DUKTILITÄT: EIGENSCHAFTEN, BEISPIELE, EXPERIMENTE - CHEMIE - 2025

Die Duktilität ist eine proprietäre Technologie von Materialien, die es ihnen ermöglicht, eine Dehnungsspannung zu verformen. das heißt, die Trennung seiner beiden Enden, ohne dass irgendwann in der Mitte des länglichen Abschnitts ein sofortiger Bruch auftritt. Wenn sich das Material verlängert, nimmt sein Querschnitt ab und wird dünner.

Daher werden duktile Materialien mechanisch in fadenförmige Formen (Gewinde, Kabel, Nadeln usw.) eingearbeitet. In Nähmaschinen stellen Spulen mit gewickelten Fäden ein hausgemachtes Beispiel für duktile Materialien dar; Andernfalls hätten die Textilfasern niemals ihre charakteristischen Formen annehmen können.

Quelle: Emilian Robert Vicol über Flickr.

Was ist der Zweck der Duktilität in Materialien? Das, große Entfernungen oder attraktive Designs zurücklegen zu können, sei es zur Herstellung von Werkzeugen, Schmuck oder Spielzeug; oder zum Transport von etwas Flüssigkeit, wie z. B. elektrischem Strom.

Die letzte Anwendung ist ein Schlüsselbeispiel für die Duktilität von Materialien, insbesondere von Metallen. Feine Kupferdrähte (oberes Bild) sind gute Stromleiter und werden zusammen mit Gold und Platin in vielen elektronischen Geräten verwendet, um ihren Betrieb sicherzustellen.

Einige Fasern sind so fein (nur wenige Mikrometer dick), dass der poetische Ausdruck "goldenes Haar" jede wirkliche Bedeutung annimmt. Gleiches gilt für Kupfer und Silber.

Duktilität wäre keine mögliche Eigenschaft, wenn es keine molekulare oder atomare Umlagerung gäbe, um der einfallenden Zugkraft entgegenzuwirken. Und wenn es nicht existiert hätte, hätte der Mensch die Kabel, die Antennen und die Brücken niemals gekannt, und die Welt würde ohne elektrisches Licht im Dunkeln bleiben (zusätzlich zu unzähligen anderen Konsequenzen).

Was ist Duktilität?

Im Gegensatz zur Formbarkeit gewährleistet die Duktilität eine effizientere strukturelle Umlagerung.

Warum? Denn wenn die Oberfläche, auf der die Spannung liegt, größer ist, hat der Feststoff mehr Mittel, um seine Moleküle oder Atome zu gleiten und Blätter oder Platten zu bilden. Wenn sich die Spannung auf einen immer kleineren Querschnitt konzentriert, muss das molekulare Gleiten effizienter sein, um dieser Kraft entgegenzuwirken.

Nicht alle Feststoffe oder Materialien können dies, und aus diesem Grund brechen sie bei Zugversuchen. Die erhaltenen Brüche sind im Durchschnitt horizontal, während die von duktilen Materialien konisch oder spitz sind, ein Zeichen der Dehnung.

Duktile Materialien können auch über einen Spannungspunkt hinaus brechen. Dies kann erhöht werden, wenn die Temperatur erhöht wird, da Wärme das Verrutschen von Molekülen fördert und erleichtert (obwohl es mehrere Ausnahmen gibt). Dank dieser Objektträger kann ein Material dann Duktilität aufweisen und daher duktil sein.

Die Duktilität eines Materials umfasst jedoch andere Variablen wie Feuchtigkeit, Wärme, Verunreinigungen und die Art und Weise, wie Kraft angewendet wird. Beispielsweise ist neu geschmolzenes Glas duktil und nimmt fadenförmige Formen an; Beim Abkühlen wird es jedoch spröde und kann bei jedem mechanischen Aufprall brechen.

Eigenschaften

Duktile Materialien haben ihre eigenen Eigenschaften, die in direktem Zusammenhang mit ihren molekularen Anordnungen stehen. In diesem Sinne können ein starrer Metallstab und ein feuchter Tonstab duktil sein, obwohl sich ihre Eigenschaften stark unterscheiden.

Sie alle haben jedoch etwas gemeinsam: ein plastisches Verhalten vor dem Brechen. Was ist der Unterschied zwischen einem plastischen und einem elastischen Gegenstand?

Das elastische Objekt wird reversibel verformt, was anfänglich bei duktilen Materialien auftritt; Wenn jedoch die Zugkraft erhöht wird, wird die Verformung irreversibel und das Objekt wird plastisch.

Ab diesem Zeitpunkt nimmt der Draht oder Faden eine definierte Form an. Nach kontinuierlichem Strecken wird sein Querschnitt so klein und die Zugspannung zu hoch, dass seine molekularen Objektträger der Spannung nicht mehr entgegenwirken können und er schließlich bricht.

Wenn die Duktilität des Materials wie bei Gold extrem hoch ist, können mit einem Gramm Drähte mit einer Länge von bis zu 66 km und einer Dicke von 1 um erhalten werden.

Je länger der aus einer Masse gewonnene Draht ist, desto kleiner ist sein Querschnitt (es sei denn, es stehen Tonnen Gold zur Verfügung, um einen Draht mit beträchtlicher Dicke zu bauen).

Beispiele für duktile Metalle

Metalle gehören zu den duktilen Materialien mit unzähligen Anwendungen. Die Triade besteht aus Metallen: Gold, Kupfer und Platin. Eines ist Gold, das andere rosa-orange und das letzte Silber. Neben diesen Metallen gibt es andere mit geringerer Duktilität:

-Eisen

-Zink

-Brass (und andere Metalllegierungen)

-Gold

-Aluminium

-Samarium

-Magnesium

-Vanadium

-Steel (obwohl seine Duktilität abhängig von seiner Kohlenstoffzusammensetzung und anderen Additiven beeinträchtigt werden kann)

-Silber

-Zinn

-Leiten (aber innerhalb bestimmter kleiner Temperaturbereiche)

Ohne vorheriges experimentelles Wissen ist es schwierig festzustellen, welche Metalle wirklich duktil sind. Seine Duktilität hängt vom Reinheitsgrad und der Wechselwirkung der Additive mit dem metallischen Glas ab.

Auch andere Variablen wie die Größe der Kristallkörner und die Anordnung des Kristalls kommen in Betracht. Darüber hinaus spielt auch die Anzahl der an der Metallbindung, dh im "Elektronenmeer", beteiligten Elektronen und Molekülorbitale eine wichtige Rolle.

Die Wechselwirkungen zwischen all diesen mikroskopischen und elektronischen Variablen machen die Duktilität zu einem Konzept, das mit einer multivariaten Analyse gründlich angegangen werden muss. und das Fehlen einer Standardregel für alle Metalle wird gefunden.

Aus diesem Grund können zwei Metalle, obwohl sie sehr ähnliche Eigenschaften aufweisen, duktil sein oder nicht.

Korngröße und Kristallstrukturen von Metallen

Die Körner sind Teile des Glases, denen in ihren dreidimensionalen Anordnungen merkliche Unregelmäßigkeiten (Hohlräume) fehlen. Idealerweise sollten sie mit ihrer sehr gut definierten Struktur vollständig symmetrisch sein.

Jedes Korn für dasselbe Metall hat dieselbe Kristallstruktur; Das heißt, ein Metall mit einer kompakten hexagonalen Struktur, hcp, hat Körner mit Kristallen mit dem hcp-System. Diese sind so angeordnet, dass sie vor der Zugkraft oder Dehnung übereinander gleiten, als wären sie Flugzeuge aus Murmeln.

Wenn Flugzeuge aus kleinen Körnern gleiten, müssen sie im Allgemeinen eine größere Reibungskraft überwinden. Wenn sie groß sind, können sie sich freier bewegen. Tatsächlich versuchen einige Forscher, die Duktilität bestimmter Legierungen durch das kontrollierte Wachstum ihrer kristallinen Körner zu modifizieren.

Andererseits sind in Bezug auf die Kristallstruktur üblicherweise Metalle mit einem kristallinen System fcc (kubisch zentriert oder kubisch zentriert auf den Flächen) am duktilsten. Währenddessen neigen Metalle mit kristallinen Strukturen bcc (kubisch zentriert, kubisch zentriert auf den Flächen) oder hcp dazu, weniger duktil zu sein.

Beispielsweise kristallisieren sowohl Kupfer als auch Eisen mit einer fcc-Anordnung und sind duktiler als Zink und Kobalt, beide mit hcp-Anordnungen.

Einfluss der Temperatur auf die Duktilität von Metallen

Hitze kann die Duktilität von Materialien verringern oder erhöhen, und die Ausnahmen gelten auch für Metalle. Je weicher die Metalle sind, desto einfacher ist es jedoch, sie in Fäden zu verwandeln, ohne zu brechen.

Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass durch den Temperaturanstieg die Metallatome vibrieren, wodurch sich die Körner vereinigen. Das heißt, mehrere kleine Körner kommen zusammen, um ein großes Korn zu bilden.

Mit größeren Körnern nimmt die Duktilität zu und der molekulare Schlupf ist weniger physikalischen Hindernissen ausgesetzt.

Experimentieren Sie, um die Duktilität für Kinder und Jugendliche zu erklären

Quelle: Doug Waldron über Flickr.

Duktilität wird zu einem äußerst komplexen Konzept, wenn Sie beginnen, es mikroskopisch zu analysieren. Wie erklären Sie es Kindern und Jugendlichen? So, dass es ihren neugierigen Augen so einfach wie möglich erscheint.

Kaugummi und Teig spielen

Bisher war von geschmolzenem Glas und Metallen die Rede, aber es gibt auch andere unglaublich duktile Materialien: Kaugummi und Modelliermasse.

Um die Duktilität von Kaugummi zu demonstrieren, nehmen Sie einfach zwei Massen und beginnen Sie, sie zu dehnen. einer befindet sich links und der andere wird rechts getragen. Das Ergebnis ist eine hängende Zahnfleischbrücke, die nur dann in ihre ursprüngliche Form zurückkehren kann, wenn sie mit den Händen geknetet wird.

Es wird jedoch einen Punkt geben, an dem die Brücke irgendwann brechen wird (und der Boden mit Gummi befleckt wird).

Das Bild oben zeigt, wie ein Kind durch Drücken eines Behälters mit Löchern das Plastilin wie Haare austreten lässt. Trockener Kitt ist weniger duktil als öliger Kitt; Ein Experiment könnte daher einfach darin bestehen, zwei Regenwürmer zu erzeugen: einen mit trockenem Ton und einen mit Öl angefeuchteten.

Das Kind wird feststellen, dass der ölige Wurm auf Kosten seiner Dicke leichter zu formen und an Länge zu gewinnen ist. Während der Wurm austrocknet, wird er wahrscheinlich mehrmals zusammenbrechen.

Plastilin ist auch ein ideales Material, um den Unterschied zwischen Formbarkeit (ein Boot, ein Tor) und Duktilität (Haare, Würmer, Schlangen, Salamander usw.) zu erklären.

Demonstration mit Metallen

Obwohl Jugendliche überhaupt nichts manipulieren, kann es für sie eine attraktive und interessante Erfahrung sein, die Bildung von Kupferdrähten in der ersten Reihe mitzuerleben. Der Nachweis der Duktilität wäre noch vollständiger, wenn man mit anderen Metallen fortfährt und somit deren Duktilität vergleichen kann.

Als nächstes müssen alle Drähte einer konstanten Dehnung bis zu ihrer Bruchstelle ausgesetzt werden. Damit bestätigt der Jugendliche visuell, wie die Duktilität die Bruchfestigkeit des Drahtes beeinflusst.

Verweise

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