Wprowadzenie do metalurgii noży kuchennych

Rodzaje stali

Stal jest zasadniczo stopem pierwiastków żelaza (Fe) i węgla (C), przy czym ten ostatni stanowi do 2% całkowitej masy. Nawet bardzo mała ilość węgla znacząco zmienia właściwości mechaniczne stali, szczególnie poprawiając jej wytrzymałość, co ma kluczowe znaczenie w każdym praktycznym zastosowaniu. Stop zawierający więcej niż 2% węgla nazywany jest żeliwem, materiałem dość kruchym i dlatego nie nadaje się na noże kuchenne i podobne narzędzia. Jednak wysoka zawartość węgla skutkuje niższą temperaturą topnienia, co sprawia, że ​​żeliwo łatwiej wlewa się do form i dzięki temu nadaje się np. do wyrobu żeliwnych garnków.

Stal można również mieszać z innymi pierwiastkami, często chromem (Cr), wanadem (V) i molibdenem (Mo), co dodatkowo poprawia jej właściwości mechaniczne, a w niektórych przypadkach także odporność na korozję. Ta grupa nazywa się stalą stopową. Specjalną podgrupą stali stopowych są stale narzędziowe, których wspólną cechą jest to, że wykorzystuje się je na narzędzia (noże, piły, siekiery, wiertła itp.). Nadają się do stosowania wszędzie tam, gdzie wymagana jest wysoka wytrzymałość, wytrzymałość i odporność na ścieranie.

Wyjątkowe właściwości mechaniczne stali narzędziowych oznaczają w konsekwencji, że są one wymagające w produkcji i przetwarzaniu, co z kolei czyni je droższymi w porównaniu ze stalami o mniejszej zawartości pierwiastków stopowych. Pod względem materiału większość wysokiej jakości noży kuchennych należy do rodziny stali narzędziowych. Poniższy rysunek przedstawia schematyczne rozmieszczenie stopów żelaza i wyróżniono rodziny stali używanych do produkcji noży kuchennych. 👇

Właściwości mechaniczne materiałów

Aby opisać właściwości noży kuchennych oraz ich zróżnicowanie jakościowe warto najpierw zdefiniować kilka podstawowych pojęć dotyczących właściwości mechanicznych materiału oraz sposobu ich pomiaru.

Właściwości mechaniczne: WYTRZYMAŁOŚĆ, TWARDOŚĆ, PLASTYCZNOŚĆ, WYTRZYMAŁOŚĆ

➨ Wytrzymałość

Jedną z najbardziej podstawowych właściwości materiałów metalicznych jest ich wytrzymałośćdefiniowany jako odporność na zmiany kształtu pod wpływem sił zewnętrznych. Mierzy się ją doświadczalnie za pomocą prób rozciągania, podczas których próbkę wydłużonego materiału zaciska się w szczękach, które następnie powoli rozrywa się, aż do rozerwania próbki. Rejestruje się przy tym krzywą siły w funkcji przemieszczenia szczęk. Aby ułatwić porównywanie próbek o różnych rozmiarach, wartości są zwykle przekształcane w krzywą naprężenia w funkcji odkształcenia. Przykład tego pokazano na poniższym rysunku, który również schematycznie przedstawia typowy wygląd zewnętrzny próbki. 👇

Początkowa, bardzo stroma część krzywej reprezentuje odkształcenie sprężyste, gdy materiał powraca do swojego pierwotnego kształtu po usunięciu obciążenia. Wraz z dalszym wzrostem obciążenia następuje nieodwracalna zmiana kształtu, czyli odkształcenie plastyczne materiału. Zdecydowanie chcemy uniknąć takiej sytuacji w przypadku noży kuchennych, gdyż w praktyce oznacza to wygięcie się krawędzi tnącej lub całego ostrza. Próbkę poddaną próbie rozciągania można dalej rozciągać do pewnego punktu, w którym rejestrowana jest maksymalna siła, nazywana „wytrzymałością na rozciąganie”. Po tym momencie siła nawet nieznacznie maleje na skutek poprzecznego odkształcenia próbki, aż do momentu pęknięcia próbki.

➨ Twardość

Twardość materiału to z definicji jego odporność na wytłoczenia lub miejscowe (trwałe) odkształcenia plastyczne. W konsekwencji oznacza to również odporność na zużycie. Twardość to inna wielkość niż siła, chociaż są one bezpośrednio powiązane. Wytrzymałość jest fizycznie zdefiniowana bardziej precyzyjnie, ale twardość jest zwykle łatwiejsza do zmierzenia w praktyce i ma większe znaczenie również w przypadku noży kuchennych. Istnieje kilka różnych metod pomiaru twardości, które polegają na wciśnięciu standardowej sondy w powierzchnię materiału i zmierzeniu głębokości wycisku. W przypadku stali narzędziowych często stosuje się metodę Rockwella (HRC) pomiaru twardości, gdzie sondą jest stożek diamentowy. Istnieją jednak inne metody, które są bardziej odpowiednie w przypadku bardziej miękkich materiałów, na przykład pomiar twardości za pomocą sondy w kształcie kuli.

➨ Plastyczność

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

➨ Wytrzymałość

Wytrzymałość jest jednak właściwością materiału polegającą na pochłanianiu dużej ilości energii przed pęknięciem. Oznacza to, że musi wytrzymać możliwie największe wydłużenie przy maksymalnej sile. Niektóre materiały pękają przy dużej sile, ale przy niskim wydłużeniu. Mówimy, że są kruche. Obszar pod krzywą próby rozciągania reprezentuje wytrzymałość i jest również pokazany na poniższym rysunku. 👇

Metale są materiałami krystalicznymi, co oznacza, że ​​ich struktura atomowa jest ułożona w komórkach elementarnych. Mówi się również, że wykazują zamówienie dalekiego zasięgu – mają okresowo powtarzalną strukturę na wielu odległościach międzyatomowych. Różne metale (elementy metaliczne) mają różne typy ogniw elementarnych, które mogą nawet zmieniać się wraz z temperaturą. W przypadku stopów żelaza dwa najważniejsze typy komórek elementarnych – komórka sześcienna centrowana na ścianie (po lewej) i komórka sześcienna centrowana na ciele (po prawej) – pokazano na powyższym rysunku. 👆

W praktyce nie istnieją idealne kryształy, w których ta sama struktura atomowa powtarzałaby się okresowo bez błędu na dużą odległość (np. cały produkt). W idealnej strukturze kryształu wszystkie kryształy lub metale zawierają defekty różnego typu: defekty punktowe, liniowe, płaskie lub objętościowe.

Nawet w chemicznie czystym metalu (pierwiastku metalicznym) sieć krystaliczna zawiera defekty punktowe, co oznacza, że ​​danego atomu brakuje w jego teoretycznym położeniu lub jest on wprowadzony w niewłaściwe miejsce. Liczba takich błędów rośnie wykładniczo wraz ze wzrostem temperatury. W odpowiednio wysokiej temperaturze atomy szybko zmieniają miejsca, poruszają się po sieci krystalicznej, a liczba defektów wzrasta, aż do rozpadu uporządkowanej struktury. W tym momencie metal upłynnia się.

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

Defekty liniowe, zwane dyslokacjami, również zawsze występują w metalach i powstają, gdy jedna warstwa atomów zostanie wstawiona pomiędzy inne warstwy. Pod wpływem naprężeń zewnętrznych atomy należące do warstwy przeplatanej mogą przełączać się między sąsiadami i nawiązywać wiązania z innymi warstwami atomów. W ten sposób dyslokacje przemieszczają się po metalowej siatce, umożliwiając wielu atomom trwałą zmianę miejsca. Ruch i powstawanie nowych dyslokacji jest bardzo ważnym pojęciem w metalurgii, ponieważ na poziomie mikroskopowym stanowi wyjaśnienie odkształcenia plastycznego obserwowanego na poziomie makroskopowym. To również prowadzi nas do wniosku, że jeśli chcemy zmniejszyć odkształcenie plastyczne naszego produktu lub zwiększyć jego wytrzymałość, musimy w jakiś sposób zahamować ruch dyslokacji. 👇

Wyroby metalowe nie mają sieci krystalicznej równomiernie zorientowanej w całej swojej objętości, lecz składają się raczej z dużej liczby ziaren kryształów o różnej orientacji. Dzieje się tak na skutek procesu krzepnięcia metalu ze stanu ciekłego do stałego, który rozpoczyna się w wielu miejscach jednocześnie. Różnie zorientowane ziarna kryształów w ciekłym metalu rosną na zewnątrz, aż zderzają się z sąsiadami i cały metal przechodzi w stan stały. Ziarna kryształów nie są widoczne gołym okiem, zazwyczaj nie są większe niż jedna dziesiąta milimetra, ale można je zaobserwować pod mikroskopem optycznym. Poniższe dwa zdjęcia przedstawiają mikrostrukturę metaliczną z wieloma ziarnami kryształu w stanie nieodkształconym (rysunek po lewej) oraz po znacznym odkształceniu plastycznym (rysunek po prawej), gdy ziarna kryształu zmieniły swój kształt, czyli uległy spłaszczeniu. 👇

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

➨ Utwardzanie przez odkształcenie

Utwardzanie przez odkształcenie jest zjawiskiem polegającym na zwiększaniu się granicy odkształcenia plastycznego materiału wraz ze wzrostem odkształcenia plastycznego. Dzieje się tak na skutek powstawania ogromnej liczby nowych dyslokacji, które przemieszczają się w różnych kierunkach wzdłuż sieci krystalicznej i utrudniają sobie nawzajem ruch. W produkcji noży kuchennych zjawisko to zachodzi w procesie kucia, kiedy ostrza ulegają odkształceniu plastycznemu lub zmianie kształtu pod wpływem uderzeń młotka. W praktyce procesu nie można prowadzić w nieskończoność, gdyż oprócz wytrzymałości zwiększa się także kruchość, a wyrób może pękać w przypadku zbyt dużego odkształcenia plastycznego.

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

➨ Wzmocnienie roztworem stałym

Utwardzanie w stanie stałym to mechanizm wyjaśniający, dlaczego stopy różnych pierwiastków są mocniejsze od czystych metali. Atomy pierwiastków dodanych do pierwiastka większościowego są wstawiane do jego sieci krystalicznej, wprowadzając nieregularności z powodu atomów o różnej wielkości. Nieregularności w sieci krystalicznej powodują naprężenia wewnętrzne, które z kolei utrudniają ruch dyslokacji. Pokazano to również schematycznie na poniższym rysunku. Mechanizm ten wyjaśnia, dlaczego stal będąca stopem węgla i żelaza jest mocniejsza od czystego żelaza i dlaczego dodatek stopów z dodatkowymi pierwiastkami (Cr, Mo, V) dodatkowo poprawia jej właściwości mechaniczne. 👇

➨ Wzmocnienie z kontrolą wielkości ziaren

Na poziomie mikroskopowym produkty metalowe składają się z dużej liczby ziaren kryształów, które są losowo zorientowane. Uporządkowana sekwencja atomów w jednym ziarnie kryształu nie przebiega dalej przez granicę w drugim ziarnie kryształu. Dlatego granice ziaren kryształu stanowią przeszkodę w ruchu dyslokacji, a w konsekwencji zapobiegają także odkształceniom plastycznym (rysunek poniżej). Ziarna kryształów zazwyczaj występują w zakresie wielkości 0,001-0,1 milimetra. Im mniejsze ziarna, tym więcej granic między nimi na jednostkę objętości i tym bardziej utrudniają ruch dyslokacji. Ten mechanizm utwardzania wyjaśnia, dlaczego noże kuchenne o drobnoziarnistej strukturze, takie jak noże japońskie, są mocniejsze i lepszej jakości. Wielkość ziaren produktu zależy od złożonego połączenia efektów składu chemicznego i obróbki cieplno-mechanicznej (np. kucia na gorąco). 👇

➨ Hartowanie

Hartowanie to proces poprawy właściwości mechanicznych poprzez szybkie schłodzenie gorącego produktu. Pierwszym warunkiem zdolności do utwardzania jest istnienie czystego metalu w dwóch rodzajach sieci krystalicznych w różnych temperaturach. W temperaturze pokojowej żelazo występuje w sześciennej siatce krystalicznej skupionej wokół ciała, która w temperaturze około 730 stopni Celsjusza zamienia się w sześcienną sieć krystaliczną skupioną na twarzy. To samo przejście następuje w przeciwnym kierunku, gdy temperatura spada. Drugim warunkiem jest obecność pierwiastka stopowego, którego atomy są równomiernie rozmieszczone w swoich charakterystycznych miejscach w sieci krystalicznej. W przypadku stalowych noży kuchennych metalem podstawowym jest żelazo, a pierwiastkiem stopowym jest węgiel. Kiedy produkt wystarczająco szybko ostygnie z wysokiej temperatury (powyżej 730 stopni Celsjusza), atomy żelaza łączą się w inny rodzaj sieci krystalicznej, natomiast atomy węgla nie mają wystarczająco dużo czasu, aby przenieść się w inne miejsca. Pozostają „zamrożone” w swoich dotychczasowych miejscach i wprowadzają do sieci krystalicznej naprężenia wewnętrzne, co z kolei utrudnia ruch dyslokacji.
Naprężenia wewnętrzne powstałe podczas hartowania mogą być tak duże, że produkt znacząco zmienia kształt, wygina się, a nawet pęka. Zależy to głównie od składu chemicznego (procent węgla i innych pierwiastków) oraz szybkości chłodzenia, która jest kontrolowana przez wybór medium chłodzącego (woda, olej lub powietrze).

Wnioski

W pierwszym rozdziale przyjrzeliśmy się, jak klasyfikuje się stale według ogólnego składu chemicznego i przeznaczenia oraz które z nich są wykorzystywane do produkcji wysokiej jakości noży kuchennych. W drugim rozdziale wprowadziliśmy definicje odpowiednich właściwości mechanicznych materiałów metalicznych oraz zasady ich pomiaru. Następnie nastąpił szybki przegląd struktury atomowej metali oraz powiązania pomiędzy odkształceniami plastycznymi na poziomie mikroskopowym i makroskopowym. Stosując noże kuchenne chcemy zapobiec odkształceniom plastycznym, gdyż w praktyce przekładają się one na uszkodzenie krawędzi tnącej i zmniejszenie ostrości. W ostatnim rozdziale połączyliśmy całą dotychczasową wiedzę i przedstawiliśmy mechanizmy metalurgiczne poprawiające wytrzymałość materiałów metalicznych. Łączy je to, że na poziomie mikroskopowym na różne sposoby zapobiegają ruchowi dyslokacji w sieci krystalicznej. Należy również zauważyć, że wszystkie opisane mechanizmy utwardzania ostatecznie zawodzą w podwyższonych temperaturach, ponieważ wszystkie atomy, a w konsekwencji dyslokacje, poruszają się szybciej. To wyjaśnia również, dlaczego wysokiej jakości noże kuchenne nie powinny być wystawiane na działanie wysokich temperatur przez dłuższy czas (na przykład powyżej 150 stopni Celsjusza).

⬌

 ➨ Stale stopowe: stale, które oprócz węgla (C) zawierają także inne pierwiastki, często chrom (Cr), wanad (V) i molibden (Mo). Poprawiają one dodatkowo jego 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 ciągnięcia przed zerwaniem.
➨ Twardość: odporność materiału na wytłoczenia lub miejscowe odkształcenia plastyczne (trwałe). W konsekwencji oznacza to także odporność na zużycie.
➨ Metoda Rockwella (HRC): skala twardości stosowana w metalurgii do pomiaru twardości twardych substancji. Rezultatem jest liczba bezwymiarowa. Istnieją dwie wersje (i jednostki) tej metody: HRb i HRc.
➨ Plastyczność: stopień, w jakim materiał może wytrzymać odkształcenie plastyczne pod naprężeniem rozciągającym przed zniszczeniem. Im większe odkształcenie materiał może wytrzymać bez pękania z powodu kruchości, tym jest on bardziej plastyczny.
➨ Wytrzymałość: właściwość materiału polegająca na pochłanianiu dużej ilości energii przed pęknięciem.
➨ Węgliki: związki binarne składające się z węgla i metalu lub, w niektórych przypadkach, półmetalu. Mają dużą wytrzymałość i są kruche.
➨ Materiały krystaliczne: materiały stałe, których składniki, takie jak atomy, są ułożone w wysoce uporządkowane struktury mikroskopowe lub podstawowe komórki. Komórki te są okresowo powtarzane w trójwymiarowej sieci krystalicznej i mają symetryczne właściwości.
➨ Dyslokacje: liniowy defekt krystalograficzny lub nieregularność w strukturze kryształu, która powoduje nagłą zmianę w rozmieszczeniu atomów. Są one najbardziej istotne w przypadku materiałów metalicznych, ponieważ umożliwiają odkształcenie plastyczne przy stosunkowo małych naprężeniach.
➨ Utwardzanie przez odkształcenie: wzmacnianie metalu poprzez odkształcenie plastyczne. To wzmocnienie następuje w wyniku ruchów dyslokacyjnych i generowania dyslokacji w strukturze krystalicznej materiału.
➨ Kucie: kształtowanie metalu, w którym odkształcenie plastyczne następuje w wyniku kolejnych uderzeń młotkiem lub powolnego, ciągłego nacisku w prasie.
➨ Hartowanie w stanie stałym: mechanizm wyjaśniający, dlaczego stopy różnych pierwiastków są mocniejsze od czystych metali.
➨ Hartowanie: rodzaj obróbki cieplnej, podczas której stal jest najpierw podgrzewana do temperatury hartowania (temperatura austenitu, stałego roztworu żelaza z pierwiastkiem stopowym), a następnie szybko schładzana, w wyniku czego otrzymuje się martenzyt, bardzo twardą postać krystalicznej struktury stali.

⬌