SULIT

UNIVERSITI MALAYSIA PERLIS Peperiksaan Semester Pertama Sidang Akademik 2013/2014

Januari 2014

ENT 145 – Materials Engineering [Kejuruteraan Bahan] Masa: 3 jam

Please make sure that this question paper has NINE (9) printed pages including this front page before you start the examination. [Sila pastikan kertas soalan ini mengandungi SEMBILAN (9) muka surat yang bercetak termasuk muka hadapan sebelum anda memulakan peperiksaan ini.]

This question paper has FIVE (5) questions. Answer ALL questions. Each question contributes 20 marks. [Kertas soalan ini mengandungi LIMA (5) soalan. Jawab SEMUA soalan. Setiap soalan menyumbang 20 markah.]

Note : Some formulas and tables are given in the Appendices [Nota: Beberapa rumus dan jadual diberikan dalam lampiran]

SULIT

SULIT (ENT 145) -2Question 1 [Soalan 1]

(a)

Identify the components and its specific materials used in a computer. [Tentukan komponen-komponen dan bahan-bahan terperincinya digunakan dalam sebuah komputer.]

(4 Marks / Markah) (b)

With the aid of sketches, explain the differences between ionic, covalent and metallic bonding. Give an example of chemical compound for each primary bonding. [Berbantukan lakaran, jelaskan perbezaan antara ikatan ion, ikatan kovalen dan ikatan logam. Berikan satu contoh bahan kimia untuk setiap ikatan utama.]

(6 Marks / Markah) (c)

A small silver spoon contains 92.5 wt. % silver and 7.5 wt. % copper. The spoon has a mass of 100 grams. Given Avogadro’s number, NA = 6.022x1023 atoms/mol. [Sebuah sudu perak kecil mengandungi perak 92.5 wt. % dan kuprum 7.5 wt. %. Sudu tersebut mempunyai jisim 100 gram. Diberi nombor Avogadro, NA = 6.022 x 1023 atom/mol.]

(i) Determine the number of copper and silver atoms in the spoon. [Tentukan nombor atom bagi kuprum dan perak di dalam sudu tersebut.]

(8 Marks / Markah) (ii) Explain the importance of adding copper to the silver spoon. [Terangkan kepentingan kuprum yang ditambah ke dalam sudu perak tersebut .]

(2 Marks / Markah)

SULIT

SULIT (ENT 145) -3Question 2 [Soalan 2]

(a)

Briefly explain conditions of atomic motion in diffusion. [Terangkan secara ringkas syarat-syarat pergerakan atom dalam penyebaran.]

(2 Marks / Markah) (b)

Discuss the concept of non-steady state as it applies to diffusion. Give an example in your answer. [Bincangkan konsep keadaan tidak stabil apabila ianya digunapakai dalam penyebaran. Berikan satu contoh pada jawapan anda.]

(4 Marks / Markah) (c)

A FCC iron-carbon alloy initially contains 0.2 wt. % C is carburized at an elevated temperature and in an atmosphere where the surface carbon concentration is at 1.0 wt. %. [Satu besi-karbon aloi pada awalnya mengandungi 0.2 wt. % C disusukkarbonan pada suhu ternaik dan atmosfera dimana kepekatan permukaan pada 1.0 wt. %.]

(i)

If after 49.5 hour the concentration of carbon is 0.35 wt. % at a position 4.0 mm below the surface of the alloy, determine the temperature at which the treatment was carried out. Refer Table A1 and Table A2 in Appendix. [Jika selepas 49.5 jam kepekatan karbon menjadi 0.35 wt. % pada kedudukan 4.0 mm di bawah permukaan aloi itu, tentukan suhu di mana rawatan dilakukan. Sila rujuk Jadual A1 dan Jadual A2 pada lampiran.]

(10 Marks / Markah) (ii)

If the diffusion treatment is to be applied to an iron gear, propose a diffusion mechanism. Justify your answer. [Jika rawatan penyebaran digunakan kepada sebuah gear keluli, cadangkan sebuah mekanisma penyebaran. Justifikasi jawapan anda.]

(4 Marks / Markah)

SULIT

SULIT (ENT 145) -4Question 3 [Soalan 3]

(a)

Discuss the differences between brittle and ductile metals with respect to its tensile stress-strain behaviour. [Bincangkan perbezaan antara logam rapuh dan logam mulur berdasarkan kepada sifat tegangan tegasan-terikan.]

(4 Marks / Markah) (b)

A cylindrical specimen of hypothetical metal alloy has a diameter of 8.0 mm. A tensile force of 1000 N produces an elastic reduction in diameter of 2.8 x 10-4mm. Compute the modulus of elasticity for this alloy, given that the Poisson’s ratio is 0.30. [Satu spesimen bagi logam aloi hipotesis berbentuk silinder mempunyai garis pusat 8.0 mm. Daya tegangan sebanyak 1000N menghasilkan pengurangan anjal bagi garis pusat sebanyak 2.8 x 10-4 mm. Kira modulus anjal bagi aloi ini, diberi nisbah Poisson’s ialah 0.30.]

(6 Marks / Markah) (c)

Table 1 shows a list of materials and their mechanical properties. Each of the material will be tested as a cylindrical rod specimen with 100 mm long and having a diameter of 10 mm. If the tensile load is 27.5 kN, answer the following questions. [Jadual 1 menunjukkan senarai bagi bahan dan sifat mekanikalnya. Setiap bahan tersebut akan diuji sebagai satu specimen rod silinder dengan panjang 100 mm dan diameter 10 mm. jika beban tegangan ialah 27.5 kN, jawab soalan-soalan berikut.]

(i)

From Table 1, choose the material(s) that will not experience plastic deformation. Justify your choice(s). [Daripada Jadual 1, pilih bahan yang tidak akan mengalami ubah bentuk plastik. Justifikasi pilihan anda.]

(6 Marks / Markah) (ii)

By referring answer in (i), select the material(s) that will not experience a diameter reduction of more than 7.5 x 10-3 mm. [Dengan merujuk kepada jawapan di (i), pilih bahan yang tidak akan pengurangan garis pusat tidak lebih daripada 7.5 x 10-3 mm.]

mengalami

(4 Marks / Markah) Table 1 [Jadual 1]

Material Aluminum alloy Brass alloy Steel alloy Titanium alloy

Modulus of Elasticity (GPa) 70 101 207 107

Yield Strength (MPa) 200 300 400 650

Poisson’s Ratio 0.33 0.34 0.30 0.34

SULIT

SULIT (ENT 145) -5Question 4 [Soalan 4]

(a)

Distinguish between ductile and brittle failures. Give an example for your answer. [Bezakan di antara kegagalan mulur dan rapuh. Berikan satu contoh bagi jawapan anda.]

(4 Marks / Markah) (b)

Figure 1 shows the circumferential stress, σ, (also called hoop stress) in a pressurized cylindrical vessel is calculated by the equation, 𝜎 = 𝑃𝑟/𝑡, where P is the internal pressure, r is the radius of the vessel, and t is thickness. The vessel has 91.44 cm diameter, 6.35 mm thickness and an internal pressure of 34.5 MPa. Assume the crack occurred at the center of the vessel and Y=1.0. For the fracture toughness KIC and yield strength σY values of each vessel materials, refer Table A3 in Appendix. [Gambarajah 1 menunjukkan ketegasan lilitan σ (juga dipanggil tegasan berharap) di dalam sebuah tangki silinder bertekanan dikirakan dengan menggunakan persamaan 𝜎 = 𝑃𝑟/𝑡, di mana P adalah tekanan dalaman, r adalah jejari tangki, dan t adalah ketebalan. Tangki tersebut mempunyai garis tengah 91.44 cm, ketebalan 6.35 mm dan tekanan dalaman 34.5 MPa. Anggap geometri retakan berlaku di bahagian tengah tangki tersebut dan Y=1.0. Bagi nilai-nilai kekerasan patah, KIC dan kekuatan alah σY bagi setiap bahan-bahan tangki tersebut, rujuk Jadual A3 di lampiran.]

(i) Compute the critical crack length (2a) if the vessel is made of Al 7178-T651. [Kira panjang retakan kritikal (2a) sekiranya tangki tersebut diperbuat oleh Al 7178-T651.]

(8 Marks / Markah) (ii) If the material of alloy steel (17-7pH) to be used, compare the difference of the critical crack length (2a) with your answer in (i). Justify your answer. [Sekiranya bahan keluli aloi (17-7pH) digunakan, bandingkan perbezaan retakan kritikal (2a) dengan jawapan anda di (i). Justifikasi jawapan anda.]

(6 Marks / Markah) (iii) The vessel will fracture catastrophically if the crack lengths above the calculated value as shown in your answer in (i) and (ii), propose preventive measures need to be taken to increase the resistance to fatigue failure. [Tangki tersebut akan patah dengan teruk sekiranya panjang retakan melebihi nilai yang dikirakan seperti ditunjukkan dalam jawapan anda di (i) dan (ii), cadangkan langkah pencegahan yang perlu diambil untuk menaikkan kekuatan terhadap kegagalan lesu.]

(2 Marks / Markah)

t

σ 2a

r P

crack

σ Figure 1 [Gambarajah 1]

SULIT

SULIT (ENT 145) -6Question 5 [Soalan 5]

(a)

Discuss the difference between pearlite, spheroidite and martensite with respect to microstructures and mechanical properties. [Bincangkan perbezaan antara pearlit, spherodit dan martensit berdarkan kepada mikrostruktur dan sifat mekanikal.]

(6 Marks / Markah) (b)

The complete isothermal transformation diagram of 0.76 wt% C steel alloy is shown in Figure 2. [Rajah lengkap penjelmaan suhu bagi keluli aloi 0.76 wt % C ditunjukkan dalam Gambarajah 2.]

(i)

Develop the heat treatment process to produce a microstructure of 100 % martensite structure. [Bangunkan proses rawatan haba untuk menghasilkan sebuah mikrostruktur bagi 100% struktur martensit.]

(5 Marks / Markah) (ii)

Develop the heat treatment process for producing a microstructure of 50% bainite and 50% martensite structure. [Bangunkan proses rawatan haba untuk menghasilkan sebuah mikrostruktur bagi 50% struktur bainit dan 50% struktur martensit.]

(5 Marks / Markah) (iii)

Alloy in question (i) is tested for bending fatigue test. It has experienced a fracture which occurs in brittle manner. Propose a suitable solution to improve mechanical properties of the alloy. Justify your answer. [Aloi pada (i) diuji bagi ujian lenturan lesu. Daripada ujian tersebut, aloi mengalami patah di mana patah berlaku dalam betuk rapuh. Cadangkan satu penyelesaian yang bersesuaian untuk memperbaiki sifat mekanikal aloi tersebut. Justifikasikan jawapan anda.]

(4 Marks / Markah)

…7/

SULIT

SULIT (ENT 145) -7-

Figure 2 [Gambarajah 2]

-ooOooSULIT

SULIT (ENT 145) -8Appendices [Lampiran]

Table A1 Tabulation of Error Function Value

Table A2 Tabulation of Diffusion Data

Table A3 Typical Fracture Toughness Values for Selected Engineering Alloys

SULIT

SULIT (ENT 145) -9Appendices [Lampiran]

𝑚 = 𝜌𝑉 𝜌=

𝑛𝐴 𝑉𝐶 𝑁𝐴

𝐽 = −𝐷

𝑑𝐶 𝑑𝑥

𝜕𝐶 𝜕 2𝐶 =𝐷 2 𝜕𝑡 𝜕𝑥 𝐶𝑥 − 𝐶0 𝑥 = 1 − erf ( ) 𝐶𝑠 − 𝐶0 2√𝐷𝑡 ln 𝐷 = ln 𝐷0 −

𝑄𝑑 1 ( ) 𝑅 𝑇

𝜎 = 𝐹 ⁄𝐴𝑜 𝜖=

𝑙𝑖 − 𝑙𝑜 ∆𝑙 = 𝑙𝑜 𝑙𝑜 𝜎 = 𝐸𝜖

𝑣=−

∈𝑥 ∈𝑧

𝜎 = (𝑃𝑟⁄𝑡) 𝐾𝐼𝐶 = 𝑌𝜎√𝜋𝑎

SULIT