Úvod do metalurgie kuchyňských nožů

Typy ocelí

Ocel je v zásadě slitina prvků železa (Fe) a uhlíku (C), přičemž uhlík tvoří až 2 % celkové hmotnosti. I velmi malé množství uhlíku výrazně mění mechanické vlastnosti oceli, zejména zlepšuje její pevnost, která je zásadní pro jakékoli praktické použití. Slitina s více než 2 % uhlíku se nazývá litina, což je poměrně křehký materiál, a proto není vhodná pro kuchyňské nože ani podobné nástroje. Vysoký obsah uhlíku však vede k nižší teplotě tavení, což znamená, že litinu lze snadněji odlévat do forem, a je tedy například vhodná k výrobě litinových hrnců.

Ocel lze také legovat dalšími prvky, často chromem (Cr), vanadem (V) a molybdenem (Mo), které dále zlepšují její mechanické vlastnosti a v některých případech také odolnost proti korozi. Tato skupina se nazývá legovaná ocel. Zvláštní podskupinou legovaných ocelí jsou nástrojové oceli, jejichž společným znakem je použití k výrobě nástrojů (nožů, pil, seker, vrtáků atd.). Jsou vhodné všude tam, kde je vyžadována vysoká houževnatost, pevnost a odolnost proti otěru.

Mimořádné mechanické vlastnosti nástrojových ocelí tedy znamenají, že jejich výroba a zpracování jsou náročné, což je následně činí dražšími ve srovnání s ocelmi s menším množstvím legujících prvků. Z hlediska materiálu patří většina kvalitních kuchyňských nožů do skupiny nástrojových ocelí. Obrázek níže znázorňuje schematické rozdělení slitin železa a jsou v něm zvýrazněny skupiny ocelí používaných k výrobě kuchyňských nožů. 👇

Mechanické vlastnosti materiálů

Pro popis vlastností kuchyňských nožů a jejich rozlišení z hlediska kvality je užitečné nejprve definovat některé základní pojmy týkající se mechanických vlastností materiálu a způsobu jejich měření.

Mechanické vlastnosti: PEVNOST, TVRDOST, TVÁRNOST, HOUŽEVNATOST

➨ Pevnost

Jednou z nejzákladnějších vlastností kovových materiálů je jejich pevnost, definovaná jako odolnost proti změnám tvaru působením vnějších sil. Experimentálně se měří tahovými zkouškami, při nichž se vzorek protáhlého materiálu upne do čelistí, které se poté pomalu od sebe odtahují, dokud se vzorek nepřetrhne. Přitom se zaznamenává křivka síly v závislosti na posunutí čelistí. Aby bylo snazší porovnávat vzorky různých velikostí, hodnoty se obvykle převádějí na křivku napětí–deformace. Příklad je znázorněn na obrázku níže, který také schematicky zobrazuje typický vnější vzhled vzorku. 👇

Počáteční, velmi strmá část křivky představuje pružnou deformaci, při níž se materiál po odstranění zatížení vrací do původního tvaru. Při dalším zvyšování zatížení dochází k nevratné změně tvaru, tedy k plastické deformaci materiálu. Této situaci se u kuchyňských nožů rozhodně chceme vyhnout, protože v praxi znamená ohnutí ostří nebo celé čepele. Zkušební vzorek lze při tahové zkoušce dále natahovat až do určitého bodu, v němž se zaznamená maximální síla zvaná „pevnost v tahu“. Po tomto bodě se síla v důsledku příčné deformace vzorku dokonce mírně snižuje, až do okamžiku, kdy se vzorek přetrhne.

➨ Tvrdost

Tvrdost materiálu je podle definice jeho odolnost proti vtlačení nebo lokalizované plastické (trvalé) deformaci. V důsledku toho znamená také odolnost proti opotřebení. Tvrdost je jiná veličina než pevnost, přestože spolu přímo souvisejí. Pevnost je fyzikálně definována přesněji, ale tvrdost se obvykle v praxi snadněji měří a je také relevantnější v případě kuchyňských nožů. Existuje několik různých metod měření tvrdosti, které jsou založeny na vtlačení sondy standardního tvaru do povrchu materiálu a změření hloubky vtisku. U nástrojových ocelí se často používá Rockwellova metoda (HRC) měření tvrdosti, při níž je sondou diamantový kužel. Pro měkčí materiály jsou však vhodnější jiné metody, například měření tvrdosti pomocí kuličkové sondy.

➨ Tažnost

Další relevantní mechanickou vlastností je také tažnost neboli plasticita, tedy míra plastické deformace před porušením. Na výše uvedeném grafu křivky tahové zkoušky to znamená velikost deformace v bodě F, zatímco napětí, při němž došlo k přetržení, není relevantní.

➨ Houževnatost

Houževnatost je však vlastnost materiálu absorbovat velké množství energie, než se poruší. To znamená, že při maximální síle musí odolat co největšímu prodloužení. Některé materiály se poruší při vysoké síle, ale při malém prodloužení. Říkáme, že jsou křehké. Plocha pod křivkou tahové zkoušky představuje houževnatost a je také znázorněna na obrázku níže. 👇

Kovy jsou krystalické materiály, což znamená, že jejich atomová struktura je uspořádána do elementárních buněk. Také se říká, že vykazují uspořádanost na velkou vzdálenost – mají periodicky se opakující strukturu v rozsahu mnoha meziatomových vzdáleností. Různé kovy (kovové prvky) mají různé typy elementárních buněk, které se mohou měnit i s teplotou. U slitin železa jsou na obrázku výše znázorněny dva nejdůležitější typy elementárních buněk – plošně centrovaná kubická buňka (vlevo) a prostorově centrovaná kubická buňka (vpravo). 👆

V praxi ideální krystaly, v nichž by se stejná atomová struktura bezchybně periodicky opakovala na velkou vzdálenost (např. v celém výrobku), neexistují. V ideální krystalové struktuře všechny krystaly nebo kovy obsahují vady různých typů: bodové, liniové, plošné nebo objemové vady.

I v chemicky čistém kovu (kovovém prvku) se v krystalové mřížce vyskytují bodové vady, což znamená, že určitý atom chybí na svém teoretickém místě nebo je vložen na nesprávné místo. Počet těchto vad exponenciálně roste s teplotou. Při dostatečně vysoké teplotě atomy rychle mění svá místa, pohybují se podél krystalové mřížky a počet vad se zvyšuje, až se uspořádaná struktura rozpadne. V tom okamžiku se kov roztaví.

Dva níže uvedené obrázky schematicky znázorňují příklady bodových vad: atom stejného typu zmizí z místa v krystalové mřížce, kde by se teoreticky měl nacházet (obrázek vlevo); nebo je atom jiného prvku vložen do krystalové mřížky na neočekávané místo či nahradí atom převažujícího prvku (obrázek vpravo). 👇

V kovech jsou také vždy přítomny čárové defekty zvané dislokace, které vznikají, když se mezi ostatní vrstvy vloží jedna vrstva atomů. Působením vnějšího napětí mohou atomy patřící do vložené vrstvy změnit své sousedy a navázat vazbu s jinými vrstvami atomů. Dislokace se tak pohybují podél kovové mřížky, což umožňuje mnoha atomům trvale změnit své místo. Pohyb a vznik nových dislokací je v metalurgii velmi důležitým pojmem, protože na mikroskopické úrovni představuje vysvětlení plastické deformace pozorované na makroskopické úrovni. To nás také vede k závěru, že pokud chceme omezit plastickou deformaci našeho výrobku nebo zvýšit jeho pevnost, musíme nějakým způsobem bránit pohybu dislokací. 👇

Kovové výrobky nemají krystalovou mřížku, která by byla v celém jejich objemu orientována jednotně, ale skládají se z velkého množství krystalových zrn s různou orientací. Je to způsobeno procesem tuhnutí kovu z kapalného do pevného skupenství, který začíná současně na mnoha místech. Různě orientovaná krystalová zrna v kapalném kovu rostou směrem ven, dokud se nesrazí se sousedními zrny a celý kov nepřejde do pevného skupenství. Krystalová zrna nejsou viditelná pouhým okem, obvykle nejsou větší než desetina milimetru, ale lze je pozorovat optickým mikroskopem. Dva obrázky níže ukazují kovovou mikrostrukturu s mnoha krystalovými zrny v nedeformovaném stavu (obrázek vlevo) a po výrazné plastické deformaci (obrázek vpravo), kdy krystalová zrna změnila svůj tvar, tedy se zploštila. 👇

 Společným rysem všech mechanismů zpevňování je, že brání pohybu dislokací podél krystalových mřížek kovových materiálů. Na mikroskopické úrovni představuje pohyb dislokací mechanismus plastické deformace, kterou lze na makroskopické úrovni pozorovat pouhým okem.

➨ Zpevňování tvářením

Deformační zpevnění je jev, při kterém se mez plastické deformace materiálu zvyšuje s rostoucí plastickou deformací. Je to způsobeno vznikem obrovského množství nových dislokací, které se pohybují různými směry podél krystalové mřížky a navzájem si brání v pohybu. Při výrobě kuchyňských nožů k tomuto jevu dochází během kování, kdy se čepele plasticky deformují nebo mění svůj tvar údery kladiva. V praxi nelze v tomto procesu pokračovat neomezeně, protože kromě pevnosti se zvyšuje také křehkost a při příliš velké plastické deformaci může výrobek prasknout.

Na obrázku níže jsou znázorněny křivky deformačního zpevnění v závislosti na míře plastické deformace pro některé typické materiály. Vidíme, že změna meze plasticity může být poměrně výrazná. 👇

➨ Zpevňování tuhým roztokem

Zpevňování tuhého roztoku je mechanismus, který vysvětluje, proč jsou slitiny různých prvků pevnější než čisté kovy. Atomy prvků přidaných k základnímu prvku se vkládají do jeho krystalové mřížky a v důsledku různě velkých atomů v ní vytvářejí nepravidelnosti. Nepravidelnosti v krystalové mřížce způsobují vnitřní napětí, které následně brání pohybu dislokací. To je schematicky znázorněno také na obrázku níže. Tento mechanismus vysvětluje, proč je ocel, která je slitinou uhlíku a železa, pevnější než čisté železo a proč legování dalšími prvky (Cr, Mo, V) dále zlepšuje její mechanické vlastnosti. 👇

➨ Zpevňování regulací velikosti zrn

Na mikroskopické úrovni se kovové výrobky skládají z velkého množství náhodně orientovaných krystalových zrn. Uspořádané rozmístění atomů v jednom krystalovém zrnu nepokračuje přes hranici v druhém krystalovém zrnu. Hranice krystalových zrn proto představují překážky pohybu dislokací a následně také brání plastické deformaci (viz obrázek níže). Krystalová zrna se obvykle vyskytují ve velikosti 0,001–0,1 milimetru. Čím menší jsou zrna, tím více hranic mezi nimi připadá na jednotku objemu a tím více brání pohybu dislokací. Tento mechanismus zpevňování vysvětluje, proč jsou kuchyňské nože s jemnozrnnou strukturou, například japonské nože, pevnější a kvalitnější. Velikost zrn ve výrobku závisí na komplexní kombinaci vlivů chemického složení a tepelně-mechanického zpracování (např. kování za tepla). 👇

➨ Kalení

Kalení je proces zlepšování mechanických vlastností rychlým ochlazením horkého výrobku. První podmínkou schopnosti kalení je existence čistého kovu ve dvou typech krystalových mřížek při různých teplotách. Při pokojové teplotě se železo nachází v prostorově centrované kubické krystalové mřížce, která se při teplotě přibližně 730 stupňů Celsia mění na plošně centrovanou kubickou mřížku. Ke stejnému přechodu dochází opačným směrem při poklesu teploty. Druhou podmínkou je přítomnost legujícího prvku, jehož atomy jsou rovnoměrně rozloženy na svých charakteristických místech v krystalové mřížce. V případě ocelových kuchyňských nožů je základním kovem železo a legujícím prvkem uhlík. Když se výrobek ochladí z vysoké teploty (nad 730 stupňů Celsia) dostatečně rychle, atomy železa se spojí do jiného typu krystalové mřížky, zatímco atomy uhlíku nemají dostatek času přesunout se na jiná místa. Zůstanou „zamrzlé“ na svých původních místech a vyvolají v krystalové mřížce vnitřní pnutí, které následně brání pohybu dislokací.
Vnitřní pnutí způsobená kalením mohou být tak velká, že se výrobek výrazně tvarově změní, ohne se, nebo dokonce praskne. Závisí to především na chemickém složení (procentuálním obsahu uhlíku a dalších prvků) a rychlosti ochlazování, která je řízena volbou chladicího média (voda, olej nebo vzduch).

Závěry

V první kapitole jsme se zabývali tím, jak se oceli klasifikují podle obecného chemického složení a zamýšleného použití a které z nich se používají pro kvalitní kuchyňské nože. Ve druhé kapitole jsme představili definice relevantních mechanických vlastností kovových materiálů a principy jejich měření. Poté následoval stručný přehled atomové struktury kovů a souvislosti mezi plastickou deformací na mikroskopické a makroskopické úrovni. Při používání kuchyňských nožů chceme plastické deformaci zabránit, protože se v praxi projevuje poškozením ostří a snížením ostrosti. V poslední kapitole jsme spojili všechny předchozí poznatky a představili metalurgické mechanismy, které zlepšují pevnost kovových materiálů. Všem je společné, že na mikroskopické úrovni různými způsoby brání pohybu dislokací v krystalové mřížce. Je také důležité si uvědomit, že všechny popsané mechanismy zpevňování při zvýšených teplotách nakonec selhávají, protože všechny atomy, a tedy i dislokace, se pohybují rychleji. To také vysvětluje, proč by kvalitní kuchyňské nože neměly být delší dobu vystaveny vysokým teplotám (například nad 150 stupňů Celsia).

⬌

 ➨ Legované oceli: oceli, které kromě uhlíku (C) obsahují také další prvky, často chrom (Cr), vanad (V) a molybden (Mo). Ty dále zlepšují jejich mechanické vlastnosti a v některých případech také odolnost proti korozi.
➨ Pevnost: odolnost proti změnám tvaru působením vnějších sil.
➨ Pevnost v tahu: maximální napětí, které materiál snese při natahování nebo tažení, než se přetrhne.
➨ Tvrdost: odolnost materiálu proti vtlačení nebo lokalizované plastické (trvalé) deformaci. V důsledku toho znamená také odolnost proti opotřebení.
➨ Rockwellova metoda (HRC): stupnice tvrdosti používaná v metalurgii k měření tvrdosti tvrdých látek. Výsledkem je bezrozměrné číslo. Tato metoda má dvě varianty (a jednotky): HRb a HRc.
➨ Tažnost: míra, do jaké může materiál před porušením odolávat plastické deformaci v tahu. Čím větší deformaci materiál snese, aniž by se v důsledku křehkosti zlomil, tím je tažnější.
➨ Houževnatost: vlastnost materiálu absorbovat velké množství energie, než se zlomí.
➨ Karbidy: binární sloučeniny tvořené uhlíkem a kovem nebo v některých případech polokovem. Mají vysokou pevnost a jsou křehké.
➨ Krystalické materiály: pevné materiály, jejichž složky, například atomy, jsou uspořádány ve vysoce pravidelných mikroskopických strukturách neboli základních buňkách. Tyto buňky se periodicky opakují v trojrozměrné krystalové mřížce a mají symetrické vlastnosti.
➨ Dislokace: lineární krystalografická porucha či nepravidelnost v krystalové struktuře, která obsahuje náhlou změnu v uspořádání atomů. Jsou obzvláště významné u kovových materiálů, protože umožňují plastickou deformaci při relativně malém napětí.
➨ Deformační zpevnění: zpevnění kovu plastickou deformací. K tomuto zpevnění dochází v důsledku pohybu a vzniku dislokací v krystalické struktuře materiálu.
➨ Kování: tváření kovu, při němž je plastická deformace způsobena postupnými údery kladivem nebo pomalým působením nepřetržitého tlaku v lisu.
➨ Zpevnění tuhého roztoku: mechanismus vysvětlující, proč jsou slitiny různých prvků pevnější než čisté kovy.
➨ Kalení: druh tepelného zpracování, při němž se ocel nejprve zahřeje na kalicí teplotu (teplotu austenitu, tuhého roztoku železa s legujícím prvkem) a poté se rychle ochladí, čímž vznikne martenzit, velmi tvrdá forma krystalické struktury oceli.

⬌

Autor článku: Matevž Pintar, Ing. Mgr. v oboru strojírenství
Obrázky: Callister, William D. in Jr., Rethwisch, David G. 2014. Materials Science and Engineering: An Introduction. Hoboken: John Wiley & Sons, Inc.