Makmal Sains Bahan UJIKAJI 1 : PENYEDIAAN SPESIMEN DAN KAJIAN METALOGRAFI KELULI KARBON (1) Tujuan (a) (b) Mempelajari teknik penyediaan spesimen Mempelajari metalografi keluli karbon yang telah mengalami rawatan haba yang berlainan (2) Pengenalan (a) Metalografi Pemeriksaan mikroskopik ke atas logam dan aloinya dinamakan metalografi. Metalografi atau kemikroskopan adalah suatu bidang penting di dalam mengkaji dan mempelajari mikrostruktur logam dan aloinya. Mikrostruktur logam tersebut pada umumnya terbentuk disebabkan komposisi kimia, rawatan haba dan kerja-kerja yang telah dikenakan ke atasnya. Kajian metalografi melibatkan pemeriksaan makro dan mikro. Pemeriksaan makro boleh dilakukan secara mata kasar atau melalui pembesaran mikroskop 10x sahaja untuk logam yang mempunyai mikrostruktur kasar. Manakala pemeriksaan mikro pula, dilakukan dengan pembesaran lebih besar untuk mikrostruktur logam yang halus. Pemeriksaan ini dilakukan dengan mikroskop cahaya dengan pembesaran maksima 2000x atau mikroskop elektron dengan pembesaran melebihi 2000x dan boleh mencecah 1,000,000x. Sebelum sesuatu logam itu diperiksa penyediaan spesimen yang teratur perlu dilakukan. Prosedur penyediaan spesimen termasuk menggalas, mencanai, menggilap dan mempunar bertujuan menghasilkan permukaan spesimen yang bersih, licin dan tanpa calar. 1
(b) Keluli Karbon Keluli Karbon ialah logam feros yang mengandungi besi dan karbon (sehingga 2.0%) digunakan dengan meluas dalam bidang kejuruteraan kerana mempunyai pelbagai sifat mekanik. Sifat mekanik keluli seperti kemuluran, kekerasan, keliatan dan kekuatan umumnya bergantung kepada komposisi dan rawatan haba yang telah dilalui. Mikrostruktur yang terdapat di dalam keluli karbon ialah: (i) (ii) (iii) (iv) AUSTENIT (γ) - larutan pepejal karbon dalam besi berstruktur hablur kiub berpusat muka (FCC). Kandungan maksima karbon yang boleh larut dalam austenit ialah 2.0% pada suhu 1130 C. FERIT (α) - larutan pepejal karbon dalam besi berstruktur hablur kiub berpusat jasad (BCC). Kandungan maksima karbon yang boleh larut dalam ferit ialah 0.025% pada suhu 723 C. SIMENTIT - sebatian kimia karbon dan besi dan peratus berat karbonnya ialah 6.67%. Simentit juga dikenali sebagai besi karbida (Fe 3 C). PEARLIT - struktur eutektoid iaitu campuran antara mikrostruktur ferit dan simentit. Struktur lamela tersebut terbentuk apabila austenit yang mengandungi 0.8% karbon didinginkan dengan perlahan di bawah suhu 723 C. Gambarajah keseimbangan fasa besi-karbon (lihat lampiran) menunjukkan kedudukan fasa hasil dari perubahan suhu dan peratus karbon dalam keluli. (c) Rawatan Haba Rawatan haba ialah proses pemanasan dan pendinginan logam pepejal atau aloi untuk memperolehi sifat-sifat yang tertentu. Melalui rawatan haba sifat mekanik keluli boleh berubah disebabkan perubahan saiz bijian dan mikrostrukturnya. Pemanasan di atas suhu kritikal A 3 atau A cm menghasilkan mikrostruktur austenit. Jika pendinginan dilakukan dengan perlahan, struktur yang seimbang akan terbentuk. Sebaliknya struktur tidak seimbang akan terhasil jika kadar pendinginan adalah pantas. Struktur seimbang ialah struktur yang boleh diramalkan dengan bantuan gambarajah keseimbangan fasa besi-karbon, tetapi struktur tidak seimbang tidak dapat dibuat demikian. 2
Sebahagian dari rawatan haba yang biasa dilakukan ke atas keluli ialah: (i) Rawatan haba yang menghasilkan struktur seimbang: (1) SEPUH LINDAP Tujuan rawatan haba ini ialah untuk menghapuskan tegasan dalaman dan memperolehi sifat kemuluran yang tinggi. Ianya dilakukan dengan memanaskan keluli ke fasa austenit bergantung kepada kandungan karbonnya, dan kemudian didinginkan dengan perlahan di dalam relau. Mikrostruktur yang terhasil ialah ferit + pearlit untuk keluli hipoeutektoid, pearlit untuk keluli eutektoid dan simentit + pearlit untuk keluli hipereutektoid. (2) PERNORMALAN Rawatan haba dan mikrostruktur yang terbentuk serupa seperti sepuh lindap, tetapi pendinginan keluli dilakukan di dalam udara biasa. Dengan itu mikrostrukturnya lebih halus dan seragam yang memberikan sifat mekanik yang lebih baik. (ii) Rawatan haba yang menghasilkan struktur tidak seimbang: (1) LINDAP KEJUT Rawatan haba ini dilakukan dengan memanaskan keluli sehingga mikrostruktur austenit terbentuk dan diikuti dengan pendinginan pantas (contohnya di dalam air atau minyak). Mikrostruktur yang terhasil dinamakan martensit yang mempunyai sifat kekerasan dan kerapuhan. Rawatan haba ini juga dikenali sebagai proses PENGERASAN keluli. (2) PEMBAJAAN Ianya dilakukan selepas keluli dilindap kejut. Keluli tersebut dipanaskan semula di bawah suhu 723 C untuk meningkatkan sifat kemuluran dan keliatannya. Mikrostruktur yang terbentuk dipanggil martensit terbaja. 3
(3) Peralatan (a) Mesin memotong (b) Mesin mencanai (c) Mesin menggilap (d) Larutan mempunar (e) Mikroskop cahaya (f) Spesimen keluli karbon yang akan diperiksa ialah: (i) (ii) (iii) (iv) (v) Spesimen 1 : Keluli eutektoid yang didinginkan didalam relau dari 1000 C Spesimen 2 : Keluli karbon sederhana yang didinginkan di dalam relau dari 850 C Spesimen 3 : Keluli karbon sederhana yang dilindap-kejut di dalam air dari 850 C Spesimen 4 : Keluli karbon sederhana yang dilindap-kejut di dalam air dan dibaja pada suhu 600 C selama 2 jam Spesimen 5 : Keluli karbon sederhana yang didinginkan didalam udara dari 850 C (4) Kaedah Ujikaji (a) (b) Prosedur penyediaan spesimen termasuk menggalas, mencanai, menggilap dan mempunar akan ditunjukkan untuk tujuan demonstrasi sahaja. Periksa tiap-tiap spesimen yang telah disediakan di bawah mikroskop cahaya dan lukiskan mikrostruktur spesimen tersebut. Mulakan pemeriksaan dengan kanta pembesaran yang rendah. 4
(5) Keputusan Lakar dan labelkan mikrostruktur yang dilihat di bawah mikroskop di dalam setiap bulatan berikut. Nyatakan pembesaran kanta yang digunakan. (10 markah) (a) Spesimen 1 (b) Spesimen 2 Mikrostruktur: Mikrostruktur: Pembesaran: Pembesaran: (c) Spesimen 3 (d) Spesimen 4 Mikrosruktur: Mikrostruktur: Pembesaran: Pembesaran: (d) Spesimen 5 Mikrostruktur: Pembesaran: 5
(6) Perbincangan (a) Lakarkan carta aliran tatacara penyediaan spesimen. (5 markah) (b) Nyatakan tujuan dilakukan penyediaan spesimen berikut dan senaraikan peralatan yang digunakan. (i) Menggalas (ii) Mencanai (iii) Menggilap (iv) Mempunar 6
(c) (15 markah) Bincangkan kepentingan penyediaan spesimen untuk pemeriksaan metalografi yang betul dan tertib. (5 markah) (d) Apakah yang perlu dilakukan untuk mendapatkan mikrostruktur dengan lebih jelas sekiranya masih terdapat calar-calar halus selepas mempunar? (3 markah) 7
(e) Namakan rawatan haba yang telah dilakukan ke atas spesimen 1, 2, 3, 4 dan 5. Terangkan dengan ringkas perbezaan mikrostruktur dan sifat mekanik: (i) spesimen 1 dan 2 (ii) spesimen 2 dan 5 (iii) spesimen 3 dan 4 (17 markah) 8
(7) Kesimpulan Berikan kesimpulan mengenai ujikaji ini dari segi kepentingannya, kegunaannya, cadangan untuk mempertingkatkan mutu keputusan ujikaji dan kesimpulan secara keseluruhannya (5 markah) 9