Introducción a la metalurgia de los cuchillos de cocina.

Tipos de acero

El acero es básicamente una aleación de hierro (Fe) y carbono (C), donde este último representa hasta el 2 % de la masa total. Incluso una cantidad muy pequeña de carbono cambia considerablemente las propiedades mecánicas del acero, mejorando especialmente su resistencia, lo cual es crucial para cualquier aplicación práctica. Una aleación con más de un 2 % de carbono se denomina hierro fundido, un material bastante frágil y, por tanto, inadecuado para cuchillos de cocina o herramientas similares. Sin embargo, un alto contenido de carbono da como resultado un punto de fusión más bajo, lo que significa que el hierro fundido es más fácil de verter en moldes y, por ejemplo, resulta adecuado para fabricar ollas de hierro fundido.

El acero también puede mezclarse con otros elementos, a menudo cromo (Cr), vanadio (V) y molibdeno (Mo), que mejoran aún más sus propiedades mecánicas y, en algunos casos, también la resistencia a la corrosión. Este grupo se denomina acero aleado. Un subgrupo especial de los aceros aleados son los aceros para herramientas, cuya característica común es que se utilizan para herramientas (cuchillos, sierras, hachas, brocas, etc.). Son adecuados cuando se requieren una alta tenacidad, resistencia y resistencia a la abrasión.

Las excepcionales propiedades mecánicas de los aceros para herramientas implican, por tanto, que son exigentes de producir y procesar, lo que a su vez los hace más caros en comparación con los aceros que contienen menos elementos de aleación. En cuanto al material, la mayoría de los cuchillos de cocina de calidad pertenecen a la familia de los aceros para herramientas. La figura siguiente muestra una distribución esquemática de las aleaciones de hierro, y se destacan las familias de aceros utilizadas para fabricar cuchillos de cocina. 👇

Propiedades mecánicas de los materiales

Para describir las propiedades de los cuchillos de cocina y su diferenciación en términos de calidad, primero es útil definir algunos conceptos básicos sobre las propiedades mecánicas del material y cómo las medimos.

Propiedades mecánicas: RESISTENCIA, DUREZA, DUCTILIDAD, TENACIDAD

Resistencia

Una de las propiedades más básicas de los materiales metálicos es su resistencia mecánica, definida como la resistencia a los cambios de forma bajo la influencia de fuerzas externas. Se mide experimentalmente mediante ensayos de tracción, en los que una probeta de material alargado se sujeta en las mordazas, que luego se separan lentamente hasta que la probeta se rompe. Durante el ensayo, se registra la curva de la fuerza en función del desplazamiento de las mordazas. Para facilitar la comparación entre probetas de distintos tamaños, los valores suelen convertirse en una curva de tensión-deformación. En la figura siguiente se muestra un ejemplo, que también presenta esquemáticamente el aspecto externo típico de una probeta. 👇

La parte inicial, muy pronunciada, de la curva representa una deformación elástica, en la que el material recupera su forma original al retirar la carga. Con un aumento adicional de la carga, se produce un cambio irreversible de forma; es decir, el material se deforma plásticamente. Sin duda queremos evitar esta situación con los cuchillos de cocina, porque en la práctica significa que el filo o toda la hoja se dobla. La probeta del ensayo de tracción puede seguir estirándose hasta cierto punto, en el que se registra la fuerza máxima, denominada «resistencia a la tracción». Después de este punto, la fuerza incluso disminuye ligeramente debido a la deformación transversal de la probeta, hasta el momento en que esta se rompe.

Dureza

La dureza de un material es, por definición, su resistencia al marcado o a la deformación plástica localizada (permanente). En consecuencia, también significa resistencia al desgaste. La dureza es una magnitud diferente de la resistencia mecánica, aunque están directamente relacionadas. La resistencia mecánica se define con mayor precisión desde el punto de vista físico, pero la dureza suele ser más fácil de medir en la práctica y también es más relevante en el caso de los cuchillos de cocina. Existen varios métodos diferentes para medir la dureza, basados en presionar una sonda de forma estándar contra la superficie del material y medir la profundidad de la huella. Para los aceros de herramientas, suele utilizarse el método Rockwell (HRC) de medición de la dureza, en el que la sonda es un cono de diamante. Sin embargo, existen otros métodos más adecuados para materiales más blandos, como medir la dureza con una sonda esférica.

Ductilidad

Una propiedad mecánica relevante también es la ductilidad o plasticidad, es decir, una medida de la deformación plástica antes de la fractura. En la figura anterior de la curva del ensayo de tracción, esto significa la cantidad de deformación en el punto F, mientras que la tensión a la que se produjo la rotura es irrelevante.

Tenacidad

La tenacidad, sin embargo, es la propiedad de un material de absorber mucha energía antes de romperse. Esto significa que debe soportar el mayor alargamiento posible a la fuerza máxima. Algunos materiales se rompen con una fuerza elevada, pero con un alargamiento reducido. Decimos que son frágiles. El área bajo la curva del ensayo de tracción representa la tenacidad y también se muestra en la figura siguiente. 👇

Los metales son materiales cristalinos, lo que significa que su estructura atómica está organizada en celdas unitarias. También se dice que presentan un orden de largo alcance: tienen una estructura que se repite periódicamente a lo largo de muchas distancias interatómicas. Los distintos metales (elementos metálicos) tienen diferentes tipos de celdas unitarias, que incluso pueden cambiar con la temperatura. En el caso de las aleaciones de hierro, en la figura anterior se muestran los dos tipos de celdas unitarias más importantes: la celda cúbica centrada en las caras (izquierda) y la celda cúbica centrada en el cuerpo (derecha). 👆

En la práctica, no existen cristales ideales en los que la misma estructura atómica se repita periódicamente y sin errores a lo largo de una gran distancia (por ejemplo, en todo el producto). En una estructura cristalina ideal, todos los cristales o metales contienen defectos de diversos tipos: defectos puntuales, lineales, planares o volumétricos.

Incluso en un metal químicamente puro (elemento metálico), la red cristalina contiene defectos puntuales, lo que significa que falta un átomo concreto en su ubicación teórica o que está insertado en una ubicación incorrecta. El número de estos defectos aumenta exponencialmente con la temperatura. A una temperatura suficientemente alta, los átomos cambian rápidamente de lugar, se desplazan por la red cristalina y el número de defectos aumenta hasta que la estructura ordenada se desintegra. En ese momento, el metal se licua.

Las dos imágenes siguientes representan esquemáticamente ejemplos de defectos puntuales: un átomo del mismo tipo desaparece de un lugar de la red cristalina donde, en teoría, debería encontrarse (figura de la izquierda); o un átomo de otro elemento se inserta en la red cristalina en un lugar inesperado o reemplaza al átomo del elemento mayoritario (figura de la derecha). 👇

Los defectos lineales llamados dislocaciones también están siempre presentes en los metales y aparecen cuando se inserta una capa de átomos entre otras capas. Bajo la influencia de tensiones externas, los átomos pertenecientes a la capa intercalada pueden cambiar de vecinos y establecer un enlace con otras capas de átomos. De este modo, las dislocaciones se desplazan a lo largo de una red metálica, lo que permite que muchos átomos cambien permanentemente de lugar. El movimiento y la formación de nuevas dislocaciones es un concepto muy importante en metalurgia, ya que, a nivel microscópico, representa una explicación de la deformación plástica observada a nivel macroscópico. Esto también nos lleva a la conclusión de que, si queremos reducir la deformación plástica de nuestro producto o aumentar su resistencia, debemos inhibir de algún modo el movimiento de las dislocaciones.👇

Los productos metálicos no tienen una red cristalina orientada uniformemente en todo su volumen, sino que están compuestos por un gran número de granos cristalinos con distintas orientaciones. Esto se debe al proceso de solidificación del metal, que pasa del estado líquido al sólido y comienza en muchos puntos al mismo tiempo. Los granos cristalinos con distintas orientaciones del metal líquido crecen hacia el exterior hasta que chocan con sus vecinos y todo el metal se convierte en un estado sólido. Los granos cristalinos no son visibles a simple vista; normalmente no miden más de una décima de milímetro, pero pueden observarse con un microscopio óptico. Las dos imágenes de abajo muestran una microestructura metálica con muchos granos cristalinos en estado no deformado (figura izquierda) y después de una deformación plástica considerable (figura derecha), cuando los granos cristalinos han cambiado de forma, es decir, se han aplanado. 👇

 Una característica común de todos los mecanismos de endurecimiento es que dificultan el movimiento de las dislocaciones a lo largo de las redes cristalinas de los materiales metálicos. A escala microscópica, el movimiento de las dislocaciones representa el mecanismo de deformación plástica que se detecta a simple vista a escala macroscópica.

Endurecimiento por deformación

El endurecimiento por deformación es un fenómeno en el que el límite de deformación plástica de un material aumenta a medida que aumenta la deformación plástica. Esto se debe a la formación de un gran número de nuevas dislocaciones que se desplazan en distintas direcciones a lo largo de la red cristalina y obstaculizan su movimiento mutuamente. En la fabricación de cuchillos de cocina, este fenómeno se produce durante el proceso de forja, cuando las hojas se deforman plásticamente o cambian de forma debido a los golpes de martillo. En la práctica, el proceso no puede continuarse indefinidamente, porque, además de la resistencia, también aumenta la fragilidad y el producto puede agrietarse si sufre demasiada deformación plástica.

La figura inferior muestra las curvas de endurecimiento por deformación en función del grado de deformación plástica de algunos materiales típicos. Observamos que el cambio en el límite de plasticidad puede ser bastante pronunciado. 👇

Endurecimiento por solución sólida

El endurecimiento por solución sólida es un mecanismo que explica por qué las aleaciones de distintos elementos son más resistentes que los metales puros. Los átomos de los elementos añadidos al elemento mayoritario se insertan en su red cristalina, introduciendo irregularidades debido a que los átomos tienen tamaños diferentes. Las irregularidades en la red cristalina provocan tensiones internas que, a su vez, obstaculizan el movimiento de las dislocaciones. Esto también se muestra esquemáticamente en la figura inferior. Este mecanismo explica por qué el acero, que es una aleación de carbono y hierro, es más resistente que el hierro puro y por qué la aleación con elementos adicionales (Cr, Mo, V) mejora aún más sus propiedades mecánicas. 👇

Endurecimiento mediante el control del tamaño de grano

A nivel microscópico, los productos metálicos constan de un gran número de granos cristalinos orientados aleatoriamente. La secuencia ordenada de átomos en un grano cristalino no continúa a través del límite hacia el otro grano cristalino. Por lo tanto, los límites de los granos cristalinos representan obstáculos para el movimiento de las dislocaciones y, en consecuencia, también impiden la deformación plástica (imagen inferior). Los granos cristalinos suelen tener un tamaño de entre 0.001 y 0.1 milímetros. Cuanto más pequeños son los granos, más límites hay entre ellos por unidad de volumen y más dificultan el movimiento de las dislocaciones. Este mecanismo de endurecimiento explica por qué los cuchillos de cocina con una estructura de grano fino, como los cuchillos japoneses, son más resistentes y de mayor calidad. El tamaño de grano del producto depende de una combinación compleja de los efectos de la composición química y del tratamiento termomecánico (por ejemplo, la forja en caliente). 👇

Temple

El temple es el proceso de mejorar las propiedades mecánicas mediante el enfriamiento rápido de un producto caliente. La primera condición para que pueda endurecerse es la existencia del metal puro en dos tipos de redes cristalinas a diferentes temperaturas. A temperatura ambiente, el hierro existe en una red cristalina cúbica centrada en el cuerpo que, aproximadamente a 730 grados Celsius, se transforma en una red cúbica centrada en las caras. La misma transición ocurre en sentido contrario cuando disminuye la temperatura. La segunda condición es la presencia de un elemento de aleación cuyos átomos estén distribuidos uniformemente en sus lugares característicos dentro de la red cristalina. En el caso de los cuchillos de cocina de acero, el metal base es el hierro y el elemento de aleación es el carbono. Cuando el producto se enfría lo suficientemente rápido desde una temperatura elevada (por encima de 730 grados Celsius), los átomos de hierro se unen formando otro tipo de red cristalina, mientras que los átomos de carbono no tienen tiempo suficiente para desplazarse a otros lugares. Permanecen “congelados” en sus posiciones anteriores e introducen tensiones internas en la red cristalina, lo que a su vez dificulta el movimiento de las dislocaciones.
Las tensiones internas causadas por el temple pueden ser tan grandes que el producto cambie considerablemente de forma, se doble o incluso se agriete. Esto depende principalmente de la composición química (el porcentaje de carbono y otros elementos) y de la velocidad de enfriamiento, que se controla mediante la elección del medio de enfriamiento (agua, aceite o aire).

Conclusiones

En el primer capítulo, vimos cómo se clasifican los aceros según su composición química general y su uso previsto, y cuáles de ellos se utilizan para fabricar cuchillos de cocina de calidad. En el segundo capítulo, presentamos las definiciones de las propiedades mecánicas relevantes de los materiales metálicos y los principios de su medición. A continuación, ofrecimos una breve descripción de la estructura atómica de los metales y de la relación entre la deformación plástica a nivel microscópico y macroscópico. Al utilizar cuchillos de cocina, queremos evitar la deformación plástica, porque en la práctica se traduce en daños en el filo y una menor agudeza. En el último capítulo, combinamos todos los conocimientos anteriores y presentamos los mecanismos metalúrgicos que mejoran la resistencia de los materiales metálicos. Todos tienen en común que, a nivel microscópico, impiden de diversas maneras el movimiento de las dislocaciones en la red cristalina. También es importante señalar que todos los mecanismos de endurecimiento descritos terminan fallando a temperaturas elevadas, porque todos los átomos y, en consecuencia, las dislocaciones se mueven más rápido. Esto también explica por qué los cuchillos de cocina de calidad no deben exponerse a temperaturas elevadas durante períodos prolongados (por ejemplo, por encima de 150 grados Celsius).

 ➨ Aceros aleados: aceros que, además de carbono (C), también contienen otros elementos, a menudo cromo (Cr), vanadio (V) y molibdeno (Mo). Estos mejoran aún más sus propiedades mecánicas y, en algunos casos, también la resistencia a la corrosión.
➨ Resistencia: resistencia a los cambios de forma bajo la influencia de fuerzas externas.
➨ Resistencia a la tracción: tensión máxima que un material puede soportar al estirarse o someterse a tracción antes de romperse.
➨ Dureza: resistencia de un material al estampado o a la deformación plástica localizada (permanente). Por consiguiente, también significa resistencia al desgaste.
➨ Método Rockwell (HRC): escala de dureza utilizada en metalurgia para medir la dureza de sustancias duras. El resultado es un número adimensional. Existen dos versiones (y unidades) de este método: HRb y HRc.
➨ Ductilidad: grado en que un material puede soportar una deformación plástica bajo tensión de tracción antes de fallar. Cuanta más deformación pueda soportar un material sin romperse debido a la fragilidad, más dúctil es.
➨ Tenacidad: propiedad de un material de absorber mucha energía antes de romperse.
➨ Carburos: compuestos binarios formados por carbono y un metal o, en algunos casos, un semimetal. Tienen una alta resistencia y son frágiles.
➨ Materiales cristalinos: materiales sólidos cuyos componentes, como los átomos, están dispuestos en estructuras microscópicas muy ordenadas o celdas básicas. Estas celdas se repiten periódicamente en una red cristalina tridimensional y poseen propiedades simétricas.
➨ Dislocaciones: defecto o irregularidad cristalográfica lineal dentro de una estructura cristalina que contiene un cambio abrupto en la disposición de los átomos. Son especialmente relevantes en los materiales metálicos porque permiten la deformación plástica con una tensión relativamente pequeña.
➨ Endurecimiento por deformación: aumento de la resistencia de un metal mediante deformación plástica. Este endurecimiento se produce debido al movimiento y la generación de dislocaciones dentro de la estructura cristalina del material.
➨ Forja: conformado del metal mediante deformación plástica provocada por golpes consecutivos con un martillo o por la aplicación lenta de una presión continua en una prensa.
➨ Endurecimiento en solución sólida: mecanismo que explica por qué las aleaciones de distintos elementos son más resistentes que los metales puros.
➨ Temple: tipo de tratamiento térmico en el que el acero se calienta primero hasta la temperatura de temple (la temperatura de la austenita, una solución sólida de hierro con un elemento de aleación) y después se enfría rápidamente, obteniendo así martensita, una forma muy dura de estructura cristalina del acero.

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Autor del artículo: Matevž Pintar, máster en ingeniería mecánica
Imágenes: Callister, William D. Jr. y Rethwisch, David G. 2014. Materials Science and Engineering: An Introduction. Hoboken: John Wiley & Sons, Inc.