Μεταλλοτεχνία

Μεταλλοτεχνία είναι η τέχνη της δημιουργίας αντικειμένων από μεταλλικά υλικά (καθαρά μέταλλα ή κράματα). Επίσης, μεταλλοτεχνία αποκαλείται και ο κλάδος της επιστήμης της μεταλλογνωσίας που έχει ως αντικείμενο τη μελέτη της συμπεριφοράς μεταλλικών υλικών όταν σ' αυτά ασκούνται διάφορες δυνάμεις.

Η μεταλλοτεχνία ως τέχνη (αγγλ., metalworking) έχει μεγάλη ιστορία και συνδέεται με την ιστορία του ανθρώπινου γένους. Αντιθέτως, η μεταλλοτεχνία ως επιστήμη (αγγλ., Mechanical Metallurgy) διαμορφώθηκε κατά το β΄ μισό του 20ού αι., με τη συστηματική μελέτη της μηχανικής συμπεριφοράς των μετάλλων σε μακροσκοπικό και μικροσκοπικό επίπεδο. 

Η ιστορία της μεταλλοτεχνίας
180px|right|thumb|Ασημένιο κύπελλο με παράσταση άνδρα και επιγραφή σε γραμμική γραφή. Ελάμ (σημερινό Ιράν), Εποχή του Χαλκού (3η χιλιετία π.Χ.). Φυλάσσεται στο Εθνικό Μουσείο του Ιράν. 
Ο άνθρωπος γνώριζε την ύπαρξη των αυτοφυών μετάλλων ήδη από τα προϊστορικά χρόνια. Όμως η μετάβαση στα ιστορικά χρόνια έγινε όταν κατάλαβε πως μπορούσε να παράγει πολύ χρήσιμα αντικείμενα δουλεύοντας τα μέταλλα στο καμίνι και στο αμόνι. Έτσι έκανε την εμφάνισή της η μεταλλοτεχνία ως δραστηριότητα για την παραγωγή όπλων, οικιακών σκευών και κοσμημάτων. Η εμφάνιση της μεταλλοτεχνίας σήμανε για τον άνθρωπο το πέρασμα στην εποχή του πολιτισμού. 

Τα πρώτα αντικείμενα φτιαγμένα από χαλκό βρέθηκαν στη Μεσοποταμία, στην περιοχή του σημερινού Ιράκ και χρονολογούνται από το 8700 π.Χ. Αρχαιολογικές έρευνες έχουν αποκαλύψει συστηματικές καμινεύσεις μεταλλευμάτων στη Μικρά Ασία που χρονολογούνται από την πέμπτη χιλιετία π.Χ. Πρόκειται για την ύστερη Εποχή του Λίθου, που είναι γνωστή ως Χαλκολιθική περίοδος.

Πολύ αργότερα, γύρω στο 3200 με 2800 π.Χ., ο άνθρωπος πέρασε στη λεγόμενη Εποχή του Χαλκού, όταν ανακάλυψε πώς να παράγει κρατέρωμα (μπρούτζος) με την ταυτόχρονη αναγωγή (καμίνευση) μεταλλευμάτων χαλκού, κασσίτερου και αρσενικού. Από το 2000 π.Χ μέχρι το 1500 π.Χ. ο χαλκός και ο ορείχαλκος διαδόθηκαν στη ΒΔ Ευρώπη, την Ινδία και την Κίνα. Στην προκολομβιανή Αμερική, η μετάβαση στην Εποχή του Χαλκού έγινε γύρω στο 2000 π.Χ. στη Νότιο Αμερική (Άνδεις) και μόλις περί το 600 μ.Χ. στην Κεντρική και Βόρεια Αμερική. Τέλος, η Δυτική Αφρική εισήλθε στην Εποχή του Χαλκού πολύ αργότερα, γύρω στο 900 μ.Χ. Ο χαλκός και το κρατέρωμα χρησίμευσαν πάρα πολύ για την παρασκευή όπλων και αντικειμένων καθημερινής χρήσης, καθώς και στην Τέχνη. Πάρα πολλά αρχαία αγάλματα φτιάχθηκαν από κρατέρωμα με την τεχνική της χύτευσης σε καλούπια γεμάτα με κερί. 

Ο άνθρωπος ανακάλυψε το σίδηρο για πρώτη φορά σε μετεωρίτες και άρχισε να τον χρησιμοποιεί για διακοσμητικούς σκοπούς στην Αίγυπτο και τη Σουμερία (Μεσοποταμία) γύρω στο 4000 π.Χ. Πολλά χρόνια αργότερα, γύρω στο 2500 π.Χ., οι Χετταίοι της Μικράς Ασίας άρχισαν να φτιάχνουν όπλα και άλλα αντικείμενα από χάλυβα που παρήγαγαν με αναγωγή σιδηρομεταλλευμάτων με άνθρακα χωρίς να μεσολαβήσει τήξη. Σύντομα, ο σίδηρος μεταδόθηκε και στην Αίγυπτο, με την οποία οι Χετταίοι είχαν καλές εμπορικές σχέσεις. Γύρω στο 1000 π.Χ., η παραγωγή και η χρήση του σιδήρου είχε γίνει γνωστή στην Ελλάδα και την Ινδία.

220px|left|thumb|Οι μέλισσες από τα Μάλια. Χρυσό περίαπτο της Μεσομινωικής περιόδου, πλάτος 4,6 εκ., 1700–1550 π.Χ. Φυλάσσεται στο Αρχαιολογικό Μουσείο Ηρακλείου.
Με τη μετάβαση του ανθρώπου από την Εποχή του Χαλκού στην Εποχή του Σιδήρου, η μεταλλοτεχνία έλαβε ακόμα μεγαλύτερη σημασία. Οι καλοί μεταλλουργοί γνώριζαν όχι μόνον πώς να παράγουν σίδηρο από σιδηρομεταλλεύματα, αλλά και πώς να δουλεύουν το μέταλλο που παρήγαγαν (σπογγώδης σίδηρος), ώστε να το διαμορφώνουν στο επιθυμητό σχήμα και να του δίνουν την απαραίτητη σκληρότητα. Αυτό το πετύχαιναν με ενανθράκωση της επιφανείας του σπογγώδους σιδήρου εν θερμώ, οπότε ο σίδηρος γίνονταν χάλυβας, και κατόπιν με βαφή (απότομη ψύξη) του ερυθροπυρωμένου μετάλλου. Πολύ καθαρός χάλυβας με υψηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα (1,5% κ.β.) άρχισε να παράγεται στη Νότιο Ινδία και τη Σρι Λάνκα γύρω στο 300 π.Χ. Ο ινδικός χάλυβας, γνωστός στα αγγλικά ως wootz steel, χρησίμευσε για την παραγωγή των αραβικών δαμασκηνών σπαθιών, τα οποία ήταν φόβος και τρόμος για τους Σταυροφόρους (1000–1400 μ.Χ.).J.D. Verhoeven, A.H. Pendray, and W.E. Dauksch, "The key role of impurities in ancient Damascus steel blades." JOM, vol. 50, no. 9, pp. 58–68 .

Ο χρυσός και ο άργυρος ήταν επίσης γνωστά μέταλλα από την αρχαιότητα. Ο χρυσός πρωτοχρησιμοποιήθηκε από αρχαίους Θράκες στη σημερινή Βουλγαρία γύρω στα 4000 π.Χ. Αργότερα άρχισαν να τον χρησιμοποιούν οι Σουμέριοι (3000 π.Χ.) και οι Αιγύπτιοι (2500 π.Χ.) για την παραγωγή κοσμημάτων. Οι τελευταίοι άρχισαν χρησιμοποιούν τον χρυσό και ως ανταλλάξιμο είδος, ως χρήμα δηλαδή. Γύρω στο 600 π.Χ. έκαναν την εμφάνισή τους και τα πρώτα νομίσματα, αρχικά στη Λυδία της Μικράς Ασίας και από εκεί στην Ιωνία και στον υπόλοιπο ελληνικό κόσμο. Τον ίδιο καιρό, δηλαδή γύρω στο 600 π.Χ., εμφανίστηκαν επίσης και τα πρώτα νομίσματα στην Κίνα και την Ινδία. Τα πρώτα νομίσματα ήταν φτιαγμένα από ήλεκτρο, ένα φυσικό κράμα χρυσού–αργύρου σε αναλογία 55:45 με μικρές προσμείξεις χαλκού (1–2% κ.β.). Τα νομίσματα είχαν πολύ μεγάλη αξία: ο λυδικός στατήρ, που ζύγιζε 14,1 g και ήταν φτιαγμένος από ήλεκτρο, αντιστοιχούσε στον μηνιαίο μισθό ενός στρατιώτη ή σε δέκα αργυρά νομίσματα. 

220px|left|thumb|Χρυσό βυζαντινό νόμισμα που κόπηκε στην Κωνσταντινούπολη περί το 1143 με 1152 μ.Χ., την εποχή του Μανουήλ Α΄ Κομνηνού, του Πορφυρογέννητου.
Εκτός από το χαλκό, το σίδηρο, το χρυσό και τον άργυρο, τα άλλα τέσσερα μέταλλα της αρχαιότητας ήταν ο υδράργυρος, ο μόλυβδος, ο κασσίτερος και ο ψευδάργυρος. Ο υδράργυρος ήταν το αγαπημένο μέταλλο των αλχημιστών, ενώ κάποια φυσικά ορυκτά του χρησίμευαν ως συντηρητικά ή χρωστικές ουσίες. Ο μόλυβδος εξορύσσονταν μαζί με τον άργυρο, αλλά η αξία του ήταν μηδαμινή μέχρι που οι Ρωμαίοι άρχισαν να τον χρησιμοποιούν για την κατασκευή σωλήνων ύδρευσης. Όσο για τον κασσίτερο και τον ψευδάργυρο, τα δύο αυτά μέταλλα ήταν μάλλον γνωστά ως κραματικά ορυκτά και όχι ως ξεχωριστά μέταλλα.

Η μεταλλοτεχνία ως τέχνη ήκμασε σε περιόδους οικονομικής και πολιτιστικής ακμής, όπως π.χ. κατά την κλασική αρχαιότητα (5ος – 4ος αι. π.Χ.), κατά την ελληνιστική και ρωμαϊκή εποχή (3ος αι. π.Χ. – 4ος αι. μ.Χ.), κατά την Αναγέννηση (15ος αι. μ.Χ.), κατά την περίοδο της βιομηχανικής επανάστασης (18ος – 19ος αι.), κ.λπ. Δεν πρέπει να αγνοηθεί επίσης το γεγονός ότι η μεταλλοτεχνία ήκμασε και σε πολιτισμούς λιγότερο γνωστούς, όπως π.χ. στην Άπω Ανατολή και στην Προκολομβιανή Αμερική.

Η μεταλλοτεχνία στον ελλαδικό χώρο
Η μεταλλοτεχνία στον ελλαδικό χώρο έχει μεγάλη παράδοση, που ξεκινά από τη Χαλκολιθική περίοδο και φτάνει έως τις ημέρες μας. Στα βυζαντινά και κατόπιν στα οθωμανικά χρόνια, μεγάλη φήμη απέκτησαν οι αργυροχρυσοχόοι (χρυσικοί, ασημιτζήδες, κουγιουμτζήδες ή τζογελιέρηδες) της Κωνσταντινούπολης, των Ιωαννίνων, της Στεμνίτσας και άλλων βαλκανικών πόλεων.Κατερίνα Κορρέ-Ζωγράφου, Χρυσικών έργα 1600–1900. Συλλογή Κ. Νοταρά. Ελληνικό Λαογραφικό και Ιστορικό Αρχείο, Αθήνα 2002. ISBN 9602011580. Οι αργυροχρυσοχόοι της Τουρκοκρατίας είχαν ειδικά προνόμια και ήταν οργανωμένοι σε συντεχνίες οι οποίες ονομάζονταν ισνάφια, εσνάφια ή ρουφέτια. Πολλά δείγματα αργυροχρυσοχοΐας της εποχής εκείνης σήμερα φιλοξενούνται σε μουσεία σε όλον τον βαλκανικό χώρο.

Η μεταλλοτεχνία στην πράξη
Χύτευση
Η χύτευση (αγγλ., casting) αποτελεί ίσως την πρώτη μέθοδο που χρησιμοποιήθηκε για τη μορφοποίηση μετάλλων. Για τη χύτευση το μέταλλο ή το κράμα τήκεται και κατόπιν χυτεύεται σε μία μήτρα (καλούπι). Η μήτρα μπορεί να είναι κενή ή να περιέχει μοντέλο από εύτηκτο στερεό υλικό, όπως κερί ή πολυστυρένιο, το οποίο καταστρέφεται καθώς εισέρχεται στη μήτρα το τηγμένο μέταλλο. Η μήτρα μπορεί να είναι φτιαγμένη από άμμο, γύψο ή κεραμικό υλικό για μια χρήση. Για αντικείμενα μεγάλων διαστάσεων, η χύτευση μπορεί να γίνει σε καλούπια πολλαπλής χρήσης συνήθως φτιαγμένα από χυτοσίδηρο, ορείχαλκο, κ.λπ. Το μεταλλικό αντικείμενο που παράγεται με χύτευση, συνήθως καθαρίζεται από ατέλειες και εξωτερικές ακαθαρσίες, λειαίνεται και διαμορφώνεται στις τελικές του διαστάσεις.

Στη βιομηχανία υπάρχει και η συνεχής χύτευση, η οποία εφαρμόζεται για την παραγωγή πλατέων ή μακρών προϊόντων, όπως δοκοί (μπιγιέτες) και πλινθώματα (αγγλ., slabs) χάλυβα, αλουμινίου και χαλκού. Επειδή η χύτευση συνδέεται με πολύπλοκα φαινόμενα μεταφοράς θερμότητας και αλλαγών φάσεων, σήμερα η χύτευση θεωρείται ξεχωριστός τομέας της μεταλλογνωσίας. 

Μηχανικές διεργασίες
180px|right|thumb|Σκαριφήματα που δείχνουν τις αρχές της έλασης (1), της διέλασης (2), της ολκής (3) και της σφυρηλασίας (4) μετάλλων και κραμάτων.
Οι μηχανικές διεργασίες έλαση, διέλαση και ολκή χρησιμοποιούνται για παραγωγή πλατέων ή επιμηκών προϊόντων μικρής διατομής, συνήθως σε βιομηχανική κλίμακα.Π. Γ. Πετρόπουλος, Μεταλλουργία. Ίδρυμα Ευγενίδου, Οργανισμός Εκδόσεως Διδακτικών Βιβλίων, Αθήνα 1996.

Έλαση (αγγλ., rolling) είναι η τεχνική της επίπεδης ή κυλινδρικής μορφοποίησης μετάλλου ή κράματος με προώθηση μέσα από μία σειρά κυλίνδρων (ράουλα) που το συμπιέζουν ώστε να ελαττωθεί το πάχος ή η διάμετρός του. Έτσι παράγονται μεταλλικά φύλλα, μορφοσίδηρος (σιδηροτροχιές και δοκοί διαφόρων διατομών), ράβδοι οπλισμού σκυροδέματος (μπετόβεργες), κ.λπ. Η έλαση γίνεται σε υψηλές θερμοκρασίες (εν θερμώ) ή σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες (εν ψυχρώ).

Διέλαση (αγγλ., extrusion) είναι η τεχνική μορφοποίησης μετάλλου ή κράματος με συμπίεση με έμβολο μέσα από μήτρα (οπή) μικρής διαμέτρου ή μικρού πάχους. Η διέλαση χρησιμοποιείται πολύ στην παραγωγή μορφοράβδων (προφίλ) αλουμινίου, χαλκοσωλήνων, κ.λπ. Με διέλαση χρησιμοποιώντας ως λιπαντικό τηγμένο γυαλί, παράγονται και χαλύβδινοι σωλήνες χωρίς ραφή (συσκευή Mannesmann).

Ολκή (αγγλ., drawing) είναι η τεχνική μορφοποίησης μετάλλου ή κράματος με ελκυσμό (τράβηγμα). Το μέταλλο ή το κράμα είναι αναγκασμένο να περάσει μέσα από μια μήτρα (οπή) μικρής διαμέτρου και έτσι μειώνεται πολύ το πάχος του. Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιείται πολύ στη συρματοποιία (παραγωγή συρμάτων).

Η σφυρηλασία ή σφυρηλάτηση (αγγλ., forging) είναι και αυτή μια από τις πιο παλιές μεθόδους μορφοποίησης, συγκόλλησης και σκλήρυνσης (ενδοτράχυνσης) των μετάλλων. Χρησιμοποιείται ευρέως στο παραδοσιακό σιδηρουργείο, στο παραδοσιακό χαλκουργείο, στην αργυροχρυσοχοΐα, στην κοπή νομισμάτων, καθώς και στη βαριά βιομηχανία. Κατά τη σφυρηλασία, ένα κομμάτι μετάλλου διαμορφώνεται και σκληραίνει με συνεχή χτυπήματα ανάμεσα στη σφύρα (το κινητό τμήμα) και τον άκμονα (το αμόνι, δηλ. το ακίνητο τμήμα). Παραλλαγή της σφυρηλασίας είναι η κοίλανση, η οποία χρησιμοποιείται στην αυτοκινητοβιομηχανία, στην αεροναυπηγική, κ.ά.

Επιμετάλλωση
220px|right|thumb|Λουτρό θερμού γαλβανισμού.
Επιμετάλλωση είναι η επικάλυψη της επιφάνειας ενός μεταλλικού αντικειμένου με κάποιο άλλο μέταλλο για περισσότερη αντοχή στη διάβρωση ή και για λόγους αισθητικούς.

Η πιο διαδεδομένη τεχνική επιμετάλλωσης είναι ο γαλβανισμός, δηλ. η επικάλυψη του χάλυβα με ψευδάργυρο, για την αποφυγή της ταχείας διάβρωσης του υποκείμενου χάλυβα. Ο γαλβανισμός μπορεί να γίνει με εμβάπτιση του χάλυβα σε λουτρό τηγμένου ψευδαργύρου (θερμός γαλβανισμός) ή με ηλεκτρόλυση σε υδατικό διάλυμα ψευδαργύρου (ηλεκτρογαλβανισμός). Ο θερμός γαλβανισμός σε τήγμα ψευδαργύρου δίνει πιο παχύ στρώμα επικάλυψης και καλύτερη προστασία από τη διάβρωση.

Μια άλλη παλιά τεχνική επιμετάλλωσης είναι και το γάνωμα, δηλ. η επικάλυψη της εσωτερικής επιφάνειας χάλκινων σκευών με κασσίτερο (καλάι) για λόγους αισθητικής και υγιεινής.

Άλλες τεχνικές επιμετάλλωσης είναι η επινικέλωση, η επιχρωμίωση, η επαργύρωση, η επιχρύσωση κ.λπ. Συχνά το ίδιο αντικείμενο επιμεταλλώνεται με από περισσότερα από ένα μέταλλα έτσι ώστε τα στρώματα της επιμετάλλωσης να έχουν μεγαλύτερη αντοχή. Π.χ. ο χαλκός πρώτα επινικελώνεται ηλεκτρολυτικά, επειδή το νικέλιο κολλάει καλύτερα στο χαλκό, και κατόπιν επιχρωμιώνεται (πάλι ηλεκτρολυτικά) επειδή το χρώμιο δίνει πιο λεία επιφάνεια από το νικέλιο.

Μηχανουργικές διεργασίες
Στη μεταλλοτεχνία μπορεί κανείς να κατατάξει και τις μηχανουργικές διεργασίες, όπως

 η κάμψη,
 η κοπή (ψαλίδισμα, κοπή με laser, κοπή με πλάσμα),
 η αφαίρεση υλικού (τόρνευση, διάτρηση, φρεζάρισμα),
 η λείανση (στον τροχό, με λειαντικά υλικά όπως κορούνδιο, σμύριδα, διαμάντι, καρβίδιο του πυριτίου (SiC), με αμμοβολή, με ηλεκτροχημική τεχνική κ.λπ.),
 η χάραξη, κ.λπ.

Συγκολλήσεις
180px|right|thumb|Ηλεκτροσυγκόλληση με ατμόσφαιρα αδρανούς αερίου.
Η πιο γνωστή διεργασία συγκόλλησης μετάλλων είναι η συγκόλληση με τοπική τήξη, η οποία αποκαλείται και συγκόλληση υψηλών θερμοκρασιών (αγγλ., welding).S. Kou, Welding Metallurgy. Wiley-Interscience, Hoboken, New Jersey 2003. ISBN 0471434914. Γύρω από τη ζώνη της συγκόλλησης, η θερμοκρασία ξεπερνά πολύ τους 1100°C, τα μέταλλα τήκονται και έτσι συνδέονται σθεναρά μεταξύ τους. Για τη συγκόλληση υψηλών θερμοκρασιών, χρησιμοποιείται μέταλλο σύνδεσης με την ίδια σύσταση με τα μέταλλα προς συγκόλληση. Σε άλλες περιπτώσεις, δεν χρησιμοποιείται καθόλου μέταλλο σύνδεσης, οπότε πρόκειται για αυτογενή συγκόλληση. 

Αναλόγως με την τεχνική, οι συγκολλήσεις υψηλών θερμοκρασιών διακρίνονται σε 

 συγκολλήσεις ηλεκτρικού τόξου ή ηλεκτροσυγκολλήσεις (αγγλ., arc welding), με επενδεδυμένα ηλεκτρόδια ή με προστατευτικό αέριο,
 συγκολλήσεις ηλεκτρικής αντίστασης, σημειακή (αγγλ., spot welding) ή ραφής (αγγλ., seam welding),
 συγκολλήσεις δέσμης ηλεκτρονίων (αγγλ., electron beam welding), κ.λπ.

Οι συγκολλήσεις υψηλών θερμοκρασιών χρησιμοποιούνται ευρέως για τον κοινό χάλυβα, τους ανοξείδωτους χάλυβες, τα κράματα νικελίου, κ.ά.

180px|left|thumb|Σκληρή κόλληση με φλόγα οξυασετυλίνης.
Εκτός από τις συγκολλήσεις υψηλών θερμοκρασιών, υπάρχουν και οι συγκολλήσεις μεσαίων θερμοκρασιών (αγγλ., brazing) και οι συγκολλήσεις χαμηλών θερμοκρασιών (αγγλ., soldering).G. Humpton and D.M. Jacobson, Principles of Soldering and Brazing. ASM International, Materials Park, Ohio 1993. ISBN 0871704625. Κατά τις συγκολλήσεις μεσαίων και χαμηλών θερμοκρασιών, τα μέταλλα προς συγκόλληση δεν τήκονται αλλά συνδέονται μεταξύ τους με άλλο κράμα χαμηλού σημείου τήξεως.

Συγκολλήσεις μεσαίων θερμοκρασιών (450–1100°C) ή σκληρές κολλήσεις γίνονται σε κράματα χαλκού, νικελίου, αλουμινίου, πολύτιμων μετάλλων, κ.λπ. Ως συγκολλητικό υλικό χρησιμοποιείται κράμα παρόμοιας σύστασης, αλλά με πιο χαμηλό σημείο τήξης. Οι σκληρές κολλήσεις γίνονται συχνά σε αδρανή ατμόσφαιρα ή υπό κενό, ώστε να μην οξειδωθεί η συγκόλληση. 

Συγκολλήσεις χαμηλών θερμοκρασιών (θερμ. < 450°C) ή μαλακές κολλήσεις γίνονται πολύ για ηλεκτρονικές συνδέσεις, για συνδέσεις χαλκοσωλήνων, κ.ά. Ως συνδετικό υλικό χρησιμοποιείται εύτηκτο κράμα αντιμονίου–μολύβδου (π.χ. 63/37 ή 45/55 Sb/Pb) ή καλάι (συνήθως κράμα κασσίτερου–αντιμονίου 95/5 Sn/Sb). Τα τελευταία χρόνια, η χρήση κραμάτων μολύβδου αποφεύγεται, αλλά η μαλακή κόλληση με καλάι (κασσιτεροκόλληση) υστερεί σε αντοχή.

Η μεταλλοτεχνία ως επιστήμη
Στην επιστήμη, μεταλλοτεχνία (αγγλ., mechanical metallurgy) θεωρείται ο τομέας της μεταλλογνωσίας που ασχολείται με τη συμπεριφορά και την απόκριση των μετάλλων σε δυνάμεις που ασκούνται επάνω στα μέταλλα αυτά.G.E. Dieter and D. Bacon, Mechanical Metallurgy. McGraw-Hill, London 2001. ISBN 0071004068.M.E. Mielnik, Metalworking Science and Engineering. McGraw-Hill, New York, New York 1991. ISBN 0070419043. Συνεπώς, η μεταλλοτεχνία ως επιστήμη εμπεριέχει στοιχεία μηχανικής συμπεριφοράς (αντοχής) των μετάλλων, καθώς και στοιχεία για την πλαστική παραμόρφωση των μετάλλων όταν σε αυτά ασκούνται δυνάμεις που ξεπερνούν ορισμένα όρια. Η μεταλλοτεχνία ως επιστήμη περιλαμβάνει ακόμα στοιχεία θραυστομηχανικής των μετάλλων.

Κρυσταλλικές ατέλειες και μηχανική συμπεριφορά των μετάλλων
Τα πιο πολλά μέταλλα παρουσιάζουν όλκιμη συμπεριφορά, δηλαδή παθαίνουν ελαστική (μη μόνιμη) παραμόρφωση όταν η τάση που ασκείται σ' αυτά δεν ξεπερνά κάποια τιμή, που αποκαλείται όριο ελαστικότητας. Για τάσεις υψηλότερες από το όριο ελαστικότητας, το μέταλλο παθαίνει πλαστική (μόνιμη) παραμόρφωση ή ακόμα και πλήρη θραύση. Θεωρητικά, η αστοχία ενός όλκιμου μεταλλικού σώματος μπορεί να προβλεφθεί με βάση το κριτήριο Von Mises: 
[(σ1 – σ2)2
+ (σ2 – σ3)2 
+ (σ3 – σ1)2]/2 < σy2 
όπου σ1, σ2 και σ3 είναι οι τρεις κύριες συνιστώσες των θλιπτικών/εφελκυστικών τάσεων που ασκούνται στο σώμα, και σy είναι το όριο διαρροής όπως αυτό προσδιορίζεται από απλή δοκιμή εφελκυσμού.

Η πλαστική παραμόρφωση των μετάλλων συνδέεται άμεσα με τις δομικές ατέλειες στους κρυστάλλους. Οι ατέλειες μπορεί να είναι γραμμικές ή και σημειακές, όμως η παραμόρφωση των μετάλλων συνδέεται με τη μετατόπιση γραμμικών ατελειών. Η παραμόρφωση με ολίσθηση τελείων κρυσταλλικών επιφανειών είναι εξαιρετικά δύσκολη και θεωρητικά απαιτούνται διατμητικές τάσεις της τάξης των 3 με 30 GPa. Στην πράξη, για την παραμόρφωση μεταλλικών μονοκρυστάλλων με ολίσθηση απαιτούνται διατμητικές τάσεις της τάξης των 0,5 με 10 GPa. Τούτο εξηγείται από το ότι ακόμα και οι μονοκρύσταλλοι περιέχουν δομικές ατέλειες και η ολίσθηση συμβαίνει σ' αυτά τα σώματα πολύ εύκολα με μετακίνηση των δομικών ατελειών. Ένας άλλος σημαντικός μηχανισμός παραμόρφωσης είναι η διδυμία. Οι κρυσταλλικές ατέλειες πολλαπλασιάζονται εύκολα υπό την επιρροή εξωτερικών τάσεων.

Οι κρυσταλλικές ατέλειες παίζουν επίσης μεγάλο ρόλο στη μεταβολή των μηχανικών ιδιοτήτων των μετάλλων. Όταν το μέταλλο πάθει κάποια πλαστική παραμόρφωση, η σκληρότητά του αυξάνει. Το φαινόμενο αυτό αποκαλείται ενδοτράχυνση ή εργοσκλήρυνση, και οφείλεται στο γεγονός ότι οι γραμμικές κρυσταλλικές ατέλειες μετατοπίζονται και παγιδεύονται στα όρια κόκκων. Όσο πιο λεπτομερής ο κόκκος του μετάλλου, τόσο πιο πολλά τα όρια, και τόσο πιο εύκολη είναι η παγίδευση των ατελειών. Η παγίδευση των ατελειών μπορεί να γίνει και με προσθήκη προσμίξεων ή κραματικών στοιχείων που δημιουργούν κατακρημνίσματα, δηλ. μικρούς κόκκους, που λειτουργούν ως παγίδες ατελειών στα όρια των μεταλλικών κρυστάλλων. 

Ενδοτράχυνση μπορεί να συμβεί και με τη δημιουργία νέων ατελειών. Ο μαρτενσιτικός μετασχηματισμός στο χάλυβα με βαφή επιφέρει ενδοτράχυνση εξαιτίας της διδυμιακής δομής του μαρτενσίτη, της μεγάλης πυκνότητας γραμμικών ατελειών και της παγίδευσης των ατελειών από άτομα άνθρακα. 

Ένα μέταλλο μπορεί επίσης να πάθει αστοχία εξαιτίας της γήρανσης, δηλαδή από τη συχνή αλλαγή στην τιμή και την κατεύθυνση των τάσεων που ασκούνται σ' αυτό. Σήμερα πολλά από αυτά τα φαινόμενα εξετάζονται με αναλύσεις πεπερασμένων στοιχείων.

Η θραύση των μετάλλων
Όταν ένα όλκιμο μεταλλικό σώμα υποβάλλεται σε δοκιμή εφελκυσμού, μετά από κάποια τιμή τάσης, το σώμα λεπταίνει, παρουσιάζει λαιμό, εμφανίζονται σ' αυτό μικροκενά και ρωγματώσεις, και τέλος, επέρχεται θραύση. Σύμφωνα με το πρότυπο Griffith, στα ψαθυρά μέταλλα, η θραύση επέρχεται την εμφάνιση και τη μετατόπιση ρωγμής.

Η θραύση χαρακτηρίζεται ανάλογα με την κρυσταλλική αστοχία (διάτμηση ή διάρρηξη κρυσταλλιτών), ανάλογα με την επιφάνεια θραύσης (ινώδης ή κοκκώδης) και ανάλογα με την τάση θραύσης (όλκιμη ή ψαθυρή). Στην πράξη, η θραύση των μετάλλων παρατηρείται με δοκιμές αντοχής ή εφελκυσμού, με μεταλλογραφικό μικροσκόπιο ή και με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (θραυστογραφία· αγγλ., fractography). Η αντοχή των μετάλλων μπορεί να εκτιμηθεί επίσης και με δοκιμές σκληρότητας. 

Η θερμοκρασία έχει σημαντική επίδραση στη θραύση των μετάλλων. Όλα τα μέταλλα είναι όλκιμα, αλλά γίνονται ψαθυρά κάτω από μια συγκεκριμένη θερμοκρασία, η οποία είναι χαρακτηριστική για κάθε μέταλλο. Το βολφράμιο γίνεται ψαθυρό σε θερμοκρασία κάτω από 100°C. Ο σίδηρος γίνεται ψαθυρός σε θερμοκρασία κατώτερη από –225°C. Μέταλλα που κρυσταλλώνονται στο χωροκεντρικό κυβικό σύστημα (Fe, Ta, W, Mo) μετατρέπονται απότομα από όλκιμα σε ψαθυρά με μείωση της θερμοκρασίας. Αντιθέτως, μέταλλα που κρυσταλλώνονται στο εδροκεντρικό κυβικό σύστημα (Ni) παρουσιάζουν σταδιακή μετάβαση από την όλκιμη στην ψαθυρή συμπεριφορά με μείωση της θερμοκρασίας.

Δείτε επίσης
 Μεταλλουργία
 Μεταλλογνωσία

Εξωτερικοί σύνδεσμοι
 «Παραδοσιακή μεταλλοτεχνία» 

Παραπομπές

Κατηγορία:Μεταλλουργία