- ความเหนียวคืออะไร?
- คุณสมบัติ
- ตัวอย่างโลหะเหนียว
- ขนาดเกรนและโครงสร้างผลึกของโลหะ
- ผลกระทบของอุณหภูมิต่อความเหนียวของโลหะ
- การทดลองเพื่ออธิบายความเหนียวสำหรับเด็กและวัยรุ่น
- เคี้ยวหมากฝรั่งและเล่นแป้ง
- การสาธิตด้วยโลหะ
- อ้างอิง
เหนียวเป็นเทคโนโลยีที่เป็นกรรมสิทธิ์ของวัสดุช่วยให้พวกเขาเบี้ยวความเครียดยืด; นั่นคือการแยกปลายทั้งสองข้างโดยไม่มีการแตกหักทันทีในบางจุดที่อยู่ตรงกลางของส่วนที่ยืดออก เมื่อวัสดุยาวขึ้นส่วนตัดขวางจะลดลงและบางลง
ดังนั้นวัสดุที่มีความเหนียวจึงทำงานโดยใช้กลไกให้เป็นรูปทรงเหมือนเกลียว (เกลียวสายเคเบิลเข็ม ฯลฯ ) ในจักรเย็บผ้ากระสวยที่มีเกลียวเป็นแผลเป็นตัวอย่างของวัสดุเหนียวแบบโฮมเมด มิฉะนั้นเส้นใยสิ่งทอจะไม่ได้รับรูปร่างลักษณะ
ที่มา: Emilian Robert Vicol ผ่าน Flickr
วัตถุประสงค์ของความเหนียวในวัสดุคืออะไร? ความสามารถในการครอบคลุมระยะทางไกลหรือการออกแบบที่น่าสนใจไม่ว่าจะเป็นเครื่องมือเครื่องประดับของเล่น หรือสำหรับการขนส่งของเหลวบางอย่างเช่นกระแสไฟฟ้า
แอปพลิเคชั่นสุดท้ายเป็นตัวอย่างที่สำคัญของความเหนียวของวัสดุโดยเฉพาะอย่างยิ่งของโลหะ สายทองแดงชั้นดี (ภาพด้านบน) เป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดีและพร้อมกับทองคำและทองคำขาวพวกเขายังใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์หลายชนิดเพื่อให้แน่ใจว่าการทำงาน
เส้นใยบางเส้นละเอียดมาก (หนาเพียงไม่กี่ไมโครเมตร) ซึ่งวลี "ผมสีทอง" ในบทกวีสื่อถึงความหมายที่แท้จริง เช่นเดียวกับทองแดงและเงิน
ความเหนียวจะไม่เป็นสมบัติที่เป็นไปได้หากไม่มีการจัดเรียงโมเลกุลหรืออะตอมใหม่เพื่อต่อต้านแรงดึงที่ตกกระทบ และถ้ามันไม่มีอยู่จริงมนุษย์ก็คงไม่รู้จักสายเคเบิลเสาอากาศสะพานจะหายไปและโลกจะยังคงอยู่ในความมืดมิดโดยไม่มีแสงไฟฟ้า (นอกเหนือจากผลกระทบอื่น ๆ อีกนับไม่ถ้วน)
ความเหนียวคืออะไร?
ซึ่งแตกต่างจากความสามารถในการอ่อนตัวความเหนียวรับประกันการจัดเรียงโครงสร้างใหม่ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น
ทำไม? เนื่องจากเมื่อพื้นผิวที่ความตึงอยู่มีค่ามากขึ้นของแข็งจึงมีวิธีการเลื่อนโมเลกุลหรืออะตอมของมันมากขึ้นจนกลายเป็นแผ่นหรือเพลต ในขณะที่ความเค้นกระจุกตัวอยู่ในหน้าตัดที่เล็กลงและเล็กลงการเลื่อนของโมเลกุลจะต้องมีประสิทธิภาพมากขึ้นในการต่อต้านแรงนี้
ของแข็งหรือวัสดุบางชนิดไม่สามารถทำได้และด้วยเหตุนี้จึงแตกเมื่อผ่านการทดสอบแรงดึง เส้นแบ่งที่ได้จะอยู่ในแนวนอนโดยเฉลี่ยในขณะที่วัสดุเหนียวมีลักษณะเป็นรูปกรวยหรือแหลมซึ่งเป็นสัญญาณของการยืด
วัสดุที่มีความเหนียวสามารถทำลายจุดความเครียดได้เช่นกัน สิ่งนี้สามารถเพิ่มขึ้นได้หากอุณหภูมิเพิ่มขึ้นเนื่องจากความร้อนส่งเสริมและอำนวยความสะดวกในการเลื่อนหลุดของโมเลกุล (แม้ว่าจะมีข้อยกเว้นหลายประการ) จึงต้องขอบคุณสไลด์เหล่านี้ที่วัสดุสามารถแสดงความเหนียวและมีความเหนียว
อย่างไรก็ตามความเหนียวของวัสดุนั้นครอบคลุมตัวแปรอื่น ๆ เช่นความชื้นความร้อนสิ่งสกปรกและวิธีการใช้แรง ตัวอย่างเช่นแก้วหลอมเหลวใหม่มีความเหนียวโดยใช้รูปทรงที่เหมือนเกลียว แต่เมื่อมันเย็นลงมันจะเปราะและสามารถแตกหักได้ด้วยผลกระทบทางกลใด ๆ
คุณสมบัติ
วัสดุดัดมีคุณสมบัติของตัวเองที่เกี่ยวข้องโดยตรงกับการจัดเรียงโมเลกุล ในแง่นี้แท่งโลหะแข็งและแท่งดินเหนียวสามารถเหนียวได้แม้ว่าคุณสมบัติจะแตกต่างกันมากก็ตาม
อย่างไรก็ตามพวกเขาทั้งหมดมีบางอย่างที่เหมือนกันคือพฤติกรรมพลาสติกก่อนที่จะแตก อะไรคือความแตกต่างระหว่างพลาสติกกับวัตถุยืดหยุ่น?
วัตถุยืดหยุ่นจะเปลี่ยนรูปแบบกลับด้านได้ซึ่งเริ่มแรกเกิดขึ้นกับวัสดุที่มีความเหนียว แต่การเพิ่มแรงดึงการเปลี่ยนรูปจะไม่สามารถย้อนกลับได้และวัตถุจะกลายเป็นพลาสติก
จากจุดนี้ลวดหรือด้ายจะมีรูปร่างที่กำหนดไว้ หลังจากการยืดอย่างต่อเนื่องหน้าตัดของมันจะมีขนาดเล็กมากและความเค้นดึงสูงเกินไปจนสไลด์โมเลกุลไม่สามารถต้านทานความเครียดได้อีกต่อไปและมันจะแตกออก
หากความเหนียวของวัสดุสูงมากเช่นเดียวกับในกรณีของทองคำด้วยหนึ่งกรัมคุณสามารถหาสายไฟที่มีความยาวได้ถึง 66 กม. โดยมีความหนา 1 µm
ยิ่งลวดที่ได้จากมวลยาวมากเท่าไหร่หน้าตัดก็จะยิ่งเล็กลง (เว้นแต่จะมีทองเป็นตันเพื่อสร้างลวดที่มีความหนามาก)
ตัวอย่างโลหะเหนียว
โลหะเป็นหนึ่งในวัสดุเหนียวที่มีการใช้งานมากมาย ทั้งสามประกอบด้วยโลหะ: ทองทองแดงและทองคำขาว สีหนึ่งคือสีทองสีส้มอมชมพูและสีเงินสุดท้าย นอกจากโลหะเหล่านี้แล้วยังมีความเหนียวน้อยกว่าอีก:
-เหล็ก
-สังกะสี
- ทองเหลือง (และโลหะผสมอื่น ๆ )
-ทอง
-Aluminum
-ซาแมเรียม
-แมกนีเซียม
-Vanadium
- เหล็ก (แม้ว่าความเหนียวอาจได้รับผลกระทบขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของคาร์บอนและสารเติมแต่งอื่น ๆ )
-เงิน
-ดีบุก
-Lead (แต่อยู่ในช่วงอุณหภูมิเล็ก ๆ )
เป็นการยากที่จะตรวจสอบโดยปราศจากความรู้จากการทดลองมาก่อนว่าโลหะชนิดใดมีความเหนียว ความเหนียวขึ้นอยู่กับระดับของความบริสุทธิ์และวิธีการที่สารเติมแต่งโต้ตอบกับแก้วโลหะ
นอกจากนี้ยังมีการพิจารณาตัวแปรอื่น ๆ เช่นขนาดของเม็ดคริสตัลและการจัดเรียงของคริสตัลด้วย นอกจากนี้จำนวนอิเล็กตรอนและออร์บิทัลระดับโมเลกุลที่เกี่ยวข้องกับพันธะโลหะนั่นคือใน "ทะเลอิเล็กตรอน" ก็มีบทบาทสำคัญเช่นกัน
ปฏิสัมพันธ์ระหว่างตัวแปรของกล้องจุลทรรศน์และอิเล็กทรอนิกส์เหล่านี้ทำให้ความเหนียวเป็นแนวคิดที่ต้องได้รับการแก้ไขอย่างละเอียดด้วยการวิเคราะห์หลายตัวแปร และจะพบว่าไม่มีกฎมาตรฐานสำหรับโลหะทั้งหมด
ด้วยเหตุนี้โลหะสองชนิดแม้ว่าจะมีลักษณะคล้ายกันมาก แต่อาจมีความเหนียวหรือไม่ก็ได้
ขนาดเกรนและโครงสร้างผลึกของโลหะ
เมล็ดข้าวเป็นส่วนของแก้วที่ขาดความผิดปกติที่เห็นได้ชัด (ช่องว่าง) ในการจัดเรียงสามมิติ ตามหลักการแล้วควรมีความสมมาตรอย่างสมบูรณ์โดยมีโครงสร้างที่กำหนดไว้อย่างดี
เมล็ดข้าวแต่ละเม็ดสำหรับโลหะชนิดเดียวกันมีโครงสร้างผลึกเหมือนกัน นั่นคือโลหะที่มีโครงสร้างหกเหลี่ยมขนาดกะทัดรัด hcp มีเม็ดที่มีผลึกด้วยระบบ hcp สิ่งเหล่านี้ถูกจัดเรียงในลักษณะที่ก่อนที่แรงดึงหรือการยืดจะเลื่อนเข้าหากันราวกับว่าพวกมันเป็นเครื่องบินที่ประกอบขึ้นจากหินอ่อน
โดยทั่วไปเมื่อเครื่องบินที่ทำจากเม็ดเล็ก ๆ สไลด์พวกเขาจะต้องเอาชนะแรงเสียดทานที่มากขึ้น ในขณะที่หากมีขนาดใหญ่ก็สามารถเคลื่อนไหวได้อย่างอิสระมากขึ้น ในความเป็นจริงนักวิจัยบางคนพยายามที่จะปรับเปลี่ยนความเหนียวของโลหะผสมบางชนิดโดยผ่านการควบคุมการเจริญเติบโตของเมล็ดผลึก
ในทางกลับกันเกี่ยวกับโครงสร้างผลึกโดยปกติแล้วโลหะที่มีระบบผลึก fcc (ลูกบาศก์ตรงกลางหรือลูกบาศก์ที่อยู่ตรงกลางใบหน้า) จะมีความเหนียวมากที่สุด ในขณะเดียวกันโลหะที่มีโครงสร้างเป็นผลึก bcc (ลูกบาศก์ที่เป็นศูนย์กลางของร่างกาย, ลูกบาศก์ที่อยู่ตรงกลางใบหน้า) หรือ hcp มักจะมีความเหนียวน้อยกว่า
ตัวอย่างเช่นทั้งทองแดงและเหล็กตกผลึกโดยมีการจัดเรียง fcc และมีความเหนียวมากกว่าสังกะสีและโคบอลต์ทั้งที่มีการจัดเรียง hcp
ผลกระทบของอุณหภูมิต่อความเหนียวของโลหะ
ความร้อนสามารถลดหรือเพิ่มความเหนียวของวัสดุได้และมีข้อยกเว้นสำหรับโลหะด้วยเช่นกัน อย่างไรก็ตามตามกฎทั่วไปแล้วโลหะที่อ่อนกว่านั้นยิ่งเปลี่ยนเป็นเกลียวได้ง่ายขึ้นโดยไม่แตก
เนื่องจากการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิทำให้อะตอมของโลหะสั่นสะเทือนซึ่งส่งผลให้เมล็ดพืชรวมตัวกัน นั่นคือเม็ดเล็ก ๆ หลาย ๆ เม็ดมารวมกันเป็นเม็ดใหญ่เม็ดเดียว
ด้วยเมล็ดที่ใหญ่ขึ้นความเหนียวเพิ่มขึ้นและความลื่นของโมเลกุลจะเผชิญกับอุปสรรคทางกายภาพน้อยลง
การทดลองเพื่ออธิบายความเหนียวสำหรับเด็กและวัยรุ่น
ที่มา: Doug Waldron ผ่าน Flickr
ความเหนียวกลายเป็นแนวคิดที่ซับซ้อนมากหากคุณเริ่มวิเคราะห์ด้วยกล้องจุลทรรศน์ แล้วคุณจะอธิบายให้เด็กและวัยรุ่นเข้าใจได้อย่างไร? ในลักษณะที่ดูเหมือนง่ายที่สุดเท่าที่จะทำได้ในสายตาที่สอดรู้สอดเห็น
เคี้ยวหมากฝรั่งและเล่นแป้ง
จนถึงตอนนี้มีการพูดถึงแก้วและโลหะที่หลอมเหลว แต่ยังมีวัสดุที่เหนียวอย่างไม่น่าเชื่ออื่น ๆ เช่นหมากฝรั่งและดินเหนียวจำลอง
เพื่อแสดงให้เห็นถึงความเหนียวของการเคี้ยวหมากฝรั่งก็เพียงพอที่จะคว้าสองก้อนและเริ่มยืดออก หนึ่งตั้งอยู่ทางซ้ายและอีกอันจะถูกยกไปทางขวา ผลลัพธ์ที่ได้จะเป็นสะพานเหงือกที่ห้อยซึ่งจะไม่สามารถกลับคืนสู่รูปทรงเดิมได้เว้นแต่จะนวดด้วยมือ
อย่างไรก็ตามจะมีจุดที่สะพานพังในที่สุด (และพื้นจะเปื้อนหมากฝรั่ง)
ภาพด้านบนแสดงให้เห็นว่าเด็กโดยการกดภาชนะที่มีรูทำให้ดินน้ำมันโผล่ออกมาราวกับเส้นผมได้อย่างไร สีโป๊วแห้งมีความเหนียวน้อยกว่าผงสำหรับอุดรูแบบมัน ดังนั้นการทดลองอาจประกอบด้วยการสร้างไส้เดือนดินสองตัว: ตัวหนึ่งใช้ดินเหนียวแห้งและอีกตัวชุบน้ำมัน
เด็กจะสังเกตเห็นว่าหนอนมันขึ้นรูปได้ง่ายกว่าและมีความยาวมากขึ้นด้วยความหนาของมัน ในขณะที่หนอนแห้งมันมีแนวโน้มที่จะทำลายลงหลายครั้ง
ดินน้ำมันยังเป็นวัสดุที่เหมาะในการอธิบายความแตกต่างระหว่างความสามารถในการอ่อนตัว (เรือประตู) และความเหนียว (ผมหนอนงูซาลาแมนเดอร์ ฯลฯ )
การสาธิตด้วยโลหะ
แม้ว่าวัยรุ่นจะไม่ได้จัดการอะไรเลย แต่การได้เห็นการก่อตัวของสายทองแดงในแถวแรกอาจเป็นประสบการณ์ที่น่าดึงดูดและน่าสนใจสำหรับพวกเขา การแสดงให้เห็นถึงความเหนียวจะสมบูรณ์ยิ่งขึ้นหากมีการผสมกับโลหะอื่นดังนั้นจึงสามารถเปรียบเทียบความเหนียวได้
ถัดไปสายไฟทั้งหมดจะต้องยืดตลอดเวลาจนถึงจุดแตกหัก ด้วยสิ่งนี้วัยรุ่นจะรับรองด้วยสายตาว่าความเหนียวมีผลต่อความต้านทานของลวดที่จะแตกอย่างไร
อ้างอิง
- สารานุกรมตัวอย่าง (2017). วัสดุดัด ดึงมาจาก: example.co
- Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22 มิถุนายน 2561). คำจำกัดความและตัวอย่างแบบ Ductile ดึงมาจาก: thoughtco.com
- Chemstorm (02 มีนาคม 2561). เคมีนิยามดัด ดึงมาจาก: chemstorm.com
- Bell T. (18 สิงหาคม 2018). ความเหนียวอธิบาย: ความเครียดแรงดึงและโลหะ สมดุล. ดึงมาจาก: thebalance.com
- ดร. Marks R. (2016). ความเหนียวในโลหะ ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกลมหาวิทยาลัยซานตาคลารา . กู้คืนจาก: scu.edu
- เรดดี. (2018). Ductility: ความหมายและตัวอย่าง ศึกษา. ดึงมาจาก: study.com
- Clark J. (ตุลาคม 2555). โครงสร้างโลหะ สืบค้นจาก: chemguide.co.uk
- Chemicool (2018) ข้อเท็จจริงเกี่ยวกับทองคำ ดึงมาจาก: chemicool.com
- วัสดุวันนี้. (2558 18 พฤศจิกายน). โลหะที่แข็งแรงยังคงมีความเหนียวได้ เอลส์ ดึงมาจาก: materialstoday.com