Materi kuliah ini membahas tentang ilmu material dan teknik material, meliputi pengenalan berbagai jenis material seperti logam, keramik, polimer, komposit, dan material lanjutan. Kuliah juga menjelaskan hubungan antara struktur, sifat, pemrosesan, dan kinerja suatu material serta proses seleksi material yang tepat untuk suatu aplikasi berdasarkan kriteria yang diperlukan.

1. Dr. Ir. H. Yovial Mahjoedin Rd, MT
Jurusan Teknik Mesin
Universitas BungHatta
Kuliah 1

2. • Pengelompokan material yang digunakan untuk keperluan teknik.
• Sifat material: sifat mekanik, sifat fisik, sifat kimia, sifat teknologi
• Pengelompokan material teknik dan sifat-sifatnya serta lingkup
penggunaannya dalam praktek
Historical Perspective
Stone →Bronze →Iron →Advanced materials
What is Materials Science and Engineering ?
Processing →Structure →Properties →Performance
Classification of Materials
Metals, Ceramics, Polymers, Semiconductors
Advanced Materials
Electronic materials, superconductors, etc.
Modern Material's Needs, Material of Future
Biodegradable materials, Nanomaterials, “Smart” materials

3.  UAS berbobot 30%
 UTS berbobot 30%
 Tugas/kuis berbobot 20%
 Tugas yang dikumpulkan tidak tepat waktu tidak akan dinilai!
 Kuis dilakukan di kelas pada waktu tertentu
 KELENGKAPAN CATATAN BERBOBOT 20%  DIKUMPULKAN PADA
AKHIR KULIAH UNTUK DIPERIKSA
 Kehadiran tidak kurang dari 80%  akan dinilai tersendiri
1. Callister Jr, W.D., Material Science and Engineering, An Introduction, 8ed,
Wiley, 2010
2. Anderson, J.C., Material Science for Engineers, 5ed, Nelson Thornes, 2005
3. Petty, E.R., Physical Metallurgy of Engineering Material, George Allen and
Unwin Ltd, 1970
4. Cahn, R.W., Physical Metallurgy, North Holland, 1996
5. Smallman, R.E., Modern Physical Metallurgy and Materials Engineering,
6ed, Butterworth-Heinemann, 1999

4. Historical Perspective
o Beginning of the Material Science – Manusia mulai membuat peralatan dari batu –
Start of the Stone Age sekitar 2 juta tahun lalu.
Natural materials: batu (stone), kayu (wood), tanah liat (clay), kulit (skins), etc.
o The Stone Age berakhir sekitar 5000 tahun lalu dengan penggunaan perunggu
(Bronze) in the Far East. Bronze adalah paduan (alloy, logam yang terdiri atas dari
satu unsur) tembaga (copper) + < 25% timah (tin) + other elements.
Bronze: can be hammered or cast into a variety of shapes, can be made harder
by alloying, corrode only slowly after a surface oxide film forms.
o The Iron Age dimulai sekitar 3000 tahun lalu hingga saat ini. Penggunaan besi (iron)
dan baja (steel) serta bahan yang kuat dan murah, secara drastis merubah kehidupan
sehari-sehari manusia.
o Age of Advanced materials: Pada zaman besi ini juga beberapa jenis material baru
ditemukan (ceramic, semiconductors, polymers, composites...).
 perlu pemahaman yang detail mengenai hubungan antara structure, properties,
processing, dan performansi materials
 Intelligent design of new materials.

5. Material Science
adalah pengetahuan yang mempelajari hubungan antara processing,
structure, sifat-sifat (properties), dan performansi material.
What is Materials Science and Engineering?
Materials Engineering
Pengetahuan mengenai merancang atau merekayasa struktur material
untuk menghasilkan sekumpulan sifat yang ditetapkan berdasarkan
hubungan antara struktur-properti yang pasti.

6. Minor differences in Raw materials or processing parameters can mean
major changes in the performance of the final material or product
Four Major Components of Material Science and Engineering:
• Structure of Materials
• Properties of Materials
• Processing of Materials
• Performance of Materials

7. Pemahaman yang baik atas structure-komposisi-properties telah menyebabkan
kemajuan yang luar biasa terhadap sifat-sifat materials.
Contohnya adalah kemajuan yang drastis pada rasio antara kekuatan dengan
densitas bahan, yang menghasilkan berbagai-bagai macam produk baru, dari
sikat gigi hingga raket tenis

8. Structure
Level Subatomik
Struktur electron dari atom individu yang menentukan interaksi antara
atom-atom (interatomic bonding).
Level Atomik
Susunan atom dalam materials (atom yang sama dapat memiliki sifat
yang berbeda, contohnya dua bentuk atom karbon: graphite and intan)
Struktur Mikroskopis
Susunan butiran-butiran kecil material yang dapat diidentifikasikan
dengan mikroskop
Struktur Makroskopis
Struktur elements yang dapat dilihat dengan mata telanjang

9. Length-scales
Angstrom = 1Å = 1/10,000,000,000 meter = 10-10 m
Nanometer = 10 nm = 1/1,000,000,000 meter = 10-9 m
Micrometer = 1μm = 1/1,000,000 meter = 10-6 m
Millimeter = 1mm = 1/1,000 meter = 10-3 m
Jarak Interatomic ~ a few Å
Rambut manusia ~ 50 μm
Jalur-jalur memanjang pada data track CD ~ 0.5 μm lebar, minimum 0.83 μm
panjang, dan 125 nm tinggi

11. Jenis-jenis Material
Klasifikasi solid materials didasarkan pada kimia pembentuk dan struktur atomnya
(bagaimana atom terikat bersama), terbagi atas tiga jenis:
Metals
elektron valensi terlepas dari atom, dan menyebar dalam 'lautan elektron'
sehingga mengikat ion bersama-sama
Kuat, ulet, penghantar listrik dan panas yang baik, mengkilap jika dipoles
Ceramics
atom berperilaku seperti ion positif atau negatif, dan terikat oleh gaya Coulomb.
biasanya adalah kombinasi dari logam atau semikonduktor dengan oksigen,
nitrogen atau karbon (oksida, nitrida, dan karbida).
Keras, rapuh, isolator. Contoh: kaca, porselen.
Polymers
terikat oleh gaya kovalen dan juga oleh gaya lemah van der Waals, dan biasanya
terdiri dari atom C dan H.
terurai pada suhu sedang (100-400 C), dan ringan. Contoh: karet plastik.
Composite
terdiri dari dua (atau lebih) bahan di atas. Tujuan komposit adalah untuk
mencapai kombinasi sifat yang tidak ditampilkan oleh bahan tunggal, dan juga
untuk menggabungkan karakteristik terbaik dari masing-masing bahan
komponennya

12. • Metals
– Steel, Cast Iron, Aluminum, Copper, Titanium, many others
• Ceramics
– Glass, Concrete, Brick, Alumina, Zirconia, SiN, SiC
• Polymers
– Plastics, Wood, Cotton (rayon, nylon), “glue”
• Composites
– Glass Fiber-reinforced polymers, Carbon Fiber-reinforced polymers, Metal Matrix Composites, etc.

13. • Metals
– Steel, Cast Iron, Aluminum, Copper, Titanium, many others
• Ceramics
– Glass, Concrete, Brick, Alumina, Zirconia, SiN, SiC
• Polymers
– Plastics, Wood, Cotton (rayon, nylon), “glue”
• Composites
– Glass Fiber-reinforced polymers, Carbon Fiber-reinforced polymers, Metal Matrix Composites, etc.

14. • Metals
– Steel, Cast Iron, Aluminum, Copper, Titanium, many others
• Ceramics
– Glass, Concrete, Brick, Alumina, Zirconia, SiN, SiC
• Polymers
– Plastics, Wood, Cotton (rayon, nylon), “glue”
• Composites
– Glass Fiber-reinforced polymers, Carbon Fiber-reinforced polymers, Metal Matrix Composites, etc.

15. • Metals
– Steel, Cast Iron, Aluminum, Copper, Titanium, many others
• Ceramics
– Glass, Concrete, Brick, Alumina, Zirconia, SiN, SiC
• Polymers
– Plastics, Wood, Cotton (rayon, nylon), “glue”
• Composites
– Glass Fiber-reinforced polymers, Carbon Fiber-reinforced polymers, Metal Matrix Composites, etc.

16. • Metals
– Steel, Cast Iron, Aluminum, Copper, Titanium, many others
• Ceramics
– Glass, Concrete, Brick, Alumina, Zirconia, SiN, SiC
• Polymers
– Plastics, Wood, Cotton (rayon, nylon), “glue”
• Composites
– Glass Fiber-reinforced polymers, Carbon Fiber-reinforced polymers, Metal Matrix Composites, etc.

17. Advanced Material
material yang digunakan pada teknologi tinggi, terdiri atas
• Semiconductors
memiliki sifat listrik antara konduktor listrik (logam dan paduan logam) dan
isolator (keramik dan polimer)
• Biomaterial
Biomaterial digunakan untuk komponen yang ditanamkan ke dalam tubuh
manusia untuk penggantian bagian tubuh yang sakit atau rosak.
Bahan ini tidak boleh menghasilkan zat beracun dan harus sesuai dengan
jaringan tubuh (misalnya, tidak harus menyebabkan reaksi biologis yang
merugikan).
Semua bahan di atas-logam, keramik, polimer, komposit, dan semikonduktor-
dapat digunakan sebagai biomaterials
• Smart material
bahan cerdas (pintar) adalah kelompok material baru yang sekarang sedang
dikembangkan dan memiliki pengaruh signifikan pada banyak teknologi.
Kata "cerdas" menyiratkan bahwa bahan ini dapat merasakan perubahan
dalam lingkungan mereka dan kemudian menanggapi perubahan dalam
perilaku yang telah ditentukan- seperti sifat yang juga ditemukan dalam
organisme hidup
• Nano material
Material yang “dirancang” dalam skala nano

18. Lebih jauh dengan smart materials
Komponen bahan (atau sistem) pintar mencakup beberapa jenis sensor (yang mendeteksi
sinyal input), dan aktuator (yang melakukan fungsi responsif dan adaptif). Aktuator dapat
mengubah bentuk, posisi, frekuensi alami, atau karakteristik mekanik sebagai respons
terhadap perubahan suhu, medan listrik, dan/atau medan magnet.
Empat jenis bahan yang biasa digunakan untuk actuator:
shape memory alloys,
piezoelectric ceramics
magnetostrictive materials, dan
fluida electrorheological/magnetorheological
Memahami kimia dan fisika material dimulai dengan mempelajari struktur yang besar dan
kompleks, setelah itu dilakukan dengan menyelidiki blok yang membentuk dasar struktur
ini, yang lebih kecil dan sederhana. Pendekatan ini disebut top-down.
Dengan munculnya scanning probe mikroskop, memungkinkan kita untuk memanipulasi
dan memindahkan atom dan molekul untuk membentuk struktur baru, dengan demikian,
mendesain material baru yang dibangun dari konstituen atom-tingkat sederhana
(merancang material).
Kemampuan untuk hati-hati mengatur atom memberikan kesempatan untuk
mengembangkan sifat mekanik, listrik, magnet, dan sifat lain, yang tidak mungkin
sebelumnya.
Pendekatan ini disebut bottom-up, studi tentang sifat material ini disebut nanoteknologi
Lebih jauh dengan nano material

19. Sifat-sifat (Properties)
Properties merupakan cara material merespon lingkungan dan gaya luar.
• Mechanical properties – sifat mekanik.
response terhadap gaya mekanik, kekuatan, etc.
• Electrical and magnetic properties – sifat listik dan magnet
response terhadap medan listrik dan magnet, konduktivitas, etc.
• Thermal properties – sifat panas
Berhubungan dengan transmisi panas dan kapasitas panas.
• Optical properties – sifat optik
Meliputi absorpsi, transmisi dan and scattering cahaya.
• Chemical stability – stabilitas kimia
Dalam kaitannya dengan lingkungan – ketahanan terhadap korosi.

20. The Materials Selection Process
1. Pilih Penggunaan Tentukan sifat-sifat yang dibutuhkan
2. Properties Identifikasi kandidat Material(s)
3. Material Identifikasi Processing yang dibutuhkan
Processing: merubah structure dan bentuk keseluruhan
ex: casting, sintering, vapor deposition, doping, forming, joining, annealing.
Sifat-sifat: mekanik, listrik, magnet, panas, optik, deteriorative (buruk).
Material: structure, komposisi.

21. ex: kekerasan vs structure dari baja
• Sifat material tergantung pada structure
Data obtained from Figs. 11.31(a)
and 11.33 with 4 wt% C composition,
and from Fig. 14.8 and associated
discussion, Callister & Rethwisch 4e.
Micrographs adapted from (a) Fig.
11.19; (b) Fig. 10.34;(c) Fig. 11.34;
and (d) Fig. 11.22, Callister &
Rethwisch 4e.
ex: structure vs laju pendinginan dari baja
• Pemprosesan dapat merubah structure
Structure, Processing, & Properties
Hardness(BHN)
Cooling Rate (ºC/s)
100
200
300
400
500
600
0.01 0.1 1 10 100 1000
(d)
30 mm
(c)
4 mm
(b)
30 mm
(a)
30 mm

22. WHY STUDY MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING?
• Memilih material yang tepat dari ribuan material yang tersedia.
Ada beberapa kriteria yang menjadi keputusan akhir yang biasanya
digunakan.
• Material mungkin mengalami kerusakan selama beroperasi.
Misalnya, pengurangan kekuatan mekanik yang signifikan dapat
diakibatkan oleh paparan suhu tinggi atau lingkungan yang korosif.
• Finally, mungkin pertimbangan utama adalah pertimbangan ekonomi:
berapa cost untuk memproduksi produk jadi?

23. • Using the right material for the job.
one that is most economical and “Greenest” when life
usage is considered
• Understanding the relation between properties, structure, and
processing.
• Recognizing new design opportunities offered by materials selection.
Course Goal is to make you aware of the importance of Material
Selection by: