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Tipi di acciaio
L'acciaio è fondamentalmente una lega degli elementi ferro (Fe) e carbonio (C), dove quest'ultimo rappresenta fino al 2% della massa totale. Anche una piccolissima quantità di carbonio modifica notevolmente 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 per coltelli da cucina o utensili simili. Tuttavia, un elevato contenuto di carbonio comporta un punto di fusione più basso, il che significa che la ghisa è più facile da versare negli stampi e quindi, ad esempio, è adatta per realizzare 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 di acciai legati sono gli acciai per utensili, la cui caratteristica comune è che vengono utilizzati per utensili (coltelli, seghe, asce, trapani ecc.). Sono adatti per l'uso ovunque siano richieste elevata tenacità, robustezza e resistenza all'abrasione.
Di conseguenza, le eccezionali proprietà meccaniche degli acciai per utensili li rendono impegnativi da produrre e lavorare, il che a sua volta li rende più costosi rispetto agli acciai con meno elementi leganti. In termini di 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 sono evidenziate le famiglie di acciai utilizzati per realizzare i coltelli da cucina. 👇
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Proprietà meccaniche dei materiali
Per descrivere le proprietà dei coltelli da cucina e la loro differenziazione in termini di qualità, è utile definire innanzitutto alcuni concetti base riguardanti le proprietà meccaniche del materiale e come le misuriamo.
Proprietà meccaniche: RESISTENZA, DUREZZA, DUTTILITÀ, RESISTENZA
➨ Forza
Una delle proprietà più basilari dei materiali metallici è la loro resistenza , definita come resistenza ai cambiamenti di forma sotto l'influenza di forze esterne. Viene misurato sperimentalmente mediante prove di trazione, in cui un campione di materiale allungato viene bloccato nelle ganasce, che vengono poi lentamente separate fino alla rottura del campione. In questo modo viene registrata la curva della forza in funzione dello spostamento delle mascelle. Per facilitare il confronto di campioni di diverse dimensioni, i valori vengono solitamente convertiti in una curva di sollecitazione/deformazione. Un esempio di ciò è mostrato nella figura seguente, che presenta schematicamente anche il tipico aspetto esterno di un campione. 👇
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La parte iniziale della curva, molto ripida, rappresenta una deformazione elastica quando il materiale ritorna alla sua forma originale quando viene rimosso il carico. Con un ulteriore aumento del carico si verifica una modifica irreversibile della forma, cioè il materiale si deforma plasticamente. Vogliamo assolutamente evitare questa situazione con i coltelli da cucina, perché in pratica significa che il tagliente o l'intera lama si piegano. Il campione nella prova di trazione può essere ulteriormente allungato fino ad un certo punto dove si registra la forza massima, chiamata “resistenza a trazione”. Dopo questo punto la forza diminuisce anche leggermente a causa della deformazione trasversale del campione, fino al momento in cui il campione si rompe.
➨ Durezza
La durezza di un materiale è, per definizione, la sua resistenza allo stampaggio o alla deformazione plastica localizzata (permanente). Di conseguenza, questo significa anche resistenza all'usura. La durezza è una quantità diversa dalla forza, sebbene siano direttamente correlate. La resistenza è fisicamente definita in modo più preciso, ma la durezza è solitamente più facile da misurare nella pratica ed è anche più rilevante nel caso dei coltelli da cucina. Esistono diversi metodi per misurare la durezza e si basano sulla pressione di una sonda di forma standard sulla superficie del materiale e sulla misurazione della profondità dell'impronta. Per gli acciai per utensili, viene spesso utilizzato 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 morbidi, ad esempio 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 sopra della curva della prova di trazione, ciò indica l'entità della deformazione nel punto F, mentre lo stress a cui si è verificata la rottura è irrilevante.
➨ Robustezza
La tenacità, invece, è la proprietà di un materiale di assorbire molta energia prima di rompersi. Ciò significa che deve resistere al massimo allungamento possibile alla massima forza. Alcuni materiali si rompono con una forza elevata ma con un basso allungamento. Diciamo che sono fragili. L'area sotto la curva del test di trazione rappresenta la tenacità ed è mostrata anche nella figura seguente. 👇
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Le proprietà meccaniche di un materiale metallico dipendono dalla sua composizione chimica e dal trattamento termo-meccanico. L'elemento chimico che incide maggiormente sulla durezza dell'acciaio è il carbonio, mentre anche il cromo, il manganese, il vanadio e il molibdeno influiscono positivamente sulla durezza. Insieme al carbonio, questi ultimi elementi formano nuovi composti estremamente duri chiamati carburi. |
Struttura atomica dei metalli
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I metalli sono materiali cristallini, il che significa che la loro struttura atomica è organizzata in celle unitarie. Si dice anche che mostrino un ordine a lungo raggio : hanno una struttura periodicamente ripetitiva su molte distanze interatomiche. Diversi metalli (elementi metallici) hanno diversi tipi di celle unitarie che possono anche cambiare con la temperatura. Nel caso delle leghe di ferro, i due tipi più importanti di cella unitaria: cella cubica a facce centrate (a sinistra) e cella cubica a corpo centrato (a destra) – sono mostrati nella figura sopra. 👆
In pratica, non esistono cristalli ideali, in cui la stessa struttura atomica si ripete periodicamente senza errori su una lunga distanza (ad esempio, l'intero prodotto). In una struttura cristallina ideale, tutti i cristalli o metalli contengono difetti di vario tipo: difetti puntuali, lineari, planari o di volume.
Anche in un metallo chimicamente puro (elemento metallico), il reticolo cristallino contiene difetti puntuali, il che significa che un particolare atomo manca nella sua posizione teorica o è inserito nella posizione sbagliata. Il numero di tali errori aumenta esponenzialmente con la temperatura. A una temperatura sufficientemente elevata, gli atomi cambiano rapidamente posizione, si muovono lungo il reticolo cristallino e il numero di difetti aumenta finché la struttura ordinata non si disintegra. In quel momento il metallo si liquefa.
Le due immagini sottostanti rappresentano schematicamente esempi di errori puntuali: un atomo dello stesso tipo scompare da un punto del reticolo cristallino dove dovrebbe teoricamente trovarsi (figura a sinistra); oppure l'atomo di un altro elemento viene inserito nel reticolo cristallino in un posto inaspettato oppure sostituisce l'atomo dell'elemento maggioritario (figura a destra). 👇
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Anche i difetti di linea chiamati dislocazioni sono sempre presenti nei metalli e si verificano quando uno strato di atomi viene inserito tra altri strati. Sotto l'influenza di stress esterni, gli atomi appartenenti allo strato interlacciato possono scambiare i loro vicini e stabilire un legame con altri strati di atomi. In questo modo le dislocazioni si muovono lungo un reticolo metallico, permettendo così a molti atomi di cambiare permanentemente la loro posizione. Il movimento e la formazione di nuove dislocazioni è un concetto molto importante in metallurgia, poiché a livello microscopico rappresenta 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. 👇
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La teoria delle dislocazioni fu fondata già all'inizio del XX secolo e fu confermata sperimentalmente in modo inequivocabile solo circa 50 anni dopo con l'invenzione del microscopio elettronico. L'immagine sotto è un'immagine al microscopio elettronico delle dislocazioni sulla superficie del cristallo. |
I prodotti metallici non hanno 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 in molti punti contemporaneamente. I grani di cristallo diversamente orientati nel metallo liquido crescono verso l'esterno fino a quando non entrano in collisione con i loro vicini e tutto il metallo si trasforma in uno stato solido. I grani dei cristalli non sono visibili ad occhio nudo, in genere non sono più grandi di un decimo di millimetro, ma possono essere osservati con un microscopio ottico. Le due immagini sottostanti mostrano una microstruttura metallica con molti grani di cristallo nello stato indeformato (figura a sinistra) e dopo una significativa deformazione plastica (figura a destra), quando i grani di cristallo hanno cambiato forma, cioè si sono appiattiti. 👇
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Meccanismi di rafforzamento dei metalli
Nei capitoli precedenti abbiamo imparato di più sulle basi della struttura atomica dei materiali metallici, sulle definizioni di importanti proprietà meccaniche e sui metodi per misurarle. Ora possiamo mettere insieme queste informazioni e determinare quali processi metallurgici possono migliorare la resistenza e la durezza dei coltelli da cucina di qualità. |
Una caratteristica comune a tutti i meccanismi di rinforzo è che ostacolano il movimento delle dislocazioni lungo i reticoli cristallini dei materiali metallici. Su scala microscopica il movimento delle dislocazioni rappresenta il meccanismo di deformazione plastica che su scala macroscopica si rileva ad occhio nudo.
➨ Incrudimento
L'incrudimento è un fenomeno in cui il limite di deformazione plastica di un materiale aumenta con l'aumentare della deformazione plastica. Ciò è dovuto alla formazione di un vasto numero di nuove dislocazioni che viaggiano in direzioni diverse lungo il reticolo cristallino e si ostacolano a vicenda nel movimento. Nella produzione dei coltelli da cucina, questo fenomeno si verifica nel processo di forgiatura, quando le lame vengono deformate plasticamente o modificate nella forma mediante colpi di martello. In pratica il processo non può essere continuato all'infinito, perché oltre alla resistenza aumenta anche la fragilità e il prodotto può rompersi se c'è troppa deformazione plastica.
La figura seguente mostra le curve di incrudimento in funzione del grado di deformazione plastica per alcuni materiali tipici. Vediamo che il cambiamento nel limite di plasticità può essere abbastanza pronunciato. 👇
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➨ Rafforzamento della soluzione solida
L'indurimento allo stato solido è un meccanismo che spiega perché le leghe di diversi elementi sono più resistenti dei metalli puri. Gli atomi degli elementi aggiunti all'elemento maggioritario si inseriscono nel suo reticolo cristallino, introducendo irregolarità a causa degli atomi di varia dimensione. Le irregolarità nel reticolo cristallino provocano tensioni interne, che a loro volta ostacolano il movimento delle dislocazioni. Ciò è mostrato schematicamente anche nella figura seguente. 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. 👇
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➨ Rinforzante con controllo granulometrico
A livello microscopico, i prodotti metallici sono costituiti da un gran numero di grani di cristallo orientati in modo casuale. La sequenza ordinata di atomi in un grano cristallino non continua 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 (immagine sotto). I grani di cristallo si trovano tipicamente nell'intervallo di dimensioni di 0,001-0,1 millimetri. Quanto più piccoli sono i grani, tanto maggiori sono i confini tra loro per unità di volume e tanto più ostacolano il movimento delle dislocazioni. Questo meccanismo di indurimento spiega perché i coltelli da cucina con struttura a grana fine, come i coltelli giapponesi, sono più resistenti e di migliore qualità. La dimensione del grano nel prodotto dipende da una complessa combinazione degli effetti della composizione chimica e del trattamento termo-meccanico (ad esempio, forgiatura a caldo). 👇
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➨ Tempra
La tempra è il processo di miglioramento delle proprietà meccaniche raffreddando rapidamente un prodotto caldo. La prima condizione per la capacità di indurimento è l'esistenza del metallo puro in due tipi di reticoli cristallini 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 nella direzione opposta quando la temperatura diminuisce. La seconda condizione è la presenza di un elemento legante, i cui atomi sono distribuiti uniformemente nei loro posti caratteristici nel reticolo cristallino. Nel caso dei coltelli da cucina in acciaio, il metallo base è il ferro e l'elemento legante 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 in un altro tipo di reticolo cristallino, mentre gli atomi di carbonio non hanno abbastanza tempo per spostarsi in altri luoghi. Rimangono “congelati” nella loro posizione precedente e introducono tensioni interne nel reticolo cristallino, che a loro volta ostacolano il movimento delle dislocazioni.
Le tensioni interne causate dalla tempra possono essere così grandi che il prodotto cambia significativamente forma, si piega o addirittura si rompe. Ciò dipende principalmente dalla composizione chimica (percentuale di carbonio e altri elementi) e dalla velocità di raffreddamento, che è controllata dalla scelta del mezzo di raffreddamento (acqua, olio o aria).
Conclusioni
Nel primo capitolo abbiamo visto come vengono classificati gli acciai in base alla composizione chimica generale e alla destinazione d'uso, e quali di essi vengono utilizzati per i 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 rapida panoramica della struttura atomica dei metalli e della connessione tra deformazione plastica a livello microscopico e macroscopico. Quando si utilizzano coltelli da cucina, si vuole evitare la deformazione plastica, perché in pratica si traduce in danneggiamento del filo tagliente e riduzione dell'affilatura. Nell'ultimo capitolo abbiamo combinato tutte le conoscenze precedenti e presentato i meccanismi metallurgici che migliorano la resistenza dei materiali metallici. Ciò che hanno tutti in comune è che, a livello microscopico, impediscono in vari modi il movimento delle dislocazioni nel reticolo cristallino. È anche importante notare che tutti i meccanismi di indurimento descritti alla fine falliscono a temperature elevate perché tutti gli atomi e di conseguenza 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).
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Glossario di termini:
➨ Acciai legati: acciai che, oltre al carbonio (C), contengono anche altri elementi, spesso cromo (Cr), vanadio (V) e molibdeno (Mo). Questi ne migliorano ulteriormente le proprietà meccaniche e, in alcuni casi, anche la resistenza alla corrosione.
➨ Forza: resistenza ai cambiamenti di forma sotto l'influenza di forze esterne.
➨ Resistenza alla trazione: lo stress massimo che un materiale può sopportare mentre viene allungato o tirato prima di rompersi.
➨ Durezza: resistenza del materiale alla goffratura o alla deformazione plastica (permanente) localizzata. Di conseguenza significa anche 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.
➨ Duttilità: il grado in cui un materiale può sostenere la deformazione plastica sotto sforzo di trazione prima della rottura. Quanto maggiore è la deformazione che un materiale può sopportare senza rompersi a causa della fragilità, tanto più duttile è.
➨ Tenacità: proprietà di un materiale di assorbire molta energia prima di rompersi.
➨ Carburi: composti binari composti da carbonio e un metallo o, in alcuni casi, un semimetallo. Hanno un'elevata resistenza e sono fragili.
➨ Materiali cristallini: materiali solidi i cui costituenti, come gli atomi, sono disposti in strutture microscopiche altamente ordinate o cellule basiche. Queste cellule si ripetono periodicamente in un reticolo cristallino tridimensionale e hanno proprietà simmetriche.
➨ Dislocazioni: un difetto cristallografico lineare o un'irregolarità all'interno di una struttura cristallina che contiene un brusco cambiamento nella disposizione degli atomi. Sono particolarmente rilevanti per quanto riguarda i materiali metallici perché consentono la deformazione plastica con uno stress relativamente piccolo.
➨ Incrudimento: rafforzamento di un metallo mediante deformazione plastica. Questo rafforzamento avviene a causa dei movimenti di dislocazione e della generazione di dislocazioni all'interno della struttura cristallina del materiale.
➨ Forgiatura: la modellatura del metallo in cui la deformazione plastica è causata mediante colpi consecutivi con un martello o applicando lentamente una pressione continua in una pressa.
➨ Indurimento allo stato solido: un meccanismo che spiega perché le leghe di diversi elementi sono più forti dei metalli puri.
➨ Tempra: un tipo di trattamento termico in cui l'acciaio viene prima riscaldato ad una temperatura di tempra (la temperatura dell'austenite, una soluzione solida di ferro, con un elemento legante) e poi raffreddato rapidamente, ottenendo così la martensite, una forma molto dura di acciaio cristallino struttura.
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Autore dell'articolo: Matevž Pintar, Master in ingegneria meccanicaImmagini: Callister, William D. in Jr., Rethwisch, David G. 2014. Scienza e ingegneria dei materiali: un'introduzione. Hoboken: John Wiley & Sons, Inc.