κράμα

Μεταλλικό προϊόν, το οποίο αποτελείται από δύο ή περισσότερα στοιχεία και έχει τη μορφή στερεού διαλύματος, διαμεταλλικής ένωσης ή μείγματος μεταλλικών φάσεων. Τα κ. σχηματίζονται με ανάμειξη των μετάλλων σε κατάσταση τήξης, για να δώσουν, μετά την ψύξη τους, νέα στερεά σώματα, με διαφορετικά χαρακτηριστικά από εκείνα που είχαν οι αρχικές μεταλλικές ουσίες, αν και διατηρούν τις κύριες φυσικές ιδιότητες των μετάλλων. Τα μέταλλα μπορούν να αναμειχθούν και με μη μεταλλικά στοιχεία (για παράδειγμα, άνθρακα, φώσφορο, πυρίτιο κλπ.) για να δώσουν στερεά μεταλλικής μορφής, όπως για παράδειγμα χάλυβες και χυτοσίδηρο, που είναι κ. σιδήρου και άνθρακα. Όλες αυτές οι διεργασίες αποσκοπούν στη βελτίωση των υπαρχόντων ιδιοτήτων των μετάλλων ή στην απόκτηση νέων. Μερικά κ., όπως ο ορείχαλκος, ήταν γνωστά από την αρχαιότητα, σε τέτοιο βαθμό ώστε να χρησιμεύουν στον προσδιορισμό αντίστοιχων ιστορικών περιόδων της ανθρώπινης εξέλιξης (εποχή του ορείχαλκου κλπ.). Από την αρχή της χρήσης του σιδήρου έως τον 18o αι., τα κ., αν και συναντούσαν πολλές εφαρμογές, δεν απέκτησαν σημαντικό ενδιαφέρον. Η μεταλλουργία εκείνης της εποχής βασιζόταν σε εμπειρικές τεχνικές, χωρίς να είναι τίποτα γνωστό για την πραγματική δομή των κ. και των μετάλλων. Από το τέλος του 18ου αι., μετά την ανακάλυψη νέων μετάλλων, και συνεπώς νέων κ., άρχισαν οι πρώτες προσπάθειες μελέτης και διερεύνησης της δομής αυτών των ουσιών. Με την ανακοίνωση του νόμου των φάσεων του Τζιμπς (1874-78), με την εφαρμογή της μικροσκοπικής εξέτασης στη μελέτη της δομής και με την εισαγωγή των ακτίνων Χ (φον Λάουε, 1912) ως αυτοτελούς μέσου έρευνας σε ατομικό επίπεδο, η μεταλλουργία έπαψε να είναι μια εμπειρική τεχνική και απέκτησε μια καθαρά επιστημονική βάση. Έτσι, γεννήθηκε μια ιδιαίτερη επιστήμη των μετάλλων. Η συνεχής πρόοδος των τεχνικών και η πιεστική ανάγκη δημιουργίας νέων κ., τα οποία απαιτούσαν ορισμένες σύγχρονες βιομηχανίες –όπως για παράδειγμα η αυτοκινητοβιομηχανία, η αεροναυτική και, στη συνέχεια, η αστροναυτική– δημιούργησαν τις προϋποθέσεις ώστε η μεταλλουργία να θεωρείται σήμερα πρωτοποριακή επιστήμη. Η χημική ανάλυση των κ. μας προσφέρει επί τοις εκατό ποσοτικά στοιχεία, ποσοστά δηλαδή με τα οποία τα διάφορα συστατικά συμμετέχουν στη σύνθεση του κ. Είναι λοιπόν αναγκαίο να καταφύγουμε σε άλλα μέσα έρευνας για να κατανοήσουμε την εσωτερική δομή των κ. Τα μέσα αυτά είναι η θερμική ανάλυση (παρακολούθηση της μεταβολής της θερμοκρασίας κατά την ψύξη ή θέρμανση ενός κ. με το πέρασμα του χρόνου, απ’ όπου αντλούνται πληροφορίες σχετικά με τις φάσεις του κ.), η μικροσκοπική εξέταση (εφαρμόζονται ειδικές τεχνικές με κατάλληλα κατασκευασμένα μικροσκόπια) και τελικά η διερεύνηση της δομής με ακτίνες Χ. Όλα αυτά τα μέσα επέτρεψαν να διαπιστωθεί ότι τα κ. εμφανίζουν την ίδια κρυσταλλική δομή και τον ίδιο τύπο δεσμών με τα μέταλλα. Με δεδομένο, λοιπόν, τον αριθμό των συστατικών των κ. –δύο ή περισσότερων– διαπιστώνονται ποικίλες δυνατότητες δομής. Αν τα μέταλλα που συμμετέχουν στο κ. έχουν άτομα με παραπλήσιες διαστάσεις, τότε τα άτομα του ενός είναι δυνατόν να αντικαταστήσουν τα άτομα του άλλου στο κρυσταλλικό πλέγμα. Η αντικατάσταση αυτή μπορεί να συμβεί κατά συνεχή τρόπο και κατά αυξανόμενες ποσότητες, προς σχηματισμό στερεών διαλυμάτων, σε αναλογία με τα κοινά διαλύματα· στην περίπτωση αυτή, ένα από τα μέταλλα θα έχει τον ρόλο του διαλύτη και το άλλο της διαλυμένης ουσίας. Αν οι διαστάσεις των ατόμων διαφέρουν αρκετά, η αντικατάσταση αυτή μπορεί και πάλι να συμβεί, αλλά μόνο μερικώς, και οι κρύσταλλοι που σχηματίζονται με αυτό τον τρόπο παραμένουν διάσπαρτοι μέσα στη μάζα του συστατικού μετάλλου. Οι κρύσταλλοι που αποτελούν ένα κ. μπορούν να εμφανιστούν σε μια μικροσκοπική εξέταση είτε όλοι όμοιοι μεταξύ τους είτε διαφορετικοί. Αυτό συμβαίνει με μερικά κ., όπως για παράδειγμα, τα αντιτριβικά, στα οποία ανάμεσα σε ένα πλήθος ελάχιστα ομοίων κρυστάλλων εμφανίζονται μεγάλοι κρύσταλλοι σαφώς καθορισμένοι. Κατά την τήξη δύο ή περισσότερων μετάλλων είναι δυνατόν να διαπιστωθεί ο σχηματισμός καθαρών και χημικά καθορισμένων ενώσεων, οι οποίες ονομάζονται διαμεταλλικές. Όταν δύο μέταλλα δεν σχηματίζουν ούτε στερεό διάλυμα ούτε χημική ένωση, η θερμική ανάλυση αποκαλύπτει μια πτώση του σημείου στερεοποίησης με προσθήκη αυξανόμενων αναλογιών από το ένα συστατικό ως προς το άλλο, ώσπου να φτάσουμε σε μια ειδική σύσταση, κατά την οποία τα δύο μέταλλα κρυσταλλώνονται ταυτόχρονα και η θερμοκρασία παραμένει σταθερή, μέχρι να σταθεροποιηθεί όλη η μάζα. Αυτή η χαρακτηριστική σύνθεση για κάθε μείγμα ονομάζεται ευτηκτοειδές. Κύριο χαρακτηριστικό των κ. είναι ότι, εκτός από την εξωτερική τους μορφή, εμφανίζουν επίσης τελείως διαφορετικές ιδιότητες από τις ιδιότητες των μετάλλων που τα αποτελούν. Αυτές οι ειδικές ιδιότητες των κ. μπορούν να επιτευχθούν ακόμα και αν προσθέσουμε πολύ μικρές ποσότητες από ένα συστατικό (της τάξης, μερικές φορές, του 0,1%). Από το ποσοστό συμμετοχής των μετάλλων είναι αδύνατον να προβλεφθούν ολοκληρωτικά οι ιδιότητες ενός νέου κ., ακόμα και αν γνωρίζουμε τις ιδιότητες των αρχικών μετάλλων. Τα τελικά χαρακτηριστικά της δομής μπορούν να βρεθούν με τα προαναφερθέντα μέσα, αλλά οι μηχανικές ιδιότητες θα προκύψουν από ειδικές τεχνολογικές δοκιμασίες (φορτίο θραύσης, δοκιμασίες στρέψης, ελαστικότητα, σκληρότητα κλπ.). Εξάλλου, οι φυσικές και μηχανικές ιδιότητες ενός κ. τροποποιούνται από τις επεξεργασίες που υφίσταται αυτό το κ. Είναι επίσης δυνατόν να τροποποιηθούν οι ιδιότητες των κ. με ειδικές επεξεργασίες, που τείνουν να βελτιώσουν μερικά μηχανικά χαρακτηριστικά τους. Οι επεξεργασίες αυτές, θερμικές κατά κύριο λόγο, είναι η βαφή, η βελτίωση, η γήρανση και η ανόπτηση. Όταν ένα κ. θερμαίνεται σε υψηλή θερμοκρασία, είναι δυνατόν να συμβούν στο εσωτερικό του ορισμένες μεταβολές, που οδηγούν στην αποκατάσταση μιας ισορροπίας μεταξύ των συστατικών του. Αν θέλουμε να καταστήσουμε αυτή την ισορροπία σταθερή, δηλαδή να διατηρήσουμε τις μεταβολές αυτές στο κ. και στη θερμοκρασία του περιβάλλοντος, πρέπει να ψύξουμε το σύστημα ταχύτατα. Για τον σκοπό αυτόν, καταφεύγουμε σε υγρά με κατάλληλη σύνθεση· η επεξεργασία αυτή ονομάζεται βαφή (σκλήρυνση ή ωρίμανση). Η σκλήρυνση αναφέρεται συγκεκριμένα σε κ. ικανά να οδηγήσουν, με θέρμανση, στον σχηματισμό στερεών διαλυμάτων. Το κ. θερμαίνεται μέχρι τη μερική ή πλήρη διαλυτοποίησή του, η οποία ακολουθείται από ψύξη περισσότερο ή λιγότερο ταχεία, ανάλογα με τη φύση των συστατικών του κ. Έτσι, σχηματίζεται, στη θερμοκρασία του περιβάλλοντος, μια κρυσταλλική δομή, περισσότερο ή λιγότερο όμοια με τη δομή του στερεού διαλύματος, σε αναλογία με την ταχύτητα ψύξης. Η βελτίωση χρειάζεται για να ελαττωθούν, μερικώς ή ολικώς, οι μεταβολές που προκάλεσε η σκλήρυνση στη δομή και συνεπώς στις ιδιότητες του κ. Αυτό επιτυγχάνεται αν επιλέξουμε μια κατάλληλη θερμοκρασία θέρμανσης, στην οποία τα διάφορα συστατικά του κ. αποκαθιστούν μερικώς την ισορροπία που είχαν πριν από τη σκλήρυνση. Για να πραγματοποιηθεί η γήρανση, χρησιμοποιούνται θερμοκρασίες όχι πολύ υψηλές (100-200°C), στις οποίες είναι δυνατές πολύ αργές μεταβολές, οι οποίες ωστόσο αναπαράγουν ταχύτερα τις συντελούμενες μεταβολές, στη συνήθη θερμοκρασία του περιβάλλοντος. Η μέθοδος αυτή είναι ανάλογη προς τη βελτίωση και προσφέρεται για να αυξηθεί η μηχανική αντοχή μερικών κ. Η ανόπτηση συνίσταται σε θερμική επεξεργασία που ακολουθείται μόνο από βραδεία ψύξη. Μετά την ελάττωση των αποτελεσμάτων της σκλήρυνσης εκτελείται συνήθως μια μηχανική επεξεργασία εν ψυχρώ. Οι κυριότερες μηχανικές επεξεργασίες στις οποίες υποβάλλεται ένα κ. είναι η εξέλαση και η συρματοποίηση. Κατά τις επεξεργασίες αυτές οι κρύσταλλοι των κ. συνωθούνται σε θέσεις που δεν είναι πραγματικές κι έτσι προκαλούνται εσωτερικές τάσεις. Η ανόπτηση, όταν γίνεται σε υψηλή θερμοκρασία, επιτρέπει κάποια σχετική εσωτερική ελευθερία των κρυστάλλων και η διαδοχική ψύξη συντελεί στην αποκατάσταση, με αργό ρυθμό, μιας εσωτερικής ισορροπίας. Ενώ το αποτέλεσμα της μηχανικής επεξεργασίας παραμένει σταθερό (εξέλαση σε πλάκες ή φύλλα, συρματοποίηση σε ράβδους-προφιλέ κλπ.), αποκαθίστανται μερικώς οι ιδιότητες που είχε το κ. πριν από την επεξεργασία. Η κανονική κατάταξη των κ. θα μπορούσε να γίνει με βάση τον αριθμό των συστατικών τους, εφόσον μια πλήρης ονοματολογία τους είναι αδύνατη λόγω του συνεχώς αυξανόμενου αριθμού τους· έτσι, αναφέρονται διμερή κ. (με δύο συστατικά), τριμερή κλπ. Οι δομές αυτών των κ., αρχίζοντας από τα λιγότερο πολύπλοκα (διμερή), γίνονται πιο πολύπλοκες καθώς αυξάνεται ο αριθμός των συστατικών και φτάνουν σε εξαιρετικά πολύπλοκους κρυσταλλικούς σχηματισμούς και πολλές διαμεταλλικές ενώσεις. Τα κοινότερα κ. που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία είναι του σιδήρου, του χαλκού, του αλουμινίου, του μαγνησίου και του μολύβδου. Τα συνηθέστερα κ. του σιδήρου είναι ο χάλυβας και ο χυτοσίδηρος (μαντέμι, σίδηρος-άνθρακας)· παρασκευάζονται όμως και άλλα με την προσθήκη υψηλών ποσοστών πυριτίου, νικελίου, χρωμίου ή μαγγανίου, τα οποία τυποποιούν και βελτιώνουν μερικές ιδιότητες του χάλυβα και του χυτοσιδήρου. Πολύ συνηθισμένα και ενδιαφέροντα είναι τα κ. του χαλκού, όπως ο ορείχαλκος (χαλκός-ψευδάργυρος), ο μπρούντζος (χαλκός-κασσίτερος), ο γερμανικός άργυρος ή αλπακάς (χαλκός-νικέλιο-ψευδάργυρος), η κοσταντάνη (χαλκός-νικέλιο-μαγγάνιο) κλπ. Η βιομηχανία άρχισε σχετικά πρόσφατα να χρησιμοποιεί και κ. αργιλίου τα οποία προτιμούνται ιδιαίτερα για την ελαφρότητα και τη σημαντική μεταλλική αντοχή τους. Ως προς την πρώτη ιδιότητα, τα κ. αργιλίου έχουν ειδικό βάρος 3 gr/cm³, ενώ στα συνήθη βιομηχανικά κ. (χάλυβες, χυτοσίδηρος, ορείχαλκος κλπ.), το ειδικό βάρος κυμαίνεται από 7-9 gr/cm³, με αποτέλεσμα οι κατασκευές τους να έχουν σημαντικό βάρος. Τα κ. του μαγνησίου, που λέγονται υπερελαφρά, εμφανίζουν ειδικά βάρη περίπου 2 gr/cm³, κατώτερα δηλαδή των κ. του αργιλίου και εφαρμόζονται, τουλάχιστον μέχρι στιγμής, στην αεροναυτική βιομηχανία. Το κυριότερο μειονέκτημα των κ. αργιλίου και μαγνησίου είναι η χαμηλή αντοχή τους στη θερμότητα. Μεταξύ 300°C και 400°C χάνουν, σχεδόν τελείως, τη μηχανική τους αντοχή. Για να υπερνικηθεί αυτό το σοβαρό ελάττωμα χρησιμοποιούνται, ιδίως στην αστροναυτική βιομηχανία, κ. τιτανίου. Τα κ. του μολύβδου είναι γνωστά από την αρχαιότητα. Σημαντικότερα είναι αυτά που σχηματίζονται με αντιμόνιο (στερεά διαλύματα με περιεκτικότητα έως 25%). Από τα κ. του μολύβδου λαμβάνεται το μέταλλο για τυπογραφικά στοιχεία (μόλυβδος-αντιμόνιο-κασσίτερος) και για πολεμοφόδια (μόλυβδος-αντιμόνιο). Μια ειδική ομάδα κ., που είναι γνωστά ως αντιτριβικά, χρησιμοποιούνται ευρύτατα στη βιομηχανία κινητήρων για την κατασκευή εδράνων ολίσθησης και τριβέων. Τα κ. αυτά πρέπει να εμφανίζουν ορισμένα ειδικά χαρακτηριστικά· να είναι δηλαδή αρκετά σκληρά, για να ελαττώνουν στο ελάχιστο τις τριβές, και αρκετά εύπλαστα, για να προσαρμόζονται στα περιστρεφόμενα μέρη. Με τη μικροσκοπική παρατήρηση, διαπιστώθηκε ότι, γενικά, η σκληρότητα εξασφαλίζεται από τους μεγάλους κρυστάλλους που είναι διάσπαρτοι στη μάζα ενός στερεού διαλύματος· όταν η μάζα αυτή είναι περισσότερο μαλακή, αυξάνεται η πλαστικότητα τριβέων. Τα αντιτριβικά κ. είναι πολλά και επιτυγχάνονται με ποικίλες συνθέσεις, όπως κασσιτέρου-αντιμονίου-χαλκού ή μολύβδου-αντιμονίου-κασσιτέρου. Τα κ. που αναφέρθηκαν αποτελούν μόνο ένα ελάχιστο μέρος από όσα χρησιμοποιεί η σύγχρονη βιομηχανία. Το πεδίο αυτό έχει αποκτήσει σήμερα τόση έκταση ώστε είναι αδύνατον να συνοψιστεί. Οι δυνατότητες μελλοντικής επέκτασης παρουσιάζονται ακόμα μεγαλύτερες, αν αναλογιστούμε ότι μέχρι τώρα έχει μελετηθεί μόνο ένα μικρό μέρος των πιθανών συνδυασμών των γνωστών μετάλλων. Μικροδομή του κράματος αργιλίου και πυριτίου, χαρακτηριζόμενη από τους λευκούς κρυστάλλους του στερεού διαλύματος του αργιλίου σε ευτηκτοειδές δίκτυο. Μικροδομή του κράματος αργιλίου, χαλκού, σιδήρου και μαγγανίου, ύστερα από βελτίωση, όπου φαίνονται ανοικτόχρωμοι κρύσταλλοι του CuAl2, σκουρόχρωμοι κρύσταλλοι του FeMnAl6 και άλλες φάσεις που περιέχουν μαγγάνιο. Μικρογραφία κράματος αργιλίου και χαλκού: η δομή χαρακτηρίζεται από το ευτηκτοειδές των Al και CuAl2 (σκούρο δίκτυο) και από το στερεό διάλυμα του χαλκού στο αργίλιο (λευκοί κρύσταλλοι). Μικρογραφία κράματος αργιλίου και χαλκού: η δομή χαρακτηρίζεται από το ευτηκτοειδές των Al και CuAl2 (σκούρο δίκτυο) και από το στερεό διάλυμα του χαλκού στο αργίλιο (λευκοί κρύσταλλοι). Αποτέλεσμα των ταχυτήτων ψύξης επί των διαστάσεων των κρυστάλλων: το ίδιο κράμα αργιλίου αποψυγμένο γρήγορα (επάνω) και αργά (κάτω). Στη μικροφωτογραφία αυτή διακρίνονται κράματα ψευδαργύρου, αργιλίου και χαλκού, βαμμένα στους 300°C: στο εύτηκτο αυτό δίκτυο παρατηρούνται κρύσταλλοι ψευδαργύρου κορεσμένοι με αργίλιο. Κράμα αλουμινίου και ψευδαργύρου, ύστερα από αργή απόψυξη. Κράμα αλουμινίου και ψευδαργύρου, βαμμένο στους 300°C.

* * *

το (Α κρᾱμα, -άματος)

1. μίγμα, ένωση δύο πραγμάτων («κρᾱμα ψυχῆς καὶ σώματος», Φίλ.)

2. μεταλλικό προϊόν που προκύπτει από την ενσωμάτωση ενός ή περισσότερων χημικών στοιχείων σε ένα μέταλλο (α. «κράμα χρυσού και αργύρου» β.«ἥ προσλαβοῡσα χαλκὸν τὸ καλούμενον γίνεται κρᾱμα, ὅ τινες ὀρείχαλκον καλοῡσι», Στράβ.)

νεοελλ.

σύνθεση ανθρώπινων ιδιοτήτων

αρχ.

φλέμα.

[ΕΤΥΜΟΛ. < θ. κρα- τού κεράννυμι, πρβλ. αόρ. β' ἐ-κρά-θην].