Hoërskool Natuur- en Skeikunde/Deel 3-4: Materie en Materiale

Meganiese Eienskappe

In hierdie hoofstuk sal die meganiese (fisiese) eienskappe van verskeie materiale, soos alledaags gebruik, ondersoek word. Die meganiese eienskappe van 'n materiaal is daardie eienskappe wat geaffekteer word deur die uitwerking van toegepaste kragte op die materiaal. Hierdie eienskappe is belangrik vir waarneming wanneer daar na die konstruksie van geboue, strukture, of selfs die verskeie modusse van vervoer gekyk word.

Vervormbaarheid van Materiale

Hooke se Wet

'n Grafiek wat die uitwerking van Hooke se Wet voorstel. Die verhouding tussen die veer se verlenging en die toegepaste krag daarop.

Vervorming (verandering van vorm) van 'n soliede stof word veroorsaak deur 'n krag wat die voorwerp óf saampers óf uitstrek wanneer toegepas word in een rigting (of vlak). Kragte wat saampers probeer om die voorwerp kleiner of meer kompak te maak, terwyl trekkragte probeer om die voorwerp uitmekaar te skeur. Hierdie uitwerkings kan waargeneem word deur die samepersing en uitstrekking van 'n veer.

Hooke se Wet beskryf die verhouding tussen die krag wat aangewend word op 'n veer en die uitstrekking daarvan.

Definisie van Hooke se Wet: in 'n elastiese veer sal die verlenging (die afstand wat die veer uitgerek word) daarvan lineêr varieer met die toegepaste krag. F = - k·x waar F die krag in newton (N) verteenwoordig, k is die veerkonstante (N·m^-1) en x is die uitstrekking in meter (m).

Afwykings van Hooke se Wet: Brosheid en Duktiliteit

Dit is wel bekend indien 'n veer te ver uitgestrek word dit ophou ‘om te werk’. Die veer vervorm en verloor sy veeragtigheid. Wanneer dit gebeur is Hooke se Wet nie meer geldig nie, die veer se gedrag wyk af van Hooke se Wet.

Die wyse waarop die veer se gedrag afwyk hang af van die veermateriaal. Materiale word geklassifiseer deur hierdie afwyking. Die volgende grafieke illustreer die verhouding tussen krag en uitstrekking daarvan vir verskillende materiale. Almal wyk af van Hooke se Wet. Onthou ook dat 'n reguit lyn dui eweredigheid aan; indien die grafiek nie langer 'n reguit lyn toon nie sal Hooke se Wet nie langer van toepassing wees nie.

Bros materiale

'n Harde, bros materiaal.

Hierdie grafiek dui die verhouding tussen krag en uitstrekking aan vir 'n bros, maar sterk materiaal. Neem kennis van die min uitstrekking met 'n toename tot 'n groot krag, vanwaar die materiaal skielik breek. Brosheid is die eienskap van 'n materiaal wat dit maklik laat breek sonder om te buig. Glas is 'n goeie voorbeeld van 'n bros materiaal - soos wanneer 'n glas val en dit in stukke breek.

'n Plastiese materiaal se gedrag onderhewig aan 'n krag.

Plastiese materiale Hier is 'n grafiek wat toon die verhouding tussen krag en verlenging van 'n plastiese materiaal. Die materiaal verleng onder die inwerking van 'n klein krag, maar daar dit breek nie.

Duktiele materiale

'n Duktiele stof.

Hierdie grafiek toon die verskil tussen die krag en verlening van 'n duktiele materiaal. Die materiaal toon plastiese gedrag oor 'n wye reeks kragte voor dit uiteindelik breek. Duktiliteit is die vermoë van 'n materiaal om gestrek te word tot 'n nuwe vorm sonder om te breek. Duktiliteit is ook een van die eienskappe van metale. 'n Goeie voorbeeld van só 'n materiaal is aluminium. Aluminium word gebruik in die vervaardiging van koeldrankblikkies tot vliegtuig onderdele, en selfs vir die enjinblokke van motors. Brosheid is die teenoorgestelde van duktiliteit. Wanneer 'n materiaal die punt bereik waar Hooke se Wet nie langer geldig is nie, word daardie punt as die eweredigheidsgrens beskou. Na hierdie punt sal die materiaal nie langer na sy oorspronklike vorm terugkeer nie, self al word al die kragte wat daarop inwerk verwyder. Dit word die elastisiteitsgrens genoem.

Definisie van elastisiteitsgrens: die elastisiteitsgrens is daardie punt waarna permanente vervorming van 'n voorwerp plaasvind.

Definisie van eweredigheidsgrens: die eweredigheidsgrens is daardie punt waarna Hooke se Wet nie langer geldig vir 'n voorwerp is nie.

Elastisiteit en Plastisiteit

Materiale word geklassifiseer as plasties of elasties afhangende van hul gedrag met toegepaste kragte. Dit is belangrik om daarop te let dat plastiese stowwe nie noodwendig 'n tipe plastiek ('n polimeer) is nie — die materiaal se gedrag is plasties. Die eienskappe daarvan is soortgelyk aan plastiek.

'n Rekkie is 'n voorbeeld van 'n elastiese materiaal. Dit neem weer sy oorspronklike vorm aan sodra die toegepaste krag verwyder word, mits dit nie verby die elastisiteitsgrens gestrek word nie.

Kunsklei, of boetseerklei, is 'n voorbeeld van 'n plastiese materiaal. Indien 'n bal boetseerklei afgeplat word, sal dit plat bly. 'n Plastiese materiaal keer nie terug na die oorspronklike vorm nie, selfs al word die krag wat daarop inwerk verlig.

• Elastiese materiale keer terug na hul oorspronklike vorm.
• Plastiese materiale vervorm maklik en keer nie terug na hul oorspronklike vorms nie.

Breekbaarheid, Kruip en Uitputting

Sommige materiale is nóg plasties nóg elasties. Hierdie stowwe sal breek of kraak wanneer 'n groot genoeg krag op hulle inwerk. Bros glas wat voorheen genoem is, is 'n voorbeeld. Kruip kom voor wanneer 'n materiaal vervorm oor 'n lang tydperk onderhewig aan 'n krag wat daarop inwerk. 'n Voorbeeld hiervan is 'n rak waarop boeke geplaas is; die boekrak buig mettertyd. Kruip mag uiteindelik daartoe lei dat 'n voorwerp breek.

Uitputting is eenders aan kruip. Die verskil tussen die twee is dat uitputting veroorsaak word deur 'n krag wat aanhoudend toegepas en verwyder word oor die verloop van tyd. Uitputting veroorsaak dat metale ingee, genoem metaaluitputting.

• Breek is die skielike ingee van 'n materiaal.
• Kruip is die stadige vervormingsproses weens die konstante inwerking van 'n krag oor tyd.
• Uitputting is die verswakking van 'n materiaal deur die inwerking van krag vir 'n kort tydjie, maar herhaaldelik.

Materiaalsterkte

Die Eienskappe van Materie

Die sterkte van 'n materiaal word gedefinieer as spanning (die krag per deursnee-area) wat dit kan weerstaan. Spanning word gemeet in newton per meter kwadraat (N·m^-2).

• Styfheid is 'n mate van die buigbaarheid van 'n materiaal. In Fisika word die styfheid van 'n materiaal bereken deur Young se Modulus te gebruik. Young se Modulus is 'n verhouding van die hoeveelheid wat 'n voorwerp buig met 'n spesifieke krag wat daarop inwerk. Styfheid word gemeet in newton per meter (N·m^-1).
  
• Hardheid van 'n materiaal kan gemeet word aan die wyse waarop 'n krag permanente vervorming van 'n materiaal laat plaasvind. Hardheid kan ook gemeet word deur 'n skaal, soos Mohs se hardheidskaal, te gebruik. Op hierdie skaal is 'n diamant die hardste teen 10 en talk, of speksteen, die sagste teen 1.
  
• Gehardheid is die mate wat 'n materiaal breekpunt weerstand bied wanneer dit aan spanning onderwerp word. Dit is wetenskaplik gedefinieer as die hoeveelheid energie wat 'n materiaal kan absorbeer voor dit breek.
  
• 'n Duktiele materiaal is 'n stof wat aansienlike plastiese vervorming kan ondergaan voor dit breek. Baie metale is baie duktiel en kan in drade gespan word, byvoorbeeld koper, silwer, aluminium en goud.
  
• 'n Smeebare materiaal is 'n stof wat maklik plastiese vervorming kan ondergaan deur dit te hamer of rol. Weereens, metale is smeebaar, soos koper wat in plate gehamer kan word en aluminium wat tot aluminiumfoelie gerol word.
  
• 'n Bros materiaal bereik breekpunt met baie min of geen plastiese vervorming. Glasware en keramiek is bros.

Struktuur en Breekpunt van Materiale

Baie stowwe faal omdat dit swakhede in hul atomiese struktuur het. Die is verskeie probleme wat swakhede in die materiaalstruktuur kan veroorsaak. Dit is gapings, dislokasies, greingrense en onsuiwerhede.

• Gapings kom voor wanneer daar spasies in die struktuur van 'n kristalagtige vastestof gelaat word. Hierdie gapings veroorsaak swakhede en die stof faal gewoonlik by hierdie plekke. 'n Voorbeeld hiervan is bakstene in 'n muur — indien van die stene verwyder word sal die muur gevolglik verswak.
  
• Dislokasies kom voor wanneer daar geen sterk bindings tussen twee rye in 'n kristalstruktuur is nie. Die kristal sal faal by hierdie grens wanneer genoegsame kragte daarop inwerk. Die twee stukke wan die kristal behou hul vorm en struktuur, maar beweeg saam met die grens.
  
• 'n Verskil in die greingrootte van 'n kristalstruktuur kan veroorsaak dat roes en oksidasie by die grens plaasvind, wat gevolglik tot breekpunt kan lei indien genoeg krag op die materiaal inwerk.
  
• Onsuiwerhede in 'n kristalstruktuur kan veroorsaak dat 'n verswakte gebied rondom die onsuiwerheid in die materiaal vorm. Soos gapings sal die stof gewoonlik ingee by hierdie plekke in die struktuur. Byvoorbeeld bakstene wat nie ordentlik in 'n muur inpas nie — net so 'n verkeerde atome in die struktuur wat veronderstel was om dit sterk te maak.

Beheer oor die Eienskappe van Materiale

Daar bestaan 'n hele aantal prosesse wat gebruik kan word om te verseker dat die waarskynlikheid afneem vir die faal van materiale. Hier volg 'n paar metodes:

Koue Smeding

Koue smeding is 'n proses waarby 'n metaal versterk word deur dit gedurig te vervorm. Gewoonlik vind dit plaas by 'n temperatuur net onder die smeltpunt van die metaal. Die herhaalde vorming van die metaal veroorsaak dislokasies wat weer enige verder dislokasies voorkom. Koue smeding verhoog die sterkte van die metaal, maar sodoende verloor die metaal sy duktiliteit. So 'n metaal is verstaal.

Uitgloeiing

Uitgloeiing is 'n proses waarby 'n metaal hoogs verhit word tot 'n punt omtrent die helfte van die smeltpunt. Wanneer die metaal afkoel, kristalliseer dit om gapings en dislokasies uit die metaal te verwyder. Uitgloeiing word soms voor die koue smedingsproses gebruik. Die metaal word baie stadig afgekoel in die uitgloeiingsproses.

Legeringsprosesse

'n Legering, of allooi, is 'n metaalmengsel met ander stowwe. Die proses waardeur die stowwe saamgevoeg en bewerk word word 'n legeringsproses genoem. Die ander stowwe kan 'n metaal of nie-metaal wees. 'n Allooi het dikwels eienskappe wat baie verskil van die eienskappe van die stowwe waarvan dit gemaak is. Die bygevoegde stowwe versterk die metaal deur die verspreiding van dislokasies te voorkom. Gewone staal is 'n allooi van yster en koolstof. Daar is baie tipes staal wat ook ander metale saam met yster en koolstof insluit. Brons is 'n allooi van koper en tin. Geelkoper is 'n allooi van koper en sink. Goud en silwer soos gebruik in munte en juweliersware is ook gelegeer.

Tempering

Tempering is 'n proses waar die metaal gesmelt en dan vinnig afgekoel word. Die vinnige afkoeling word blussing genoem. Gewoonlik word tempering 'n hele aantal kere gedoen voordat die metaal die regte eienskappe beskik so benodig vir 'n spesifieke toepassing.

Sintering

Sintering word gebruik vir die vervaardiging van onder andere keramiekvoorwerpe. In hierdie proses word die stof verhit sodat die deeltjies teen mekaar vasklou. Dit word gebruik met stowwe wat 'n baie hoë smeltpunt besit. Die produk is dikwels baie suiwer en word gegiet in die verlangde vorm in die proses. Ongelukkig is gesinterde produkte baie bros.