Wprowadzenie do metalurgii noży kuchennych

Rodzaje stali

Stal jest zasadniczo stopem żelaza (Fe) i węgla (C), przy czym ten drugi stanowi do 2% całkowitej masy. Nawet bardzo mała ilość węgla znacznie zmienia właściwości mechaniczne stali, szczególnie poprawiając jej wytrzymałość, która ma kluczowe znaczenie w każdym praktycznym zastosowaniu. Stop zawierający ponad 2% węgla nazywa się żeliwem, czyli materiałem dość kruchym, a zatem nieodpowiednim do produkcji noży kuchennych ani podobnych narzędzi. Wysoka zawartość węgla powoduje jednak obniżenie temperatury topnienia, dzięki czemu żeliwo łatwiej odlewać w formach i dlatego nadaje się na przykład do produkcji garnków żeliwnych.

Stal można również mieszać z innymi pierwiastkami, często z chromem (Cr), wanadem (V) i molibdenem (Mo), które dodatkowo poprawiają jej właściwości mechaniczne, a w niektórych przypadkach także odporność na korozję. Tę grupę nazywa się stalą stopową. Szczególną podgrupę stali stopowych stanowią stale narzędziowe, których wspólną cechą jest zastosowanie do produkcji narzędzi (noży, pił, siekier, wierteł itp.). Nadają się do zastosowań, w których wymagana jest wysoka odporność na pękanie, wytrzymałość i odporność na ścieranie.

Wyjątkowe właściwości mechaniczne stali narzędziowych oznaczają, że ich produkcja i obróbka są wymagające, co z kolei sprawia, że są droższe w porównaniu ze stalami zawierającymi mniej pierwiastków stopowych. Pod względem materiału większość wysokiej jakości noży kuchennych należy do rodziny stali narzędziowych. Poniższa ilustracja przedstawia schematyczny podział stopów żelaza, a rodziny stali wykorzystywane do produkcji noży kuchennych zostały wyróżnione. 👇

Właściwości mechaniczne materiałów

Aby opisać właściwości noży kuchennych i różnice między nimi pod względem jakości, warto najpierw zdefiniować kilka podstawowych pojęć dotyczących właściwości mechanicznych materiału oraz sposobów ich pomiaru.

Właściwości mechaniczne: WYTRZYMAŁOŚĆ, TWARDOŚĆ, CIĄGLIWOŚĆ, ODPORNOŚĆ NA PĘKANIE

Wytrzymałość

Jedną z najbardziej podstawowych właściwości materiałów metalicznych jest ich wytrzymałość, definiowana jako odporność na zmianę kształtu pod wpływem sił zewnętrznych. Mierzy się ją doświadczalnie za pomocą prób rozciągania, podczas których próbkę wydłużonego materiału umieszcza się w szczękach, a następnie powoli je od siebie odciąga, aż do zerwania próbki. W tym czasie rejestruje się krzywą siły w funkcji przemieszczenia szczęk. Aby ułatwić porównywanie próbek o różnych rozmiarach, wartości są zwykle przeliczane na krzywą naprężenia w funkcji odkształcenia. Przykład przedstawiono na poniższym rysunku, który schematycznie pokazuje również typowy wygląd zewnętrzny próbki. 👇

Początkowy, bardzo stromy odcinek krzywej przedstawia odkształcenie sprężyste, podczas którego materiał powraca do pierwotnego kształtu po usunięciu obciążenia. Przy dalszym zwiększaniu obciążenia następuje nieodwracalna zmiana kształtu, czyli materiał odkształca się plastycznie. W przypadku noży kuchennych zdecydowanie chcemy uniknąć tej sytuacji, ponieważ w praktyce oznacza ona wygięcie krawędzi tnącej lub całego ostrza. Próbkę w próbie rozciągania można dalej rozciągać do punktu, w którym rejestrowana jest maksymalna siła, zwana „wytrzymałością na rozciąganie”. Po osiągnięciu tego punktu siła nieznacznie maleje z powodu poprzecznego odkształcenia próbki, aż do chwili jej pęknięcia.

Twardość

Twardość materiału to z definicji jego odporność na odciskanie lub miejscowe odkształcenie plastyczne (trwałe). W konsekwencji oznacza to również odporność na zużycie. Twardość jest inną wielkością niż wytrzymałość, choć są one bezpośrednio powiązane. Wytrzymałość jest definiowana fizycznie dokładniej, ale twardość jest zwykle łatwiejsza do zmierzenia w praktyce i ma również większe znaczenie w przypadku noży kuchennych. Istnieje kilka różnych metod pomiaru twardości. Polegają one na wciskaniu w powierzchnię materiału wzorca o określonym kształcie i pomiarze głębokości odcisku. W przypadku stali narzędziowych często stosuje się metodę Rockwella (HRC) pomiaru twardości, w której wgłębnikiem jest diamentowy stożek. Istnieją jednak inne metody, lepiej dostosowane do miększych materiałów, na przykład pomiar twardości za pomocą wgłębnika w kształcie kulki.

Ciągliwość

Istotną właściwością mechaniczną jest również ciągliwość lub plastyczność, czyli miara odkształcenia plastycznego przed pęknięciem. Na powyższym wykresie krzywej próby rozciągania oznacza to wielkość odkształcenia w punkcie F, podczas gdy naprężenie, przy którym nastąpiło zerwanie, jest nieistotne.

Toughness

Udarność jest jednak właściwością materiału polegającą na pochłanianiu dużej ilości energii przed pęknięciem. Oznacza to, że przy maksymalnej sile materiał musi wytrzymać możliwie duże wydłużenie. Niektóre materiały pękają pod wpływem dużej siły, ale przy małym wydłużeniu. Mówimy, że są kruche. Pole pod krzywą próby rozciągania przedstawia udarność i zostało również pokazane na poniższym rysunku. 👇

Metale są materiałami krystalicznymi, co oznacza, że ich struktura atomowa jest uporządkowana w komórkach elementarnych. Mówi się również, że wykazują uporządkowanie dalekiego zasięgu – mają okresowo powtarzalną strukturę na wielu odległościach międzyatomowych. Różne metale (pierwiastki metaliczne) mają różne rodzaje komórek elementarnych, które mogą się zmieniać nawet wraz z temperaturą. W przypadku stopów żelaza na powyższym rysunku przedstawiono dwa najważniejsze rodzaje komórek elementarnych – komórkę regularną ściennie centrowaną (po lewej) i komórkę regularną przestrzennie centrowaną (po prawej). 👆

W praktyce nie istnieją idealne kryształy, w których ta sama struktura atomowa byłaby okresowo powtarzana bez błędów na dużej odległości (np. w całym wyrobie). W idealnej strukturze krystalicznej wszystkie kryształy lub metale zawierają wady różnego rodzaju: punktowe, liniowe, płaskie lub objętościowe.

Nawet w chemicznie czystym metalu (pierwiastku metalicznym) sieć krystaliczna zawiera wady punktowe, co oznacza, że określonego atomu brakuje w jego teoretycznym położeniu lub został on wstawiony w niewłaściwe miejsce. Liczba takich wad rośnie wykładniczo wraz z temperaturą. W wystarczająco wysokiej temperaturze atomy szybko zmieniają swoje położenie, przemieszczają się wzdłuż sieci krystalicznej, a liczba wad rośnie, aż uporządkowana struktura ulega rozpadowi. W tym momencie metal się topi.

Dwa poniższe obrazy schematycznie przedstawiają przykłady wad punktowych: atom tego samego rodzaju znika z miejsca w sieci krystalicznej, w którym teoretycznie powinien się znajdować (rysunek po lewej); albo atom innego pierwiastka zostaje wstawiony do sieci krystalicznej w nieoczekiwanym miejscu lub zastępuje atom pierwiastka występującego w większości (rysunek po prawej). 👇

W metalach zawsze występują również defekty liniowe zwane dyslokacjami, które powstają, gdy jedna warstwa atomów zostaje wprowadzona między inne warstwy. Pod wpływem naprężeń zewnętrznych atomy należące do wstawionej warstwy mogą zmieniać swoich sąsiadów i tworzyć wiązania z innymi warstwami atomów. W ten sposób dyslokacje przemieszczają się wzdłuż sieci metalowej, umożliwiając wielu atomom trwałą zmianę położenia. Ruch i powstawanie nowych dyslokacji to bardzo ważne pojęcie w metalurgii, ponieważ na poziomie mikroskopowym stanowi wyjaśnienie odkształcenia plastycznego obserwowanego na poziomie makroskopowym. Prowadzi to również do wniosku, że jeśli chcemy ograniczyć odkształcenie plastyczne naszego produktu lub zwiększyć jego wytrzymałość, musimy w jakiś sposób zahamować ruch dyslokacji.👇

Wyroby metalowe nie mają sieci krystalicznej o jednolitej orientacji w całej swojej objętości, lecz składają się z dużej liczby ziaren krystalicznych o różnych orientacjach. Wynika to z procesu krzepnięcia metalu ze stanu ciekłego do stałego, który rozpoczyna się jednocześnie w wielu miejscach. Ziarna krystaliczne o różnej orientacji w ciekłym metalu rosną na zewnątrz, aż zderzą się z sąsiednimi ziarnami i cały metal przejdzie w stan stały. Ziarna krystaliczne nie są widoczne gołym okiem, zazwyczaj nie mają więcej niż jedną dziesiątą milimetra, ale można je obserwować pod mikroskopem optycznym. Dwa poniższe obrazy przedstawiają mikrostrukturę metalu z licznymi ziarnami krystalicznymi w stanie nieodkształconym (ilustracja po lewej) oraz po znacznym odkształceniu plastycznym (ilustracja po prawej), gdy ziarna krystaliczne zmieniły kształt, czyli uległy spłaszczeniu. 👇

 Wspólną cechą wszystkich mechanizmów umacniania jest to, że utrudniają one ruch dyslokacji wzdłuż sieci krystalicznych materiałów metalicznych. W skali mikroskopowej ruch dyslokacji stanowi mechanizm odkształcenia plastycznego, który w skali makroskopowej jest dostrzegalny gołym okiem.

Umocnienie odkształceniowe

Umocnienie odkształceniowe to zjawisko, w którym granica odkształcenia plastycznego materiału zwiększa się wraz ze wzrostem odkształcenia plastycznego. Wynika to z powstawania ogromnej liczby nowych dyslokacji, które przemieszczają się w różnych kierunkach wzdłuż sieci krystalicznej i wzajemnie utrudniają sobie ruch. W produkcji noży kuchennych zjawisko to występuje w procesie kucia, gdy ostrza są odkształcane plastycznie lub zmieniają kształt pod wpływem uderzeń młotem. W praktyce procesu tego nie można kontynuować w nieskończoność, ponieważ oprócz wytrzymałości zwiększa się również kruchość i produkt może pęknąć w przypadku zbyt dużego odkształcenia plastycznego.

Poniższy rysunek przedstawia krzywe umocnienia odkształceniowego w funkcji stopnia odkształcenia plastycznego dla kilku typowych materiałów. Widzimy, że zmiana granicy plastyczności może być dość wyraźna. 👇

Umacnianie roztworowe

Umacnianie roztworowe w stanie stałym to mechanizm wyjaśniający, dlaczego stopy różnych pierwiastków są wytrzymalsze niż czyste metale. Atomy pierwiastków dodanych do pierwiastka osnowy wprowadzają się do jego sieci krystalicznej, powodując nieprawidłowości wynikające z różnej wielkości atomów. Nieprawidłowości w sieci krystalicznej powodują naprężenia wewnętrzne, które z kolei utrudniają ruch dyslokacji. Zostało to również przedstawione schematycznie na poniższym rysunku. Mechanizm ten wyjaśnia, dlaczego stal, będąca stopem węgla i żelaza, jest wytrzymalsza niż czyste żelazo oraz dlaczego stopowanie dodatkowymi pierwiastkami (Cr, Mo, V) dodatkowo poprawia jej właściwości mechaniczne. 👇

Umacnianie poprzez kontrolę wielkości ziaren

Na poziomie mikroskopowym produkty metalowe składają się z dużej liczby losowo zorientowanych ziaren kryształów. Uporządkowany układ atomów w jednym ziarnie kryształu nie jest kontynuowany za granicą drugiego ziarna kryształu. Dlatego granice ziaren kryształów stanowią przeszkodę dla ruchu dyslokacji, a tym samym również zapobiegają odkształceniom plastycznym (rysunek poniżej). Ziarna kryształów zazwyczaj mają rozmiar od 0,001 do 0,1 milimetra. Im mniejsze ziarna, tym więcej przypada na jednostkę objętości granic między nimi i tym silniej utrudniają one ruch dyslokacji. Ten mechanizm umacniania wyjaśnia, dlaczego noże kuchenne o drobnoziarnistej strukturze, takie jak noże japońskie, są wytrzymalsze i lepszej jakości. Wielkość ziaren w produkcie zależy od złożonego połączenia wpływu składu chemicznego i obróbki cieplno-mechanicznej (np. kucia na gorąco). 👇

Hartowanie

Hartowanie to proces poprawy właściwości mechanicznych poprzez szybkie chłodzenie rozgrzanego produktu. Pierwszym warunkiem zdolności do hartowania jest występowanie czystego metalu w dwóch rodzajach sieci krystalicznych w różnych temperaturach. W temperaturze pokojowej żelazo występuje w przestrzennie centrowanej sieci krystalicznej, która w temperaturze około 730 stopni Celsjusza przechodzi w sieć ściennie centrowaną. Taka sama przemiana zachodzi w przeciwnym kierunku podczas spadku temperatury. Drugim warunkiem jest obecność pierwiastka stopowego, którego atomy są równomiernie rozmieszczone w charakterystycznych miejscach sieci krystalicznej. W przypadku stalowych noży kuchennych metalem bazowym jest żelazo, a pierwiastkiem stopowym - węgiel. Gdy produkt zostanie dostatecznie szybko schłodzony z wysokiej temperatury (powyżej 730 stopni Celsjusza), atomy żelaza łączą się w inny rodzaj sieci krystalicznej, podczas gdy atomy węgla nie mają wystarczająco dużo czasu, aby przemieścić się w inne miejsca. Pozostają „zamrożone” w swoich wcześniejszych położeniach i wprowadzają naprężenia wewnętrzne do sieci krystalicznej, co z kolei utrudnia przemieszczanie się dyslokacji.
Naprężenia wewnętrzne powstałe w wyniku hartowania mogą być tak duże, że produkt znacznie zmienia kształt, wygina się, a nawet pęka. Zależy to głównie od składu chemicznego (procentowej zawartości węgla i innych pierwiastków) oraz szybkości chłodzenia, którą kontroluje się poprzez wybór ośrodka chłodzącego (wody, oleju lub powietrza).

Wnioski

W pierwszym rozdziale omówiliśmy klasyfikację stali według ogólnego składu chemicznego i przeznaczenia oraz to, które z nich są stosowane do produkcji wysokiej jakości noży kuchennych. W drugim rozdziale przedstawiliśmy definicje istotnych właściwości mechanicznych materiałów metalicznych oraz zasady ich pomiaru. Następnie krótko omówiliśmy strukturę atomową metali i związek między odkształceniem plastycznym na poziomie mikroskopowym i makroskopowym. Podczas używania noży kuchennych chcemy zapobiegać odkształceniom plastycznym, ponieważ w praktyce prowadzą one do uszkodzenia krawędzi tnącej i zmniejszenia ostrości. W ostatnim rozdziale połączyliśmy całą wcześniejszą wiedzę i przedstawiliśmy mechanizmy metalurgiczne, które poprawiają wytrzymałość materiałów metalicznych. Wszystkie mają wspólną cechę: na poziomie mikroskopowym na różne sposoby zapobiegają przemieszczaniu się dyslokacji w sieci krystalicznej. Należy również pamiętać, że wszystkie opisane mechanizmy umacniania ostatecznie zawodzą w podwyższonych temperaturach, ponieważ wszystkie atomy, a w konsekwencji także dyslokacje, poruszają się szybciej. Wyjaśnia to również, dlaczego wysokiej jakości noży kuchennych nie należy przez dłuższy czas narażać na działanie wysokich temperatur, na przykład przekraczających 150 stopni Celsjusza.

 ➨ Stale stopowe: stale, które oprócz węgla (C) zawierają również inne pierwiastki, często chrom (Cr), wanad (V) i molibden (Mo). Pierwiastki te dodatkowo poprawiają ich właściwości mechaniczne, a w niektórych przypadkach także odporność na korozję.
➨ Wytrzymałość: odporność na zmiany kształtu pod wpływem sił zewnętrznych.
➨ Wytrzymałość na rozciąganie: maksymalne naprężenie, jakie materiał może wytrzymać podczas rozciągania lub rozrywania, zanim pęknie.
➨ Twardość: odporność materiału na odciskanie lub miejscowe odkształcenie plastyczne (trwałe). W konsekwencji oznacza również odporność na zużycie.
➨ Metoda Rockwella (HRC): skala twardości stosowana w metalurgii do pomiaru twardości twardych substancji. Wynik jest liczbą bezwymiarową. Istnieją dwie wersje (i jednostki) tej metody: HRb i HRc.
➨ Ciągliwość: stopień, w jakim materiał może wytrzymać odkształcenie plastyczne pod wpływem naprężenia rozciągającego przed zniszczeniem. Im większe odkształcenie materiał może wytrzymać bez pęknięcia wskutek kruchości, tym większa jest jego ciągliwość.
➨ Odporność na pękanie: właściwość materiału polegająca na pochłanianiu dużej ilości energii przed pęknięciem.
➨ Węgliki: związki dwuskładnikowe złożone z węgla i metalu lub, w niektórych przypadkach, półmetalu. Charakteryzują się dużą wytrzymałością i kruchością.
➨ Materiały krystaliczne: materiały stałe, których składniki, takie jak atomy, są rozmieszczone w wysoce uporządkowanych strukturach mikroskopowych lub komórkach elementarnych. Komórki te powtarzają się okresowo w trójwymiarowej sieci krystalicznej i mają właściwości symetryczne.
➨ Dyslokacje: liniowe defekty krystalograficzne lub nieciągłości w strukturze kryształu, zawierające nagłą zmianę ułożenia atomów. Mają szczególne znaczenie w przypadku materiałów metalicznych, ponieważ umożliwiają odkształcenie plastyczne przy stosunkowo małym naprężeniu.
➨ Umocnienie odkształceniowe: wzmacnianie metalu przez odkształcenie plastyczne. Umocnienie to zachodzi wskutek ruchu dyslokacji i ich powstawania w strukturze krystalicznej materiału.
➨ Kucie: kształtowanie metalu, w którym odkształcenie plastyczne jest wywoływane kolejnymi uderzeniami młota lub powolnym wywieraniem ciągłego nacisku w prasie.
➨ Umocnienie roztworowe: mechanizm wyjaśniający, dlaczego stopy różnych pierwiastków są mocniejsze niż czyste metale.
➨ Hartowanie: rodzaj obróbki cieplnej, w której stal jest najpierw podgrzewana do temperatury hartowania (temperatury austenitu, stałego roztworu żelaza z pierwiastkiem stopowym), a następnie szybko chłodzona, w wyniku czego powstaje martenzyt, bardzo twarda postać krystalicznej struktury stali.

⬌

Autor artykułu: Matevž Pintar, magister inżynierii mechanicznej
Zdjęcia: Callister, William D. Jr. i Rethwisch, David G. 2014. Materials Science and Engineering: An Introduction. Hoboken: John Wiley & Sons, Inc.