegasan melawan Keterikan. viii. Catatkan nilai-nilai kekuatan tegangan, tegasan alah, modulus keanjalan, peratus pemanjangan dan peratus pengurangan luas. ix. Ulangi langkah-langkah seperti di atas untuk menguji spesimen ujian aluminium. c) Jadual data keputusan amali Parameter Keputusan Spesimen Ujian Keluli Karbon Alumimium Kekuatan Tegangan (N/mm2 ) Tegasan Alah / Tegasan Bukti (N/mm2 ) Modulus Keanjalan (KN/mm2 ) Peratus Pemanjangan (%) Peratus Pengurangan Luas (%) d) Perbincangan aktiviti i. Mengapakah graf tegasan-terikan bagi sesuatu spesimen ujian yang didapati daripada ujian tegangan akan berkadar terus selagi ia berada pada takat anjal? ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ii. Bandingkan kedua-dua graf yang diperolehi daripada 2 jenis spesimen ujian yang berlainan bahan. ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________
33 iii. Senaraikan 2 kelebihan dan 2 kekurangan kaedah ujian ini. Kelebihan 1.______________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ 2.______________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ Kekurangan 1.______________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ 2.______________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ iv. Apakah kesimpulan anda dari latihan praktikal ini? ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________
34 Penilaian Kendiri 6.0 PENILAIAN KENDIRI ❑ Anda hampir menuju kejayaan! Untuk memastikan matlamat tersebut, sila cuba menjawab semua soalan dalam penilaian kendiri di bawah. ❑ Semak jawapan anda pada helaian maklumbalas yang disediakan. SOALAN 1 a) Nyatakan DUA (2) jenis patah berlaku pada logam dan huraikan secara ringkas keduaduanya. (6 markah) b) Nyatakan TIGA (3) sifat bahan yang boleh ditentukan oleh ujian tegangan. (6 markah) c) Nyatakan DUA (2) jenis spesimen ujian piawai ujian tegangan. Lakar dan labelkan kedua-dua jenis spesimen ujian piawai. (6 markah) d) Terangkan bagaimana modulus keanjalan bagi suatu bahan boleh ditentukan daripada ujian tegangan. (7 markah) SOALAN 2 a) Nyatakan LIMA (5) ciri penting dalam menjamin keberkesanan keputusan sesebuah mesin ujian tegangan. (5 markah) b) Jelaskan secara ringkas, apakah yang dimaksudkan oleh tegasan alah dan nyatakan bagaimana ia ditentukan. (6 markah) c) Lakarkan lengkung beban-pemanjangan bagi keluli lembut, kuprum dan besi tuang. Labelkan dan huraikan lengkung tersebut mengikut maksud bagi setiap titik dan garisan yang anda tandakan. (14 markah) SOALAN 3 a) Mengapakah pengkajian terhadap perlakuan mekanikal bahan penting dalam pengujian bahan? (5 markah) b) Jelaskan kegagalan bahan yang berikut: i. kegagalan ubah bentuk ii. retakan (10 markah)
35 c) Nyatakan DUA (2) asas kegagalan bahan. Jelaskan pengekelasannya. (10 markah) SOALAN 4 Keputusan berikut telah diperolehi dari ujian tegangan ke atas spesimen ujian jenis bar bulat: Parameter Keputusan Modulus keanjalan 84.9 Gpa 0.2 % tegasan bukti 928 Mpa Kekuatan tegangan 1330 MPa Peratusan pemanjangan pada tolok 14.6 % Peratusan pengurangan luas tolok 31.1 % Tentukan: a) Luas keratan rentas jika daya kenaan maksima ialah 235 KN. b) Panjang tolok yang digunakan jika kecerunan bahagian elastik lengkung ialah 300 × 103 N/mm2 . c) Beban bukti d) Pemanjangan daripada panjang tolok. e) Luas akhir spesimen ujian berserta diameter asal dan diameter akhir spesimen ujian. (25 markah) SOALAN 5 Satu ujian tegangan ke atas spesimen ujian aloi aluminium bergarispusat 10mm dan panjang tolok 50mm telah memberi keputusan seperti berikut: Beban (KN) 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 Pemanjangan × 10-3mm 40.0 62.5 82.5 103.0 125.0 146.0 Beban (KN) 20.0 22.5 25.0 27.5 30.0 32.5 Pemanjangan × 10-3mm 168.0 190.0 212.5 235.0 257.5 281.5 Beban (KN) 35.0 37.5 38.5 39.5 40.0 39.5 Pemanjangan × 10-3mm 315.0 350.0 390.0 512.5 660.0 875.0 Garispusat spesimen ujian selepas patah ialah 9.2mm. Tentukan: a) Kekuatan tegangan b) Modulus keanjalan
36 c) Tegasan bukti 0.1 % d) Peratus pemanjangan e) Peratus pengurangan luas (25 markah)
37 Maklum Balas 7.0 MAKLUM BALAS ✓ Anda sudah mencuba? ✓ Sila semak jawapan anda dan bandingkan dengan jawapan di bawah. 7.1 MAKLUM BALAS SOALAN AKTIVITI SOALAN AKTIVITI 1 a) Ujian tegangan digunakan untuk menilai kekuatan bagi logam, aloi dan plastik. Dalam kes ini, spesimen ujian ditarik sehingga gagal dalam masa yang agak singkat pada kadar yang tetap. Suatu spesimen ujian piawai diikatkan pada mesin ujian tegangan dan beban dikenakan. b) i. daya ii. kepala rentas boleh bergerak iii. panjang tolok iv. genggam v. arah pusingan vi. spesimen ujian c) i. Suatu sistem untuk menempatkan dan memegang spesimen ujian dengan cara yang memuaskan. ii. Suatu mekanisme untuk mengenakan daya kepada spesimen ujian dan untuk mengubah daya pada kadar yang terkawal. iii. Suatu sistem untuk mengukur daya yang dikenakan dengan tepat. iv. Suatu sistem untuk pengukuran tepat dan merekodkan perubahan pada ukuran spesimen ujian. v. Suatu sistem mekanikal/hidraulik dalam mengenakan beban dan penggunaan daya yang bergerak/dikekalkan dalam kadar malar. d) i. Tuil mekanikal ii. Sistem hidraulik iii. Sistem pesongan iv. Sistem sel beban e) i. Daya yang bertindak
38 ii. pemanjangan spesimen ujian akibat tindakan daya. f) Jenis spesimen ujian LO LC d r d = Garispusat r = Jejari Lo = Panjang tolok Lc = Panjang selari minima Spesimen Ujian Tegangan Jenis Bar Bulat LO LC b r b = Lebar r = Jejari Lt = Jumlah panjang minima LO = Panjang tolok LC = Panjang selari minima Lt Spesimen Ujian Tegangan Jenis Bar Rata
39 SOALAN AKTIVITI 2 a) Lengkung Beban-Pemanjangan bagi keluli karbon rendah dimana, A = Tidak dikenakan daya B = Had kenyal B1 = Takat alah atas C = Takat alah bawah D = Beban maksimum E = Pecah / patah L1 = Pemanjangan elastik L2 = Pemanjangan plastik yang sekata L3 = Perleheran b) Patah adalah pemisahan atau penyerpihan dari satu badan padu kepada dua atau lebih bahagian di bawah tindakan tegasan. c) Tidak. Kerapuhan sesuatu bahan bukan bermakna sesuatu bahan itu kekurangan kekuatan tetapi kekurangan dari segi sifat keplastikan. d) i. penyebaran retak ii. penurunan suhu Beban L1 L2 L3 E D B1 C B Pemanjangan A
40 iii. kadar terikan iv. kecelakaan v. ubah bentuk plastik vi. penyebaran retak vii. kasar viii. kekuatan tegangan muktamad e) Keluli karbon rendah adalah salah satu daripada bahan yang mana ia mempamerkan titik alah di mana penambahan terikan adalah diiringi oleh penambahan dalam tegasan. Bagi bahan yang tidak dapat menunjukkan titik alah maka boleh menggunakan kaedah tegasan bukti untuk mendapatkan nilai tegasan alah. Tegasan bukti ditunjukkan seperti berikut: Dapatkan × % daripada panjang tolok dan lukiskan satu garis lulus pada titik B yang selari dengan lengkung elastik. Dapatkan beban bukti dimana titik persilangan di C dan gantikan beban bukti ke dalam persamaan: × % Tegasan Bukti = × % Beban Bukti Luas Keratan Rentas Asal Lengkung Tegasan-terikan Patah A D Terikan 0.2% panjang tolok B C Tegasan
41 SOALAN AKTIVITI 3 a) Ciri-ciri yang ditentukan dalam ujian tegangan adalah: i. Modulus Keanjalan ii. Tegasan Alah iii. Tegasan Bukti iv. Kekuatan tegangan v. Peratus pemanjangan vi. Peratus pengurangan luas b) Modulus Keanjalan = Tegasan Terikan , E = Tegasan Alah = Beban Yang Dikenakan Pada Titik Alah Luas Keratan Rentas Asal × % Tegasan Bukti = × % Beban Bukti Luas Keratan Rentas Asal Kekuatan Tegangan = Beban Kenaan Maksima Luas Keratan Rentas Asal Peratus Pemanjangan Pada Spesimen Ujian = [L − Lo] Lo × 100% Peratusan Pengurangan Luas Pada Spesimen Ujian = [Ao − A] Ao × 100% c) Tegasan bukti perlu ditentukan kerana kebanyakan aloi tidak mempamerkan had kenyal dan takat alah seperti yang ditunjukkan oleh bahan-bahan tulin. Ia juga digunakan untuk menentukan nilai had kenyal parameter tegasan bukti. d) Keputusan Ujian Tegangan: i. Tegasan muktamad = 509.3 MN/m2 ii. Tegasan bukti 0.1% = 471 MN/m2 iii. Peratusan pemanjangan = 17.76 % iv. Peratusan pengurangan luas = 40.71 % e) i. ( × ) ii. ( ✓ ) iii. ( ✓ ) iv. ( ✓ )
42 7.2 MAKLUM BALAS PENILAIAN KENDIRI SOALAN 1 a) Patah Rapuh ✓ Patah rapuh untuk logam digambarkan oleh keadaan cepat dari penyebaran retak dengan tiada ubah bentuk kasar atau hanya sedikit ubah bentuk mikro. ✓ Kecenderungan untuk patah rapuh menambah dengan penurunan suhu, penambahan kadar terikan dan keadaan tegasan tiga paksi. ✓ Patah rapuh hendaklah dihindarkan sebab ia berlaku tanpa amaran dan biasanya menghasilkan kecelakaan. ✓ Patah rapuh dalam logam dipercayai mengambil tempat dalam tiga keadaan iaitu: i. Ubah bentuk plastik tumpu kehelan di sepanjang satah gelincir pada halangan rintangan. ii. Tegasan ricih terbina di tempat di mana kehelan adalah disekat dan keputusannya retak halus adalah dinukleuskan. iii. Tegasan lanjutan menyebarkan retakan halus dan menyimpan tenaga tegasan elastik untuk menyumbang pada sebaran untuk retak. Patah Mulur ✓ Patah mulur untuk logam berlaku selepas pemanjangan ubah bentuk plastik. ✓ Patah mulur dapat digambarkan oleh tanggapan sebelum ubah bentuk plastik dan semasa penyebaran retak. ✓ Ubah bentuk adalah kasar pada permukaan patah. ✓ Sekiranya tegasan dikenakan terhadap spesimen ujian di mana melewati kekuatan tegangan muktamad dan panjang tertanggung maka spesimen ujian akan patah. ✓ Terdapat 3 peringkat patah mulur yang nyata/jelas boleh dikenali: i. Spesimen ujian membentuk leher dan bentuk-bentuk rongga dalam kawasan perleheran. ii. Rongga pada leher bercantum/bergabung menjadi retak di tengah spesimen ujian dan menyebar menghala permukaan spesimen ujian pada arah serenjang dengan tindakan tegasan. iii. Bila retak menghampiri permukaan, arah retak menukar kepada 45o terhadap paksi tegangan dan patah berbentuk cawan dan kon dihasilkan. b) 3 sifat ujian tegangan: i. Modulus keanjalan ii. Tegasan alah iii. Kekuatan tegangan muktamad c) 2 Jenis spesimen ujian piawai: i. spesimen ujian piawai jenis bar bulat
43 ii. spesimen ujian piawai jenis bar rata d) Modulus Keanjalan Modulus Keanjalan (Modulus Young), E boleh ditentukan dengan: i. Lengkung Beban-Pemanjangan dan kecerunan graf ii. Lengkung Tegasan, melawan Terikan, SOALAN 2 a) Lima sifat menjamin keberkesanan keputusan sesebuah ujian tegangan: i. Suatu sistem untuk menempatkan dan memegang spesimen ujian dengan cara yang memuaskan. ii. Suatu mekanisme untuk mengenakan daya kepada spesimen ujian dan mengubah daya pada kadar yang terkawal. iii. Suatu sistem untuk mengukur daya yang dikenakan dengan tepat. iv. Suatu sistem untuk pengukuran tepat dan merekodkan perubahan pada ukuran spesimen ujian. Beban Pemanjangan Kecerunan bahagian elastik E = /
44 v. Suatu sistem mekanikal/hidraulik dalam mengenakan beban dan penggunaan daya yang bergerak/dikekalkan dalam kadar malar. b) Tegasan Alah/Titik Alah ✓ Terdapat ketidakselanjaran yang mendadak dalam lengkung beban-pemanjangan untuk besi tempawan dan kebanyakan keluli dan bahan tersebut akan alah mendadak dengan sedikit atau tanpa peningkatan beban yang sesuai. ✓ Takat alah secara mendadak ini selalunya adalah lebih kurang 5 – 7% daripada panjang tolok asal. ✓ Takat alah titik Y hampir sama dengan had kenyal. ✓ Tegasan alah bahan diberi oleh: Tegasan Alah = Beban Yang Dikenakan Pada Titik Alah Luas Keratan Rentas Asal c) Perbandingan Lengkung Beban-Pemanjangan bagi keluli lembut, kuprum dan besi tuang. di mana, A = tidak dikenakan daya B = Had kenyal C = Takat alah atas D = Kekuatan tegangan muktamad E = Pecah/Patah L1 = Pemanjangan elastik L2 = Pemanjangan plastik L3 = Perleheran Beban L1 L2 L3 B D E E D B1 B C B D E L1 L2 L3 L1 L2 L3 Pemanjangan A Kuprum Keluli lembut Besi tuang