Eksperimen: Kesan pengaloian terhadap kekerasan logam

Membandingkan logam tulen dengan aloinya ialah amali Tingkatan 4 yang piawai bagi bab Bahan Buatan dalam Industri, dan ia menghubungkan idea harian bahawa aloi lebih kuat dengan susunan atom yang anda pelajari dalam struktur dan ikatan. Dalam eksperimen ini kita bertujuan menunjukkan, secara adil dan melalui ukuran, bahawa aloi lebih keras daripada logam tulen yang membentuknya. Panduan ini memberi kaedah membandingkan sekeping logam tulen dengan sekeping aloinya, pemerhatian yang dijangka, dan kemahiran proses sains yang dihargai dalam kertas amali.

Tujuan

Untuk menyiasat kesan pengaloian terhadap kekerasan logam, iaitu membandingkan kekerasan logam tulen dengan kekerasan aloinya, contohnya kuprum tulen dengan gangsa, atau ferum tulen dengan keluli.

Radas dan bahan

• Seketul logam tulen (contohnya kuprum)
• Seketul aloi yang sepadan, sama bentuk dan saiz (contohnya gangsa)
• Bebola galas keluli
• Pemberat atau beban berat
• Pembaris meter atau skala ukuran tetap
• Kaki retort dengan pengapit, atau tiub kaca untuk memandu beban
• Kanta tangan atau pembaris berskala milimeter untuk melihat lekuk
• Sokongan plastisin atau plastik untuk menahan setiap ketul logam supaya stabil

Prosedur

1. Letakkan ketul logam tulen di atas meja dan letakkan bebola galas keluli di atas permukaan rata logam itu.
2. Apit sebatang pembaris meter secara menegak di sebelah ketul logam, atau pasang tiub kaca menegak tepat di atas bebola galas untuk memandu beban yang jatuh.
3. Angkat pemberat tetap ke ketinggian tetap di atas bebola galas dan lepaskannya supaya jatuh bebas dan mengenai bebola galas itu.
4. Alihkan bebola galas dan periksa lekuk yang terbentuk pada permukaan logam tulen. Ukur diameter (atau kedalaman) lekuk itu dengan kanta tangan atau pembaris milimeter dan catatkan.
5. Ulang langkah 1 hingga 4 menggunakan ketul aloi, mengekalkan bebola galas yang sama, pemberat yang sama dan ketinggian jatuh yang sama.
6. Bandingkan saiz lekuk pada logam tulen dengan saiz lekuk pada aloi.
7. Ulang keseluruhan perbandingan dua atau tiga kali lagi pada bahagian baharu yang tidak rosak pada setiap ketul dan ambil purata saiz lekuk supaya keputusan lebih boleh dipercayai.

Pemerhatian yang dijangka

Beban yang jatuh membentuk lekuk yang jelas kelihatan pada permukaan logam tulen. Apabila beban yang sama dijatuhkan dari ketinggian yang sama ke atas aloi, lekuknya jelas lebih kecil dan lebih cetek. Dengan kata lain, logam tulen lebih mudah dilekukkan daripada aloi dalam keadaan yang serupa. Aloi menahan daya yang mengubah bentuk itu dengan lebih baik dan mengekalkan permukaannya lebih hampir kepada bentuk asal. Perihalkan apa yang anda lihat, lekuk lebih besar pada logam tulen dan lekuk lebih kecil pada aloi, dan bukan memetik bacaan milimeter tepat yang belum anda ukur, kerana saiz lekuk bergantung pada logam dan beban tertentu yang anda gunakan.

Inferens dan kesimpulan

Lekuk yang lebih kecil bermaksud permukaan menahan lekukan dengan lebih kuat, dan rintangan terhadap lekukan itulah maksud kekerasan. Kerana aloi kurang dilekukkan berbanding logam tulen di bawah beban dan ketinggian yang sama, maka aloi lebih keras daripada logam tulen. Sebabnya terletak pada susunan atom. Dalam logam tulen, semua atom bersaiz sama dan tersusun dalam lapisan yang teratur; apabila daya dikenakan, lapisan ini boleh menggelongsor antara satu sama lain, jadi logam tulen agak lembut dan mudah dilekukkan. Dalam aloi, atom unsur kedua yang bersaiz berbeza bercampur di antara atom logam pertama. Atom asing ini mengganggu lapisan yang teratur dan menghalangnya daripada menggelongsor dengan licin, jadi aloi lebih kuat dan lebih keras. Kesimpulannya, pengaloian meningkatkan kekerasan logam, sebab itulah aloi seperti gangsa, loyang, keluli dan duralumin digunakan menggantikan logam tulen untuk alat, struktur dan bahagian mesin.

Kemahiran proses sains (gaya Kertas 3)

Menyatakan hipotesis. Hipotesis yang sesuai ialah: aloi lebih keras daripada logam tulen yang membentuknya, jadi aloi kurang dilekukkan berbanding logam tulen apabila beban yang sama jatuh dari ketinggian yang sama.

Mengenal pasti pemboleh ubah. Pemboleh ubah dimanipulasi ialah jenis logam yang digunakan (logam tulen atau aloinya). Pemboleh ubah bergerak balas ialah saiz lekuk yang terbentuk (diameter atau kedalamannya). Pemboleh ubah dimalarkan ialah jisim beban, ketinggian jatuh, saiz bebola galas dan saiz serta bentuk ketul logam.

Definisi secara operasi bagi kekerasan. Di sini kekerasan ditakrifkan secara operasi sebagai rintangan terhadap lekukan: logam yang menunjukkan lekuk lebih kecil di bawah beban yang sama dijatuhkan dari ketinggian yang sama ialah logam yang lebih keras.

Menjadualkan data. Lukis jadual dengan lajur untuk jenis logam, saiz lekuk bagi setiap cubaan, dan saiz lekuk purata, supaya logam tulen dan aloi boleh dibandingkan secara langsung.

Membuat inferens. Daripada lekuk yang lebih kecil pada aloi, inferkan bahawa aloi lebih keras, dan kaitkan ini dengan atom asing yang mengganggu penggelongsoran lapisan atom.

Berkomunikasi. Tulis kesimpulan yang menyatakan logam mana yang lebih keras dan memberi sebabnya dari segi susunan atom, bukan sekadar pemerhatian.

Langkah keselamatan

• Jauhkan jari dan tangan daripada kawasan tepat di bawah beban yang jatuh, supaya beban atau bebola galas tidak menghempapnya.
• Gunakan tiub pemandu atau pengapit supaya beban jatuh lurus dan tidak boleh melantun ke tepi ke arah sesiapa, mengelakkan kecederaan daripada beban yang terpesong.
• Letakkan radas di atas meja yang kukuh dan rata jauh daripada tepi, supaya ketul berat dan beban tidak terjatuh dan mencederakan kaki.
• Pakai gogal keselamatan, kerana beban keras yang mengenai logam boleh menyerpihkan cebisan kecil atau melontarkan bebola galas ke arah mata.

Ralat lazim

• Mengubah ketinggian atau beban antara logam. Jika ketinggian jatuh atau jisim beban berbeza bagi kedua-dua logam, perbandingan tidak adil; kekalkan kedua-duanya sama tepat.
• Menguji pada tempat yang sudah rosak. Menjatuhkan beban dua kali di tempat yang sama memberi lekuk lebih besar yang mengelirukan; sentiasa uji pada bahagian permukaan yang baharu.
• Menggunakan ketul yang berbeza ketebalan. Ketul nipis mungkin melekuk berbeza daripada ketul tebal atas sebab yang tiada kaitan dengan kekerasan; gunakan ketul yang sama saiz dan bentuk.
• Membaca lekuk dengan cuai. Menganggar lekuk dengan mata membawa ralat besar; ukur diameter atau kedalaman dengan skala milimeter atau kanta tangan, dan ulang untuk mengambil purata.
• Mengelirukan kekerasan dengan kekuatan atau jisim. Eksperimen menguji rintangan terhadap lekukan, jadi perihalkan keputusan sebagai kekerasan, bukan logam yang lebih berat atau lebih kuat secara umum.

Cara guru kami menggunakan eksperimen ini

Dalam kelas Kimia SPM satu-ke-satu, diajar dalam bahasa Inggeris dari RM50 sejam, kami memastikan pelajar boleh menghubungkan pemerhatian dengan teori, lekuk lebih kecil pada aloi, dan lapisan atom terganggu yang menerangkannya, kerana Kertas 2 dan Kertas 3 kedua-duanya menghargai sebab, bukan sekadar keputusan. Idea bahawa pengaloian meningkatkan kekerasan menyerlah sepanjang bab Bahan Buatan dalam Industri Kimia SPM, dan itulah jenis penaakulan ujian adil yang ditaksir dalam amali Kertas 3 (Kertas 3 ialah Ujian Amali yang menaksir kemahiran proses sains). Mengukuhkan kaedah di sini, satu pemboleh ubah dimanipulasi, semua yang lain dimalarkan, juga membina tabiat yang akan anda guna semula dalam setiap amali lain, daripada kadar tindak balas hingga elektrokimia.