diktat material teknik setengah - UNUD
Transcript of diktat material teknik setengah - UNUD
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.