UNIVERSITI MALAYSIA PERLIS Peperiksaan Akhir Semester Pertama SidangAkademik 2016/2017 Januari 2017 ENT147 Engineering Materials [Kejuruteraan Bahan] Masa: 3 Jam Please make sure that this question paper has TEN (10) printed pages including this front page before you start the examination. [Sila pastikan kertas soalan ini mengandungi SEPULUH (10) muka surat yang bercetak termasuk muka hadapan sebelum anda memulakan peperiksaan ini.] This question paper has SIX (6) questions. Answer ALL questions in PART A, and ONE (1) question in PART B. Each question contributes 20 marks. [Kertas soalan ini mengandungi ENAM (6) soalan. Jawab SEMUA soalan dalam BAHAGIAN A, dan SATU (1) soalan dalam BAHAGIAN B. Markah bagi tiap-tiap soalan adalah 20 markah.] Note: Some formulas are given in the Appendices [Nota: Beberapa rumus diberikan dalam Lampiran]
-2- PART A Answer ALL questions [BAHAGIAN A Jawab SEMUA soalan] Question 1 [Soalan 1] (a) Identify four components and its specific class of materials used in a smart-phone. [Tentukan empat komponen dan kelas terperinci bagi bahan-bahan digunakan dalam sebuah telepon pintar.] (2 Marks / Markah) Draw a schematic diagram and compare the three primary bonds in term of driving force for each the formation bonds. [Lukiskan rajah skematik dan bandingkan tiga ikatan utama dari segi daya pacuan bagi pembentukan setiap ikatan-ikatan tersebut.] (c) Gold has a lattice constant of 0.408 nm and density of 12.41 g/cm 3. Given its atomic weight is 102.91 g/mol. [Emas mempunyai pemalar kekisi 0.408 nm dan ketumpatan 12.41 g/cm 3. Diberikan berat atomnya ialah 102.91 g/mol.] (i) Determine the atomic radius of gold. [Tentukan jejari atom emas.] (ii) Determine the atomic packing factor (APF) and the type of crystal structure for gold. [Tentukan faktor pemadatan atom (APF) dan jenis struktur kristal bagi emas.]
-3- Question 2 [Soalan 2] (a) Briefly explain conditions of atomic motion in diffusion. [Terangkan secara ringkas syarat-syarat pergerakan atom dalam resapan.] (2 Marks / Markah) (c) Discuss the concept of steady and non-steady state as it applies to diffusion. Give an example in your answer. [Bincangkan konsep keadaan stabil dan tidak stabil apabila ianya digunapakai dalam resapan. Berikan satu contoh pada jawapan anda.] Low-alloy steel can be categorized into low-carbon steel, medium-carbon steel and high carbon steel. For each of the low-alloy steel, describe the properties and its typical applications. [Keluli beraloi rendah dibahagikan kepada keluli berkarbon rendah, keluliberkarbon sederhana dan keluli berkarbon tinggi. Untuk setiap keluli beraloi rendah, terangkan sifat dan penggunaannya.] 4/
-4- (d) A portion of the iron iron carbide (Fe-FeC) phase diagram is shown in Figure 1. Consider 1.0 kg austenite containing 99.65 wt% Fe-0.35 wt% C alloy, cooled to below 725 C, determine: [Satu bahagian bagi rajah fasa besi-besi karbida ditunjukkan dalam Gambarajah 1. Pertimbangkan 1.0 kg austenit yang mengandungi 99.65 wt % Fe-0.35 wt% C aloi, disejukkan ke bawah 725 o C, tentukan:] (i) the mass of total ferrite and cementite phase. [jisim bagi jumlah fasa ferit dan cementit.] (ii) the mass of total of the proeutectiod ferrite and pearlite [kira jisim bagi jumlah proeutektoid ferit dan pearlit.] (iii) the mass of eutectiod ferrite. [kira jisim bagi eutektoid ferit.] (3 Marks / Markah) (3 Marks / Markah) (2 Marks / Markah) Figure 1 [Gambarajah 1]
-5- Question 3 [Soalan 3] (a) (c) Discuss the differences between brittle and ductile metals with respect to its tensile stress-strain behaviour. [Bincangkan perbezaan antara logam rapuh dan mulur berdasarkan kepada kelakuan tegasan tegangan -terikan.] A cylindrical specimen of hypothetical metal alloy has a diameter of 8.0 mm. A tensile force of 2000 N produces an elastic reduction in diameter of 2.8 10-4 mm. Compute the Young s modulus 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 2000 N menghasilkan pengurangan anjal bagi garis pusat sebanyak 2.8 x 10-4 mm. Kira modulus Young bagi aloi ini, diberi nisbah Poisson ialah 0.30.] Table 1 shows a list of materials and their mechanical properties. Each of the material will be tested as a bar specimen with 100 mm long and having a cross section of 10 mm 10 mm. If the tensile load is 35 kn, answer the following questions. [Jadual 1 menunjukkan senarai bagi bahan dan sifat mekanikalnya. Setiap bahan tersebut akan diuji sebagai satu specimen bar dengan panjang 100 mm keratan rentas 10 mm 10 mm. Jika beban tegangan ialah 35 kn, jawab soalan-soalan berikut.] (i) From Table 1, determine the material(s) that will not experience plastic deformation. Justify your answer. [Daripada Jadual 1, tentukan bahan yang tidak akan mengalami ubah bentuk plastik. Justifikasi jawapan anda.] (ii) By referring to answer in Question (c)(i), determine the material(s) that will not experience a cross section reduction of more than 0.1%. [Dengan merujuk kepada jawapan di Soalan (c)(i), pilih bahan yang tidak akan mengalami pengurangan keratin rentas tidak lebih daripada 0.1%.] Table 1 [Jadual 1] Material Modulus of Yield Strength Poisson s Elasticity (GPa) (MPa) Ratio Stainless steel alloy 302 (annealed) 193 275 0.25 Ductile cast iron 83 329 0.29 Aluminum alloy 7075-T6 (tempered) 72 503 0.33 Titanium alloy (as-rolled) 117 760 0.31
-6- Question 4 [Soalan 4] (a) Discuss pearlite, spheroidite and martensite with respect to microstructures and mechanical properties. [Bincang pearlit, spherodit dan martensit berdasarkan kepada mikrostruktur dan sifat mekanikal.] The complete isothermal transformation diagram of 0.76 wt% C steel alloy is shown in Figure 2. [Rajah lengkap penjelmaan suhu untuk bagi keluli aloi 0.76 wt% C ditunjukkan dalam Gambarajah 2.] (i) Illustrate the heat treatment process for producing a microstructure of 100 % martensite structure. [Ilutrasikan proses rawatan haba untuk menghasilkan mikrostruktur bagi 100% struktur martensit.] (ii) Illustrate the heat treatment process for producing a microstructure of 50% bainite and 50% martensite structure. [Ilustrasikan proses rawatan haba untuk menghasilkan mikrostruktur bagi 50% struktur bainit dan 50% struktur martensit.] Figure 2 [Gambarajah 2] 7/
-7- (c) Alloy in Question (i) is tested for bending fatigue test. It has experienced a fracture, which occurs in brittle fracture manner. Propose a suitable solution to improve mechanical properties of the alloy. Justify your answer. [Aloi pada Soalan (i) diuji bagi ujian lenturan lesu. Daripada ujian tersebut, aloi mengalami patah di mana patah berlaku dalam betuk patah rapuh. Cadangkan satu penyelesaian yang bersesuaian untuk memperbaiki sifat mekanikal aloi tersebut. Justifikasikan jawapan anda.]
-8- PART B Answer ONE (1) question only [BAHAGIAN B Jawab SATU (1) soalan sahaja] Question 5 [Soalan 5] (a) Describe ductile, brittle and fatigue failures in terms of their failure surfaces. [Terangkan kegagalan mulur, rapuh dan kelesuan dari segi permukaan kegagalannya.] A fatigue test is made with a maximum and minimum stresses is 300 MPa and 30 MPa, with stress ratio R= 0.1. Calculate the median stress and the stress amplitude. [Ujian kelesuan dibuat dengan tegasan maksimum dan minimum sebanyak 300 MPa dan 30 MPa, dengan nisbah tegasan R=0.1. Kirakan tegasan median dan amplitud tegasan.] (c) An aircraft component is fabricated from an aluminium alloy that has plane strain fracture toughness of 35 MPa m. Fracture occurred at a stress of 250 MPa when the maximum internal crack length is 2.0 mm. [Satu komponen kapal terbang telah difabrikasi daripada aloi aluminum yang mempunyai keliatan patah terikan satah 35MPa m. Patah terjadi pada tegasan 250 MPa bila panjang retak dalaman maksimum ialah 2.0 mm.] (i) Determine the value of dimensionless correction factor, Y. [Tentukan nilai bagi faktor pembetulan tak berdimensi, Y.] (ii) If a stress level is increased to 325 MPa and the maximum internal crack length is reduced to 1.1 mm, predict whether any fracture will occur. Compare your answer with existing data. Justify your answer. [Jika aras tegasan ditingkatkan kepada 325 MPa dan panjang retak dalaman maksimum dikurangkan kepada 1.1 mm, anggarkan sama ada patah akan terjadi. Bandingkan jawapan anda dengan data yang tersedia. Justifikasi jawapan anda.]
-9- Question 6 [Soalan 6] (a) Describe the type of corrosions and discuss the measures that may be taken to prevent and control these corrosions in metallic. [Jelaskan jenis kakisan dan bincangkan pencegahan yang boleh diambil untuk mencegah kakisan di dalam logam.] A fatigue test is made with a median stress of 120 MPa and a stress amplitude of 165 MPa. Calculate the maximum and minimum stresses, the stress ratio and the stress range. [Ujian kelesuan dibuat dengan tegasan median 120 MPa dan amplitud tegasan 165 MPa. Kirakan tegasan maksimum dan minimum, nisbah tegasan dan julat tegasan.] Figure 3 shows the circumferential stress σ, (also called hoop stress) in a pressurized cylindrical vessel and is calculated by the equation of σ = Pr/t, where P is the internal pressure, r is the radius of the vessel and t is thickness. The vessel has 914.4 mm 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 = 1.12. For the fracture toughness, K IC and yield strength, σ Y values of each vessel material, refer to Table A1 in Appendix. [Gambarajah 3 menunjukkan tegasan lilitan σ (juga dipanggil tegasan gegelang) 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 914.4 mm, ketebalan 6.35 mm dan tekanan dalaman 34.5 MPa. Anggap geometri retakan berlaku di bahagian tengah tangki tersebut dan Y =1.12. Bagi nilai-nilai kekerasan patah, K IC dan kekuatan alah, σ Y bagi setiap bahan-bahan tangki tersebut, rujuk Jadual A1 di Lampiran.] (i) Compute the critical crack length (2a) if the vessel is made of Al 7075-T651. [Kira panjang retakan kritikal (2a) sekiranya tangki tersebut diperbuat oleh Al 7075-T651.] (ii) If the material of 350 maraging steel alloy is to be used, compare the difference of the critical crack length (2a) with your answer in (i). Justify your answer. [Sekiranya bahan keluli maraging 350 digunakan, bandingkan perbezaan retakan kritikal (2a) dengan jawapan anda di (i). Justifikasi jawapan anda.] crack σ σ 2a P r t Figure 3
-10- [Gambarajah 3] -ooooo-
Appendices [Lampiran] Table A1 Typical Fracture Toughness Values for Selected Engineering Alloys m = ρv ρ = na V C N A J = D dc dx C t = D 2 C x 2 C x C 0 = 1 erf ( x C s C 0 2 Dt ) ln D = ln D 0 Q d R (1 T ) σ = F A o ε = l i l o l o σ = Eε v = x z = l l o σ = (Pr t) K IC = Yσ πa APF = V S V c
-12- (ENT145)