DUKTILITET: EGENSKABER, EKSEMPLER, EKSPERIMENTER - KEMI - 2025

Den duktilitet er en teknologi af materialer tillader dem at deformere en strækning stress; det vil sige adskillelsen af ​​dens to ender, uden at der er et hurtigt brud på et tidspunkt i midten af ​​det aflange afsnit. Når materialet forlænges, aftager dets tværsnit og bliver tyndere.

Derfor bearbejdes duktile materialer mekanisk til gevindlignende former (gevind, kabler, nåle osv.). I symaskiner repræsenterer spoler med sårtråde et hjemmelavet eksempel på duktile materialer; Ellers kunne tekstilfibrene aldrig have erhvervet deres karakteristiske former.

Kilde: Emilian Robert Vicol via Flickr.

Hvad er formålet med duktilitet i materialer? At være i stand til at dække lange afstande eller attraktive design, hvad enten det drejer sig om at lave værktøjer, smykker, legetøj; eller til transport af noget fluid, såsom elektrisk strøm.

Den sidste anvendelse repræsenterer et nøgleeksempel på materialernes duktilitet, især metaller. Fine kobberledninger (øverste billede) er gode ledere af elektricitet, og sammen med guld og platin bruges de i mange elektroniske enheder for at sikre, at de fungerer.

Nogle fibre er så fine (bare et par mikrometer tykke), at den poetiske udtryk "gyldent hår" får al reel mening. Det samme gælder kobber og sølv.

Duktilitet ville ikke være en mulig egenskab, hvis der ikke var en molekylær eller atomisk omarrangement til at modvirke den indtrængende trækstyrke. Og hvis det ikke eksisterede, ville mennesket aldrig have kendt kablerne, antennerne, broerne, ville forsvinde, og verden ville forblive i mørke uden elektrisk lys (ud over utallige andre konsekvenser).

Hvad er duktilitet?

I modsætning til formbarhed garanterer duktilitet mere effektiv strukturel omarrangering.

Hvorfor? For når overfladen, hvor spændingen ligger, er større, har det faste stof flere midler til at glide dets molekyler eller atomer, danne ark eller plader; hvorimod stresset koncentreres i et mindre og mindre tværsnit, skal molekylærglidningen være mere effektiv for at modvirke denne kraft.

Ikke alle faste stoffer eller materialer kan gøre det, og derfor knækker de, når de underkastes trækforsøg. De opnåede pauser er i gennemsnit horisontale, mens de af duktile materialer er koniske eller spidse, et tegn på strækning.

Duktile materialer kan også bryde forbi et stresspunkt. Dette kan øges, hvis temperaturen øges, da varme fremmer og letter molekylær glidning (selvom der er flere undtagelser). Det er så takket være disse lysbilleder, at et materiale kan udvise duktilitet og derfor være let.

Materialets duktilitet omfatter imidlertid andre variabler, såsom fugtighed, varme, urenheder og hvordan kraft udøves. For eksempel er nyligt smeltet glas duktilt og vedtager gevindlignende former; Men når det køler ned, bliver det sprødt og kan bryde med enhver mekanisk påvirkning.

Ejendomme

Duktile materialer har deres egne egenskaber, der er direkte relateret til deres molekylære arrangementer. I denne forstand kan en stiv metalstang og en våd lerstang være duktil, selv om deres egenskaber adskiller sig meget.

Dog har de alle noget til fælles: en plastisk opførsel, før de går i stykker. Hvad er forskellen mellem en plastik og en elastisk genstand?

Det elastiske objekt deformeres reversibelt, hvilket oprindeligt forekommer med duktile materialer; men forøgelse af trækraft, bliver deformationen irreversibel, og genstanden bliver plastisk.

Fra dette tidspunkt får tråden eller tråden en defineret form. Efter kontinuerlig strækning bliver dens tværsnit så lille og trækspændingen for høj, at dens molekylære glider ikke længere kan modvirke spændingen og det ender med at bryde.

Hvis materialets duktilitet er ekstremt høj, som for guld, med et gram, er det muligt at opnå ledninger med længder på op til 66 km med en tykkelse på 1 um.

Jo længere tråd der er opnået fra en masse, jo mindre er dets tværsnit (medmindre der er tonsvis af guld til rådighed til at bygge en tråd med betydelig tykkelse).

Eksempler på duktile metaller

Metaller er blandt de duktile materialer med utallige anvendelser. Triaden består af metaller: guld, kobber og platin. Den ene er guld, den anden lyserød orange og den sidste sølv. Ud over disse metaller er der andre med mindre duktilitet:

-Jern

-Zink

-Brass (og andre metallegeringer)

-Guld

-Aluminium

-Samarium

magnesiumhalogenidester

-Vanadium

-Steel (selvom dens duktilitet kan blive påvirket afhængigt af dets carbon sammensætning og andre additiver)

-Sølv

-Tin

-Lead (men inden for bestemte små temperaturområder)

Det er vanskeligt at konstatere uden forudgående eksperimentel viden, hvilke metaller der virkelig er duktile. Dens duktilitet afhænger af renhedsgraden og hvordan additiverne interagerer med det metalliske glas.

Andre variabler såsom størrelsen af ​​krystalkornene og indretningen af ​​krystallen tages i betragtning. Derudover spiller antallet af elektroner og molekylære orbitaler, der er involveret i den metalliske binding, det vil sige i "elektronhavet" også en vigtig rolle.

Interaktionerne mellem alle disse mikroskopiske og elektroniske variabler gør duktilitet til et koncept, der skal behandles grundigt med en multivariat analyse; og der mangler en standardregel for alle metaller.

Det er af denne grund, at to metaller, selv om de har meget ens egenskaber, måske eller måske ikke er duktile.

Kornstørrelse og krystalstrukturer af metaller

Kornene er dele af glas, der mangler mærkbare uregelmæssigheder (hulrum) i deres tredimensionelle arrangement. Ideelt set bør de være helt symmetriske med deres meget veldefinerede struktur.

Hvert korn for det samme metal har den samme krystallinske struktur; dvs. et metal med en kompakt hexagonal struktur, hcp, har korn med krystaller med hcp-systemet. Disse er arrangeret på en sådan måde, at inden trækkraft eller strækningskraft glider de over hinanden, som om de var fly, der består af kugler.

Generelt, når fly lavet af små korn glider, skal de overvinde en større friktionskraft; mens de er store, kan de bevæge sig mere frit. Faktisk forsøger nogle forskere at modificere visse legerings duktilitet gennem den kontrollerede vækst af deres krystallinske korn.

På den anden side, hvad angår den krystallinske struktur, er metaller med et krystallinsk system fcc (vendt centreret kubik eller kubik centreret på ansigterne) som regel den mest duktile. I mellemtiden har metaller med krystallinske strukturer bcc (kropscentreret kubik, kubik centreret på ansigterne) eller hcp, en tendens til at være mindre behagelig.

F.eks. Krystalliseres både kobber og jern med et fcc-arrangement og er mere duktile end zink og cobalt, begge med hcp-arrangementer.

Effekt af temperatur på metallens duktilitet

Varme kan sænke eller øge materialernes duktilitet, og undtagelserne gælder også for metaller. Men som en generel regel er de blødere metaller, jo lettere er det at omdanne dem til gevind uden at gå i stykker.

Dette skyldes det faktum, at stigningen i temperatur får de metalliske atomer til at vibrere, hvilket følgelig får kornene til at forene sig; det vil sige, flere små korn mødes for at danne et stort korn.

Med større korn øges duktiliteten, og molekylær glidning får færre fysiske hindringer.

Eksperiment for at forklare duktilitet for børn og unge

Kilde: Doug Waldron via Flickr.

Duktilitet bliver et ekstremt komplekst koncept, hvis du begynder at analysere det mikroskopisk. Så hvordan forklarer du det for børn og unge? På en sådan måde, at det fremstår så enkelt som muligt for deres nysgerrige øjne.

Tyggegummi og leg dej

Indtil videre har der været tale om smeltet glas og metaller, men der er andre utroligt duktile materialer: tyggegummi og modellering af ler.

For at demonstrere tyggegummi med tyggegummi er det nok at gribe to masser og begynde at strække dem; den ene er placeret til venstre og den anden føres til højre. Resultatet bliver en hængende tyggegummibro, som ikke vil kunne vende tilbage til sin oprindelige form, medmindre den æltes med hænderne.

Der vil dog komme et punkt, hvor broen i sidste ende vil bryde (og gulvet vil være farvet med tyggegummi).

Billedet ovenfor viser, hvordan et barn ved at trykke på en beholder med huller får plasticinen til at fremstå som om det var hår. Tør kitt er mindre duktilt end fedtet kitt; Derfor kunne et eksperiment simpelthen bestå af at skabe to regnorme: den ene med den tørre ler og den anden fugtet i olie.

Barnet vil bemærke, at den olieagtige orm er lettere at forme og få længde på bekostning af dens tykkelse; Mens ormen tørrer op, vil det sandsynligvis ende med at bryde sammen flere gange.

Plasticin repræsenterer også et ideelt materiale til at forklare forskellen mellem formbarhed (en båd, en port) og duktilitet (hår, orme, slanger, salamandere osv.).

Demonstration med metaller

Selvom unge ikke overhovedet vil manipulere noget, kan det at være vidne til dannelsen af ​​kobbertråde i den første række være en attraktiv og interessant oplevelse for dem. Demonstrationen af ​​duktilitet ville være endnu mere fuldstændig, hvis man fortsætter med andre metaller, og således kunne sammenligne deres duktilitet.

Dernæst skal alle ledninger udsættes for en konstant strækning til deres brudpunkt. Med dette vil ungdommen visuelt bekræfte, hvordan duktilitet påvirker trådens modstand mod brud.

Referencer

1. Encyclopedia of eksempler (2017). Duktile materialer. Gendannes fra: eksempler.co
2. Helmenstine, Anne Marie, ph.d. (22. juni 2018). Duktil definition og eksempler. Gendannes fra: thoughtco.com
3. Chemstorm. (02. marts 2018). Duktil definitionskemi. Gendannes fra: chemstorm.com
4. Bell T. (18. august 2018). Forklaret duktilitet: Trækstress og metaller. Balancen. Gendannes fra: thebalance.com
5. Dr. Marks R. (2016). Duktilitet i metaller. Institut for Mekanik, Santa Clara University.. Gendannes fra: scu.edu
6. Reid D. (2018). Duktilitet: Definition og eksempler. Undersøgelse. Gendannes fra: study.com
7. Clark J. (oktober 2012). Metalliske strukturer. Gendannes fra: chemguide.co.uk
8. Chemicool. (2018). Fakta om guld. Gendannes fra: chemicool.com
9. Materialer i dag. (2015, 18. november). Stærke metaller kan stadig være duktile. Elsevier. Gendannes fra: materialstoday.com