Úvod do metalurgie kuchyňských nožů

Typy ocelí

Ocel je v podstatě slitinou 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 tání, 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 legované oceli. Zvláštní podskupinou legovaných ocelí jsou nástrojové oceli, jejichž společným znakem je použití pro výrobu nástrojů (nožů, pil, seker, vrtáků atd.). Jsou vhodné všude tam, kde je vyžadována vysoká houževnatost, pevnost a odolnost proti opotřebení.

Vynikající mechanické vlastnosti nástrojových ocelí proto znamenají, že jejich výroba a zpracování jsou náročné, což je následně činí dražšími ve srovnání s ocelemi s menším množstvím legujících prvků. Z hlediska materiálu patří většina kvalitních kuchyňských nožů do rodiny nástrojových ocelí. Níže uvedený obrázek znázorňuje schematické rozdělení slitin železa a jsou v něm zvýrazněny rodiny ocelí používané k výrobě kuchyňských nožů. 👇

Mechanické vlastnosti materiálů

Pro popis vlastností kuchyňských nožů a jejich rozdílů 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 změně tvaru působením vnějších sil. Experimentálně se měří tahovými zkouškami, při nichž se vzorek podlouhlého materiálu upne do čelistí, které se poté pomalu odtahují od sebe, 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 v závislosti na poměrném prodloužení. 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, že se ostří nebo celý nůž ohne. Vzorek při tahové zkoušce lze dále natahovat až do určitého bodu, v němž se zaznamená maximální síla, nazývaná „mez pevnosti 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 také znamená odolnost proti opotřebení. Tvrdost je jiná veličina než pevnost, přestože spolu přímo souvisejí. Pevnost je fyzikálně přesněji definována, ale tvrdost se v praxi obvykle měří snadněji a v případě kuchyňských nožů je také relevantnější. 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. Existují však i jiné metody, které jsou vhodnější pro měkčí materiály, například měření tvrdosti pomocí sondy kulového tvaru.

Tažnost

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

Houževnatost

Houževnatost je však vlastnost materiálu absorbovat velké množství energie před porušením. 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 atomární struktura je uspořádána do elementárních buněk. Také se o nich 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. V případě slitin železa jsou na obrázku výše znázorněny dva nejdůležitější typy elementárních buněk – kubická plošně centrovaná buňka (vlevo) a kubická prostorově centrovaná buňka (vpravo). 👆

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

Dokonce 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 se s teplotou exponenciálně zvyšuje. Při dostatečně vysoké teplotě atomy rychle mění svá místa, pohybují se podél krystalové mřížky a počet vad se zvyšuje, dokud se uspořádaná struktura nerozpadne. V tomto okamžiku kov zkapalní.

Dva obrázky níže 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, případně nahradí atom převažujícího prvku (obrázek vpravo). 👇

V kovech jsou také vždy přítomny čárové vady zvané dislokace, které vznikají, když se jedna vrstva atomů vloží mezi ostatní vrstvy. Působením vnějších napětí mohou atomy patřící do vložené vrstvy změnit své sousedy a navázat vazbu s jinými vrstvami atomů. Tímto způsobem se dislokace 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 zabránit pohybu dislokací. 👇

Kovové výrobky nemají krystalovou mřížku s jednotnou orientací v celém svém objemu, ale skládají se z velkého množství krystalových zrn s různou orientací. Je to důsledek procesu tuhnutí kovu z kapalného do pevného skupenství, který začíná na mnoha místech současně. Různě orientovaná krystalová zrna v kapalném kovu rostou směrem ven, dokud se nesrazí se svými sousedy a celý kov nepřejde do pevného stavu. Krystalová zrna nejsou pouhým okem viditelná, obvykle nejsou větší než desetina milimetru, ale lze je pozorovat optickým mikroskopem. Dva obrázky níže zobrazují 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, který je na makroskopické úrovni pozorovatelný pouhým okem.

Zpevňování deformací

Deformační zpevnění je jev, při kterém se mez plastické deformace materiálu zvyšuje s rostoucí plastickou deformací. Je to způsobeno vznikem velkého 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 v procesu kování, kdy se čepele plasticky deformují neboli mění svůj tvar údery kladiva. V praxi nelze v tomto procesu pokračovat donekonečna, protože kromě pevnosti roste také křehkost a při příliš velké plastické deformaci může výrobek prasknout.

Obrázek níže znázorňuje křivky deformačního zpevnění v závislosti na stupni plastické deformace pro některé typické materiály. Vidíme, že změna meze plasticity může být poměrně výrazná. 👇

Zpevňování tuhého roztoku

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 vytvářejí nepravidelnosti způsobené různou velikostí atomů. Nepravidelnosti v krystalové mřížce způsobují vnitřní napětí, která následně brání pohybu dislokací. To je také schematicky znázorněno na obrázku níže. Tento mechanismus vysvětluje, proč je ocel, slitina uhlíku a železa, pevnější než čisté železo a proč legování dalšími prvky (Cr, Mo, V) dále zlepšuje její mechanické vlastnosti. 👇

Zpevňování řízením velikosti zrn

Na mikroskopické úrovni se kovové výrobky skládají z velkého počtu náhodně orientovaných krystalových zrn. Uspořádaná sekvence atomů v jednom krystalovém zrnu nepokračuje přes hranici v sousedním 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 termomechanického zpracování (např. kování za tepla). 👇

Kalení

Kalení je proces zlepšování mechanických vlastností rychlým ochlazením zahřátého 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 krychlové krystalové mřížce, která se při teplotě přibližně 730 stupňů Celsia mění na plošně centrovanou krychlovou mřížku. Stejný přechod probíhá opačným směrem, když teplota klesá. Druhou podmínkou je přítomnost legujícího prvku, jehož atomy jsou rovnoměrně rozmístěny na charakteristických místech v krystalové mřížce. V případě ocelových kuchyňských nožů je základním kovem železo a legujícím prvkem uhlík. Když se výrobek dostatečně rychle ochladí z vysoké teploty (nad 730 stupňů Celsia), atomy železa se uspořádají do jiného typu krystalové mřížky, zatímco atomy uhlíku nemají dostatek času přesunout se na jiná místa. Zůstávají „zmrazené“ na původních místech a vytvářejí v krystalové mřížce vnitřní napětí, které naopak brání pohybu dislokací.
Vnitřní napětí způsobená kalením mohou být tak velká, že se výrobek výrazně změní tvar, ohne se, nebo dokonce praskne. Záleží to především na chemickém složení (procentuálním podílu 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 zvyšují pevnost kovových materiálů. Všechny mají společné to, že na mikroskopické úrovni různými způsoby brání pohybu dislokací v krystalové mřížce. Je také důležité poznamenat, 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 po 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 dokáže snést při natahování nebo tažení, než se přetrhne.
➨ Tvrdost: odolnost materiálu proti vtlačení nebo lokální 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 verze (a jednotky): HRb a HRc.
➨ Tažnost: míra, do jaké může materiál odolávat plastické deformaci při tahovém namáhání před porušením. Čím větší deformaci materiál vydrží bez porušení v důsledku křehkosti, tím je tažnější.
➨ Houževnatost: vlastnost materiálu absorbovat velké množství energie, než se rozbije.
➨ 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 uspořádaných mikroskopických strukturách neboli základních buňkách. Tyto buňky se periodicky opakují v trojrozměrné krystalové mřížce a mají symetrické vlastnosti.
➨ Dislokace: lineární krystalografická vada neboli nepravidelnost v krystalové struktuře, která obsahuje náhlou změnu v uspořádání atomů. Jsou nejvýznamnější 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 uvnitř krystalové struktury materiálu.
➨ Kování: tváření kovu, při němž je plastická deformace způsobena opakovanými 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 vzniká martenzit, velmi tvrdá forma krystalické struktury oceli.

⬌

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