jf302 material technology 1 unit 2

SISTEM ALOI PERDUAAN J3022/ 2/1

2Unit

SISTEM ALOI PERDUAAN

OBJEKTIF AMMemahami sistem aloi perduaan dan gambarajah keseimbangan fasa.

OBJEKTIF KHUSUSDi akhir unit ini anda dapat :

Menjelaskan pertumbuhan bijian, larutan pepejal, perbezaan logam dan aloi, Menerangkan pembentukan larutan pepejal.Menjelaskan proses pemejalan logam tulen dan aloiMenerangkan bagaimana gambarajah keseimbangan fasa dibentukMenerangkan istilah fasa, gambarajah kesimbangan fasa, komposisi dan cecair

SISTEM ALOI PERDUAAN J3022/ 2/

PEMEJALAN LOGAM DAN ALOI

Pada unit 1, kita telah meneliti berkenaan struktur bahan yang wujud daripada atom-atom bahan dan kita telah faham bahawa binaan atau gabungan daripada atom-atom struktur bahan merupakan asas kepada pembentukan fasa. Kali ini kita akan cuba memahami bagaimana fasa tersebut memejal dan bergabung untuk menghasilkan satu bentuk bijian yang boleh dilihat secara kasar. Untuk itu marilah sama-sama kita lihat bagaimana pemejalan logam dan aloi belaku.

2.1 Pertumbuhan Hablur / Bijian

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 2.1 di bawah

2

Rajah 2.1: Pembentukkan struktur dendrit

Pembentukannukleus

Dendrittumbuh

Pemejalan tamat dengan terbentuknya bijian

Pertumbuhan dendrit & lengan bertemu membentuk sempadan bijian

INPUT

SISTEM ALOI PERDUAAN J3022/ 2/3


2.2 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.

2.3 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.

2.4 Larutan Pepejal

Atom 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.

2.5 Jenis-jenis Larutan Pepejal

Terdapat 2 jenis larutan pepejal iaitui) Larutan Pepejal Gantian

Secara Rawak Secara Teratur

ii) Larutan Pepejal Celahan

a) Larutan Pepejal Gantian Secara RawakAtom zarah mengambil tempat atom utama secara rawak dan susunannya tidak teratur. (Rajah 2.2)

b)Secara Teratur

4

Atom Zarah

Atom Utama

Rajah 2.2: Susunan atom bagi larutan pepejal gantian secara rawak


Atom zarah mengambil tempat atom utama dan susunannya teratur seperti Rajah 2.3 di bawah.

c) 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 2.4 di bawah .

d) Sebatian Intermetalik

Ia terjadi hasil daripada tindak balas kimia yang terjadi di antara dua logam. Sebatian intermetalik biasanya menghablur dalam struktur yang berlainan dari logam-logam asalnya. Struktur-strukturnya agak kompleks tetapi mempunyai kandungan yang tetap. Umumnya sebatian logam ini mempunyai sifat yang terlalu rapuh untuk kegunaan dalam bidang kejuruteraan. Contoh sebatian intermetalik ialah Cementite (karbida besi).

5

Atom Zarah

Atom Utama

Atom Zarah

Atom Utama

Rajah 2.3: Susunan atom bagi larutan pepejal gantian secara teratur

Rajah 2.4: Susunan atom bagi larutan pepejal celahan


2.6 Pemejalan Bahan

Apabila sesuatu logam dipanaskan dengan sekata, ia akan mencapai kepada satu takat suhu dimana ia akan mula melebur. Sekiranya pemanasan pada suhu yang sekata ini diteruskan, keseluruhan logam akan lebur. Suhu tetap peleburan ini dipanggil sebagai titik lebur. Semasa penyejukkan keadaan yang sebaliknya berlaku. Tenaga kinetik bagi atom-atom atau molekul bagi cecair tersebut berkurangan dan kelikatan logam semakin bertambah. Di dalam keadaan cecair, atom-atom logam berada dalam keadaan rawak. Tetapi apabila pembekuan berlaku, atomnya akan tersusun dengan teratur mengikut geometri tertentu. Semua bahan pepejal terbentuk dalam keadaan amorfous (tidak berhablur) atau crystalline (berhablur/kristal).

2.7 Pembentukan Teras Dalam Pemejalan Logam

Pembekuan pancalogam dimulai dengan pembentukan awal rangka dendrit (dendritic skeletons) seperti Rajah 2.5 di bawah.

Rajah 2.5 : Susunan rangka dendrit

Pertumbuhan hablur-hablur dendrit ini akan berterusan dan membesar apabila suhu pembekuan menurun. Pembesaran akan berlaku di setiap paksi-paksinya dan akhirnya akan bercantum. Pembekuan dendrit ini juga dikenali sebagai teras (coring) di mana hablurnya terdiri daripada atom-atom logam lain sebagai bendasing.

6


2.8 Rajah Keseimbangan Fasa Bagi Sistem 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.

2.8.1 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

2.8.2 Rajah Keseimbangan Fasa

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.

2.8.3 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.

2.8.4 Cecair (Liquidus)

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.

7

?????… ok

Adakah saya faham

AKTIVITI 2A


2.1 Apabila pemenjalan berlaku, atom-atom aloi akan tersusun dengan teratur dan ia dipanggil …………………………………..

2.2 Apakah yang dimaksudkan dengan komposisi bahan merujuk kepada rajah keseimbangan fasa

2.3 Apakah yang dimaksudkan dengan aloi (Pancalogam).

2.4 Terangkan secara ringkas bagaimana proses pemenjalan berlaku ke atas suatu bahan.

8

MAKLU MBALAS 2A


2.1

Apabila pemenjalan berlak, atom-atom aloi akan tersusun dan ia dipanggil ruang kekisi.

2.2

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.

2.3


2.4

Apabila sesuatu logam dipanaskan dengan sekata, ia akan mencapai kepada satu takat suhu dimana ia akan mula melebur. Sekiranya pemanasan pada suhu yang sekata ini diteruskan, keseluruhan logam akan lebur. Suhu tetap peleburan ini dipanggil sebagai titik lebur. Semasa penyejukkan keadaan yang sebaliknya berlaku. Tenaga kinetik bagi atom-atom atau molekul bagi cecair tersebut berkurangan dan kelikatan logam semakin bertambah. Didalam keadaan cecair, atom-atom logam berada dalam keadaan rawak. Tetapi apabila pembekuan berlaku, atomnya akan tersusun dengan teratur mengikut geometri tertentu. Semua bahan pepejal terbentuk dalam keadaan amorfous (tidak berhablur) atau crystalline (berhablur/kristal).

9

INPUT


2.10 Sistem Aloi Perduaan

Logam tulen selalunya lemah dan terlalu lembut untuk digunakan dalam bidang kejuruteraan. Oleh itu, kebanyakkan logam dijadikan pancalogam atau aloi iaitu campuran di antara dua logam atau lebih dengan tujuan untuk memperbaiki sifat-sifat mekanikal atau fizikal bahan tersebut seperti kekuatan tegangan, kemuluran, ketahanan kakisan/hakisan dan sebagainya. Sebagai contoh: Keluli adalah satu pancalogam antara besi dan karbon merupakan bahan yang digunakan secara meluas diindustri-industri. Ia mempunyai kekuatan yang lebih berbanding besi tulen dan ia boleh dilakukan rawatan haba untuk menghasilkan sifat-sifat mekanikal yang dikehendaki.

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.

Rajah 2.6: Gambarajah fasa kebolehlarutan pepejal yang lengkap bagi Cu-Ni

10

1455

1083

t2

t1

t3

p

qr

mn

Larutan pepejalSuh

u (o

C)

100% Cu X% Ni 100% % Ni

t1 – suhu pemejalan bermula

t3 – suhu pemejalan berakhir

t2 – cecair yang kerencaman m berada dalam keadaan keseimbangan dengan larutan pepejal kerencaman.


Berdasarkan Rajah 2.6, 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.

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

11

Untuk menguji kefahaman anda sila ikuti aktiviti berikut

AKTIVITI 2B


2.5 Berpandukan rajah di bawah jelaskan keadaan fasa pada X% Nikel bagi gambarajah fasa Kuprum-Nikel.

12

1455

1083

t2

t1

t3

p

qr

mn

Larutan pepejalSuh

u (o

C)

100% Cu X% Ni 100% % Ni




MAKLUM BALAS 2B


2.5 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.

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

13

BERJAYA !!!SAYA PERLU MENDALAMI UNIT BERIKUTNYA

APAKAH TAJUK BERIKUTNYA ?

1455

1083

t2

t1

t3

p

qr

mn

Larutan pepejalSuh

u (o

C)

100% Cu X% Ni 100% % Ni




PENILAIAN KENDIRIPENILAIAN KENDIRI


1. Apakah yang dimaksudkan dengan fasa merujuk kepada gambarajah fasa aloi dedua

2. Namakan 2 (DUA) jenis larutan pepejal.

3. Berserta dengan gambarajah, jelaskan proses pertumbuhan bijian daripada nukleus, denderit dan bijian

4. Dengan bantuan gambarajah, terangkan secara ringkas 2 (DUA) jenis larutan pepejal jenis gentian.

14

MAKLUM BALASMAKLUM BALAS


1.


2.

jenis larutan pepejal gantian dan larutan pepejal celahan

3.

Proses pemejalan berlaku dengan pertumbuhan nukleus. Bucu-bucu nukleus yang telah bebas akan 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 2.1 di bawah

4.

15

Pembentukannukleus

Dendrittumbuh

Pemejalan tamat dengan terbentuknya bijian

Pertumbuhan dendrit & lengan bertemu membentuk sempadan bijian


Larutan Pepejal Gantian Secara RawakAtom zarah mengambil tempat atom utama secara rawak dan susunannya tidak teratur. (Rajah 2.2)

Larutan pepejal gentian Secara TeraturAtom zarah mengambil tempat atom utama dan susunannya teratur seperti Rajah 2.3 di bawah.

16

Atom Zarah

Atom Utama

Atom Zarah

Atom Utama

jf302 material technology 1 unit 2

Documents