- 1 -

UNIVERSITI MALAYSIA PERLIS

Peperiksaan Semester Pertama

Sidang Akademik 2014/2015

Januari 2015

ENT 145 – Material 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 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.]

- 2 -

Part A – Answer ALL questions [Bahagian A – Jawab semua soalan]

Question 1 [Soalan 1]

(a) Identify four components and its specific materials used in a car. [Tentukan empat komponen-komponen dan bahan-bahan terperincinya digunakan dalam sebuah

kereta.] (4 Marks / Markah)

(b) With the aid of sketches, explain the main differences between ionic, covalent and

metallic bonding. [Dengan bantuan lakaran, terangkan perbezaan utama antara ikatan ionik, ikatan kovalen dan ikatan

logam.]

(6 Marks / Markah)

(c) Atom X has an atomic radius of 0.1345 nm and density of 12.41 g/cm3. Given its

atomic weight is 102.91 g/mol. [Atom X mempunyai jejari atom 0.1345 nm dan ketumpatan 12.41 g/cm

3. Diberikan berat atomnya

ialah 102.91 g/mol.]

(i) Determine the crystal structure for atom X.

[Nilai struktur kristal bagi atom X.]

(6 Marks / Markah)

(ii) Determine the atomic packing factor (APF) for crystal structure in (i).

[Tentukan faktor pemadatan atom (APF) bagi struktur kristal pada (i).]

(4 Marks / Markah)

- 3 -

Question 2 [Soalan 2]

(a) 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, keluli berkarbon sederhana dan

keluli berkarbon tinggi. Untuk setiap keluli beraloi rendah, terangkan sifat dan penggunaannya.] (6 Marks / Markah)

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

(2 Marks / Markah)

(c) 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)

…4/

- 4 -

(d) A portion of the iron – iron carbide (Fe-FeC) phase diagram is shown in Figure 1.

Consider 3.0 kg of austenite containing 1.15 wt % C, cooled to below 725 °C.

[Satu bahagian bagi gambarajah fasa besi-besi karbida ditunjukkan dalam Gambarajah 1.

Pertimbangkan 3.0 kg austenite yang mengandungi 1.15 wt % C, disejukkan ke bawah 725oC.]

(i) Determine the proeutectoid phase. [Tentukan fasa proeutektoid.]

(2 Marks / Markah)

(ii) Calculate the mass of total ferrite and cementite form. [Kira jisim bagi jumlah ferit dan cementit yang terbentuk.]

(3 Marks / Markah)

(iii) Calculate the mass of the pearlite and proeutectoid phase form. [Kira jisim bagi pearlite dan fasa proeutektoid yang terbentuk .]

(3 Marks / Markah)

Figure 1 [Gambarajah 1]

- 5 -

Question 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 kelakuan 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 10-4

mm.

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 1000 N 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 garis pusat 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 to 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 mengalami pengurangan

garis pusat tidak lebih daripada 7.5 x 10-3

mm.]

(4 Marks / Markah)

Table 1 [Jadual 1]

Material Modulus of

Elasticity (GPa)

Yield Strength

(MPa) Poisson’s Ratio

Aluminum alloy 70 200 0.33

Brass alloy 101 300 0.34

Steel alloy 207 400 0.30

Titanium alloy 107 650 0.34

- 6 -

Question 4 [Soalan 4]

(a) Briefly explain ductile iron and malleable iron. [Terangkan secara ringkas besi mulur dan besi boleh tempa.]

(4 Marks / Markah)

(b) Cast irons are very important engineering materials. Briefly explain cast irons and

their basic range of composition. Give their applications and four basic types of cast

irons. [Besi tuang adalah bahan kejuruteraan yang sangat penting. Terangkan secara ringkas besi tuang dan

julat asas komposisi. Beri kegunaan-kegunaan mereka dan empat jenis asas besi tuang.] (6 Marks / Markah)

(c) Plain carbon and alloy steels are extensively used in manufacturing of bolts and

screws. Give five reasons for this. [Keluli karbon biasa dan keluli aloi digunakan dengan meluas dalam pembuatan bolt dan skru.

Berikan lima sebab untuk ini.] (5 Marks / Markah)

(d) For a plain carbon steel has carbon content of 1 wt % at 900 °C. On average, how

many carbon atoms can you find in 100 unit cells? If at room temperature, the carbon

content of ferrite drops to 0.005 wt %, on average, how many unit cells would you

have to search to find one carbon atom? Briefly explain the differences in these two

cases. [Bagi keluli karbon biasa dengan 1 % berat kandungan karbon pada 900 ° C. Pada purata, berapa

banyak atom karbon boleh anda dapati dalam 100 unit sel? Jika pada suhu bilik, kandungan karbon

ferit jatuh kepada 0.005 % berat, secara purata, berapa banyak sel unit anda perlukan untuk mencari

satu atom karbon? Terangkan secara ringkas perbezaan di dalam kedua-dua kes.] (5 Marks / Markah)

- 7 -

Part B – Answer ONE (1) question [Bahagian B – Jawab SATU (1) soalan.]

Question 5 [Soalan 5]

(a) Describe ductile, brittle and fatigue failures. Explain in terms of failure surfaces. [Terangkan kegagalan mulur, rapuh dan kelesuan. Terangkan dari segi permukaan kegagalan]

(6 Marks / Markah)

(b) A fatigue test is made with a maximum 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 tekanan maksima 120 MPa dan amplitud tekanan 165 MPa. Kirakan

tegasan maksima dan minima, nisbah tekanan dan julat tekanan.] (4 Marks / Markah)

(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 2.0mm.]

(i) Determine the value of dimensionless correction factor, Y. [Tentukan nilai bagi faktor pembetulan tak berdimensi, Y.]

(4 Marks / Markah)

(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 325MPa dan panjang retak dalaman maksimum

dikurangkan kepada 1.1mm, anggarkan sama ada patah akan terjadi. Bandingkan jawapan anda

dengan data yang tersedia. Justifikasi jawapan anda.] (6 Marks / Markah)

- 8 -

Question 6 [Soalan 6]

(a) Pit, intergranular and stress corrosions are example of metallic form corrosion. [Kakisan bopeng, kakisan antara butir, kakisan tegasan adalah contoh bagi kakisan bentuk logam.]

(i) Describe conditions under which these corrosions occur. [Jelaskan di bawah keadaan apa berlakunya kakisan.]

(3 Marks / Markah)

(ii) Discuss the measures that may be taken to prevent and control these corrosions. [Bincangkan pengukuran yang akan diambil untuk mencegah dan mengawasinya kakisan

tersebut.] (3 Marks / Markah)

(b) Figure 2 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 = 1.0. For the fracture toughness,

KIC and yield strength, σY values of each vessel material, refer to Table A1 in

Appendix. [Gambarajah 2 menunjukkan ketegasan 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 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 A1 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 stainless steel (17-7pH) is to be used, compare the difference of

the critical crack length (2a) with your answer in (i). Justify your answer. [Sekiranya bahan keluli tahan karat (17-7pH) digunakan, bandingkan perbezaan retakan kritikal

(2a) dengan jawapan anda di (i). Justifikasi jawapan anda.]

(6 Marks / Markah)

Figure 2 [Gambarajah 2]

r

P

2a

crack

σ

σ

t

- 9 -

Appendices [Lampiran]

Table A1 Typical Fracture Toughness Values for Selected Engineering Alloys

𝑚 = 𝜌𝑉

𝜌 = 𝑛𝐴

𝑉𝐶𝑁𝐴

𝐽 = −𝐷𝑑𝐶

𝑑𝑥

𝜕𝐶

𝜕𝑡= 𝐷

𝜕2𝐶

𝜕𝑥2

𝐶𝑥 − 𝐶0

𝐶𝑠 − 𝐶0= 1 − erf (

𝑥

2√𝐷𝑡)

ln 𝐷 = ln 𝐷0 −𝑄𝑑

𝑅 (

1

𝑇)

𝜎 = 𝐹 𝐴𝑜⁄

𝜖 =𝑙𝑖 − 𝑙𝑜

𝑙𝑜=

∆𝑙

𝑙𝑜

𝜎 = 𝐸𝜖

𝑣 = − ∈𝑥

∈𝑧

𝜎 = (𝑃𝑟 𝑡⁄ )

𝐾𝐼𝐶 = 𝑌𝜎√𝜋𝑎

𝐴𝑃𝐹 = 𝑉𝑆

𝑉𝑐