Introdução à metalurgia das facas de cozinha

Tipos de aço

O aço é basicamente uma liga dos elementos ferro (Fe) e carbono (C), representando este último até 2% da massa total. Mesmo uma quantidade muito pequena de carbono altera consideravelmente as propriedades mecânicas do aço, melhorando sobretudo a sua resistência, o que é crucial para qualquer aplicação prática. Uma liga com mais de 2% de carbono é denominada ferro fundido, um material bastante frágil e, por isso, inadequado para facas de cozinha ou ferramentas semelhantes. No entanto, um elevado teor de carbono resulta num ponto de fusão mais baixo, o que significa que o ferro fundido é mais fácil de verter para moldes e, por exemplo, adequado para fabricar panelas de ferro fundido.

O aço também pode ser misturado com outros elementos, frequentemente crómio (Cr), vanádio (V) e molibdénio (Mo), que melhoram ainda mais as suas propriedades mecânicas e, em alguns casos, também a resistência à corrosão. Este grupo é denominado aço ligado. Um subgrupo especial dos aços ligados é constituído pelos aços para ferramentas, cuja característica comum é serem utilizados em ferramentas (facas, serras, machados, brocas, etc.). São adequados para utilizações que exigem elevada tenacidade, resistência e resistência à abrasão.

As propriedades mecânicas excecionais dos aços para ferramentas significam, consequentemente, que são exigentes de produzir e processar, o que, por sua vez, os torna mais caros em comparação com aços com menos elementos de liga. Em termos de material, a maioria das facas de cozinha de qualidade pertence à família dos aços para ferramentas. A figura abaixo mostra uma distribuição esquemática das ligas de ferro, estando destacadas as famílias de aços utilizadas para fabricar facas de cozinha. 👇

Propriedades mecânicas dos materiais

Para descrever as propriedades das facas de cozinha e a sua diferenciação em termos de qualidade, é útil começar por definir alguns conceitos básicos relativos às propriedades mecânicas do material e à forma como as medimos.

Propriedades mecânicas: RESISTÊNCIA, DUREZA, DUCTILIDADE, TENACIDADE

Resistência

Uma das propriedades mais básicas dos materiais metálicos é a sua resistência mecânica, definida como a resistência às alterações de forma sob a influência de forças externas. É medida experimentalmente através de ensaios de tração, nos quais uma amostra de material alongado é presa nas garras, que são depois lentamente afastadas até a amostra se romper. Durante o ensaio, regista-se a curva da força em função do deslocamento das garras. Para facilitar a comparação entre amostras de diferentes dimensões, os valores são normalmente convertidos numa curva de tensão em função da deformação. Um exemplo é apresentado na figura abaixo, que também mostra esquematicamente o aspeto exterior típico de uma amostra. 👇

A parte inicial, muito inclinada, da curva representa uma deformação elástica, em que o material regressa à sua forma original quando a carga é removida. Com um aumento adicional da carga, ocorre uma alteração irreversível da forma, ou seja, o material sofre uma deformação plástica. Queremos definitivamente evitar esta situação nas facas de cozinha, porque, na prática, significa que o gume ou toda a lâmina se dobra. A amostra no ensaio de tração pode continuar a ser esticada até um determinado ponto em que é registada a força máxima, denominada «resistência à tração». Após este ponto, a força diminui ligeiramente devido à deformação transversal da amostra, até ao momento em que a amostra se rompe.

Dureza

A dureza de um material é, por definição, a sua resistência à marcação ou à deformação plástica localizada (permanente). Consequentemente, também significa resistência ao desgaste. A dureza é uma grandeza diferente da resistência mecânica, embora estejam diretamente relacionadas. A resistência mecânica é definida com maior precisão do ponto de vista físico, mas a dureza é geralmente mais fácil de medir na prática e também é mais relevante no caso das facas de cozinha. Existem vários métodos diferentes de medir a dureza, baseados na pressão de uma sonda com formato normalizado contra a superfície do material e na medição da profundidade da impressão. Para aços-ferramenta, é frequentemente utilizado o método Rockwell (HRC) de medição da dureza, no qual a sonda é um cone de diamante. No entanto, existem outros métodos mais adequados para materiais mais macios, como a medição da dureza com uma sonda esférica.

Ductilidade

Uma propriedade mecânica relevante é também a ductilidade ou plasticidade, ou seja, uma medida da deformação plástica antes da fratura. Na figura acima da curva do ensaio de tração, isto corresponde à quantidade de deformação no ponto F, enquanto a tensão em que ocorreu a rutura é irrelevante.

Tenacidade

A tenacidade, porém, é a propriedade de um material absorver muita energia antes de se partir. Isto significa que deve suportar o maior alongamento possível à força máxima. Alguns materiais partem-se sob uma força elevada, mas com um alongamento reduzido. Dizemos que são frágeis. A área sob a curva do ensaio de tração representa a tenacidade e também é apresentada na figura abaixo. 👇

Os metais são materiais cristalinos, o que significa que a sua estrutura atómica está organizada em células unitárias. Diz-se também que apresentam uma ordem a longo alcance – têm uma estrutura que se repete periodicamente ao longo de muitas distâncias interatómicas. Diferentes metais (elementos metálicos) têm diferentes tipos de células unitárias, que podem até mudar com a temperatura. No caso das ligas de ferro, os dois tipos mais importantes de células unitárias – a célula cúbica de faces centradas (à esquerda) e a célula cúbica de corpo centrado (à direita) – são apresentados na figura acima. 👆

Na prática, não existem cristais ideais, nos quais a mesma estrutura atómica se repetiria periodicamente e sem erros ao longo de uma grande distância (por exemplo, em todo o produto). Numa estrutura cristalina ideal, todos os cristais ou metais contêm defeitos de vários tipos: defeitos pontuais, lineares, planos ou volumétricos.

Mesmo num metal quimicamente puro (elemento metálico), a rede cristalina contém defeitos pontuais, o que significa que um determinado átomo está ausente no seu local teórico ou foi inserido no local errado. O número destes defeitos aumenta exponencialmente com a temperatura. A uma temperatura suficientemente elevada, os átomos mudam rapidamente de posição, deslocam-se ao longo da rede cristalina e o número de defeitos aumenta até a estrutura ordenada se desintegrar. Nesse momento, o metal liquefaz-se.

As duas imagens abaixo representam esquematicamente exemplos de defeitos pontuais: um átomo do mesmo tipo desaparece de um local da rede cristalina onde, teoricamente, deveria estar localizado (figura à esquerda); ou um átomo de outro elemento é inserido na rede cristalina num local inesperado ou substitui o átomo do elemento predominante (figura à direita). 👇

Os defeitos lineares chamados deslocações também estão sempre presentes nos metais e ocorrem quando uma camada de átomos é inserida entre outras camadas. Sob a influência de tensões externas, os átomos pertencentes à camada intercalada podem trocar de vizinhos e estabelecer uma ligação com outras camadas de átomos. Deste modo, as deslocações movem-se ao longo de uma rede metálica, permitindo assim que muitos átomos mudem permanentemente de posição. O movimento e a formação de novas deslocações são conceitos muito importantes na metalurgia, pois, ao nível microscópico, representam uma explicação para a deformação plástica observada ao nível macroscópico. Isto também nos leva à conclusão de que, se quisermos reduzir a deformação plástica do nosso produto ou aumentar a sua resistência, temos de inibir de alguma forma o movimento das deslocações.👇

Os produtos metálicos não têm uma rede cristalina uniformemente orientada em todo o seu volume, sendo antes compostos por um grande número de grãos cristalinos com orientações diferentes. Isto deve-se ao processo de solidificação do metal, do estado líquido para o estado sólido, que começa em muitos pontos ao mesmo tempo. Os grãos cristalinos com orientações diferentes no metal líquido crescem para o exterior até colidirem com os seus vizinhos e todo o metal passar ao estado sólido. Os grãos cristalinos não são visíveis a olho nu, normalmente não têm mais de um décimo de milímetro, mas podem ser observados com um microscópio ótico. As duas imagens abaixo mostram uma microestrutura metálica com muitos grãos cristalinos no estado não deformado (imagem à esquerda) e após uma deformação plástica significativa (imagem à direita), quando os grãos cristalinos alteraram a sua forma, ou seja, ficaram achatados. 👇

 Uma característica comum a todos os mecanismos de endurecimento é o facto de dificultarem o movimento das deslocações ao longo das redes cristalinas dos materiais metálicos. À escala microscópica, o movimento das deslocações representa o mecanismo de deformação plástica que é detetado a olho nu à escala macroscópica.

Encruamento

O endurecimento por deformação é um fenómeno em que o limite de deformação plástica de um material aumenta à medida que aumenta a deformação plástica. Isto deve-se à formação de um grande número de novas deslocações que se movem em diferentes direções ao longo da rede cristalina e dificultam o movimento umas das outras. No fabrico de facas de cozinha, este fenómeno ocorre no processo de forjagem, quando as lâminas são deformadas plasticamente ou mudam de forma devido aos golpes do martelo. Na prática, o processo não pode ser continuado indefinidamente, porque, para além da resistência, também aumenta a fragilidade e o produto pode fissurar se sofrer uma deformação plástica excessiva.

A figura abaixo mostra as curvas de endurecimento por deformação em função do grau de deformação plástica para alguns materiais típicos. Vemos que a alteração do limite de plasticidade pode ser bastante acentuada. 👇

Endurecimento por solução sólida

O endurecimento por solução sólida é um mecanismo que explica por que razão as ligas de elementos diferentes são mais resistentes do que os metais puros. Os átomos dos elementos adicionados ao elemento principal são inseridos na sua rede cristalina, introduzindo irregularidades devido às diferenças de tamanho dos átomos. As irregularidades na rede cristalina provocam tensões internas, que por sua vez dificultam o movimento das deslocações. Isto também é mostrado esquematicamente na figura abaixo. Este mecanismo explica por que razão o aço, que é uma liga de carbono e ferro, é mais resistente do que o ferro puro e por que razão a adição de elementos (Cr, Mo, V) melhora ainda mais as suas propriedades mecânicas. 👇

Endurecimento através do controlo do tamanho dos grãos

A nível microscópico, os produtos metálicos são constituídos por um grande número de grãos cristalinos com orientações aleatórias. A sequência ordenada de átomos num grão cristalino não se prolonga através da fronteira para o outro grão cristalino. Por isso, as fronteiras dos grãos cristalinos constituem obstáculos ao movimento das deslocações e, consequentemente, também impedem a deformação plástica (imagem abaixo). Os grãos cristalinos encontram-se normalmente numa gama de tamanhos de 0.001-0.1 milímetros. Quanto mais pequenos forem os grãos, mais fronteiras existem entre eles por unidade de volume e mais dificultam o movimento das deslocações. Este mecanismo de endurecimento explica por que razão as facas de cozinha com uma estrutura de grão fino, como as facas japonesas, são mais resistentes e de melhor qualidade. O tamanho dos grãos no produto depende de uma combinação complexa dos efeitos da composição química e do tratamento termomecânico (por exemplo, a forjagem a quente). 👇

Têmpera

A têmpera é o processo de melhoria das propriedades mecânicas através do arrefecimento rápido de um produto quente. A primeira condição para a capacidade de endurecer é a existência do metal puro em dois tipos de redes cristalinas a diferentes temperaturas. À temperatura ambiente, o ferro existe numa rede cristalina cúbica de corpo centrado que, a cerca de 730 graus Celsius, se transforma numa rede cúbica de faces centradas. A mesma transição ocorre no sentido inverso quando a temperatura diminui. A segunda condição é a presença de um elemento de liga, cujos átomos estão distribuídos uniformemente nos seus lugares característicos na rede cristalina. No caso das facas de cozinha de aço, o metal de base é o ferro e o elemento de liga é o carbono. Quando o produto arrefece suficientemente depressa a partir de uma temperatura elevada (acima de 730 graus Celsius), os átomos de ferro ligam-se formando outro tipo de rede cristalina, enquanto os átomos de carbono não têm tempo suficiente para se deslocarem para outros lugares. Permanecem “congelados” nos seus lugares anteriores e introduzem tensões internas na rede cristalina, o que, por sua vez, dificulta o movimento das deslocações.
As tensões internas causadas pela têmpera podem ser tão grandes que o produto muda significativamente de forma, se dobra ou até fissura. Isto depende sobretudo da composição química (percentagem de carbono e de outros elementos) e da velocidade de arrefecimento, que é controlada pela escolha do meio de arrefecimento (água, óleo ou ar).

Conclusões

No primeiro capítulo, analisámos a forma como os aços são classificados de acordo com a composição química geral e a utilização prevista, e quais deles são utilizados em facas de cozinha de qualidade. No segundo capítulo, introduzimos as definições das propriedades mecânicas relevantes dos materiais metálicos e os princípios da sua medição. Seguiu-se uma breve visão geral da estrutura atómica dos metais e da relação entre a deformação plástica aos níveis microscópico e macroscópico. Ao utilizar facas de cozinha, queremos evitar a deformação plástica, porque, na prática, esta se traduz em danos no fio de corte e numa redução da afiação. No último capítulo, reunimos todos os conhecimentos anteriores e apresentámos mecanismos metalúrgicos que melhoram a resistência dos materiais metálicos. Todos têm em comum o facto de, ao nível microscópico, impedirem de várias formas o movimento das deslocações na rede cristalina. É também importante notar que todos os mecanismos de endurecimento descritos acabam por falhar a temperaturas elevadas, porque todos os átomos e, consequentemente, as deslocações se movem mais depressa. Isto também explica por que razão as facas de cozinha de qualidade não devem ser expostas a temperaturas elevadas durante períodos prolongados (por exemplo, acima de 150 graus Celsius).

 ➨ Aços ligados: aços que, para além do carbono (C), também contêm outros elementos, frequentemente crómio (Cr), vanádio (V) e molibdénio (Mo). Estes melhoram ainda mais as suas propriedades mecânicas e, em alguns casos, também a resistência à corrosão.
➨ Resistência: resistência às alterações de forma sob a influência de forças externas.
➨ Resistência à tração: tensão máxima que um material consegue suportar enquanto é esticado ou tracionado antes de se partir.
➨ Dureza: resistência de um material à gravação ou à deformação plástica localizada (permanente). Consequentemente, também significa resistência ao desgaste.
➨ Método de Rockwell (HRC): escala de dureza utilizada na metalurgia para medir a dureza de substâncias duras. O resultado é um número adimensional. Existem duas versões (e unidades) deste método: HRb e HRc.
➨ Ductilidade: grau em que um material consegue suportar deformação plástica sob tensão de tração antes da rotura. Quanto maior for a deformação que um material consegue suportar sem se partir devido à fragilidade, mais dúctil é.
➨ Tenacidade: propriedade de um material que lhe permite absorver muita energia antes de se partir.
➨ Carbonetos: compostos binários constituídos por carbono e um metal ou, em alguns casos, um semimetal. Apresentam elevada resistência e são frágeis.
➨ Materiais cristalinos: materiais sólidos cujos constituintes, como os átomos, estão dispostos em estruturas microscópicas altamente ordenadas ou células básicas. Estas células repetem-se periodicamente numa rede cristalina tridimensional e possuem propriedades simétricas.
➨ Deslocações: um defeito ou irregularidade cristalográfica linear numa estrutura cristalina que contém uma alteração abrupta na disposição dos átomos. São especialmente relevantes no caso dos materiais metálicos, porque permitem a deformação plástica sob uma tensão relativamente baixa.
➨ Endurecimento por deformação: aumento da resistência de um metal através de deformação plástica. Este aumento da resistência ocorre devido ao movimento e à geração de deslocações na estrutura cristalina do material.
➨ Forjamento: conformação do metal em que a deformação plástica é provocada pela aplicação de golpes consecutivos com um martelo ou pela aplicação lenta de uma pressão contínua numa prensa.
➨ Endurecimento por solução sólida: um mecanismo que explica por que razão as ligas de diferentes elementos são mais resistentes do que os metais puros.
➨ Têmpera: um tipo de tratamento térmico em que o aço é primeiro aquecido até à temperatura de têmpera (a temperatura da austenite, uma solução sólida de ferro com um elemento de liga) e depois arrefecido rapidamente, obtendo-se assim martensite, uma forma muito dura da estrutura cristalina do aço.

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Autor do artigo: Matevž Pintar, Mestre em engenharia mecânica
Imagens: Callister, William D. in Jr., Rethwisch, David G. 2014. Materials Science and Engineering: An Introduction. Hoboken: John Wiley & Sons, Inc.