Introduction à la métallurgie des couteaux de cuisine

Types d'acier

L'acier est essentiellement un alliage d'éléments fer (Fe) et carbone (C), ce dernier représentant jusqu'à 2 % de la masse totale. Même une très petite quantité de carbone modifie considérablement les propriétés mécaniques de l’acier, améliorant notamment sa résistance, ce qui est crucial 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 outils similaires. Cependant, une teneur élevée en carbone entraîne un point de fusion plus bas, ce qui signifie que la fonte est plus facile à couler dans les moules et convient donc, par exemple, à la fabrication de casseroles 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, également sa résistance à la corrosion. Ce groupe est appelé acier allié. Un sous-groupe particulier d'aciers alliés sont les aciers à outils, dont la caractéristique commune est qu'ils sont utilisés pour les outils (couteaux, scies, haches, perceuses, etc.). Ils conviennent pour une utilisation chaque fois qu'une ténacité, une résistance et une résistance à l'abrasion élevées sont requises.

Les propriétés mécaniques exceptionnelles des aciers à outils signifient par conséquent qu'ils sont exigeants à produire et à traiter, ce qui les rend plus chers 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 sont mises en évidence. 👇

Propriétés mécaniques des matériaux

Afin de décrire les propriétés des couteaux de cuisine et leur différenciation en termes de qualité, il est utile de définir d'abord quelques concepts de base concernant les propriétés mécaniques du matériau et la manière dont nous les mesurons.

Propriétés mécaniques: RÉSISTANCE, DURETÉ, DUCTILITÉ, RÉSISTANCE

➨ Force

L'une des propriétés les plus fondamentales des matériaux métalliques est leur force, définie comme la résistance aux changements de forme sous l’influence de forces extérieures. Elle est mesurée expérimentalement par des essais de traction, où un échantillon d'un matériau allongé est serré dans les mâchoires, qui sont ensuite lentement écartées jusqu'à ce que l'échantillon se rompe. Ce faisant, la courbe de force en fonction du déplacement des mâchoires est enregistrée. Pour faciliter la comparaison d'échantillons de différentes tailles, les valeurs sont généralement converties en une courbe contrainte/déformation. Un exemple de ceci est montré dans la figure ci-dessous, qui présente également schématiquement l'aspect extérieur typique d'un échantillon. 👇

La partie initiale, très raide, de la courbe représente une déformation élastique lorsque le matériau reprend sa forme initiale lorsque la charge est supprimée. Avec une nouvelle augmentation de la charge, un changement de forme irréversible se produit, c'est-à-dire que le matériau est déformé plastiquement. Nous voulons absolument éviter cette situation avec les couteaux de cuisine, car dans la pratique, cela signifie que le tranchant ou la totalité de la lame se plie. L'échantillon lors de l'essai de traction peut être davantage étiré jusqu'à un certain point où la force maximale est enregistrée, appelée « résistance à la traction ». Passé ce point, la force diminue même légèrement du fait de la déformation transversale de l'échantillon, jusqu'au moment où l'échantillon se brise.

➨ Dureté

La dureté d'un matériau est, par définition, sa résistance au gaufrage ou à la déformation plastique (permanente) localisée. Par conséquent, cela signifie également une résistance à l’usure. La dureté est une quantité différente de la force, bien qu’elles soient directement liées. La résistance est définie physiquement plus précisément, mais la dureté est généralement plus facile à mesurer dans la pratique et est également plus pertinente dans le cas des couteaux de cuisine. Il existe plusieurs méthodes différentes pour mesurer la dureté et elles consistent à enfoncer une sonde de forme standard dans la surface du matériau et à mesurer la profondeur de l'empreinte. Pour les aciers à outils, la méthode Rockwell (HRC) de mesure de la dureté est souvent utilisée, où la sonde est un cône en diamant. Il existe cependant d’autres méthodes plus adaptées aux matériaux plus tendres, par exemple la mesure de la dureté avec une sonde en forme de boule.

➨ Ductilité

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

➨ Dureté

La ténacité, cependant, est la propriété d’un matériau d’absorber beaucoup d’énergie avant de se briser. Cela signifie qu'il doit résister à autant d'allongement que possible avec une force maximale. Certains matériaux se brisent sous une force élevée mais avec un faible allongement. On dit qu'ils sont fragiles. L'aire sous la courbe d'essai de traction représente la ténacité et est également illustrée dans la figure ci-dessous. 👇

Les métaux sont des matériaux cristallins, ce qui signifie que leur structure atomique est organisée en cellules unitaires. On dit également qu'ils présentent un ordre à longue portée – ils ont une structure périodiquement répétitive sur de nombreuses distances interatomiques. Différents métaux (éléments métalliques) possèdent différents types de cellules unitaires qui peuvent même changer avec la température. Dans le cas des alliages de fer, les deux types de cellules unitaires les plus importants : la cellule cubique à face centrée (à gauche) et la cellule cubique à corps centré (à droite) - sont illustrés dans la figure ci-dessus. 👆

En pratique, il n’existe pas de cristaux idéaux, dans lesquels la même structure atomique se répéterait périodiquement sans erreur sur une longue distance (par exemple, le produit entier). Dans une structure cristalline idéale, tous les cristaux ou métaux contiennent des défauts de différents types : défauts 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 particulier manque à son emplacement théorique ou est inséré au mauvais endroit. Le nombre de ces erreurs augmente de façon exponentielle 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. A ce moment, le métal se liquéfie.

Les deux images ci-dessous représentent schématiquement des exemples d'erreurs ponctuelles : un atome du même type disparaît d'un endroit du réseau cristallin où il devrait théoriquement se trouver (figure de gauche) ; soit l'atome d'un autre élément s'insère dans le réseau cristallin à un endroit inattendu, soit il remplace l'atome de l'élément majoritaire (figure de droite). 👇

Les défauts linéaires appelés dislocations sont également toujours présents dans les métaux et se produisent lorsqu'une couche d'atomes est insérée entre d'autres couches. Sous l'influence de contraintes externes, les atomes appartenant à la couche entrelacée peuvent changer de voisins et établir une liaison avec d'autres couches d'atomes. De cette manière, les dislocations se déplacent le long d’un réseau métallique, permettant ainsi à de nombreux atomes de changer de place de manière permanente. Le mouvement et la formation de nouvelles dislocations sont un concept très important en métallurgie, car au niveau microscopique il représente une explication de la déformation plastique observée au niveau macroscopique. Cela nous amène 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 inhiber le mouvement des dislocations. 👇

Les produits métalliques n'ont pas de réseau cristallin uniformément orienté dans tout leur volume, mais sont plutôt composés d'un grand nombre de grains cristallins d'orientations différentes. Cela est dû au processus de solidification du métal de l’état liquide à l’état solide, qui commence simultanément à plusieurs endroits. Les grains cristallins du métal liquide, orientés différemment, se développent vers l'extérieur jusqu'à ce qu'ils entrent en collision avec leurs voisins et que tout le métal se transforme en un état solide. Les grains de cristal ne sont pas visibles à l’œil nu, ils ne mesurent généralement pas plus d’un dixième de millimètre, mais ils peuvent être observés au microscope optique. Les deux images ci-dessous montrent une microstructure métallique avec 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 luxations représente le mécanisme de déformation plastique détecté à l'œil nu à l'échelle macroscopique.

➨ Durcissement

L'écrouissage est un phénomène dans lequel la limite de déformation plastique d'un matériau augmente avec l'augmentation de la déformation plastique. Cela est dû à la formation d’un grand nombre de nouvelles dislocations qui se déplacent dans des directions différentes le long du réseau cristallin et gênent mutuellement leur mouvement. Dans la fabrication des couteaux de cuisine, ce phénomène se produit lors du processus de forgeage, lorsque les lames sont déformées plastiquement ou modifiées par les 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 trop importante.

La figure ci-dessous montre les courbes d'écrouissage en fonction du degré de déformation plastique pour certains matériaux typiques. On voit que le changement de limite de plasticité peut être assez prononcé. 👇

➨ Renforcement de solution solide

Le durcissement à l’état 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 sont insérés dans son réseau cristallin, introduisant des irrégularités en raison des atomes de tailles différentes. Les irrégularités du réseau cristallin provoquent des contraintes internes, qui à leur tour entravent le mouvement des dislocations. Ceci 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. 👇

➨ Renforcement avec contrôle de la granulométrie

Au niveau microscopique, les produits métalliques sont constitués d’un grand nombre de grains cristallins orientés de manière aléatoire. La séquence ordonnée d’atomes dans un grain cristallin ne se poursuit pas au-delà de la frontière dans l’autre grain cristallin. Les limites des grains cristallins constituent donc des obstacles au mouvement des dislocations et empêchent donc également la déformation plastique (image ci-dessous). Les grains de cristal ont généralement une taille comprise entre 0,001 et 0,1 millimètres. Plus les grains sont petits, plus il y a de frontières entre eux par unité de volume et plus ils gênent le mouvement des dislocations. Ce mécanisme de durcissement explique pourquoi les couteaux de cuisine à structure à grain fin, comme les couteaux japonais, sont plus solides et de meilleure qualité. La taille des grains du produit dépend d'une combinaison complexe d'effets de la composition chimique et du traitement thermomécanique (par exemple, forgeage à chaud). 👇

➨ Trempe

La trempe est le processus d'amélioration des propriétés mécaniques en refroidissant rapidement un produit chaud. La première condition pour pouvoir durcir est l’existence de métal pur dans deux types de réseaux cristallins à des températures différentes. À température ambiante, le fer existe dans un réseau cristallin cubique centré sur le corps qui, à environ 730 degrés Celsius, se transforme en un 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 uniformément répartis à leurs endroits caractéristiques 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 se lient dans un autre type de réseau cristallin, tandis que les atomes de carbone n'ont pas suffisamment de temps pour se déplacer vers d'autres endroits. Ils restent « figés » à leur place précédente et introduisent des contraintes internes dans le réseau cristallin, ce qui entrave le mouvement des dislocations.
Les contraintes internes provoquées par la trempe peuvent être si importantes que le produit change considérablement de forme, se plie ou même se fissure. Cela dépend principalement de la composition chimique (pourcentage de carbone et autres éléments) et de la vitesse de refroidissement, qui est contrôlée par le choix du fluide de refroidissement (eau, huile ou air).

conclusion

Dans le premier chapitre, nous avons examiné comment les aciers sont classés en fonction de leur composition chimique générale et de leur utilisation prévue, et lesquels d'entre eux sont utilisés pour fabriquer des couteaux de cuisine de qualité. Dans le deuxième chapitre, nous avons introduit les définitions des propriétés mécaniques pertinentes des matériaux métalliques et les principes de leur mesure. Cela a été suivi d'un rapide aperçu de la structure atomique des métaux et du lien entre la déformation plastique aux niveaux microscopique et macroscopique. Lorsque nous utilisons des couteaux de cuisine, nous voulons éviter la déformation plastique, car dans la pratique, cela se traduit par des dommages au tranchant et une diminution du tranchant. Dans le dernier chapitre, nous avons combiné toutes les connaissances antérieures et présenté les mécanismes métallurgiques qui améliorent la résistance des matériaux métalliques. Ce qu’ils ont tous en commun, c’est qu’au niveau microscopique, ils empêchent de diverses manières le mouvement des dislocations dans le réseau cristallin. Il est également important de noter que tous les mécanismes de durcissement décrits finissent par échouer 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 : des 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 ses propriétés mécaniques et, dans certains cas, également sa résistance à la corrosion.
➨ Force: résistance aux changements de forme sous l’influence de forces extérieures.
➨ Résistance à la traction: la contrainte maximale qu'un matériau peut supporter lorsqu'il est étiré ou tiré avant de se briser.
➨ Dureté: résistance du matériau au gaufrage ou à la déformation plastique (permanente) localisée. Par conséquent, cela signifie également une résistance à l’usure.
➨ Méthode Rockwell (HRC) : une échelle de dureté utilisée en métallurgie pour mesurer la dureté des substances dures. Le résultat est un nombre sans dimension. Il existe deux versions (et unités) de cette méthode : HRb et HRc.
➨ Ductilité: le degré auquel un matériau peut subir une déformation plastique sous une contrainte de traction avant sa rupture. Plus un matériau peut résister à des déformations sans se briser du fait de sa fragilité, plus il est ductile.
➨ Dureté: propriété d'un matériau d'absorber beaucoup d'énergie avant de se briser.
➨ Carbures : composés binaires composés de carbone et d'un métal ou, dans certains cas, d'un semi-métal. Ils ont une grande résistance et sont fragiles.
➨ Matériaux cristallins : matériaux solides dont les constituants, tels que les atomes, sont disposés en structures microscopiques hautement ordonnées ou cellules basiques. Ces cellules se répètent périodiquement dans un réseau cristallin tridimensionnel et possèdent des propriétés symétriques.
➨ Luxations : un défaut cristallographique linéaire ou une irrégularité au sein d’une structure cristalline qui contient un changement brusque dans la disposition des atomes. Ils sont particulièrement pertinents en ce qui concerne les matériaux métalliques car ils permettent une déformation plastique sous une contrainte relativement faible.
➨ Durcissement : renforcement d'un métal par déformation plastique. Ce renforcement se produit en raison des mouvements de dislocations et de la génération de dislocations au sein de la structure cristalline du matériau.
➨ Forge : le façonnage du métal où la déformation plastique est provoquée par des coups consécutifs avec un marteau ou par l'application lente et continue d'une pression dans une presse.
➨ Durcissement à l'état solide : un mécanisme qui explique pourquoi les alliages de différents éléments sont plus résistants que les métaux purs.
➨ Trempe : un type de traitement thermique où 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, obtenant ainsi la martensite, une forme très dure de structure cristalline de l'acier.

⬌