DUKTILITET: EGENSKAPER, EKSEMPLER, EKSPERIMENTER - KJEMI - 2025

Den duktilitet er en proprietær teknologi av materialer som tillater dem å deformere en strekning spenning; det vil si atskillelsen av de to ender uten at det på et tidspunkt er midt i det langstrakte partiet, med en hurtig brudd. Når materialet forlenger, reduseres tverrsnittet og blir tynnere.

Derfor blir duktile materialer mekanisk bearbeidet til gjengeaktige former (gjenger, kabler, nåler, etc.). I symaskiner representerer spoler med sårtråder et hjemmelaget eksempel på duktile materialer; Ellers kunne tekstilfibrene aldri ha fått sine karakteristiske former.

Kilde: Emilian Robert Vicol via Flickr.

Hva er hensikten med duktilitet i materialer? Det å kunne dekke lange avstander eller attraktive design, enten det er for å lage verktøy, smykker, leker; eller for transport av noe væske, for eksempel elektrisk strøm.

Den siste bruken representerer et nøkkeleksempel på materialets duktilitet, spesielt metaller. Fine kobberledninger (toppbilde) er gode ledere av elektrisitet, og sammen med gull og platina brukes de i mange elektroniske enheter for å sikre at de fungerer.

Noen fibre er så fine (bare noen få mikrometer tykke) at den poetiske frasen "gyllent hår" får all virkelig mening. Det samme gjelder kobber og sølv.

Duktilitet ville ikke være en mulig egenskap hvis det ikke var en molekylær eller atomisk omorganisering for å motvirke den innfallende strekkraften. Og hvis den ikke eksisterte, ville mennesket aldri kjent kablene, antennene, broene, forsvinne, og verden ville forbli i mørke uten elektrisk lys (i tillegg til utallige andre konsekvenser).

Hva er duktilitet?

I motsetning til smidbarhet garanterer duktilitet mer effektiv strukturell omorganisering.

Hvorfor? For når overflaten der spenningen ligger er større, har det faste stoffet flere midler til å skyve molekyler eller atomer, danne ark eller plater; mens spenningen konsentreres i et mindre og mindre tverrsnitt, må molekylærglidingen være mer effektiv for å motvirke denne kraften.

Ikke alle faste stoffer eller materialer kan gjøre det, og av den grunn brytes de når de blir utsatt for strekkprøver. Bruddene som er oppnådd er i gjennomsnitt horisontale, mens de av duktile materialer er koniske eller spisse, et tegn på strekk.

Duktile materialer kan også bryte forbi et stresspunkt. Dette kan økes hvis temperaturen økes, siden varmen fremmer og letter molekylær glidning (selv om det er flere unntak). Det er da takket være disse lysbildene at et materiale kan utvise duktilitet og derfor være behagelig.

Imidlertid omfatter duktiliteten til et materiale andre variabler, for eksempel fuktighet, varme, urenheter og hvordan kraft påføres. For eksempel er nylig smeltet glass duktilt og bruker trådlignende former; Men når det kjøler seg, blir det sprøtt og kan gå i stykker med hvilken som helst mekanisk påvirkning.

Egenskaper

Duktile materialer har sine egne egenskaper direkte relatert til deres molekylære ordninger. Slik sett kan en stiv metallstang og en våt leirstang være duktil, selv om deres egenskaper er veldig forskjellige.

Imidlertid har de alle noe til felles: en plastisk oppførsel før brudd. Hva er forskjellen mellom en plast og en elastisk gjenstand?

Det elastiske objektet er reversibelt deformert, noe som opprinnelig oppstår med duktile materialer; men øker strekkraften, blir deformasjonen irreversibel og gjenstanden blir plastisk.

Fra dette tidspunktet tar ledningen eller tråden en definert form. Etter kontinuerlig strekking blir tverrsnittet så lite, og strekkspenningen for høy, at dens molekylære glider ikke lenger kan motvirke spenningen og det ender med å bryte.

Hvis duktiliteten til materialet er ekstremt høy, som for gull, med ett gram, er det mulig å oppnå ledninger med lengder på opptil 66 km, med en tykkelse på 1 um.

Jo mer langstrakt ledningen oppnådd fra en masse, desto mindre er tverrsnittet (med mindre tonn gull er tilgjengelig for å bygge en tråd med betydelig tykkelse).

Eksempler på duktile metaller

Metaller er blant de duktile materialene med utallige bruksområder. Triaden består av metaller: gull, kobber og platina. Den ene er gull, den andre rosa oransje og den siste sølv. I tillegg til disse metallene er det andre med mindre duktilitet:

-Jern

-Sink

-Brass (og andre metalllegeringer)

-Gull

-Aluminium

-Samarium

-Magnesium

-Vanadium

-Steel (selv om dens duktilitet kan påvirkes avhengig av karbonsammensetning og andre tilsetningsstoffer)

-Sølv

-Tinn

-Led (men innenfor visse små temperaturområder)

Det er vanskelig å fastslå, uten forutgående eksperimentell kunnskap, hvilke metaller som virkelig er duktile. Dens duktilitet avhenger av renhetsgraden og hvordan tilsetningsstoffene interagerer med det metalliske glasset.

Også andre variabler som størrelsen på krystallkornene og innretningen av krystallen kommer i betraktning. I tillegg spiller også antall elektroner og molekylære orbitaler som er involvert i den metalliske bindingen, det vil si i "elektronhavet" en viktig rolle.

Interaksjonene mellom alle disse mikroskopiske og elektroniske variablene gjør duktilitet til et konsept som må tas grundig opp med en multivariat analyse; og fraværet av en standardregel for alle metaller vil bli funnet.

Det er av denne grunn at to metaller, selv om de har veldig like egenskaper, kan være eller ikke kan være duktile.

Kornstørrelse og krystallstrukturer av metaller

Kornene er deler av glass som mangler merkbare uregelmessigheter (tomrom) i deres tredimensjonale ordninger. Ideelt sett bør de være helt symmetriske, med sin meget veldefinerte struktur.

Hvert korn for det samme metallet har den samme krystallinske strukturen; det vil si et metall med en kompakt sekskantet struktur, hcp, har korn med krystaller med hcp-systemet. Disse er ordnet på en slik måte at før trekkraft eller tøyningskraft glir de over hverandre, som om de var fly som består av klinkekuler.

Generelt sett når fly laget av små korn glir, må de overvinne en større friksjonskraft; mens de er store, kan de bevege seg mer fritt. Faktisk søker noen forskere å modifisere duktiliteten til visse legeringer gjennom kontrollert vekst av deres krystallinske korn.

På den annen side, med hensyn til den krystallinske strukturen, er vanligvis metaller med et krystallinsk system fcc (med sentrert sentrert kubikk eller kubikk sentrert på ansiktene) den mest behagelig. I mellomtiden har metaller med krystallinske strukturer bcc (kroppssentrert kubikk, kubikk sentrert på ansiktene) eller hcp, en tendens til å være mindre behagelig.

For eksempel krystalliserer både kobber og jern med en fcc-anordning, og er mer behagelig enn sink og kobolt, begge med hcp-arrangement.

Effekt av temperatur på metallens duktilitet

Varme kan redusere eller øke materialets duktilitet, og unntakene gjelder også for metaller. Imidlertid, som en generell regel, jo mykere metaller er, jo lettere er det å gjøre dem om til tråder uten å bryte.

Dette skyldes det faktum at økningen i temperatur gjør at metallatomene vibrerer, noe som følgelig får kornene til å forene seg; det vil si at flere små korn kommer sammen for å danne ett stort korn.

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

Eksperiment for å forklare duktilitet for barn og unge

Kilde: Doug Waldron via Flickr.

Duktilitet blir et ekstremt komplekst konsept hvis du begynner å analysere det mikroskopisk. Så hvordan forklarer du det for barn og unge? På en slik måte at det fremstår så enkelt som mulig for deres nysgjerrige øyne.

Tyggegummi og lek deig

Så langt har det vært snakk om smeltet glass og metaller, men det er andre utrolig duktile materialer: tyggegummi og modellering av leire.

For å demonstrere tyggbarheten til tyggegummi, er det nok å ta to masser og begynne å strekke dem; en plassert til venstre, og den andre blir ført til høyre. Resultatet blir en hengende tannkjøttebro, som ikke vil kunne gå tilbake til sin opprinnelige form med mindre den er elt med hendene.

Imidlertid vil det komme et punkt hvor broen til slutt vil gå i stykker (og gulvet blir beiset med tyggegummi).

Bildet over viser hvordan et barn ved å trykke på en beholder med hull gjør at plasticinen dukker opp som om det var hår. Tørr kitt er mindre behagelig enn fet kitt; Derfor kunne et eksperiment ganske enkelt bestå av å lage to meitemark: den ene med tørr leire, og den andre fuktet i olje.

Barnet vil merke at den fete ormen er lettere å forme og få lengde på bekostning av tykkelsen; Mens ormen tørker opp, vil det sannsynligvis ende opp med å bryte sammen flere ganger.

Plasticine representerer også et ideelt materiale for å forklare forskjellen mellom formbarhet (en båt, en port) og duktilitet (hår, ormer, slanger, salamandere, etc.).

Demonstrasjon med metaller

Selv om ungdom overhode ikke vil manipulere noe, kan det å være vitne til dannelsen av kobbertråder i første rad være en attraktiv og interessant opplevelse for dem. Demonstrasjonen av duktilitet ville være enda mer fullstendig hvis man fortsetter med andre metaller, og dermed kunne sammenligne deres duktilitet.

Deretter må alle ledningene utsettes for en konstant strekk til sitt bruddpunkt. Med dette vil ungdommen visuelt bekrefte hvordan duktilitet påvirker ledningens motstand mot brudd.

referanser

1. Leksikon av eksempler (2017). Duktile materialer. Gjenopprettet fra: eksempler.co
2. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22. juni 2018). Duktil definisjon og eksempler. Gjenopprettet fra: thoughtco.com
3. Chemstorm. (02. mars 2018). Duktil definisjon kjemi. Gjenopprettet fra: chemstorm.com
4. Bell T. (18. august 2018). Forklaret duktilitet: Strekkstyrke og metaller. Balansen. Gjenopprettet fra: thebalance.com
5. Dr. Marks R. (2016). Duktilitet i metaller. Inst. For maskinteknikk, Santa Clara University. . Gjenopprettet fra: scu.edu
6. Reid D. (2018). Duktilitet: Definisjon og eksempler. Studere. Gjenopprettet fra: study.com
7. Clark J. (oktober 2012). Metalliske strukturer. Gjenopprettet fra: chemguide.co.uk
8. Chemicool. (2018). Fakta om gull. Gjenopprettet fra: chemicool.com
9. Materialer i dag. (2015, 18. november). Sterke metaller kan fortsatt være duktile. Elsevier. Gjenopprettet fra: materialstoday.com