Introduction à la métallurgie des couteaux de cuisine

Types d’acier

L’acier est essentiellement un alliage de fer (Fe) et de carbone (C), ce dernier représentant jusqu’à 2 % de la masse totale. Même une très faible quantité de carbone modifie considérablement les propriétés mécaniques de l’acier, améliorant notamment sa résistance, ce qui est essentiel pour toute application pratique. Un alliage contenant plus de 2 % de carbone est appelé fonte, un matériau assez fragile et donc inadapté aux couteaux de cuisine ou aux outils similaires. Cependant, une forte teneur en carbone entraîne un point de fusion plus bas, ce qui signifie que la fonte est plus facile à couler dans des moules et convient donc, par exemple, à la fabrication de cocottes en fonte.

L’acier peut également être mélangé à d’autres éléments, souvent du chrome (Cr), du vanadium (V) et du molybdène (Mo), qui améliorent encore ses propriétés mécaniques et, dans certains cas, sa résistance à la corrosion. Ce groupe est appelé acier allié. Un sous-groupe particulier des aciers alliés est celui des aciers à outils, dont la caractéristique commune est d’être utilisés pour fabriquer des outils (couteaux, scies, haches, forets, etc.). Ils conviennent lorsqu’une ténacité, une résistance et une résistance à l’abrasion élevées sont requises.

Les propriétés mécaniques exceptionnelles des aciers à outils impliquent qu’ils sont exigeants à produire et à usiner, ce qui les rend à leur tour plus coûteux que les aciers contenant moins d’éléments d’alliage. En termes de matériaux, la plupart des couteaux de cuisine de qualité appartiennent à la famille des aciers à outils. La figure ci-dessous présente une répartition schématique des alliages de fer, et les familles d’aciers utilisées pour fabriquer les couteaux de cuisine y sont mises en évidence. 👇

Propriétés mécaniques des matériaux

Afin de décrire les propriétés des couteaux de cuisine et leurs différences en matière de qualité, il est utile de commencer par définir quelques concepts fondamentaux concernant les propriétés mécaniques du matériau et la manière dont nous les mesurons.

Propriétés mécaniques : RÉSISTANCE, DURETÉ, DUCTILITÉ, TÉNACITÉ

Résistance

L’une des propriétés les plus fondamentales des matériaux métalliques est leur résistance mécanique, définie comme leur résistance aux changements de forme sous l’influence de forces externes. Elle est mesurée expérimentalement au moyen d’essais de traction, au cours desquels une éprouvette d’un matériau allongé est serrée dans des mâchoires, qui sont ensuite lentement écartées jusqu’à la rupture de l’éprouvette. La courbe de la force en fonction du déplacement des mâchoires est alors enregistrée. Pour faciliter la comparaison entre des éprouvettes de tailles différentes, les valeurs sont généralement converties en une courbe contrainte-déformation. Un exemple est présenté dans la figure ci-dessous, qui montre également de manière schématique l’aspect extérieur typique d’une éprouvette. 👇

La partie initiale, très pentue, de la courbe représente une déformation élastique : le matériau reprend sa forme initiale lorsque la charge est supprimée. Avec une augmentation supplémentaire de la charge, une modification irréversible de la forme se produit, c’est-à-dire que le matériau se déforme plastiquement. Nous voulons absolument éviter cette situation avec les couteaux de cuisine, car en pratique cela signifie que le tranchant ou la lame entière se plie. L’éprouvette de l’essai de traction peut être étirée davantage jusqu’à un certain point où la force maximale est enregistrée, appelé « résistance à la traction ». Après ce point, la force diminue même légèrement en raison de la déformation transversale de l’éprouvette, jusqu’au moment où celle-ci se rompt.

Dureté

Par définition, la dureté d’un matériau est sa résistance à l’embossage ou à une déformation plastique localisée (permanente). Cela signifie donc également une résistance à l’usure. La dureté est une grandeur différente de la résistance mécanique, bien qu’elles soient directement liées. La résistance mécanique est définie avec davantage de précision sur le plan physique, mais la dureté est généralement plus facile à mesurer en pratique et elle est également plus pertinente dans le cas des couteaux de cuisine. Il existe plusieurs méthodes de mesure de la dureté, fondées sur l’enfoncement d’un pénétrateur de forme standard dans la surface du matériau et sur la mesure de la profondeur de l’empreinte. Pour les aciers à outils, on utilise souvent la méthode Rockwell (HRC) de mesure de la dureté, dans laquelle le pénétrateur est un cône en diamant. Toutefois, d’autres méthodes sont plus adaptées aux matériaux plus tendres, par exemple la mesure de la dureté à l’aide d’un pénétrateur sphérique.

Ductilité

Une propriété mécanique pertinente est également la ductilité ou la plasticité, c’est-à-dire une mesure de la déformation plastique avant la rupture. Dans la figure ci-dessus représentant la courbe de l’essai de traction, cela correspond à l’ampleur de la déformation au point F, tandis que la contrainte à laquelle la rupture s’est produite n’est pas pertinente.

Ténacité

La ténacité est toutefois la propriété d’un matériau à absorber beaucoup d’énergie avant de se rompre. Cela signifie qu’il doit supporter le plus grand allongement possible sous une force maximale. Certains matériaux se rompent sous une force élevée, mais avec un faible allongement. On dit qu’ils sont fragiles. L’aire sous la courbe de l’essai de traction représente la ténacité et est également indiquée dans la figure ci-dessous. 👇

Les métaux sont des matériaux cristallins, ce qui signifie que leur structure atomique est organisée en mailles élémentaires. On dit également qu’ils présentent un ordre à longue distance – leur structure se répète périodiquement sur de nombreuses distances interatomiques. Les différents métaux (éléments métalliques) possèdent différents types de mailles élémentaires, qui peuvent même changer avec la température. Dans le cas des alliages de fer, les deux types de mailles élémentaires les plus importants – la maille cubique à faces centrées (à gauche) et la maille cubique centrée (à droite) – sont représentés dans la figure ci-dessus. 👆

En pratique, les cristaux idéaux, dans lesquels la même structure atomique se répéterait périodiquement sans défaut sur une longue distance (par exemple, dans l’ensemble du produit), n’existent pas. Dans une structure cristalline idéale, tous les cristaux ou métaux contiennent des défauts de différents types : ponctuels, linéaires, plans ou volumiques.

Même dans un métal chimiquement pur (élément métallique), le réseau cristallin contient des défauts ponctuels, ce qui signifie qu’un atome donné est absent de son emplacement théorique ou inséré au mauvais endroit. Le nombre de ces défauts augmente exponentiellement avec la température. À une température suffisamment élevée, les atomes changent rapidement de place, se déplacent le long du réseau cristallin et le nombre de défauts augmente jusqu’à ce que la structure ordonnée se désintègre. À ce moment-là, le métal se liquéfie.

Les deux images ci-dessous représentent schématiquement des exemples de défauts ponctuels : un atome du même type disparaît d’un emplacement du réseau cristallin où il devrait théoriquement se trouver (figure de gauche) ; ou l’atome d’un autre élément est inséré dans le réseau cristallin à un emplacement inattendu, ou il remplace l’atome de l’élément majoritaire (figure de droite). 👇

Les défauts linéaires appelés dislocations sont également toujours présents dans les métaux et apparaissent lorsqu’une couche d’atomes est insérée entre d’autres couches. Sous l’effet de contraintes externes, les atomes appartenant à la couche intercalée peuvent changer de voisins et établir une liaison avec d’autres couches d’atomes. De cette manière, les dislocations se déplacent le long du réseau métallique, permettant ainsi à de nombreux atomes de changer définitivement de position. Le mouvement et la formation de nouvelles dislocations constituent un concept très important en métallurgie, car à l’échelle microscopique, ils expliquent la déformation plastique observée à l’échelle macroscopique. Cela nous conduit également à la conclusion que, si nous voulons réduire la déformation plastique de notre produit ou augmenter sa résistance, nous devons d’une manière ou d’une autre empêcher le mouvement des dislocations. 👇

Les produits métalliques ne possèdent pas de réseau cristallin orienté uniformément dans tout leur volume, mais sont plutôt composés d’un grand nombre de grains cristallins ayant des orientations différentes. Cela est dû au processus de solidification du métal, qui passe de l’état liquide à l’état solide et commence en de nombreux endroits simultanément. Les grains cristallins orientés différemment dans le métal liquide croissent vers l’extérieur jusqu’à entrer en collision avec leurs voisins, et tout le métal passe alors à l’état solide. Les grains cristallins ne sont pas visibles à l’œil nu ; leur taille ne dépasse généralement pas un dixième de millimètre, mais ils peuvent être observés au microscope optique. Les deux images ci-dessous montrent une microstructure métallique composée de nombreux grains cristallins à l’état non déformé (figure de gauche) et après une déformation plastique importante (figure de droite), lorsque les grains cristallins ont changé de forme, c’est-à-dire qu’ils se sont aplatis. 👇

 Une caractéristique commune à tous les mécanismes de renforcement est qu’ils entravent le mouvement des dislocations le long des réseaux cristallins des matériaux métalliques. À l’échelle microscopique, le mouvement des dislocations constitue le mécanisme de déformation plastique détecté à l’œil nu à l’échelle macroscopique.

Écrouissage

L’écrouissage est un phénomène au cours duquel la limite de déformation plastique d’un matériau augmente avec l’augmentation de la déformation plastique. Cela est dû à la formation d’un très grand nombre de nouvelles dislocations qui se déplacent dans différentes directions le long du réseau cristallin et entravent mutuellement leur mouvement. Dans la fabrication des couteaux de cuisine, ce phénomène se produit lors du forgeage, lorsque les lames sont déformées plastiquement ou changent de forme sous l’effet de coups de marteau. En pratique, le processus ne peut pas être poursuivi indéfiniment, car, outre la résistance, la fragilité augmente également et le produit peut se fissurer en cas de déformation plastique excessive.

La figure ci-dessous montre les courbes d’écrouissage en fonction du degré de déformation plastique pour certains matériaux typiques. On constate que la variation de la limite d’élasticité peut être assez marquée. 👇

Durcissement par solution solide

Le durcissement par solution solide est un mécanisme qui explique pourquoi les alliages de différents éléments sont plus résistants que les métaux purs. Les atomes des éléments ajoutés à l’élément majoritaire s’insèrent dans son réseau cristallin, y introduisant des irrégularités en raison de la taille différente des atomes. Les irrégularités du réseau cristallin provoquent des contraintes internes qui, à leur tour, entravent le mouvement des dislocations. Cela est également représenté schématiquement dans la figure ci-dessous. Ce mécanisme explique pourquoi l’acier, qui est un alliage de carbone et de fer, est plus résistant que le fer pur et pourquoi l’alliage avec des éléments supplémentaires (Cr, Mo, V) améliore encore ses propriétés mécaniques. 👇

Durcissement par contrôle de la taille des grains

À l’échelle microscopique, les produits métalliques sont constitués d’un grand nombre de grains cristallins orientés aléatoirement. La séquence ordonnée des atomes dans un grain cristallin ne se poursuit pas au-delà de la limite dans le grain cristallin voisin. Les limites des grains cristallins constituent donc des obstacles au mouvement des dislocations et empêchent par conséquent également la déformation plastique (voir illustration ci-dessous). Les grains cristallins ont généralement une taille comprise entre 0.001 et 0.1 millimètre. Plus les grains sont petits, plus il y a de limites entre eux par unité de volume et plus ils entravent le mouvement des dislocations. Ce mécanisme de durcissement explique pourquoi les couteaux de cuisine à structure à grains fins, comme les couteaux japonais, sont plus résistants et de meilleure qualité. La taille des grains dans le produit dépend d’une combinaison complexe des effets de la composition chimique et du traitement thermomécanique (par exemple, le forgeage à chaud). 👇

Trempe

La trempe est le processus qui consiste à améliorer les propriétés mécaniques d’un produit chaud en le refroidissant rapidement. La première condition pour qu’un matériau puisse être trempé est l’existence du métal pur sous deux types de réseaux cristallins à des températures différentes. À température ambiante, le fer possède un réseau cristallin cubique centré qui, à environ 730 degrés Celsius, se transforme en réseau cubique à faces centrées. La même transition se produit en sens inverse lorsque la température diminue. La deuxième condition est la présence d’un élément d’alliage dont les atomes sont répartis uniformément aux emplacements qui leur sont propres dans le réseau cristallin. Dans le cas des couteaux de cuisine en acier, le métal de base est le fer et l’élément d’alliage est le carbone. Lorsque le produit refroidit assez rapidement à partir d’une température élevée (supérieure à 730 degrés Celsius), les atomes de fer s’organisent en un autre type de réseau cristallin, tandis que les atomes de carbone n’ont pas suffisamment de temps pour se déplacer vers d’autres emplacements. Ils restent « gelés » à leurs emplacements précédents et introduisent des contraintes internes dans le réseau cristallin, ce qui entrave à son tour le déplacement des dislocations.
Les contraintes internes causées par la trempe peuvent être si importantes que le produit change considérablement de forme, se déforme ou se fissure même. Cela dépend principalement de la composition chimique (pourcentage de carbone et d’autres éléments) et de la vitesse de refroidissement, contrôlée par le choix du milieu de refroidissement (eau, huile ou air).

Conclusions

Dans le premier chapitre, nous avons examiné comment les aciers sont classés selon leur composition chimique générale et leur utilisation prévue, et lesquels sont utilisés pour fabriquer des couteaux de cuisine de qualité. Dans le deuxième chapitre, nous avons présenté les définitions des propriétés mécaniques pertinentes des matériaux métalliques ainsi que les principes de leur mesure. Nous avons ensuite donné un bref aperçu de la structure atomique des métaux et du lien entre la déformation plastique aux niveaux microscopique et macroscopique. Lors de l’utilisation de couteaux de cuisine, nous voulons éviter la déformation plastique, car, en pratique, elle se traduit par une détérioration du tranchant et une perte de netteté. Dans le dernier chapitre, nous avons rassemblé toutes les connaissances précédentes et présenté les mécanismes métallurgiques qui améliorent la résistance des matériaux métalliques. Ils ont tous en commun d’empêcher, à l’échelle microscopique, le déplacement des dislocations dans le réseau cristallin de différentes manières. Il est également important de noter que tous les mécanismes de durcissement décrits finissent par perdre leur efficacité à des températures élevées, car tous les atomes et, par conséquent, les dislocations se déplacent plus rapidement. Cela explique également pourquoi les couteaux de cuisine de qualité ne doivent pas être exposés à des températures élevées pendant de longues périodes (par exemple, au-dessus de 150 degrés Celsius).

 ➨ Aciers alliés : aciers qui, en plus du carbone (C), contiennent également d’autres éléments, souvent du chrome (Cr), du vanadium (V) et du molybdène (Mo). Ceux-ci améliorent encore leurs propriétés mécaniques et, dans certains cas, leur résistance à la corrosion.
➨ Résistance : résistance aux changements de forme sous l’influence de forces externes.
➨ Résistance à la traction : contrainte maximale qu’un matériau peut supporter lorsqu’il est étiré ou soumis à une traction avant de se rompre.
➨ Dureté : résistance d’un matériau à l’empreinte ou à la déformation plastique localisée (permanente). Par conséquent, elle désigne également la résistance à l’usure.
➨ Méthode de Rockwell (HRC) : échelle de dureté utilisée en métallurgie pour mesurer la dureté des matériaux durs. Le résultat est un nombre sans dimension. Il existe deux versions (et unités) de cette méthode : HRb et HRc.
➨ Ductilité : degré auquel un matériau peut subir une déformation plastique sous une contrainte de traction avant la rupture. Plus un matériau peut se déformer sans se rompre sous l’effet de sa fragilité, plus il est ductile.
➨ Ténacité : propriété d’un matériau à absorber une grande quantité d’énergie avant de se rompre.
➨ Carbures : composés binaires constitués de carbone et d’un métal ou, dans certains cas, d’un semi-métal. Ils présentent une résistance élevée et sont fragiles.
➨ Matériaux cristallins : matériaux solides dont les constituants, tels que les atomes, sont disposés selon des structures microscopiques ou des mailles élémentaires très ordonnées. Ces mailles se répètent périodiquement dans un réseau cristallin tridimensionnel et possèdent des propriétés symétriques.
➨ Dislocations : défaut ou irrégularité cristallographique linéaire au sein d’une structure cristalline, caractérisé par une modification brusque de l’agencement des atomes. Elles sont particulièrement importantes pour les matériaux métalliques, car elles permettent une déformation plastique sous une contrainte relativement faible.
➨ Écrouissage : renforcement d’un métal par déformation plastique. Ce renforcement se produit en raison des mouvements et de la génération de dislocations au sein de la structure cristalline du matériau.
➨ Forgeage : mise en forme du métal par déformation plastique, obtenue en appliquant des coups successifs avec un marteau ou en exerçant lentement une pression continue dans une presse.
➨ Durcissement par solution solide : mécanisme qui explique pourquoi les alliages composés de différents éléments sont plus résistants que les métaux purs.
➨ Trempe : type de traitement thermique au cours duquel l’acier est d’abord chauffé à une température de trempe (la température de l’austénite, une solution solide de fer avec un élément d’alliage), puis refroidi rapidement, ce qui permet d’obtenir de la martensite, une forme très dure de la structure cristalline de l’acier.

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Auteur de l’article : Matevž Pintar, MSc en génie mécanique
Images : Callister, William D. Jr. et Rethwisch, David G. 2014. Materials Science and Engineering: An Introduction. Hoboken : John Wiley & Sons, Inc.