Κράμα

Σχεδόν κάθε υλικό που μπορεί ποτέ να επιθυμήσουμε είναι κρυμμένο κάτω από τα πόδια μας κάπου στη γη. Το απόθεμα εξαιρετικών πόρων της Γης μπορεί να ικανοποιήσει σχεδόν κάθε ανάγκη, από τον χρυσό που φοράμε ως κόσμημα μέχρι τη βενζίνη που οδηγεί τα αυτοκίνητά μας. Όλα τα υλικά στη Γη αποτελούνται από χημικά στοιχεία, τα οποία είναι τα βασικά δομικά στοιχεία. Υπάρχουν περίπου 90 φυσικά στοιχεία, με τα μέταλλα να αποτελούν την πλειοψηφία τους. Ωστόσο, όσο πολύτιμα κι αν είναι τα μέταλλα, δεν είναι πάντα ιδανικά για τις εργασίες που χρειαζόμαστε να ολοκληρώσουμε. Πάρτε, για παράδειγμα, το σίδερο. Είναι απίστευτα δυνατό, αλλά είναι επίσης εύθραυστο και σκουριάζει γρήγορα σε υγρά περιβάλλοντα. Τι γίνεται με το αλουμίνιο, για παράδειγμα; Είναι ελαφρύ, αλλά είναι πολύ μαλακό και αδύναμο για να έχει οποιαδήποτε αξία στην καθαρή του μορφή. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η πλειονότητα των «μετάλλων» που χρησιμοποιούμε είναι κράματα, τα οποία είναι μέταλλα που αναμειγνύονται με άλλα υλικά για να τα κάνουν πιο δυνατά, σκληρότερα, ελαφρύτερα ή καλύτερα με κάποιον άλλο τρόπο. Τα κράματα είναι παντού γύρω μας, από τα οδοντικά μας σφραγίσματα μέχρι τις ζάντες αλουμινίου στα αυτοκίνητά μας μέχρι τους διαστημικούς δορυφόρους που κλείνουν πάνω από το κεφάλι μας.

Κράμα 

Μπορεί  να ακούσουμε τον όρο "κράμα" να περιγράφεται ως "συνδυασμός μετάλλων", ωστόσο αυτό είναι λίγο παραπλανητικό επειδή ορισμένα κράματα περιλαμβάνουν μόνο ένα μέταλλο και αναμειγνύονται με αμέταλλα (ο χυτοσίδηρος, για παράδειγμα, είναι ένα κράμα κατασκευασμένο από ένα μόνο μέταλλο , σίδηρος, αναμεμειγμένος με ένα αμέταλλο, άνθρακας).

Ένα κράμα περιγράφεται καλύτερα ως ένα υλικό που αποτελείται από τουλάχιστον δύο ξεχωριστά χημικά συστατικά, ένα από τα οποία είναι μέταλλο. Το κύριο μέταλλο, το μητρικό μέταλλο ή το βασικό μέταλλο είναι το πιο σημαντικό μεταλλικό συστατικό ενός κράματος (συνήθως αντιπροσωπεύει το 90 τοις εκατό ή περισσότερο του συνολικού υλικού). Οι παράγοντες κράματος (τα πρόσθετα συστατικά ενός κράματος) μπορεί να είναι μέταλλα ή αμέταλλα και υπάρχουν σε σημαντικά μικρότερες αναλογίες (μερικές φορές λιγότερο από το 1 τοις εκατό του συνόλου). Αν και ένα κράμα μπορεί να είναι μια ένωση (τα στοιχεία από τα οποία σχηματίζεται είναι χημικά συνδεδεμένα μεταξύ τους), είναι πιο συχνά ένα στερεό διάλυμα (τα άτομα των στοιχείων απλώς αναμιγνύονται μεταξύ τους, όπως το αλάτι και το νερό).

Η σύνθεση των κραμάτων

Ένα ισχυρό ηλεκτρονικό μικροσκόπιο μπορεί να αποκαλύψει τα άτομα μέσα σε ένα μέταλλο, τα οποία ομαδοποιούνται σε μια κανονική διάταξη γνωστή ως κρυσταλλικό πλέγμα. Φανταστείτε ένα μικρό κουτί από χαρτόνι γεμάτο μάρμαρα και θα έχετε μια καλή ιδέα για τη διάταξη των ατόμων του. Εκτός από τα άτομα του μητρικού μετάλλου, ένα κράμα περιέχει άτομα των παραγόντων κράματος διασκορπισμένα πάνω από τη δομή. (Φανταστείτε ότι τοποθετείτε μερικές πλαστικές μπάλες στο χαρτόκουτο και τις αφήνετε να πέσουν ανάμεσα στα μάρμαρα τυχαία.

Κράμα υποκατάστασης

Όταν τα άτομα του παράγοντα κράματος αντικαθιστούν τα άτομα του κύριου μετάλλου, δημιουργείται ένα κράμα αντικατάστασης. Ένα κράμα όπως αυτό μπορεί να σχηματιστεί μόνο εάν τα άτομα του βασικού μετάλλου και του παράγοντα κράματος έχουν περίπου το ίδιο μέγεθος. Τα στοιχεία των περισσότερων ανταλλακτικών κραμάτων βρίσκονται κοντά στον περιοδικό πίνακα μεταξύ τους. Ο ορείχαλκος, για παράδειγμα, είναι ένα κράμα υποκατάστασης με βάση τον χαλκό στο οποίο τα άτομα ψευδαργύρου αντικαθιστούν το 10-35% των ατόμων χαλκού που κανονικά θα υπήρχαν. Ο ορείχαλκος λειτουργεί καλά ως κράμα επειδή ο χαλκός και ο ψευδάργυρος βρίσκονται κοντά στον περιοδικό πίνακα και έχουν άτομα που έχουν σχεδόν το ίδιο μέγεθος.

Εντερικό κράμα

Τα κράματα μπορούν επίσης να σχηματιστούν όταν τα άτομα του παράγοντα ή των παραγόντων κράματος είναι πολύ μικρότερα από αυτά του μητρικού μετάλλου. Στη συνέχεια, τα άτομα του παράγοντα μετακινούνται στα κενά ή στα «ενδιάμεσα» μεταξύ των πρωτογενών ατόμων μετάλλου, με αποτέλεσμα ένα διάμεσο κράμα. Ο χάλυβας είναι ένα διάμεσο κράμα στο οποίο ένας μικρός αριθμός ατόμων άνθρακα ολισθαίνει μεταξύ μεγαλύτερων ατόμων σε ένα κρυσταλλικό πλέγμα σιδήρου.

Η συμπεριφορά των κραμάτων

Καθώς γνωρίζουμε ότι τα μέταλλα δεν έχουν ακριβώς τις απαιτούμενες ιδιότητες για μια δεδομένη λειτουργία, οι άνθρωποι δημιουργούν και χρησιμοποιούν κράματα. Ο χάλυβας (ένα κράμα που δημιουργείται με την προσθήκη μικρών ποσοτήτων μη μεταλλικού άνθρακα στο σίδηρο) είναι μια ισχυρότερη, πιο σκληρή και ανθεκτική στη σκουριά εναλλακτική λύση του σιδήρου. Το αλουμίνιο είναι ένα ελαφρύ μέταλλο, αλλά είναι επίσης ένα μαλακό μέταλλο στην πιο καθαρή του μορφή. Το Duralumin, ένα ανώτερο κράμα αλουμινίου κατασκευασμένο με μέτριες αναλογίες μαγνησίου, μαγγανίου και χαλκού, είναι αρκετά ισχυρό για να χρησιμοποιηθεί σε αεροπλάνα. Σε μία ή περισσότερες από τις σημαντικές φυσικές τους ιδιότητες, τα κράματα ξεπερνούν πάντα το βασικό μέταλλο (πράγματα όπως η αντοχή, η ανθεκτικότητα, η ικανότητα αγωγής ηλεκτρισμού, η ικανότητα αντοχής στη θερμότητα κ.λπ.). Τα κράματα είναι γενικά ισχυρότερα και σκληρότερα από τα βασικά μέταλλα τους, καθώς και λιγότερο εύπλαστα (δυσκολότερα στην εργασία) και όλκιμα (πιο δύσκολο να έλκονται στα καλώδια.

Πώς κατασκευάζονται τα κράματα;

Θα μπορούσε να μπερδευτεί από την ιδέα ενός κράματος ως «συνδυασμού μετάλλων». Ποιος είναι ο καλύτερος τρόπος για να συνδυάσετε δύο συμπαγή μεταλλικά κομμάτια; Θερμάνετε και λιώστε τα συστατικά για να παραχθούν υγρά, ανακατέψτε τα μεταξύ τους και στη συνέχεια αφήστε τα να κρυώσουν σε ένα στερεό διάλυμα ήταν η συμβατική μέθοδος παραγωγής κραμάτων (το στερεό ισοδύναμο ενός διαλύματος όπως το αλάτι στο νερό). Η μετατροπή των συστατικών σε σκόνες, η ανάμειξή τους μεταξύ τους και στη συνέχεια η σύντηξή τους με έναν συνδυασμό υψηλής πίεσης και υψηλής θερμοκρασίας είναι μια άλλη τεχνική για την κατασκευή ενός κράματος. Η μεταλλουργία σκόνης είναι το όνομα αυτής της μεθόδου. Ένας τρίτος τρόπος για να φτιάξετε κράματα είναι να πυροδοτήσετε ιόντα (άτομα με πολύ λίγα ή πάρα πολλά ηλεκτρόνια) σε ένα κομμάτι της επιφανειακής στιβάδας του μετάλλου. Η εμφύτευση ιόντων, όπως είναι γνωστό, είναι μια πολύ ακριβής μέθοδος παραγωγής κράματος. Είναι πιο γνωστό ως μέθοδος παραγωγής ημιαγωγών για ηλεκτρονικά κυκλώματα και τσιπ υπολογιστών.

Συμπέρασμα

Συμπεραίνουμε ότι τα κράματα έχουν ιδιότητες που είναι προτιμότερες από τα καθαρά μέταλλα, σχεδόν όλα τα μέταλλα χρησιμοποιούνται ως κράματα—δηλαδή μείγμα πολλών στοιχείων. Το κράμα πραγματοποιείται για διάφορους σκοπούς, οι πιο συνηθισμένοι από τους οποίους είναι η αύξηση της αντοχής, η αντοχή στη διάβρωση ή η εξοικονόμηση κόστους.