DUCTILITÉ: PROPRIÉTÉS, EXEMPLES, EXPÉRIENCES - CHIMIE - 2025

La ductilité est une technologie propriétaire de matériaux leur permettant de déformer une contrainte d'étirement; c'est-à-dire la séparation de ses deux extrémités sans qu'il y ait une fracture rapide en un point quelconque au milieu de la section allongée. À mesure que le matériau s'allonge, sa section transversale diminue, devenant plus mince.

Par conséquent, les matériaux ductiles sont mécaniquement transformés en formes filiformes (fils, câbles, aiguilles, etc.). Dans les machines à coudre, les bobines avec des fils enroulés représentent un exemple artisanal de matériaux ductiles; sinon les fibres textiles n'auraient jamais pu acquérir leurs formes caractéristiques.

Source: Emilian Robert Vicol via Flickr.

À quoi sert la ductilité des matériaux? Celui de pouvoir parcourir de longues distances ou des designs attractifs, que ce soit pour fabriquer des outils, des bijoux, des jouets; ou pour le transport de certains fluides, tels que le courant électrique.

La dernière application représente un exemple clé de la ductilité des matériaux, en particulier celle des métaux. Les fils de cuivre fins (image du haut) sont de bons conducteurs d'électricité et, avec l'or et le platine, ils sont utilisés dans de nombreux appareils électroniques pour assurer leur fonctionnement.

Certaines fibres sont si fines (à peine quelques micromètres d'épaisseur) que l'expression poétique «cheveux dorés» prend tout son sens. Il en va de même pour le cuivre et l'argent.

La ductilité ne serait pas une propriété possible s'il n'y avait pas de réarrangement moléculaire ou atomique pour contrer la force de traction incidente. Et s'il n'existait pas, l'homme n'aurait jamais connu les câbles, les antennes, les ponts, disparaîtraient, et le monde resterait dans l'obscurité sans lumière électrique (en plus d'innombrables autres conséquences).

Qu'est-ce que la ductilité?

Contrairement à la malléabilité, la ductilité garantit un réarrangement structurel plus efficace.

Parce que? Car lorsque la surface où se trouve la tension est plus grande, le solide a plus de moyens de faire glisser ses molécules ou ses atomes, formant des feuilles ou des plaques; alors que lorsque la contrainte est concentrée dans une section transversale de plus en plus petite, le glissement moléculaire doit être plus efficace pour contrer cette force.

Tous les solides ou matériaux ne peuvent pas le faire, et pour cette raison, ils se cassent lorsqu'ils sont soumis à des essais de traction. Les ruptures obtenues sont en moyenne horizontales, tandis que celles des matériaux ductiles sont coniques ou pointues, signe d'étirement.

Les matériaux ductiles peuvent également dépasser un point de tension. Cela peut être augmenté si la température est augmentée, car la chaleur favorise et facilite le glissement moléculaire (bien qu'il y ait plusieurs exceptions). C'est alors grâce à ces glissières qu'un matériau peut présenter une ductilité et donc être ductile.

Cependant, la ductilité d'un matériau englobe d'autres variables, telles que l'humidité, la chaleur, les impuretés et la façon dont la force est appliquée. Par exemple, le verre nouvellement fondu est ductile, adoptant des formes filiformes; Mais en refroidissant, il devient cassant et peut se rompre avec tout impact mécanique.

Propriétés

Les matériaux ductiles ont leurs propres propriétés directement liées à leurs arrangements moléculaires. En ce sens, une tige métallique rigide et une tige d'argile humide peuvent être ductiles, même si leurs propriétés diffèrent grandement.

Cependant, ils ont tous un point commun: un comportement plastique avant la rupture. Quelle est la différence entre un objet en plastique et un objet élastique?

L'objet élastique est déformé de manière réversible, ce qui se produit initialement avec des matériaux ductiles; mais en augmentant la force de traction, la déformation devient irréversible et l'objet devient plastique.

À partir de là, le fil ou le fil prend une forme définie. Après un étirement continu, sa section transversale devient si petite et la contrainte de traction trop élevée que ses glissières moléculaires ne peuvent plus contrecarrer la contrainte et il finit par se rompre.

Si la ductilité du matériau est extrêmement élevée, comme dans le cas de l'or, avec un gramme, il est possible d'obtenir des fils d'une longueur allant jusqu'à 66 km, d'une épaisseur de 1 µm.

Plus le fil obtenu à partir d'une masse est allongé, plus sa section est petite (à moins que des tonnes d'or ne soient disponibles pour construire un fil d'épaisseur considérable).

Exemples de métaux ductiles

Les métaux font partie des matériaux ductiles avec d'innombrables applications. La triade est composée de métaux: or, cuivre et platine. L'un est or, l'autre orange rosé et le dernier argent. En plus de ces métaux, il en existe d'autres de moindre ductilité:

-Fer

-Zinc

-Laiton (et autres alliages métalliques)

-Or

-Aluminium

-Samarium

-Magnésium

-Vanadium

-Acier (bien que sa ductilité puisse être affectée en fonction de sa composition en carbone et d'autres additifs)

-L'argent

-Étain

-Plomb (mais dans certaines petites plages de température)

Il est difficile de déterminer, sans connaissances expérimentales préalables, quels métaux sont réellement ductiles. Sa ductilité dépend du degré de pureté et de la manière dont les additifs interagissent avec le verre métallique.

En outre, d'autres variables telles que la taille des grains cristallins et la disposition du cristal entrent en considération. En outre, le nombre d'électrons et d'orbitales moléculaires impliqués dans la liaison métallique, c'est-à-dire dans la «mer d'électrons», joue également un rôle important.

Les interactions entre toutes ces variables microscopiques et électroniques font de la ductilité un concept qui doit être complètement traité avec une analyse multivariée; et l'absence d'une règle standard pour tous les métaux sera trouvée.

C'est pour cette raison que deux métaux, bien que présentant des caractéristiques très similaires, peuvent être ductiles ou non.

Taille des grains et structures cristallines des métaux

Les grains sont des portions de verre dépourvues d'irrégularités notables (vides) dans leurs agencements tridimensionnels. Idéalement, ils doivent être complètement symétriques, avec leur structure très bien définie.

Chaque grain pour le même métal a la même structure cristalline; c'est-à-dire qu'un métal avec une structure hexagonale compacte, hcp, a des grains avec des cristaux avec le système hcp. Ceux-ci sont disposés de telle sorte qu'avant la force de traction ou d'étirement, ils glissent les uns sur les autres, comme s'il s'agissait d'avions constitués de billes.

Généralement, lorsque des plans constitués de petits grains glissent, ils doivent surmonter une force de frottement plus importante; tandis que s'ils sont grands, ils peuvent se déplacer plus librement. En effet, certains chercheurs cherchent à modifier la ductilité de certains alliages grâce à la croissance contrôlée de leurs grains cristallins.

Par contre, en ce qui concerne la structure cristalline, le plus souvent les métaux à système cristallin fcc (face centrée cubique ou cubique centrée sur les faces) sont les plus ductiles. Pendant ce temps, les métaux à structures cristallines bcc (corps centré cubique, cubique centré sur les faces) ou hcp, ont tendance à être moins ductiles.

Par exemple, le cuivre et le fer cristallisent tous deux avec un arrangement fcc et sont plus ductiles que le zinc et le cobalt, tous deux avec des arrangements hcp.

Effet de la température sur la ductilité des métaux

La chaleur peut diminuer ou augmenter la ductilité des matériaux, et les exceptions s'appliquent également aux métaux. Cependant, en règle générale, plus les métaux sont tendres, plus il est facile de les transformer en fils sans se casser.

Cela est dû au fait que l'augmentation de la température fait vibrer les atomes métalliques, ce qui a pour conséquence l'unification des grains; c'est-à-dire que plusieurs petits grains se réunissent pour former un gros grain.

Avec des grains plus gros, la ductilité augmente et le glissement moléculaire fait face à moins d'obstacles physiques.

Expérience pour expliquer la ductilité chez les enfants et les adolescents

Source: Doug Waldron via Flickr.

La ductilité devient un concept extrêmement complexe si vous commencez à l'analyser au microscope. Alors, comment l'expliquez-vous aux enfants et aux adolescents? De telle manière qu'il apparaisse aussi simple que possible à leurs regards indiscrets.

Chewing-gum et pâte à modeler

Jusqu'à présent, on a parlé de verre fondu et de métaux, mais il existe d'autres matériaux incroyablement ductiles: la gomme à mâcher et la pâte à modeler.

Pour démontrer la ductilité du chewing-gum, il suffit de saisir deux masses et de commencer à les étirer; l'un situé à gauche, et l'autre sera porté à droite. Le résultat sera celui d'un pont de gomme suspendu, qui ne peut reprendre sa forme d'origine que s'il est malaxé avec les mains.

Cependant, il arrivera un moment où le pont finira par se briser (et le sol sera taché de gomme).

L'image ci-dessus montre comment un enfant en appuyant sur un récipient avec des trous fait émerger la pâte à modeler comme s'il s'agissait de cheveux. Le mastic sec est moins ductile que le mastic huileux; Par conséquent, une expérience pourrait simplement consister à créer deux vers de terre: l'un avec de l'argile sèche et l'autre humidifié dans l'huile.

L'enfant remarquera que le ver huileux est plus facile à mouler et à gagner en longueur aux dépens de son épaisseur; Pendant que le ver sèche, il est susceptible de finir par se décomposer plusieurs fois.

La pâte à modeler représente également un matériau idéal pour expliquer la différence entre la malléabilité (un bateau, un portail) et la ductilité (poils, vers, serpents, salamandres, etc.).

Démonstration avec des métaux

Bien que les adolescents ne manipulent rien du tout, être en mesure d'assister à la formation de fils de cuivre dans la première rangée peut être une expérience attrayante et intéressante pour eux. La démonstration de ductilité serait encore plus complète si l'on procède avec d'autres métaux, et ainsi pouvoir comparer leur ductilité.

Ensuite, tous les fils doivent être soumis à un étirement constant jusqu'à leur point de rupture. Avec cela, l'adolescent certifiera visuellement comment la ductilité influence la résistance du fil à la rupture.

Références

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