DUTTILITÀ: PROPRIETÀ, ESEMPI, ESPERIMENTI - CHIMICA - 2024

La duttilità è una tecnologia proprietaria dei materiali che consente loro di deformare uno sforzo di stiramento; cioè la separazione delle sue due estremità senza che si verifichi una pronta frattura in un punto a metà della sezione allungata. Man mano che il materiale si allunga, la sua sezione trasversale diminuisce, diventando più sottile.

Pertanto, i materiali duttili vengono lavorati meccanicamente in forme filiformi (fili, cavi, aghi, ecc.). Nelle macchine da cucire, le bobine con fili avvolti rappresentano un esempio artigianale di materiali duttili; altrimenti le fibre tessili non avrebbero mai potuto acquisire le loro forme caratteristiche.

Fonte: emiliano Robert Vicol via Flickr.

Qual è lo scopo della duttilità nei materiali? Quello di poter coprire lunghe distanze o design accattivanti, sia per la realizzazione di attrezzi, gioielli, giocattoli; o per il trasporto di alcuni fluidi, come la corrente elettrica.

L'ultima applicazione rappresenta un esempio chiave della duttilità dei materiali, in particolare quella dei metalli. I sottili fili di rame (immagine in alto) sono buoni conduttori di elettricità e, insieme all'oro e al platino, vengono utilizzati in molti dispositivi elettronici per garantire il loro funzionamento.

Alcune fibre sono così sottili (spesse solo pochi micrometri) che la frase poetica "capelli d'oro" assume un significato reale. Lo stesso vale per il rame e l'argento.

La duttilità non sarebbe una proprietà possibile se non ci fosse un riarrangiamento molecolare o atomico per contrastare la forza di trazione incidente. E se non esistesse l'uomo non avrebbe mai saputo che i cavi, le antenne, i ponti sarebbero scomparsi, e il mondo sarebbe rimasto nell'oscurità senza luce elettrica (oltre a innumerevoli altre conseguenze).

Cos'è la duttilità?

A differenza della malleabilità, la duttilità garantisce un riarrangiamento strutturale più efficiente.

Perché? Perché quando la superficie su cui giace la tensione è maggiore, il solido ha più mezzi per far scorrere le sue molecole o atomi, formando fogli o piastre; mentre quando lo stress è concentrato in una sezione trasversale sempre più piccola, lo scorrimento molecolare deve essere più efficiente per contrastare questa forza.

Non tutti i solidi o materiali possono farlo, e per questo motivo si rompono se sottoposti a prove di trazione. Le rotture ottenute sono mediamente orizzontali, mentre quelle dei materiali duttili sono coniche o appuntite, segno di allungamento.

I materiali duttili possono anche superare un punto di stress. Questo può essere aumentato se la temperatura viene aumentata, poiché il calore favorisce e facilita lo slittamento molecolare (sebbene ci siano diverse eccezioni). È quindi grazie a questi vetrini che un materiale può esibire duttilità e quindi essere duttile.

Tuttavia, la duttilità di un materiale comprende altre variabili, come umidità, calore, impurità e come viene applicata la forza. Ad esempio, il vetro appena fuso è duttile, adottando forme filiformi; Ma quando si raffredda, diventa fragile e può rompersi con qualsiasi impatto meccanico.

Proprietà

I materiali duttili hanno le loro proprietà direttamente correlate alle loro disposizioni molecolari. In questo senso, una barra metallica rigida e una barra di argilla bagnata possono essere duttili, anche se le loro proprietà differiscono notevolmente.

Tuttavia, hanno tutti qualcosa in comune: un comportamento plastico prima della rottura. Qual è la differenza tra un oggetto in plastica e uno elastico?

L'oggetto elastico si deforma in modo reversibile, cosa che inizialmente si verifica con materiali duttili; ma aumentando la forza di trazione, la deformazione diventa irreversibile e l'oggetto diventa plastico.

Da questo punto in poi, il filo o il filo assume una forma definita. Dopo un allungamento continuo, la sua sezione trasversale diventa così piccola e lo sforzo di trazione troppo alto, che i suoi slittamenti molecolari non possono più contrastare lo stress e finisce per rompersi.

Se la duttilità del materiale è estremamente elevata, come nel caso dell'oro, con un grammo è possibile ottenere fili con lunghezze fino a 66 km, con spessore di 1 µm.

Più allungato è il filo ottenuto da una massa, minore è la sua sezione trasversale (a meno che non siano disponibili tonnellate d'oro per costruire un filo di notevole spessore).

Esempi di metalli duttili

I metalli sono tra i materiali duttili con innumerevoli applicazioni. La triade è composta da metalli: oro, rame e platino. Uno è oro, l'altro arancione rosato e l'ultimo argento. Oltre a questi metalli, ce ne sono altri con minore duttilità:

-Ferro

-Zinco

-Ottone (e altre leghe metalliche)

-Oro

-Alluminio

-Samario

-Magnesio

-Vanadio

-Acciaio (sebbene la sua duttilità possa essere influenzata a seconda della sua composizione di carbonio e di altri additivi)

-Argento

-Lattina

-Piombo (ma entro certi piccoli intervalli di temperatura)

È difficile accertare, senza una preventiva conoscenza sperimentale, quali metalli siano realmente duttili. La sua duttilità dipende dal grado di purezza e da come gli additivi interagiscono con il vetro metallico.

Inoltre, vengono prese in considerazione altre variabili come la dimensione dei grani di cristallo e la disposizione del cristallo. Inoltre, anche il numero di elettroni e orbitali molecolari coinvolti nel legame metallico, cioè nel "mare degli elettroni", gioca un ruolo importante.

Le interazioni tra tutte queste variabili microscopiche ed elettroniche fanno della duttilità un concetto che deve essere affrontato a fondo con un'analisi multivariata; e si troverà l'assenza di una regola standard per tutti i metalli.

È per questo motivo che due metalli, sebbene con caratteristiche molto simili, possono o meno essere duttili.

Granulometria e strutture cristalline dei metalli

I grani sono porzioni di vetro prive di evidenti irregolarità (vuoti) nella loro disposizione tridimensionale. Idealmente, dovrebbero essere completamente simmetrici, con la loro struttura molto ben definita.

Ogni grano per lo stesso metallo ha la stessa struttura cristallina; cioè un metallo con una struttura esagonale compatta, hcp, ha grani con cristalli con il sistema hcp. Questi sono disposti in modo tale che prima della forza di trazione o di stiramento scivolino l'uno sull'altro, come se fossero piani fatti di biglie.

Generalmente, quando gli aerei fatti di grani piccoli scivolano, devono vincere una forza di attrito maggiore; mentre se sono grandi possono muoversi più liberamente. In effetti, alcuni ricercatori cercano di modificare la duttilità di alcune leghe attraverso la crescita controllata dei loro grani cristallini.

D'altra parte, per quanto riguarda la struttura cristallina, solitamente i metalli con un sistema cristallino fcc (cubico centrato a faccia, o cubico centrato sulle facce) sono i più duttili. Nel frattempo, i metalli con strutture cristalline bcc (corpo centrato cubico, cubico centrato sulle facce) o hcp, tendono ad essere meno duttili.

Ad esempio, sia il rame che il ferro cristallizzano con una disposizione fcc e sono più duttili dello zinco e del cobalto, entrambi con disposizioni hcp.

Effetto della temperatura sulla duttilità dei metalli

Il calore può diminuire o aumentare la duttilità dei materiali e le eccezioni si applicano anche ai metalli. Tuttavia, come regola generale, più i metalli sono morbidi, più è facile trasformarli in fili senza rompersi.

Ciò è dovuto al fatto che l'aumento di temperatura fa vibrare gli atomi metallici, che di conseguenza fa unificare i grani; cioè, diversi piccoli grani si uniscono per formare un unico grande chicco.

Con grani più grandi, la duttilità aumenta e lo slittamento molecolare deve affrontare meno impedimenti fisici.

Esperimento per spiegare la duttilità per bambini e adolescenti

Fonte: Doug Waldron tramite Flickr.

La duttilità diventa un concetto estremamente complesso se inizi ad analizzarlo al microscopio. Allora come lo spieghi a bambini e adolescenti? In modo tale da sembrare il più semplice possibile ai loro occhi indiscreti.

Gomma da masticare e plastilina

Finora si è parlato di vetro fuso e metalli, ma ci sono altri materiali incredibilmente duttili: la gomma da masticare e l'argilla da modellare.

Per dimostrare la duttilità della gomma da masticare, è sufficiente afferrare due masse e iniziare ad allungarle; uno posizionato a sinistra e l'altro verrà portato a destra. Il risultato sarà un ponte di gomma sospeso, che non potrà tornare alla sua forma originale se non impastato con le mani.

Tuttavia, arriverà un punto in cui il ponte si romperà (e il pavimento sarà macchiato di gomma).

L'immagine sopra mostra come un bambino premendo un contenitore forato fa emergere la plastilina come se fosse un capello. Lo stucco secco è meno duttile dello stucco oleoso; Pertanto, un esperimento potrebbe consistere semplicemente nella creazione di due vermi: uno con la pasta da gioco secca e l'altro imbevuto di olio.

Il bambino noterà che il verme oleoso è più facile da modellare e da guadagnare lunghezza a scapito del suo spessore; Mentre il verme si asciuga, è probabile che finisca per rompersi più volte.

La plastilina rappresenta anche un materiale ideale per spiegare la differenza tra malleabilità (una barca, un cancello) e duttilità (capelli, vermi, serpenti, salamandre, ecc.).

Dimostrazione con metalli

Sebbene gli adolescenti non manipolino affatto nulla, essere in grado di assistere alla formazione di fili di rame in prima fila può essere un'esperienza attraente e interessante per loro. La dimostrazione della duttilità sarebbe ancora più completa se si procedesse con altri metalli, potendo così confrontare la loro duttilità.

Successivamente, tutti i fili devono essere sottoposti a un allungamento costante fino al loro punto di rottura. Con questo, l'adolescente certificherà visivamente come la duttilità influenzi la resistenza del filo alla rottura.

Riferimenti

1. Enciclopedia degli esempi (2017). Materiali duttili. Estratto da: examples.co
2. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22 giugno 2018). Definizione ed esempi duttili. Estratto da: thoughtco.com
3. Chemstorm. (2 marzo 2018). Chimica della definizione duttile. Estratto da: chemstorm.com
4. Bell T. (18 agosto 2018). Spiegazione della duttilità: tensione di trazione e metalli. L'equilibrio. Estratto da: thebalance.com
5. Dr. Marks R. (2016). Duttilità nei metalli. Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Università di Santa Clara. . Recupero da: scu.edu
6. Reid D. (2018). Duttilità: definizione ed esempi. Studia. Estratto da: study.com
7. Clark J. (ottobre 2012). Strutture metalliche. Estratto da: chemguide.co.uk
8. Chemicool. (2018). Fatti sull'oro. Estratto da: chemicool.com
9. Materiali oggi. (2015, 18 novembre). I metalli forti possono ancora essere duttili. Elsevier. Estratto da: materialstoday.com