DIKTAT

MATERIAL TEKNIK

Prof. Dr. Tjokorda Gde Tirta Nindhia, ST. MT.

NIP: 197201161998031004

!

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS UDAYANA

BALI

2016

DAFTAR ISI

BAB 1

Material teknik dan sifat-sifatnya ............................................................................... 1

BAB 2

Harga dan Ketersediaan Bahan ................................................................................... 12

BAB3

Modulus Elastis ........................................................................................................... 24

BAB 4

Ikatan Antar Atom ...................................................................................................... 36

BAB 5

Packing Atom Dalam Padatan .................................................................................... 47

BAB 6

Fisika Dasar Oleh Modulus Young............................................................................. 62

BAB 7

Studi Kasus Desain Modulus Terbatas ....................................................................... 70

BAB 8

Kekuatan Luluh, Kekuatan Tarik, Ketahanan dan Elastilitas ..................................... 78

BAB 9

Dislokasi dan Menghasilkan Kristal ........................................................................... 95

BAB 10

Metode Penguatan, dan Plastilitas Polikristal ............................................................. 106

BAB 11

Aspek Kontinum Aliran Plastis .................................................................................. 112

BAB 12

Studi Kasus dalam Hasil Desain yang Terbatas ......................................................... 121

BAB 13

Retak Cepat dan Ketangguhan .................................................................................... 131

BAB 14

Proses Mekanis dari Patah Cepat ................................................................................ 141

BAB 15

Akibat Kegagalan Kelelahan ...................................................................................... 147

BAB 16

Studi tentang Fast Fracture dan kegagalan akibat kerusakan ..................................... 158

BAB 17

Mulur dan Fraktur Mulur ............................................................................................ 173

BAB 18

Teori Kinetik Difusi .................................................................................................... 182

BAB 19

Mekanisme Mulur dan Ketahanan Material ............................................................... 192

BAB 20

Pisau Turbin � Studi Kasus dalam Batas Kemuluran Desain ..................................... 202

BAB 21

Oksidasi Bahan ........................................................................................................... 214

BAB 22

Studi kasus pada Oksidasi Kering ............................................................................... 222

BAB 23

Korosi Basah dari Material ......................................................................................... 228

BAB 24

Studi Kasus Pada Korosi Basah .................................................................................. 235

BAB 25

Pergeseran dan Keausan ............................................................................................. 243

BAB 26

Studi Kasus Pada Gesekan Dan Keausan ................................................................... 253

BAB 27

Materi dan Energi dalam Desain Mobil ...................................................................... 261

APPENDIX 1 : EXAMPLES...................................................................................... 274

APPENDIX 2 : AIDS AND DEMONSTRATIONS .................................................. 295

APPENDIX 3 : SYMBOLS AND FORMULAE ....................................................... 304

BAB I

Material Teknik dan sifat-sifatnya

1. Pendahuluan

Ada lebih dari 50.000 bahan yang tersedia untuk insinyur. Dalam merancang struktur

atau perangkat, bagaimana seorang insinyur memilih menu material yang luas dan yang

terbaik sesuai tujuan? Kesalahan dapat menyebabkan bencana. Selama Perang Dunia II, salah

satu kapal dagang mengalami kerusakan besar, bukan oleh serangan musuh, tapi karena

kerusakan separuh di laut: ketangguhan retak baja, dan terutama dari lasanya terlalu rendah.

Baru-baru ini, tiga pesawat Comet hilang sebelum disadari bahwa desain yang disebut

dengan kekuatan lelah yang memberi desain pada rangka jendela lebih besar daripada yang

dimiliki oleh material. Anda sendiri akan terbiasa dengan peralatan yang dirancang kurang

baik yang terbuat dari plastik: mereka yang memberi berlebihan adalah karena desainer tidak

mengikuti untuk modulus rendah dari polimer. Sifat-sifat massal tercantum dalam Tabel 1.1,

bersama dengan kelas umum lainnya dari properti dimana desainer harus mempertimbangkan

ketika memilih material. Banyak sifat ini akan asing bagi Anda, kami akanmemperkenalkan

mereka melalui contoh dalam bab ini. Mereka berbentuk dasar di pembelajaran material

pertama ini.

Dalam pembelajaran pertama ini, kita juga akan menemui kelas dari material

ditunjukkan pada Tabel 1.2. banyak komponen mesin terbuat dari logam dan paduan

daripada kelas lain dari padatan. Tapi semakin meningkat , polimer mengganti logam karena

mereka menawarkan kombinasi sifat yang lebih menarik bagi desainer. Dan jika Anda telah

membaca koran, Anda akan tahu keramik baru, saat ini di bawah pengembangan dunia ,

adalah kelas yang muncul dari bahan rekayasa yang memberikan mesin panas yang lebih

efisien, pisau tajam, dan bantalan dengan gesekan rendah. insinyur bisa menggabungkan sifat

terbaik dari bahan-bahan untuk membuat komposit (yang lebih dikenal dengan fiberglass)

yang menawarkan paket khusus yang menarik dari sifatnnya. Dan pada akhirnya salah satu

hal yang tidak boleh diabaikan adalah material alam seperti kayu dan kulit yang memiliki

sifat yang bahkan dengan inovasi ilmuwan bahan ini sulit untuk dikalahkan.

Dalam bab ini kita menggambarkan, menggunakan berbagai contoh, bagaimana

insinyur memilih material sehingga mereka memberikan dia dengan sifat yang dibutuhkan.

Sebagai contoh pertama perhatikan pemilihan bahan untuk sebuah

2. Obeng Plastik

Sebuah obeng memiliki tangkai dan mata pisau terbuat dari logam baja karbon tinggi.

Baja dipilih karena modulusnya yang tinggi. Modulus mengukur hambatan dari bahan untuk

defleksi elastis atau lentur. Jika Anda membuat tangkai dari polimer seperti polyethylene , hal

itu akan memerlukanputaran terlalu banyak. Sebuah modulus tinggi merupakan salah satu

kriteria dalam pemilihan bahan untuk aplikasi ini. Tapi itu bukan satu-satunya. Tangkai harus

memiliki teganganluluh tinggi. Jika tidak, itu akan membungkuk atau memutar jika anda

memutarnya terlalu keras ( perlakuan obeng yang buruk). Dan mata pisau harus memiliki

kekerasan yang tinggi, jika tidak maka akan rusak oleh kepala sekrup. Akhirnya, material

tangkai dan mata pisau tidak harus dapat melakukan semua hal ini, ia juga harus kaca

tahanretak, misalnya, memiliki modulus tinggi, kekuatan luluh dan kekerasan, tapi itu tidak

akan menjadi pilihan yang baik untuk aplikasi ini karena sangat rapuh. Lebih tepatnya, ia

memiliki ketangguhan retak sangat rendah. Oleh karena itubaja memiliki sifat yang tinggi,

yang berarti bahwa hal tersebut memberikan sedikit kemungkinan sebelum rusak.

Gagang obeng terbuat dari polimer atau plastik, dalam hal ini polimetilmetakrilat,

atau dikenal sebagai PMMA, plexiglass atau Perspex. Gagang memiliki bagian yang jauh

Tabel 1.1 Kelas dari sifat-sifat

lebih besar daripada tangkainya, sehingga itu memutar, dan dengan demikian modulusnya

kurang penting. Anda tidak bisa membuatnya dari karet yang lembut (polimer lain) karena

modulus yang jauh terlalu rendah, meskipun kulit tipis dari karet mungkin berguna karena

koefisien gesekan yang tinggi, sehingga mudah untuk pegangan. Secara tradisional, gagang

alat terbuat dari alam,dan polimer kayu , jika Anda mengukur pentingnya dengan volume

yang dikonsumsi per tahun, kayu masih polimer yang paling penting tersedia untuk insinyur.

Kayu telah digantikan oleh PMMA, karena PMMA menjadi lembut ketika panas dan dapat

dicetak dengan cepat dan mudah untuk bentuk akhirnya.Kemudahan untuk fabrikasi untuk

aplikasi ini adalah tinggi. Hal ini juga dipilih karena alasan estetika: penampilan, dan rasa

atau tekstur adalah baik; dan masssa jenisnya rendah, sehingga obeng tidak seharusnya berat.

Akhirnya, PMMA itu murah, dan ini memungkinkan produk yang akan dibuat pada harga

yang wajar.

Sekarang contoh kedua,yang membawa kita dari teknologi rendah ke desain material

canggih yang terlibat dalam mesin aeroturbofan yang merupakan kekuatan dari pesawat

besar. Udara didorong keluar (dan masuk) mesin oleh turbofan, yang memberikan dorong

yang aerodinamis. Udara lalu dikompresi oleh pisau kompresor, dan kemudian dicampur

dengan bahan bakar dan dibakar di ruang pembakaran. Gas yang memuai mendorong pisau

turbin, yang memberikan tenaga ke turbofan dan pisau kompresor, dan akhirnya melewati

bagian belakang dari mesin,dan menambah daya dorong.

Pisau turbofan terbuat dari paduan logam titanium. Material ini memiliki modulus

yang cukup baik, tegangan luluh, dan ketangguhan retak. Tetapi logam juga harus tahan lelah

(akibat beban berfluktuasi dengan cepat), keausan permukaan (dari sambaran segala sesuatu

baik dari tetesan air sampai burung besar) dan korosi (penting ketika lepas landas di atas laut

karena semprotan garam memasuki mesin). Akhirnya, massa jenis sangat penting untuk

alasan yang nyata: semakin berat mesin, semakin sedikit pesawat dapat membawa alat-alat.

Dalam upaya untuk mengurangi berat lebih jauh, pisau komposit dibuat dari serat karbon

yang diperkuat dengan polimer CFRP massa jenisnya kurang dari satu setengah dari

titanium, yang telah dicoba. Tapi CFRP, dengan sendirinya hanya cukup kuat untuk sebuah

pisau turbofan 'serangan burung' menghancurkan pisau CFRP. Masalah ini dapat diatasi

dengan cladding, memberikan CFRP logam timah di tepinya.

Tabel 1.2 Kelas dari bahan

Beralih ke pisau turbin (yang di bagian terpanas dari mesin) terlebih lagi kebutuhan

bahan harus dipenuhi. Untuk eknomisnya bahan bakar yang harus dibakar pada suhu setinggi

mungkin. Baris pertama dari pisau mesin (pisau yang 'HP1') berada pada suhu logam sekitar

950°C, yang memerlukan ketahanan creep dan oksidasi. Campuran berdasar nikel kimia yang

* Keramik adalah kristal, anorganik, non-logam.Kaca adalah non-kristal (atau amorf) padatan. kebanyakangelas rekayasa adalah non-logam, tetapi berbagaigelas metalik dengan sifat yang berguna sekarang tersedia.

rumit dan struktur yang digunakan untuk aplikasi yang sangat ketat ini; mereka adalah salah

satu puncak dari teknologi material canggih .

Contoh yang membawa persyaratan yang agak berbeda adalah busi dari mesin

pembakaran internal. Elektroda busi harus tahan dengan kelelahan termal(dari kecepatan

fluktuasi suhu), aus (yang disebabkan oleh percikan erosi ) dan oksidasi dan korosi dari gas

panas atas silinder yang mengandung senyawa jahat sulfur, dan timbal (dari zatanti ketukan).

Paduan tungsten digunakan untuk elektroda karena mereka memiliki sifat yang diinginkan.

Isolasi di sekitar pusat elektroda adalah contoh dari bahan non-logam dalam hal ini,

alumina, keramik. Hal ini dipilih karena sifat yang tahan terhadap listrik dan juga karena

memiliki ketahanan kelelahan termal yang baik dan ketahanan terhadap korosi dan oksidasi

(itu telah dioksidasi sebelumnya)

Penggunaan bahan non-logam telah berkembang paling cepat di industri konsumen.

Contoh berikutnya, kapal layar, menunjukkan bagaimana secara ekstensif polimer dan

komposit buatan manusia dan serat telah menggantikan bahan 'tradisional' dari baja, kayu dan

kapas. Sebuah kapal secara khas memiliki lambung kapal yang terbuat dari GFRP, diproduksi

sebagai bentuk sendiri ; GFRP memiliki penampilan yang baik dan, tidak seperti baja atau

kayu, tidak berkarat atau tidak dimakan oleh cacing terido . Tiangnya terbuat dari campuran

aluminium , yang ringan untuk diberi kekuatan daripada kayu; tiang-tiang yang baru sekarang

dibuat dengan memperkuat campuran karbon atau serat boron (komposit buatan). Layar yang

sebelumnyaterbuat dari kapas bahan alami, sekarang dibuat dari polimer nilon,terylene atau

kevlar, dan, dalam tali-temali kapal berjalan, tali kapas juga telah digantikan oleh polimer .

Gambar 1.1. Kelas bahan teknik dari benda penyusunnya

Akhirnya, polimer seperti PVC banyak digunakan untuk hal-hal seperti fender,jaket, tas daya

apung dan selimut kapal.

Tiga bahan komposit buatan manusia telah muncul di barang yang kita anggap miliki

sejauh ini: polimer serat kaca yang diperkuat (GFRP); yang jauh lebih mahal polimer serat

karbon yang diperkuat (CFRP); dan yang masih lebih mahal paduan serat boron yang

diperkuat (BFRP). Kisaran komposit adalah besar dan tumbuh satu (Gambar 1.1.); selama

dekade berikutnya komposit akan, semakin, bersaing dengan baja dan aluminium di banyak

kegunaan tradisional logam ini.

Sejauh ini kita telah memperkenalkan sifat mekanik dan fisik rekayasa bahan, tapi

kami belum membahas yang sering dianggap kurang penting: harga dan ketersediaan.

Tabel 1.3 menunjukkan rincian kasar harga bahan. Bahan untuk skala besar struktur

penggunaan kayu, semen dan beton, dan struktural baja biayanya antara UK£50 dan UK£500

(US$75 dan US$750) per ton. Ada banyak bahan yang memiliki semua sifat-sifat lain yang

diperlukan dari struktur material nikel atau titanium misalnya,tetapi penggunaannya dalam

aplikasi ini dihilangkan dengan harga mereka.

Nilai yang ditambahkan selama pekerjaan ringan-menengah-teknik mesin lebih besar,

dan ini biasanya berarti bahwa kendala ekonomi pada pilihan bahan kurang tepat,proporsi

yang jauh lebih besar dari biaya struktur adalah keterkaitan dengan tenaga kerja atau dengan

produksi dan fabrikasi. Baja tahan karat, sebagian besar campuran aluminium dan sebagian

besar polimer biayanya antara UK£500 dan UK£5000 (US$750 dan US$7500) perton. Hal di

sektor ini dari pasar bahwa persaingan antara bahan yang paling kuat, dan ruang lingkup

terbesar untuk desain imajinatif . Berikut polimer dan komposit yang bersaing langsung

dengan logam, dan struktur keramikterbaru (silikon karbida dan nitrida silikon) dapat

bersaing dengan baik dalam aplikasi tertentu.

Tabel 1.3

Gambar 1.2. Jembatan kayu di Universitas Queens, 1920 rekontruksi asli jembatan �matematis�

dibangun pada 1749 dari desain William Etheridge.

Gambar 1.3. Jembatan Clare, dibangun pada 1640, adalah jembatan penyelamat tertua

Cambridge; itu dianggap sebagai rute keluar dari universitas pada waktu wabah.

Gambar 1.4. Jembatan Magdalane dibangun pada tahun 1823 di situs jembatan Saxon kuno

diatas Cam. Besi cor sekarang dibawa melengkung,hingga saat ini, beban jauh melebihi yang

dibayangkan oleh para desainer. Untungnya, jembatan sekarang telah mengalami perbaikan yang

pantas didapatkan.

Gambar 1.5. Jembatan baja ringan pada abad kedua puluh; kenyamanan melewati hotel Fort St

George

Gambar 1.6. Jembatan beton yang diperkuat di Garret Hostel Lane. Sebuah ukiran prasasti

didekatnya berbunyi: �Jembatan ini diberikan pada tahun 1960 oleh anggota keluarga tepercaya

dari Trinity Hall.Hal ini dirancang oleh Timothy Guy MORGAN sarjana dari Universitas Jesus

yang meninggal pada tahun itu. '

Gambar 1.7. Bagaimana sifat bahan teknik mempengaruhi cara produk didesain.

Berikutnya ada bahan yang dikembangkan untuk aplikasi kinerja tinggi, beberapa

yang sudah kami sebutkan : campuran nikel (untuk pisau turbin), tungsten (untuk elektroda

busi) dan material komposit khusus seperti CFRP. Harga bahan-bahan ini berkisar antara

UK£5000 dan UK£50.000 (US$7500 dan US$75.000) per ton. Ini resim dari teknologi

material tinggi, aktif di bawah penelitian, dan kemajuan besar yang baru terus dilakukan. Di

sini,juga, ada persaingan hebat dari material baru.

Akhirnya, ada yang disebut logam mulia dan batu permata, banyak digunakan dalam

teknik mesin: emas untuk microcircuits, platinum untuk katalis, safir untuk bantalan, berlian

untuk alat pemotong. Mereka kisaran harga dari UK£50.000 (US$75.000) sampai lebih

UK£l00m (US$150m) per ton.

Sebagai contoh bagaimana harga dan ketersediaan mempengaruhi pilihan bahan untuk

pekerjaan tertentu, mengingat bagaimana bahan yang digunakan untuk membangun jembatan

di Cambridge sudah berubah selama berabad-abad. Sebagai foto kami Queens 'Bridge

(Gambar. 1.2) menunjukkan, sampai 150 tahun lalu atau lebih kayu biasa digunakan untuk

membangun jembatan. Itu murah, dan kayu berkualitas tinggi yang masih tersedia di sebagian

besar dari hutan alam. Batu, juga, sebagai gambaran Clare Bridge (Gambar. 1.3)

menunjukkan, secara luas digunakan. Dalam delapan belas abad ketersediaan besi, dengan

biaya perakitan yang relatif rendah, menyebabkan banyak jembatan besi dari jenis yang

dicontohkan oleh Magdalena Bridge (Gambar. 1.4). Perkembangan metalurgi abad

kesembilan belas kemudian diikuti dengan struktur baja besar ringan yang akan dibangun

(Fort St. George Footbridge, Gambar. 1.5). Akhirnya, munculnya beton kuat murah

menyebabkan struktur anggun dan tahan lama seperti itu dari Garret Hostel Lane jembatan

(Gambar. 1.6). Evolusi ini jelas menggambarkan ketersediaan bagaimana mempengaruhi

pilihan bahan. Saat ini, kayu, baja dan beton kuat yang sering digunakan secara bergantian

dalam struktur, yang mencerminkan perbedaan harga yang relatif kecil diantara mereka.

Pilihan mana dari tiga bahan untuk digunakan terutama ditentukan oleh jenis struktur arsitek

yang ingin membangun: tebal dan padat (batu), struktural efisien (baja), langsing dan anggun

( beton yang belum mendapat tekanan).

Desain teknik mesin, kemudian, melibatkan banyak pertimbangan (Gambar. 1.7).

Pemilihan bahan harus memenuhi kriteria tertentu pada bagian terbesardan sifat permukaan

(kekuatan dan ketahanan korosi, misalnya). Tetapi juga harus mudah untuk dibuat; itu harus

memiliki daya tarik kepada konsumen ; dan itu harus bersaing secara ekonomi dengan

material alternatif lainnya. Dalam bab berikutnya kita mempertimbangkan aspek ekonomi

pilihan ini, kembali di bab berikutnya untuk diskusi tentang sifat-sifat lainnya.

3. Bacaan lebih lanjut

J. E. Gordon, The New Science of Strong Materials, atau Why You Don�t Fall Through the

Floor, Penguin Books, London, 1976, (pengenalan umum yang sangat baik untuk bahan).

K. E. Easterling, Tomorrow�s Materials, Institute of Materials, London, 1987, (Sebuah

pengenalan yang menarik yang memfokuskan pada penggunaan teknologi tinggi. bahan di

ruang angkasa, elektronik dan barang olahraga).

BAB 2

Harga dan Ketersediaan Bahan

1.Pengantar

Dalam bab pertama kami memperkenalkan berbagai sifat yang diperlukan rekayasa

bahan oleh insinyur desain, dan berbagai bahan yang tersedia untuk memberikan ini properti.

Kami akhirnya dengan menunjukkan bahwa harga dan ketersediaan bahan yang penting dan

sering menimpa faktor dalam memilih bahan untuk pekerjaan tertentu. Di bab ini kita

memeriksa sifat-sifat ekonomi bahan secara lebih rinci.

2. Data untuk harga bahan

Tabel 2.1 jajaran bahan dengan biaya per satuan berat: UKF per ton (yaitu 1000 kg) di

kolom kedua, US $ per ton di ketiga. Bahan yang paling mahal - berlian,platinum, gold -

Apakah di bagian atas. Termurah - besi cor, kayu, semen - berada di bagian bawah.Data

tersebut jelas penting dalam memilih material. Bagaimana kita terus diberitahu tentang bahan

harga berubah dan apa yang mengontrol mereka? The Financial Times dan Wall Street

Journal memberikan beberapa, setiap hari. Perdagangan jurnal pasokan memberikan daftar

yang lebih luas dari harga saat ini. Sebuah jurnal seperti khas adalah Pengadaan Weekly,

daftar harga saat ini bahan dasar, bersama-sama dengan harga 6 bulan dan tahun yang lalu.

Semua industri manufaktur mengambil ini atau sesuatu yang setara Lokakarya di departemen

teknik Anda akan memilikinya - dan memberikan panduan untuk harga dan tren mereka.

Gambar 2.1 menunjukkan variasi dalam harga dua bahan tembaga dan karet - antara

September 1993 dan Mei 1994. Ini menggambarkan dua poin.Pertama, ada gerakan ke atas

jangka panjang harga bahan. Tiga puluh tahun yang lalu,tembaga adalah UKf200 (US $ 300)

per ton dan karet adalah UKE60 (US $ 90) per ton; sekarang mereka lebih dari lima kali

harga ini.Kedua, ada fluktuasi jangka pendek yang cukup besar dalam harga bahan. Tembaga

turun 15% di bulan September 1993; emas, pada periode yang sama, naik 38%.Aluminium

berubah harga sebesar hampir 10% dalam satu hari pada bulan Desember 1993. Ini adalah

perubahan besar, penting untuk pembeli bahan.Fluktuasi harga jangka pendek memiliki

sedikit hubungannya dengan kelangkaan nyata atau kelimpahan bahan. Mereka disebabkan

oleh perbedaan-perbedaan kecil antara tingkat pasokan dan permintaan, banyak diperbesar

oleh spekulasi berjangka komoditas. Sifat mudah menguap pasar komoditas dapat

Tabel 2.1 Harga per ton (Mei 1994)

Gambar 2.1. Harga fluktuasi tembaga dan karet antara September 1993 Mei 1994.

mengakibatkan perubahan besar selama beberapa hari - yang satu spekulan alasan tertarik

untuk itu - dan ada sangat sedikit yang seorang insinyur bisa lakukan untuk meramalkan atau

menjamin terhadap perubahan ini. faktor politik juga sangat penting - kelangkaan kobalt pada

tahun 1978 adalah karena serangan gerilya pada penambang di Zaire, produser utama dunia

kobalt; harga rendah aluminium.Berlian saat ini sebagian disebabkan oleh banjir baik dari

Rusia sejak akhir Perang Dingin.

Perubahan jangka panjang adalah dari jenis yang berbeda. Mereka mencerminkan,

sebagian, biaya riil (diinvestasi modal, tenaga kerja dan energi) dari penggalian dan

pengangkutan bijih atau bahan baku dan pengolahan untuk memberikan materi rekayasa.

Inflasi dan peningkatan biaya energi jelas mendorong harga naik; demikian juga,apakah

kebutuhan untuk mengekstrak bahan, seperti tembaga, dari bijih semakin ramping; yang lebih

ramping bijih, semakin mesin dan energi yang diperlukan untuk menghancurkan batu yang

mengandung itu, dan berkonsentrasi ke tingkat bahwa logam dapat diekstraksi.Dalam jangka

panjang, maka, penting untuk mengetahui bahan dasarnya berlimpah,dan yang mungkin

menjadi langka. Hal ini juga penting untuk mengetahui sejauh mana kami ketergantungan

pada bahan.Penggunaan-paitern bahan Cara di mana bahan-bahan yang digunakan di negara

maju cukup standar. Semua mengkonsumsi baja, beton dan kayu dalam konstruksi; baja dan

aluminium secara umum teknik; tembaga di konduktor listrik; polimer dalam peralatan, dan

sebagainya; dan kira-kira dalam proporsi yang sama. Di antara logam, baja digunakan dalam

jumlah terbesar jauh: 90% dari semua logam yang dihasilkan di dunia adalah baja. Tapi kayu

non-logam dan beton beat baja - mereka digunakan dalam volume yang lebih besar.Sekitar

20% dari total tagihan impor dari negara seperti Inggris dihabiskan untuk engineering bahan.

Tabel 2.2 menunjukkan bagaimana pembelanjaan ini didistribusikan. Besi dan baja, dan baku

bahan yang digunakan untuk membuat mereka, menyumbang sekitar seperempat dari itu.

Berikutnya adalah kayu dan kayu - masih banyak digunakan dalam konstruksi ringan. Lebih

dari seperempat dihabiskan di logam tembaga, perak, aluminium dan nikel. Semua polimer

diambil bersama-sama, termasuk karet, account untuk sedikit lebih dari 10%. Jika kita

termasuk logam lanjut seng, timah, timah,tungsten dan merkuri, daftar menyumbang 99%

dari semua uang yang dihabiskan di luar negeri di bahan, dan kita dapat mengabaikan

kontribusi dari bahan yang tidak muncul di atasnya

Table 2.2 Impor bahan Teknik, persentase bahan baku dan

setengah

3. Bahan di mana-mana

Komposisi kerak bumi

Mari kita mengalihkan perhatian dari apa yang kita gunakan untuk apa yang banyak

tersedia. Sedikit bahan rekayasa disintesis dari senyawa yang ditemukan di lautan bumi dan

Suasana: magnesium adalah contoh. Namun, sebagian besar dimenangkan oleh pertambangan

bijih mereka dari kerak bumi, dan berkonsentrasi cukup untuk memungkinkan material yang

akan diekstraksi atau disintesis dari itu. Bagaimana berlimpah dan tersebar luas adalah bahan

ini pada yang kita sangat bergantung? Berapa banyak tembaga, perak, tungsten, timah dan

merkuri di Konsentrasi berguna tidak kerak berisi? Semua lima jarang: deposito yang bisa

diterapkan mereka relatif kecil, dan begitu sangat lokal yang banyak pemerintah

mengklasifikasikan mereka sebagai kepentingan strategis, dan persediaan mereka.Tidak

semua bahan yang begitu tipis menyebar. Tabel 2.3 menunjukkan kelimpahan relatif dari

elemen biasa di kerak bumi. Kerak bumi 47% oksigen berat atau - karena oksigen adalah

atom besar, menempati 96% dari volume (ahli geologi yang gemar mengatakan bahwa kerak

bumi adalah oksigen padat yang mengandung beberapa persen dari kotoran).Berikutnya

dalam kelimpahan adalah unsur silikon dan aluminium; yang paling berlimpah bahan padat

yang tersedia bagi kita adalah silikat dan alumino-silikat. Beberapa logam muncul dalam

daftar, di antaranya besi dan aluminium yang keduanya fitur juga dalam daftar banyak

digunakan bahan. daftar meluas sejauh karbon karena merupakan tulang punggung hampir

semua polimer, termasuk kayu. Secara keseluruhan, kemudian, oksigen dan senyawanya

adalah sangat berlimpah - pada setiap sisi kita dikelilingi oleh oksida-keramik, atau bahan

baku untuk membuat mereka. Beberapa bahan yang luas,terutama besi dan aluminium; tapi

bahkan untuk ini konsentrasi lokal sering kecil, biasanya terlalu kecil untuk membuatnya

ekonomi untuk mengambil mereka. Bahkan, bahan baku untuk pembuatan polimer yang lebih

mudah tersedia saat ini daripada yang untuk sebagian besar logam.

Table 2.3 Keadaan unsur yang berlimpah/Persentase berat

Massa total dari kerak hingga kedalaman 1 km adalah 3 x 1021 kg; massa lautan adalah 1020 kg; dan atmosfer

adalah 5 x 1018 kg

Massa total kerak hingga kedalaman 1 km adalah 3 x IO21kg; massa lautan adalah IO20kg;

dan atmosfer adalah 5 x 1018kg deposito besar karbon di bumi: pada skala dunia, kita

mengekstrak tonase yang lebih besar dari karbon setiap bulan daripada kita mengekstrak besi

dalam setahun, tapi saat ini kita hanya membakarnya. Dan bahan kedua yang paling polimer -

hidrogen - juga salah satu yang paling berlimpah elemen. Beberapa bahan besi, aluminium,

silikon,elemen untuk membuat kaca dan semen berlimpah dan banyak tersedia. Tetapi yang

lain - merkuri, perak,tungsten adalah contoh yang langka dan sangat lokal, dan jika pola arus

Penggunaan terus mungkin tidak berlangsung lama.

4. Pertumbuhan eksponensial dan konsumsi penggandaan-waktu

Bagaimana kita menghitung seumur hidup dari sumber daya seperti merkuri? Seperti

hampir semua bahan,merkuri yang dikonsumsi pada tingkat yang tumbuh secara eksponensial

dengan waktu(Gambar.2.2), hanya karena kedua populasi dan standar hidup tumbuh secara

eksponensial. Kita menganalisis ini dengan cara berikut. Jika tingkat konsumsi saat ini dalam

ton per tahunadalah C maka pertumbuhan eksponensial berarti bahwa

di mana, untuk tingkat pertumbuhan umumnya kecil kita berurusan dengan di sini (1

sampai 5% per tahun), r dapat dianggap sebagai tingkat pecahan persentase pertumbuhan per

tahun. mengintegrasikan memberi.

dimana Co adalah tingkat konsumsi pada saat t = untuk. T penggandaan waktu D

konsumsi diberikan dengan menetapkan C / Co = 2 untuk memberikan.

(2.1)

(2.2)

Gambar 2.2 Konsumsi secara eksponensial meningkat dari bahan

Konsumsi baja tumbuh kurang dari 2% per tahun - itu dua kali lipat setiap 35 tahun.

Konsumsi polimer meningkat sekitar 5% per tahun - itu dua kali lipat setiap 14 tahun. Selama

masa boom - 1% Os dan 1970-an misalnya - produksi polimer meningkat lebih cepat

daripada ini, memuncak pada 18% per tahun (dua kali lipat setiap 4 tahun), tetapi sekarang

telah jatuh kembali ke tingkat yang lebih sederhana.

5. Ketersediaan sumber daya

Ketersediaan sumber daya tergantung pada sejauh mana itu locdised dalam satu atau

beberapa negara (sehingga rentan terhadap kontrol produksi atau tindakan kartel); pada

ukuran cadangan, atau, lebih akurat, basis sumber daya (dijelaskan kemudian); dan energi

yang dibutuhkan untuk menambang dan memprosesnya. Pengaruh yang terakhir dua (ukuran

cadangan dan kandungan energi) dapat, dalam batas-batas, dipelajari dan pengaruh mereka

diantisipasi.Perhitungan kehidupan sumber daya melibatkan perbedaan penting antara

cadangan dan sumber daya. Cadangan saat ini adalah deposito dikenal yang bisa digali

menguntungkan pada harga saat ini menggunakan teknologi saat ini; beruang sedikit

hubungan dengan besarnya sebenarnya dari basis sumber daya; pada kenyataannya, keduanya

bahkan tidak kasar sebanding.

Gambar 2.3 Perbedaan antara cadangan dan sumber daya

Basis sumber daya termasuk cadangan saat. Tetapi juga mencakup semua deposito yang

mungkin menjadi tersedia diberikan calon rajin dan yang, oleh berbagai ekstrapolasi teknik,

dapat diperkirakan. Dan itu termasuk, juga, semua dikenal dan deposito tidak diketahui yang

tidak dapat ditambang secara menguntungkan sekarang, tapi yang - karena harga yang lebih

tinggi, lebih baik teknologi atau perbaikan transportasi - mungkin cukup menjadi tersedia

dimasa depan (Gambar. 2.3). cadangan adalah seperti uang di bank - Anda tahu Anda telah

mendapatkannya. Itu sumber daya lebih seperti total pendapatan potensial Anda sepanjang

hidup Anda - itu jauh lebih besar dari cadangan, tapi kurang pasti, dan Anda mungkin harus

bekerja sangat keras untuk mendapatkan saya t. Basis sumber daya adalah ukuran yang

realistis dari total bahan yang tersedia. Sumber hampir selalu jauh lebih besar dari cadangan,

tetapi karena data geofisika dan proyeksi ekonomi miskin, evaluasi mereka tunduk pada

ketidakpastian yang luas.Meskipun basis sumber daya tidak pasti, itu jelas penting untuk

memiliki beberapa perkiraan berapa lama bisa bertahan. perkiraan kasar memang ada untuk

ukuran sumber daya dasar, dan, dengan menggunakan ini, rumus eksponensial kami

memberikan perkiraan berapa lama itu akan membawa kita untuk menggunakan setengah

dari sumber daya. The Haif-hidup adalah ukuran penting: di ini harga tahap akan mulai naik

sangat tajam sehingga pasokan akan menjadi masalah berat. Untuk sejumlah bahan penting

ini setengah-hidup terletak dalam hidup-waktu Anda: untuk perak,timah, tungsten, seng,

timah, merkuri dan minyak (bahan baku polimer) mereka berbohong antara40 dan 70 tahun.

Lainnya (terutama besi, aluminium, dan bahan baku dari yang paling keramik dan gelas yang

dibuat) memiliki basis sumber daya yang sangat besar, yang memadai selama ratusan tahun,

bahkan memungkinkan untuk pertumbuhan eksponensial terus. Biaya energi memasuki sini.

Ekstraksi bahan membutuhkan energi (Tabel 2.4).Sebagai bahan menjadi langka - tembaga

adalah contoh yang baik - itu harus diekstrak dari lebih ramping dan lebih ramping bijih. Ini

mengeluarkan lebih banyak dan lebih banyak energi, per ton logam tembaga diproduksi,

dalam operasi pertambangan, menghancurkan dan berkonsentrasi bijih; dan ini biaya energi

dengan cepat menjadi penghalang. Meningkatnya kandungan energi tembaga ditampilkan di

Tabel 2.4 mencerminkan fakta bahwa bijih tembaga yang lebih kaya, sekarang, sedang

dikerjakan di luar.

Table 2.4 Kandungan energi perkiraan bahan GJ ton-1

* Biaya energi sekitar UK�3 (US$4.5) per GJ in 1994

6. Masa depan

Bagaimana kita akan mengatasi kekurangan bahan rekayasa di masa depan? Salah satu

cara adalah dengan jelas yaitu :

A. Desain Bahan-Efisien

Banyak desain saat ini menggunakan jauh lebih banyak materi daripada yang

diperlukan, atau menggunakan berpotensi langka bahan mana yang lebih banyak akan

melayani. Seringkali, misalnya, itu adalah permukaan properti (gesekan misalnya rendah,

atau ketahanan korosi yang tinggi) yang ingin; maka tipis Film permukaan bahan langka

terikat pada substrat berlimpah murah dapat menggantikan penggunaan sebagian besar bahan

langka. Cara lain untuk mengatasi kekurangan adalah dengan

B. Pengganti

Ini adalah properti, bukan materi itu sendiri, bahwa desainer ingin. Kadang-kadang

lebih mudah bahan yang tersedia dapat menggantikan satu langka, meskipun ini biasanya

melibatkan pengeluaran yang cukup besar (metode pengolahan baru, metode bergabung baru,

dll). Contoh dari substitusi adalah penggantian batu dan kayu oleh baja dan beton

dikonstruksi; penggantian tembaga dengan polyethylene di pipa; perubahan dari kayu dan

logam untuk polimer dalam barang rumah tangga; dan dari tembaga aluminium dikabel

listrik.Namun demikian, keterbatasan teknis untuk substitusi. Beberapa bahan yang

digunakan dalam cara tidak mudah diisi oleh orang lain. Platinum sebagai katalis, helium cair

sebagai pendingin, dan perak pada area kontak listrik tidak dapat diganti; mereka melakukan

yang unik Fungsi - mereka, sehingga untuk berbicara, vitamin bahan rekayasa. Lainnya � a

pengganti tungsten untuk filamen lampu, misalnya - akan membutuhkan pengembangan

teknologi baru, dan ini dapat mengambil bertahun-tahun. Akhirnya, substitusi meningkatkan

permintaan untuk bahan pengganti, yang mungkin juga di persediaan terbatas.

Kecenderungan besar untuk menggantikan plastik untuk bahan lainnya menempatkan beban

yang lebih berat pada petrokimia, saat ini berasal dari minyak. Pendekatan ketiga adalah

bahwa dari

C. Mendaur Ulang

Daur ulang bukanlah hal baru: bahan bangunan tua telah didaur ulang selama ribuan

tahun; membatalkan logam telah didaur ulang selama beberapa dekade; keduanya industri

utama. Daur ulang adalah tenaga kerja intensif, dan di situlah letak masalah dalam

memperluas ruang lingkup. Selama 30 tahun terakhir,meningkatnya biaya tenaga kerja

membuat sebagian daur ulang kurang dari ekonomi. Tetapi jika energi dan modal menjadi

relatif langka (dan dengan demikian lebih mahal) atau pemerintah memberikan hukuman

untuk tidak menggunakan kembali bahan, maka daur ulang akan menjadi jauh lebih menarik.

Akan ada meningkatkan insentif untuk merancang produk manufaktur sehingga mereka dapat

diambil terpisah lebih mudah, diidentifikasi dan digunakan kembali

7. Kesimpulan

Secara keseluruhan, masalah bahan-sumber daya adalah tidak penting seperti itu

energi. Beberapa bahan memiliki basis besar atau (seperti kayu) yang terbarukan - dan

untungnya ini termasuk bahan struktural utama. Bagi yang lain, basis sumber daya kecil,

tetapi mereka sering digunakan dalam jumlah kecil sehingga harga bisa naik banyak tanpa

memiliki efek drastis pada harga produk di mana mereka tergabung; dan untuk

beberapa,pengganti yang tersedia. Tapi penyesuaian tersebut dapat mengambil waktu -

sampai 25 tahun jika baru teknologi yang dibutuhkan; dan mereka membutuhkan modal juga.

Meningkatnya biaya energi, ditambah meningkatnya biaya bahan sebagai Dunia Berkembang

mengasumsikan kontrol sumber daya sendiri, berarti bahwa biaya relatif bahan akan berubah

dalam 20 tahun ke depan, dan desainer yang baik harus menyadari perubahan ini, dan terus-

menerus pada melihat keluar untuk kesempatan untuk menggantikan satu bahan lain.

8. Bacaan lebih lanjut

P. E Chapman dan E Roberts, Sumber Daya Logam dan Energi, Butterworths, London, 1983.

A. H. Cottrell, Ekonomi Lingkungan, Edward Arnold, 1977.

T. Danvent (ed.), W Sumber Daya orld - Rekayasa Solusi, Inst. Civil Engineers, London,

1976.

E. G. Kovach (ed.), Teknologi Efisien Energi Pemanfaatan, Komite Sains NATO, Brussells,

1973

BAB 3

Modulus elastis

Pengantar

Properti materi berikutnya yang akan kita kaji adalah modulus elastisitas. Modulus

mengukur ketahanan material terhadap deformasi elastis (atau 'kenyal'). Jika batang dari

penampang identik diletakkan pada dua mendukung banyak spasi dan kemudian bobot identik

digantung di pusat-pusat mereka, mereka akan menekuk elastis dengan jumlah yang sangat

berbeda tergantung pada materi mereka dibuat: kayu atau nylon membelokkan jauh lebih dari

baja atau kaca. bahan modulus rendah floppy dan membelokkan banyak ketika mereka sarat.

Kadang-kadang hal ini diinginkan, tentu saja: mata air, bantal, kubah kutub � ini struktur

dirancang untuk menangkis, dan pilihan yang tepat dari modulus mungkin yang rendah. Namun

dalam sebagian besar aplikasi mekanik, defleksi undersirable, dan insinyur berusaha bahan

dengan modulus yang tinggi. modulus tercermin juga, di frekuensi alami dari getaran struktur.

Seberkas modulus rendah memiliki lebih rendah frekuensi alami dari satu modulus tinggi

(meskipun hal kepadatan juga) dan ini, serta defleksi, adalah penting dalam perhitungan desain.

Sebelum kita melihat secara rinci pada modulus, pertama kita harus mendefinisikan stres

dan ketegangan.

Definisi Tegangan

Bayangkan sebuah blok bahan yang kita menerapkan F kekuatan, seperti pada Gambar.

3.l (a). gaya adalah ditularkan melalui blok dan seimbang dengan sama, kekuatan berlawanan

yang dasar diberikannya di blok (jika tidak demikian, blok akan bergerak). Kita bisa mengganti

dasar dengan kekuatan yang sama dan berlawanan, F, yang bekerja pada semua bagian melalui

blok sejajar dengan permukaan asli; seluruh blok dikatakan dalam keadaan stres. Intensitas stres,

, diukur oleh gaya F dibagi dengan luas, A, dari blok wajah, memberikan

stres tertentu ini disebabkan oleh kekuatan menarik pada sudut kanan wajah; kita menyebutnya

tegangan tarik.

Misalkan sekarang bahwa gaya bertindak tidak normal pada wajah, tetapi pada sudut

untuk itu, sebagai ditunjukkan pada Gambar. 3.l (b). Kita bisa mengatasi gaya menjadi dua

komponen, satu, Ft, normal wajah dan lainnya, Ft, sejajar dengan itu. Komponen yang normal

menciptakan tegangan tarik di blok tersebut. besarnya, seperti sebelumnya, adalah Ft / A.

28 Teknik Material 1

Gambar. 3.1. Definisi tegangan tarik dan geser

Komponen lainnya, Fs, juga beban blok, tapi ia melakukannya di geser. Geser stres, T, di

blok sejajar dengan arah dari Fs, diberikan oleh

Yang penting adalah bahwa besarnya stres selalu sama dengan besarnya dari kekuatan

dibagi dengan ureu wajah yang ia bertindak. Pasukan yang diukur dalam newton, sehingga

tekanan diukur dalam satuan newton per meter persegi (N m-2). Untuk banyak aplikasi teknik, ini

adalah inconveniently kecil, dan unit normal stres adalah newton mega per meter persegi atau

mega (106) pascal (MN m -2 atau MPa) atau bahkan giga yang (109) newton per meter persegi

atau Gigapascal (GN m -2 atau GPa).

Ada empat negara sering terjadi stres, ditunjukkan pada Gambar. 3.2. Yang paling

sederhana adalah bahwa ketegangan sederhana atau kompresi (seperti dalam anggota ketegangan

dimuat oleh sendi pin di ujung-ujungnya atau di pilar pendukung struktur dalam kompresi). stres

adalah, tentu saja, gaya dibagi dengan daerah bagian dari anggota atau pilar. Negara umum

kedua stres adalah bahwa ketegangan biaksial. Jika kulit bola (seperti balon) mengandung

internal tekanan, maka kulit shell dimuat dalam dua arah, bukan satu, seperti yang ditunjukkan

pada Gambar. 3.2. Negara ini stres disebut ketegangan biaksial (tidak sama ketegangan biaksial

adalah jelas keadaan di mana dua tegangan tarik tidak sama). Negara umum ketiga stress bahwa

tekanan hidrostatik. Hal ini terjadi jauh di dalam kerak bumi, atau jauh di dalam laut, ketika

padat dikenai kompresi yang sama di semua sisi. Ada konvensi yang tekanan positif ketika

mereka menarik, karena kami telah menarik mereka di angka sebelumnya. Tekanan,

Elastis modulus 29

Gambar.3.2. Negara umum dari stres: ketegangan, kompresi, tekanan hidrostatik dan geser

30 Teknik Material 1

Namun, positif ketika mendorong, sehingga besarnya tekanan berbeda dari besarnya tekanan lain

dalam tandanya. Jika tidak didefinisikan dalam persis cara yang sama seperti sebelumnya:

kekuatan dibagi dengan luas di mana ia bertindak. Umum akhir keadaan stres adalah bahwa dari

geser murni. Jika Anda mencoba untuk memutar tabung tipis, maka unsur-unsur itu adalah

mengalami geser murni, seperti yang ditunjukkan. tegangan geser ini hanya gaya geser dibagi

dengan daerah wajah yang ia bertindak.

Ingat satu hal terakhir; jika Anda tahu stres dalam tubuh, maka gaya yang bekerja di

setiap wajah itu adalah stres kali daerah.

Ketegangan

Bahan menanggapi stres dengan tegang. Di bawah stres yang diberikan, bahan kaku

(seperti baja) strain hanya sedikit; bahan floppy atau compliant (seperti polyethylene) strain

banyak lebih. Modulus material menggambarkan properti ini, tapi sebelum kita dapat mengukur

itu, atau bahkan mendefinisikannya, kita harus mendefinisikan ketegangan benar.

Jenis stres yang kita disebut tegangan tarik menginduksi regangan tarik. Jika stress kubus

sisi saya, ditunjukkan pada Gambar. 3.3 (a) meluas dengan jumlah yang u sejajar dengan

tegangan tarik, strain nominal tarik adalah

Ketika strain dengan cara ini, kubus biasanya akan lebih tipis. Jumlah tersebut dengan yang

menyusut ke dalam digambarkan oleh rasio Poisson, v, yang merupakan negatif dari rasio strain

ke dalam untuk strain tarik asli:

Sebuah tegangan geser menginduksi regangan geser. Jika sebuah kubus gunting samping dengan

jumlah yang w kemudian regangan geser didefinisikan oleh

di mana ø adalah sudut geser dan 1 adalah tepi-panjang kubus (Gambar. 3.3 (b)). Karena strain

elastis hampir selalu sangat kecil, kita dapat menulis, dengan pendekatan yang baik,

y =

Akhirnya, tekanan hidrostatik menginduksi perubahan volume disebut dilatasi (Gambar. 3.3 (c)).

Jika perubahan volume AV dan volume kubus V, kita mendefinisikan dilatasi oleh

Karena strain adalah rasio dari dua panjang atau dua volume, mereka berdimensi.

Modulus Elastis 31

Gambar.3.3. definisi regangan tarik, n regangan geser, y dan pelebaran

Hukum Haoke

Kita sekarang dapat menentukan modulus elastisitas. Mereka didefinisikan melalui Hooke

Hukum, yang hanyalah gambaran dari pengamatan eksperimental yang, ketika strain kecil,

regangan sangat hampir sebanding dengan stres; yaitu, mereka adalah linear-elastis. Itu regangan

tarik nominal, misalnya, adalah sebanding dengan tegangan tarik; untuk ketegangan sederhana

n (3.6)

di mana E disebut modulus Young. Hubungan yang sama juga berlaku untuk tegangan dan strain

dalam kompresi sederhana, tentu saja.

`32 Teknik Material 1

Dengan cara yang sama, regangan geser sebanding dengan tegangan geser, dengan

T = G (3.7)

di mana G adalah modulus geser.

Akhirnya, negatif dilatasi sebanding dengan tekanan (karena positif Tekanan

menyebabkan penyusutan volume) sehingga

p = -K (3.8)

di mana K disebut modulus bulk.

Karena regangan berdimensi, modulus memiliki dimensi yang sama seperti orang-orang

dari stres: gaya per satuan luas (N m -2 )Pada unit, modulus sangat besar, sehingga mereka

biasanya dilaporkan bukan dalam satuan GPa. hubungan linear antara stres dan ketegangan

adalah salah satu yang sangat berguna ketika menghitung respon yang solid untuk menekankan,

tapi harus diingat bahwa sebagian besar padatan elastis hanya untuk strain yang sangat kecil:

sampai sekitar 0,001. Di luar itu beberapa istirahat dan beberapa menjadi plastik - dan kami ini

akan membahas di bab berikutnya. Beberapa padatan seperti karet elastis hingga sangat jauh

lebih besar strain order 4 atau 5, tapi mereka berhenti menjadi linear elastis (yaitu stres yang

tidak lagi sebanding dengan strain) setelah strain sekitar 0,01.

Satu titik akhir. Kami sebelumnya didefinisikan rasio Poisson sebagai negatif lateral

penyusutan regangan dengan strain tarik. kuantitas ini, rasio Poisson, juga merupakan elastic

konstan, jadi kami memiliki empat konstanta elastis: E, G, K dan v Dalam saat ketika kita

memberikan. Data untuk konstanta elastis kita daftar data yang hanya untuk E. Bagi banyak

bahan hal ini berguna untuk tahu bahwa

K = E, G = 3/ 8 E dan v = 0.33, (3.9)

meskipun untuk beberapa hubungan dapat lebih rumit.

Pengukuran modulus Young

Bagaimana modulus Young diukur? Salah satu cara adalah untuk kompres bahan dengan dikenal

gaya tekan, dan mengukur tekanan. modulus Young kemudian diberikan oleh E = / n setiap

didefinisikan sebagai dijelaskan sebelumnya,. Tapi ini bukan umumnya cara yang baik untuk

mengukur modulus. Untuk satu hal, jika modulus besar, ekstensi u mungkin terlalu kecil untuk

mengukur dengan presisi. Dan, untuk yang lain, kalau ada sesuatu berkontribusi terhadap

regangan, seperti merayap (yang akan kita bahas dalam bab berikutnya), atau defleksi pengujian

mesin itu sendiri, maka hal itu akan menyebabkan nilai yang tidak benar untuk E - dan ini strain

palsu bisa serius.

Cara yang lebih baik untuk mengukur E adalah untuk mengukur frekuensi alami dari

getaran dari batang bulat dari bahan, hanya didukung pada ujung-ujungnya (Gambar. 3.4) dan

berat dimuat oleh

Elastis Modulus 33

Gambar.3.4. Sebuah getaran bar dengan massa control, M

M massa di tengah (sehingga kita dapat mengabaikan massa batang itu sendiri). Itu frekuensi

osilasi batang, siklus f per detik (atau hertz), diberikan oleh

di mana saya adalah jarak antara mendukung dan d adalah diameter batang. Dari ini

Gunakan teknik stroboskopik dan hati-hati aparat dirancang dapat membuat semacam ini metode

yang sangat akurat.

Yang terbaik dari semua metode pengukuran E adalah untuk mengukur kecepatan suara

di bahan. Kecepatan gelombang longitudinal, vl, tergantung pada modulus dan Young density, p:

V1 diukur dengan 'mencolok' salah satu ujung bar materi (dengan pengeleman piezo-listrik

kristal di sana dan menerapkan biaya-perbedaan pada permukaan kristal) dan mengukur waktu

suara yang diperlukan untuk mencapai ujung yang lain (dengan melampirkan kristal piezo-

electric kedua sana). Kebanyakan modulus diukur oleh salah satu dari dua metode terakhir ini.

Data untuk modulus Young

Sekarang untuk beberapa bilangan real. Tabel 3.1 adalah daftar peringkat dari modulus Young

dari bahan - Kita akan menggunakannya nanti dalam memecahkan masalah dan dalam memilih

bahan untuk tertentu aplikasi. Berlian adalah di bagian atas, dengan modulus 1OOOGPa; karet

lembut dan polimer berbusa berada di bawah dengan modulus serendah 0.001GPa. Anda bisa,

Tentu saja, membuat bahan khusus dengan modulus rendah - jelly, misalnya, memiliki modulus

dari sekitar 10 -6 GPa. bahan teknik praktis terletak pada kisaran 10 -3 untuk 10 -3 + 3 +3 GPa � a

34 Bahan Rekasaya 1

Tabel.3.1 data modulus young, E

Modulus Elastis 35

Gambar. 3.5. Bar-chart data untuk modulus Young, E.

berbagai 106. Ini adalah rentang Anda harus memilih dari ketika memilih bahan untuk sebuah

aplikasi tertentu. Sebuah perspektif yang baik dari penyebaran modulus diberikan oleh barchart

yang ditunjukkan pada Gambar. 3.5. Keramik dan logam - bahkan floppiest dari mereka, seperti

timah - berbaring di dekat bagian atas kisaran ini. Polimer dan elastomer jauh lebih compliant,

yang yang umum (polyethylene, PVC dan polypropylene) tergeletak beberapa dekade lebih

rendah. Komposit span kisaran antara polimer dan keramik.

Untuk memahami asal-usul modulus, mengapa ia memiliki nilai-nilai yang dilakukannya,

mengapapolimer jauh lebih kaku dari logam, dan apa yang bisa kita lakukan tentang hal itu, kita

harusmemeriksa struktur bahan, dan sifat kekuatan memegang atom bersama-sama.Dalam dua

bab berikutnya kita akan memeriksa ini, dan kemudian kembali ke modulus, dan untuk kami bar-

chart, dengan pemahaman baru.

Bacaan lebih lanjut

A. H. Cottrell, Sifat Mekanik dari Materi, Wiley, 1964, Chap. 4.

S. P. Timoshenko dan J. N. Goodier, Teori Elastisitas, McGraw Hill, 1970, Chap. 1.

C. J. Smithells 'Logam Buku Referensi, edisi 7, Butterworth-Heinemann, 1992 dan ASM

Logam Handbook, edisi 10, ASM International, 1990 (untuk data).

BAB 4

Ikatan Antar Atom

A. Pendahuluan

Untuk memahami asal-usul sifat material seperti modulus Young, kita perlu fokus pada

materi pada tingkat atom. Dua hal yang sangat penting dalam mempengaruhi modulus:

1. Gaya yang mengikat atom bersama-sama (ikatan interatomik) yang bertindak seperti pegas

kecil, menghubungkan satu atom ke atom yang berikutnya dalam keadaan padat (Gambar.

4.1).

Gambar 4.1. Pegas yang digambarkan seperti ikatan antar dua atom.

dan

2. Cara-cara di mana atom dikemas bersama (kemasan atom), karena ini menentukan berapa

banyak pegas kecil yang ada per satuan luas, dan sudut di mana mereka ditarik (Gambar.

4.2).

Dalam bab ini kita akan melihat kekuatan yang mengikat atom bersama - pegas. Berikutnya

kita akan memeriksa pengaturan di mana mereka dapat dikemas.

Gambar 4.2. Susunan atom dan sudut tariknya.

Berbagai cara di mana atom dapat terikat bersama meliputi

1) Ikatan Primer - ionik, kovalen atau ikatan logam, yang semuanya relatif kuat (mereka

umumnya meleleh antara 1000 dan 4000K, dan

2) Ikatan sekunder - Van der Waals dan ikatan hidrogen, yang keduanya relatif lemah

(mereka meleleh antara 100 dan 500 K).

Kita harus ingat, namun, ketika menyusun daftar jenis ikatan yang berbeda seperti ini yang

jumlah atom benar-benar terikat oleh ikatan yang hibrida, boleh dikatakan, dari jenis

sederhana (ikatan campuran).

1. Ikatan Primer

Keramik dan logam sepenuhnya terikat oleh ikatan primer - ionik dan kovalen pengikat

di keramik, dan ikatan logam dan kovalen pada logam. Keras, ikatan kaku ini memiliki

modulus yang tinggi.

Ikatan ion adalah jenis yang paling jelas dari tarik-menarik elektrostatik antara muatan

positif dan negatif. Hal ini ditandai oleh kohesi dalam natrium klorida. Alkali halida lainnya

(seperti lithium fluoride), oksida (magnesia, alumina) dan komponen semen (karbonat

terhidrasi dan oksida) seluruhnya atau sebagian terikat oleh ikatan ionik.

Mari kita mulai dengan atom natrium. Memiliki inti yang tersusun dari 11 proton,

masing-masing dengan muatan + (dan 12 neutron dengan tanpa muatan sama sekali)

dikelilingi oleh 11 elektron masing-masing membawa muatan - (. Gambar 4.3).

Elektron tertarik ke inti oleh gaya elektrostatik karena memiliki energi negatif. Tetapi

energi dari elektron tidak semua sama. Yang terjauh dari inti secara alami memiliki tingkat

energi tertinggi (negatif). Oleh karena itu elektron yangpaling mudah kita dapat hilangkan

dari atom natrium adalah yang terletak di kulit terluar: kita

Gambar 4.3. Formasi ikatan ion � dalam kasus ini antara atom sodium dan atom klorin, menghasilkan sodium

klorida.

dapat memindahkannya dengan mengeluarkan usaha sebesar 5.14eV*. Elektron ini dapat

dengan mudah dipindahkan ke posisi kosong terjauh pada atom klorin, memberikan kita

4.02eV kembali energi. Dengan demikian, kita dapat mengisolasi Na+ dan C1- dengan

melakukan 5.14 eV - 4,02 eV = 1,12 eV kerja, Ui.

Sejauh ini, kita memerlukan usaha untuk menghasilkan ion yang akan membentuk

ikatan ion: itu tidak nampak sebagai awal yang amat baik. Namun, muatan positif dan negatif

saling tarik-menarik dan jika kita mendekatkan keduanya, maka akan terjadi gaya tarik. Gaya

tarik diantara dua muatan yang berlawanan disederhanakan menjadi:

(4.1)

dimana q adalah muatan masing-masing ion, 0 adalah permitivitas vakum, dan r adalah jarak

antar ion. Gaya yang bekerja saat dua ion berada dengan jarak r (dari jarak tak hingga)

adalah:

(4.2)

Gambar 4.4 memperlihatkan bagaimana energi sepasang ion turun selama r berkurang,

sampai di r ! 1 nm untuk ikatan ion, kita harus mengembalikan usaha sebesar 1.12 eV yang

dipinjam untuk membentuk Na+ dan Cl- di tingkat pertama. untuk r< 1 nm (1 nm = 10-9 m),

ikatan ion akan mencapai kestabilan.

Mengapa r tidak berkurang dengan nilai yang tak terbatas, melepaskan banyak energi,

dan berakhir dengan penggabungan dua ion? Baik, saat dua ion dengan jarak yang cukup

dekat, penyaluran muatan pada electron mulai saling melengkapi satu sama lain, dan ini

menyebabkan gaya tolak menolak yang sangat besar. Gambar 4.4 memperlihatkan kenaikan

energi potensial sebagai penyebabnya. Jelasnya, ikatan ion paling stabil ketika berada di nilai

minimum pada kurva U(r), dan dapat dirimuskan dengan:

(4.3)

dimana n adalah besar daya � berkisar 12.

Bagian

Tarikan

Bagian

Tolakan

Seberapa banyak kita dapat membuat ikatan ini? Baik, electron dari salah satu ion

menempati 3 dimensi bagian yang rumit (atau sering disebut orbital) di sekitar inti atom.

Tetapi pada tingkat tertentu kita dapat asumsikan bahwa ion berbentuk bola, dan disana

merupakan cara yang amat bebas untuk electron dapat mengikat banyak ion saling berentetan

satu sama lain. Ikatan ion dikatakan tidak memiliki arah gerak, walaupun dalam pengikatan

ion antara ion dengan tanda yang berlawanan, ini sungguh penting untuk memastikan bahwa

total muatan antara + dan - adalah 0, dan ion positif itu (yang menolak ion positif lainnya)

akan selalu terpisah oleh ionnegatif.

Ikatan kovalen terbentuk dalam berlian asli, silicon dan germanium � semua material

ini memiliki nilai modulus yang besar (dimana nilai modulus berlian adalah yang tertinggi).

*eV adalah satuan yang sesuai untuk energi ketika berhubungan dengan atom karena nilai-nilai umumnya

terletak pada kisaran 1 sampai 10. 1 eV sama dengan 1,6 x 10-9 joule.

Gambar 4.4. Susunan ikatan ion � dilihat dari tingkat energi

Ini adalah ikatan-jenis yang mendominasi pada pembentukan keramik silikat dan gelas (batu,

tembikar, batu bata, semua gelas pada umumnya, komponen semen) dan berkontribusi

terhadap pengikatan logam titik lebur tinggi (tungsten, molibdenum, tantalum, dll) .

Tampaknya, juga, pada polimer, yang menghubungkan atom karbon satu sama lain di

sepanjang rantai polimer; tetapi karena polimer juga mengandung ikatan lainnya, jauh lebih

lemah, jenis (lihat di bawah) modulus mereka biasanya kecil.

Contoh sederhana dari ikatan kovalen adalah molekul hydrogen. Kedekatan dua inti

membentuk orbital electron baru, saling berbagi electron antar dua atom hydrogen, kedalam

arah electron akan bergerak. Memberi electron menjadi penyebab utama penurunan energi,

dan ikatan yang stabil, seperti pada gambar 4.6. Energi dari ikatan kovalen dengan baik dapat

digambarkan dengan rumus empiris

(4.4)

Hidrogen merupakan materi yang jarang ditemukan dalam bahan rekayasa. Sebuah contoh

yang lebih relevan dari ikatan kovalen adalah berlian, salah satu dari beberapa bentuk padat

karbon. Ini lebih dari material teknik daripada yang mungkin Anda pikirkan pada awalnya,

diaplikasikan luas untuk pengeboran batu, alat pemotong, roda gerinda dan bantalan presisi.

Gambar 4.5. Susunan dari ikatan kovalen � dalam kasus ini terjadi antara dua atom hydrogen, menghasilkan

molekul hydrogen.

Gambar 4.6. Susunan ikatan kovalen � dilihat dari tingkatan energi.

Di sini, elektron bersama menempati daerah yang mengarah ke sudut tetrahedron, seperti

ditunjukkan pada Gambar. 4.7 (a). Bentuk simetris orbital ini mengarah ke bentuk yang

sangat terarah dari ikatan dalam berlian, seperti yang ditunjukkan padsa Gambar. 4.7 (b).

Semua ikatan kovalen memiliki arah masing-masing, pada prosesnya, mempengaruhi cara di

mana atom tersusun bersama untuk membentuk kristal - lebih lanjut tentang topik yang di bab

berikutnya.

Gambar 4.7. Arah ikatan kovalen pada berlian.

Ikatan logam, seperti namanya, adalah dominan (meskipun bukan satu-satunya) ikatan dalam

logam dan paduannya. Dalam padatan (atau, dalam hal ini, cairan) logam, elektron energi

tertinggi cenderung meninggalkan atom induk (yang menjadi ion) dan bergabung untuk

membentuk sebuah 'laut' electron yang bergerak bebas, tidak terikat pada ion khususnya

(Gambar. 4.8). Hal ini memberikan kurva energi yang sangat mirip dengan ikatan kovalen;

itu juga dijelaskan oleh eqn. (4.4) dan memiliki bentuk seperti pada Gambar. 4.6.

Kebebasan gerak elektron memberikan konduktivitas listrik yang tinggi dari logam.

Ikatan logam tidak memiliki arah, sehingga ion logam cenderung untuk tersusun secara

sederhana, struktur kepadatan tinggi, seperti bola-bantalan yang digoncangkan dalam sebuah

kotak.

Gambar 4.8. Ikatan dalam logam � ikatan logam.

2. Ikatan Sekunder

Meskipun jauh lebih lemah daripada ikatan primer, ikatan sekunder masih sangat

penting. Mereka menyediakan link antara molekul polimer dalam polietilen (dan polimer

lainnya) yang membuatnya padat. Tanpanya, air akan mendidih pada -80 ° C, dan kehidupan

seperti yang kita kenal di bumi tidak akan ada.

Ikatan Van der Waals menggambarkan tarikan dipolar antara atom-atom bermuatan.

Muatan elektronik di atom dalam gerakan; salah satu gerakan diperkirakan bahwa elektron

sebagai gumpalan muatan kecil mendesing yang berputar mengelilingi inti seperti bulan

mengelilingi bumi. Rata-rata dari waktu ke waktu, muatan elektron memiliki simetri bola,

tetapi pada saat tertentu itu relatif tidak simetri ke inti. Efeknya adalah sedikit seperti yang

yang menyebabkan pasang surut. Distribusi sesaat memiliki momen dipol; momen ini

menginduksi seperti momen pada atom di dekatnya dan dua dipol menarik (Gambar. 4.9).

Dipol menarik sehingga energi mereka bervariasi sebagai l / r6. Dengan demikian energi dari

ikatan Van der Waals memiliki bentuk

(4.5)

Sebuah contoh yang baik adalah nitrogen cair, yang bersifat gas cair, pada tekanan atmosfer,

pada suhu -198°C terpaku oleh gaya Van der Waals antara molekul N2 yang kovalen.

Gambar 4.9. Ikatan Van der Waals; atom bergandengan bersama karena distribusi muatan dipol.

Gambar 4.10. Susunan molekul H2O dengan bentuk normal pada es, memperlihatkan ikatan hydrogen. Ikatan

hydrogen menjaga suatu bagian menjadi stabil, itulah mengapa es memiliki massa jenis yang lebih rendah

dibandingkan air.

Gejolak termal yang dihasilkan ketika nitrogen cair dituangkan di lantai pada suhu kamar

lebih dari cukup untuk melepaskan ikatan Van der Waals, menunjukkan betapa lemahnya

mereka. Tapi tanpa ikatan ini, sebagian besar gas tidak akan dicairkan pada suhu yang

dicapai, dan kita tidak dapat memisahkan gas industri dari atmosfer.

Ikatan hidrogen tetap cair air pada suhu kamar, dan rantaipolimer mengikat bersama-sama

untuk mengahasilkan polimer padat. Es (Gambar. 4.10) adalah ikatan hidrogen. Setiap atom

hidrogen berbagi muatan dengan atom oksigen terdekat. Hidrogen, kehilangan sebagian dari

bagiannya, memperoleh muatan +; oksigen, memiliki jumlahelectron yang melebihi dari

seharusnya, adalah -ve. Atom Hbermuatan positif bertindak sebagai jembatan ikatan antara

tetangga ion oksigen, karena harga redistribusi memberikan setiap molekul H2O momen dipol

yang menarik dipol H2O lainnya.

B. Kondensasi materi

Karena ikatan primer dan sekunder dapat membentuk materi yang mengembun dari

bentuk gas untuk membentuk cairan dan padatan. Lima kelompokyang dibedakan menurut

kondensasi materinya,

Tabel 4.1. Tingkat kondensasi materi

berbeda dalam struktur dan keadaan ikatan mereka, dapat diidentifikasi (Tabel 4.1). Ikatan

dalam cairan biasa telah meleleh, dan untuk alasan ini cairan menolak kompresi, tapi tidak

bergeser; modulus bulk, K, besar dibandingkan dengan gas karena atom berada dalam

kontak, sehingga untuk berbicara; tapi modulus geser, G, adalah nol karena mereka dapat

meluncur melewati satu sama lain. Kelompok materi lainnya, yang tercantum dalam Tabel

4.1, dibedakan oleh jenis dari ikatan mereka (cair dibandingkan padat) dan struktur mereka

(kristal versus non-kristalin). Perbedaan-perbedaan ini tercermin dalam besaran relatif dari

modulus bulk dan modulus geser - lebih cair seperti bahan menjadi, semakin kecil rasio dari

G / K.

C. Gaya Interatomik

Setelah menetapkan berbagai jenis ikatan yang dapat terbentuk antara atom, dan bentuk

kurva energi potensialnya, kita sekarang dalam posisi untuk mengeksplorasi kekuatan antara

atom. Dimulai dengan kurva U (r), kita dapat menemukan gayaF untuk pemisahan atom, r,

dari hubungan

F = (4.6)

Gambar 4.11 menunjukkan bentuk kurva gaya / jarak yang kita dapatkan dari kurva energi /

jarak ini. Poin yang perlu diperhatikan adalah:

1) F adalah nol pada titik seimbangr = ro; Namun, jika atom ditarik terpisah oleh jarak (r - ro)

kekuatan menolak muncul. Untuk ukuran (r - ro) kecil gaya tolak sebanding dengan (r - ro)

untuk semua bahan, baik ketegangan dan kompresi.

2) Kekakuan, S, ikatan dinyatakan dengan

(4.7)

Ketika peregangan kecil, S adalah konstan dan sama dengan

(4.8)

yaitu, ikatan menunjukkan reaksilinear-elastis - ini adalah asal fisik Hukum Hooke.

Untuk menyimpulkan, konsep kekakuan ikatan berdasarkan kurva energi / jarak untuk

berbagai jenis ikatan, menjadi dasar konsep modulus elastisitas. Tapi kita perlu mencari tahu

bagaimana unsur atom berikatan untuk membentuk keseluruhan potongan bahan sebelum

kami sepenuhnya bisa menjelaskan data eksperimen untuk modulus. Sifat dari ikatan yang

telah kami sebutkan mempengaruhi kemasan atom dalam bahan rekayasa. Ini adalah subyek

dari bab berikutnya.

Gambar 4.11.Kurva energi (atas), saat terdiferensial (pers. (4.6)) menghasilkan kurva jarak gaya.

Baca lebih lanjut

A. H. Cottrell, The Mechanical Properties of Matter, Wiley, 1964, Chap. 2.

K. J. Pascoe, An Introduction to the Properties of Engineering Materials, 3rd edition. Van

Nostrand,

C. Kittel, Introduction to Solid State Physics, 4th edition, Wiley, 1971, Chap. 3

Bab 5

Packing atom dalam padatan

Pengantar

Pada bab sebelumnya, sebagai langkah pertama dalam memahami kekakuan padatan, kami

memeriksa kekakuan obligasi memegang atom bersama-sama. Tapi ikatan kekakuan saja tidak

sepenuhnya menjelaskan kekakuan padatan, cara di mana atom yang dikemas bersama-sama

adalah sama pentingnya. Dalam bab ini kita akan mengkaji bagaimana atom diatur dalam

beberapa padatan rekayasa khas.

Packing atom dalam kristal

Banyak bahan rekayasa (hampir semua logam dan keramik, misalnya) yang keseluruhannya

terdiri dari kristal kecil atau biji-bijian di mana atom dikemas dalam biasa, mengulangi, pola tiga

dimensi, butir terjebak bersama-sama, bertemu di batas butir, yang akan kami jelaskan nanti.

Kami fokus sekarang pada kristal individu, yang dapat dipahami dengan memikirkan atom

sebagai bola keras (meskipun, dari apa yang kita katakan dalam bab sebelumnya, harus jelas

bahwa ini adalah cukup, meskipun nyaman, penyederhanaan). Untuk membuat sesuatu yang

lebih sederhana, mari kita untuk saat ini mempertimbangkan bahan yang murni - dengan hanya

satu ukuran bola keras untuk mempertimbangkan - dan yang juga memiliki ikatan non-

directional, sehingga kita bisa mengatur bola hanya tunduk kendala geometris. tembaga murni

adalah contoh yang baik dari bahan memuaskan kondisi ini.

Dalam rangka membangun pola kemasan tiga-dimensi, lebih mudah,

konseptual,untukmemulaidengan:

(I) atom kemasan dua dimensi dalam pesawat atom,

(ii) stacking pesawat ini di atas satu sama lain untuk memberikan kristal.

Padat struktur dan energi kristal

Contoh bagaimana kita mungkin pak atom dalam pesawat ditunjukkan pada Gambar. 5.1, itu

adalah pengaturan di mana merah ditetapkan di atas meja biliar sebelum memulai permainan

snooker. Bola yang dikemas secara segitiga sehingga untuk mengambil ruang paling mungkin di

atas meja. Jenis pesawat yang demikian disebut pesawat-padat, dan berisi tiga arah dekat-

dikemas, mereka adalah arah sepanjang yang bola menyentuh.Angka ini menunjukkan hanya

daerah kecil pesawat-padat - jika kita memiliki lebih merah kita dapat memperpanjang pesawat

samping dan bisa, jika kita berharap, mengisi meja biliar seluruhitu.

Gambar. 5.1. Kemasan dekat atom keras-bola. ABC susun memberikan 'kubik berpusat muka'(f.c.c.) struktur.

Yang penting untuk diperhatikan adalah cara di mana bola yang dikemas dalam pola dua

dimensiberulang secara teratur.

Bagaimana kita bisa menambahkan lapisan kedua dari atom ke pesawat-padat kita? Sebagai

Gambar. 5.1 menunjukkan, depresi mana atom memenuhi ideal 'kursi' untuk lapisan berikutnya

atom. Dengan menjatuhkan atom menjadi kursi alternatif, kita bisa menghasilkan dekat-dikemas

pesawat kedua berbaring di atas yang asli dan memiliki pola kemasan identik.Kemudian lapisan

ketiga dapat ditambahkan, dan keempat, dan seterusnya sampai kami telah membuat sepotong

yang cukup besar dari kristal - dengan, kali ini, pola berulang secara teratur dari atom dalam

tiga dimensi.

Struktur khusus kami telah menghasilkan adalah satu di mana atom mengambil volume

sedikitdan karena itu disebut struktur terjejal. Atom dalam banyak logam padat yang dikemas

dengan cara ini.

Ada komplikasi cerita tampaknya sederhana ini. Ada dua urutan alternatif dan berbeda di mana

kita dapat stack pesawat-padat di atas satu sama lain. Jika kita mengikuti urutan susun pada

Gambar. 5.1 agak lebih dekat, kita melihat bahwa, pada saat kita telah mencapai bidang atom

keempat, kita menempatkan atom langsung di atas atom asli (meskipun, secara alami, terpisah

dari mereka oleh dua pesawat interleaving atom). Kami kemudian melanjutkan menambahkan

atom seperti sebelumnya, menghasilkan ABCABC. . . urutan. Pada Gambar. 5.2 kita

menunjukkan jalan alternatif susun, di mana atom dalam bidang ketiga sekarang langsung di atas

mereka di lapisan pertama. Ini memberikan Abab ... urutan.

Kedua urutan susun yang berbeda memberikan dua struktur kemasan tiga-dimensi yang berbeda

- kubik berpusat muka (f.c.c.) dan dekat-dikemas heksagonal (c.p.h.) masing-masing.

Gambar. 5.2. Tutup kemasan atom keras-bola - pengaturan alternatif, memberikan (h.c.p.)struktur 'dekat-dikemas heksagonal'.

masing. Banyak logam biasa (mis Al, Cu dan Ni) memiliki f.c.c. yang struktur dan banyak oranglain (mis Mg, Zn dan 73) memiliki c.p.h. yang struktur.Mengapa A1 harus memilih untuk menjadi f.c.c. sementara Mg memilih untuk c.p.h.?

Jawabannya adalah bahwa f.c.c. yang Struktur adalah salah satu yang memberikan kristal A1

energi sedikit, dan c.p.h. yang struktur yang memberikan Mg kristal energi paling. Secara umum,

bahan memilih struktur kristal yang memberikan energi minimum. Struktur ini mungkin tidak

selalu dekat-dikemas atau, memang, sangat sederhana geometris, meskipun, menjadi kristal,

masih harus memiliki semacam pola yang berulang tiga dimensi.

Perbedaan energi antara struktur alternatif sering sedikit. Karena itu, struktur kristal yang

memberikan energi minimum pada satu suhu mungkin tidak melakukannya di lain. Jadi timah

perubahan struktur kristal jika didinginkan cukup,dan, kebetulan, menjadi jauh lebih rapuh dalam

proses (menyebabkan tombol timah paduan coat- dari tentara Napoleon berantakan selama

musim dingin Rusia yang keras, dan kaleng disolder parafin pada Scott South Pole ekspedisi

bocor, dengan konsekuensi bencana) . Cobalt perubahan struktur pada 450 ° C, mengubah dari

h.c.p. struktur pada suhu yang lebih rendah ke f.c.c. struktur pada suhu yang lebih tinggi. Lebih

penting, besi murni berubah dari b.c.c. sebuah Struktur (didefinisikan di bawah) ke salah satu

yang f.c.c. di 91loC, proses yang penting dalam perlakuan panas baja

Kristallography

Kami belum menjelaskan mengapa urutan ABCABC disebut 'f.c.c.' atau mengapa urutan Abab

disebut sebagai 'c.p.h.'. Dan kita bahkan belum mulai untuk menggambarkan fitur dari struktur

kristal yang lebih rumit seperti yang keramik seperti alumina. Untuk menjelaskan hal-hal seperti

perbedaan geometris antara f.c.c. dan c.p.h. atau untuk meringankan kerja konseptual

membangun struktur kristal yang rumit, kita membutuhkan bahasa deskriptif yang tepat.

Metode crystuZZogruphy menyediakan bahasa ini, dan memberi kita juga cara singkat yang

penting untuk menggambarkan struktur kristal.

Mari kita menggambarkan pproach crystallographica dalam kasus f.c.c. Gambar 5.3

menunjukkan bahwa pusat-pusat atom di f.c.c. dapat ditempatkan di sudut-sudut kubus dan di

pusat-pusat dari:

gambar.5.3.Wajah-berpusat-kubik(f.c.c.)struktur.

wajah kubus. kubus, tentu saja, tidak memiliki arti fisik tetapi hanyalah perangkat konstruksi.

Hal ini disebut sel satuan. Jika kita melihat di sepanjang kubus diagonal, kami melihat

pemandangan yang ditunjukkan pada Gambar. 5.3 (tengah atas): pola segitiga yang, dengan

sedikit usaha, dapat dilihat bahwa dari bit pesawat-padat ditumpuk di urutan ABCABC. Ini

visualisasi sel-satuan posisi atom demikian persis sama dengan pendekatan kami sebelumnya

berdasarkan susun dari pesawat-padat, tapi jauh lebih kuat sebagai bantuan deskriptif.

Sebagai contoh, kita dapat melihat bagaimana f.c.c. lengkap kami kristal dibangun dengan

melampirkan unit sel lebih lanjut untuk yang pertama (seperti perakitan satu set batu bangunan

anak-anak) sehingga untuk mengisi ruang tanpa meninggalkan celah canggung - sesuatu yang

tidak dapat dengan mudah dilakukan dengan bentuk 5 sisi (dalam pesawat) atau bentuk 7-sisi

(dalam tiga dimensi). Di luar ini, pemeriksaan sel satuan mengungkapkan pesawat di mana atom

dikemas dalam selain cara-padat. Di 'kubus' menghadapi atom yang dikemas dalam array

persegi, dan di pesawat kubus diagonal di baris terpisah, seperti ditunjukkan pada Gambar. 5.3

.

gambar.5.4.The-padat-heksagonal(c.p.h.)struktur.

Jelas, sifat seperti modulus geser mungkin akan berbeda untuk pesawat-padat dan pesawat

kubus, karena jumlah obligasi melampirkan mereka per satuan luas berbeda. Ini adalah salah satu

alasan bahwa penting untuk memiliki metode yang menggambarkan berbagai pengaturan

kemasan planar.

Mari sekarang kita lihat di c.p.h. yang sel satuan seperti ditunjukkan pada Gambar. 5.4.

Pandangan melihat ke bawah sumbu vertikal mengungkapkan susun ABA dari pesawat-padat.

Kami membangun c.p.h. kami kristal dengan menambahkan blok bangunan heksagonal satu

sama lain: blok heksagonal juga menumpuk sehingga mereka mengisi ruang. Di sini, sekali lagi,

kita dapat menggunakan konsep sel satuan untuk 'membuka' pemandangan berbagai jenis

pesawat.

indeks pesawat

Kita bisa membuat gambar skala berbagai jenis pesawat yang kita lihat di semua unit sel; tapi

konsep sel satuan juga memungkinkan kita untuk menggambarkan pesawat apapun oleh satu set

nomor disebut Miller Indeks. Dua contoh yang diberikan pada Gambar. 5.5 harus memungkinkan

Anda untuk menemukan:

gambar.5.5. Indeks Miller untuk mengidentifikasi bidang kristal, menunjukkan bagaimana (1 31)pesawat dan (T10) pesawat didefinisikan. Bagian bawah dari angka menunjukkan farnib dari (100) dan (110) pesawat.

Indeks Miller pesawat apapun dalam sel satuan kubik, meskipun mereka mengambil sedikit

membiasakan diri.

Indeks (untuk pesawat) adalah kebalikan dari penyadapan pesawat membuat dengan tiga sumbu,

dikurangi dengan bilangan bulat terkecil (reciprocals digunakan hanya untuk menghindari

infinities ketika pesawat sejajar dengan sumbu). Sebagai contoh, enam individu 'kubus' pesawat

yang disebut (1001, (OLO), (001). Secara kolektif jenis pesawat disebut (1001, dengan kurung

keriting. Demikian pula pesawat diagonal enam kubus adalah (1101, (LIO .), (1011, (TOL),

(011) dan (Oil), atau, secara kolektif, (110) (Berikut tanda 1 berarti intercept dari -1.) Sebagai

contoh terakhir, kami asli pesawat-padat - yang dari susun ABC - yang dari 1111)

jenis Jelas deskripsi struktural unik '(1111 fcc' adalah kesepakatan yang baik lebih ringkas dari

gambar skala bola bilyar.

dekat-dikemas indeks berbeda digunakan dalam sel heksagonal (kita.. . membangun cph kristal

oleh batu bata menambahkan dalam empat arah, bukan tiga seperti dalam kubik) Kami tidak

membutuhkan mereka di sini - buku kristalografi terdaftar di bawah 'Bacaan' pada akhir bab ini

mereka lebih dari keadilan.

indeks arah

Properti seperti modulus Young mungkin bervariasi dengan arah dalam sel satuan; untuk ini (dan

lainnya) alasan kita perlu penjelasan singkat dari arah kristal. Gambar 5.6 menunjukkan metode

dan menggambarkan beberapa arah yang khas.

Indeks dari arah adalah komponen dari vektor (tidak reciprocals, karena infinities tidak muncul

di sini), mulai dari asal, sepanjang arah yang diinginkan, lagi dikurangi menjadi terkecil set

integer. Sebuah arah tunggal (seperti '111' arah yang menghubungkan titik asal ke sudut kubus)

Gambar 5.6.

Catatan - dalam sistem kubik saja! [111] adalah normaluntuk (111)

[100] adalah normaluntuk (100), dll

Gambar. 5.6. indeks arah untuk mengidentifikasi arah kristal, menunjukkan bagaimana [1661

arah didefinisikan. Bagian bawah dari angka menunjukkan keluarga (1 1 I) arah.

terjauh dari asal) diberikan tanda kurung siku (misalnya [llll), untuk membedakannya dari indeks

Miller dari pesawat. Keluarga arah jenis ini (. Diilustrasikan pada Gambar 5.6) yang

diidentifikasi oleh kurung siku: (111).

sederhana, yang penting, struktur kristal lainnya

Gambar 5.7 menunjukkan struktur kristal baru, dan salah satu yang penting: itu adalah kubik

(b.c.c.) struktur tubuh berpusat tungsten, kromium, besi dan banyak baja. The (111) arah yang

dekat-dikemas (yaitu: atom menyentuh sepanjang arah ini) tapi ada pesawat ada dekat-dikemas.

Hasilnya adalah b.c.c. yang packing kurang padat daripada baik f.c.c. atau h.c.p. Hal ini

ditemukan dalam bahan yang memiliki ikatan directional: directionality mendistorsi struktur,

mencegah atom dari menjatuhkan ke salah satu dari dua struktur-padat yang telah kami jelaskan.

Ada struktur lainnya yang melibatkan hanya satu jenis atom yang tidak dekat-dikemas, untuk

alasan yang sama, tetapi kita tidak perlu mereka di sini.

gambar. 5.7. Tubuh berpusat kubik (b.c.c.) struktur.

Dalam senyawa bahan - di keramik natrium klorida, misalnya - ada dua (kadang-kadang lebih)

spesies atom, dikemas bersama-sama. Struktur kristal senyawa tersebut masih dapat sederhana.

Gambar 5.8 (a) menunjukkan bahwa keramik NaC1, KC1 dan MgO, misalnya, juga membentuk

struktur kubik. Tentu, ketika dua spesies atom tidak dalam rasio 1: 1, seperti dalam senyawa

seperti U02 bahan bakar nuklir (keramik juga) struktur lebih rumit (. Itu ditunjukkan pada

Gambar 5.8 (b)), meskipun ini, juga, memiliki sel satuan kubik.

packing atom pada polimer

Seperti yang kita lihat pada bab pertama, polimer telah menjadi bahan rekayasa penting. Mereka

jauh lebih kompleks struktural dari logam, dan karena ini mereka memiliki sifat mekanik yang

sangat khusus. Elastisitas ekstrim karet merupakan salah satu; yang mampu bentuk dari

polyethylene adalah hal lain.

Gambar. 5.8. (A) Packing ion berukuran merata dari natrium klorida untuk memberikan f.c.c.sebuah struktur; KCI dan MgO bintik dengan cara yang sama. (B) Packing ion dalam uraniumdioksida; ini lebih rumit daripada di NaCl karena U dan 0 ion tidak dalam rasio 1: 1.Polimer adalah molekul rantai-seperti besar (besar, yaitu, dengan standar atom) di mana atom

yang membentuk tulang punggung rantai dihubungkan oleh ikatan kovalen. Rantai backbone

biasanya terbuat dari atom karbon (meskipun rentang yang terbatas polimer berbasis-silikon

dapat disintesis - mereka disebut 'silikon'). Sebuah polimer tinggi khas ( 'tinggi' berarti 'berat

molekul besar') adalah polyethylene. Hal ini dibuat oleh polimerisasi katalitik etilena,

ditunjukkan di sebelah kiri, untuk memberikan rantai ethylenes, minus ikatan rangkap:

Polystyrene, sama, dibuat dengan polimerisasi styrene (kiri), lagi-lagi dengan mengorbankan

ikatan ganda untuk memberikan kait yang memberikan rantai:

Sebuah kopolimer dibuat dengan polimerisasi dari dua monomer, menambahkan mereka secara

acak (random copolymer) atau dengan cara memerintahkan (kopolimer blok). Contohnya adalah

stirena butadiene rubber, SBR. Styrene, kiri ekstrim, kehilangan ikatan ganda dalam perkawinan;

butadiene, kaya ikatan ganda untuk memulai dengan, terus satu.

Molekul seperti ini membentuk, fleksibel, rantai spaghetti-seperti panjang seperti itu dari

Gambar. 5.9. Gambar 5.10 menunjukkan bagaimana mereka berkemas untuk membentuk bahan

massal.

Dalam beberapa polimer rantai bisa dilipat dengan hati-hati belakang dan ke depan lebih satu

sama lain sehingga terlihat seperti kembang api yang disebut 'melompat jack. Simetri berulang

secara teratur lipat rantai-ini mengarah ke kristalinitas, sehingga polimer dapat kristal. Lebih

biasanya rantai disusun secara acak dan tidak teratur mengulangi pola tiga dimensi. Ini

gambar. 5.9. Penampilan tiga dimensi sedikit pendek dari molekul polietilen.

(A) karet di atas suhu transisi-gelas nya. struktur sepenuhnya amorf. Rantai diselenggarakanbersama-sama hanya dengan sesekali kovalen silang.(B) A karet di bawah suhu kaca-transisi. selain kovalen sesekali silang kelompok molekul dalamrantai polimer menarik oleh Van der Waals ikatan, tieing rantai erat satu sama lain.

(C) Low-density polyethylene, menunjukkan kedua daerah amorf dan kristal(D) polimer A (misal resin epoxy) di mana rantai terikat erat bersama-sama, dengansering kovalen cross-link

gambar. 5.10. Bagaimana molekul yang dikemas bersama dalam polimer.

polimer dengan demikian non-kristal, atau amorf. Banyak mengandung kedua daerah amorf dan

kristal, seperti ditunjukkan pada Gambar. 5.10, yaitu, mereka sebagian kristal.

Ada seluruh ilmu yang disebut arsitektur molekul yang ditujukan untuk membuat segala macam

rantai dan mencoba untuk mengaturnya dalam segala macam cara untuk membuat bahan akhir.

Saat ini ada ribuan bahan polimer yang berbeda, semua memiliki sifat yang berbeda - dan yang

baru sedang dalam pengembangan. Ini terdengar seperti berita buruk, tapi kita hanya perlu

beberapa: akun enam polimer dasar untuk hampir 95% dari seluruh produksi saat ini. Kami akan

bertemu mereka nanti.

tabel5.1 Data untuk kepadatan

atom kemasan dalam gelas anorganik

gelas anorganik adalah campuran oksida, hampir selalu dengan silika, Si02, sebagai bahan

utama. Seperti namanya menyatakan, atom dalam gelas yang dikemas dalam non-kristal (atau

amorf) cara. Gambar 5.11 (a) menunjukkan skematis struktur silika kaca, yang solid untuk lebih

dari 1000 ° C karena ikatan kovalen yang kuat yang menghubungkan Si ke 0 atom.

Menambahkan soda (Na20) memecah struktur dan menurunkan suhu pelunakan (di mana kaca

dapat bekerja) untuk sekitar 600 ° C. soda ini kaca (Gambar.

gambar. 5.1 1. (a) packing Atom di amorf silika (kaca). (B) Bagaimana penambahan sodamemecah ikatan di amorf, silika, memberikan kaca soda.Gambar.5.11 (b)) adalah bahan yang botol susu dan kaca jendela yang dibuat. Menambahkanboron oksida (B203) bukan memberikan gelas boro-silikat (Pyrex adalah salah satu) yangmenahan suhu lebih tinggi dari biasa jendela-kaca.

Gambar. 5.12. Bar-chart data untuk kepadatan

Kepadatan padatan

Densitas bahan rekayasa umum tercantum pada Tabel 5.1 dan ditunjukkan pada Gambar. 5.12.

Ini mencerminkan massa dan diameter atom yang membuat mereka dan efisiensi dengan yang

mereka dikemas untuk mengisi ruang. Logam, sebagian besar dari mereka, memiliki kepadatan

tinggi karena atom yang berat dan erat dikemas. Polimer jauh kurang padat karena atom-atom

yang mereka dibuat (C, H, 0) adalah cahaya, dan karena mereka umumnya mengadopsi struktur

yang tidak dekat-dikemas. Keramik - bahkan yang di mana atom dikemas erat - yang rata-rata,

sedikit kurang padat maka logam karena kebanyakan dari mereka mengandung atom ringan

seperti 0, N dan C. Komposit memiliki kepadatan yang hanya rata-rata bahan yang mereka

dibuat.

Bacaan lebih lanjut

A. H. Cottrell, Sifat Mekanik Cetakan, Wiley, 1964, Chap. 3 (untuk logam). D. W. Richerson,

Teknik Keramik Modern, Marcel Dekker (untuk keramik). I. M. Ward, Sifat Mekanik Polimer

padat, 2nd edition, Wiley, 1983 (untuk polimer).

Bab 6

Fisika Dasar Oleh Modulus Young

Pengantar

Kini kita berada dalam posisi untuk membawa faktor-faktor yang mendasari modulmaterial bersama-sama. Pertama, mari kita melihat kembali pada Gambar. 3.5, diagrambatangnya menunjukan modulus dari material. Ingat bahwa kebanyakan keramik dan

logam memiliki modul dalam kisaran yang relatif sempit: 30-300 GN . Semen dan

beton (45 GN mendekati dasar dari rentangan tadi. Aluminium (69 GN lebih

tinggi lagi; dan besi (200 GN ) adalah mendekati bagian tertinggi. Bahan-bahan yangspecial, memang benar, terletak diluar itu � diamon dan tungsten terletak diatas; es danseterusnya terletak lebih dibawah � tetapi kebanyakan material Kristal terletak direntangan yang cukup sempit. Polimer sangat berbeda: semua polimer memiliki modulyang lebih kecil, beberapa kali lipat. Mengapa demikian? Apa yang menentukan tingkatumum dari modul di benda padat? Dan adakah kemungkinan memproduksi polimer keras

Sekarang kita akan membahas modulus dari keramik, besi, polimer, dan gabungan,yang berhubungan dengan struktur mereka.

Modul Kristal

Seperti yang kita bahas di Bab 4, atom dalam Kristal dipegang bersama oleh rantai yangberlaku seperti pegas kecil. Kita mendefinisikan kekakuan dari salah satu rantai tersebutsebagai

(6.1)

Untuk tegangan kecil, bertahan secara konstan ( ini pegas konstan dari rantainya ). Iniberarti kekuatan antara sepasang atom , terpisahkan oleh jarak (

F ( (6.2)

Bayangkan, sekarang ada sebuah benda padat dipegang bersamaoleh sebuah pegas kecil,menghubungkan atom antara dua bidang antara material yang ditunjukan dalam Gambar.

6.1. Untuk mempermudahnya kita akan menaruh atom pada sudut dari kubus di bagian .Supaya sesuai, tentu saja kita harus menarik keluar atom dalam posisi yang ditentukanoleh struktur Kristal dari bahan tertentu, tetapi kita tidak akan pergi terlalu jauh keluardalam penghiitungan kita dengan membuat menyederhanakan asumsi � dan itu membuatgambaran situasi fisik jauh lebih mudah!

Gambar. 6.1. Metode perhitungan milik Modulus Young dari kekuatan sebuah rantai individu.

Sekarang, kekuatan total yang diberikan di seluruh satuan area, jika dua bidang datar

ditarik memisah sebuah jarak (r - ) didefinisikan sebagai tegangan !, dengan

N adalah nomor dari rantai / satuan luas, sama sampai 1/ ( adalah rata-rata area

per-atom). Kita rubah penggantian (r - ) ke-tegangan dengan membagi dengan jarak

awal, maka berarti

(6.4)

Modulus Young, sebelumnya hanya seperti

bisa dihitung secara teori berasal dari U(r) lengkung dari semacam itu dijelaskan di Bab

4. Ini adalah bidang dari padat- pernyataan dari ahli fisika dan ahli kimia kuantum, tetapi

kita akan mempertimbangkan salah satu contoh: rantai ion, yang dimana U(r) sudah

diberikan di persamaan. (4.3). Membedakan sekali sehubungan dengan r memberikan

kekuatan atom, dimana harus dan tentu menjadi Nol pada r = (karena materi tidak akan

berbalik ke seimbang, tetapi akan berpindah). Ini akan memberikan nilai konstan B dalam

persamaan (4.3):

Dimana q adalah elektron penambah dan permitivitas dari sebuah kekosongan.

Lalu, persamaan (6.1) untuk memberikan

Dimana = (n � 1). Tetapi ketertarikan coulomb adalah interaksi jangka panjang (inibervariasi sebagai 1/r; sebagai contoh untuk interaksi jangka pendek adalah satu yang

bervariasi sebagai 1/ ). Oleh karena itu, pemberian Ion tidak hanya berinteraksi

(menarik) dengan cangkangnya yang berdekatan dengan enam Ion , itu juga

berinteraksi (secara bertolak belakang) dengan 12 Ion yang sedikit lebih jauh, dengan

8 Ion yang melebihinya, dan dengan 6 Ion yang merubah cangkang diluarnya.

Untuk menghitung secara benar, kita harus menjumlahkan secara total semua rantaiini, mengambil gaya tarik dan gaya tolak dengan benar kedalam perhitungan. Hasilnya

identic dengan persamaan. (6.7), dengan .

Table Konstanta Fisika didalam sampul depannya memberi nilai untuk q dan ; dan

sebagai jarak atom, dekat dengan 2.5x m. Menambahkan nilai ini akanmemberikan:

Kekuatan dari tiap tipe rantai yang berbeda dihitung dengan cara yang hampir sama(secara umum, penjumlahan rumit seperti diatas tidak diperlukan karena memilikiinteraksi jarak dekat). Hasilan pembagian dari kekuatan rantai di atas ditunjukan sebagaiberikut di Tabel 6.1.

Tabel 6.1 Hasil pembagian dari kekuatan rantai

Jenis Ikatan

E(GPa); dari persamaan.

(6.5)

(dengan = 2.5 x m)

Kovalen, contohnya : C-C 50 - 180 200 - 1000

Metalik, contohnya : Cu-Cu 15 - 75 60 - 300

Ion, contohnya : Na-CI 8 - 24 32 - 96

Rantai-H, contohnya : O- O 2 - 3 8 - 12

Van der Waals, contohnya :Polimer

0.5 - 1 2 - 4

Perbandingan ini mempekirakan nilai dari E dengan diukur diplot nilai dalamgrafik dari Gambar. 3.5 menunjukan bahwa, untuk logam dan keramik, nilai dari E kitahitung dengan benar: ide memperlonggar rantai menjelaskan ketebalan dari semua bendapadat ini. Kita bisa senang karena kita dapat menjelaskan modulus dari kelas-kelas bendapadat ini. Tetapi ada paradok yang masih tersisa: terdapat berbagai macam jenis polimer

dan karet yang memiliki modul yang lebih kecil �diatas faktor dari 100- dari yang

terendah yang telah kita hitung. Kenapa demikian? Apa yang menentukan modu006Cdari polimer yang terkulai jika ini bukanlah pegas diantara atom-atom? Kita akanmenjelaskan ini dalam pertemuan berikutnya.

Karet dan perubahan suhu kaca

Semua polimer, jika sangat padat, harus memiliki modulus diatas tingkat terendah yang

sudah kita hitung - sekitar 2GN - sejak mereka dipegang bersama-sama dengan Vander Waals dan sebagian dengan ikatan kovalen. Jika kamu mengambil karet tabung biasa(sebuah polimer) dan didinginkan dengan nitrogen cair, polimer tersebut akan berubah

menjadi kaku �modulusnya meningkat tiba-tiba dari sekitar GN ke sebuah nilai

yang �tepat� dari 4GN . Tetapi jika kamu ingin menghangatkannya lagi, modulusnya

akan turun kembali ke GN .Ini karena karet, seperti kebanyak polimer, terdiri dari seperti rantai karbon atom

panjang yang seperti spageti, semua terikat bersama seperti yang kita lihat di Bab 5.Dalam kasus karet, rantainya juga sedikit berikatan silang seperti yang terlihat di Gambar.5.10. Terdapat ikatan kovalen sepanjang rantai karbon, dan dimana pada saat tertentudisana terdapat ikatan bersilan. Mereka sangatlah keras, tetapi mereka berkontribusisangat sedikit untuk keseluruhan modulus karena saat kamu masukan strukturnya adalahstruktur ikatan Van der Waals yang lembek diantara rantai yang renggang dan ini lahyang menentukan modulus.

Baik, itulah yang terjadi pada suhu rendah, saat karetnya memiliki modulus yang�tepat� dari sedikit GPa. Sebagai karet yang bersuhu diatas suhu ruangan, ikatan Van derWaals meleleh. (Faktanya, kekuatan dari ikatannya sangat proporsional ke titik lelehnya:itulah mengapa berlian, yang memiliki titik leleh paling tinggi dari material manapun,juga memiliki modulus tertinggi.) Karet tetap padat dikarenakan oleh ikatan bersilangyang membentuk semacam rangka: tapi saat kamu masukan itu, rantainya akan meluncurdiatas tempat masing -masing dimana tidak terdapat berikatan menyilang. Ini, tentunya,

memberikan tegangan ekstra, dan modulusnya akan menurun. (Ingat, E = ).

Gambar. 6.2. Bagaimana Modulus Young meningkat dengan peningkatan massa jenis dari kovalen

ikatan menyilang dalam polimer, termasuk karet diatas suhu kaca. Dibawah , modulus karet

meningkat ditandai karena ikatan Van der Waals memegangnya. Diatas meleleh, danmodulusnya jatuh.

Banyak dari polimer yang paling kendor memiliki setengah meleleh dalam cara ini dalam

suhu ruangan. Suhu saat dimana ini terjadi disebut suhu kaca, , untuk polimernya.Beberapa polimer, yang tidak memiliki ikatan silang, meleleh secara keseluruhan pada

suhu diatas , menjadi cairan kental. Yang lain, yang terdapa ikatan silang, menjadikasar (seperti PVC) atau elastis (seperti polisterin butadiene). Beberapa tipe nilai untuk

adalah polymethylmethacrylate (PMMA, atau Perspex), 100 ; polystyrene (PS),

90 polyethylene (bentuk massa jenis rendah), -20 karet alami, -40 . Sebagai

kesimpulan, diatas polimer itu kasar, elastis dan dapat meleleh; dibawah ini, adalah

benda padat yang benar dengan modulus setidaknya 2GN . Sifat ini dapatdiperlihatkan di Gambar. 6.2 yang juga menunjukan bagaimana kekuatan dari sebuahpolimer meningkat bersamaan dengan peningkat massa jenis kovalen ikatan bersilang,terhadap nilai dari berlian (yang dimana singkatnya sebuah polimer dengan 100%ikatannya bersilangan, Gambar. 4.7). Kekerasan polimer, kemudian, memilikikemungkinan; kekerasannya sekarang tersedia dan memiliki modulus yang sebandingdengan aluminium.

KompositApakah memungkinkan untuk membuat polimer yang lebih tebal dari ikatan Van derWaals yang biasanya mengeratkan mereka? Jawabannya adalah YA �jika kitamencampur polimer yang kedua, dengan bahan yang lebih keras. Contoh material yangmemiliki yang kekerasan bagus dalam hal ini adalah:a) GFRP � Kaca Diperkuat Serat Polimer, dimana polimer dipertebal atau diperkuat

dengan serat-serat optik panjang dari kaca soda;b) CFRP � Polimer Diperkuat Serat Karbon, dimana penguatan didapatkan dengan serat-

serat optik dari grafit;c) KFRP � Polimer Diperkuat Serat Kevlar, menggunakan serat-serat Kevlar (sebuah

polimer yang unik dengan massa jenis yang tinggi dari ikatan kovalen yangberorientasi sepanjang sumbu serat) sebagai pengeras;

d) Polimer yang Terisi � Polimer untuk kaca serbuk atau tepung silica yang telahdicampur untuk memperkuatnya;

e) Kayu � Gabungan alami dari komposit lignin (sebuah polimer yang tak berbentuk)diperkeras dengan serat-serat dari selulosa.

Diagram batang dari modulus (Gambar. 3.5) menunjukan bahwa komposit dapat memilikimodulus yang jauh lebih tinggi dibandingkan dengan matriks-matriks tersebut. Dan inijuga menunjukan bahwa mereka juga bisa merubah menjadi sangat anisotropic berartibahwa modulus itu lebih tinggi dalam beberapa arah dari pada yang lainnya. Kayu adalah

contoh : ini adalah modulus, diukur secara parallel pada seratnya, sekitar 10GN 2; di

sudut yang tepat untuk ini, kurang dari 1GN 2

Terdapat cara sederhana untuk memperkirakan modulus diperkuat serat komposit.

Misalkan kita menekan komposit, yang mengandung fraksi volume dari serat, paralel

serat (lihat Gambar. 6.3 (a)). Dimasukkan dalam arah ini, ketegangannya, dalamserat-seratnya dan matriks yang sama. Tekanan yang dibawa oleh komposit adalah

Dimana subskripnya f dan m mengacu pada serat dan matriks masing-masing.

Sejak kita dapat menulis ulang sebagai:

Gambar. 6.3. sebuah serat yang diperkuat komposit dimasukan dalam arah yang dimana

modulusnya adalah (a) sebuah maksimum, (b) sebuah minimum.

Tetapi sejak kita temukan

(6.8)

Ini memberikan kita perkiraan yang lebih tinggi, untuk modulus dari serat komposit yangdiperkuat kita. Modulusnya tidak dapat lebhh besar daripada ini, sejak ketegangan dalamkekerasan serat yang tak akan lebih baik dari pada itu di matriks.Bagaimana bisa modulus tersebut dapat berkurang? Seharusnya kita memasukangabungan dengan cara yang berlawanan, pada sudut yang tepat ke serat (seperti dalamGambar. 6.3(b)) ini sekarang menjadi lebih masuk akal untuk dianggap bahwatekanannya, bukan merupakan ketegangannya, dalam dua komponen adalah sama. Jikaini benar, maka total angka tegangannya tetapi berat yang sudah dijumlahkan dariketegangan individu:

Menggunakan memberikan:

Modulusnya adalah tetap , maka

Walaupun tidak terlalu mencolok, ini merupakan batas yang lebih rendah dari modulus �tidak ada yang lebih rendah dari ini.Perkiraan keduanya, jika digambarkan, terlihat seperti didalam Gambar. 6.4. Inimenjelaskan kenapa serat yang diperkuat digabung seperti kayu dan GFRP sangat kerasdiantara arah diperkuat (garis yang lebih diatas dari bilangan) dan sekarang sangat tidakkaku pada sudut yang tepat dengan arah menuju ke penguatan (garis yang lebih rendah),ini menjelaskan anisotropi mereka. Anisotropi adalah apa yang anda inginkan � sepertipada poros dari raket atau sebuah kubah tiang. Terkadang ini tak akan seperti itu, lalulapisan-lapisan dari serat dapat dilaminating dengan cara silang menyilang, sepertimereka berada dalam tubuh kerang dari balap Fromula 1.

Gambar. 6.4. Gabungan modulus untuk berbagai fraksi volume dari kekakuan, menunjukan batasyang lebih datas dan lebih dibawah dari persamaan (6.8) dan (6.9).

Tidak semua komposit mengandung serat. Material juga bisa dikeraskan oleh partikel(kurang lebih berbentuk bulat). Teorinya adalah,salah satu bisa dibayangkan, lebih sulitdaripada gabungan serat yang diperkuat; dan ini juga terlalu maju jika dibicarakan disini.Tapi ini sangat bermanfaat untuk diketahui bahwa modulus ini juga disebut gabunganyang terletak diantara diatas dan dibawah limit dari persamaan (6.8) dan (6.9), lebih dekatdengan yang dibawahan daripada yang diatas, seperti yang ditunjukan dalam Gambar.6.4. Sekarang, ini jauh lebih murah untuk mencampur pasir menjadi sebuah polimerdaripada untuk meluruskan secara hati-hati secara special memproduksi serat kaca dalampolimer yang sama. Demikian sederhananya meningkat dalam kekakuan yang diberikandari partikel adalah bermanfaat secara ekonomi. Secara alami hasil dari komposit adalahisotropic, dibandingkan anistropic seperti yang akan menjadi kasus di gabungan seratyang diperkuat; an ini, juga, bisa menjadi sebuah keuntungan. Ini diisi dengan polimeryang bisa dibentuk dan dicetak dengan cara yang biasa (kebanyakan dari serat yangdiperkuat tidak bisa) dan sangat murah untuk dibuat. Banyak polimer yang ada dalamkehidupan sehari-hari �seperti mobil dan sepeda, peralatan rumah tangga dan yanglainnya� adalah, secara fakta, terisi.

Rangkuman

Modulus dari logam, keramik, polimer yang berkaca dibawah mencerminkankekakuan dari ikatan yang menghubungkan atom. Kaca dan polimer yag berkaca diatas

adalah kulit, karet atau cairan kental, dan memiliki modulus yang jauh lebih rendah.Komposit memiliki modulus dimana tertimbang rata-rata dari komponen mereka.

Daftar Pustaka

A. H. Cottrell, The Mechanical Properties of Matter, Wiley, 1964, Bab. 4.D. Hull, An Introduction to Composite Materials, Univesitas Cambridge Press, 1981,(komposit).C. Kittel, Introduction to Solid State Physics, edisi ke-4, Wiley, 1971, Bab 3 and 4 (besidan keramik).P. C. Powell, Engineering with Polymers, Chapman and Hall, 1983, Bab. 2 (polimer).

Bab 7. Studi Kasus Desain Modulus Terbatas

STUDI KASUS 1: TELESKOP KACA � MENGEMBANGKAN PEMILIHAN

MATERIAL UNTUK MEMINIMALISIR DEFLEKSI DARI BERAT MATERIAL

Pengantar

Teleskop cermin tunggal terbesar di duniaterletak di Gunung Semivodrike, dekatZelenchukskaya di Pegunungan Kaukasus. Diameter cermin adalah 6m (236 inci), tetapitidak pernah bekerja dengan sangat baik. Single-mirror reflektorterbesar yang dapat bekerjadengan baikberada di Gunung Palomar di California; berdiameter 5.08 m (200 inci). Untukmenjadi cukup kuat, cermin (yang terbuat dari kaca) memliki tebal sekitar 1 m dan berat 70ton. *

Biaya teleskop 5m, seperti teleskop itusendiri, astronomi � sekitar UK£120 m atau US $ 180m. Biaya ini bervariasi sesuai dengan kuadrat dari berat cermin dan naik sangat tajam setiapdiameter cermin meningkat. Kaca sendiri berharga sekitar 5% dari total biaya teleskop.Sisanya masuk pada mekanisme yang menahan, memposisikan dan menggerakkan cerminsesuai dengan jalurnya di langit (Gambar. 7.1). Ini harus menjadi begitu kuat sehingga posisicermin relatif mengumpulkan system-sistem dengan presisi hampir sama dengan yang adapada panjang gelombang cahaya. Pada awalnya, jika Anda menggandakan massa cermin M,Anda hanya perlu dua menggandakan bagian dari struktur yang menahan itu untuk menjagatekanan (dan karenanya strain dan lendutan) yang sama, tetapi ini tidak benar karena strukturyang lebih berat berdefleksi dari beratnya sendiri. Dalam prakteknya, Anda harusmenambahkan lebih banyak bagian untuk memungkinkan ini terjadi sehingga volume (dandengan demikian biaya) dari struktur berjalan seperti M2. Kendala utama untuk membangunteleskop besar tersebut adalah biaya.

Sebelum pergantian abad, cermin terbuat dari spekulum logam, tembaga-timah alloy (Earl ofRosse (1800-18671, yang tinggal di Irlandia,menemukan spiralgalaksi) tetapi mereka tidakpernah mendapat lebih besar dari 1 m karena beratnya. Sejak itu, cermin telah terbuat darikaca, perak pada permukaan depan, sehingga tidak ada sifat optik kaca yang digunakan. Kacadipilih untuk sifat mekaniknya saja; 70 ton kaca hanya dukungan yang sangat rumit untuk100 nm (sekitar 30 g) dari perak. Bisa saja, dengan mengambil langkah radikal baru di desaincermin, menyarankan yang mungkin untuk konstruksicermin besar yang jauh lebih ringan(dan lebih murah) daripada yang sekarang.

* Teleskop terbesar di dunia adalah 10 m Keck reflektor. Ini terbuat dari 36 segmen yang terpisah

masing-masing dikontrol secara independen

Ara. 7.1. Teleskop Infra Merah Inggris di Mauna Kea, Hawaii. Gambar menunjukkan tempat untuk

cermin berdiameter 3,8 m, frame mendukung, dan interior kubah aluminium dengan 'jendela' geser

(1979oleh Photolabs, Royal Observatory, Edinburgh.)

Kombinasi Optimal Sifat Elastis Untuk Dukungan Cermin

Mempertimbangkan pemilihan bahan untuk dukungan cermin dari 200-inch (5m)diameter teleskop. Kami ingin mengidentifikasi bahan yang memberikan cermin yangakanmendistorsi kurang dari panjang gelombang cahaya ketika bergerak, dan memilikiminimumberat. Kami akan membatasi diri untuk kriteria ini saja untuk saat ini - kami akanmeninggalkan masalah grinding bentuk parabola dan mendapatkan permukaan optik yangsempurna untuk tim riset pengembangan.

Sederhananya, cermin adalah disk melingkar, dengan diameter 2a dan berarti ketebalan t,hanya didukung di pinggiran nya (Gambar. 7.2). Ketika horisontal, itu akan membelokkansesuai berat sendiri M; ketika vertikal, itu tidak akan membelokkan signifikan. Kami ingindistorsi ini(Yang mengubah panjang fokus dan memperkenalkan penyimpangan dalamcermin) untuk menjadi kecil.

Ara. 7.2. Defleksi elastis dari cermin teleskop, ditampilkan kesederhanaan jauh sebagai disc datar berwajah, di

bawah sendiri

berat.

Cukup bahwa itu tidak secara signifikan mengurangi kinerja cermin. Dalam praktek, iniberarti bahwa defleksi ! dari titik tengah dari cermin harus kurang dari panjang gelombangcahaya. Kami harus mensyaratkan, karena itu, bahwa cermin membelokkan kurang dari = 1km di pusatnya. Ini adalah pembatasan sangat ketat. Untungnya, hal itu bisa sebagian diatasidengan rekayasa desain tanpa mengacu pada material yang digunakan. Dengan menggunakanpenyeimbang beban atau hidrolik jack, cermin dapat didukung dengan mendistribusikantekanan atas permukaan punggungnya yang dibuat bervariasi secara otomatis sesuai dengansikap cermin (Gambar. 7.3). Namun demikian, keterbatasan kompensasi ini sistem masihmemerlukan cermin memiliki kekakuan dimana ! menjadi kurang dari 10 km.Anda akan menemukan formula untuk defleksi elastis piring dan balok di bawah berat badanmereka sendiri dalam teks standar pada mekanik atau struktur (satu terdaftar di daftar pustakadi akhir bab ini. Kita hanya perlu satu rumus di sini: itu adalah bahwa untuk defleksi !, daripusat disc horisontal, hanya mencakup pada

Ara. 7.3. Distorsi cermin berdasar beratnya sendiri dapat dikoreksi oleh pasukan menerapkan (ditampilkan sebagai

panah) ke permukaan kembali.

pinggiran (yang berarti bahwa ia bersandar di sana tetapi tidak dijepit) karena beratnyasendiri.

(Untuk bahan yang memiliki rasio Poisson cukup dekat dengan 0,33). Keofisien g padapersamaan adalah percepatan gravitasi. Kita perlu untuk meminimalkan massa untuk mendapatnilai 2u (5 m) dan ! (10µm). Massa dapat dinyatakan sebagai berikut :

di mana p adalah densitas material. Kita bisa membuatnya lebih kecil dengan mengurangi tketebalan-tapi ada kendala: jika kita mengurangi terlalu banyak defleksi ! dari eqn. (7.1)akan terlalu besar. Jadi kita memecahkan eqn. (7.1) untuk t (memberikan t yang cukup besaruntuk menjaga defleksi ! dan kita mengganti ini ke eqn. (7.2) memberikan

Jelas, satu-satunya variabel kiri di sisi kanan persamaan. (7.3) adalah materisifat p dan E. Untuk meminimalkan M, kita harus memilih bahan yang memiliki terkecilmungkin nilai

mana M1 disebut 'indeks materi'. Mari kita memeriksa nilai-nilai untuk beberapa bahan. Datauntuk E bisa kita ambil dari Tabel 3.1 dalam Bab 3; mereka untuk kepadatan, dari Tabel 5.1di Bab 5. nilai-nilai yang dihasilkan dari indeks M, yang seperti yang ditunjukkan pada Tabel7.1.

Tabel 7.1 Cermin untuk teleskop 200 inci

Kesimpulan

Bahan yang optimal adalah CF'RP. Yang terbaik berikutnya adalah busa poliuretan. Kayujelas praktis, tetapi berilium lebih baik. Kaca lebih baik dari baja, aluminium atau beton(Itulah sebabnya kebanyakan cermin terbuat dari kaca), tapi banyak kurang baik: - beriliumtan, yang digunakan untuk cermin saat biaya tidak menjadi masalah.Kita harus, tentu saja, meneliti aspek lain dari pilihan ini. Massa cermin dapat dihitung darieqn. (7.3) untuk berbagai bahan yang tercantum pada Tabel 7.1. Perhatikan bahwa busapoliuretan dan cermin CFRP kira-kira seperlima berat kaca tunggal, dan bahwa struktur yangdiperlukan untuk mendukung cermin CRFPbisa sebanyak 25 kali lebih murah daripadastruktur yang dibutuhkan untuk mendukung sebuah kaca ortodoks. Sekarang bahwa kitamemiliki massa M, kita dapat menghitung t ketebalan dari eqn (7,2). nilai-nilai f untukberbagai bahan yang diberikan pada Tabel 7.1. Kaca mirrar harus sekitar 1 m tebal (Dancermin nyata tentang tebal ini); cermin CFRP yang didukung hanya perlu 0,38 m tebal.Cermin busa poliuretan harus sangat tebal - meskipun tidak ada alasan mengapa satu tidakbisa membuat sebuah kubus 6 m busa tersebut.Beberapa solusi di atas - seperti penggunaan busa poliuretan untuk cermin � mungkin pada

awalnya tampak ridiculously tidak praktis.Tapi potensi penghematan biaya (Urn5 m atau US$ 7,5 m per teleskop di tempat Urn120 m atau US $ 180 m) begitu menarik bahwa merekalayak memeriksa erat. Ada cara casting film tipis karet silikon, atau epoxy, ke permukaancermin-backing (polyurethane atau CFRP) untuk memberikan permukaan optik halus yangdapat keperakan. Kendala yang paling jelas adalah kurangnya stabilitas polimer - merekamengubah dimensi dengan usia, kelembaban, suhu dan sebagainya. Tapi kaca itu sendiridapat berbusa untuk memberikan materi dengan kepadatan tidak lebih besar dari busapoliuretan, dan stabilitas yang sama seperti kaca padat, sehingga studi semacam ini bisamenyarankan solusi baru yang radikal untuk merancang masalah dengan menunjukkan kelasbagaimana baru bahan dapat digunakan.

STUDI KASUS 2: PEMLIHAN BAHAN UNTUK MEMBERIKANKEKAKUAN

DENGANBERAT MINIMUM

Pengantar

Banyak struktur mengharuskan balok mempertahankan gaya F tertentu tanpa membelokkanlebih dari jumlah yang diberikan, !. Jika, di samping itu, bentuk-bentuk balok bagian darisistem transportasi � a pesawat atau roket, atau kereta api - atau sesuatu yang harus dilakukanatau dipindahkan � ransel misalnya - maka itu diinginkan, juga, untuk meminimalkan berat.Berikut ini, kita akan mempertimbangkan kantilever balok tunggal, bagian persegi, dan akanmenganalisis kebutuhan bahan untuk meminimalkan berat untuk kekakuan diberikan. Ituhasilnya cukup umum dalam bahwa mereka berlaku untuk apapun balok persegi bagian, dandapat dengan mudah dimodifikasi untuk menangani balok dari bagian lainnya: tabung, I-balok, kotak-bagian dan sebagainya.

Ara. 7.4. 8 Defleksi Elastis dari balok kantilever di bawah gaya F dikenakan eksternal:

Analisis

Alun-penampang balok panjang 1 (ditentukan oleh desain struktur, dan sehingga tetap) danketebalan t (variabel) diadakan secara kaku di salah satu ujung sementara gaya F (yangkekuatan pelayanan yang maksimal) diterapkan ke yang lain, seperti ditunjukkan padaGambar. 7.4. Teks-teks yang sama yang daftar defleksi cakram memberikan persamaan untukdefleksi elastis balok. Itu Formula yang kami inginkan adalah

(Mengabaikan berat sendiri).Massa balok diberikan oleh

Seperti sebelumnya, massa balok dapat dikurangi dengan mengurangi t, tetapi hanya sejauhitu tidak bias terlalu banyak. Ketebalan karena dibatasi oleh eqn. (7.5). pemecahan ini untuk tdan memasukkannya ke dalam persamaan terakhir memberikan:

Massa balok, untuk diberikan kekakuan F / S, diminimalkan dengan memilih bahan dengannilai minimum indeks bahan

Kolom kedua angka pada Tabel 7.2 memberikan nilai untuk M2.

Tabel 7.2 Data untuk berkas yang diberikan kekakuan

Kesimpulan

Tabel tersebut menunjukkan bahwa kayu adalah salah satu bahan terbaik untuk balok kaku -itu sebabnya begitu banyak digunakan di gedung-skala kecil, untuk pegangan raket dan porosdari golfclubs, untuk kubah kutub, bahkan untuk membangun pesawat. Busa poliuretan tidakbaik sama sekali Kriteria -the sini cukup berbeda dari studi kasus pertama. Satu-satunyabahan yang jelas lebih unggul kayu CFRP - dan itu akan mengurangi massa baloksangat substansial: dengan faktor 0,17 / 0,09, atau sangat hampir faktor 2. Itu sebabnyaCFRP digunakan ketika berat badan hemat adalah kriteria desain utama. Tapi seperti yangkita akan lihat dalam sekejap, sangat mahal.Mengapa, kemudian, yang sepeda tidak terbuat dari kayu? (Ada waktu ketika mereka.) Itukarena logam, dan polimer, juga dapat mudah dilakukan dalam tabung; dengan kayu itu lebihsulit. Rumus untuk lentur tabung tergantung pada massa tabung dengan cara yang berbedadaripada yang dari balok solid, dan optimasi yang kita miliki hanya dilakukan - yang cukupmudah untuk mengulang - nikmat tabung.

STUDI KASUS 3: PEMILIHA BAHAN UTMUK MEMINIMALKAN BIAYA BAHAN

YANGAKAN DIBERIKAN KEKAKUAN

Pengantar

Seringkali tidak berat, tetapi biaya struktur yang merupakan kriteria utama. Misalkan telahterjadi dengan balok kantilever yang baru saja kita dianggap. Akan kesimpulan kami telahsama? Akan kita masih memilih kayu? Dan bagaimana jauh lebih mahal akan pengganti olehCFRP menjadi?

Analisis

Harga per tonbahan adalah yang pertama dari sifat-sifat. Harga total balok, kasar, adalahberat kali balok p (Meskipun ini mungkin mengabaikan aspek-aspek tertentu dari pembuatan)

Oleh karena itu sinar harga minimum adalah satu dengan nilai terendah indeks

Nilai untuk M3 diberikan dalam Tabel 7.2, dengan harga yang diambil dari tabel di Bab 2.

Kesimpulan

Beton dan kayu adalah bahan termurah digunakan untuk balok telah diberikan kekakuan.biaya baja lebih; tetapi dapat digulung untuk memberikan I-bagian balok yang memiliki rasiokekakuan-to-weight jauh lebih baik daripada persegi penampang balok padat kamitelahmenganalisis sini. Ini mengkompensasi biaya agak tinggi baja, dan account untuPenggunaan dipertukarkan baja, kayu dan beton yang kita bicarakan di jembatan konstruksidi Bab 1. Akhirnya, balok ringan (CFRP) biaya lebih dari 100 kali bahwa dari kayu satu - danbiaya ini di aturan ini keluar CFRP untuk semua tapi yang paling aplikasi khusus sepertikomponen pesawat atau peralatan olahraga canggih. Tapi biaya CFRP jatuh karena pasaruntukmengembang. Jika (seperti sekarang tampaknya mungkin) nya pasar yang terustumbuh,harganya bisa jatuh ke tingkat di mana ia akan bersaing dengan logam dalam banyakaplikasi.

Daftar Pustaka

BAB 8

KEKUATAN LULUH, KEKUATAN TARIK, KETAHANAN

DAN ELASTISITAS

PENGENALAN

Semua padatan memiliki batas elastis luar yang tertentu.Padatan yang benar � benar

rapuh akan patah, baik tiba � tiba (seperti kaca) atau bertahap (seperti semen atau beton).

Kebanyakan bahan teknik melakukan sesuatu yang berbeda; mereka merusak plastis atau

merubah bentuk mereka dengan carapermanen. Hal ini penting untuk mengetahui kapan, dan

bagaimana, mereka melakukan hal ini � keduanya. sehingga kita dapat merancang struktur

yang akan menahan beban pelayanan normal tanpa deformasi permanen, dan agar kita dapat

merancang pabrik rolling, pengepres lapisan, dan penempaan mesin yang akan cukup kuat

untuk memaksakan deformasi yang diinginkan ke bahan yang kita ingin bentuk. Untuk

mempelajari ini, kita tarik sampel yang dipersiapkan dengan cermat dalam mesin tarik-

pengujian, atau kompres mereka dalam mesin kompresi (yang akan kita uraikan nanti), dan

mencatat ketegangan yang diperlukan untuk menghasilkan regangan tertentu.

Linier dan elastisitas nonlinear ; perilaku anelastik.

Gambar 8.1 menunjukkan kurva tegangan-regangan dari bahan yang menunjukkan

perilaku elastis linear sempurna.Ini adalah perilaku yang ditandai dengan Hukum Hooke (Bab

3). Semua padatan linear elastis di regangan kecil - yang biasanya kita maksud kurang dari

0.001, atau 0,1%. Kemiringan garis tegangan-regangan, yang sama dalam kompresi seperti

dalam ketegangan

Gambar. 8.1. perilaku tegangan-regangan untuk padatan elastis linear. Sumbu yang dikalibrasi untuk

bahan seperti baja.

Gambar. 8.2. perilaku tegangan-regangan untuk padatan elastis non-linear. Sumbu yang

dikalibrasi untuk bahan seperti karet.

tentu saja Young Modulus, E. Daerah (diarsir) adalah energi elastis yang tersimpan,

per satuan volume: karena itu adalah padatan elastis, kita bisa mendapatkan semuanya

kembali jika kita membongkar padatan, yang berperilaku seperti pegas linear.

Gambar 8.2 menunjukkan padatan elastis non-linear.Karet memiliki kurva tegangan-

regangan seperti ini, memperluas ke regangan yang sangat besar (dari urutan 5).bahan masih

elastis: jika dibongkar, maka turun kearah yang sama seperti di atas, dan semua energi yang

tersimpan, per satuan volume, selamamuatan pulih pada bongkaran - itu sebabnya ketapel

sangat mematikan seperti biasanya.

Terakhir, Gambar. 8.3 menunjukkan bentuk ketiga dari perilaku elastis ditemukan

dalam bahan tertentu.Ini disebut perilaku anelastik. Semua padatan anelastikpada tingkatan

yang kecil: bahkan dalam regem dimana mereka berada secara nominal elastis, kurva muatan

tidak persis mengikuti kurva bongkaran, dan energi didisipasikan (sama dengan daerah yang

diarsir) ketika padatanberulang. Kadang-kadang ini berguna - jika Anda ingin meredam

getaran atau kebisingan, contohnya;

Gambar. 8.3. perilaku tegangan-regangan untuk padat anelastic. Sumbu yang

dikalibrasi untuk serat kaca

Anda dapat melakukannya dengan polimer atau dengan logam lunak (seperti

timah) yang memiliki kapasitas tinggi redaman (kerugian anelastic tinggi).Tapi redaman

sering seperti tidak diinginkan - mata air dan lonceng, misalnya, terbuat dari bahan dengan

kemungkinan redaman kapasitas termurah (baja pegas, perunggu, kaca).

kurva beban-ekstensi untuk non-elastis (plastik) perilaku.

Karet yang luar biasa dalam berperilaku reversibel, atau hampir reversibel,

untuk regangan yang tinggi; seperti yang kita katakan, hampir semua bahan, ketikategang

oleh lebih dari sekitar 0.001 (0,1%), melakukan sesuatu ireversibel: dan sebagian besar

bahan teknik berdeformasi secara plastis untuk mengubah bentuknya secara permanen. Jika

kita memuat sepotong logam ulet (seperti tembaga), misalnya dalam tegangan, kita

mendapatkan hubungan berikut antara beban dan ekstensi (Gambar. 8.4).

Gambar. 8.4. kurva beban-ekstensi untuk sebuah bar logam ulet (i.s. dianil tembaga)

ditarik dalam tegangan.

didemonstrasikan dengan baik dengan menarik sepotong plastisin (bahan non-logam

ulet). Awalnya, plastisin berubah bentuk secara elastis, tetapi pada regangan kecil mulai

berubah bentuk secara plastis, sehingga jika beban dihapus, potongan plastisin secara

permanen lebih lama dari pada awal pengujian: itu telah mengalami deformasi plastik (.

Gambar 8.5) . Jika kalian terus menarik, terus melebar, makapada saat yang sama akan

semakin menipis karena volume deformasi plastik dikonservasi (hanya mengalir dari tempat

ke tempat lainnya). Pada akhirnya, plastisin menjadi tidak stabil dan mulai menciut di titik

beban maksimum dalam kurva gaya-ekstensi (Gambar. 8.4). Penciutan merupakan sebuah

ketidakstabilan yang akan kita lihat secara lebih rinci pada Bab 11. Ciutan kemudian tumbuh

cukup pesat, dan beban bahwa spesimen bisa menahan melewati ciutan yang menurun sampai

kerusakan terjadi.

Dua potongan yang dihasilkan setelah kerusakan memiliki total panjang yang sedikit

kurang dari panjang sebelum kerusakan oleh jumlah ekstensi elastis yang dihasilkan oleh

muatan terminal

.

Gambar 8.5.

Jika kita memuat materi di kompresi, kurva gaya-perpindahan hanya kebalikannya

yang untuk ketegangan di regangan kecil, tetapi menjadi berbeda pada regangan yang lebih

besar.Sebagai himpitan spesimen ke bawah, menjadi lebih pendek dan lebih gemuk untuk

melestarikan volume, beban yang diperlukan untuk tetap naik mengalir (Gambar. 8.6). Tidak

ada ketidakstabilan seperti penciutan muncul, dan spesimen dapat terhimpit hampir tanpa

batas, proses ini pada akhirnya hanya dibatasi oleh parahnya retakan pada spesimen atau

aliran plastik dari piring kompresi.

Mengapa perbedaan besar ini dalam perilaku material? Setelah semua, kita

berhadapan dengan bahan yang sama dalam kedua kasus.

Gambar 8.6.

kurva tegangan-regangan sebenarnya untuk aliran plastic

Perbedaan nyata antara kurva untuk ketegangan dan kompresi adalah karena semata-

mata untuk geometri pengujian. Jika, bukannya merencanakan beban, kami merencanakan

beban dibagi dengan luas sebenarnya dari spesimen, A, setiap perpanjangan atau kompresi

tertentu, kedua kurva menjadi jauh lebih seperti satu sama lain. Dengan kata lain, kita hanya

merencanakan tegangan sebenarnya (lihat Bab 3) sebagai vertikal koordinasi (Gambar. 8.7).

Metode merencanakan memungkinkan untuk penipisan material ketika ditarik dalam

ketegangan, atau penggemukan material ketika terkompresi.

Gambar 8.7.

Tapi dua kurva masih tidak sama persis, seperti Gambar. 8.7 tunjukan. Alasannya

adalah perpindahan (misalnya) u = 10/2 dalam ketegangan dan kompresi memberikan

regangan yang berbeda; itu merupakan gambar dari spesimen tarik dari lo ke1.5 lo, tapi

meremas turun dari spesimen tekan dari lo ke 0,510. Bahan dari spesimen kompresi demikian

telah mengalami deformasi plastik jauh lebih dari bahan dalam spesimen tarik, dan hampir

tidak dapat diharapkan berada di keadaan yang sama, atau untuk menunjukkan perlawanan

yang sama terhadap deformasi plastik. Dua kondisi dapat dibandingkan baik dengan

mengambil kenaikan regangan kecil

tentang dimana keadaan materi adalah sama baik untuk ketegangan atau kompresi (Fig.8.8).

Ini adalah sama dengan mengatakan bahwa penurunan panjang dari 100 mm ( I o ) ke 99 mm

(I), atau peningkatan panjang dari 100mm ( I o ) ke 101mm (I) baik mewakili perubahan 1%

di keadaan bagian bahan. Sebenarnya, mereka tidak cukup memberikan tepat 1% dalam

kedua kasus, tentu saja, tetapi mereka di batasi.

Gambar 8.8

Kemudian, jika tekanan kompresi dan ketegangan diplotkan terhadap

dua kurva pasti mencerminkan satu sama lain (Gambar. 8.9). Kuantitas E disebut regangan

yang benar (dipertentangkan dengan regangan nominal u / l o(didefinisikan dalam Bab 3))

dan kurva yang cocok dan benar adalah tegangan regangan nyata(a / �) kurva. Sekarang,

tangkapan akhir.Kita bisa, dari beban-ekstensi atau beban-kompresi kurva asli kita dengan

mudah menghitung E, hanya dengan mengetahui lo dan mengambil kayu alami.Tapi

bagaimana kita menghitung a? Karena volume kekal selama deformasi plastik kita dapat

menulis, di ketegangan,

memberikan tingkat deformasi plastik yang jauh lebih besar daripada tingkat deformasi

elastis (ini biasanya terjadi, tetapi kualifikasi harus disebutkan karena

Gambar 8.9.

Volume hanya dikonservasi selama deformasi elastis jika rasio Poisson v = 0,5; dan, seperti

yang kami tunjukkan di Bab 3, dekat 0,33 untuk berbagai bahan). Demikian

Dan

semua yang kita tahu atau dapat mengukur dengan mudah.

kerjaplastic

Ketika logam digulung atau ditempa, atau ditarikmenjadi kawat, atau ketika polimer injeksi-

dibentuk atau ditekan atau ditarik, energi diserap.Kerja yang dilakukan pada bahan untuk

mengubah bentuknya secara permanen disebut kerja plastik; nilainya, per satuan volume,

adalah luas daerah lintas menetas ditunjukkan pada Gambar. 8,9; mungkin dengan mudah

ditemukan (jika kurva tegangan-regangan dikenal) untuk jumlah deformasi plastik permanen,

E '. kerja plastik adalah penting dalam logam- dan operasi membentuk polimer-karena

menentukan kekuatan yang gulungan, atau tekan, atau mesin cetak harus mengerahkan pada

materi.

Uji Tarik

Sifat plastik material biasanya diukur dengan melakukan uji tarik.peralatan pengujian tarik

adalah standar di semua laboratorium rekayasa. Peralatan tersebut menghasilkan beban /

perpindahan (F / u) kurva untuk materi, yang kemudian dikonversi menjadi stres nominal /

regangan nominal, atau u, / E,, kurva (Gambar. 8.10), di mana

Dan

(Lihat Bab 3, dan di atas). Wajar saja, karena A, dan lo yang konstan, bentuk u, / E, kurva

adalah identik dengan kurva beban-ekstensi.Tapi u, / E, metode memplot memungkinkan

seseorang untuk membandingkan data untuk spesimen memiliki yang berbeda (meskipun

sekarang standar) A. dan lo, dan dengan demikian untuk memeriksa sifat-sifat material, tidak

terpengaruh oleh ukuran spesimen. Keuntungan dari menjaga tekanan dalam unit nominal

dan tidak mengkonversi tekanan asli (seperti yang ditunjukkan di atas) adalah bahwa

timbulnya penciutan yang jelas dapat dilihat pada u,, / E, kurva.

Gambar 8.10.

Sekarang, mari kita mendefinisikan jumlah biasanya terdaftar sebagai hasil uji tarik. Cara

termudah untuk melakukannya adalah untuk menunjukkan kepada mereka pada Uje, kurva

itu sendiri (Gambar. 8.11).yaitu :

!y Kekuatan luluh (F/A0, pada awal aliran plastik)

!o.l% 0,1% ketegangan Bukti (F/A0 pada regangan permanen 0,1%) (0,2% bukti ketegangan

sering dikutip sebagai gantinya. ketegangan Bukti berguna untuk mencirikan hasil

dari bahan yang menghasilkan perlahan, dan tidak menunjukkan titik luluh yang

berbeda.)

!TS kekuatan tarik (F / /Ao saat timbulnya penciutan).

�f (Plastik) regangan setelah patah, atau daktilitas tarik.Potongan-potongan diletakkan

bersama-sama dan diukur, dan �f dihitung dari (I - lo) / lo, di mana l adalah panjang

potongan kemudian dirakit.

Gambar 8.11.

Data

Data untuk kekuatan luluh, kekuatan tarik dan daktilitas tarik diberikan dalam Tabel

8.1 dan ditampilkan pada diagram batang (Gambar. 8.12). Seperti modulus, mereka

menjangkau jarak sekitar lo6: dari sekitar 0,1 MN m- '(untuk busa polistiren) ke hampir

lo5MN m-' (untukBerlian).

Gambar 8.12.Data Grafik batang untuk kekuatan luluh, !y�

Kebanyakan keramik memiliki tekanan luluh besar. Dalam uji tarik, pada suhu kamar,

keramik hampir semua patah lama sebelum mereka luluh: ini adalah karena ketangguhan

perpatahan mereka, yang akan kita bahas nanti, sangat rendah. Karena itu, Anda tidak bisa

mengukur kekuatan luluh keramik dengan menggunakan uji tarik. Sebaliknya, Anda harus

menggunakan tes yang entah bagaimana menekan fraktur: tes kompresi, misalnya. Yang

terbaik dan termudah adalah uji kekerasan: data yang ditampilkan di sini diperoleh dari uji

kekerasan, yang akan kita bahas dalam beberapa saat.

logam murni memang sangat lembut, dan memiliki daktilitas yang tinggi. Ini adalah

apa, selama berabad-abad, telah membuat mereka begitu menarik pada awalnya untuk

perhiasan dan senjata, dan kemudian untuk mengimplementasikan dan struktur lainnya:

mereka dapat bekerja dengan bentuk yang Anda inginkan ; Selanjutnya, kemampuan mereka

untuk bekerja-mengeras berarti bahwa, setelah Anda selesai,

Tabel 8.1 Kekuatan luluh, !y�, kekuatan tarik, !TS, dan diktalisasi tarik, "f

Tabel 8.1 (Lanjutan)

logam jauh lebih kuat daripada ketika Anda mulai. Dengan paduan, kekuatan logam dapat

meningkat lebih jauh, meskipun - dalam kekuatan luluh - logam terkuat masih kurang dari

sebagian besar keramik.

Polimer, pada umumnya, memiliki kekuatan luluh lebih rendah dari logam.Yang

paling kuat (dan, pada saat ini, ini hanya diproduksi dalam jumlah kecil, dan mahal) hampir

mencapai kekuatan paduan aluminium. Mereka dapat diperkuat, namun, dengan membuat

komposit dari mereka: GFRP memiliki kekuatan hanya sedikit lebih rendah daripada

aluminium, dan CFRP secara substansial lebih kuat.

Uji kekerasan

Ini terdiri dari memuat berlian menunjuk atau bola baja keras dan menekan ke

permukaan material yang akan diperiksa. Lebih lanjut ke dalam materi 'indentor' (seperti

yang disebut) lebih dalam, yang lebih lembut adalah materi dan menurunkan kekuatan luluh

nya. Kekerasan yang benar didefinisikan sebagai beban (F) dibagi dengan luas proyeksi dari

'indent', A. (The kekerasan Vickers, H,, sayangnya, dan masih, didefinisikan sebagai F dibagi

dengan luas permukaan total 'indent'. Tabel tersedia untuk berhubungan H ke H,.)

Kekuatan luluh dapat ditemukan dari relasi (diturunkan dalam Bab 11)

tetapi faktor koreksi yang diperlukan untuk bahan yang bekerja-mengeras lumayan

Gambar. 8.13 Uji kekerasan untuk kekuatan luluh.

Serta menjadi cara yang baik untuk mengukur kekuatan luluh dari bahan-bahan seperti

keramik, seperti yang telah disebutkan di atas, uji kekerasan juga tes Non-destruktif yang

sangat sederhana dan murah untuk uy Ada tidak perlu pergi ke biaya pembuatan tarik

spesimen, dan kekerasan indentor adalah sangat kecil sehingga hampir merusak bahan

Sehingga dapat digunakan untuk tes tumpuk yang rutin pada bahan untuk melihat apakah

mereka sampai dengan spesifikasi pada uy tanpa merusak mereka.

Baca Lebih Lanjut

K. J. Pascoe, AnIntroductiontothe Properties of Engineering Materials, 3rd edition, Van

Nostrand, 1978, Chap. 12.

Smithells' Metals ReferenceBook, 7th edition, Butterworth-Heinemann, 1992 (for data).

Revisi istilah yang disebutkan dalam bab ini, dan beberapa hubungan yang

berguna

Gambar 8.14.

Gambar 8.15.

Hubungan antara !n, !, dan "n

Dengan asumsi volume konstan (berlaku jika u = 0,5 atau, jika tidak, deformasi plastik >>

deformasi elastis):

Jadi

" , Regangan murni dan hubungan antara " dan "n,

Jadi

Kondisi regangan kecil

Untuk"n kecil

Jadi, ketika berhadapan dengan sebagian besar strain elastis (tapi tidak pada karet), itu adalah

penting apakah E atau E, atau u atau u,, yang dipilih.

Energi

Energi yang dikeluarkan dalam deformasi bahan per satuan volume yang diberikan oleh

daerah di bawah kurva tegangan-regangan. Sebagai contoh

Gambar 8.16.

Untuk strain elastis linear, dan hanya strain elastis linear,

Gambar 8.17.

Batas elastis

Dalam uji tarik, sebagai beban meningkat, spesimen pada awalnya tegang elastis, yang

reversibel.Atas stres membatasi - batas elastis - beberapa regangan permanen; ini adalah

deformasi plastik.

Peluluhan

Perubahan dari elastis untuk deformasi plastik terukur.

Kekuatan Luluh

Nominal tekanan saat meluluhkan. Dalam banyak bahan ini sulit untuk spot pada kurva

tegangan-regangan dan dalam kasus seperti itu lebih baik menggunakan percobaan tekanan.

Percobaan Tekanan

Tegangan yang menghasilkan regangan permanen sebesar persentase tertentu dari panjang

spesimen. Sebuah stres bukti umum adalah salah satu yang sesuai dengan 0,1% regangan

permanen.

Pengerasan regangan (pekerjaan-pengerasan)

Peningkatan tegangan diperlukan untuk menghasilkan beban lebih lanjut di wilayah

plastik.Setiap peningkatan ketegangan memperkuat atau mengeras materi sehingga tegangan

yang lebih besar diperlukan untuk beban lebih lanjut.

!TS, kekuatan tarik (di buku-buku lama, kekuatan tarik utama, atau UTS)

�f, regangan setelah patah, atau daktilitas tarik

Ekstensi permanen panjang (diukur dengan pas potongan-potongan bersama-sama)

dinyatakan sebagai persentase dari panjang ukuran aslinya.

Pengurangan di daerah yang putus

Penurunan maksimum dalam luas penampang di fraktur dinyatakan sebagai persentase dari

luas penampang asli.

Regangan setelah patahan dan pengurangan persentase di daerah digunakan sebagai ukuran

daktilitas, yaitu kemampuan suatu material untuk menjalani regangan plastik besar di bawah

tekanan sebelum patah tulang.

95

BAB 9

DISLOKASI DAN MENGHASILKAN KRISTAL

PENGENALAN

apa yang kita harapkan? Dari pemahaman kita tentang struktur padatan dan kekakuan

dari ikatan antara atom, dapat kami memperkirakan apa kekuatan luluh seharusnya? Sebuah

perhitungan sederhana (diberikan dalam bagian berikutnya) lebih memperkirakan terlalu. Ini

karena kristal nyata mengandung cacat, dislokasi, yang bergerak dengan mudah. Ketika

mereka bergerak, kristal deformasi; stres diperlukan untuk memindahkan mereka adalah

kekuatan luluh. Dislokasi adalah pembawa deformasi, sebanyak elektron adalah pembawa

biaya.

Kekuatan kristal sempurna

Seperti yang kita menunjukkan pada Bab 6 (pada modulus), kemiringan forcedistance

interatomik kurva pada pemisahan keseimbangan sebanding dengan modulus Young E.

Pasukan interatomik biasanya drop off ke nilai-nilai diabaikan pada jarak pemisahan

pusat atom. Maksimal dalam kurva gaya-jarak biasanya mencapai pada pemisahan,

dan jika stres diterapkan pada materi cukup untuk melampaui ini gaya maksimum per

obligasi, fraktur terikat untuk terjadi. Kami akan menunjukkan stres di mana pecah ikatan ini

berlangsung dengan 5, kekuatan yang ideal; material tidak bisa lebih kuat dari ini. Dari

Gambar. 9.1

Perkiraan lebih halus dari yang mungkin, menggunakan potensi interatomik nyata

(Bab 4): mereka memberikan sekitar E / 15 bukannya E / 8 Mari kita melihat apakah bahan

yang benar-benar menunjukkan kekuatan ini. Bar-chart (Gambar. 9.2)

menunjukkan nilai untuk bahan. Garis rusak berat di bagian atas

diambil pada tingkat Gelas, dan beberapa keramik, terletak dekat dengan baris ini - mereka

96

menunjukkan mereka kekuatan yang ideal, dan kita tidak bisa mengharapkan mereka untuk

menjadi lebih kuat dari ini. Kebanyakan polimer, juga, berbaring dekat garis - meskipun

mereka memiliki kekuatan yield rendah, ini rendah karena modulus rendah.

Gambar 9.1. kekuatan ideal

Gambar 9.2. Bar-chart data untuk kekuatan yield dinormalisasi.

97

Semua logam, di sisi lain, memiliki kekuatan yield jauh di bawah tingkat yang

diprediksi oleh perhitungan kami - sebanyak faktor lebih kecil. Bahkan keramik, banyak

dari mereka, yield pada tegangan yang sebanyak faktor 10 di bawah kekuatan ideal mereka.

Kenapa ini?

Dislokasi dalam kristal

Dalam Bab 5 kita mengatakan bahwa banyak bahan rekayasa penting (misalnya

logam) yang biasanya terdiri dari kristal, dan menjelaskan bahwa kristal yang

sempurna adalah perakitan atom dikemas bersama-sama dalam pola berulang secara teratur.

Tapi kristal (seperti segala sesuatu di dunia ini) tidak sempurna; mereka memiliki cacat di

dalamnya. Sama seperti kekuatan rantai ditentukan oleh kekuatan link terlemah, sehingga

kekuatan kristal - dan dengan demikian dari bahan kami - biasanya dibatasi oleh cacat yang

yang hadir di dalamnya. dislokasi adalah jenis tertentu dari cacat yang memiliki efek

memungkinkan bahan untuk merusak plastis (yaitu, mereka menghasilkan) di tingkat stres

yang jauh lebih sedikit dari

Gambar 9.3. Dislokasi sisi, (a) dilihat dari sudut pandang kontinum (yaitu mengabaikan atom) dan (b)

menunjukkan posisi dari atom dekat dislokasi

291

di mana A dan Q adalah konstanta, � adalah konstanta gas universal, dan T adalah mutlak

suhu.Q memiliki nilai 160kJ mol-1

Jawaban: 6.82 x 10-12 s-1

39. Oksidasi dari logam tertentu di udara dibatasi oleh difusi luar dari ion logam melalui lapisan

permukaan terputus dari satu spesies oksida. Diasumsikan bahwa konsentrasi ion logam

dalam lapisan logam adalah c1,dan bahwa konsentrasi ion dalam lapisan udara c2, dimana c1

dan c2 adalah konstanta. Gunakan Hukum Pertama Fick untuk menunjukkan bahwa oksidasi

logam harus memenuhi kinetika parabola, dengan berat tambahan !mdiperoleh

Oksidasi logam lain dibatasi oleh aliran keluar elektron melalui a un: iform, film oksida tak

terputus. Asumsikan bahwa potensial listrik dalam film segera sebelah logam adalah V1, dan

potensi permukaan bebas V2, dimana V1 dan V2, adalah konstanta. Gunakan Hukum Ohm

untuk menunjukkan bahwa kinetika parabola harus berlaku dalam kasus ini juga.

40. Kinetika oksidasi baja ringan pada suhu tinggi parabola, dengan

Cari kedalaman logam hilang dari permukaan penopang landasan baja ringan dalam tungku

di 500°C setelah 1 tahun. Anda bisa menganggap bahwa skala oksida didominasi FeO. Itu

berat atom dan kepadatan besi 55,9 kg kmol-1 dan 7.87Mg m-3; Berat atom oksigen adalah 16

kg kmol-1. Apakah akan terjadi kerugian pada 600°C?

Jawaban: 0.33mm pada 500°C; 1.13mm pada 600°C.

41. Jelaskan pengamatan berikut, gunakan diagram untuk menggambarkan jawaban Anda

dimanapun Anda bisa.

(a) Sebuah bejana reaksi untuk pabrik kimia itu dibuat dengan pengelasan bersama-sama

piring stainless-steel (yang mengandung 18% kromium, 8% nikel dan 0,1% karbon dengan

berat). Selama layanan kapal terkorosi buruk pada batas butir dekat lasan.

292

(b) radiator ringan-baja dalam sistem pemanasan sentral ditemukan memiliki menjalani

sedikit korosi setelah layanan beberapa tahun.

(c) Untuk mencegah korosi struktur ringan baja tenggelam di air laut, seorang insinyur yang

baru memenuhi syarat yang disarankan lampiran piring titaniumdengan harapan aksi katodik

kuat. Dia kecewa karena menemukannya bahwa struktur telah berkarat parah.

42. Jelaskan pengamatan berikut, menggunakan diagram untuk menggambarkan jawaban Anda

sedapat mungkin:

(a) Difusi aluminium ke permukaan super-alloy blade turbin nikel mengurangi tingkat

oksidasi suhu tinggi.

(b) Paku baja yang digunakan untuk menahan lembar atap tembaga dalam posisi salah cepat

basah oleh korosi.

(c) Korosi pipa baja bawah tanah itu sangat berkurang ketika pipa terhubung ke sebuah

landasan terkubur campuran magnesium.

43. (a) Pengukuran laju pertumbuhan retak di kuningan terkena ammonium solusi sulfat dan

mengalami tegangan tarik konstan memberikan berikut data:

Data ini menunjukkan bahwa konsisten dengan hubungan bentuk

di mana K = � adalah faktor intensitas tegangan. Cari nilai-nilai integer n dan konstanta

A.

(b) Energi regangan kritis rilis tingkat, Gcuntuk kuningan di lingkungan ini adalah 55 kJ m-2,

dengan modulus Young dari 110 GN m-2. Hal ini diusulkan untuk menggunakan kuningan

untuk pipa di pabrik amonium sulfat. Pipa-pipa harus mempertahankan tegangan tarik

keliling 85 MN m-2, dan pengalaman menunjukkan bahwa goresan memanjang 0,02 mm

kedalam yang mungkin terjadi pada permukaan bagian dalam pipa. Perkirakan waktu yang

pipa untuk dapat bertahan tanpa patah setelah solusi mulai mengalir melalui itu.

293

(c) Bagaimana mungkin Anda melindungi bagian dalam pipa terhadap serangan kimia?

Jawaban: (a) n = 2, A = 0.0239 m4 MN-2 per tahun (b) 6,4 hari.

44, Dalam kondisi korosi agresif diperkirakan bahwa korosi maksimumkerapatan arus di

lembaran baja Galvanis adalah 6 x 10-3 A m-2. Perkirakan ketebalan lapisan Galvanis yang

diperlukan untuk memberikan masa waktu bebas karat minimal 5 tahun. Kepadatan seng

adalah 7.13Mg m-3, dan berat atom adalah 45,4. Asumsikan bahwa karat seng untuk

diberikan ion Zn2+

Jawaban: 0,045 mm.

45. Sebuah lembaran baja dengan ketebalan 0,50 mm yang berbentuk piringan timah di kedua

sisi dan dikenakan lingkungan korosif. Selama proses, piringan timahmenjadi tergores,

sehingga baja terkena lebih dari 0,5% dari luas wilayah lembar. Dengan kondisi tersebut

diperkirakan bahwa saat dikonsumsi di permukaan kaleng dengan reaksi reduksi oksigen

adalah 2 x 10-3 A m-2. Lembar karat yang melalui waktu 5 tahun digores akankah kodisinya

berubah? Kepadatan baja 7.87Mg m-3. Asumsikan bahwa korosi baja untuk diberikan ion

Fe2+. Berat atom besi adalah 55,9.

Jawaban: Ya.

46. (a) Jelaskan asal gesekan antara permukaan padat dalam kontak.

(b) Karet lembut tidak mematuhi hukum gesekan Fs = µsP(di mana Fsadalah gaya gesek, P

gaya normal yang bekerja di permukaan dan µskoefisien gesek statis). Sebaliknya, Fs,

meningkat dengan bidang kontak nominal A (ini untuk alasan mobil balap memiliki ban

lebar). Menjelaskan hal ini.

(C) Bagaimana pelumasan tidak mengurangi gesekan? Bagaimana gesekan antara jalan dan

ban dipertahankan bahkan di bawah kondisi pelumasan yang cukup?

47, Mengamati hal ini bahwa salju terletak stabil di atap dengan kemiringan kurang dari 24°, tapi

meluncur dari atap dengan kemiringan yang lebih besar. Di sisi lain, peseluncur, bergeser

pada lapisan salju di sisi gunung dengan kemiringan hanya 2°. Kenapa ini?

294

Seorang pria dengan berat 100 kg berdiri di papan ski dengan panjang 2m dan lebar

0,18m meluncur pada kemiringan 2° di lereng gunung, pada 0°C. Hitung kerja yang

dilakukan terhadap gesekan ketika papan seluncur dengan jarak yang sama dengan panjang

pria. Oleh karena itu hitung rata-rata ketebalan lapisan air di bawah ski. (peleburan es yang

panas tersembunyi adalah 330 MJ m-3.)

Jawaban: Pekerjaan yang dilakukan 69J; ketebalan lapisan rata-rata = 12µm

295

Berikut ini adalah ringkasan bantuan visual (slide, artefak dan demonstrasi) yang dapat

bermanfaat dalam menyajikan materi dalam buku ini. Bahan untuk slide mungkin ditemukan

dalam buku ini; untuk lebih lanjut baca di bab terakhir; dan di sumber lain yang tersedia

(ditunjukkan dengan referensi [l] untuk [5] dan terdaftar pada akhir Lampiran 2). Dimana ingin

menemukan bahan untuk slide yang lebih khusus kami telah memberikan referensi publikasi dan

laporan yang tepat. Tentu saja, Hak cipta, berlaku dimana saja.

Bab 1

Slide: S. S. Schenectady setelah retak cepat di dermaga III; gambar bagian aero-engine turbofan

[2]; gambar bagian busi; kapal pesiar (dari majalah kapal pesiar); jembatan.

Artefak: Obeng; busi dibongkar; PVC kapal pesiar, tali polimer, dan lain-lain

Bab 2

Slide: Peta Dunia (untuk menggambarkan faktor-faktor strategis); membuka tambang tembaga

(untuk menekankan energi yang diperlukan untuk mengekstrak bijih); daur ulang dari logam

bekas, kaca, bahan bangunan, dll

Bab 3

Slide: lompatan elektroda, pegas, balok penopang (untuk kekakuan ekstrem).

Demonstrasi: (a) Foam polyurethane = 40 x 5 x 5 cm ditarik sepanjang panjangnya di

ketegangan. (b) Foam = 60 x 60 x 10 cm terpaku ke dalam bingkai kayu persegi berengsel di

keempat sudut dan dicukur. (c) Busa kubus 20-cm dimuat di kompresi seberat 10 kg pada platten

kayu untuk memberikan renggangan= 4%; E =10-4 GN m-2. (d) Batang baja, kaca, kayu

berdiameter = 6 mm x panjang = 0,75 m ditangguhkan oleh tali pada setiap ujung (Gambar. 3.4)

dengan 0,5 kg berat beban pada titik tengah; nilai f = 10, 6 dan 2 s-1.

Bab 4

296

Demonstrasi: (a) model Atom semi (Gambar 4.2.) Pada proyektor overhead untuk

menggambarkan pengaruh struktur pada modulus. (b) model besar dari atom Na dan atom C1.

(c) Liquid nitrogen.

Bab 5

Demonstrasi: (a) Diberikan empat deru padat berbentuk injeksi ke setiap siswa untuk

memungkinkan bangunan pribadi f.c.c. dan c.p.h. (b) model atom Atomix overhead proyektor

untuk menampilkan kemasan atom (Emotion Productions Inc, 4825 Sainte Catherine 8, Montreal

215PQ, Kanada); atau bantalan bola di proyektor.

Bab 6

Slide: Mikrostruktur dari GFRP, kaca diisi polimer, keramik logam, kayu; dipotong sepotong

kabel diperkuat ban mobil.

Demontrasi (a) Masukan tabung karet 15-mm ke dalam guci hampa nitrogen cair tabung harus

memiliki batang baja untuk tetap lurus. Ambil tabung setelah 3 menit dan hilangkan batang baja

(memakai sarung tangan). Penopang horizontal tabung dengan penopang tertinggal pada setiap

ujung. Beban pusat dengan berat rentang 0,5 kg pengait. Karet akan menjadi terkelapai setelah

1-2 menit. (b) Lem lembar busa alternatif poliuretan dan kayu lapis bersama-sama untuk

membuat susunan komposit kaku di salah satu sisi, sangat terkelapai di sisi yang lain.

Bab 7

Slide: Dari mencerminkan teleskop, pesawat terbang, kapsul ruang angkasa, sepeda (untuk

menggambarkan aplikasi kaku tapi bahan ringan).

Bab 8

Slide: Papan dan lembaran gulungan logam; ekstrusi, dll, polimer; pengujian tegangan mesin;

pengujian kekeraasan mesin; kekerasan lekukan.

Demonstrasi: (a) Tegangkan karet gelang pada proyektor overhead untuk menunjukkan regangan

elastis besar. (b) Ambil selembar bahan pemodelan plastisin (Harbutt Ltd, Bathampton, Bath

BA2 6TA, Inggris; dari sebagian besar toko-toko mainan) and gulung batang menjadi

berdiameter = 2,5 cm x panjang 12 cm. Bentuk bagian tengah untuk memberikan sedikit

berkurang bagian pengukur. Tarik pada overhead proyektor untuk menunjukkan deformasi

elastis dan plastik dan necking.

297

Bab 9

Demonstrasi: (a) Lubangi karpet = 0,5 X 3 m; tempatkan di bangku dan lipat bersama (Gambar.

9.6). (b) Raft pensil pada proyektor overhead untuk mensimulasikan papan analogi (Gbr. 9.10).

Bab 10

Slide: Mikrostruktur menunjukkan endapan; dislokasi lipatan dari electron mikrograf; mikrograf

dari logam polikristalin.

Demonstrasi: (a) Atomix (untuk menunjukkan batas butir). (b) Model penyebaran kerutan.

Ambil selembar PMMA = tebal 2,5 mm dan = 7 crn persegi. Lem empat bagian strip PMMA

dari bagian = 7 x 7mm di atas lembaran untuk membentuk sebuah penampan dengan dalam =

7mm. Potong enam bagian sepanjang = 7-mm dengan diameter batang PMMA = 6-mm. Lem

ujung bagian bawah penampan untuk membentuk garis 'batu loncatan' spasi sama (= 3mm)

terpisah dan akan langsung di pusat baki dari ujung ke ujung. Tutup atas setiap stepping stone

dengan 6-mm disc perekat diri. Olesi bagian dalam baki dan juga batu loncatan. Tempatkan

nampan di proyektor. Lembut tuangkan air berwarna ke salah satu sisi baki sampai air dekat

hambatan batu loncatan. Tilt baki sedikit untuk memungkinkan air untuk menjalankan sampai

dengan rintangan. Tampilkan membungkuk meniskus air antara hambatan, dengan terobosan

akhirnya; tegangan permukaan air analog dengan garis ketegangan dislokasi, dan daerah di mana

air telah menembus analog untuk daerah kristal yang telah mengalami deformasi plastik dengan

jumlah b.

Bab 11

Slide: spesimen tarik Berleher logam; operasi deep drawing dan mendalam yang ditarik kaleng,

dll

Demonstrasi: (a) Dorong dua potongan kayu sangat tumpul bersama-sama di atas proyektor

(Gambar. 11.1) menunjukkan geser di bawah beban tekan. (b) Membuat dua dimensi model

Gambar bekerja. 11,4 dari PMMA sheet untuk digunakan pada biaya overhead proyektor

(catatan hapus singgungan puncak untuk memungkinkan gerakan, dan menempatkan penanda

pada kedua sisi bidang geser untuk muncul perpindahan geser pada biaya tambahan). (c)

Lekukan dari plastisin pada overhead projector (lihat demonstrasi di Bab 8). (d) Lekukan stabil

polyethylene. Potong panjang ukur = 7 x 70 mm dari lembar polyethylene (panjang spesimen

sejajar dengan arah gulungan lemabaran). Tarik ketegangan pada biaya tambahan, dan

mengamati propagasi leher stabil.

298

Bab 12

Slide: Springs dari berbagai jenis; multi-pegas daun pada truk, mobil, uap lokomotif, dll;

pembuluh tekanan ringan - mis pesawat fuselages; tekanan murah pembuluh - mis tangki air,

kapal reaktor nuklir; logam bergulir berdiri.

Demonstrasi: Ambil strip = 0,25 mm x 1 cm x 15 cm dari cold-rolled (pekerjaan-mengeras)

kuningan dan tikungan itu (di tepi) di atas kepala sampai deformasi permanen terjadi. Anil Strip

kuningan di kepala merah terang untuk = 0,5 menit untuk melunakkan. "Setelah pendinginan

menggantikan overhead dan menunjukkan bahwa deformasi permanen terjadi pada jauh lebih

kecil defleksi dari sebelumnya. Ini menggambarkan pentingnya seruan besar di mata air. * Untuk

ini dan demonstrasi berikutnya melibatkan sumber panas, menggunakan obor gas seperti Sievert

diri meniup pakaian propana (W. A. Meyer Ltd, 9/11 Gleneldon Road, London SW16 2AU, atau

dari kebanyakan toko alat): ini terdiri 3,9 kg botol propana, 3085 katup selang-kegagalan,

dilengkapi selang tekanan tidak ada. 16310,3486 obor, 2941 burner

Bab 13

Slide: kegagalan Cepat-struktur di kapal [11, tekanan pembuluh, pipa, roda gaya, dll

Demonstrasi: (a) Balon dan peniti (lihat Bab 13, hal 121.). Setelah itu, menempatkan tepi retak

karet balon di atas kepala untuk menunjukkan bahwa jalan bergelombang fraktur erat paralel

yang terlihat ketika logam telah mengalami patah tulang cepat. (b) G, untuk Sellotape (lihat Bab

13, p. 122).

Bab 14

Slide: kavitasi Plastik di sekitar inklusi di logam (bagian metalografi mis melalui leher dalam

spesimen tarik); SEM gambar permukaan fraktur di logam ulet, kaca, kristal halida alkali.

Artefak: Rusak sepotong GFRP untuk menunjukkan opacity disebabkan oleh debonding.

Demonstrasi: (a) Ambil sepotong plastisin = 1 x 3 x 10 cm. Menggunakan pisau put kedudukan 2

5 mm jauh ke sisi panjang. Tarik pada overhead dan menonton kedudukan tip menumpulkan

oleh aliran plastik. (b) Tarik plastisin kegagalan untuk menunjukkan ketangguhan tinggi dan

kasar retakan permukaan. (c) Notch = 5-mm-diameter batang kaca dengan file yang berbentuk

segitiga tajam dan istirahat overhead untuk menunjukkan ketangguhan rendah dan permukaan

patahan halus. (d) tabung karet dimasukan dalam nitrogen cair untuk - 2 menit; menghapus dan

menghancurkan dengan palu belakang scyeens keselamatan untuk menunjukkan ketangguhan

rendah. (e) Panaskan sebuah 212-mm-diameter batang baja karbon menengah ke merah dan

memuaskan ke dalam air. Menggunakan jari, batang dipatahkan untuk menunjukkan rendah

kekerasan. Mengeras batang kedua, tapi Panaskan itu untuk memberikan warna biru muda.

299

Menunjukkan bahwa tempering ini membuat lebih sulit untuk mengambil batang (menggunakan

sarung tangan tebal dan keselamatan gelas di (c), bd) dan (e) dan menempatkan layar

keselamatan antara demonstrasi ini dan penonton).

Bab 15

fraktur permukaan Kelelahan;: slide komponen gagal oleh kelelahan, misalnya gigi gigi,

halfshafts, dan lain-lain

Demonstrasi: Membuat pendulum yang terdiri beberapa kawat 5-A sekering tergantung dari

horisontal pisau-tepi dan membawa berat 0,5 kg. Membuat panjang kawat sekering di guci

Pendul = 15 cm. Membuat berat badan berosilasi dengan amplitudo = 7 cm. kelenturan dari

kawat disaat melewati tepi pisau akan menyebabkan kegagalan kelelahan setelah = 1 menit.

Bab 16

Slide: deteksi retak Ultrasonic; pengujian hidrolik.

Bab 17

Slide: 'filamen tungsten, pisau turbin, pipa saluran memimpin dan pipa organ, gletser; merayap-

pengujian rig; mikrograf rongga merayap.

Demonstrasi: (a) Angin 2-cm-diameter, 8-cm panjang kumparan = 1,5 mm diameter Pb-Sn

pateri. Menangguhkan coil dari satu ujung dan mengamati perpanjangan merayap ditandai coil

setelah -15 Menit pada suhu kamar. (b) Amati merayap diri berat panjang -45-sm dari = 1-cm-

diameter tabung polietilen diadakan horizontal di salah satu ujung. (c) Mendukung sebuah = 2-

mm-diameter kawat baja horizontal di salah satu ujung. Menggantung berat 20-g dari gratis

akhir. Sttpport panjang identik kedua kawat segera bersama yang pertama, dan menggantung

berat 40-g dari ujung bebasnya. Panaskan sepasang kawat panas merah di dijepit mereka

berakhir dan mengamati merayap; dicatat bahwa laju creep dari kawat kedua jauh lebih dari dua

kali lipat dari yang pertama, menggambarkan merayap hukum tenaga.

Bab 18

Demonstrasi: (a) Suntikkan satu tetes pewarna berwarna di bawah permukaan yang sangat

dangkal kolam stagnan air di cawan Petri pada biaya tambahan. Amati celupan menyebar dengan

difusi dengan waktu. (b) Atomix untuk menunjukkan kekosongan, dan difusi permukaan.

300

Bab 19

Demonstuation: Fit sebuah dashpot dan musim semi Model (Gambar 19.8.) Dan

menggantungnya dari mendukung. Menggantung berat di ujung bawah dari kombinasi dan,

dengan menggunakan penggaris untuk mengukur ekstensi, merencanakan merayap keluar di

papan tulis. Hapus berat badan dan plot creep sebaliknya.

Bab 20

Slide: turbofan aero-mesin; super-paduan turbin pisau, menunjukkan pendinginan port [3];

super-alloy mikro [41; DS eutektik mikro [3, 51; turbin keramik pisau.

Bab 21

Slide: Pitting korosi pada pisau turbin laut [41; dasi bar berkarat, dll, di tungku, penukar panas,

dll .; cermet dioksidasi.

Demonstrasi: (a) Panaskan salah satu ujung = 2 x 5 x 120-mm sepotong ringan terabrasi ringan

baja di api gas. Setelah = 1 menit pada panas merah terang, terjun ke air dingin dalam sebuah

piring pada biaya overhead. serpih oksida akan spa11 off ke dalam air meninggalkan logam

cerah permukaan. (b) Ringan mengikis a = 0,1 mm x 5 cm x 5 cm sepotong shim tembaga.

Mainkan gas api di satu sisi, menggunakan wilayah mengurangi api, dan terus di media panas

merah untuk = 1 menit. Kemudian terjun langsung ke dalam air dingin. Tempat goncangan di

tepi atas tambahan untuk menunjukkan diucapkan efek lentur. Hal ini menunjukkan pengaruh

oksigen parsial tekanan pada laju oksidasi. Logam dalam kontak dengan api mengurangi

memiliki lapisan oksida diabaikan tipis; lapisan oksida di sisi lain, di mana oksigen tersedia,

cukup tebal. Diferensial kontraksi termal antara lapisan tebal ini dan tembaga telah menyebabkan

efek 'bimetal strip'.

Bab 22

Slide: Mikrostruktur lapisan oksida dan coating oksida-tahan pada logam dan paduan; Serangan

selektif paduan eutektik [5].

Demonstrasi: Ambil selembar 0,1-mm x 5 cm x 5-cm stainless-steel, dan sepotong serupa

baja.ringan. Abaikan minyak, dan berat keduanya. Panaskan masing-masing untuk = 1 menit di

gas api panas merah terang. Shim ringan-baja akan menambah berat badan lebih dari -0,05 g.

Shim stainless-steel tidak akan menambah berat badan secara signifikan.

301

Bab 23

Slide: mobil Corroded, pagar, atap; retak stres-korosi, korosi kelelahan retak, korosi sumuran

Demonstrasi: Campur sebuah larutan indikator sebagai berikut: melarutkan 5 g kalium

ferisianida di 500 cm3 air suling. Larutkan 1 g phenolphthalein di 100 cm3 etil alkohol. Ambil

500cm3 dari suling, air soda dan untuk itu menambahkan 5 g natrium klorida. Kocok sampai

larut. Tambahkan 15cm3 dari solusi ferricyanide dan goyang. Bertahap tambahkan 45 cm3

larutan fenolftalein, gemetar sepanjang waktu (tapi berhenti menambahkan ini jika solusi utama

mulai pergi berawan). (A) Tuangkan larutan indikator ke dalam cawan Petri di atas. Degrease

dan ringan mengikis kuku baja dan dimasukkan ke dalam piring. Setelah = PO min a Deposit

biru akan membentuk oleh kuku, yang dihasilkan oleh reaksi antara Fe++ dan ferisianida dan

menunjukkan bahwa besi adalah korosi. Sebuah warna pink juga akan muncul, diproduksi oleh

reaksi antara OH dan phenolphthalein, dan menunjukkan bahwa reaksi reduksi oksigen

berlangsung. (B) Memodifikasi voltmeter sehingga jarum dapat dilihat ketika mengenakan biaya

overhead. Kawat hingga pasangan galvanik logam seperti Cu, Fe, Zn, dan Pt foil dalam air asin

dan menunjukkan perbedaan tegangan.

Bab 24

Slide: Meliputi pipa dengan film polimer; perlindungan katodik pipa, kapal, dll, dengan gelang

seng; Penggunaan polimer inert dalam pabrik kimia; korosi galvanik di arsitektur (mis bingkai

jendela A1 diadakan dengan baut Cu); pembusukan las.

Artefak: baja lembaran galvanis, baru dan lama; anodisa Al; bahan atap polimer; sistem

pembuangan berkarat.

Demonstrasi: (a) Masukan larutan indikator di Petri hidangan di atas kepala. Mengambil paku

baja dan solder strip Zn untuk itu. Degrease, ringan mengikis, dan dimasukkan ke dalam larutan.

Tidak ada kehendak biru muncul, menunjukkan bahwa Fe katodik dilindungi oleh Zn. Merah

muda akan muncul karena untuk OH-- (dihasilkan oleh reaksi reduksi oksigen) karena Zn

tersebut korosi. (b) Menempatkan dua paku baja berlemak dan ringan terkelupas dalam larutan

indikator di atas kepala. Kawat baterai 4,5-V di antara mereka. Mengamati biru di salah satu

kuku, merah muda pada yang lain. Ini menggambarkan perlindungan dikenakan-potensi. (c)

Solder sepotong Cu untuk paku baja. Degreaise, ringan mengikis, dan dimasukkan ke dalam

solusi pada overhead. Amati cepat build-up dari biru di kuku, merah muda di Cu, menunjukkan

korosi cepat diproduksi dengan mencampur bahan yang memiliki berbeda tegangan korosi basah.

Bab 25

302

Slide: Bearing; rem lapisan; grinding dan operasi pemotongan logam-; bagian lancip dari

permukaan logam.

Demonstrasi: (a) Blok pada bidang miring untuk menentukan p. (b) Membuat sepasang kasar

permukaan dari plastisin. Tekan bersama-sama di atas kepala untuk menunjukkan deformasi

persimpangan. Mencukur overhead untuk menunjukkan asal gaya gesek. (c) mencungkil fragmen

dari plastisin di overhead yang menggunakan sepotong bergerigi kayu untuk mensimulasikan

keausan. (d) Tulis di papan tulis hitam menggunakan kapur. Light 'tekanan' meninggalkan sedikit

kapur di papan berat 'tekanan' daun IOT kapur, menunjukkan ketergantungan laju keausan

perekat pada gaya kontak.

Bab 26

Slide: bantalan Split-shell; partikel keras tertanam dalam paduan bantalan lembut; mikrofoto dari

sectmil melalui shell bearing berlapis; ski; ban mobil

Artefak: Ski dipotong untuk menunjukkan konstruksi berlapis.

Demonstrasi: (a) Masukan segumpal plastisin antara plattens hidrolik dioperasikan dengan

tangan tekan. Memantau mengejan tekan plastisin dengan meteran kenop. beban plot terhadap

kompresi di papan tulis. Tampilkan kendala bagaimana plastik saat plastisin adalah tergencet ke

lapisan yang sangat tipis sangat meningkatkan beban dapat mendukung. (b) Ambil sepotong =

1,5 x 5 x 5 cm rendah-rugi karet. Tunjukkan bahwa itu adalah kerugian yang rendah dengan

menjatuhkan sebuah bola baja = 3-cm diameter pada itu, memberikan rebound yang besar.

Ulangi dengan sepotong tinggi badan karet, memberikan sedikit rebound yang. Membuat bidang

miring dari kaca buram, dan sabun itu. Tempat bantalan karet di bagian atas pesawat, dan

menyesuaikan sudut dari pesawat sampai rendah-rugi pad slide cepat menurun tapi slide pad

tinggi badan hanya perlahan jika sama sekali. (Ini berharga menghabiskan beberapa waktu

tambahan dalam membangun sepasang mainan jarum jam-driven traktor, satu bersepatu dengan

ban low-loss, yang lainnya dengan tinggi badan. Tersedia kemiringan jalan adalah sesuai

disesuaikan, traktor rendah-rugi akan mampu memanjat lereng menyabuni, tapi tinggi badan satu

kehendak.)

Bab 27

Slide: Mobil; baja menekan tanaman; perakitan mobil; hand lay-up dari GFRP; polimer tanaman

molding.

1. Laporan Akhir dari Dewan Investigasi - Desain dan Metode Konstruksi Dilas Kapal Baja

Merchant, Government Printing Office, Washington, DC, Amerika Serikat, 1947.

2. Coloured wall chart diperoleh dari Rolls-Royce Ltd, P.O. Box 31, Derby DE2 BBJ, Inggris.

303

3. Saat ini dan Masa Depan Bahan Penggunaan Gas Pesawat Mesin Turbin, Logam dan Keramik

Pusat Informasi, Battelle Laboratories, 505 King Avenue, Columbus, Ohio 43201, USA.

4. Nimonic Paduan, edisi ke-2. W. Betteridge dan J. Heslop, Arnold, 1974.

5. Konferensi In-Situ Komposit 11, diedit oleh M. R. Jackson, J. L. Walter, E D. Lemkey dan R.

W. Ertsberg, Xerox Publishing. 191 Spring Street, Lexington, Mass. 02.173, USA, 1976

304

Daftar simbol-simbol utama

Simbol Arti (satuan)

Catatan: Kelipatan atau sub-kelipatan dari unit dasar menunjukkan unit

akhiran biasanya digunakan dengan data bahan.

a: sisi sel satuan kubik (nm)

a: panjang retak (mm)

a: konstan dalam Hukum Basquin ini (berdimensi)

A: konstan kelelahan retak-pertumbuhan lawconstant

A: pada hokum gerakan konstan �ss =

b: Burgers vektor (nm)

b: konstan dalam Coffin-Manson Hukum (berdimensi)

c: konsentrasi (m-3)

C1: konstan dalam Basquin Hukum (MN m-2)

C2: konstan dalam Coffin-Manson Hukum (berdimensi)

D: koefisien difusi (m2 s-2)

D0: konstan pra-eksponensial dalam koefisien difusi (m2 s-2)

E: modulus Young elastisitas (GN m-2)

f: gaya yang bekerja pada satuan panjang garis dislokasi (N m-2 1

F: gaya (N)

g: percepatan gravitasi di permukaan Bumi (MS-2)

G: geser modulus (GN m-2)

GC: ketangguhan (atau kritis laju pelepasan energi regangan) (kJ M-1)

H: kekerasan (kgmm-2)

J: fluks difusi (m-1 s-2)

305

k: kekuatan luluh geser (MN m-2)

k: Konstanta Boltzmann 8 / NA (J K-1)

K: massal modulus (GN m-2)

K: stres faktor intensitas (MN m-3/2)

KC: fraktur ketangguhan (kritis faktor intensitas tegangan) (MN m-3/2)

�K: Kisaran K dalam siklus kelelahan (MN m-3/2)

m: konstan kelelahan Crack Growth_ Hukum (berdimensi)

n: merayap eksponen di KSS = Aon

N: jumlah siklus kelelahan

NA: bilangan Avogadro (mol-1)

Nf: jumlah siklus kelelahan menyebabkan kegagalan (berdimensi)

�: Harga bahan (UKE atau US $ per ton)

Q: energi aktivasi per mol (kJmol-1)

r0: ekuilibrium jarak interatomik (nm)

: yang universal gas konstan (J K-1 mol-1)

S0: ikatan kekakuan (N m-1)

t0: waktu-ke-kegagalan (s)

T: tegangan garis dislokasi (N)

T: suhu mutlak (K)

TM: temperatur leleh absolut (K)

Uel: energi regangan elastis (J)

!: (Nyata) rekayasa regangan geser (berdimensi)

": dilatasi (berdimensi)

#: benar (logaritmik) galur (berdimensi)

#f : (Nominal) galur setelah patah tulang; daktilitas tarik (berdimensi)

#n: nominal (linear) galur (berdimensi)

#0: permitivitas ruang bebas (F M2)

#ss: mapan tarik regangan-tingkat pada creep (s-2)

306

��pl

: plastik berbagai ketegangan dalam kelelahan (berdimensi)

µk: koefisien gesekan kinetik (berdimensi)

µs: koefisien gesek statis (berdimensi)

v: rasio Poisson (berdimensi)

: density (Mg m-3)

!: stres benar (MN m-2)

!n: nominal stres (MN m-2)

!TS: (Nominal) kekuatan tarik (MN m-2)

!y: (Nominal) menghasilkan kekuatan (MN m-2)

�: kekuatan ideal (GN m-2)

"!: Kisaran stres kelelahan (MN m-2)

#: geser stres (MN m-2)

Ringkasan dari rumus pokok dan besaran

Bab 2: Pertumbuhan eksponensial

C = tingkat konsumsi (ton per tahun); r = tingkat pertumbuhan pecahan (% per tahun); t = waktu.

Bab 3: Definisi Stres, Saring, Poisson Ratio, Modulus Elastisitas

F (Fs) = yang normal komponen (geser) kekuatan; A = luas; u (w) = normal (geser) komponen

perpindahan; (�n) = tegangan tarik benar (nominal regangan tarik); # ($) = geser benar

307

stres (engineering benar regangan geser); p (�) = tekanan eksternal (dilatasi); v = Poisson

perbandingan; modulus E = Young; G = modulus geser; K = massal modulus.

Bab 8: Nominal dan Benar Stres dan Saring, Energi Deformasi

A0l0 = Al untuk deformasi plastik; atau deformasi elastis atau elastis / plastik saat v =

0,5. Karenanya

Juga

Bekerja deformasi, per satuan volume:

Untuk deformasi linear-elastis hanya

Kekerasan,

� = nominal ketegangan, A0(l0) = daerah awal (panjang), A(1) = saat daerah (panjang); =

renggangan nyata.

Bab 9 dan 1O: Dislokasi

Dislokasi menghasilkan kekuatan,

308

� = garis ketegangan (sekitar Gb2/2); b = Burgers vektor; L = kendala jarak; ! = konstanta (!

= 2 untuk hambatan yang kuat; ! < 2 untuk hambatan lemah); �y = kekuatan luluh.

Bab 11: Plastisitas

Geser hasil tegangan,

Kekerasan,

Necking dimulai ketika

Bab 13 dan 14: Retakan Cepat

Intensitas tegangan

fraktur cepat terjadi ketika

panjang = retak; Y = berdimensi konstan; K, = intensitas tegangan kritis atau retakan

kekerasan; G = kritis laju pelepasan energi regangan atau ketangguhan.

309

Bab 15: Kelelahan

Tidak ada pra-retak

Hukum Basquin ini (siklus tinggi)

Hukum Coffin-Manson (siklus rendah)

Hukum Goodman

Aturan Miner untuk kerusakan kumulatif

Untuk bahan pra-pelapisan

Hukum Pertumbuhan Lapisan

Kegagalan pertumbuhan retak

�� = kisaran tegangan tarik; ��pl = kisarana regangan plastik; �K = kisaran intensitas tegangan;

N = siklus; Nf = siklus kegagalan; C1, C2, a, b, A, m = konstanta; m = tegangan tarik rata-rata;

�TS = Kekuatan tarik; a = panjang retak.

Bab 17: Gerakan dan Retakan bergerak

310

�ss = renggangan Tarik kuat; Q = aktivasi energi; � = Konstanta gas universal;

T = temperatur absolut; A, n= konstanta.

Bab 18: Teori Kinetik Difusi

Hukum Fick

Hukum Arrhenius

koefisien difusi

J = difusi fluks; D koefisien = difusi; c = konsentrasi; x = jarak; D0 = pra eksponensial faktor

eksponensial.

Bab 21: Oksidasi

Hukum Pertumbuhan linier

Hukum Pertumbuhan berbentuk parabola

m = massa gain per satuan luas; kL, kP, AL, AP = konstanta.

311

Bab 25: Gesekan dan Kerusakan

bidang kontak nyata

P = kekuatan kontak.

Besaran dari bahan

Sifat yang terdaftar palsu, untuk bahan struktural yang lebih, dalam kisaran yang ditampilkan.