VERVORMBAARHEID: EIGENSCHAPPEN, VOORBEELDEN, EXPERIMENTEN - CHEMIE - 2026

De ductiliteit is een gepatenteerde technologie van materialen waardoor ze een rekspanning kunnen vervormen; dat wil zeggen de scheiding van de twee uiteinden zonder dat er op een bepaald punt in het midden van het langwerpige gedeelte een onmiddellijke breuk optreedt. Naarmate het materiaal langer wordt, neemt de dwarsdoorsnede af en wordt het dunner.

Daarom worden ductiele materialen mechanisch verwerkt tot draadachtige vormen (draden, kabels, naalden, enz.). In naaimachines vertegenwoordigen klossen met gewikkelde draden een zelfgemaakt voorbeeld van ductiele materialen; anders hadden de textielvezels nooit hun karakteristieke vorm kunnen krijgen.

Bron: Emilian Robert Vicol via Flickr.

Wat is het doel van ductiliteit in materialen? Dat van het kunnen afleggen van lange afstanden of aantrekkelijke ontwerpen, of het nu gaat om het maken van gereedschappen, sieraden, speelgoed; of voor het transport van een vloeistof, zoals elektrische stroom.

De laatste toepassing is een belangrijk voorbeeld van de ductiliteit van materialen, vooral die van metalen. Fijne koperdraden (bovenste afbeelding) zijn goede geleiders van elektriciteit en worden samen met goud en platina in veel elektronische apparaten gebruikt om hun werking te garanderen.

Sommige vezels zijn zo fijn (slechts een paar micrometer dik) dat de poëtische uitdrukking "gouden haar" alle echte betekenis krijgt. Hetzelfde geldt voor koper en zilver.

Vervormbaarheid zou geen mogelijke eigenschap zijn als er geen moleculaire of atomaire herschikking zou zijn om de invallende trekkracht tegen te gaan. En als het niet bestond, zou de mens nooit hebben geweten dat de kabels, de antennes, de bruggen zouden verdwijnen en de wereld zonder elektrisch licht in het donker zou blijven (naast talloze andere gevolgen).

Wat is ductiliteit?

In tegenstelling tot kneedbaarheid garandeert ductiliteit een efficiëntere structurele herschikking.

Waarom? Omdat wanneer het oppervlak waar de spanning ligt groter is, de vaste stof meer middelen heeft om zijn moleculen of atomen te verschuiven, vellen of platen te vormen; terwijl wanneer de spanning geconcentreerd is in een kleinere en kleinere doorsnede, de moleculaire verschuiving efficiënter moet zijn om deze kracht tegen te gaan.

Niet alle vaste stoffen of materialen kunnen het, en daarom breken ze wanneer ze worden onderworpen aan trektests. De verkregen breuken zijn gemiddeld horizontaal, terwijl die van ductiele materialen conisch of puntig zijn, een teken van uitrekking.

Nodulair materiaal kan ook voorbij een spanningspunt breken. Dit kan worden verhoogd als de temperatuur wordt verhoogd, aangezien warmte moleculaire slip bevordert en vergemakkelijkt (hoewel er verschillende uitzonderingen zijn). Het is dan dankzij deze dia's dat een materiaal ductiliteit kan vertonen en daarom ductiel kan zijn.

De ductiliteit van een materiaal omvat echter andere variabelen, zoals vochtigheid, warmte, onzuiverheden en hoe kracht wordt uitgeoefend. Nieuw gesmolten glas is bijvoorbeeld taai en neemt draadachtige vormen aan; Maar naarmate het afkoelt, wordt het broos en kan het breken bij elke mechanische impact.

Eigendommen

Nodulaire materialen hebben hun eigen eigenschappen die rechtstreeks verband houden met hun moleculaire rangschikking. In die zin kunnen een stijve metalen staaf en een natte kleistaaf ductiel zijn, hoewel hun eigenschappen sterk verschillen.

Ze hebben echter allemaal iets gemeen: een plastisch gedrag voordat ze breken. Wat is het verschil tussen een plastic en een elastisch object?

Het elastische object wordt omkeerbaar vervormd, wat in eerste instantie gebeurt bij ductiele materialen; maar door de trekkracht te vergroten, wordt de vervorming onomkeerbaar en wordt het object plastisch.

Vanaf dit punt neemt de draad of draad een gedefinieerde vorm aan. Na continu rekken wordt de doorsnede zo klein en de trekspanning te hoog, dat de moleculaire glijbanen de spanning niet meer kunnen tegengaan en het uiteindelijk breekt.

Als de ductiliteit van het materiaal extreem hoog is, zoals in het geval van goud, is het met één gram mogelijk om draden te verkrijgen met een lengte tot 66 km, met een dikte van 1 µm.

Hoe langer de draad die uit een massa wordt verkregen, hoe kleiner de doorsnede ervan (tenzij er tonnen goud beschikbaar zijn om een ​​draad van aanzienlijke dikte te bouwen).

Voorbeelden van ductiele metalen

Metalen behoren tot de ductiele materialen met talloze toepassingen. De triade bestaat uit metalen: goud, koper en platina. De ene is goud, de andere roze-oranje en de laatste zilver. Naast deze metalen zijn er andere met minder vervormbaarheid:

-Ijzer

-Zink

-Messing (en andere metaallegeringen)

-Goud

-Aluminium

-Samarium

-Magnesium

-Vanadium

-Staal (hoewel de ductiliteit kan worden beïnvloed, afhankelijk van de koolstofsamenstelling en andere additieven)

-Zilver

-Blik

-Lood (maar binnen bepaalde kleine temperatuurbereiken)

Het is moeilijk vast te stellen, zonder voorafgaande experimentele kennis, welke metalen werkelijk ductiel zijn. De vervormbaarheid hangt af van de mate van zuiverheid en hoe de additieven in wisselwerking staan ​​met het metallisch glas.

Ook komen andere variabelen zoals de grootte van de kristalkorrels en de rangschikking van het kristal in aanmerking. Daarnaast speelt ook het aantal elektronen en moleculaire orbitalen dat betrokken is bij de metaalbinding, dat wil zeggen in de "elektronenzee", een belangrijke rol.

De interacties tussen al deze microscopische en elektronische variabelen maken van ductiliteit een concept dat grondig moet worden aangepakt met een multivariate analyse; en het ontbreken van een standaardregel voor alle metalen zal worden gevonden.

Het is om deze reden dat twee metalen, hoewel met zeer vergelijkbare eigenschappen, al dan niet ductiel kunnen zijn.

Korrelgrootte en kristalstructuren van metalen

De korrels zijn delen van glas die geen merkbare onregelmatigheden (holtes) in hun driedimensionale rangschikking hebben. Idealiter zouden ze volledig symmetrisch moeten zijn, met hun zeer goed gedefinieerde structuur.

Elke korrel voor hetzelfde metaal heeft dezelfde kristallijne structuur; dat wil zeggen, een metaal met een compacte hexagonale structuur, hcp, heeft korrels met kristallen met het hcp-systeem. Deze zijn zo gerangschikt dat ze vóór de kracht van trekkracht of strekken over elkaar glijden, alsof het vliegtuigen zijn die uit knikkers bestaan.

Over het algemeen moeten vliegtuigen die uit kleine korrels glijden, een grotere wrijvingskracht overwinnen; terwijl ze, als ze groot zijn, vrijer kunnen bewegen. In feite proberen sommige onderzoekers de ductiliteit van bepaalde legeringen te wijzigen door de gecontroleerde groei van hun kristallijne korrels.

Aan de andere kant, met betrekking tot de kristallijne structuur, zijn metalen met een kristallijn systeem fcc (gecentreerd kubisch gecentreerd of kubisch gecentreerd op de vlakken) het meest taai. Ondertussen hebben metalen met kristallijne structuren bcc (kubisch gecentreerd lichaam, kubisch gecentreerd op de vlakken) of hcp de neiging om minder taai te zijn.

Zowel koper als ijzer kristalliseren bijvoorbeeld met een fcc-opstelling, en zijn ductieler dan zink en kobalt, beide met hcp-rangschikkingen.

Effect van temperatuur op de ductiliteit van metalen

Warmte kan de vervormbaarheid van materialen verminderen of vergroten, en de uitzonderingen gelden ook voor metalen. Als algemene regel geldt echter dat hoe zachtere metalen zijn, hoe gemakkelijker het is om er draden van te maken zonder te breken.

Dit komt doordat de temperatuurstijging de metaalatomen doet trillen, waardoor de korrels zich verenigen; dat wil zeggen, verschillende kleine korrels komen samen om één grote korrel te vormen.

Met grotere korrels neemt de ductiliteit toe en wordt het moleculaire slippen geconfronteerd met minder fysieke belemmeringen.

Experimenteer om ductiliteit voor kinderen en adolescenten te verklaren

Bron: Doug Waldron via Flickr.

Vervormbaarheid wordt een uiterst complex concept als je het microscopisch gaat analyseren. Dus hoe leg je het uit aan kinderen en adolescenten? Op zo'n manier dat het voor hun nieuwsgierige blikken zo eenvoudig mogelijk lijkt.

Kauwgom en deeg

Tot dusver is er sprake van gesmolten glas en metalen, maar er zijn andere ongelooflijk taaie materialen: kauwgom en boetseerklei.

Om de taaiheid van kauwgom te demonstreren, volstaat het om twee massa's te pakken en ze uit te rekken; een aan de linkerkant, en de andere zal naar rechts worden gedragen. Het resultaat is een hangende tandvleesbrug, die niet in zijn oorspronkelijke vorm kan terugkeren tenzij hij met de handen wordt gekneed.

Er zal echter een punt komen waarop de brug uiteindelijk zal breken (en de vloer zal worden gekleurd met gom).

De afbeelding hierboven laat zien hoe een kind door op een bakje met gaatjes te drukken de plasticine tevoorschijn laat komen alsof het haar is. Droge stopverf is minder taai dan olieachtige stopverf; Daarom zou een experiment eenvoudigweg kunnen bestaan ​​uit het maken van twee regenwormen: een met de droge klei en de andere bevochtigd met olie.

Het kind zal merken dat de olieachtige worm gemakkelijker te vormen is en lengte wint ten koste van de dikte; Terwijl de worm opdroogt, zal hij waarschijnlijk verschillende keren kapot gaan.

Plasticine is ook een ideaal materiaal om het verschil tussen maakbaarheid (een boot, een poort) en ductiliteit (haar, wormen, slangen, salamanders, enz.) Te verklaren.

Demonstratie met metalen

Hoewel adolescenten helemaal niets zullen manipuleren, kan het voor hen een aantrekkelijke en interessante ervaring zijn om getuige te zijn van de vorming van koperdraden op de eerste rij. Het aantonen van ductiliteit zou nog completer zijn als men verdergaat met andere metalen, en zo hun ductiliteit kunnen vergelijken.

Vervolgens moeten alle draden constant worden uitgerekt tot hun breekpunt. Hiermee verklaart de adolescent visueel hoe vervormbaarheid de weerstand van de draad om te breken beïnvloedt.

Referenties

1. Encyclopedie van voorbeelden (2017). Nodulair materiaal. Hersteld van: voorbeelden.co
2. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22 juni 2018). Nodulaire definitie en voorbeelden. Hersteld van: thoughtco.com
3. Chemstorm. (2 maart 2018). Nodulaire definitiechemie. Hersteld van: chemstorm.com
4. Bell T. (18 augustus 2018). Vervormbaarheid verklaard: trekspanning en metalen. De balans. Hersteld van: thebalance.com
5. Dr. Marks R. (2016). Vervormbaarheid in metalen. Afdeling Werktuigbouwkunde, Santa Clara University. . Hersteld van: scu.edu
6. Reid D. (2018). Vervormbaarheid: definitie en voorbeelden. Studie. Hersteld van: study.com
7. Clark J. (oktober 2012). Metalen structuren. Hersteld van: chemguide.co.uk
8. Chemicool. (2018). Feiten over goud. Hersteld van: chemicool.com
9. Materialen vandaag. (2015, 18 november). Sterke metalen kunnen nog steeds taai zijn. Elsevier. Hersteld van: materialstoday.com