universiti sains malaysia -...
TRANSCRIPT
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