Wanneer mechanische spanning wordt uitgeoefend op een vast voorwerp, hangt het van de structuur van de vaste stof af of het in verschillende vormen vervormt zonder te breken of niet. Materialen die gemakkelijk vervormen zonder te breken wanneer ze onder mechanische druk worden gezet, worden als kneedbaar beschouwd. Materialen die gemakkelijk vervormen wanneer ze onder trekspanning worden geplaatst, worden als ductiel beschouwd.
Definitie van kneedbaar
Het woord kneedbaar komt van het Middeleeuwse Latijn malleabilis, die zelf uit het oorspronkelijke Latijn kwam mallare, wat 'hameren' betekent.
Smeedbare materialen kunnen gemakkelijk worden vervormd zonder te breken onder mechanische druk of "drukspanning". Omdat deze materialen niet breken tijdens het vervormen, kunnen ze in verschillende vormen worden gedwongen of dun worden bladen. Dit kan door middel van hameren, persen of walsen.
Een veelvoorkomend voorbeeld van een kneedbaar materiaal is: goud, dat vaak wordt samengeperst tot bladgoud voor gebruik in kunst, architectuur, sieraden en zelfs voedsel. Andere smeedbare metalen zijn ijzer, koper, aluminium, zilver en lood, evenals het overgangsmetaal zink bij bepaalde temperaturen. Veel materialen die zeer kneedbaar zijn, zijn ook zeer ductiel; lood is een uitzondering, met een lage ductiliteit en een hoge kneedbaarheid.
Definitie van nodulair
Nauw verwant aan het concept van kneedbaarheid is ductiliteit. Terwijl kneedbaarheid te maken heeft met drukspanning of mechanische druk, heeft ductiliteit betrekking op trekspanning of mechanisch rekken.
"Ductile" is afkomstig van het Latijnse woord ductilis, wat betekent "dat kan worden geleid of getrokken."
Iets dat ductiel is (soms ook tractiel genoemd) kan gemakkelijk worden uitgerekt of tot een dunne draad worden getrokken. Nodulair koper is een goed voorbeeld van zowel kneedbaarheid als ductiliteit, en kan zowel tot platen worden geperst en gerold als tot draden worden uitgerekt.
Metalen worden vaak gemengd als legeringen om hun fysieke eigenschappen te verbeteren. Staal met hoge treksterkte is een voorbeeld van een legering die een hogere taaiheid heeft dan alle samenstellende metalen, en het wordt vaak gebruikt in vliegtuigen, auto's en andere technische toepassingen.
Hoe metalen vervormen?
Lagen van ionen in een metaal kunnen over elkaar bewegen en glijden zonder hun metaalbindingen te verbreken; hierdoor kan een metaal buigen of uitrekken zonder te breken. Sommige hardere metalen hebben echter geen heldere lagen en hebben in plaats daarvan een kristalstructuur met kleinere samenstellende eenheden van atomen.
Deze eenheidsklonten van atomen, genaamd granen, hebben grenzen tussen hen die korrelgrenzen worden genoemd. Hoe meer korrelgrenzen per volume-eenheid een metaal heeft, hoe minder kneedbaarheid of taaiheid het zal hebben. Het metaal zal daarentegen brozer zijn en de neiging hebben om langs deze korrelgrenzen te breken.
Materialen zijn kneedbaarder en taaier als ze dislocaties hebben of ontbrekende ionen in de laagstructuur. Deze defecten kunnen door de kristalstructuur van het metaal bewegen terwijl het vervormt, waardoor het vermogen om te vervormen zonder te breken toeneemt.
Wanneer de meeste metalen worden verwarmd, worden hun korrels groter. De atomen hebben dan een meer regelmatige structuur en kunnen gemakkelijker over elkaar glijden zonder hun bindingen te verbreken. Hierdoor kunnen de metalen gemakkelijker worden vervormd. "Koud werken" doet het tegenovergestelde: het vervormen van het metaal als het koud is, creëert meer korrelgrenzen, waardoor het metaal stijf en broos wordt.
Interessant is dat sommige metalen ook laten zien elasticiteit. Wanneer een zeer kleine hoeveelheid spanning op een metaal wordt uitgeoefend, worden de atomen begin over elkaar heen te rollen. Maar wanneer de spanning wordt opgeheven, rollen de atomen terug naar hun oorspronkelijke positie. Grotere hoeveelheden stress veranderen de posities van de atomen permanent.