KEGAGALAN BAHAN

EBB 224 Rekabentuk Bahan Kejuruteraan

Dr. Zuhailawati Hussain

Pengenalan

Kelakuan ketika penggunaan sesuatu bahan ditentukan oleh -sifat terwujud bahan, sistem tegasan yang bertindak ke atasnya & persekitaran ketika bahan itu beroperasi.Komponen gagal – apabila bahan yang tidak sesuai dipilih untuk pembuatan komponen @ apabila keadaan penggunaan lebih teruk dari yang dijangka oleh pereka.

Jenis-jenis umum kegagalan mekanikal yang dialami semasa praktikal ialah:

i. Alah, iaitu apabila bahan komponen dikenakan beban statik. Alah menyebabkan ubahbentuk kekal yang boleh menghasilkan ketidakjajaran atau halangan kepada pergerakan mekanikal.

ii. Lengkokan yang berlaku pada tiang yang panjang apabila ia di kenakan beban mampatan, atau tiub berdinding nipis apabila ia dikenakan beban kilasan.

iii. Kegagalan rayapan, berlaku apabila terikan rayapan melebihi toleran yang dibenarkan dan mengakibatkan gangguan kepada komponen. Dalam keadaan yang ekstrim komponen boleh pecah. Bagi sambungan bolt dan aplikasi serupa kegagalan berlaku apabila tegasan awal bersantai pada aras rendah dari had dibenarkan, dan sambungan akhirnya menjadi longgar @ bocor.

iv. Kegagalan disebabkan haus berlebihan yang berlaku dalam komponen yang melibatkan pergerakan relatif seperti galas. Gagal – ketidaktepatan pergerakan, gangguan & hilang bentuk komponen

v. Kegagalan secara pecah akibat beban statik iaitu peringkat yang berlaku selepas alah. Kegagalan boleh secara mulur atau rapuh.

vi. Gagal lesu akibat dari lebihan tegasan, kecacatan bahan atau peningkat tegasan. Lazim terjadi secara tiba-tiba tanpa petunjuk visual.

vii. Pecah hasil drpd gabungan tegasan dan kakisan yang berlaku akibat dari pemulaan retak pada titik tumpuan tegasan. Cth- retak disekeliling lubang rivet dalam dandang.

viii.Gagal disebabkan oleh beban hentakan yang berlaku secara belahan dalam bahan mulur. Cth-keluli jika kurang dari suhu peralihan rapuh-mulur.

Kegagalan 1-4: lazimnya tidak melibatkan pecah yang sebenarnya, komponen dianggap gagal apabila prestasi adalah kurang dari had boleh terima.5-9: komponen pecah dan ini boleh menyebabkan perpindahan beban ke komponen lain dan kegagalan lain terhasil.Kegagalan dielakkan melalui rekabentuk berhati-hati dan pemilihan faktor keselamatan yang sesuai.Kegagalan dielakkan melalui rekabentuk berhati-hati dan pemilihan faktor keselamatan yang sesuai.

Pecah

Pecah: pemisahan jasad kepada serpihan-serpihan akibat tegasan, pada suhu kurang dari takat lebur.

Langkah pecah:Pembentukan retakPerambatan retak

Bergantung kepada keupayaan bahan untuk mengalami ubahbentuk plastik sebelum berlakunya pecah, terdapat dua mod pecah yang boleh dikenalpasti: pecah rapuh dan pecah mulur.

i. I. Pecah mulur – kebanyakan logam (tidak terlalu sejuk):  ubahbentuk plastik yang ekstensif dan penyerapan tenaga (keliatan) sebelum gagal  retak adalah stabil: menahan pemanjangan selanjutnya melainkan tegasan kenaan ditingkatkan

II. Pecah rapuh –seramik, ais, logam sejuk:Ubahbentuk plastik dan penyerapan tenaga yang sedikitRetak tidak stabil: merambat pantas tanpa peningkatan dalam tegasan kenaan

Pecah mulur lebih digemari untuk kebanyakan penggunaan

Pecah Mulur & Pecah Rapuh

A. Sangat mulur, logam lembut (seperti Pb, AU) pada suhu bilik, kebanyakan logam, polimer dan kaca pada suhu tinggiB. Mulur sederhana: lazim bagi logam mulurC. Pecah rapuh: logam sejuk, seramik

Pecah Mulur (Kehelan dibenarkan)

a. Perleheran b. Pembentukan ronggac. Pembesaran rongga hingga membentuk retak d. Perambatan retake. Pecah

Pecah Rapuh (Pergerakan Kehelan Terhad)Ubahbentuk plastik yang sangat sedikitPerambatan retak sangat pantasRetak merambat berserenjang dengan arah arah tegasan kenaanRetak selalunya merambat secara belahan – pemutusan ikatan atom di sepanjang satah kristalografi tertentu (satah belahan)

A. Pecah transgranul: Retak melalui butir-butir. Permukaan pecah mempunyai tekstur muka kecil; disebabkan orientasi satah belahan yang berbeza dalam butirB. Pecah Intergranul: Retak merambat di sepanjang sempadan butir (sempadan butir dilemahkan atau menjadi rapuh disebabkan oleh pengasingan bendasing dan sebagainya)

Ujian Hentaman

(menguji ciri pecah di bawah kadar terikan tinggi)• Dua ujian piawai iaitu Charpy dan Izod yang

mengukur tenaga hentaman (tenaga yang diperlukan untuk memecahkan bahan uji dengan beban hentaman)

• Juga dipanggil keliatan takuk.

Peralihan Mulur ke Rapuh

Sekiranya suhu berkurangan bahan mulur boleh menjadi rapuh – peralihan mulur ke rapuhPeralihan mulur ke rapuh boleh diukur melalui ujian hentaman: tenaga yang diperlukan untuk pecah berkurangan tiba-tiba dalam satu julat suhu yang sempit-suhu peralihan mulur ke rapuh.

Pengaloian lazimnya meningkatkan suhu peralihan mulur ke rapuh. Logam FCC kekal mulur sehingga ke suhu yang lebih rendah.Bagi seramik, peralihan ini berlaku pada suhu yang lebih tinggi berbanding logam.

Utk aplikasi melibatkan tanggungan beban, cth – galas, logam lazimnya digunakan jika keliatan tinggi diperlukan. Bahan polimer menjadi pilihan jika cirri tambahan diperlukan spt dielektrik yang tinggi, ringan & lutsinar.Seramik terlalu rapuh utk kegunaan yang melibatkan beban hentaman.Beberapa pertimbangan penting dalam merekabentuk struktur logam keluli jika pecah rapuh ingin dielakkan: suhu operasi, komposisi dan saiz butir keluli, persekitaran penggunaan dan taburan tegasan.

Pengurangan Pecah Rapuh

1. SuhuPada suhu subzero, keluli menunjukkan rintangan yang tinggi terhadap aliran plastik, maka ia lebih cenderung untuk gagal secara pecah rapuh. Peralihan dari kelakuan mulur ke rapuh berlaku pada julat suhu tertentu, iaitu suhu peralihan mulur ke rapuh (DBTT).Kejatuhan mendadak dalam tenaga yang diperlukan untuk memecahkan spesimen apabila sifat rapuh terjadi.Suhu peralihan bukanlah suhu spesifik kerana ia bergantung kpd: kaedah ujian yang dijalankan, komposisi aloi serta saiz dan bentuk spesimen.Bahan yang bersifat mulur dalam keadaan plat nipis pada suatu suhu mungkin bersifat rapuh jika ia dalam bentuk plat yang tebal pada suhu yang sama.

2. Komposisi dan Saiz Butir

Bagi keluli karbon biasa, peningkatan kandungan karbon akan meningkatkan kerapuhan bahan, i.e., ia meningkatkan suhu peralihan dan mengurangkan tenaga yang diserap untuk pecah di atas suhu peralihan. Kandungan unsur pengaloian dalam keluli karbon biasa mempengaruhi suhu peralihan:

fosforus berlebihan dalam tidak diingini – unsur ini meningkatkan suhu peralihan.Mn & Ni – memperbaiki suhu peralihan 

3. Saiz butir

Lebih kecil saiz butir ferit – lebih rendah suhu peralihan. Semakin kecil saiz butir

semakin pendek satah gelinciran dalam butir,bilangan interaksi kehelan berkurang kurang peluang untuk pembinaan tumpuan tegasan yang cukup untuk menukleuskan retak.

P

4.  Persekitaran

Sesetengah persekitaran boleh meningkatkan kecenderungan bahan untuk patah secara rapuh. Cth: persekitaran yang menyebabkan hidrogen melarut dalam keluli.Keluli menjadi rapuh pada suhu bilik.Keluli kekuatan tinggi – menjadi rapuh melalui ‘electrolytic plating”, krn hidrogen dilarutkan dalam keluli semasa di dalam elektrolit.rapuh jika ia dalam bentuk plat yang tebal pada suhu yang sama.

5.Taburan TegasanBahan yg mulur sepenuhnya dalam keadaan beban tegangan satu paksi boleh menjadi rapuh apabila dikenakan tegasan gabungan seperti bahan struktur. 2 faktor perlu dipertimbangkan:

Kesan tumpuan tegasan Komponen tegasan tegangan dalam arah selain dari arah beban.

Komponen tegangan terbina dalam satah mengufuk

hasil drpd pengembangan Poissonmeningkat apabila tebal plat meningkat.plat tebal bertakuk menjadi rapuh & plat nipis menjadi mulur.

Penumpuan tegasan: dielakkan terutama dalam komponen yg mengalami tegasan tinggi utk mengurangkan kebarangkalian pecah rapuh:takuk - teknik kerja yg silaptanda pemesinan & kimpalan yg tidak bermutumikrostruktur bahan – bilah grafit dlm besi tuang kelabu bertindak spt takuk

Lain-lain kegagalan: LESURAYAPAN