ПЛАСТИЧНІСТЬ: ВЛАСТИВОСТІ, ПРИКЛАДИ, ЕКСПЕРИМЕНТИ - ХІМІЯ - 2025

Пластичність є запатентована технологія матеріалів , що дозволяють їм деформуватися розтягується стрес; тобто відокремлення двох його кінців, не відбувшись швидкого перелому в деякій точці посередині витягнутої ділянки. У міру подовження матеріалу його перетин зменшується, стаючи тоншим.

Тому пластичні матеріали механічно обробляються у ниткоподібні форми (нитки, кабелі, голки тощо). У швейних машинах бобіни з намотаними нитками являють собою домашній приклад пластичних матеріалів; інакше текстильні волокна ніколи не могли набути своєї характерної форми.

Джерело: Еміліан Роберт Вікол через Flickr.

Яке призначення пластичності в матеріалах? Здатність подолати великі відстані або привабливі конструкції, будь то для виготовлення інструментів, прикрас, іграшок; або для транспортування якоїсь рідини, наприклад електричного струму.

Останнє застосування є ключовим прикладом пластичності матеріалів, особливо металів. Дрібні мідні дроти (верхнє зображення) є хорошими провідниками електрики, а поряд із золотом та платиною їх використовують у багатьох електронних пристроях для забезпечення їх роботи.

Деякі волокна настільки тонкі (всього кілька мікрометрів завтовшки), що поетична фраза «золоте волосся» набуває всього реального значення. Те саме стосується міді та срібла.

Пластичність не була б можливою властивістю, якби не було молекулярної чи атомної перебудови для протидії падаючої сили розтягування. І якби його не було, людина ніколи б не знала, що кабелі, антени, мости зникнуть, а світ залишився б у темряві без електричного світла (крім незліченних інших наслідків).

Що таке пластичність?

На відміну від ковкості, пластичність гарантує більш ефективну структурну перебудову.

Чому? Тому що, коли поверхня, де лежить напруга, більша, тверде тіло має більше засобів ковзання своїх молекул чи атомів, утворюючи листи чи пластини; тоді як, коли напруга зосереджено в меншому і меншому перетині, молекулярне ковзання повинно бути ефективнішим для протидії цій силі.

Не всі тверді речовини чи матеріали можуть це зробити, і з цієї причини вони руйнуються, коли піддаються випробуванням на розтяг. Отримані розриви в середньому горизонтальні, тоді як пластини з ковких матеріалів мають конічну або загострену форму, що є ознакою розтягування.

Пластикові матеріали також можуть пробити повз напруження. Це може бути підвищено, якщо температура підвищена, оскільки тепло сприяє і полегшує прослизання молекули (хоча є кілька винятків). Тоді завдяки цим слайдам матеріал може проявляти пластичність і, отже, бути пластичним.

Однак пластичність матеріалу охоплює інші змінні, такі як вологість, тепло, домішки та спосіб застосування сили. Наприклад, щойно розплавлене скло є пластичним, приймаючи ниткоподібні форми; Але коли він охолоджується, він стає крихким і може зламатися при будь-якому механічному впливі.

Властивості

Пластикові матеріали мають свої властивості, безпосередньо пов'язані з їх молекулярною композицією. У цьому сенсі жорсткий металевий стрижень і мокрий глиняний стрижень можуть бути пластичними, навіть якщо їх властивості сильно відрізняються.

Однак усі вони мають щось спільне: пластичну поведінку перед злом. Яка різниця між пластичним і еластичним предметом?

Еластичний предмет оборотно деформується, що спочатку відбувається з пластичними матеріалами; але збільшуючи силу розтягу, деформація стає незворотною, а предмет стає пластичним.

З цього моменту дріт або нитка набуває визначеної форми. Після постійного розтягування його переріз стає настільки малим, а напруга при розтягуванні занадто високим, що його молекулярні ковзання вже не можуть протидіяти напрузі, і він закінчується руйнуванням.

Якщо пластичність матеріалу надзвичайно висока, як у випадку із золотом, за один грам можна отримати дроти довжиною до 66 км, товщиною 1 мкм.

Чим більше подовжений дріт, отриманий з маси, тим менший його перетин (якщо тільки тонни золота не доступні для побудови дроту значної товщини).

Приклади пластичних металів

Метали є одними з пластичних матеріалів з незліченною кількістю застосувань. Тріаду складають метали: золото, мідь і платина. Один - золото, інший рожево-помаранчевий, а останній - срібло. Крім цих металів, існують і інші менш пластичні:

-Ірон

-Цинк

-Ліст (і інші металеві сплави)

-Златка

-Алюміній

-Самарій

-Магній

-Ванадій

-Сталець (хоча його пластичність може впливати в залежності від його складу вуглецю та інших добавок)

-Сільвере

-Тінь

-Світло (але в певних невеликих діапазонах температур)

Без попередніх експериментальних знань важко встановити, які метали справді пластичні. Його пластичність залежить від ступеня чистоти та способів взаємодії добавок з металевим склом.

Також враховуються інші змінні, такі як розмір кристалічних зерен та розташування кристала. Крім того, важливу роль відіграє також кількість електронів і молекулярних орбіталей, що беруть участь у металевому зв’язку, тобто в «електронному морі».

Взаємодія між цими мікроскопічними та електронними змінними робить пластичність концепцією, яку слід ретельно вирішувати багатоваріантним аналізом; і буде виявлено відсутність стандартного правила для всіх металів.

Саме з цієї причини два метали, хоча і мають дуже схожі характеристики, можуть бути або не бути пластичними.

Розмір зерна і кристалічна структура металів

Зерна - це частини скла, які не мають помітних нерівностей (порожнеч) у своїх тривимірних композиціях. В ідеалі вони повинні бути повністю симетричними, з дуже чітко визначеною структурою.

Кожне зерно для одного металу має однакову кристалічну структуру; тобто метал із компактною шестикутною структурою, hcp, має зерна із кристалами із системою hcp. Вони влаштовані таким чином, що перед силою тяги чи розтягування вони ковзають одна над одною, ніби це літаки, складені з мармуру.

Як правило, коли площини, виготовлені з дрібних зерен, ковзають, вони повинні долати більшу силу тертя; тоді як якщо вони великі, вони можуть рухатися вільніше. Насправді, деякі дослідники прагнуть змінити пластичність певних сплавів за допомогою контрольованого росту їх кристалічних зерен.

З іншого боку, щодо кристалічної структури, як правило, найбільш пластичними є метали з кристалічною системою fcc (облицьованою з кубічним центром або кубічним центром на гранях). Тим часом метали з кристалічними структурами bcc (кубічний центр, кубічний з центром на гранях) або hcp, як правило, менш пластичні.

Наприклад, як мідь, так і залізо кристалізуються при розташуванні FCC і є більш пластичними, ніж цинк і кобальт, як з приладами ГЦП.

Вплив температури на пластичність металів

Тепло може знизити або збільшити пластичність матеріалів, і винятки стосуються також металів. Однак, як правило, чим м'якіші метали, тим легше їх перетворювати на нитки, не розриваючи.

Це пов’язано з тим, що підвищення температури змушує вібрувати металеві атоми, що, отже, змушує зерна уніфікуватися; тобто кілька дрібних зерен збираються разом, утворюючи одне велике зерно.

З більшими зернами пластичність збільшується, а молекулярне ковзання стикається з меншими фізичними перешкодами.

Експеримент для пояснення пластичності для дітей та підлітків

Джерело: Дуг Уолдрон через Flickr.

Пластичність стає надзвичайно складною концепцією, якщо почати аналізувати її мікроскопічно. То як ви це пояснюєте дітям та підліткам? Таким чином, що це виглядає максимально просто їх чужим очам.

Жувальна гумка і грати в тісто

Поки говорили про розплавлене скло та метали, але є й інші неймовірно пластичні матеріали: жувальна гумка та ліплення з глини.

Щоб продемонструвати пластичність жувальної гумки, досить схопити дві маси і почати розтягувати їх; один розташований зліва, а другий буде переноситися праворуч. В результаті вийде підвісний гумовий міст, який не зможе повернути свою первісну форму, якщо його не замісити руками.

Однак настане момент, коли міст врешті-решт зламається (а підлога буде заплямована жуйкою).

На зображенні вище показано, як дитина, натискаючи на ємність з отворами, змушує пластилін виходити так, ніби волосся. Суха шпаклівка менш пластична, ніж жирна шпаклівка; Тому експеримент міг просто полягати у створенні двох дощових черв'яків: одного із сухою глиною, а другого, змоченого в олії.

Дитина помітить, що жирний черв’як легше ліпити і набирати довжину за рахунок його товщини; Поки черв’як висихає, швидше за все, випаде кілька разів.

Пластилін також є ідеальним матеріалом для пояснення різниці між ковкістю (човен, ворота) і пластичністю (волосся, черв’яки, змії, саламандри тощо).

Демонстрація металами

Хоча підлітки взагалі нічим не маніпулюють, вміння бути свідком формування мідних дротів у першому ряду може бути для них привабливим та цікавим досвідом. Демонстрація пластичності була б ще повнішою, якби один переходив з іншими металами, і таким чином вдалося б порівняти їх пластичність.

Далі всі дроти повинні бути піддані постійному розтягуванню до точки їх розриву. З цим підліток візуально засвідчить, як пластичність впливає на опір дроту на розрив.

Список літератури

1. Енциклопедія прикладів (2017). Пластикові матеріали. Відновлено з: example.co
2. Гельменстін, Анна Марі, к.т.н. (22 червня 2018 р.). Пластичне визначення та приклади. Відновлено з: thinkco.com
3. Штурм. (02 березня 2018 р.). Хімія пластичного визначення. Відновлено з: chemstorm.com
4. Белл Т. (18 серпня 2018 р.). Пояснюється пластичність: напруження при розтягуванні та метали. Баланс. Відновлено з: thebalance.com
5. Доктор Маркс Р. (2016). Пластичність в металах. Кафедра машинобудування, університет Санта-Клари. . Відновлено з: scu.edu
6. Рейд Д. (2018). Пластичність: визначення та приклади. Вивчення. Відновлено з: study.com
7. Кларк Дж. (Жовтень 2012). Металеві конструкції. Відновлено з: chemguide.co.uk
8. Хіміколь. (2018). Факти про золото. Відновлено з: chemicool.com
9. Матеріали сьогодні. (2015 р., 18 листопада). Сильні метали все ще можуть бути пластичними. Ельзев'є. Відновлено з: materialstoday.com