- En què consisteix la ductilitat?
- propietats
- Exemples de metalls dúctils
- Grandària dels grans i estructures cristal·lines dels metalls
- Efecte de la temperatura a la ductilitat dels metalls
- Experiment per explicar la ductilitat per a nens i adolescents
- El xiclet i la plastilina
- Demostració amb metalls
- referències
La ductilitat és una propietat tecnològica dels materials que els permet deformar davant una tensió d'estirament; és a dir, la separació dels seus dos extrems sense que hi hagi una ràpida fractura en algun punt mig de l'tram allargat. A mesura que s'allarga el material, la seva secció transversal disminueix, fent-se més prim.
Per tant, als materials dúctils se'ls treballen mecànicament per donar-los formes filiformes (fils, cables, agulles, etc.). En les màquines de cosir, les bobines amb fils enrotllats representen un exemple casolà de materials dúctils; en cas contrari, les fibres tèxtils mai haguessin pogut adquirir les seves formes característiques.
Font: Emilian Robert Vicol via Flickr.
Quina és la finalitat de la ductilitat en els materials? El de poder abastar extenses distàncies o dissenys atractius, ja sigui per a l'elaboració d'eines, joies, joguines; o per al transport d'algun fluid, com el corrent elèctric.
L'última aplicació representa un exemple clau la ductilitat dels materials, especialment, la dels metalls. Els filferros fins de coure (imatge superior) són bons conductors de l'electricitat, i al costat de l'or i el platí, es disposen en molts dispositius electrònics per assegurar els seus funcionaments.
Algunes fibres són tan fines (amb gruixos de tot just uns quants micròmetres), que la frase poètica "cabellera d'or" cobra tot sentit real. El mateix passa amb el coure i la plata.
La ductilitat no seria una propietat possible si no hi hagués un reordenament molecular o atòmic que contrarestés la força de tracció incident. I de no existir, l'home no hagués conegut mai els cables, les antenes, els ponts desapareixerien, i el món romandria a les fosques sense llum elèctrica (a més d'altres innombrables conseqüències).
En què consisteix la ductilitat?
A diferència de la mal·leabilitat, la ductilitat mereix un reordenament estructural més eficient.
Per què? Perquè quan la superfície on radica la tensió és més gran, el sòlid té més mitjans de lliscar les seves molècules o àtoms, formant làmines o xapes; mentre que quan la tensió es concentra en una secció transversal cada vegada més petita, el lliscament molecular ha de ser més eficient per contrarestar aquesta força.
No tots els sòlids o materials poden fer-ho, i per aquesta raó es trenquen quan se sotmeten a assajos de tracció. Les ruptures obtingudes són de mitjana horitzontals, mentre que les dels materials dúctils, són còniques o punxegudes, senyal d'un estirament.
Els materials dúctils també poden trencar-se passat un punt de tensió. Aquest pot augmentar si s'incrementa la temperatura, ja que la calor promou i facilita les esllavissades moleculars (encara que hi ha diverses excepcions). És llavors gràcies a aquests esllavissaments que un material pot exhibir ductilitat i ser per tant dúctil.
No obstant, la ductilitat d'un material abasta altres variables, com la humitat, la calor, les impureses i la manera en què s'aplica la força. Per exemple, el vidre acabat de fos és dúctil, ja que adopta formes filiformes; però a l'refredar-se, es torna fràgil i pot trencar-se amb qualsevol impacte mecànic.
propietats
Els materials dúctils presenten propietats pròpies relacionades directament amb els seus arranjaments moleculars. En aquest sentit, una vara metàl·lica rígida i una altra d'argila mullada poden ser dúctils, tot i que les seves propietats difereixen enormement.
No obstant això, tots tenen alguna cosa en comú: un comportament plàstic abans trencar-se. Quina és la diferència entre un objecte plàstic i un elàstic?
L'objecte elàstic es deforma reversiblement, la qual cosa passa inicialment amb els materials dúctils; però augmentada la força de tracció, la deformació es torna irreversible i l'objecte es torna plàstic.
A partir d'aquest punt el filferro o el fil adopten una forma definida. Després d'un continu estirament, la seva secció transversal es fa tan petita, i la tensió de tracció massa elevada, que els seus lliscaments moleculars ja no poden contrarestar la tensió i acaba trencant-se.
Si la ductilitat de l'material és en extrem elevada, com en el cas de l'or, amb un gram pot obtenir filferros amb longituds de fins a 66 km, amb 1μm de gruix.
Com més allargat sigui el filferro obtingut d'una massa, menor serà la seva secció transversal (llevat que es disposi de tones d'or per construir un filferro de gruix considerable).
Exemples de metalls dúctils
Els metalls es troben entre els materials dúctils amb innombrables aplicacions. La tríada la componen els metalls: or, coure i platí. Un és daurat, l'altre rosat ataronjat, i l'últim platejat. A més d'aquests metalls, es tenen altres de menor ductilitat:
-Ferro
Zinc
-Latón (i altres aliatges metàl·lics)
-or
-Alumini
-Samario
-magnesi
-Vanadio
-El acer (encara que la seva ductilitat es pot veure afectada depenent de la seva composició de carboni i altres additius)
-La plata
-Estaño
-Plomo (però dins de certs intervals petits de temperatures)
És difícil assegurar, sense previs coneixements experimentals, quins metalls són realment dúctils. La seva ductilitat depèn de l'grau de puresa i de com els additius interactuen amb el vidre metàl·lic.
Així mateix, entren en consideració altres variables com la grandària dels grans cristal·lins i l'arranjament de la plataforma. A més, el nombre d'electrons i orbitals moleculars involucrats en l'enllaç metàl·lic, és a dir, al "mar d'electrons" també juga un paper important.
Les interaccions entre totes aquestes variables microscòpiques i electròniques fan de la ductilitat un concepte que ha de tractar-profundament amb una anàlisi multivariant; i es trobarà l'absència d'una regla estàndard per a tots els metalls.
És per aquesta raó que dos metalls, encara que amb característiques molt similars, poden o no ser dúctils.
Grandària dels grans i estructures cristal·lines dels metalls
Els grans són porcions de vidre que no tenen irregularitats notables (buits) en els seus arranjaments tridimensionals. Idealment, han de ser completament simètrics, amb la seva estructura molt ben definida.
Cada gra per a un mateix metall té la mateixa estructura cristal·lina; és a dir, que un metall amb estructura hexagonal compacta, hcp, té grans amb vidres amb sistema hcp. Aquests es disposen de tal manera que davant la força de tracció o estirament llisquen uns sobre els altres, com si fossin plans compostos de bales.
Generalment, quan els plans compostos per grans petits llisquen, han de vèncer una major força de frec; mentre que si són grans, poden desplaçar-se amb més llibertat. De fet, alguns investigadors busquen modificar la ductilitat de certs aliatges mitjançant el creixement controlat de les seves grans cristal·lins.
D'altra banda, pel que fa a l'estructura cristal·lina, usualment els metalls amb un sistema cristal·lí fcc (faced centered cubic, o cúbic centrat en les cares) són els més dúctils. Mentrestant, els metalls amb estructures cristal·lines bcc (body centered cubic, cúbic centrat en les cares) o hcp, solen ser menys dúctils.
Per exemple, tant el coure com el ferro cristal·litzen amb un arranjament fcc, i són més dúctils que el zinc i el cobalt, tots dos amb arranjaments hcp.
Efecte de la temperatura a la ductilitat dels metalls
La calor pot disminuir o augmentar la ductilitat dels materials, i les excepcions també s'apliquen per als metalls. Això no obstant, com a regla general, mentre s'estoven els metalls, més gran és la facilitat per convertir-los en fils sense que es trenquin.
Això es deu al fet que l'increment de temperatura fa vibrar els àtoms metàl·lics, el que porta com a conseqüència que s'unifiquin els grans; és a dir, s'uneixen diversos grans petits per formar un gra gran.
A l'haver grans de major grandària, la ductilitat augmenta, i les esllavissades moleculars s'enfronten a menys impediments físics.
Experiment per explicar la ductilitat per a nens i adolescents
Font: Doug Waldron via Flickr.
La ductilitat es transforma en un concepte summament complex si es comença a analitzar microscòpicament. Llavors, com explicar-ho als nens i adolescents? De tal manera que sembli el més simple possible davant els seus ulls curiosos.
El xiclet i la plastilina
Fins ara s'ha parlat de metalls i vidre fos, però hi ha altres materials increïblement dúctils: el xiclet i la plastilina.
Per demostrar la ductilitat de l'xiclet n'hi ha prou amb agafar dues masses i començar a estirar-; una situada a l'esquerra, i l'altra es portarà a la dreta. El resultat serà el d'un pont penjant de xiclet, el qual no podrà tornar a la seva forma original llevat que estimés amb les mans.
No obstant això, arribarà un punt on el pont acabarà per trencar-se (i el pis quedarà tacat de xiclet).
A la imatge superior es mostra com un nen a l'pressionar un recipient amb orificis aconsegueix que la plastilina emergeixi com si fos cabells. La plastilina seca és menys dúctil que una oliosa; per tant, un experiment podria consistir senzillament en crear dues cucs: una amb la plastilina seca, i l'altra humitejada en oli.
El nen notarà que el cuc oliosa és més fàcil d'emmotllar ia guanyar longitud a costa del seu gruix; mentre que el cuc seca, és probable que acabi trencant-se en diverses ocasions.
La plastilina també representa un material ideal per explicar la diferència entre mal·leabilitat (un vaixell, un porta) i la ductilitat (cabells, cucs, serps, salamandres, etc.).
Demostració amb metalls
Tot i que els adolescents no manipularan absolutament res, el poder presenciar en primera fila la formació de fils de coure pot resultar una experiència atractiva i interessant per a ells. La demostració de ductilitat seria encara més completa si es procedeix amb altres metalls, i així poder comparar les seves ductilitats.
Seguidament, tots els filferros s'han de sotmetre a un estirament constant fins al seu punt de ruptura. Amb això, l'adolescent certificarà visualment com la ductilitat influeix en la resistència de la corda fluixa a trencar-se.
referències
- Enciclopèdia de Exemples (2017). Materials Dúctils. Recuperat de: ejemplos.co
- Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22 de juny del 2018). Ductile Definition and Examples. Recuperat de: thoughtco.com
- Chemstorm. (02 de març del 2018). Ductile Definition Chemistry. Recuperat de: chemstorm.com
- Bell T. (18 d'agost del 2018). Ductility Explained: tensile Stress and Metals. The balanç. Recuperat de: thebalance.com
- Dr. Marks R. (2016). Ductility in Metals. Dept. of Mechanical Engineering, Santa Clara University.. Recuperat de: scu.edu
- Reid D. (2018). Ductility: Definition & Examples. Study. Recuperat de: study.com
- Clark J. (Octubre de 2012). Metallic structures. Recuperat de: chemguide.co.uk
- Chemicool. (2018). Facts about gold. Recuperat de: chemicool.com
- Materials Today. (18 de novembre de 2015). Strong metalls can still be ductile. Elsevier. Recuperat de: materialstoday.com