JF302 -Bab 1b

CHAPTER 1b

BINARY ALLOY SYSTEM

1.2 Describe the metal and alloy solidification  (Pemejalan Logam dan Aloi)

Selepas kerja pemanasan logam atau aloi, ia dibiarkan sejuk atau pejal. Semasa proses pemejalan tersebut, wujud fasa-fasa tertentu yang akan dibincangkan di dalam unit ini.  Sebenarnya fasa logam atau aloi yang memejal akan bergabung untuk menghasilkan satu bentuk bijian yang boleh dilihat secara kasar (microskop pembesaran).

Proses pemejalan berlaku dengan pertumbuhan nukleus. Bucu-bucu nukleus yang bebas memilih jalan masing-masing ke tempat yang lebih sejuk. Ini menyebabkan pertumbuhan nukleus dan perkembangan bucu semakin bertambah. Lengan jejari akan terbentuk yang ianya sendiri membentuk lengan-lengan secondary masing-masing 90° diantara satu sama lain. Ini berterusan hingga satu struktur yang. dipanggil struktur dendrit wujud seperti ditunjukkan dalam Rajah di bawah

1.2.1 Explain solidification phases of  Nucleus, Dendrite and Grain

       Nucleus –  merujuk kepada   rajah bil a)

       Dendrite – merujuk kepada   rajah bil  b) dan c)

       Grain      - merujuk kepada    rajah bil  d) dan e)

1.2.2    Differentiate between metals and alloys (Perbezaan antara Logam dan aloi)

Metal (Logam Tulin)

            Logam yang mempunyai elemen-elemen yang sama, mempunyai sifat-sifat yang melampau (extreme) dan tidak dapat memenuhi kehendak kerja kejuruteraan. Logam tulin mempunyai cirri-

                                                             i.      Mudah di tempa – boleh di ketuk kepada berbagai bentuk.

                                                            ii.      Mulur – boleh dijadikan wayar yang halus.

    Alloys (Aloi @ Pancalogam)

Gabungan/cantuman rapat antara 2 atau lebih komponen bahan ( unsur logam dan bukan logam) dan wujud samada dalam keadaan pepejal atau cecair. Contoh : sedikit karbon dicampurkan dengan besi akan menghasilkan keluli.

1.2.3 Define term and formation of solid solution (Takrifkan istilah dan pembentukan larutan pepejal)

Larutan  Pepejal

Atom atau molekul-molekul bahan telah menduduki kedudukan yang biasa dalam kekisi hablur dan membentuk suatu fasa tunggal. Apabila pemejalan berlaku, atom-atom aloi akan tersusun dengan teratur dan ia dipanggil ruang kekisi. Fasa ini mengekalkan kelarutan zarah yang terdapat dalam keadaan cecair sama ada sebahagian atau keseluruhannya

1.2.4 Distinguish between substitution and interstitial solid solution (Bezakan di antara larutan pepejal Gantian dan larutan pepejal celahan)

Terdapat 2 jenis larutan pepejal iaitu : i) Larutan Pepejal Gantian (Rawak &  Teratur) dan

    ii) Larutan Pepejal Celahan.

Larutan Pepejal Gantian (Substitution)

a)      Larutan Pepejal Gantian Secara Rawak

Atom zarah mengambil tempat atom utama secara rawak dan susunannya tidak teratur.

      b) Secara Teratur

Atom zarah mengambil tempat atom utama dan susunannya teratur seperti Rajah di bawah.

Larutan Pepejal Celahan (Interstitial)

Atom zarah yang kecil mengisi ruang-ruang di antara atom-atom dalam kekisi. Ia berlaku sekiranya atom logam tambahan ini adalah lebih kecil dari logam induknya. Larutan jenis ini adalah lebih kuat kerana peranan atom logam yang lebih kecil akan memenuhi ruangan-ruangan yang ada. Oleh yang demikian, kegelinciran dapat dielakkan dari berlaku seperti Rajah di bawah .

1.2.5 Explain the process of solidification for pure metal and alloy according to the cooling curve  (Proses pemejalan Logam tulen dan aloi merujuk kepada Graf lengkung Pendinginan)

1)      Metal Cooling curve diagram (Graf pemejalan Logam Tulin)

-              Apabila logam disejukkan ke suhu beku, ia mengalami kesukaran untuk membentuk hablur/ nukleus.

-              Keadaan ini berlaku di antara 0.1 hingga 10°C (Kawasan B hingga C)

-              Apabila nukleus mula terhasil, suhu akan meningkat ke titik suhu beku (Thermal arrest) yang sebenar (D) dan suhu tidak dibebaskan lagi.

-              Apabila pembentukan hablur tamat (E) suhu akan terbebas semula.

2)      Alloy Cooling Curve diagram (Graf pemejalan Aloi)

-              Apabila penyejukan berlaku, haba dibebaskan hingga ke suhu beku dan unit-unit  
                sel mula terbentuk.

-              Apabila sampai pada titik beku (Thermal arrest), haba tidak lagi dibebaskan 
                kerana digunakan  untuk pembentukan hablur-hablur hingga selesai.

-              Selepas itu haba kembali dibebaskan (Equilibrium Freezing Temperature)

1.2.6 Explain the phase balance diagram, which comprises of a few cooling curves for solid solution  (Gambarajah Keseimbangan Fasa, terhasil dari gabungan graf lengkung pendinginan Larutan Pepejal)

Sistem pancalogam atau aloi ini lebih mudah dipelajari dengan merujuk kepada gambarajah keseimbangan fasa atau gambarajah juzuk aloi tersebut. Rajah keseimbangan ini berdasarkan kepada suhu dan peratusan kandungan aloi yang boleh membantu memahami dan meramalkan apakah perubahan struktur aloi yang berlaku sewaktu pemanasan dan penyejukkan untuk pembekuan.  Rajah ini juga penting sebagai panduan bagi proses rawatan haba dan memperbaiki sifat-sifat kimia bahan tersebut. Di dalam kebanyakkan aloi perduaan (binary alloy) iaitu campuran diantara dua jenis logam, juzuk-juzuknya boleh larut antara satu sama lain dalam keadaan cecair.

Berikut adalah graf lengkung pendinginan sebenar bagi aloi @ pancalogam:- Keadaan sebenar ini menunjukkan nisbah yang wujud di antara titik mula pemejalan (Liquidus point) dan titik tamat pemejalan (Solidus point) yang disebut “Freezing Range”.

Sekiranya lengkung ini diplotkan sebanyak 6 graf, hasilnya dapat dilihat seperti di bawah:-

The construction of phase balance diagram (Mekanisma pewujudan rajah keseimbangan fasa)

Contoh penafsiran graf keseimbangan fasa:

            Rajah di atas menunjukkan suatu aloi yang mengandungi X % nikel akan memejal seperti berikut :

i.          Pada suhu t₁, kerencaman cecair 1 akan berada dalam keadaan keseimbangan dengan larutan pepejal kerencaman yang sepadan kepada titik p pada garisan solidus (garisan pepejalan). Oleh itu hablur larutan pepejal pertama membentuk terdiri dari kerencaman p.

ii.         Apabila suhu turun maka kerencaman larutan pepejal berkecenderung untuk berubah dengan cara resapan mengikut garisan pepejalan kepada titik q.

iii.        Pada suhu t₂, cecair yang kerencaman m berada dalam keadaan keseimbangan dengan larutan pepejal kerencaman.

Proses pemejalan aloi ini akan selesai pada suhu t₃ apabila titisan terakhir cecair kerencaman n, memejal, membaiki kerencaman hablur larutan pepejal kepada r.

1.2.7 Explain terms of equilibrium phase diagram (Rajah Keseimbangan Fasa bagi system Aloi Perduaan)

Untuk memahami kandungan bahan dan struktur fasa. Ini bermakna satu bahagian homogen (komponen) bahan yang boleh diasingkan secara fizikal dan mempunyai kandungan kimia serta struktur yang teratur.

a. Phase (Fasa)

Merujuk kepada suatu bentuk struktur atau kawasan yang mempunyai sifat berlainan jenis akibat dari perubahan atau memiliki sifat semulajadi yang berbeza. Ia dipisahkan oleh garis-garis lengkung pendinginan atau sempadan fasa

b. Equilibrium phase (Fasa Keseimbangan)

Gambarajah fasa ialah peta sesuatu system dan ia menunjukkan fasa yang sepatutnya wujud di bawah keadaan keseimbangan untuk sebarang gabungan rencaman dan suhu tertentu. Gambarajah fasa digunakan secara meluas dan amat penting terutama untuk memahami system logam dan aloi.

c. Composition (Komposisi)

Komposisi ialah peratus kandungan bahan-bahan tertentu yang sengaja atau tidak sengaja dimasukkan ke dalam sesuatu bahan. Dengan kehadiran peratus komposisi bahan ini boleh menyebabkan perubahan dalam fasa, sifat dan bentuk struktur mikro bahan.

d. Liquidus (Cecair)

Liquidus merujuk kepada garisan lintang yang memisahkan antara fasa cecair bahan dengan fasa separa cecair bahan. Semasa proses pemejalan berlaku, zarah bahan yang berada pada suhu lebur akan mula memejal apabila suhu diturunkan. Titik permulaan proses pemejalan berlaku apabila melepasi garisan lintang liquidus.