DUCTILIDADE: PROPRIEDADES, EXEMPLOS, EXPERIMENTOS - QUÍMICA - 2024

A ductilidade é uma tecnologia proprietária de materiais que lhes permite deformar uma tensão de estiramento; ou seja, a separação de suas duas extremidades sem que haja uma fratura imediata em algum ponto no meio da seção alongada. À medida que o material se alonga, sua seção transversal diminui, tornando-se mais fino.

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

Fonte: Emilian Robert Vicol via Flickr.

Qual é a finalidade da ductilidade nos materiais? O de poder percorrer longas distâncias ou desenhos atraentes, seja para confecção de ferramentas, joias, brinquedos; ou para o transporte de algum fluido, como corrente elétrica.

A última aplicação representa um exemplo chave da ductilidade dos materiais, especialmente a dos metais. Fios finos de cobre (imagem superior) são bons condutores de eletricidade e, junto com ouro e platina, são usados ​​em muitos dispositivos eletrônicos para garantir seu funcionamento.

Algumas fibras são tão finas (apenas alguns micrômetros de espessura) que a frase poética "cabelos dourados" assume todo o significado real. O mesmo vale para cobre e prata.

A ductilidade não seria uma propriedade possível se não houvesse um rearranjo molecular ou atômico para neutralizar a força de tração incidente. E se ela não existisse, o homem nunca teria conhecido os cabos, as antenas, as pontes desapareceriam, e o mundo ficaria na escuridão sem luz elétrica (além de inúmeras outras consequências).

O que é ductilidade?

Ao contrário da maleabilidade, a ductilidade garante um rearranjo estrutural mais eficiente.

Por quê? 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 essa força.

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

Os materiais dúcteis também podem quebrar além de um ponto de tensão. Isso pode ser aumentado se a temperatura aumentar, uma vez que o calor promove e facilita o deslizamento molecular (embora haja várias exceções). É então graças a essas lâminas que um material pode apresentar ductilidade e, portanto, ser dúctil.

Porém, a ductilidade de um material engloba outras variáveis, como umidade, calor, impurezas e como a força é aplicada. Por exemplo, o vidro recém-fundido é dúctil, adotando formas semelhantes a fios; Mas, à medida que esfria, torna-se quebradiço e pode quebrar com qualquer impacto mecânico.

Propriedades

Os materiais dúcteis têm suas próprias propriedades diretamente relacionadas aos seus arranjos moleculares. Nesse sentido, uma barra de metal rígida e uma barra de argila úmida podem ser dúcteis, embora suas propriedades sejam muito diferentes.

No entanto, todos eles têm algo em comum: um comportamento plástico antes de quebrar. Qual é a diferença entre um objeto de plástico e um objeto elástico?

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

A partir deste ponto, o fio ou linha assume uma forma definida. Após o alongamento contínuo, sua seção transversal torna-se tão pequena e a tensão de tração muito alta, que seus deslizamentos moleculares não conseguem mais neutralizar a tensão e ele acaba quebrando.

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

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

Exemplos de metais dúcteis

Os metais estão entre os materiais dúcteis com inúmeras aplicações. A tríade é composta de metais: ouro, cobre e platina. Um é dourado, o outro laranja rosado e o último prateado. Além desses metais, existem outros de menor ductilidade:

-Ferro

-Zinco

-Brass (e outras ligas metálicas)

-Ouro

-Alumínio

-Samário

-Magnésio

-Vanádio

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

-O dinheiro

-Lata

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

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

Além disso, outras variáveis, como o tamanho dos grãos do cristal 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 amplamente abordado com uma análise multivariada; e a ausência de uma regra padrão para todos os metais será encontrada.

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

Tamanho de grão e estruturas cristalinas de metais

Os grãos são porções de vidro que carecem de irregularidades perceptíveis (vazios) em seus arranjos tridimensionais. O ideal é que sejam totalmente simétricos, com sua estrutura bem definida.

Cada grão para o mesmo metal tem a mesma estrutura cristalina; ou seja, um metal com estrutura hexagonal compacta, hcp, possui grãos com cristais com o sistema hcp. Estão dispostos de tal forma que, ante a força de tração ou de alongamento, deslizam uns sobre os outros, como se fossem planos feitos de bolinhas de gude.

Geralmente, quando aviões feitos de pequenos grãos deslizam, eles devem superar uma força de atrito maior; enquanto se forem grandes, podem se mover com mais liberdade. De fato, alguns pesquisadores buscam modificar a ductilidade de certas ligas por meio do crescimento controlado de seus grãos cristalinos.

Por outro lado, em relação à estrutura cristalina, geralmente os metais com sistema cristalino fcc (cúbico de face centrado ou cúbico de centro nas faces) são os mais dúcteis. Enquanto isso, metais com estruturas cristalinas bcc (corpo centrado cúbico, cúbico centrado nas faces) ou hcp, tendem a ser menos dúcteis.

Por exemplo, o cobre e o ferro cristalizam com um arranjo fcc e são mais dúcteis do que o zinco e o cobalto, ambos com arranjos 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. Porém, como regra geral, quanto mais macios são os metais, mais fácil é transformá-los em fios sem quebrar.

Isso se deve ao fato de que o aumento da temperatura faz vibrar os átomos metálicos, o que consequentemente faz com que os grãos se unifiquem; isto é, vários grãos pequenos se juntam para formar um grão grande.

Com grãos maiores, a ductilidade aumenta e o deslizamento molecular enfrenta menos impedimentos físicos.

Experimente explicar a ductilidade para crianças e adolescentes

Fonte: Doug Waldron via Flickr.

A ductilidade se torna um conceito extremamente complexo se você começar a analisá-la microscopicamente. Então, como você explica isso para crianças e adolescentes? De forma que pareça o mais simples possível aos seus olhos curiosos.

Goma de mascar e massinha

Até agora, falou-se em vidro e metais fundidos, mas existem outros materiais incrivelmente dúcteis: goma de mascar e argila de modelar.

Para demonstrar a ductilidade da goma de mascar, basta agarrar duas massas e começar a esticá-las; um localizado à esquerda e o outro será levado à direita. O resultado será uma ponte de goma pendurada, que não poderá voltar ao seu formato original a menos que seja amassada com as mãos.

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

A imagem acima mostra como uma criança, ao pressionar um recipiente com furos, faz a plasticina surgir como se fosse cabelo. A massa seca é menos dúctil que a massa oleosa; Portanto, um experimento poderia consistir simplesmente na criação de duas minhocas: uma com a argila seca e a outra umedecida em óleo.

A criança notará que o verme oleoso é mais fácil de moldar e ganhar comprimento às custas de sua espessura; Enquanto o verme seca, é provável que acabe se decompondo várias vezes.

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

Demonstração com metais

Embora os adolescentes não manipulem absolutamente nada, presenciar a formação dos fios de cobre na primeira fileira pode ser uma experiência atraente e interessante para eles. A demonstração de ductilidade seria ainda mais completa se procedêssemos com outros metais, e assim se pudesse comparar sua ductilidade.

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

Referências

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