sk2021 sains bhn 2

(SK2021-LE3-IS3b)

TAJUK KEMAHIRAN DAN SEMESTER

MEKANIKAL DAN PENGELUARAN – SEMESTER 2

No. DAN TAJUK MODUL

SK 2021 SAINS KEJURUTERAAN II

No. DAN TAJUK PENGALAMAN PEMBELAJARAN

LE1 FAHAM KERJA, TENAGA DAN KUASA LE2 FAHAM DINAMIK LE3 FAHAM SAINS BAHAN

OBJEKTIF PRESTASI AKHIRAN (TPO)

FAHAM KERJA, TENAGA, KUASA, DINAMIK DAN SAINS BAHAN DENGAN MENGGUNAKAN SAINS KEJURUTERAAN SUPAYA :-

1. KERJA, TENAGA DAN KUASA DIAPLIKASIKAN.

2. KONSEP ASAS DINAMIK DAN ANALISISNYA DIAPLIKASIKAN.

3. TEORI SAINS BAHAN DIAPLIKASIKAN.

INSTITUT LATIHAN JABATAN TENAGA MANUSIA

KEMENTERIAN SUMBER MANUSIA MALAYSIA

KERTAS PENERANGAN

86

ISI KANDUNGAN

LE 3 – FAHAM SAINS BAHAN

� TASK 02.03 – Sains Bahan.

87

No. & TAJUK PENGALAMAN PEMBELAJARAN

LE3 Faham Sains Bahan

No. & TAJUK TUGASAN

TASK 02.03 – Sains Bahan

Code No. : SK2021-LE3b- IS3b

Muka : 1 drp : 11

TAJUK : SAINS BAHAN TUJUAN :

1. Memahami struktur atom.

2. Memahami sifat fizikal logam seperti keberaliran haba, elektrik dan takat lebur.

3. Memahami sifat mekanik iaitu keupayaan sesuatu struktur bahan logam untuk berubah apabila

dikenakan beban ke atasnya seperti kemuluran, ketempaan, kerapuhan, kekerasan dan keanjalan.

PENERANGAN:

1 Struktur Atom

Kajian dan penyelidikan yang dijalankan dengan menggunakan kelengkapan moden telah menunjukkan bahawa atom mempunyai struktur dalaman yang terdiri daripada zarah yang lebih kecil. Zarah-zarah ini ialah proton, elektron, dan neutron. Jadual 1 menunjukkan jisim dan cas bagi proton, neutron dan elektron.

Zarah Jisim, g Cas, C

Proton 1.673 x 10 -24

1.602 x 10 -19

Neutron 1.673 x 10

-24 0

Elektron 9.109 x 10 -28

- 1.602 x 10 -19

Jadual 1 : Jisim dan cas bagi zarah.

Setiap atom mempunyai ciri-ciri berikut:

a. Atom mempunyai suatu pusat yang dikenali sebagai nukleus dan ia mempunyai dua jenis zarah lain, iaitu proton dan neutron.

b. Atom mempunyai elektron yang sentiasa berputar mengelilingi nukleus dalam bentuk seakan-akan elips atau kelompong.

c. Atom mempunyai orbit berlapis-lapis. Orbit-orbit ini ditandakan dengan huruf K,L,M,N dan seterusnya. Setiap orbit mempunyai bilangan elektron yang tertentu. Orbit yang paling hampir dengan nukleus ialah K atau 1 dan orbit yang paling luar sekali dikenali sebagai valensi. Setiap orbit mempunyai bilangan elektron yang tertentu (Rujuk Jadual 2). Elektron-elektron terutama sekali di petala terluar (electron valensi) menentukan kebanyakan sifat-sifat elektrik, mekanik, kimia dan terma bagi sesuatu bahan.

88

Code No. : SK2021-LE3-IS3b Muka : 2 drp : 11

Orbit (n) Kelompong Bilangan Elektron

(2n²)

1 2 3 4 5 6 7

K L M N O P Q

2 X (IXI) = 2 2 X (2X2) = 8 2 X (3X3) = 18 2 X (4X4) = 32 2 X (5X5) = 50 2 X (6X6) = 72 2 X (7X7) = 98

Jadual 2 : Bilangan elektron bagi setiap orbit

Unsur merupakan gabungan dua atau lebih atom-atom sejenisnya.

Nombor atom bagi sesuatu unsur menunjukkan jumlah bilangan proton (zarah bercas positif) yang terdapat dalam nukleus atom bagi unsur tersebut. Atom adalah neutral, maka jumlah bilangan proton dan jumlah bilangan elektron bagi sesuatu atom adalah sama. Jisim Atom Relatif ( JAR) menunjukkan jumlah bilangan proton dan neutron bagi sesuatu atom.

Sebatian merupakan gabungan antara dua atau lebih atom yang bergabung secara kimia. Contohnya apabila besi dan sulfur dipanaskan akan menghasilkan besi sulfida. Sebatian semulajadi sangat stabil kerana zarah-zarah di dalamnya dipegang dengan kuat. Campuran merupakan gabungan dua atau lebih atom-atom yang berlainan jenis yang tidak bergabung secara kimia.

Contoh 1

Jisim Atom Relatif (JAR) bagi Sulfur ialah 32 dan nombor atomnya ialah 18. Tentukan bilangan proton, elektron dan neutron. Penyelesaian Nombor atom = Jumlah bilangan proton = 18 Atom adalah neutral, maka jumlah bilangan proton = jumlah bilangan elektron = 18 JAR = Bilangan proton + Bilangan neutron 32 = 18 + Bilangan neutron Maka, bilangan neutron = 32-18 = 14

89


Contoh 2

Nombor atom bagi unsur Kuprum ialah 29. Tentukan bilangan elektron pada setiap lapisan orbitnya

dan lukiskan orbit-orbit tersebut.

Penyelesaian

Nombor atom bagi Kuprum ialah 29.

Nombor atom = Bilangan proton = Bilangan elektron = 29

Orbit K = 2 x 1 x 1 = 2 elektron

Orbit L = 2 x 2 x 2 = 8 elektron

Orbit M = 2 x 3 x 3 = 18 elektron

Jumlah = 28 elektron

Orbit N = (Jumlah elektron sebenar) – (Jumlah elektron yang telah dilukis)

= 29 – 28 = 1 elektron

Orbit / Kelompong

Elektron valens

Nukleus

K

L

M

N

90


2 Jadual Perkalaan Unsur

Jadual Perkalaan menunjukkan 109 unsur yang telah dikenalpasti. Turus menegak di namakan

kumpulan. Turus mengufuk di namakan kala. Jadual berkala mempunyai 8 kumpulan iaitu dari

kumpulan I hingga VIII. Jadual ini mempunyai blok ditengah-tengah yang dikenali sebagai unsur-

unsur peralihan.

Rajah 1: Jadual Perkalaan.

Rajah 2: Cara membaca jadual perkalaan unsur moden.

Nitrogen

7

14

Nombor Atom

Simbol

Nama Atom

Jisim Atom Relatif

N

91


2.1 Ciri-ciri Jadual Perkalaan Unsur Sifat-sifat kimia sesuatu atom bergantung kepada bilangan elektron dalam petala luar atom yang dinamakan atom valensi. Apabila elektron bertambah dari 1 hingga 3, sifat-sifat logam unsur menjadi semakin kurang. Tetapi bilangan elektron akan bertambah dan ia akan menjadi sifat-sifat bukan logam. Dalam susunan ini, unsur-unsur mempunyai bilangan elektron yang sama pada petala luar akan termasuk dalam kumpulan yang sama. Inilah sebabnya unsur-unsur dalam kumpulan yang sama mempunyai sifat kimia yang sama. Unsur dalam kumpulan 1 mempunyai 1 elektron pada petala luar, unsur dalam kumpulan 2 mempunyai 2 elektron pada petala luarnya. Begitulah yang selanjutnya. Setiap kalaan mempunyai bilangan petala yang sama.

2.2 Kegunaan Jadual Perkalaan Unsur

Untuk memudahkan pengkelasan sesuatu unsur. Ia juga dapat memberikan maklumat mengenai unsur-unsur tersebut terutamanya sifat-sifat unsur tersebut kerana ianya dikumpul mengikut susunan. Memudahkan menjangka sesuatu unsur yang masih dalam penemuan dan meramalkan sifat-sifat dan kegunaanya. Mudah untuk menganalisis dan memahami sesuatu tindakbalas antara unsur-unsur tersebut.

3 Jenis-jenis Ikatan Terdapat 3 cara bagaimana sesuatu atom itu diikat. 3.1 Ikatan Ion / ionik / elektrovalen 3.2 Ikatan Kovalen 3.3 Ikatan Logam / metalik

3.1 Ikatan Ionik (Elektrovalen / Ion) 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). Perpindahan electron akan berlalu menyebabkan wujudnya tarikan elektrostatik antara ion-ion yang berlawanan cas dan menghasilkan ikatan ionik.

Ikatan ionik berlaku antara unsur-unsur logam dan bukan logam kerana atom logam senang/ cenderung untuk membebaskan electron valensi kepada atom bukan logam.

Sifat-sifat bahan yang mempunyai ikatan ionik:

� Kebanyakannya bersifat rapuh � Kekonduksian elektrik lemah (kerana cas elektrik dihasilkan melalui pergerakan ion-ion maka

elektron lebih senang bergerak berbanding ion).

Contoh ikatan ionik boleh dilihat pada tindakbalas antara atom natrium dan klorin. Elektron dipindahkan daripada atom natrium kepada atom klorin untuk membentuk natrium klorida. Rujuk Rajah 3.

Nombor atom bagi Natrium ialah 11, maka konfigurasi elektronnya ialah 2:8:1 Nombor atom bagi Klorin ialah 17, maka konfigurasi elektronnya ialah 2:8:7

Logam Bukan Logam + IKATAN IONIK

92


Rajah 3 : Contoh Ikatan Ionik Natrium Klorida

3.2 Ikatan Kovalen

Ikatan kovalen terbentuk daripada perkongsian elektron atom-atom yang bersebelahan. Salah satu atom menderma sekurang-kurangnya satu elektron untuk dikongsi. Contoh bahan yang mempunyai ikatan kovalen; CH4, Cl2, berlian, SiC dll Sifat-sifat bahan yang mempunyai ikatan kovalen;

� Kuat � Kerapuhan yang tinggi � Kekonduksian elektrik yang rendah

Contoh ikatan kovalen adalah seperti dalam Rajah 4.

Rajah 4 : Contoh Ikatan Kovalen Molekul Klorin

3.3 Ikatan Logam

Ikatan logam terbentuk dalam logam dan aloinya secara perkongsian elektron tetapi elektron valensinya tidak terikat pada mana-mana atom yang khusus. Electron valensinya bebas bergerak ke seluruh bahagian logam (membentuk lautan/awan electron) menjadikan logam sebagai pengalir elektrik dan haba yang baik. Contoh bahan yang mempunyai ikatan logam: Magnesium (Mg), kuprum (Cu)

Natrium Klorin Natrium Klorida

Atom Klorin Atom Klorin Molekul Klorin

Rajah 5: Ikatan logam (ion positif dalam gas elektron)

93


4 SIFAT LOGAM

Pemilihan sesuatu logam untuk menghasilkan sebarang komponen bergantung kepada beberapa faktor. Antara faktor penting ialah kos dan sifat logam yang dipilih. Sifat logam dibahagikan kepada 3 kategori utama iaitu:

4.1 Sifat Kimia 4.2 Sifat fizikal 4.3 Sifat mekanikal 4.1 Sifat Kimia

Sifat kimia merupakan kelakuan (tindakbalas) logam terhadap unsur kimia. Sebagai contoh, rintangan sesuatu logam terhadap karat atau kakisan.

(Sifat kimia tidak akan diperbincangkan dengan lebih mendalam di dalam kertas penerangan ini.)

4.2 Sifat Fizikal

Antara sifat fizikal logam ialah keberaliran elektrik dan haba, takat lebur logam (kebolehleburan) dan keupayaan sesuatu bahan untuk tahan dalam suhu tinggi.

4.2.1 Takat Lebur, Takat Didih

Kestabilan sesuatu bahan dikaitkan dengan kekuatan ikatan tersebut. Suatu penunjuk kekuatan ikatan dan kestabilan ialah takat lebur suatu bahan. Apabila suatu bahan dipanaskan, penyerapan tenaga haba menyebabkan pertambahan dalam amplitud getaran atom. Suatu takat akan dicapai apabila tenaga getaran sudah mencukupi untuk mengatasi tenaga ikatan antara atom dan atom memperolehi tenaga untuk bergerak, dalam perkataan lain bahan tersebut akan lebur. Kedua-dua ikatan ionik dan kovalen merupakan suatu ikatan kuat yang mempunyai suatu julat tenaga ikatan yang sama.

Sifat fizikal ini penting diketahui terutamanya dalam perawatan haba terutamanya selepas kerja-kerja panas seperti selepas proses menempa, kerja sejuk seperti proses pemesinan dan sebagainya untuk merawat struktur logam sebagaimana yang dikehendaki. Pengetahuan tentang takat lebur sesuatu logam juga amat penting dalam pemilihan bahan yang akan digunakan untuk membuat enjin jet, enjin turbin mahupun enjin kereta kerana ianya akan mempengaruhi kecekapan enjin tersebut meskipun tidak sampai meleburkan komponen enjin tersebut.

4.2.2 Keberaliran elektrik dan haba

Dalam ikatan ionik dan kovalen, elektron valensi ditempatkan dalam orbit di sekitar satu atau dua pasang atom tetapi dalam ikatan logam, elektron valensi tidak setempat dan hablur logam boleh diikat kepada suatu susunan ion positif diserap oleh awan elektron dan gas elektron.Dalam medan elektrik ,gas elektron bergerak dalam satu arah , dinamakan arus elektrik. Logam merupakan pengalir elektrik. Keberkesanan pengaliran haba adalah sama adalah sama dengan keberaliran terhadap elektrik.

Di dalam kejuruteraan, haba tentu (specific heat) lebih praktikal digunakan untuk membandingkan antara logam. Logam yang mempunyai haba tentu yang tinggi akan mudah mengalirkan haba dan faktor ini akan memberikan kesan semasa proses pemesinan kerana logam berkenan tidak akan mengumpulkan haba yang akan menyebabkan berlaku pengembangan setempat kesan dari sifat keberaliran haba yang tidak baik (akan berrlaku `local heat’). Kesannya dari pemanasan setempat ini akan menyebabkan kualiti produk seperti surface finish, dimension accuracy dan tool & die wear’ mungkin tidak sebagaimana yang dikehendaki.

94


4.3 Sifat Mekanikal

Sifat mekanikal ialah sifat yang menunjukkan perlakuan sesuatu logam dan kebanyakan sifat ini dapat diuji menggunakan alat penguji tertentu. Sifat-sifat tersebut termasuklah kerapuhan, kemuluran ,kekerasan, keteguhan, keanjalan dan kekuatan.

4.3.1 Kerapuhan Logam yang rapuh mempunyai sifat mudah retak atau pecah walaupun cuma dikenakan ketukan atau hentakan yang lemah seperti di dalam Rajah 6. Contoh bahan yang rapuh ialah besi tuang.

Logam yang mempunyai sifat mulur boleh ditarik panjang dengan acuan tanpa pecah atau putus walaupun tegangan dikenakan keatasnya seperti dalam Rajah 7. Contoh logam mulur ialah tembaga dan aluminium. Logam ini sangat sesuai untuk dibuat dawai atau rod.

Rajah 7

4.3.3 Kekerasan Kekerasan ialah kemampuan logam menahan daripada ditusuki oleh sesuatu benda apabila melakukan kerja-kerja seperti menuris, mencakar atau menebuk. Logam keras biasanya lambat haus dan boleh dikeraskan melalui proses tindakan haba.Contoh logam keras ialah keluli berkarbon, keluli tahan lasak dan alat keluli.Logam ini boleh dijadikan alat pemotong setelah dikenakan tindakan haba pengerasan dan pembajaan. Kekerasan logam ini biasanya diuji dengan menggunakan alat penguji kekerasan Rockwell, Vickers dan Brinnell.

4.3.4 Keteguhan

Kemampuan logam mengekalkan kekuatannya setelah mengalami perubahan bentuk yang kekal diistilahkan sebagai keteguhan, seperti di dalam Rajah 8. Biasanya logam jenis ini boleh menahan hentaman, pukulan atau hentakan secara mengejut tanpa retak , pecah tau patah. Sifat ini bertentangan dengan sifat kerapuhan. Logam yang tinggi tingkat keteguhannya membengkok dahulu sebelum pecah atau patah. Keteguhan sesuatu logam biasanya diuji dengan alat penguji Charpy atau Izod.

Rajah 6

4.3.2 Kemuluran

Tukul Besi

Keretakan pada benda kerja

95


Rajah 8

4.3.5 Ketempaan

Sifat ketempaan menerangkan kebolehan sesuatu logam logam untuk menanggung beban tukulan dan boleh dibentuk tanpa atau retak. Logam jenis ini biasanya digunakan dalam kerja-kerja menempa seperti membuat kepala rivet.

4.3.6 Keanjalan Logam yang boleh kembali kepada bentuk asal selepas dikenakan beban atau daya dikatakan mempunyai sifat kenjalan.Bagaimanapun keanjalan ini mempunyai had yang dinamakan had anjal iaitu tegasan maksimum (mampatan atau tegangan) yang boleh dikenakan tanpa mengubah ukuran panjang asal logam itu apabila beban dikeluarkan. Rujuk Rajah 9. Pegas biasanya diperbuat daripada keluli yang mempunyai sifat keanjalan.

Rajah 9

4.3.7 Kekuatan Kekuatan logam ialah keupayaannya menahan daya atau beban tanpa alah berubah atau berubah bentuk. Kekuatan logam diuji dengan cara membengkokkan sekeping logam. Walaupun logam itu bengkok (berubah bentuk) tetapi ia tidak pecah atau retak.Beban boleh dikenakan dengan berbagai –bagai cara seperti beban tegangan, beban mampatan atau beban ricih.Rujuk rajah 10.Ukuran kekuatan ini misalnya dinyatakan dalam kilogram per sentimeter persegi. Misalnya kekuatan tenaga tegangan keluli ialah 4250 kg per cm

2. Ini bermakna bahawa beban maksimum yang diperlukan untuk

memutuskan logam itu secara tegangan ialah 4250 g. Bentuk beban yang dikenakan juga mempengaruhi kekuatan logam. Sebagai contoh, logam boleh bertambah kekuatan dan kemulurannya apabila dikenakan beban statik tetapi menjadi lemah dan rapuh jika dikenakan hentaman. Kekuatan sesuatu logam logam akan berbeza jika beban yang dikenakan sama ada secara pantas atau secara perlahan.

96


Rajah 10

97


SOALAN

1. Nyatakan zarah-zarah asas yang terdapat di dalam atom?

2. Apakah yang dimaksudkan dengan nombor atom?

3. Apakah Jisim Atom Relatif?

4. Nombor atom bagi Magnesium ialah 12, nyatakan bilangan proton dan elektron yang terdapat di

dalam atom Magnesium.

5. Atom Plumbum mempunyai 82 proton dan 125 neutron. Nyatakan nombor atom dan Jisim Atom

Relatif bagi atom Plumbum.

6. Atom Kalium mempunyai 11 Nombor atom. Lukiskan orbit bagi atom kalium tersebut.

7. Terangkan perbezaan antara kekerasan dan kerapuhan.

RUJUKAN

1. B.C. William (2001), Material Science and Engineering an Introduction Sixth Edition, UK, Wiley.

2. W.F. Smith (1996), Principles of Material Science and Engineering, 3rd Edition, UK, McGrawHill .

3. Rosiah Yahya, Aishah Mohd. Jelan, Latifah Abdul Latif Dan Mohd Jamil Maah (1999), Kimia Tak

Organik Asas Matrikulasi Cetakan Kedua , Kuala Lumpur,Fajar Bakti Sdn Bhd.

4. Esah Hamzah, Jasmin Hashim, Norhisyam Abdul Hamid dan Norhayati Ahmad (1999), Nota Sains

Bahan Edisi Kedua, Johor, UTM.

5. Ahmad Fahmi Fadzil, Wan Abd Aziz Wan Kadir, Nazri Wahab , Modul Politeknik Teknologi Bahan 1,

Polimas.

98

sk2021 sains bhn 2

Documents