Ductilidade: propriedades, exemplos, experimentos

A ductilidade é uma tecnologia proprietária de materiais que permite que eles para deformar com uma tensão de estiramento; isto é, a separação de seus dois extremos sem uma fratura rápida em algum lugar no meio da seção alongada. À medida que o material aumenta, sua seção transversal diminui, tornando-se mais fina.

Portanto, materiais dúcteis são trabalhados mecanicamente para obter formas filiformes (fios, cabos, agulhas etc.). Nas máquinas de costura, as bobinas com fios enrolados representam um exemplo caseiro de materiais dúcteis; caso contrário, as fibras têxteis nunca poderiam ter adquirido suas formas características.

Ductilidade: propriedades, exemplos, experimentos 1

Fonte: Emilian Robert Vicol via Flickr.

Qual é o objetivo da ductilidade nos materiais? O poder de cobrir grandes distâncias ou desenhos atraentes, seja para o desenvolvimento de ferramentas, jóias, brinquedos; ou para o transporte de algum fluido, como corrente elétrica.

A última aplicação representa um exemplo-chave da ductilidade dos materiais, especialmente dos metais. Os fios de cobre fino (imagem superior) são bons condutores de eletricidade e, juntamente com ouro e platina, são dispostos em muitos dispositivos eletrônicos para garantir suas operações.

Algumas fibras são tão finas (com espessuras de apenas alguns micrômetros), que a frase poética “cabelo dourado” faz todo o sentido. O mesmo vale para cobre e prata.

A ductilidade não seria uma propriedade possível se não houvesse um rearranjo molecular ou atômico que neutralizasse a força tênsil incidente. E se não existisse, o homem nunca conheceria os cabos, as antenas, as pontes desapareceriam e o mundo permaneceria no escuro sem luz elétrica (além de inúmeras outras conseqüências).

O que é ductilidade?

Diferentemente da maleabilidade, a ductilidade merece um rearranjo estrutural mais eficiente.

Porque Porque quando a superfície onde está a tensão é maior, o sólido tem mais meios de deslizar suas moléculas ou átomos, formando folhas ou placas; enquanto que quando a tensão está concentrada em uma seção transversal cada vez menor, o deslizamento molecular deve ser mais eficiente para neutralizar a referida força.

Nem todos os sólidos ou materiais podem fazê-lo e, por esse motivo, quebram quando submetidos a testes de tração. As rupturas obtidas são, em média, horizontais, enquanto as de materiais dúcteis são cônicas ou pontiagudas, um sinal de alongamento.

Materiais dúcteis também podem ultrapassar um ponto de estresse. Isso pode ser aumentado se a temperatura aumentar, uma vez que o calor promove e facilita deslizamentos de terra moleculares (embora haja várias exceções). É então graças a esses deslizamentos de terra que um material pode exibir ductilidade e, portanto, ser dúctil.

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No entanto, a ductilidade de um material abrange outras variáveis, como umidade, calor, impurezas e a maneira como a força é aplicada. Por exemplo, o vidro recém-derretido é dúctil, pois adota formas filiformes; mas quando esfria, torna-se frágil e pode quebrar com qualquer impacto mecânico.

Propriedades

Os materiais dúcteis têm suas próprias propriedades diretamente relacionadas aos seus arranjos moleculares. Nesse sentido, uma haste de metal rígida e uma argila úmida podem ser dúcteis, apesar de suas propriedades diferirem bastante.

No entanto, todo mundo tem algo em comum: um comportamento plástico antes de quebrar. Qual é a diferença entre um objeto plástico e um elástico?

O objeto elástico é deformado reversivelmente, o que ocorre inicialmente com materiais dúcteis; mas a força tênsil aumenta, a deformação se torna irreversível e o objeto se torna plástico.

A partir deste ponto, o fio ou fio assume uma forma definida. Após um alongamento contínuo, sua seção transversal torna-se tão pequena e a tensão é alta demais, que seus deslizes moleculares não conseguem mais neutralizar a tensão e acabam quebrando.

Se a ductilidade do material for extremamente alta, como no caso do ouro, com um grama você poderá obter fios com comprimentos de até 66 km, com espessura de 1 µm.

Quanto mais alongado o fio obtido de uma massa, menor sua seção transversal (a menos que haja toneladas de ouro disponíveis para construir um fio de espessura considerável).

Exemplos de metais dúcteis

Os metais estão entre materiais dúcteis com inúmeras aplicações. A tríade é composta de metais: ouro, cobre e platina. Um é ouro, o outro rosa alaranjado e a última prata. Além desses metais, existem outros com menor ductilidade:

-Ferro

-Zinco

-Latón (e outras ligas metálicas)

-Ouro

-Alumínio

-Samarium

-Magnesium

-Vanádio

-O aço (embora sua ductilidade possa ser afetada dependendo de sua composição de carbono e outros aditivos)

-O dinheiro

-Tin

-Líder (mas dentro de certas faixas de temperatura pequenas)

É difícil garantir, sem conhecimento experimental prévio, quais metais são realmente dúcteis. Sua ductilidade depende do grau de pureza e de como os aditivos interagem com o cristal metálico.

Da mesma forma, outras variáveis ​​como o tamanho dos grãos cristalinos e a disposição do cristal são levadas em consideração. Além disso, o número de elétrons e orbitais moleculares envolvidos na ligação metálica, ou seja, no “mar de elétrons” também desempenha um papel importante.

As interações entre todas essas variáveis ​​microscópicas e eletrônicas tornam a ductilidade um conceito que deve ser tratado profundamente com uma análise multivariada; e a ausência de uma regra padrão para todos os metais será encontrada.

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É por esse motivo que dois metais, embora com características muito semelhantes, podem ou não ser dúcteis.

Tamanho dos grãos e estruturas cristalinas dos metais

Grãos são porções de vidro que carecem de irregularidades notáveis ​​(lacunas) em seus arranjos tridimensionais. Idealmente, eles devem ser completamente simétricos, com sua estrutura muito bem definida.

Cada grão para o mesmo metal tem a mesma estrutura cristalina; isto é, um metal com uma estrutura hexagonal compacta, hcp, possui grãos com cristais com um sistema hcp. Elas são dispostas de tal maneira que, antes da força de tração ou alongamento, elas deslizam umas sobre as outras, como se fossem planas feitas de bolinhas de gude.

Geralmente, quando os planos compostos por pequenos grãos deslizam, eles devem superar uma força de atrito maior; enquanto que, se forem grandes, podem se mover mais livremente. De fato, alguns pesquisadores procuram modificar a ductilidade de certas ligas pelo crescimento controlado de seus grãos cristalinos.

Além disso, em relação à estrutura de cristal, geralmente metais com sistema de cristal fcc ( confrontados centrado cúbico ou face – centrado cúbico) são as mais dúctil. Enquanto isso, metais com estruturas cristalinas bcc ( cúbico no corpo , cúbico nas faces) ou hcp são geralmente menos dúcteis.

Por exemplo, o cobre e o ferro cristalizam com um arranjo fcc e são mais dúcteis que o zinco e o cobalto, ambos com arranjos de hcp.

Efeito da temperatura na ductilidade dos metais

O calor pode diminuir ou aumentar a ductilidade dos materiais, e as exceções também se aplicam aos metais. No entanto, como regra geral, enquanto os metais são amolecidos, maior a facilidade de convertê-los em fios sem quebrá-los.

Isso ocorre porque o aumento da temperatura faz os átomos de metal vibrarem, o que resulta na unificação dos grãos; isto é, vários grãos pequenos são unidos para formar um grão grande.

Com grãos maiores, a ductilidade aumenta e os deslizamentos moleculares enfrentam menos prejuízos físicos.

Experiência para explicar a ductilidade para crianças e adolescentes

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Fonte: Doug Waldron via Flickr.

A ductilidade se torna um conceito extremamente complexo se começar a ser analisada microscopicamente. Então, como explicar isso para crianças e adolescentes? Para que pareça o mais simples possível diante dos seus olhos curiosos.

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Goma de mascar e argila para modelar

Até agora se fala em metais e vidro fundido, mas existem outros materiais incrivelmente dúcteis: goma de mascar e argila para modelar.

Para demonstrar a ductilidade da goma de mascar, basta pegar duas massas e começar a esticá-las; um à esquerda e o outro à direita. O resultado será o de uma ponte suspensa de goma, que não poderá retornar à sua forma original, a menos que seja amada pelas mãos.

No entanto, chegará um ponto em que a ponte acabará quebrando (e o chão ficará manchado de chiclete).

A imagem acima mostra como uma criança pressionando um recipiente com furos faz a plasticina emergir como se fosse cabelo. A plasticina seca é menos dúctil que a oleosa; portanto, um experimento poderia consistir na criação de dois vermes: um com plasticina seca e o outro umedecido em óleo.

A criança notará que a minhoca oleosa é mais fácil de moldar e ganhar comprimento à custa de sua espessura; Enquanto o verme seca, é provável que acabe quebrando várias vezes.

A plasticina também representa um material ideal para explicar a diferença entre maleabilidade (um navio, um portão) e ductilidade (cabelos, vermes, cobras, salamandras etc.).

Demonstração de metal

Embora os adolescentes não manipulem nada, ser capaz de testemunhar a formação de fios de cobre na primeira fila pode ser uma experiência atraente e interessante para eles. A demonstração de ductilidade seria ainda mais completa se alguém prosseguir com outros metais e, assim, poder comparar sua ductilidade.

Em seguida, todos os fios devem sofrer um alongamento constante até o ponto de ruptura. Com isso, o adolescente certificará visualmente como a ductilidade influencia a resistência do fio à quebra.

Referências

  1. Enciclopédia de Exemplos (2017). Materiais dúcteis Recuperado de: examples.co
  2. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22 de junho de 2018). Definição dúctil e exemplos. Recuperado de: thoughtco.com
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  5. Dr. Marks R. (2016). Ductilidade em metais. Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade de Santa Clara. [PDF]. Recuperado de: scu.edu
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