Introducción a la metalurgia de los cuchillos de cocina.

tipos de acero

El acero es básicamente una aleación de los elementos 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 en particular su resistencia, lo cual es crucial para cualquier aplicación práctica. Una aleación con más del 2% de carbono se llama 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 tanto, adecuado, por ejemplo, para fabricar ollas de hierro fundido.

El acero también se puede mezclar 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 llama acero aleado. Un subgrupo especial de aceros aleados son los aceros para herramientas, cuya característica común es que se utilizan para herramientas (cuchillos, sierras, hachas, taladros, etc.). Son adecuados para su uso siempre que se requiera alta tenacidad, resistencia y resistencia a la abrasión.

En consecuencia, las excepcionales propiedades mecánicas de los aceros para herramientas significan que su producción y procesamiento son exigentes, lo que a su vez los hace más caros en comparación con los aceros con menos elementos de aleación. En términos de material, la mayoría de los cuchillos de cocina de calidad pertenecen a la familia de los aceros para herramientas. La siguiente figura muestra una distribución esquemática de las aleaciones de hierro y se destacan las familias de aceros utilizados 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, es útil definir primero algunos conceptos básicos sobre las propiedades mecánicas del material y cómo las medimos.

Propiedades mecánicas: RESISTENCIA, DUREZA, DUCTILIDAD, RESISTENCIA

➨ Fortaleza

Una de las propiedades más básicas de los materiales metálicos es su fortaleza, definida como la resistencia a cambios de forma bajo la influencia de fuerzas externas. Se mide experimentalmente mediante pruebas de tracción, en las que se sujeta una muestra de un material alargado en las mandíbulas, que luego se separan lentamente hasta que la muestra se rompe. Al hacerlo se registra la curva de fuerza en función del desplazamiento de las mandíbulas. Para facilitar la comparación de muestras de diferentes tamaños, los valores generalmente se convierten en una curva de tensión versus deformación. Un ejemplo de esto se muestra en la figura siguiente, que también presenta esquemáticamente el aspecto externo típico de una muestra. 👇

La parte inicial, muy pronunciada de la curva, representa una deformación elástica cuando el material vuelve a su forma original al eliminarse la carga. Con un aumento adicional de la carga, se produce un cambio irreversible de forma, es decir, el material se deforma plásticamente. Definitivamente queremos evitar esta situación con los cuchillos de cocina, porque en la práctica esto significa que el filo o toda la hoja se dobla. La muestra en la prueba de tracción se puede estirar aún más hasta un cierto punto donde se registra la fuerza máxima, llamado "resistencia a la tracción". A partir de este punto, la fuerza disminuye incluso ligeramente debido a la deformación transversal de la muestra, hasta el momento en que la muestra se rompe.

➨ Dureza

La dureza de un material es, por definición, su resistencia al gofrado o a la deformación plástica (permanente) localizada. Por consiguiente, esto también significa resistencia al desgaste. La dureza es una cantidad distinta de la fuerza, aunque están directamente relacionadas. La fuerza se define físicamente con mayor precisión, 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 y se basan en presionar una sonda de forma estándar en la superficie del material y medir la profundidad de la impresión. Para los aceros para herramientas, a menudo se utiliza el método Rockwell (HRC) para medir la dureza, donde la sonda es un cono de diamante. Sin embargo, existen otros métodos que son más adecuados para materiales más blandos, por ejemplo medir la dureza con una sonda en forma de bola.

➨ Ductilidad

Una propiedad mecánica relevante es también la ductilidad o plasticidad, es decir, una medida de la deformación plástica antes de la fractura. En la figura anterior de la curva de prueba de tracción, esto significa la cantidad de deformación en el punto F, mientras que la tensión a la que se produjo la ruptura 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 con la máxima fuerza. Algunos materiales se rompen con una fuerza elevada pero con un alargamiento bajo. Decimos que son quebradizos. El área bajo la curva de prueba de tracción representa la tenacidad y también se muestra en la siguiente figura. 👇

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

En la práctica, no existen cristales ideales, donde la misma estructura atómica se repetiría periódicamente sin error a lo largo de una larga distancia (por ejemplo, el producto completo). En una estructura cristalina ideal, todos los cristales o metales contienen defectos de varios tipos: defectos puntuales, lineales, planos o de volumen.

Incluso en un metal químicamente puro (elemento metálico), la red cristalina contiene defectos puntuales, lo que significa que un determinado átomo falta en su ubicación teórica o está insertado en una ubicación incorrecta. El número de tales errores aumenta exponencialmente con la temperatura. A una temperatura suficientemente alta, los átomos cambian rápidamente de lugar, se mueven a lo largo de 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 errores puntuales: un átomo del mismo tipo desaparece de un lugar de la red cristalina donde teóricamente debería estar ubicado (figura izquierda); o el átomo de otro elemento se inserta en la red cristalina en un lugar inesperado o reemplaza al átomo del elemento mayoritario (figura derecha). 👇

Los defectos lineales llamados dislocaciones también están siempre presentes en los metales y ocurren cuando una capa de átomos se inserta entre otras capas. Bajo la influencia de tensiones externas, los átomos que pertenecen a la capa entrelazada pueden intercambiar a sus vecinos y establecer un enlace con otras capas de átomos. De este modo, las dislocaciones se mueven a lo largo de una red metálica, permitiendo así que muchos átomos cambien permanentemente de lugar. El movimiento y 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 alguna manera el movimiento de las dislocaciones. 👇

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

 Una característica común de todos los mecanismos de refuerzo es que dificultan el movimiento de las dislocaciones a lo largo de las redes cristalinas de 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 al aumentar la deformación plástica. Esto se debe a la formación de una gran cantidad de nuevas dislocaciones que viajan en diferentes direcciones a lo largo de la red cristalina y obstaculizan el movimiento de otras. En la fabricación de cuchillos de cocina, este fenómeno se produce en el proceso de forjado, cuando las hojas se deforman plásticamente o cambian de forma mediante golpes de martillo. En la práctica, el proceso no puede continuar indefinidamente porque, además de la resistencia, también aumenta la fragilidad y el producto puede agrietarse si se produce demasiada deformación plástica.

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

➨ Fortalecimiento de soluciones sólidas

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

➨ Fortalecimiento con control granulométrico

A nivel microscópico, los productos metálicos constan de una gran cantidad de granos de cristal orientados aleatoriamente. La secuencia ordenada de átomos en un grano de cristal no continúa a través del límite en el otro grano de cristal. Por lo tanto, los límites de los granos de cristal representan obstáculos para el movimiento de las dislocaciones y, en consecuencia, también previenen la deformación plástica (imagen a continuación). Los granos de cristal suelen tener un tamaño de 0,001 a 0,1 milímetros. Cuanto más pequeños son los granos, mayores son los límites 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 estructura de grano fino, como los cuchillos japoneses, son más resistentes y de mejor calidad. El tamaño de grano del producto depende de una combinación compleja de los efectos de la composición química y el tratamiento termomecánico (por ejemplo, forjado en caliente). 👇

➨ Temple

El enfriamiento es el proceso de mejorar las propiedades mecánicas enfriando rápidamente un producto caliente. La primera condición para la capacidad de endurecerse es la existencia de 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 a unos 730 grados Celsius se convierte en una red cúbica centrada en las caras. La misma transición ocurre en la dirección opuesta cuando la temperatura disminuye. La segunda condición es la presencia de un elemento de aleación cuyos átomos están distribuidos uniformemente en sus lugares característicos en 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 alta (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 moverse a otros lugares. Permanecen "congelados" en sus lugares 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 enfriamiento pueden ser tan grandes que el producto cambia significativamente de forma, se dobla o incluso se agrieta. Esto depende principalmente de la composición química (porcentaje de carbono y otros elementos) y de la velocidad de enfriamiento, que se controla mediante la elección del medio refrigerante (agua, aceite o aire).

Conclusiones

En el primer capítulo, analizamos cómo se clasifican los aceros según su composición química general y su uso previsto, y cuáles de ellos se utilizan para cuchillos de cocina de calidad. En el segundo capítulo, introdujimos las definiciones de propiedades mecánicas relevantes de los materiales metálicos y los principios de su medición. A esto siguió una rápida visión general de la estructura atómica de los metales y la conexión entre la deformación plástica a nivel microscópico y macroscópico. Cuando utilizamos cuchillos de cocina queremos evitar la deformación plástica, porque en la práctica se traduce en daños en el filo y reducción del filo. En el último capítulo, combinamos todos los conocimientos previos y presentamos mecanismos metalúrgicos que mejoran la resistencia de los materiales metálicos. Lo que todos tienen en común es que, a nivel microscópico, impiden de diversas formas el movimiento de las dislocaciones en la red cristalina. También es importante señalar que todos los mecanismos de endurecimiento descritos eventualmente fallan 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 altas temperaturas durante períodos de tiempo prolongados (por ejemplo, por encima de 150 grados centígrados).

⬌

 ➨ 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.
➨ Fortaleza: Resistencia a cambios de forma bajo la influencia de fuerzas externas.
➨ Resistencia a la tracción: la tensión máxima que un material puede soportar mientras se estira o tira antes de romperse.
➨ Dureza: Resistencia del material al gofrado o a la deformación plástica (permanente) localizada. En consecuencia, 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. Hay dos versiones (y unidades) de este método: HRb y HRc.
➨ Ductilidad: Grado en el que un material puede sufrir deformación plástica bajo tensión de tracción antes de fallar. Cuanta más deformación pueda soportar un material sin romperse por fragilidad, más dúctil será.
➨ Tenacidad: Propiedad de un material de absorber mucha energía antes de romperse.
➨ Carburos: Compuestos binarios compuestos de carbono y un metal o, en algunos casos, un semimetal. Tienen gran resistencia y son quebradizos.
➨ Materiales cristalinos: Materiales sólidos cuyos constituyentes, como los átomos, están dispuestos en estructuras microscópicas o células básicas altamente ordenadas. Estas células se repiten periódicamente en una red cristalina tridimensional y tienen propiedades simétricas.
➨ Dislocaciones: Un defecto cristalográfico lineal o irregularidad dentro de una estructura cristalina que contiene un cambio abrupto en la disposición de los átomos. Son más relevantes en el caso de materiales metálicos porque permiten la deformación plástica con una tensión relativamente pequeña.
➨ Endurecimiento por deformación: Fortalecimiento de un metal por deformación plástica. Este fortalecimiento se produce debido a los movimientos de dislocación y la generación de dislocaciones dentro de la estructura cristalina del material.
➨ Forjar: La conformación del metal donde la deformación plástica se produce al dar golpes consecutivos con un martillo o al aplicar lentamente una presión continua en una prensa.
➨ Endurecimiento en estado sólido: un mecanismo que explica por qué las aleaciones de diferentes elementos son más fuertes que los metales puros.
➨ Temple: un tipo de tratamiento térmico en el que primero se calienta el acero hasta una temperatura de enfriamiento (la temperatura de la austenita, una solución sólida de hierro, con un elemento de aleación) y luego se enfría rápidamente, obteniendo así martensita, una forma muy dura de estructura cristalina de acero.

⬌