DUKTILITET: EGENSKAPER, EXEMPEL, EXPERIMENT - KEMI - 2025

Den formbarhet är en teknologi av material som tillåter dem att deformera en sträckspänning; det vill säga avskiljningen av dess två ändar utan att det finns någon snabb brott vid någon punkt i mitten av den långsträckta sektionen. När materialet förlängs minskar dess tvärsnitt och blir tunnare.

Därför bearbetas duktila material mekaniskt till gängliknande former (trådar, kablar, nålar etc.). I symaskiner representerar spolar med sårtrådar ett hemlagat exempel på duktila material; annars kunde textilfibrerna aldrig ha fått sina karakteristiska former.

Källa: Emilian Robert Vicol via Flickr.

Vad är syftet med duktilitet i material? Att kunna täcka långa sträckor eller attraktiva mönster, vare sig det är att tillverka verktyg, smycken, leksaker; eller för transport av viss vätska, såsom elektrisk ström.

Den sista tillämpningen representerar ett viktigt exempel på materialens duktilitet, speciellt för metaller. Fina koppartrådar (toppbild) är bra ledare för elektricitet, och tillsammans med guld och platina används de i många elektroniska apparater för att säkerställa att de fungerar.

Vissa fibrer är så fina (bara några mikrometer tjocka) att den poetiska frasen "gyllent hår" får all verklig mening. Detsamma gäller koppar och silver.

Duktilitet skulle inte vara en möjlig egenskap om det inte fanns en molekylär eller atomär omorganisering för att motverka den infallande dragkraften. Och om det inte fanns, skulle människan aldrig ha känt kablarna, antennerna, broarna, skulle försvinna, och världen skulle förbli i mörker utan elektriskt ljus (utöver otaliga andra konsekvenser).

Vad är duktilitet?

Till skillnad från smidbarhet garanterar duktilitet effektivare strukturell omarrangemang.

Varför? För när ytan där spänningen ligger är större, har det fasta materialet fler sätt att glida sina molekyler eller atomer, bilda ark eller plattor; medan spänningen koncentreras i ett mindre och mindre tvärsnitt måste den molekylära glidningen vara mer effektiv för att motverka denna kraft.

Inte alla fasta ämnen eller material kan göra det, och av den anledningen bryts de när de utsätts för dragprov. De erhållna brytningarna är i genomsnitt horisontella, medan de av duktila material är koniska eller spetsiga, ett tecken på sträckning.

Duktila material kan också bryta förbi en stresspunkt. Detta kan höjas om temperaturen höjs, eftersom värme främjar och underlättar molekylär glidning (även om det finns flera undantag). Det är då tack vare dessa objektglas att ett material kan uppvisa smidighet och därför vara smidigt.

Men materialets duktilitet omfattar andra variabler, såsom luftfuktighet, värme, föroreningar och hur kraft appliceras. Exempelvis är nysmält glas duktilt och antar trådliknande former; Men när det svalnar blir det sprött och kan bryta med alla mekaniska stötar.

Egenskaper

Duktila material har sina egna egenskaper direkt relaterade till deras molekylära arrangemang. I detta avseende kan en styv metallstång och en våt lerstång vara mjuk, även om deras egenskaper skiljer sig mycket.

Men de har alla något gemensamt: ett plastiskt beteende innan de går sönder. Vad är skillnaden mellan en plast och ett elastiskt föremål?

Det elastiska föremålet deformeras reversibelt, vilket initialt inträffar med duktila material; men ökar dragkraften blir deformationen irreversibel och föremålet blir plast.

Från denna punkt får tråden eller tråden en definierad form. Efter kontinuerlig sträckning blir dess tvärsnitt så liten, och dragspänningen för hög, att dess molekylära glider inte längre kan motverka spänningen och det slutar bryta.

Om materialets duktilitet är extremt hög, som i fallet med guld, med ett gram är det möjligt att erhålla ledningar med längder upp till 66 km, med en tjocklek på 1 um.

Ju mer långsträckt tråd som erhållits från en massa, desto mindre är dess tvärsnitt (såvida det inte finns massor av guld för att bygga en tråd med betydande tjocklek).

Exempel på duktila metaller

Metaller är bland de duktila materialen med otaliga tillämpningar. Triaden består av metaller: guld, koppar och platina. Den ena är guld, den andra rosa orange och den sista silver. Förutom dessa metaller finns det andra med mindre mjukhet:

-Järn

-Zink

-Brass (och andra metalllegeringar)

-Guld

-Aluminium

-Samarium

-Magnesium

-Vanadium

-Steel (även om dess duktilitet kan påverkas beroende på dess kolkomposition och andra tillsatser)

-Silver

-Tenn

-Lead (men inom vissa små temperaturintervall)

Det är svårt att konstatera, utan tidigare experimentell kunskap, vilka metaller som verkligen är duktila. Dess duktilitet beror på renhetsgraden och hur tillsatserna interagerar med metallglaset.

Även andra variabler, såsom storleken på kristallkornen och arrangemanget av kristallen, beaktas. Dessutom spelar också antalet elektroner och molekylära orbitaler som är involverade i den metalliska bindningen, det vill säga i "elektronhavet" en viktig roll.

Interaktioner mellan alla dessa mikroskopiska och elektroniska variabler gör duktilitet till ett koncept som måste behandlas noggrant med en multivariat analys; och frånvaron av en standardregel för alla metaller kommer att hittas.

Det är av detta skäl som två metaller, även om de har mycket liknande egenskaper, kan vara königa eller inte.

Kornstorlek och kristallstrukturer av metaller

Kornen är delar av glas som saknar märkbara oegentligheter (tomrum) i deras tredimensionella arrangemang. Helst bör de vara helt symmetriska med sin väldefinierade struktur.

Varje korn för samma metall har samma kristallina struktur; det vill säga en metall med en kompakt hexagonal struktur, hcp, har korn med kristaller med hcp-systemet. Dessa är arrangerade på ett sådant sätt att före dragkraften eller sträckningen glider de över varandra, som om de var plan som består av kulor.

I allmänhet, när plan tillverkade av små korn glider, måste de övervinna en större friktionskraft; medan de är stora kan de röra sig mer fritt. I själva verket försöker vissa forskare modifiera mjukheten hos vissa legeringar genom kontrollerad tillväxt av deras kristallkorn.

Å andra sidan, beträffande den kristallina strukturen, är vanligtvis metaller med ett kristallint system fcc (med mittpunkt kubik eller kubik centrerat på ytor) de mest smidiga. Under tiden tenderar metaller med kristallina strukturer bcc (kroppcentrerad kubik, kubik centrerad på ansikten) eller hcp att vara mindre smidiga.

Exempelvis kristalliseras både koppar och järn med en fcc-anordning och är mer smidiga än zink och kobolt, båda med hcp-arrangemang.

Effekt av temperatur på metallens duktilitet

Värme kan minska eller öka materialens duktilitet, och undantagen gäller också för metaller. Men som en allmän regel är de mjukare metaller, desto lättare är det att förvandla dem till trådar utan att gå sönder.

Detta beror på att temperaturökningen får metallatomerna att vibrera, vilket följaktligen får kornen att förena sig; det vill säga flera små korn samlas för att bilda ett stort korn.

Med större korn ökar duktiliteten och molekylär glidning får färre fysiska hinder.

Experiment för att förklara duktilitet för barn och ungdomar

Källa: Doug Waldron via Flickr.

Duktilitet blir ett extremt komplext koncept om du börjar analysera det mikroskopiskt. Så hur förklarar du det för barn och ungdomar? På ett sådant sätt att det verkar så enkelt som möjligt för deras nyfikna ögon.

Tuggummi och lek deg

Hittills har det varit tal om smält glas och metaller, men det finns andra otroligt smidiga material: tuggummi och modellering lera.

För att demonstrera tuggummins duktilitet räcker det att ta två massor och börja sträcka dem; den ena till vänster, och den andra kommer att bäras till höger. Resultatet blir en hängande gummibro, som inte kommer att kunna återgå till sin ursprungliga form om den inte knådas med händerna.

Men det kommer en punkt där bron så småningom kommer att gå sönder (och golvet kommer att färgas med gummi).

Bilden ovan visar hur ett barn genom att trycka på en behållare med hål får plasticinen att dyka ut som om det var hår. Torr kitt är mindre mjuk än oljig kitt; Därför kan ett experiment helt enkelt bestå av att skapa två daggmaskar: en med torr lera och den andra fuktad i olja.

Barnet kommer att märka att den oljiga masken är lättare att forma och få längd på bekostnad av dess tjocklek; Medan ormen torkar upp, kommer det troligen att hamna flera gånger.

Plasticine representerar också ett idealiskt material för att förklara skillnaden mellan formbarhet (en båt, en grind) och duktilitet (hår, maskar, ormar, salamandrar, etc.).

Demonstration med metaller

Även om ungdomar inte kommer att manipulera absolut något, kan det vara en attraktiv och intressant upplevelse för dem att kunna bevittna bildandet av koppartrådar i första raden. Demonstrationen av duktilitet skulle vara ännu mer fullständig om man fortsätter med andra metaller och därmed kunna jämföra deras duktilitet.

Därefter måste alla ledningar utsättas för en konstant sträckning till deras brytpunkt. Med detta kommer tonåringen visuellt att certifiera hur duktilitet påverkar trådens motstånd att bryta.

referenser

1. Encyclopedia of Exempler (2017). Duktila material. Återställd från: exempel.co
2. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22 juni 2018). Duktil definition och exempel. Återställd från: thoughtco.com
3. Chemstorm. (02 mars 2018). Duktil definitionskemi. Återställd från: chemstorm.com
4. Bell T. (18 augusti 2018). Förklarad duktilitet: dragspänning och metaller. Balansen. Återställd från: thebalance.com
5. Dr. Marks R. (2016). Duktilitet i metaller. Institutionen för maskinteknik, Santa Clara University. . Återställd från: scu.edu
6. Reid D. (2018). Duktilitet: Definition och exempel. Studie. Återställd från: study.com
7. Clark J. (oktober 2012). Metalliska strukturer. Återställd från: chemguide.co.uk
8. Chemicool. (2018). Fakta om guld. Återställd från: chemicool.com
9. Material idag. (2015, 18 november). Starka metaller kan fortfarande vara duktila. Elsevier. Återställd från: materialstoday.com