ŤAŽNOSŤ: VLASTNOSTI, PRÍKLADY, EXPERIMENTY - CHÉMIA - 2024

Ťažnosť je patentovaná technológia materiálov, ktoré im umožňujú deformovať roztiahnuť stres; to znamená oddelenie svojich dvoch koncov bez toho, aby došlo k okamžitému zlomeniu v nejakom bode uprostred pozdĺžneho úseku. Ako sa materiál predlžuje, jeho prierez sa zmenšuje a stáva sa tenší.

Preto sa tvárné materiály mechanicky spracúvajú do tvarov vlákien (závity, káble, ihly atď.). V šijacích strojoch predstavujú cievky s navinutými niťami domáci príklad tvárnej hmoty; inak by textilné vlákna nemohli nikdy získať svoje charakteristické tvary.

Zdroj: Emilian Robert Vicol cez Flickr.

Aký je účel tvárnosti v materiáloch? Schopnosť pokryť dlhé vzdialenosti alebo atraktívne vzory, či už na výrobu nástrojov, šperkov, hračiek; alebo na prepravu nejakej tekutiny, napríklad elektrického prúdu.

Posledné použitie predstavuje kľúčový príklad tvárnosti materiálov, najmä kovov. Jemné medené drôty (horný obrázok) sú dobrými vodičmi elektriny a spolu so zlatom a platinou sa používajú v mnohých elektronických zariadeniach na zabezpečenie ich činnosti.

Niektoré vlákna sú také jemné (len niekoľko mikrometrov hrubé), že poetická fráza „zlaté vlasy“ preberá všetok skutočný význam. To isté platí pre meď a striebro.

Ťažnosť by nebola možná vlastnosť, keby neexistovala molekulárna alebo atómová prestavba, ktorá by pôsobila proti pôsobiacej ťahovej sile. Keby neexistoval, človek by nikdy nepoznal káble, antény, mosty, zmizli a svet by zostal v tme bez elektrického svetla (okrem nespočetných ďalších dôsledkov).

Čo je ťažnosť?

Na rozdiel od poddajnosti zaručuje ťažnosť účinnejšie štrukturálne usporiadanie.

Prečo? Pretože keď je povrch, na ktorom leží napätie, väčší, pevná látka má viac prostriedkov na posúvanie svojich molekúl alebo atómov, formovanie listov alebo dosiek; zatiaľ čo keď je napätie koncentrované v menšom a menšom priereze, musí byť molekulárne kĺzanie účinnejšie, aby pôsobilo proti tejto sile.

Nie všetky tuhé látky alebo materiály to dokážu urobiť, a preto sa pri skúške ťahom zlomia. Získané zlomy sú v priemere horizontálne, zatiaľ čo zlomy z tvárnych materiálov sú kónické alebo špicaté, čo je znakom napínania.

Tažné materiály sa tiež môžu zlomiť za bod napätia. Toto sa môže zvýšiť, ak sa teplota zvýši, pretože teplo podporuje a uľahčuje molekulárne sklzy (aj keď existuje niekoľko výnimiek). Vďaka týmto podložným sklíčkam môže potom materiál vykazovať ťažnosť a tým aj tvárnosť.

Tažnosť materiálu však zahŕňa aj ďalšie premenné, ako je vlhkosť, teplo, nečistoty a spôsob, akým sa pôsobí silou. Napríklad novo roztavené sklo je tvárné a má podobu závitu; Ale ako sa ochladzuje, stáva sa krehkým a môže sa zlomiť pri akomkoľvek mechanickom náraze.

vlastnosti

Tvárne materiály majú svoje vlastné vlastnosti priamo súvisiace s ich molekulárnymi usporiadaniami. V tomto zmysle môže byť tuhá kovová tyčinka a tyčinka z vlhkej hliny tvárná, aj keď sa ich vlastnosti značne líšia.

Všetci však majú niečo spoločné: plastové správanie pred rozbitím. Aký je rozdiel medzi plastovým a elastickým predmetom?

Elastický predmet je reverzibilne deformovaný, ktorý sa spočiatku vyskytuje u tvárných materiálov; ale zvýšením ťahovej sily sa deformácia stane nezvratnou a predmet sa stane plastickým.

Od tohto bodu drôt alebo niť nadobúdajú definovaný tvar. Po nepretržitom napínaní je jeho prierez taký malý a napätie v ťahu príliš vysoké, takže jeho molekulárne sklíčka už nemôžu pôsobiť proti stresu a nakoniec sa zlomia.

Ak je ťažnosť materiálu extrémne vysoká, ako v prípade zlata, je možné s jedným gramom získať drôty s dĺžkou až 66 km, s hrúbkou 1 µm.

Čím dlhší je drôt získaný z hmoty, tým menší je jeho prierez (pokiaľ nie je k dispozícii veľa ton zlata na vytvorenie drôtu značnej hrúbky).

Príklady tvárnych kovov

Kovy patria medzi tvárné materiály s nespočetnými aplikáciami. Triáda je vyrobená z kovov: zlato, meď a platina. Jedným z nich je zlato, druhé ružovkasté a posledné striebro. Okrem týchto kovov existujú aj iné vlákna s menšou ťažnosťou:

liatinové

-Zinc

- Brass (a iné kovové zliatiny)

-gold

aluminium

-Samarium

-Magnesium

-Vanadium

-Steel (hoci jeho ťažnosť môže byť ovplyvnená v závislosti od zloženia uhlíka a ďalších prísad)

-Silver

-Tin

- Číra (ale v určitých malých teplotných rozsahoch)

Bez predchádzajúcich experimentálnych znalostí je ťažké zistiť, ktoré kovy sú skutočne tažné. Jeho tvárnosť závisí od stupňa čistoty a od toho, ako prísady interagujú s kovovým sklom.

Do úvahy prichádzajú aj ďalšie premenné, ako je veľkosť zŕn kryštálov a usporiadanie kryštálov. Okrem toho hrá dôležitú úlohu aj počet elektrónov a molekulárnych orbitálov zapojených do kovovej väzby, to znamená do „elektrónového mora“.

Vzájomné pôsobenie medzi všetkými týmito mikroskopickými a elektronickými premennými robí z ťažnosti koncepciu, ktorá sa musí dôkladne riešiť multivariačnou analýzou; a neexistuje štandardné pravidlo pre všetky kovy.

Z tohto dôvodu môžu, ale nemusia byť tvárné dva kovy, aj keď s veľmi podobnými charakteristikami.

Veľkosť zŕn a kryštálové štruktúry kovov

Zrná sú časti skla, ktoré vo svojich trojrozmerných usporiadaniach nemajú nápadné nepravidelnosti (dutiny). V ideálnom prípade by mali byť úplne symetrické a majú veľmi dobre definovanú štruktúru.

Každé zrno pre ten istý kov má rovnakú kryštalickú štruktúru; to znamená, že kov s kompaktnou šesťuholníkovou štruktúrou, hcp, má zrná s kryštálmi so systémom hcp. Sú usporiadané takým spôsobom, aby sa pred silou trakcie alebo rozťahovania kĺzali jeden po druhom, akoby išlo o lietadlá tvorené mramormi.

Všeobecne platí, že keď sa kĺzajú roviny z malých zŕn, musia prekonať väčšiu treciu silu; keď sú veľké, môžu sa pohybovať voľnejšie. V skutočnosti sa niektorí vedci snažia modifikovať tvárnosť určitých zliatin kontrolovaným rastom svojich kryštalických zŕn.

Na druhej strane, pokiaľ ide o kryštalickú štruktúru, zvyčajne sú kovy s kryštalickým systémom fcc (kubické alebo kubické, centrované na plochách) väčšinou tažné. Medzitým majú kovy s kryštalickými štruktúrami bcc (kubický centier sústredený na telo, kubický centrovaný na tvárach) alebo hcp tendenciu byť menej ťažný.

Napríklad meď aj železo kryštalizujú s usporiadaním fcc a sú tvárnejšie ako zinok a kobalt, obidve s usporiadaním hcp.

Vplyv teploty na tvárnosť kovov

Teplo môže znížiť alebo zvýšiť ťažnosť materiálov a výnimky sa vzťahujú aj na kovy. Spravidla však platí, že čím mäkšie kovy sú, tým ľahšie je premieňať na nite bez toho, aby sa lámali.

Je to spôsobené skutočnosťou, že zvýšenie teploty spôsobuje vibráciu kovových atómov, čo následne vedie k zjednoteniu zŕn; to znamená, že niekoľko malých zŕn sa spojí a vytvorí jedno veľké zrno.

Pri väčších zrnách sa zvyšuje ťažnosť a molekulové sklzy čelia menším fyzickým prekážkam.

Experiment na vysvetlenie ťažnosti u detí a dospievajúcich

Zdroj: Doug Waldron cez Flickr.

Tvárnosť sa stáva mimoriadne komplexnou koncepciou, ak ju začnete mikroskopicky analyzovať. Ako to teda vysvetlíte deťom a dospievajúcim? Tak, aby sa im zdalo čo najjednoduchšie ich zvedavým očiam.

Žuvačka a cesto

Doteraz sa hovorilo o roztavenom skle a kovoch, existujú však aj ďalšie neuveriteľne tažné materiály: žuvačka a modelová hlina.

Ak chcete preukázať ťažnosť žuvačky, stačí chytiť dve masy a začať ich napínať; jedna sa nachádza vľavo a druhá sa bude prenášať doprava. Výsledkom bude visiaci gumový mostík, ktorý sa nebude môcť vrátiť do svojho pôvodného tvaru, pokiaľ nebude hnetený rukami.

Avšak príde miesto, kde sa most nakoniec zlomí (a podlaha bude zafarbená gumou).

Obrázok hore ukazuje, ako dieťa stlačením nádoby s dierami spôsobí, že sa plastelína objaví, akoby to boli vlasy. Suchý tmel je menej tažný ako mastný tmel; Preto by experiment mohol pozostávať iba z vytvorenia dvoch dážďoviek: jedna so suchou hlinkou a druhá navlhčená v oleji.

Dieťa si všimne, že mastný červ sa ľahšie formuje a predlžuje dĺžku na úkor jeho hrúbky; Zatiaľ čo červ vyschne, je pravdepodobné, že sa niekoľkokrát rozpadne.

Plastelína tiež predstavuje ideálny materiál na vysvetlenie rozdielu medzi kujnosťou (loď, brána) a ťažnosťou (vlasy, červy, hady, mloky atď.).

Demonštrácia s kovmi

Aj keď adolescenti nebudú vôbec nič manipulovať, byť svedkom tvorby medených drôtov v prvom rade pre nich môže byť atraktívny a zaujímavý zážitok. Preukázanie ťažnosti by bolo ešte úplnejšie, keby sa postupovalo s inými kovmi, a teda bolo možné porovnávať ich ťažnosť.

Ďalej musia byť všetky drôty vystavené konštantnému napínaniu až do bodu zlomu. Vďaka tomu dospievajúci vizuálne potvrdí, ako ťažnosť ovplyvňuje odolnosť drôtu pri zlomení.

Referencie

1. Encyklopédia príkladov (2017). Tažné materiály. Obnovené z: example.co
2. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22. júna 2018). Vymedzenie húževnatosti a príklady. Získané z: thinkco.com
3. Chemstorm. (2. marca 2018). Chémia tvárnej definície. Obnovené z: chemstorm.com
4. Bell T. (18. augusta 2018). Vysvetlená ťažnosť: Stres v ťahu a kovy. Rovnováha. Obnovené z: thebalance.com
5. Marks R. (2016). Duktilita v kovoch. Katedra strojárstva, Univerzita Santa Clara. , Získané z: scu.edu
6. Reid D. (2018). Ťažnosť: definícia a príklady. Štúdia. Obnovené z: study.com
7. Clark J. (október 2012). Kovové štruktúry. Získané z: chemguide.co.uk
8. Chemicool. (2018). Fakty o zlato. Získané z: chemicool.com
9. Materiály dnes. (2015, 18. novembra). Silné kovy môžu byť stále tažné. Elsevier. Získané z: materialstoday.com