Introdução à metalurgia de facas de cozinha

Tipos de aço

O aço é basicamente uma liga dos elementos ferro (Fe) e carbono (C), onde este último representa até 2% da massa total. Mesmo uma quantidade muito pequena de carbono altera consideravelmente as propriedades mecânicas do aço, melhorando particularmente a sua resistência, o que é crucial para qualquer aplicação prática. Uma liga com mais de 2% de carbono é chamada de ferro fundido, um material bastante quebradiço e, portanto, inadequado para facas de cozinha ou ferramentas semelhantes. No entanto, um alto teor de carbono resulta em um ponto de fusão mais baixo, o que significa que o ferro fundido é mais fácil de derramar em moldes e, assim, por exemplo, adequado para fazer panelas de ferro fundido.

O aço também pode ser misturado com outros elementos, frequentemente cromo (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 chamado de aço liga. Um subgrupo especial de aços liga são os aços para ferramentas, cuja característica comum é que são utilizados para ferramentas (facas, serras, machados, brocas, etc.). Eles são adequados para uso sempre que são exigidas alta tenacidade, resistência e resistência ao desgaste.

As excecionais propriedades mecânicas 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 e as famílias de aços utilizados para fabricar facas de cozinha estão destacadas. 👇

Propriedades mecânicas dos materiais

Para descrever as propriedades das facas de cozinha e a sua diferenciação em termos de qualidade, é útil primeiro definir alguns conceitos básicos sobre as propriedades mecânicas do material e como as medimos.

Propriedades mecânicas: RESISTÊNCIA, DUREZA, DUCTILIDADE, TENACIDADE

➨ Força

Uma das propriedades mais básicas dos materiais metálicos é a sua resistência, definida como a resistência a alterações na forma sob a influência de forças externas. É medida experimentalmente através de testes de tração, onde uma amostra de um material alongado é presa nas mandíbulas, que são então puxadas lentamente até que a amostra se rompa. Ao fazer isso, a curva de força em função do deslocamento das mandíbulas é registada. Para facilitar a comparação de amostras de tamanhos diferentes, os valores são geralmente convertidos em uma curva de tensão versus deformação. Um exemplo disto é mostrado na figura abaixo, que também apresenta esquematicamente a aparência externa típica de uma amostra. 👇

A parte inicial, muito íngreme da curva representa uma deformação elástica quando o material retorna à sua forma original à medida que a carga é removida. Com um aumento adicional da carga, ocorre uma alteração irreversível na forma, ou seja, o material é deformado plasticamente. Definitivamente, queremos evitar esta situação com facas de cozinha, porque na prática isso significa que a borda de corte ou toda a lâmina se dobra. A amostra no teste de tração pode ser esticada ainda mais até um certo ponto onde a força máxima é registrada, chamada de "resistência à tração". Após este ponto, a força até diminui ligeiramente devido à deformação transversal da amostra, até o momento em que a amostra se rompe.

➨ Dureza

A dureza de um material é, por definição, a sua resistência ao embossing ou à deformação plástica (permanente) localizada. Consequentemente, isso também significa resistência ao desgaste. A dureza é uma quantidade diferente da resistência, embora estejam diretamente relacionadas. A resistência é fisicamente mais precisamente definida, mas a dureza é geralmente mais fácil de medir na prática e também é mais relevante no caso de facas de cozinha. Existem vários métodos diferentes de medir a dureza e eles baseiam-se na pressão de uma sonda de forma padrão na superfície do material e na medição da profundidade da impressão. Para aços para ferramentas, o método Rockwell (HRC) de medição da dureza é frequentemente utilizado, onde a sonda é um cone de diamante. No entanto, existem outros métodos que são mais adequados para materiais mais macios, por exemplo, medir a dureza com uma sonda em forma de bola.

➨ 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, isso significa a quantidade de deformação no ponto F, enquanto que a tensão à qual a ruptura ocorreu é irrelevante.

➨ Resistência

A tenacidade, no entanto, é a propriedade de um material de absorver muita energia antes de se romper. Isso significa que deve suportar o máximo de alongamento possível sob a força máxima. Alguns materiais rompem-se a alta força, mas com baixo alongamento. Dizemos que são frágeis. A área sob a curva do teste de tração representa a tenacidade e também é mostrada na figura abaixo. 👇

Os metais são materiais cristalinos, o que significa que a sua estrutura atómica está organizada em células unitárias. Também se diz que exibem uma ordem de longo alcance – têm uma estrutura periodicamente repetitiva 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 célula unitária – célula cúbica de face centrada (esquerda) e célula cúbica de corpo centrado (direita) – estão mostrados na figura acima. 👆

Na prática, cristais ideais, onde a mesma estrutura atómica seria repetida periodicamente sem erro ao longo de uma longa distância (por exemplo, todo o produto), não existem. Numa estrutura cristalina ideal, todos os cristais ou metais contêm defeitos de vários tipos: defeitos pontuais, lineares, planares ou de volume.

Mesmo num metal quimicamente puro (elemento metálico), a rede cristalina contém defeitos pontuais, o que significa que um determinado átomo está ausente na sua localização teórica ou está inserido no local errado. O número de tais erros aumenta exponencialmente com a temperatura. A uma temperatura suficientemente alta, os átomos mudam rapidamente de lugar, movem-se ao longo da rede cristalina, e o número de defeitos aumenta até que a estrutura ordenada se desintegre. Nesse momento, o metal liquefaz.

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

Defeitos lineares chamados de deslocações 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 entrelaçada podem trocar seus vizinhos e estabelecer uma ligação com outras camadas de átomos. Desta forma, as deslocações movem-se ao longo de uma rede metálica, permitindo assim que muitos átomos mudem permanentemente de lugar. O movimento e a formação de novas deslocações é um conceito muito importante na metalurgia, pois, a nível microscópico, representa uma explicação para a deformação plástica observada a nível macroscópico. Isso também nos leva à conclusão de que, se quisermos reduzir a deformação plástica do nosso produto ou aumentar a sua resistência, devemos de alguma forma inibir o movimento das deslocações.👇

Os produtos metálicos não têm uma rede cristalina que esteja uniformemente orientada em todo o seu volume, mas são compostos por um grande número de grãos cristalinos com orientações diferentes. Isso se deve ao processo de solidificação do metal do estado líquido para o estado sólido, que começa em muitos lugares ao mesmo tempo. Grãos cristalinos orientados de forma diferente no metal líquido crescem para fora até colidirem com os seus vizinhos e todo o metal se transforma em estado sólido. Os grãos cristalinos não são visíveis a olho nu, normalmente não são maiores do que um décimo de milímetro, mas podem ser observados com um microscópio óptico. As duas imagens abaixo mostram uma microestrutura metálica com muitos grãos cristalinos no estado não deformado (figura à esquerda) e após uma deformação plástica significativa (figura à direita), quando os grãos cristalinos mudaram de forma, ou seja, achatou-se. 👇

 Uma característica comum de todos os mecanismos de endurecimento é que eles dificultam o movimento das deslocalizações ao longo das redes cristalinas dos materiais metálicos. Em escala microscópica, o movimento das deslocalizações representa o mecanismo de deformação plástica que é detectado a olho nu em escala macroscópica.

➨ Endurecimento por deformação

A encruamento é um fenómeno onde o limite de deformação plástica de um material aumenta com o aumento da deformação plástica. Isto deve-se à formação de um vasto número de novas discordâncias que se deslocam em direcções diferentes ao longo da rede cristalina e dificultam o movimento umas das outras. Na fabricação de facas de cozinha, este fenómeno ocorre no processo de forjamento, quando as lâminas são deformadas plasticamente ou alteradas em forma por golpes de martelo. Na prática, o processo não pode ser continuado indefinidamente, porque, além da resistência, a fragilidade também aumenta e o produto pode rachar se houver demasiada deformação plástica.

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 no limite de plasticidade pode ser bastante pronunciada. 👇

➨ Endurecimento por solução sólida

A solidificação em estado sólido é um mecanismo que explica por que as ligas de diferentes elementos são mais fortes do que os metais puros. Os átomos dos elementos adicionados ao elemento maioritário são inseridos na sua rede cristalina, introduzindo irregularidades devido ao tamanho variado dos átomos. Irregularidades na rede cristalina causam tensões internas, que por sua vez obstruem o movimento das discordâncias. Isso também é mostrado esquematicamente na figura abaixo. Este mecanismo explica por que o aço, que é uma liga de carbono e ferro, é mais forte do que o ferro puro e por que a adição de elementos adicionais (Cr, Mo, V) melhora ainda mais as suas propriedades mecânicas. 👇

➨ Reforço com controlo do tamanho de grão

A nível microscópico, os produtos metálicos consistem em um grande número de grãos de cristal que estão orientados aleatoriamente. A sequência ordenada de átomos em um grão de cristal não continua através da fronteira no outro grão de cristal. Portanto, as fronteiras dos grãos de cristal representam obstáculos ao movimento de deslocações e, consequentemente, também impedem a deformação plástica (imagem abaixo). Os grãos de cristal ocorrem tipicamente na faixa de tamanho de 0,001-0,1 milímetros. Quanto menores os grãos, mais fronteiras existem entre eles por unidade de volume e mais eles dificultam o movimento das deslocações. Este mecanismo de endurecimento explica por que facas de cozinha com uma estrutura de grão fino, como as facas japonesas, são mais fortes e de melhor qualidade. O tamanho do grão no produto depende de uma combinação complexa dos efeitos da composição química e do tratamento termo-mecânico (por exemplo, forjamento a quente). 👇

➨ Têmpera

A têmpera é o processo de melhoria das propriedades mecânicas através do resfriamento rápido de um produto quente. A primeira condição para a capacidade de endurecimento é a existência de metal puro em dois tipos de redes cristalinas a diferentes temperaturas. À temperatura ambiente, o ferro existe em uma rede cristalina cúbica de corpo centrado que, a cerca de 730 graus Celsius, se transforma em uma rede cúbica de face centrada. A mesma transição ocorre na direção oposta quando a temperatura diminui. A segunda condição é a presença de um elemento de liga, cujos átomos estão distribuídos uniformemente em seus lugares característicos na rede cristalina. No caso de facas de cozinha de aço, o metal base é o ferro e o elemento de liga é o carbono. Quando o produto esfria rapidamente a partir de uma alta temperatura (acima de 730 graus Celsius), os átomos de ferro se ligam a outro tipo de rede cristalina, enquanto os átomos de carbono não têm tempo suficiente para se mover para outros lugares. Eles permanecem "congelados" em seus lugares anteriores e introduzem tensões internas na rede cristalina, o que, por sua vez, dificulta o movimento das deslocalizações.
As tensões internas causadas pelo tempera podem ser tão grandes que o produto muda significativamente de forma, dobra-se ou até mesmo racha. Isso depende principalmente da composição química (percentagem de carbono e outros elementos) e da taxa de arrefecimento, que é controlada pela escolha de um meio de arrefecimento (água, óleo ou ar).

Conclusões

No primeiro capítulo, analisámos como os aços são classificados de acordo com a composição química geral e o uso pretendido, e quais deles são utilizados para 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 rápida visão geral da estrutura atómica dos metais e a ligação entre a deformação plástica a níveis microscópicos e macroscópicos. Ao utilizar facas de cozinha, queremos prevenir a deformação plástica, pois na prática isso traduz-se em danos na lâmina de corte e redução da afiação. No último capítulo, combinámos todo o conhecimento anterior e apresentámos os mecanismos metalúrgicos que melhoram a resistência dos materiais metálicos. O que todos eles têm em comum é que, a nível microscópico, previnem o movimento de deslocações na rede cristalina de várias maneiras. É também importante notar que todos os mecanismos de endurecimento descritos eventualmente falham a temperaturas elevadas, porque todos os átomos e, consequentemente, as deslocações movem-se mais rapidamente. Isso também explica porque as facas de cozinha de qualidade não devem ser expostas a altas temperaturas por longos períodos de tempo (por exemplo, acima de 150 graus Celsius).

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 ➨ Aços liga: aços que, além de carbono (C), contêm também outros elementos, frequentemente cromo (Cr), vanádio (V) e molibdénio (Mo). Estes melhoram ainda mais as suas propriedades mecânicas e, em alguns casos, também a resistência à corrosão.
➨ Força: resistência a alterações na forma sob a influência de forças externas.
➨ Resistência à tração: a tensão máxima que um material pode suportar enquanto é esticado ou puxado antes de se romper.
➨ Dureza: resistência do material ao estampagem ou deformação plástica (permanente) localizada. Consequentemente, também significa resistência ao desgaste.
➨ Método Rockwell (HRC): uma 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: o grau em que um material pode suportar deformação plástica sob tensão de tração antes da falha. Quanto mais deformação um material pode suportar sem quebrar devido à fragilidade, mais dúctil ele é.
➨ Dureza: a propriedade de um material de absorver muita energia antes de se partir.
➨ Carbetos: compostos binários compostos por carbono e um metal ou, em alguns casos, um semi-metal. Têm alta resistência e são frágeis.
➨ Materiais cristalinos: materiais sólidos cujos constituintes, como átomos, estão dispostos em estruturas microscópicas altamente ordenadas ou células básicas. Estas células são repetidas periodicamente em uma rede cristalina tridimensional e possuem propriedades simétricas.
➨ Deslocações: um defeito ou irregularidade cristalográfica linear dentro de uma estrutura cristalina que contém uma mudança abrupta na disposição dos átomos. Elas são mais relevantes no que diz respeito aos materiais metálicos porque permitem a deformação plástica a uma tensão relativamente baixa.
➨ Dureza por deformação: fortalecimento de um metal por deformação plástica. Este fortalecimento ocorre devido ao movimento de discordâncias e à geração de discordâncias dentro da estrutura cristalina do material.
➨ Forjamento: a moldagem de metal onde a deformação plástica é causada pela aplicação de golpes consecutivos com um martelo ou pela aplicação lenta de uma pressão contínua numa prensa.
➨ Dureza em estado sólido: um mecanismo que explica porque as ligas de diferentes elementos são mais fortes do que os metais puros.
➨ Tempera: um tipo de tratamento térmico onde o aço é primeiro aquecido a uma temperatura de têmpera (a temperatura da austenite, uma solução sólida de ferro, com um elemento de liga) e depois resfriado rapidamente, obtendo assim martensite, uma forma muito dura da estrutura cristalina do aço.

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Autor do artigo: Matevž Pintar, MSc em engenharia mecânica
Imagens: Callister, William D. em Jr., Rethwisch, David G. 2014. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução. Hoboken: John Wiley & Sons, Inc.