KU1101 Pengantar Rekayasa dan Desain I

Materials Engineering

Luaran pertemuan pekan kesepuluhMahasiswa mengetahui klasifikasi material teknik dan contohpemakaiannya

Mahasiswa mengenal aspek pemilihan material sebagai bagian dari perancangan

Mahasiswa mengenal sifat mekanik material

Bagaimana Anda memilih material ?Apa persyaratan material komponen ?

Material dan Peradaban ManusiaPeradaban dibagi berdasarkan jenis material yang digunakan : stone age, bronze age, iron age, ..........nano-age

Material dan Perancangan

Material untuk vacuum cleaner

Dominant Material Power Weight Cost, USD

Hand Powered, 1900 Wood, Canvas, Leather 50 W 10 kg 270

Cylinder, 1950 Mild steel 300 W 6 kg 110

Sphere, 1965 Mild steel 450 W 5.5 kg 100

Cylinder, 1987 Moulded ABS and Polypropylene

800 W 4 kg 60

Klasifikasi MaterialBerdasarkan bahan baku

LogamKeramikPolimerKompositNano-material

Berdasarkan fungsi (Functional Material) :Structural MaterialBiomaterialElectronic material (semi conductor, superconductor, magnetic)Smart Material

Rata-rata pemakaian material dalam mobil buatan tahun 1985 (USA)

Klasifikasi MaterialLogam :

Material yang paling banyak dipakai di industriTidak pernah dipakai dalam keadaan murni karena kekuatannya rendah. Digunakan dalam bentuk logam paduan (alloy)Kekuatan tinggi, menghantar listrik/panas, mengkilap, dan dapat dibentuk (ulet, ductile)Baja (steel) : paduan besi (Fe) dengan karbon ( C, <2.1% berat )Perunggu (bronze) : paduan Cu dengan Sn (< 40%)Kuningan (brass) : paduan Cu dengan Zn (< 35%)Baja tahan karat (stainless steel) : paduan Fe dengan Cr (min. 11%)

Tahan karat karena terbentuknya lapisan tipis (atomic layer) oksida Cr2O3 yang rigid (non-porous) di permukaan material

Klasifikasi MaterialKeramik : material an-organik, non-logam

Bersifat isolator listrik/panas, tahan temperatur tinggi, getas, sukar dideformasiTerdiri atas dua kelompok : traditional ceramics dan engineering ceramicsTraditional ceramics : kaca, batu bata, keramik lantai (tile), produk seni

Bahan dasarnya : Al2O3, SiO2, SiC, atau Si3N4

Engineering Ceramics : Digunakan dalam komponen mesin atau komponen elektronik

silicon carbide untuk mesin turboAl2O3 untuk isolator busi (spark plug)

Klasifikasi MaterialPolimer :

Material organik yang terdiri dari C, H, dan O yang membentuk rantai molekul panjang (kumpulan dari “monomer”)

Ringan, fleksibel, insulator, tahan korosi

Terbagi atas dua kelompok besar : plastik dan elastomer (karet)

Plastik terbagi lagi atas dua kelompok :

Thermoplastic : dapat direcycle melalui pemanasan

Contohnya : polyvinyl chloride (PVC), polymethyl metacrylate (PMMA, flexyglass), polytetrafluoroethylene (PTFE, Teflon), polyamides (nylon)

Thermosetting Plastic (Thermosets) : permanen, tidak dapat direcycle melalui pemanasan

Contohnya : Epoxy resin, phenolic resin, melamine-formaldehyde (melamin), polyester

Klasifikasi MaterialMaterial Komposit (Composite Materials)

Gabungan dari dua atau lebih material. Matrix adalah “pengikat”, serat (fiber) adalah “penguat”Memanfaatkan sifat unggul dari masing-masing material penyusun

Polymer matric composite (PMC) : fiber glass (glass fiber reinforced polymer, GFRP)Metal matrix Composite (MMC)Ceramic matrix composite (CMC) : beton (concrete)

PMC paling berkembang dibanding MMC dan CMCPaling banyak digunakan dalam industri pesawat terbang

Ringan, tahan korosiSerat : gelas, karbon, aramid (kevlar) : kontinyu atau diskontinyu (short fiber)Matrix : polyester resin, epoxy resin

Klasifikasi Fungsional MaterialStruktural Material :

Material untuk konstruksi dan komponen mesinBaja profil : baja karbon rendah, baja paduan rendah (lowalloy steel)Temperatur rendah : Baja tahan karat austenitTemperatur tinggi (ruang bakar, sudu turbin) : superalloyKonstruksi ringan (pesawat terbang) : paduan aluminium

Klasifikasi Fungsional Material

BiomaterialLogam (Biometals) :

Masalah utama : biocompatibility (tidak beracun, stabil secara kimia, tahan korosi, tidak bersifat carcinogenics)Material yang sesuai : paduan titanium, paduan cobalt, stainless steel

BiomaterialPolymer (Biopolymer)

Paling banyak dipakai dalam dunia kedokteranKeunggulannya : ringan, mudah diproses, dapat dimodifikasi untuk meningkatkan biocompatibility-nya, tahan korosiKelemahan : kekuatan rendahContoh aplikasi :

Opthalmology : kacamata, contact lenses, kornea mata

Drug delivery system : obat dimasukkan kedalam kantong bio-degradable polimer dan ditempatkan/diimplant pada lokasi yang diinginkan. Obat akan keluar bersamaan dengan larutnya kantong polimer tersebut. Biodegradable polymer : polylactic acid (PLA) dan polyglycolic acis (PGA)

Orthopedy : sebagai bone cement. Contohnya PMMA

BiomaterialKeramik (Bioceramics)

Paling banyak dipakai dalam dunia kedokteran gigiKeunggulannya : biocompatibility, tahan korosi, kekakuan tinggi, tahan aus, koefisien gesek rendahKelemahan : tidak tahan beban tarikContoh aplikasi :

Al2O3 (alumina) untuk implant tulang dan implant gigi

Kekuatan MaterialKekuatan material (Gaya/Luas Penampang) : kemampuan material menahan bebanKekuatan Tarik (Tensile Strength, σu) [N/mm2]:

Beban maksimum yang dapat ditanggung agar tidak patah

Batas Luluh (Yield Strength, σy) [N/mm2]:Beban maksimum yang dapat ditanggung agar tidak terjadi deformasi plastis

Perpanjangan (Elongation, e) [%] :Kemampuan material mengalami deformasi plastis sampai patah

Dalam daerah elastis : Hukum Hooke : σ = eEE : modulus elastisitas [N/mm2]

Video Uji Tarik

Sifat Mekanik Material

Material (typical)

Yield Strength (MPa)

Ultimate Stregth, (MPa)

density (g/cm3)

Human skin 15 20 2.2

Stainless steel 520 860 8.19Aluminium alloy2014-T6 414 483 2.8Titanium 11 (Ti-6Al-2Sn-1.5Zr-1Mo-0.35Bi-0.1Si) 940 1040 4.5Carbon fiber N/A 1600 - 4137 1.75Diamond 1600 2800 3.5Carbon nanotube (see note below) N/A 11000-63000 0.037-1.34

Membandingkan sifat mekanik materialwww-materials.eng.cam.ac.uk

Struktur MaterialSifat material bergantung kepada strukturnya :

Struktur Mikro (skala ukuran mikro-meter)Struktur Nano (skala ukuran nano-meter)

Material dengan komposisi kimia yang sama akan mempunyai sifat berbeda jika strukturnya berbeda

Struktur mikro pipa stainless steel, diameter 12,7 mm

20 µm

NanomaterialMaterialnya: logam, keramik, polimer, atau komposit

Ukuran butir dalam strukturnya < 0.1 µm (100 nm)

Perubahan yang mungkin terjadi dengan mengecilkan ukuran butir dari skala mikro ke nano :

Kekuatan dan keuletan meningkat sampai 6xMengubah material yang tidak tembus cahaya menjadi tembus cahayaMaterial isolator menjadi konduktorMaterial menjadi mudah terbakarBiocompatibility menjadi lebih baik karena ukuran porositas sangat kecil

Material Nano :

Pemakaian karbon nano partikel sebagai serat penguat ban mobil, substitusi kawat

Material catalytic converter pada knalpot. Material single crystal (Ce0.5Zr0.5)O2