JF302 -Bab 1aCHAPTER 1MATERIAL STRUCTURE AND BINARY ALLOY SYSTEM1.1 Understand Material structure and Element Periodical Table (EPT)Material structure(STRUKTUR BAHAN )struktur bahan yang merupakan asas penting dalam pembentukan bahan. Dalam pembentukan logam, ianya terdiri daripada susunan atom yang dinamakan hablur. Unit ini juga membincangkan mengenai susunan atom, ketumpatan dan sifat-sifat yang berkaitan dapat ditentukan. Susunan hablur ini akan musnah apabila logam berada pada suhu yang melebihi suhu lebur. Begitu juga logam seperti besi akan mengubah susunan atomnya yang berupa pepejal tanpa dileburkan dengan disertai oleh perubahan pada sifatnya.

1.1.1 Define the terminology of ( Takrifan Istilah berikut)a. AtomMerupakan satu zarah asas yang membentuk segala bahan samada dalam bentuk pepejal, gas atau cecair. Saiz atom adalah sangat kecil, walaubagaimana pun ia mempunyai berat dan sifat-sifat tersendiri. Atom terdiri daripada 3 zarah asas dengan merujuk pada Jadual di bawah ,Zarah, cas dan berat bagi atom.

b. Element (Unsur)Merupakan gabungan 2 atau lebih atom-atom sejenis. Ianya berada dalam keadaan tulen. Contoh: logam yang kurang relatif seperti emas dan paltinium. Bukan logam seperti intan, grafit dan sulfur.

c. Mixture (Campuran)Merupakan gabungan antara 2 atau lebih atom-atom yang berlainan jenis tetapi tidak bergabung secara kimia.

d. Compound (Sebatian)Merupakan gabungan antara 2 atau lebih atom-atom yang berlainan jenis bergabung secara kimia. Contoh : Besi + Sulfida dan dipanaskan, menghasilkan besi sulfida. Sebatian semulajadi sangat stabil kerana zarah-zarah didalamnya dipegang dengan kuat. Jadi ia tidak akan mudah terurai. Cth : Natrium Klorida hanya boleh diuraikan pada suhu 800C. Ikatan yang terjadi disebut ikatan kimia.Element Periodical Table (EPT)(Jadual Perkalaan Unsur)Alam ini terdiri daripada 109 unsur. Turus menegak di namakan kumpulan. Turus mengufuk di namakan kala. Jadual berkala mempunyai 8 kumpulan iaitu dari kumpulan I hingga VIII. Empat kumpulan tersebut mempunyai nama khas seperti dalam Rajah. Jadual ini mempunyai blok ditengah-tengah yang dikenali sebagai unsur-unsur peralihan. Cara membaca jadual perkalaan unsur moden merujuk pada Rajah yang diberi

1.1.2 Define atomic number and atomic mass of EPT (Element Periodic Table)

Atomic number (Nombor atom)Merupakan bilangan proton yang terdapat dalam nucleus atom, berfungsi untuk menentukan kedudukan unsure-unsur dalam jadual berkala. Dalam atom neutral. Bilangan proton sama dengan bilangan Elektron

Atomic mass (Nombor Jisim)Adalah jumlah proton + neutron dalam nucleus atom. Kebanyakan atom mempunyai bilangan proton dan neutron yang sama. Cth: Bagi C, bilangan proton 6 dan bilangan neutron juga 6. Maka nombor jisim bagi C ialah 12. Namun bagi setengah unsur yang mempunyai bilangan unsure dan neutron yang tak sama, ia dipanggil Isotop.Cth: Bagi H, bil. Proton = 1, Bil neutron = 0.

1.1.3 Determine the total number of atomic orbitsOrbit atom adalah ruang legar electron yang mengelilingi nucleus (orbital). Ia berada dalam kedudukan petala yang berlapis-lapis. Ia disusun mengikut bilangan electron yang ada pada sesuatu atom. Maksimumnya ada 7 petala yang disusun mengikut abjad K,L,M,N,O,P,Q. Elektron di petala akhir dikenali sebagai Elektron Valensi. Bilangan maksimum electron dalam sesuatu petala diberi oleh formula:

e- Maks = 2n2 di mana n= nombor petala.

1.1.4 Explain the elements sequence in EPTUnsur-unsur disusun mengikut kumpulan dan kalaKumpulanMerupakan turus tegak dalam jadual berkala. Terdapat 8 kumpulan semuanya:-a) Kump I Logam alkalib) Kump II Logam Alkali Bumic) Kump III, IV, V, VI, VII- unsure bukan logamd) Kump VIII Gas Adi / Lengai

Unsur dalam kumpulan yang sama mempunyai sifat kimia yang sama. Penentuan atom dimasukkan dalam kumpulan mana adalah ditentukan oleh jumlah bilangan electron di petala terluar (valensi) yang dipunyai oleh atom tersebut.Cth: Kalium --- No. Atom = 19 Konfg. Elektron = 2.8.8.1

Kalium mengandugi 1 elekron valensi, maka kedudukannya di Kump. 1

KalaMerupakan barisan mendatar mengikut kenaikan nombor atom (dari kiri ke kanan). Penentuan atom diletakkan dalam kala berapa bergantung pada jumlah bilangan petala yang dipunyai oleh atom tersebut.Cth: Kalium --- No. Atom = 19 Konfg. Elektron = 2.8.8.1

Kalium mengandugi 4 petala, maka kedudukannya di Kala ke 4

Ciri-ciri EPT secara umumi) bilangan elektron yang sama pada petala luar adalah termasuk dalam kumpulan yang sama.ii) unsur-unsur dalam kumpulan yang sama mempunyai sifat kimia yang sama.iii) Unsur dalam kumpulan 1 mempunyai 1 elektron pada petala luar, unsur dalam kumpulan 2 mempunyai 2 elektron pada petala luarnya.iv) Setiap kalaan mempunyai bilangan petala yang sama

Kegunaan EPTi) Untuk memudahkan pengkelasan sesuatu unsur.ii) Memberikan maklumat mengenai unsur-unsur tersebut terutamanya sifat-sifat unsur tersebut kerana ianya dikumpul mengikut susunan.iii) Memudahkan menjangka sesuatu unsur yang masih dalam penemuan dan meramalkan sifat-sifat dan kegunaanya.iv) Mudah untuk menganalisis dan memahami sesuatu tindakbalas antara unsur-unsur tersebut.

1.1.5 Explain these crystallized structure (Struktur Hablur)

Pepejal boleh dikelaskan kepada pepejal berhablur dan pepejal amorfus. Pepejal berhablur atau hablur terdiri daripada atom-atom yang tersusun dalam 3 dimensi mengikut corak berulang-ulang atau sekata. Hablur terdiri dari logam dan bukan logam. Hablur tunggal ialah pepejal dengan sel unit tersusun sekata manakala hablur polihablur pula terdiri daripada banyak hablur tunggal dengan pada Rajah di bawah

Struktur HablurEmpat jenis struktur hablur yang kerap kali ditemui ialah kiub mudah (simple cube), kiub berpusat jasad (BCC), kiub berpusat muka (FCC) dan heksagon padat (HCP) seperti Rajah di bawahContoh bahan yang menghablur dalam bentuk ini ialah:- Kiub mudah = garam (Na Cl) BCC = Kalium, Natrium, kromium, molibdenum, titanium,vanadium dan tungsten. FCC = aluminium, kuprum, emas (Au) dan nikel. HCP = berilium, cadmium, magnesium dan zink.

a. Simple cubic (Kiub Mudah)

b. Body-centered cubic (Kiub berpusat jasad)

c. Face-centered cubic

Jumlah keseluruhan = 4 atomd. Hexagonal close-packed (Heksagon Padat)

Dalam proses pemejalan atom, logam cair akan bertindakbalas antara satu sama lain dan menyusun kedudukan masing-masing dalam bentuk yang seragam dan teratur. Penyusunan secara teratur ini dinamakan prosespembuatan ruang kekisi.

1.1.6 Explain terms use in recrystallization process (Istilah dalam Proses Pemejalan Logam)

a. Crystal (Hablur)Hablur terdiri daripada atom-atom yang tersusun dalam 3 dimensi mengikut corak berulang-ulang atau sekata. Hablur terdiri dari logam dan bukan logam. Contoh; kiub mudah, kiub pusat jasad, kiub pusat muka dan heksagon padat. Hablur dapat dilihat dengan menggunakan alat X Ray defractometerb. Space lattice (Ruang Kekisi)Kekisi ruang adalah keadaan susunan atom-atom mengikut kedudukan yang seragam dan teratur hasil daripada tindakbalas antara satu atom dengan atom yang lain semasa proses pemejalan berlakuc. Grain (Ira, Bijian)Ira atau bijian adalah hablur yang telah lengkap pertumbuhannya. Bijian dapat dilihat dengan jelas menggunakan mikroskop kajilogam setelah dicanai (grinding), pengilapan (polishing), punaran (etching).d. Grain boundary (Sempadan Ira/ Sempadan bijian)Sempadan bijian adalah garisan kecil pemisah sisi kumpulan bijian yang bersentuhan.

1.1.7 Explain these types of bonds (Jenis Ikatan)

Terdapat 3 cara bagaimana sesuatu atom itu diikat. Ikatan Ion / ionik / elektrovalen Ikatan Kovalen Ikatan Logam / metalik

a. Covalent bond (Ikatan Kovalen)Perkongsian antara elektron supaya elektron luarnya (elektron valensi) sentiasa terisi penuh seperti Rajah. Terhasil daripada tarikan diantara elektron yang dikongsi ini dengan nukleus positif bagi atom yang masuk kedalam ikatan. Biasanya bahan (material) yang mempunyai ikatan ini adalah rapuh. Contohnya pada penebat elektrik ( polimer dan seramik)

b. Ionic bond (Ikatan Ionik / elektrovalen)Ikatan ini terjadi apabila satu atau lebih elektron dipindahkan (didermakan) daripada satu atom ke satu atom yang alin. Atom yang kehilangan elektron menjadi ion +ve (kation) manakala atom yang menerima elektron bercas ve (anion). Ikatan ion terhasil akibat tarikan antara ion yang berlawanan cas ini. Seperti Rajah. Tindakbalas antara atom natrium dan klorin. Bagi natrium klorida berion, elektron dipindahkan daripada atom natrium kepada atom klorin untuk membentuk natrium klorida. Ion-ion Na + Cl tersusun bersama dengan bilangan yang banyak dalam hablur-hablur ion. Elekton dipindahkan daripada atom Na kepada Cl untuk membentuk Na Cl. Kebanyakkan bahan-bahan mineral dan seramik adalah daripada ikatan ionic.

c. Metallic bond (Ikatan Logam)Atomnya tersusun sangat rapat antara satu sama lain. Setiap atom membekalkan satu @ lebih elektron yang bergerak keseluruh hablur logam berkenaan seperti yang ditunjukkan pada Rajah. Elektronnya tidak hanya dikongsi oleh beberapa atom sahaja, tetapi menjadi milik semua atom didalamnya. Pepejal ini diikat oleh daya tarikan antara ion logam posiitif dan elektron yang bebas. Ia menghasilkan daya-daya ikatan yang kuat. Contohnya : Atom tungsten dipanaskan antara 3400C 5000oC.

CHAPTER 1bBINARY ALLOY SYSTEM1.2 Describe the metal and alloy solidification (Pemejalan Logam dan Aloi)

Selepas kerja pemanasan logam atau aloi, ia dibiarkan sejuk atau pejal. Semasa proses pemejalan tersebut, wujud fasa-fasa tertentu yang akan dibincangkan di dalam unit ini. Sebenarnya fasa logam atau aloi yang memejal akan bergabung untuk menghasilkan satu bentuk bijian yang boleh dilihat secara kasar (microskop pembesaran).

Proses pemejalan berlaku dengan pertumbuhan nukleus. Bucu-bucu nukleus yang bebas memilih jalan masing-masing ke tempat yang lebih sejuk. Ini menyebabkan pertumbuhan nukleus dan perkembangan bucu semakin bertambah. Lengan jejari akan terbentuk yang ianya sendiri membentuk lengan-lengan secondary masing-masing 90 diantara satu sama lain. Ini berterusan hingga satu struktur yang. dipanggil struktur dendrit wujud seperti ditunjukkan dalam Rajah di bawah1.2.1 Explain solidification phases of Nucleus, Dendrite and Grain Nucleus merujuk kepada rajah bil a) Dendrite merujuk kepada rajah bil b) dan c) Grain - merujuk kepada rajah bil d) dan e)

1.2.2 Differentiate between metals and alloys (Perbezaan antara Logam dan aloi)

Metal (Logam Tulin) Logam yang mempunyai elemen-elemen yang sama, mempunyai sifat-sifat yang melampau (extreme) dan tidak dapat memenuhi kehendak kerja kejuruteraan. Logam tulin mempunyai cirri-

i. Mudah di tempa boleh di ketuk kepada berbagai bentuk. ii. Mulur boleh dijadikan wayar yang halus.

Alloys (Aloi @ Pancalogam)Gabungan/cantuman rapat antara 2 atau lebih komponen bahan ( unsur logam dan bukan logam) dan wujud samada dalam keadaan pepejal atau cecair. Contoh : sedikit karbon dicampurkan dengan besi akan menghasilkan keluli.

1.2.3 Define term and formation of solid solution (Takrifkan istilah dan pembentukan larutan pepejal)

Larutan PepejalAtom atau molekul-molekul bahan telah menduduki kedudukan yang biasa dalam kekisi hablur dan membentuk suatu fasa tunggal. Apabila pemejalan berlaku, atom-atom aloi akan tersusun dengan teratur dan ia dipanggil ruang kekisi. Fasa ini mengekalkan kelarutan zarah yang terdapat dalam keadaan cecair sama ada sebahagian atau keseluruhannya

1.2.4 Distinguish between substitution and interstitial solid solution (Bezakan di antara larutan pepejal Gantian dan larutan pepejal celahan)

Terdapat 2 jenis larutan pepejal iaitu : i) Larutan Pepejal Gantian (Rawak & Teratur) dan ii) Larutan Pepejal Celahan.

Larutan Pepejal Gantian (Substitution)

a) Larutan Pepejal Gantian Secara RawakAtom zarah mengambil tempat atom utama secara rawak dan susunannya tidak teratur.

b) Secara TeraturAtom zarah mengambil tempat atom utama dan susunannya teratur seperti Rajah di bawah.

Larutan Pepejal Celahan (Interstitial)Atom zarah yang kecil mengisi ruang-ruang di antara atom-atom dalam kekisi. Ia berlaku sekiranya atom logam tambahan ini adalah lebih kecil dari logam induknya. Larutan jenis ini adalah lebih kuat kerana peranan atom logam yang lebih kecil akan memenuhi ruangan-ruangan yang ada. Oleh yang demikian, kegelinciran dapat dielakkan dari berlaku seperti Rajah di bawah

1.2.5 Explain the process of solidification for pure metal and alloy according to the cooling curve (Proses pemejalan Logam tulen dan aloi merujuk kepada Graf lengkung Pendinginan)1) Metal Cooling curve diagram (Graf pemejalan Logam Tulin)

Apabila logam disejukkan ke suhu beku, ia mengalami kesukaran untuk membentuk hablur/ nukleus. Keadaan ini berlaku di antara 0.1 hingga 10C (Kawasan B hingga C) Apabila nukleus mula terhasil, suhu akan meningkat ke titik suhu beku (Thermal arrest) yang sebenar (D) dan suhu tidak dibebaskan lagi. Apabila pembentukan hablur tamat (E) suhu akan terbebas semula.

2) Alloy Cooling Curve diagram (Graf pemejalan Aloi)

Apabila penyejukan berlaku, haba dibebaskan hingga ke suhu beku dan unit-unit sel mula terbentuk. Apabila sampai pada titik beku (Thermal arrest), haba tidak lagi dibebaskan kerana digunakan untuk pembentukan hablur-hablur hingga selesai. Selepas itu haba kembali dibebaskan (Equilibrium Freezing Temperature)

1.2.6 Explain the phase balance diagram, which comprises of a few cooling curves for solid solution (Gambarajah Keseimbangan Fasa, terhasil dari gabungan graf lengkung pendinginan Larutan Pepejal)

Sistem pancalogam atau aloi ini lebih mudah dipelajari dengan merujuk kepada gambarajah keseimbangan fasa atau gambarajah juzuk aloi tersebut. Rajah keseimbangan ini berdasarkan kepada suhu dan peratusan kandungan aloi yang boleh membantu memahami dan meramalkan apakah perubahan struktur aloi yang berlaku sewaktu pemanasan dan penyejukkan untuk pembekuan. Rajah ini juga penting sebagai panduan bagi proses rawatan haba dan memperbaiki sifat-sifat kimia bahan tersebut. Di dalam kebanyakkan aloi perduaan (binary alloy) iaitu campuran diantara dua jenis logam, juzuk-juzuknya boleh larut antara satu sama lain dalam keadaan cecair.

Berikut adalah graf lengkung pendinginan sebenar bagi aloi @ pancalogam:- Keadaan sebenar ini menunjukkan nisbah yang wujud di antara titik mula pemejalan (Liquidus point) dan titik tamat pemejalan (Solidus point) yang disebut Freezing Range.

Sekiranya lengkung ini diplotkan sebanyak 6 graf, hasilnya dapat dilihat seperti di bawah:-The construction of phase balance diagram (Mekanisma pewujudan rajah keseimbangan fasa)

Contoh penafsiran graf keseimbangan fasa:

Rajah di atas menunjukkan suatu aloi yang mengandungi X % nikel akan memejal seperti berikut :

i. Pada suhu t1, kerencaman cecair 1 akan berada dalam keadaan keseimbangan dengan larutan pepejal kerencaman yang sepadan kepada titik p pada garisan solidus (garisan pepejalan). Oleh itu hablur larutan pepejal pertama membentuk terdiri dari kerencaman p.ii. Apabila suhu turun maka kerencaman larutan pepejal berkecenderung untuk berubah dengan cara resapan mengikut garisan pepejalan kepada titik q.iii. Pada suhu t2, cecair yang kerencaman m berada dalam keadaan keseimbangan dengan larutan pepejal kerencaman.

Proses pemejalan aloi ini akan selesai pada suhu t3 apabila titisan terakhir cecair kerencaman n, memejal, membaiki kerencaman hablur larutan pepejal kepada r.

1.2.7 Explain terms of equilibrium phase diagram (Rajah Keseimbangan Fasa bagi system Aloi Perduaan)Untuk memahami kandungan bahan dan struktur fasa. Ini bermakna satu bahagian homogen (komponen) bahan yang boleh diasingkan secara fizikal dan mempunyai kandungan kimia serta struktur yang teratur.

a. Phase (Fasa)Merujuk kepada suatu bentuk struktur atau kawasan yang mempunyai sifat berlainan jenis akibat dari perubahan atau memiliki sifat semulajadi yang berbeza. Ia dipisahkan oleh garis-garis lengkung pendinginan atau sempadan fasa

b. Equilibrium phase (Fasa Keseimbangan)Gambarajah fasa ialah peta sesuatu system dan ia menunjukkan fasa yang sepatutnya wujud di bawah keadaan keseimbangan untuk sebarang gabungan rencaman dan suhu tertentu. Gambarajah fasa digunakan secara meluas dan amat penting terutama untuk memahami system logam dan aloi.

c. Composition (Komposisi)Komposisi ialah peratus kandungan bahan-bahan tertentu yang sengaja atau tidak sengaja dimasukkan ke dalam sesuatu bahan. Dengan kehadiran peratus komposisi bahan ini boleh menyebabkan perubahan dalam fasa, sifat dan bentuk struktur mikro bahan.

d. Liquidus (Cecair)Liquidus merujuk kepada garisan lintang yang memisahkan antara fasa cecair bahan dengan fasa separa cecair bahan. Semasa proses pemejalan berlaku, zarah bahan yang berada pada suhu lebur akan mula memejal apabila suhu diturunkan. Titik permulaan proses pemejalan berlaku apabila melepasi garisan lintang liquidus.