EBB 406-3 - PEMILIHAN BAHAN APRIL 1993

(1)

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-

(2)

-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~ 3Of(O'fadalah kekuatan). Tentukan 3 bahan yang sesuai untuk kegunaan ini (jelaskan tatsears anda) dan bandingkan dari sudut koso

(40 markah)

(b) Bezakan 3jenis 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/-

(3)

- 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 1.1X10⁸

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/-

(4)

-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.

(40markah)

• ^• •

crp~--~

• I

...5/-

(5)

-5- [EBB408/3]

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):MejaGetar

(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/-

(6)

.. 6- [EBB 406/3]

(b) Daiam rekabeiituk kebuktakanansfera, tegasan padsdinding 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-menghasilkankebuk"tekanarfyangpaling-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-²dan 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 =

^Aa⁵^e^-Q/>JRT

di sini A dan Q ada pemalar, R adalah pemalar gas dan T adalah suhu ' mutlak.Q mempunyai nUai160kJ/moi.

(40 markah) ...7/-

(7)

- 7-

[EBB 406/3]

(b) Kakisan palp,

bawah tanah menjadi semakin

m8fuficiiig

dalain

persekitaran iklim tropika di Malaysia. Bincangkan bagaimana kakisan seumpamainidapatdiatasL

(60 markah)

00000

(8)

- 1 - [EBB 406/3]

I

I 1 1 11 1 1

GUIDELINES FOR MINIMUM COSTDESIGN

I I

/1 /

1 I / I I / /

/111,/

; /11/

/11

7'-1

/ II/ II / I

/ / I I

/ I 1

/ I I

/ 1 /I~I

/ /

OJ....

-=c

_C",p

1 10 100 1000

RELATIVE COST/UNIT VOLUME C

_R

P (Mq/rn') 15.

STRENGTH -RELATIVE COST

METALS AND POLYMERS:YIELD STRENGTH CERAMICS AND GLA.SSES:CDMPRESSIVESTRENGTH ELA.STOMERS:TENSILE TEAR STRENGTH

iOOOi---~

,-..

o a. 2 ...,

_ 100r-.--...

b I I-

o

Z W

0:I- 10 t - - - - (/)

(9)

fEBB

406/3]

FR~TURE

BEFORE YIELD

100

~

{MPa}

10

STRENGTH

YIELD BEFORE FRACTURE

GUIDE LINES

FOR SAFE

DESIGN

/

10

.J /

1 Y:

(.f) (f)

w

ZI

::>

~

o

t- 1.0

t---t----:-''---,.'~~'\..

ill 0::

::>

t-O

«

0::

LL

F

¹⁰⁰I::---r---:.;.:..:..:..:~=----_f e-r-r::

a. o

:E

(10)

10,000

--T / """-J

. I/ /

/

I /

I / /

' I /

/ I /

II /

f

^'I^/^{'l ,//.}

.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

/ - ' -c

1

E

/ / / / / / / /. /

/ / / / / /

/ / / /

/

,

,/

I' / / / ,/

/

~ =1<Y2

MIN. ENERGY STORAGEPER UNiiVOLUME~^.

YiELD BEFORE BUCKLING

10

STRENGTH '.

/ / / ' / /

OJ _~3 E"=10

/ / / / / / cr: /

~ ⁼10-⁴

4. MODULUS-STRENGTH

METALS AND POLYMERS:YIELD STRENGTH CERAMICS AND GLASSES:COMPRESSlVESTRENGTH

ELASTOMERS: TEAR STRENGTH

COMPOSITES : TENSilE STRENGTH MFA:88- 1

0.'~---.~,r

1oaLl

r---.---,...

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

~ 1·0t---1'---~

Z

o

::)

>-

100

-

⁰

a.. o ----

W

-

¹⁰

If)

::>

-J :J 0 0 2

(11)

- 4 - ^[EBB ^406/3]

/ / /

0: /

~ ⁼

to·'

/ /

10 . 100 1000

SPECIFIC STRENGTH "tIp (MPa/(Mg/m

³))

I _ i

MIN.ENERGY _~---~...

STORAGE PER UNIT WEIGHT VIELD BEFORE

BUCKLING

/

.-/

"

/ /

:1

_E ₌₁₀~3

5. SPECIFIC MODULUS- SPECIFIC STRENGTH

METALS AND POLYMERS: YIELD STRENGTH CERAMICS AND GLASSES:COMPRESSIVESTRENGTH

ELASTOMERS: TEAR STRENGTH COMPOSITES: TENSILE STRENiMIt't

~t"

E

¹⁰⁰

<,

C1l

--- :E

<,

0..

a ... o

10I---+L---~

w ~

(f)

:::J- l

:::J

~ 1.0I---+~~~-__J

~ U LL UW

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

(12)

- - 1m

tum o

_MINIMUM SECTION- THICKNESS

NANO- TECHNOLOGY

-

⁾

- Pl SURFACE AREA!

3

MINIMUM SECTION

10

^CONTOURS:APPROX.VOLUMEAt(m³j t - - - t - - ' - - " o , r l CONTOURS:APP~ASP£CTt/A~

AE/MFA 91

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

1nm

.,.-....

t J

I"l

...

E

« 1 - W 0: «

1

0 .

¹

W -,

u 10-\

«

LL COo)

a:: ::::>

if)

10-

³

(13)

LEBB 406/::j --.., 10²m³

10-⁵ 10-⁴ 10-³ 10-² 10-¹ 10

~

MINltvlUM SECTION THICKNESS (rn)

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

10-⁶

(14)

o z

If)

z w

~

o

20

a.: «

w z

...I UJ

...

«

~

o

X⁰ 0:::

0-o,

«

4000 2000 3000

1000

TIN MAGNESIUM ooto SUPERAUD'I'S COBALT ZIRCONIUM MOLYBDENUM

LEAD ALUMINIUM COppER STEELS TITANI UM CI-lROMIUM TANTALUM

0⁶ ^PO^LYMERS ^ZINC ^'^SILVEF^I CASTIRON NICKEL PLATINUM NiOBIUM TUNGSTa/

r

^SAN0

7 'P3 SIZE (WEIGHT) vs

MELTING TEMPERATURE

f.- ^CASTING_{FULL MOULD}

1,.---CASTtl~G APPROX LINEAR DIMENSION

(fr

AE/MFAt1

4

..

1

." ~~NTI~iFtJGAL/

~~^lie--^\ ^. ^CASliNG ^.

1 \

^(frll ^STER^MOUL~^...

~ACUUM-PRECIS ION

^AND

.: ^{, MOl/1.0}

/

^I ^• ^~^.-

')

VA CU UM-AR~STl N G-

;.-GRAVITY

2 DIE CASTINe Ii

L

- - +Il--- ' !j

POLYMER

H;HELL CASTING

T7

MOULOIN,:J.

h

:""

W

!-PRESSURE

. '-""'''''1

DIECASTlNGI~^TCAS

,,,. 17

I -

'eLECTRON·BF.AM

1

, _C_ASTING

- - -

'OWOER

~ - - -

^(aEC^TRO-

1 METHODS FORMING, METHODS

GRAVITY DIE AND CVD

VACUUM CASTING CASTlNG~~ METHODSV

[[Cpl~,r~:"l I II

EI.ECTRON-BEAM~

CASTING

I t

^{IlsANe ,}

I \ , _-f.PaNOER

2 ^- ^METHODS

I I I c:.S~~L

¹

::-'~ ,"'7'7"' ,"":,::':\... RESSURE DIE -:"':'r-:

,'SU RFACE . ',"

" L

^Ip ⁾ ^.~_.:;^..^.

.

^:

.

;

.

^..

.

^":.

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

...

il~~

'.Y~~~' :·:"·' ::: - ~ '

~~

~~~~FU~'

~C C"

I

ELECTRO FORMING,

...

^I

4 _ , ' - - -" ( "CH EMICAL VAPOUR

OEPOSITION PHYSICAL VAPOUR

DEPOSITION

- ~\-

^~SPUTT ERING

./ I

POLYMER

I I

MOULDING

.-£ I I

10

100 W N if)

MELTING TEMPERATURE (K)

(15)

[EBB 406/3]

E-BEAM CASTING COlO WARM WORKING....

3000

VACUUM _ _ CASTING

2000

CONVENTIONAL

CASTONG

l

I. __ELECTRON-BEAM . , CASTING

1000 10^{I - -}

TIN MAGNESIUM GOLD SUPERAWlYS OOBAlI ZIRCONIUM MOLYBDENUM

LEAD 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} II

10 1 - - - - . I I CONVE~T10NAL ^CASTING I I I

I^I

(?---r---:i.-=..

_-::.-:...~

_

_=__=_-.:\:0E~~M..?~T.!!'~... : I ':

1:: 1: ! : :

:.JH_20kTml

l'

I I 1II I I I

-.n r

llill I I POWDER

::::iyr' l

^METHODS

II

I II, I evoAND

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--- ~_---r

t

^COlD

wo."..'" - - -.

-.--+--!--+---,r-~-__:_.

. 106 ...

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

10^L

.-....

0 0...

::a

' - '

(J) 10³

(J)

W Z 0

«

0::

I 10²

MELTING TEMPERATURE (K)

(16)

Lt:;OD 4fVO/.)J

10~---"""ft'---

...

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

100

P 5. TOLERANCE vs

~ACE

ROUGHNESS

TOLERANCE LIMIT: 2TO , " R CONTOURS:COST MULTIPLIER

&£/NFA.tt

1~

m

RMS SURFACE ROUGHNESS, R (urn)

'O-'L-

^{.J.--_ _}.-..-.;...:....o.I~_....I.... _..l._ _...I.. _ _ l_ __..;... ~

10-³

,-..

E E

-

_I-

~ 10' !

LLi ^-,

C) 64

"-

Z ^<,

4: "-, _-,

a:: _COMPOSITES _-,

"- -,

W ^-,

U ^-, ^-,

Z _10-²

,

_"-

4: _'128

a::

W

.

^" _-,

- J "-

0

,

I- ^-,

-,-,

MICRO EL.ECTROHIC FABRICATION METHODS

(17)

- 10 -

[EBB 406/J]

10 30

....

/ '~

.,.,,- "/ GUIDE LINES FOR - > "" " "L.,/_--r,MINIMUMWEIGHT

... " I DESIGN

£.::C / / I

P , , /

"

^/

/ I

"

^/

ELASTOMERS /

E"/ /

I

-=C I

/P

J

£ , I

EY:J_ C

P -

1·0 3

DENSITY, P (Mq/rn")

MFA:88-91

".- /'"

".-./

...

. / ...ENGINEERING COMPQSITES

0.3

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

1 0 0 0 - - - -...,---,--~~--r--,-I"T~---.-1

1. MODULUS- DENSITY YOUNGS MODULUS E

( G^'II 3E/8; K=rE.)