Introduzione alla metallurgia dei coltelli da cucina

Tipi di acciaio

L'acciaio è fondamentalmente una lega di ferro (Fe) e carbonio (C), dove quest'ultimo rappresenta fino al 2% della massa totale. Anche una quantità molto piccola di carbonio modifica considerevolmente le proprietà meccaniche dell'acciaio, migliorandone in particolare la resistenza, fondamentale per qualsiasi applicazione pratica. Una lega con più del 2% di carbonio è chiamata ghisa, un materiale piuttosto fragile e quindi inadatto ai coltelli da cucina o a utensili simili. Tuttavia, un alto contenuto di carbonio comporta un punto di fusione più basso, il che rende la ghisa più facile da colare negli stampi e quindi, ad esempio, adatta alla realizzazione di pentole in ghisa.

L'acciaio può essere miscelato anche con altri elementi, spesso cromo (Cr), vanadio (V) e molibdeno (Mo), che ne migliorano ulteriormente le proprietà meccaniche e, in alcuni casi, anche la resistenza alla corrosione. Questo gruppo è chiamato acciaio legato. Un sottogruppo speciale degli acciai legati è costituito dagli acciai per utensili, la cui caratteristica comune è l'utilizzo per realizzare utensili (coltelli, seghe, asce, trapani ecc.). Sono adatti all'uso ogni volta che sono richieste elevata tenacità, resistenza e resistenza all'abrasione.

Le eccezionali proprietà meccaniche degli acciai per utensili fanno sì che siano impegnativi da produrre e lavorare e, di conseguenza, più costosi rispetto agli acciai con un numero inferiore di elementi di lega. Dal punto di vista del materiale, la maggior parte dei coltelli da cucina di qualità appartiene alla famiglia degli acciai per utensili. La figura seguente mostra una distribuzione schematica delle leghe di ferro e mette in evidenza le famiglie di acciai utilizzate per realizzare coltelli da cucina. 👇

Proprietà meccaniche dei materiali

Per descrivere le proprietà dei coltelli da cucina e le loro differenze in termini di qualità, è utile definire innanzitutto alcuni concetti fondamentali relativi alle proprietà meccaniche del materiale e al modo in cui le misuriamo.

Proprietà meccaniche: RESISTENZA, DUREZZA, DUTTILITÀ, TENACITÀ

Resistenza

Una delle proprietà più basilari dei materiali metallici è la loro resistenza meccanica, definita come la resistenza ai cambiamenti di forma sotto l'influenza di forze esterne. Viene misurata sperimentalmente mediante prove di trazione, durante le quali un provino di materiale allungato viene fissato nelle ganasce, che vengono poi lentamente allontanate fino alla rottura del provino. In questo modo viene registrata la curva della forza in funzione dello spostamento delle ganasce. Per facilitare il confronto tra provini di dimensioni diverse, i valori vengono generalmente convertiti in una curva tensione-deformazione. Un esempio è mostrato nella figura seguente, che presenta schematicamente anche l'aspetto esterno tipico di un provino. 👇

La parte iniziale, molto ripida, della curva rappresenta una deformazione elastica, durante la quale il materiale ritorna alla sua forma originale quando il carico viene rimosso. Con un ulteriore aumento del carico si verifica un cambiamento irreversibile della forma, cioè il materiale si deforma plasticamente. Con i coltelli da cucina vogliamo assolutamente evitare questa situazione, perché nella pratica significa che il filo o l'intera lama si piega. Il provino nella prova di trazione può essere ulteriormente allungato fino a un certo punto, in corrispondenza del quale si registra la forza massima, chiamata «resistenza a trazione». Dopo questo punto, la forza diminuisce leggermente a causa della deformazione trasversale del provino, fino al momento in cui il provino si rompe.

Durezza

La durezza di un materiale è, per definizione, la sua resistenza all'incisione o alla deformazione plastica localizzata (permanente). Di conseguenza, indica anche la resistenza all'usura. La durezza è una grandezza diversa dalla resistenza meccanica, sebbene siano direttamente correlate. La resistenza meccanica è definita in modo fisicamente più preciso, ma la durezza è generalmente più facile da misurare nella pratica ed è anche più rilevante nel caso dei coltelli da cucina. Esistono diversi metodi per misurare la durezza, basati sulla pressione di una sonda di forma standard sulla superficie del materiale e sulla misurazione della profondità dell'impronta. Per gli acciai per utensili si usa spesso il metodo Rockwell (HRC) per la misurazione della durezza, in cui la sonda è un cono di diamante. Esistono tuttavia altri metodi più adatti ai materiali più teneri, come la misurazione della durezza con una sonda a forma di sfera.

Duttilità

Una proprietà meccanica rilevante è anche la duttilità o plasticità, cioè una misura della deformazione plastica prima della frattura. Nella figura precedente della curva della prova di trazione, ciò corrisponde alla quantità di deformazione nel punto F, mentre la tensione alla quale si è verificata la rottura è irrilevante.

Tenacità

La tenacità, tuttavia, è la proprietà di un materiale di assorbire molta energia prima di rompersi. Ciò significa che deve sopportare il massimo allungamento possibile alla forza massima. Alcuni materiali si rompono sotto una forza elevata ma con un basso allungamento. Si dice che sono fragili. L’area sottesa dalla curva della prova di trazione rappresenta la tenacità ed è mostrata anche nella figura sottostante. 👇

I metalli sono materiali cristallini, il che significa che la loro struttura atomica è organizzata in celle elementari. Si dice inoltre che presentano un ordine a lungo raggio – hanno una struttura che si ripete periodicamente su molte distanze interatomiche. Metalli diversi (elementi metallici) hanno diversi tipi di celle elementari, che possono persino cambiare con la temperatura. Nel caso delle leghe di ferro, nella figura sopra sono mostrati i due tipi di celle elementari più importanti – la cella cubica a facce centrate (a sinistra) e la cella cubica a corpo centrato (a destra). 👆

In pratica, non esistono cristalli ideali, nei quali la stessa struttura atomica si ripeterebbe periodicamente e senza errori per una lunga distanza (ad esempio, nell’intero prodotto). In una struttura cristallina ideale, tutti i cristalli o metalli contengono difetti di vari tipi: difetti puntuali, lineari, planari o volumetrici.

Anche in un metallo chimicamente puro (elemento metallico), il reticolo cristallino contiene difetti puntuali, il che significa che un determinato atomo manca nella sua posizione teorica oppure è inserito nella posizione sbagliata. Il numero di tali difetti aumenta esponenzialmente con la temperatura. A una temperatura sufficientemente elevata, gli atomi cambiano rapidamente posizione, si spostano lungo il reticolo cristallino e il numero di difetti aumenta fino a quando la struttura ordinata si disintegra. In quel momento, il metallo si liquefa.

Le due immagini sottostanti rappresentano schematicamente esempi di difetti puntuali: un atomo dello stesso tipo scompare da un punto del reticolo cristallino in cui, teoricamente, dovrebbe trovarsi (figura a sinistra); oppure l’atomo di un altro elemento viene inserito nel reticolo cristallino in un punto inatteso o sostituisce l’atomo dell’elemento maggioritario (figura a destra). 👇

Nei metalli sono sempre presenti anche difetti lineari chiamati dislocazioni, che si verificano quando uno strato di atomi viene inserito tra altri strati. Sotto l'influenza delle sollecitazioni esterne, gli atomi appartenenti allo strato intercalato possono cambiare i propri vicini e stabilire un legame con altri strati di atomi. In questo modo, le dislocazioni si spostano lungo un reticolo metallico, consentendo a molti atomi di cambiare permanentemente posizione. Il movimento e la formazione di nuove dislocazioni sono concetti molto importanti in metallurgia, poiché a livello microscopico rappresentano una spiegazione della deformazione plastica osservata a livello macroscopico. Questo ci porta anche alla conclusione che, se vogliamo ridurre la deformazione plastica del nostro prodotto o aumentarne la resistenza, dobbiamo in qualche modo inibire il movimento delle dislocazioni. 👇

I prodotti metallici non presentano un reticolo cristallino orientato uniformemente in tutto il loro volume, ma sono piuttosto composti da un gran numero di grani cristallini con orientamenti diversi. Ciò è dovuto al processo di solidificazione del metallo dallo stato liquido a quello solido, che inizia contemporaneamente in molti punti. I grani cristallini orientati diversamente nel metallo liquido crescono verso l'esterno finché entrano in collisione con i grani vicini e tutto il metallo passa allo stato solido. I grani cristallini non sono visibili a occhio nudo; in genere non sono più grandi di un decimo di millimetro, ma possono essere osservati con un microscopio ottico. Le due immagini sotto mostrano una microstruttura metallica con molti grani cristallini allo stato non deformato (immagine a sinistra) e dopo una significativa deformazione plastica (immagine a destra), quando i grani cristallini hanno cambiato forma, appiattendosi. 👇

 Una caratteristica comune a tutti i meccanismi di rafforzamento è che ostacolano il movimento delle dislocazioni lungo i reticoli cristallini dei materiali metallici. Su scala microscopica, il movimento delle dislocazioni rappresenta il meccanismo della deformazione plastica che viene rilevato a occhio nudo su scala macroscopica.

Incrudimento

L’incrudimento per deformazione è un fenomeno in cui il limite di deformazione plastica di un materiale aumenta all’aumentare della deformazione plastica. Ciò è dovuto alla formazione di un numero enorme di nuove dislocazioni che si muovono in direzioni diverse lungo il reticolo cristallino e ostacolano reciprocamente il loro movimento. Nella produzione dei coltelli da cucina, questo fenomeno si verifica nel processo di forgiatura, quando le lame vengono deformate plasticamente o ne viene modificata la forma mediante colpi di martello. In pratica, il processo non può essere proseguito indefinitamente, perché, oltre alla resistenza, aumenta anche la fragilità e il prodotto può incrinarsi in caso di deformazione plastica eccessiva.

La figura sotto mostra le curve di incrudimento in funzione del grado di deformazione plastica per alcuni materiali tipici. Si osserva che la variazione del limite di plasticità può essere piuttosto marcata. 👇

Incrudimento per soluzione solida

L’incrudimento per soluzione solida è un meccanismo che spiega perché le leghe di elementi diversi sono più resistenti dei metalli puri. Gli atomi degli elementi aggiunti all’elemento maggioritario si inseriscono nel suo reticolo cristallino, introducendo irregolarità a causa delle diverse dimensioni degli atomi. Le irregolarità nel reticolo cristallino causano tensioni interne che, a loro volta, ostacolano il movimento delle dislocazioni. Questo è mostrato schematicamente anche nella figura sotto. Questo meccanismo spiega perché l’acciaio, che è una lega di carbonio e ferro, è più resistente del ferro puro e perché la lega con elementi aggiuntivi (Cr, Mo, V) migliora ulteriormente le sue proprietà meccaniche. 👇

Incrudimento mediante il controllo della dimensione dei grani

A livello microscopico, i prodotti metallici sono costituiti da un gran numero di grani cristallini orientati casualmente. La sequenza ordinata degli atomi in un grano cristallino non prosegue oltre il confine nell’altro grano cristallino. Pertanto, i confini dei grani cristallini rappresentano ostacoli al movimento delle dislocazioni e di conseguenza impediscono anche la deformazione plastica (figura sotto). I grani cristallini hanno generalmente dimensioni comprese tra 0,001 e 0,1 millimetri. Più piccoli sono i grani, maggiore è il numero di confini tra loro per unità di volume e maggiore è l’ostacolo che oppongono al movimento delle dislocazioni. Questo meccanismo di incrudimento spiega perché i coltelli da cucina con una struttura a grana fine, come i coltelli giapponesi, sono più resistenti e di qualità superiore. La dimensione dei grani nel prodotto dipende da una complessa combinazione degli effetti della composizione chimica e del trattamento termomeccanico (ad esempio, la forgiatura a caldo). 👇

Tempra

La tempra è il processo di miglioramento delle proprietà meccaniche mediante il rapido raffreddamento di un prodotto caldo. La prima condizione per la capacità di temprare è l'esistenza del metallo puro in due tipi di reticolo cristallino a temperature diverse. A temperatura ambiente, il ferro esiste in un reticolo cristallino cubico a corpo centrato che, a circa 730 gradi Celsius, si trasforma in un reticolo cubico a facce centrate. La stessa transizione avviene in direzione opposta quando la temperatura diminuisce. La seconda condizione è la presenza di un elemento di lega, i cui atomi sono distribuiti uniformemente nelle loro posizioni caratteristiche all'interno del reticolo cristallino. Nel caso dei coltelli da cucina in acciaio, il metallo di base è il ferro e l'elemento di lega è il carbonio. Quando il prodotto si raffredda abbastanza rapidamente da una temperatura elevata (superiore a 730 gradi Celsius), gli atomi di ferro si legano formando un altro tipo di reticolo cristallino, mentre gli atomi di carbonio non hanno abbastanza tempo per spostarsi in altre posizioni. Rimangono “congelati” nelle posizioni precedenti e introducono tensioni interne nel reticolo cristallino, ostacolando a loro volta il movimento delle dislocazioni.
Le tensioni interne causate dalla tempra possono essere così elevate che il prodotto cambia significativamente forma, si piega o addirittura si crepa. Ciò dipende soprattutto dalla composizione chimica (percentuale di carbonio e di altri elementi) e dalla velocità di raffreddamento, controllata dalla scelta del mezzo di raffreddamento (acqua, olio o aria).

Conclusioni

Nel primo capitolo abbiamo esaminato come vengono classificati gli acciai in base alla composizione chimica generale e all'uso previsto, e quali di essi vengono utilizzati per coltelli da cucina di qualità. Nel secondo capitolo abbiamo introdotto le definizioni delle proprietà meccaniche rilevanti dei materiali metallici e i principi della loro misurazione. È seguita una breve panoramica della struttura atomica dei metalli e del legame tra deformazione plastica a livello microscopico e macroscopico. Quando usiamo i coltelli da cucina, vogliamo evitare la deformazione plastica, perché in pratica si traduce in un danneggiamento del filo e in una riduzione dell'affilatura. Nell'ultimo capitolo abbiamo riunito tutte le conoscenze precedenti e presentato i meccanismi metallurgici che migliorano la resistenza dei materiali metallici. Tutti hanno in comune il fatto che, a livello microscopico, impediscono in vari modi il movimento delle dislocazioni nel reticolo cristallino. È inoltre importante notare che tutti i meccanismi di incrudimento descritti alla fine cedono a temperature elevate, perché tutti gli atomi e, di conseguenza, anche le dislocazioni si muovono più velocemente. Questo spiega anche perché i coltelli da cucina di qualità non dovrebbero essere esposti a temperature elevate per periodi di tempo prolungati (ad esempio, superiori a 150 gradi Celsius).

 ➨ Acciai legati: acciai che, oltre al carbonio (C), contengono anche altri elementi, spesso cromo (Cr), vanadio (V) e molibdeno (Mo). Questi migliorano ulteriormente le proprietà meccaniche e, in alcuni casi, anche la resistenza alla corrosione.
➨ Resistenza: resistenza alle variazioni di forma sotto l'influenza di forze esterne.
➨ Resistenza a trazione: sollecitazione massima che un materiale può sopportare mentre viene sottoposto a trazione prima di rompersi.
➨ Durezza: resistenza di un materiale all'impronta o alla deformazione plastica localizzata (permanente). Di conseguenza, indica anche la resistenza all'usura.
➨ Metodo Rockwell (HRC): scala di durezza utilizzata in metallurgia per misurare la durezza delle sostanze dure. Il risultato è un numero adimensionale. Esistono due versioni (e unità) di questo metodo: HRb e HRc.
➨ grado in cui un materiale può sostenere una deformazione plastica sotto sforzo di trazione prima della rottura. Quanto più un materiale può deformarsi senza rompersi per fragilità, tanto più è duttile.
➨ Tenacità: proprietà di un materiale di assorbire molta energia prima di rompersi.
➨ Carburi: composti binari costituiti da carbonio e un metallo o, in alcuni casi, un semimetallo. Hanno elevata resistenza e sono fragili.
➨ Materiali cristallini: materiali solidi i cui costituenti, come gli atomi, sono disposti in strutture microscopiche altamente ordinate o celle elementari. Queste celle si ripetono periodicamente in un reticolo cristallino tridimensionale e presentano proprietà simmetriche.
➨ Dislocazioni: difetto o irregolarità cristallografica lineare all'interno di una struttura cristallina, che contiene un cambiamento improvviso nella disposizione degli atomi. Sono particolarmente rilevanti per i materiali metallici perché consentono la deformazione plastica a una sollecitazione relativamente bassa.
➨ Incrudimento: aumento della resistenza di un metallo mediante deformazione plastica. Questo rafforzamento avviene a causa del movimento e della generazione di dislocazioni all'interno della struttura cristallina del materiale.
➨ Fucinatura: formatura del metallo in cui la deformazione plastica è ottenuta mediante colpi consecutivi di un martello o applicando lentamente una pressione continua con una pressa.
➨ Incrudimento per soluzione solida: meccanismo che spiega perché le leghe di elementi diversi sono più resistenti dei metalli puri.
➨ Tempra: tipo di trattamento termico in cui l'acciaio viene prima riscaldato fino alla temperatura di tempra (la temperatura dell'austenite, una soluzione solida di ferro con un elemento di lega) e poi raffreddato rapidamente, ottenendo così la martensite, una forma molto dura della struttura cristallina dell'acciaio.