UNIVERSITI SAINS MALAYSIA

Peperiksaan Semester Kedua

Sidang Akademik 1996/97

April 1997

EBB 406/3 - PEMILIHAN BAHAN

Masa : [ 3 jam]

Arahan Kepada Calon :

Kertas soalan ini mengandungi TUJUH (7) muka surat bercetak dan SEPULUH (10)muka surat LAMPIRAN.

Kertas soalan ini mempunyai ENAM (6) soalan.

Jawab LIMA (5) soalan sahaja.

Mulakan jawapan anda bagi setiap soalan pada muka surat yang baru.

Semua soalan mesti dijawab dalam Bahasa Malaysia.

...21-

131

-2- [EBB 406/3]

1. lal, , Suatu bahan perlu dipilih untuk digunakan sebagai bUah pemotong mesin

rumput. Kos adalah suatu perhubungan yang panting. Oleh kerana

sebab-sebab keselamatan jurutera rekabentuk telah menetapkan keliatan

patah minimum Ktc > 30 MPam112 bagi bifah berkenaan. Keperluan

mekanik yang lain adalah kekerasan (H) yang bertujuan mengurangkan

haus. Dalam kegunaan seumpama ini. kekerasan mempunyai hubung

kait dengan kekuatan menerusi H ~ 3 Of (O'f adalah kekuatan). Tentukan 3

bahan yang sesuai untuk kegunaan ini (jelaskan tatsears anda) dan

bandingkan dari sudut koso

(40 markah)

(b) Bezakan 3 jenis haus. Jelaskan bagaimana haus boleh dikurangkan atau

dielakkan dengan merujuk kepada contoh-contoh yang khusus.

(60 msrkah)

2. (a) Seorang graduan muda bercadang untuk menubuhkan sebuah kilang

pengeluarannya sendiri. Jelaskan dari mula hingga akhir bagaimana

beliau menentukan rekabentuk suatu komponen kejuruteraan.

(40 markah)

...3/-

132

- 3- [EBB 406/3]

(b) Jadual di bawah menunjukkan angka semasa kadar penggunaan besi,

keluli, aluminium dan plastik. Apakah tempoh ganda (bilangan tahun)

bagi penggunaan komoditi berkenaan?

Bahan

Besi dan Keluli

Aluminium

Polimer

Penggunaan Dunia Semasa

(Tanrrahun)

5.5 X 108

1.9 X 107

1.1 X 108

3. (a)

Bincangkan bagaimana kekurangan bahan kejuruteraan pada masa

hadapan dapat diatasi.

(60 markah)

Dalam rekabentuk sistem gantung kenderaan, jisim bagi kesemua

komponen perlu diminimumkan. Anda telah ditawarkan kerja dalsm

kumpulan rekabentuk di Syarikat Proton dan ditugaskan memilih bahan

serta dimensi bagi suatu pegas yang ringan untuk menggantikan pegas

daun keluli yang digunakan dalsm sistem gantung trak pada masa kini.

...4/-

133

-4- [EBB 40613]

pegas daun masa kini adalah suatu rasuk seperti yang qitunjukkan di

bawah..PegS! yang barY melti mempunyai panjang L dan kekakuan S

yang sama. Disamping itul ianya mesti lenturdengan anjakan maksimum

a tanpa gagal. Luas b dan tebal t tidak dibataskan. Terbitkan indeks

prestasi bagi pemilihsn bahan untuk kegunaan ini. Sila pematikan

bahawa ini adalsh suatu masslah yang mempunyai dua pembo1ehl:.lbah

bebas, iaitu b dan t; manakala terdapat dua kekangan, iaitu lenturan

selamat 8 dan kekakuan I. Gunakan kedua-dua kekangan ini untuk

menentukan kedua-dua pembolehubah bebas.

(60 markah)

(b) Gunakan indeks prestasi yang diterbitkan untuk memilih suatu subset

bahan yang seauai. Ben komen mengenai setiap pilihan dalam senerai

tersebut.

(40 markah)

• • •crp~--~

• I

...5/-

134

-5- [EBB 408/3]

4. (a) Meja getar yang ditunjukkan diperbuat daripada suatu alol magnesium

(takat labur 90~~~ kekerasan 80MPa; ketumpatan 1.78 Mglm~.

Garispuaat meja adalah 2m; ketebalan meja dan sisinya adalah 100 mm.

Permukaan atas meja perlu dikemaskan ke tolerans T ± 0.07 mm dan

kekalaran RMS, R, sebanyak 5 J.1m. Kemasan pada permukaan lain

adalah tldak kritikal. Cadangkan laluan proses yang boleh digulJakan

untuk menghasilkan meja getar Humpama in!.

(40 markah)

' I" ,, :

Rajah 4(a): Meja Getar

(b) Sitat bahan dan bentuk menentukan proses penghasilan yang bakal

dipilih. Bil1csngkan kenyataan In!berhubung dengan kebuk tekanan.

(80 markah)

5. <a> Bincangkan konsep kekuatan bagi pelbagai jenis bahan, laitu Iogam.

poUmer, seramlk dan komposit. Jelaskan bagaimana kekuatan boleh

ditingkatkan lagl bagi bahan-bahan inL

(60 markah)

...6/-

135

.. 6- [EBB 406/3]

(b) Daiam rekabeiituk kebuk takanan sfera, tegasan pads dinding adalah:-

a=~

2t(1)

6. (a)

di sini p adalah tekanan dalam kebuk tersebut, r adalah jejari kebuk

sementara t adalah ketebalan kebuk.

Untuk mempastikan rekabentuk yang benar-benar selamat

o < a-lS

di sini S adalah faldar keselamatan.

Dengan menggunakan e&rta sifat bahan, tentukan 3 bahan yang paling

sesuai untuk-menghasilkan kebuk"tekanarfyang paling-ringan.

(40 markah)

Suatu bar ikat aloi dalam loji kimia telah direka bentuk untuk menampung

tegasan, 0', sebanyak 25 MNm-2 pada suhu 620°C. Ujian rayap yang

dilakukan ke atas spesimen aloi tersebut dalam keadaan ini menunjukkan

kadar rayap mantap; &, sebanyak 3.1 x 10-~ S-1. Sewaktu digunakan,

tegasan dan suhu didapati meningkat .kepada 30 MNm-2 dan 650°C bagi

30% tempoh kegunaan. Hitung kadar rayap purata dalsm keadaan

kegunaan seumpama ini. Anda boleh mengandaikan bahawa aloi

tersebut mempamerkan rayapan mengikut persamaan berikut:-

e=Aa5e-Q/>JRT

di sini A dan Q ada pemalar, R adalah pemalar gas dan T adalah suhu '

mutlak. Q mempunyai nUai 160kJ/moi.

(40 markah)

...7/-

136

- 7- [EBB406/3]

(b) Kakisan palp, bawah tanah menjadi semakin m8fuficiiig dalain

persekitaran iklim tropika di Malaysia. Bincangkan bagaimana kakisan

seumpama ini dapat diatasL

(60 markah)

00000

137

- 1 - [EBB 406/3]

II

11

11

11

GUIDE LINESFOR MINIMUMCOST DESIGN

I I/1 /

1 I /I I //

11,//1

11/;/

7'-1/11

/ II/ II

/ I// II

/ I 1/ I I

/ 1I~

/ I/ /

....OJ-=cC",p

1 10 100 1000

RELATIVE COST/UNIT VOLUME CR P (Mq/rn')

15.STRENGTH -RELATIVE COSTMETALS AND POLYMERS:YIELD STRENGTHCERAMICS AND GLA.SSES:CDMPRESSIVE STRENGTHELA.STOMERS:TENSILE TEAR STRENGTH

iOOOi------------~

,-..oa.2......,

_ 100r-.--...b

II­oZW0:I- 10 t-----­(/)

138.

fEBB 406/3]

FR~TURE

BEFORE YIELD

100

~ {MPa}10

STRENGTH

YIELD BEFOREFRACTURE

GUIDE LINESFOR SAFE

DESIGN

/10

.J /1

Y:

(.f)(f)wZI~::>ot- 1.0t--------t----:-''------,.'~~'\..ill0::::>t­O«0::LL

F 100I::-------r-------:.;.:..:..:..:~=----_fe-r-r::oa.:E

139

10,000

- -T / """-J

/. I /

/I /

I //'I /

/ I /II /

f'l ,//.

'I/

.1'

1000

POROUS //

CERAMICS/

PMMA /Of /E =0.1

//

/

100

Of (MPa)

/~.//

/1/1 '

ENGINEERING / 1/POLYMERS /,/ I.

OJ,/ II-=CIE I·

31'z

'1-.. ,-.4 E.t...=C,IX~ E I

ELASTOMERS

1 /I ~2

/ -'-c1 E

//

//

//

// .

/

//

//

//

//

//

/ ,,/

I'/

//

,/

/

~ =1<Y2

MIN. ENERGYSTORAGE PER

UNii VOLUME~ .YiELD BEFOREBUCKLING

10

STRENGTH'.

//

/'/

/

OJ ~3E"=10

//

//

//

cr: /~ = 10-4

4. MODULUS-STRENGTHMETALS AND POLYMERS :YIELD STRENGTH

CERAMICS AND GLASSES :COMPRESSlVE STRENGTHELASTOMERS : TEAR STRENGTHCOMPOSITES : TENSilE STRENGTH MFA:88- 1

0.' ~------.~,r

1oaLlr--------------.---,......l1-,-T,.,rrr--.....,.....,.....,--r""TT'l7r"~_,_~_r_'"T'"T7'1llM

~ 1·0t----------1'------~

Z::)

o>-

100

-0a..o----W- 10If)

::>-J:J002

140

- 4 - [EBB 406/3]

//

/0: /~ = to·'

//

10 . 100 1000

SPECIFIC STRENGTH "tIp (MPa/(Mg/m3))

I _ iMIN. ENERGY ~-------~ .....STORAGE PERUNIT WEIGHT

VIELD BEFOREBUCKLING

//.-

"//

:1 ~3E = 10

5. SPECIFIC MODULUS-SPECIFIC STRENGTH

METALS AND POLYMERS: YIELD STRENGTHCERAMICS AND GLASSES:COMPRESSIVE STRENGTHELASTOMERS: TEAR STRENGTHCOMPOSITES: TENSILE STRENiMIt't~

t"

E 100<,C1l:E---<,a

0..o..........

10I-------+L---~

~w(f):::J-l:::J~ 1.0I------+~~~-__J

~

ULLUWQ. 0.1~------:;~-y(/)

141

1m- -otum

_MINIMUM SECTION- THICKNESS

NANO ­TECHNOLOGY

- ) -

Pl SURFACE AREA!3 MINIMUM SECTION

10 CONTOURS :APPROX.VOLUMEAt(m3 j t--------t--'--"o,rl

CONTOURS:APP~ASP£CTt/A~AE/MFA 91

10-6'--_---'~_---'-_____'___-l--__..........>--.:..:...... +-~_-I'--''---_ __'__~

1nm

.,.-....tJI"l

E.........

« 1-W0:«

10. 1

W -,u 10-\«LL CO o)a::::::>if) 10-3

142

LEBB 406/::j--..,

102m3

1010-5 10-4 10-3 10-2 10-1~

MINltvlUM SECTION THICKNESS (rn)

10-5'-::------::---~·- ~~-=-·--'-_=__--........~---o....----10-6

143

zoIf)

zw~

20oa.:«wz.....I

UJ.....«~

Xo 0

0:::0­o,«

4000300020001000

TIN MAGNESIUM ooto SUPERAUD'I'S COBALT ZIRCONIUM MOLYBDENUMLEAD ALUMINIUM COppER STEELS TITANIUM CI-lROMIUM TANTALUM

06 POLYMERS ZINC ' SILVEFI CASTIRON NICKEL PLATINUM NiOBIUM TUNGSTa/

r SAN07 'P3 SIZE (WEIGHT) vsMELTING TEMPERATUREf.-

CASTING

FULL MOULD1,.------ CASTtl~G APPROX LINEAR DIMENSION (fr

AE/MFA t1

4 ..1

."~~NTI~iFtJGAL/

~\ . CASliNG .

lie--~

1 \(frll STER MOUL~....... ~ACUUM-PRECIS ION AND.: , MOl/1.0

/ I • ~ .- ')VACUUM-AR~STlNG -

;.-GRAVITY2 DIE CASTINe Ii

L --+Il--- ' !jPOLYMER

H;HELL CASTINGT7MOULOIN,:J. hW. '-""'''''1TCAS,,,.17

:"" !-PRESSURE DIE CASTlNGI~I -

'eLECTRON · BF.AM1

, CASTING-- -'OWOER~

---(aEC TRO-1

METHODS FORMING, METHODS

GRAVITY DIEAND CVD

VACUUM CASTINGCASTlNG~~ METHODSV

[[Cpl~,r~:"l I II EI.ECTRON-BEAM~

CASTING

I t IlsANe, I \, _-f.PaNOER2 - METHODS

I I I c:.S~~L 1::- '~ , "'7'7" ' , "":,::' :\... RESSUREDIE -:"':' r-:,' SU RFACE . ', " "L Ip ) .~ ...: .. "

.:;..;..:.: ':TENSIO,N ::, : ,:): : " Ii LASTER iNVESTMENT.....

il~ ~'.Y~~~ ' :·:"·' ::: - ~ '~~ ~ C C" I ... I~~~~FU~' ELECTROFORMING,

4 _, '---" ("CHEMICAL VAPOUR

OEPOSITION

PHYSICAL VAPOURDEPOSITION

- ~\- ~ SPUTT ERING./ I

POLYMER

I IMOULDING.-£ I I

10

10 0

WN

if)

MELTING TEMPERATURE (K)

144

[EBB 406/3]

E-BEAMCASTING

COlO

WARM WORKING....

3000

VACUUM__CASTING

2000

CONVENTIONAL

CASTONG lI.__ELECTRON -BEAM., CASTING

1000

10 I--

TIN MAGNESIUM GOLD SUPERAWlYS OOBAlI ZIRCONIUM MOLYBDENUMLEAD ALUMINIUM COPPER sreas TITANIUM CHROMIUM TANTALUM

POLYMERS ZINC SILVER CAST IRON NICKEL PLATINUM NIOBIUM TUNGSTEN

r- - - - - - - - ..e.o~DER..l1UH.QPL -- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ""\l r: -:- S.V.Q ~Q... ~AE.0RA I!2~.E!IjQDi. :.-. - _ - - .... I

l : rr: - - - ...!t,fCTRO~ !!§A~ ~SJ:!~ - _ - - - - - -"' I:I, , I I II, I I I ElECTROFORMING I , I: I :----l---I-----------~----------------i ~::

5 I t I I I I I II10 1----. I I CONVE~T10NAL CASTING I I I

I I (?---------r-----:i.-=.. -::.-:...~__=__=_-.:\:0E~~M..?~T.!!'~.......... : I ':1:: 1: ! : : :.JH_20kTml l'I I1II I I I -.n rllill I I POWDER::::iyr'l METHODS III II, I evo AND

1---" I III EVAPORATlON- -I 1111 . HOT WORKING.......... METHODS

r: - ..l .....lfl!~====::j::::==:t=====::=;;;:::::==;:===-======t:~-\'r--~

:' ~ ! HOTp.TRusrON--------l.-II~ I W~RM WO~KING_7 ~L---~_---rt COlD wo."..'" ---.-.--+--!--+------,r-~-__:_.

. 106.........---:...::::.:...:.=.:=.----------------------------------1

10L

.-....0

0...::a'-'

(J)103

(J)WZ00::«I

102

MELTING TEMPERATURE (K)

145

Lt:;OD 4fVO/.)J

10~-------"""ft'--------.....-------..,,~--""";'-----r---------.

100

P5. TOLERANCE vs~ACE ROUGHNESS

TOLERANCE LIMIT: 2 TO , " RCONTOURS : COST MULTIPLIER

&£/NFA. tt

1~ mRMS SURFACE ROUGHNESS, R (urn)

'O-'L- .J.--__.-..-.;...:....o.I~_....I.... _..l.__.......I.. __l_ __..;... ~

10-3

,-..

EE-I-

~10' !

LLi -,C) 64

"-Z <,4: "-, -,a:: COMPOSITES -,

"- -,W -,U -, -,

Z 10-2,

"-4: '128a::W ."

-,-J

"-0 ,I- -,

-,-,

MICRO EL.ECTROHICFABRICATION METHODS

146

- 10 - [EBB 406/J]

3010

/'.... ~.,.,,- "/ GUIDE LINESFOR

-> "" " "L.,/_--r,MINIMUM WEIGHT..... " I DESIGN

£.::C // IP ,,/

" // I

" /ELASTOMERS /IE"/ /

-=C I/P J

£ ,IEY:J_ CP -

1·0 3

DENSITY, P (Mq/rn")

MFA:88-91

".­/'"

".-./.....

./ ......ENGINEERINGCOMPQSITES

0.3

l00~----+------=*'-t1

1000----------.........,-----,--~~--r--,-I"T~---.-11. MODULUS- DENSITY

YOUNGS MODULUS E( G 'II 3E/8; K =r E.)

147