Nota Pengajian Kejuruteraan Mekanikal Tingkatan 4 Bab 2: Bahan Kejuruteraan
RINGKASAN
Ringkasan Mudah Difahami (Nota Pengajian Kejuruteraan Mekanikal Tingkatan 4 Bab 2: Bahan Kejuruteraan)
Bahan kejuruteraan adalah asas kepada industri pembuatan dan pembinaan. Pemilihan bahan yang betul adalah kritikal dan bergantung pada sifat-sifatnya. Bahan-bahan ini secara amnya dikategorikan kepada dua kumpulan utama: bahan logam dan bahan bukan logam.
1. Bahan Logam
Bahan logam adalah pilihan utama dalam industri kerana daya tahannya yang tinggi terhadap beban, lelasan, dan kakisan. Ia boleh dibahagikan kepada tiga kumpulan:
Apakah ciri-ciri logam ferus dan bukan ferus?
• Logam Ferus: Logam yang mengandungi besi dan karbon untuk menguatkan strukturnya. Contohnya termasuk besi, besi tuang, dan keluli.
• Logam Bukan Ferus: Logam yang tidak mengandungi unsur besi atau karbon. Ia tidak mudah berkarat atau terpengaruh oleh haba. Contohnya termasuk aluminium, kuprum (tembaga), nikel, dan titanium.
• Aloi: Terbentuk daripada campuran logam tulen dengan bahan lain (logam atau bukan logam) untuk menghasilkan sifat yang lebih baik seperti kekerasan dan rintangan kakisan. Contohnya ialah loyang, gangsa, dan keluli aloi.
2. Bahan Bukan Logam
Bahan bukan logam tidak mempunyai unsur logam dan merupakan penebat haba serta elektrik yang baik. Ia wujud dalam bentuk pepejal, cecair, atau gas dan terbahagi kepada tiga kumpulan:
• Kayu: Bahan organik berserat daripada pokok, mudah dipotong mengikut uratnya. Digunakan untuk perabot dan alatan dapur.
• Seramik: Pepejal bukan organik yang dihasilkan daripada bahan semula jadi seperti tanah liat. Ia digunakan untuk produk seperti palam pencucuh dan bekas minuman.
• Polimer: Bahan molekul rantai karbon panjang yang digunakan sebagai pengganti kayu dan logam. Kategori utamanya ialah:
◦ Termoplastik: Boleh dicairkan apabila dipanaskan dan kembali ke bentuk asal apabila sejuk (cth: PVC).
◦ Termoset: Tidak akan mencair apabila dipanaskan semula (cth: Melamin pada soket).
◦ Elastomer: Sangat kenyal dan boleh kembali ke bentuk asal selepas diregangkan (cth: Getah).
3. Bahan Termaju
Ini adalah bahan baharu atau bahan lama yang diubah suai menggunakan teknologi moden untuk meningkatkan prestasinya. Contohnya termasuk:
• Komposit: Gabungan dua atau lebih bahan untuk menghasilkan bahan baharu yang lebih kuat, ringan, atau murah (cth: gentian kaca, konkrit).
• Aloi Super: Mampu bertahan pada suhu yang sangat tinggi.
• Bahan Pintar: Boleh bertindak balas terhadap perubahan persekitaran seperti suhu (cth: Aloi Memori-bentuk).
• Bahan Piezoelektrik: Menghasilkan elektrik apabila dikenakan tekanan mekanikal.
Apakah sifat bahan fizikal dan mekanikal?
Sifat bahan terbahagi kepada dua kategori utama:
• Sifat Fizikal: Perlakuan bahan terhadap persekitaran.
◦ Keberaliran Haba: Keupayaan mengalirkan haba.
◦ Keberaliran Elektrik: Keupayaan mengalirkan elektrik.
◦ Takat Lebur: Suhu di mana pepejal bertukar menjadi cecair.
• Sifat Mekanikal: Perlakuan bahan apabila dikenakan daya.
◦ Kemuluran: Boleh diregangkan tanpa putus.
◦ Keboleh Tempaan: Boleh dibentuk tanpa retak.
◦ Kelasakan: Tahan daya kejut tanpa berubah bentuk.
◦ Kekerasan: Tahan haus, tusukan, dan lelasan.
◦ Keplastikan: Boleh berubah bentuk tanpa pecah.
◦ Kerapuhan: Mudah retak atau pecah apabila dihentam.
◦ Keanjalan: Boleh kembali ke bentuk asal selepas daya dialihkan.
Apakah Proses Pengeluaran Besi dan Keluli?
Proses ini bermula dengan tiga bahan mentah utama: bijih besi, kok (arang batu), dan batu kapur. Bahan-bahan ini diproses dalam Relau Bagas untuk menghasilkan besi jongkong. Besi jongkong ini kemudiannya diproses lebih lanjut dalam relau yang berbeza untuk menghasilkan pelbagai jenis besi dan keluli:
• Relau Puddling: Menghasilkan besi tempawan.
• Relau Kupola: Menghasilkan besi tuang.
• Relau Dedah & Relau Bessemer: Menghasilkan keluli.
• Relau Elektrik: Menghasilkan keluli aloi dan keluli gred tinggi dengan kawalan yang lebih jitu.
6. Rawatan Haba
Rawatan haba ialah proses pemanasan dan penyejukan logam secara terkawal untuk mengubah mikrostruktur dan sifat mekanikalnya tanpa mengubah bentuk fizikal. Tujuannya adalah untuk meningkatkan kekerasan, mengurangkan kerapuhan, atau menghilangkan tegasan dalaman. Empat proses utama ialah:
• Penyepuhlindapan (Annealing): Melembutkan logam, meningkatkan kemuluran, dan menghilangkan tegasan dalaman melalui penyejukan yang sangat perlahan di dalam relau.
• Penormalan (Normalizing): Memperhalusi struktur butiran kristal untuk meningkatkan kekuatan melalui penyejukan di udara.
• Pengerasan (Hardening): Menjadikan keluli sangat keras dan tahan calar dengan memanaskannya dan menyejukkannya dengan cepat dalam media seperti air atau minyak.
• Pembajaan (Tempering): Mengurangkan kerapuhan keluli yang telah dikeraskan dengan memanaskannya semula pada suhu yang lebih rendah.
GLOSARI
| Istilah | Definisi |
| Aloi | Bahan yang terbentuk daripada hasil campuran bahan logam tulen dan bahan bukan logam untuk menghasilkan logam yang lebih keras dan tahan kakisan. |
| Aloi Memori-bentuk | Sejenis bahan pintar yang boleh kembali kepada bentuk asalnya apabila dipanaskan pada suhu tertentu selepas diubah bentuk. |
| Austenit | Satu fasa mikrostruktur keluli yang bersifat lembut, mulur, dan tidak magnetik. Kekerasannya bertambah dengan peningkatan kandungan karbon. |
| Bahan Bukan Logam | Bahan yang tidak mempunyai unsur logam, wujud dalam bentuk pepejal, cecair, atau gas, dan merupakan penebat elektrik serta haba yang baik. |
| Bahan Pintar | Bahan kejuruteraan yang berkeupayaan mengesan dan memberi tindak balas terhadap perubahan persekitaran seperti suhu, kelembapan, atau cahaya. |
| Bahan Termaju | Bahan baharu atau bahan lama yang diubah suai menggunakan teknologi masa kini untuk meningkatkan prestasinya. |
| Besi Jongkong | Produk yang dihasilkan daripada Relau Bagas, yang kemudiannya menjadi bahan mentah untuk pengeluaran besi tuang, besi tempawan, dan keluli. |
| Besi Tuang | Logam ferus yang mengandungi peratusan karbon tinggi (sehingga 4.75%) dan silikon. Ia bersifat keras tetapi rapuh. |
| Elastomer | Sejenis polimer yang boleh ditarik sehingga berganda-ganda panjangnya dan kembali kepada bentuk asal; bersifat kenyal seperti getah. |
| Ferit | Satu fasa mikrostruktur besi tulen yang bersifat lembut dan mulur. |
| Keanjalan | Sifat bahan untuk kembali semula kepada bentuk asal selepas daya atau beban dialihkan. |
| Keboleh Tempaan | Sifat bahan logam yang boleh dibentuk dengan mudah tanpa retak atau pecah apabila dikenakan daya mampatan. |
| Kekerasan | Sifat bahan yang boleh menahan daripada haus, tusukan, perubahan bentuk, dan lelasan. |
| Kelasakan | Sifat bahan yang boleh menahan daya atau beban kejut tanpa berubah bentuk. |
| Kemuluran | Keupayaan bahan untuk diregangkan atau ditarik panjang tanpa putus. |
| Keplastikan | Sifat bahan yang boleh mengekalkan kekuatan apabila bentuknya berubah tanpa pecah atau retak. |
| Kerapuhan | Sifat bahan yang mudah retak atau pecah apabila dikenakan daya hentaman. |
| Kok | Bahan api yang dihasilkan daripada arang batu, digunakan dalam Relau Bagas. Ia bersifat keras, rapuh, dan berongga. |
| Komposit | Bahan pepejal yang dihasilkan melalui gabungan dua atau lebih bahan untuk menghasilkan bahan baharu yang lebih berguna, kuat, dan ringan. |
| Logam Ferus | Logam yang mengandungi besi dan karbon untuk menguatkan strukturnya. |
| Logam Bukan Ferus | Logam yang tidak mengandungi elemen karbon, tidak mudah berkarat, dan tidak mudah terpengaruh dengan tindakan haba. |
| Pearlit | Satu fasa mikrostruktur keluli yang lebih keras berbanding ferit, sering digunakan dalam komponen berkejituan tinggi. |
| Pengerasan | Proses rawatan haba untuk menghasilkan aloi yang keras, kukuh, dan tahan calar dengan memanaskan dan menyejukkannya secara pantas. |
| Penormalan | Proses rawatan haba untuk mengubah mikrostruktur keluli yang kasar menjadi lebih halus dan seragam melalui pemanasan dan penyejukan di udara. |
| Penyepuhlindapan | Proses rawatan haba untuk menghilangkan tegasan dalaman, melembutkan logam, dan meningkatkan kemuluran melalui penyejukan yang sangat perlahan. |
| Pembajaan | Proses rawatan haba yang dilakukan selepas pengerasan untuk mengurangkan sifat kekerasan dan kerapuhan serta menghapuskan tegasan dalaman. |
| Polimer | Bahan molekul rantai karbon panjang yang digunakan sebagai pengganti kayu, logam, kaca, dan kapas. |
| Rawatan Haba | Proses pemanasan dan penyejukan logam secara terkawal untuk mengubah mikrostruktur dan sifat mekanikalnya. |
| Seramik | Pepejal bukan organik yang dihasilkan daripada bahan semula jadi seperti tanah liat, digunakan dalam industri moden dalam bentuk oksida logam atau karbida logam. |
| Simentit | Satu fasa mikrostruktur keluli yang sangat keras dan rapuh. Kekerasannya bertambah dengan peningkatan kandungan karbon. |
| Slag | Bahan asing seperti belerang dan silika yang diasingkan daripada besi cair semasa proses dalam relau dan timbul di lapisan atas. |
| Takat Lebur | Had suhu sesuatu bahan pepejal untuk bertukar kepada cecair apabila menerima haba yang tinggi. |
| Termoplastik | Sejenis polimer yang akan mencair apabila dipanaskan dan kembali ke bentuk asal selepas sejuk. |
| Termoset | Sejenis polimer yang tidak akan mencair apabila dipanaskan dan tidak kembali kepada bentuk asal selepas sejuk. |