Introdução à metalurgia das 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 ferro fundido, um material bastante frágil e, portanto, inadequado para facas de cozinha ou ferramentas semelhantes. No entanto, um alto teor de carbono resulta num ponto de fusão mais baixo, o que significa que o ferro fundido é mais fácil de verter em moldes e, assim, por exemplo, adequado para a fabricação de 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 aço de liga. Um subgrupo especial dos aços de liga são os aços para ferramentas, cuja característica comum é que são usados para ferramentas (facas, serras, machados, brocas, etc.). São adequados para uso sempre que se requer 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 usadas 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

➨ Resistência

Uma das propriedades mais básicas dos materiais metálicos é a sua resistência, definida como a resistência a alterações de forma sob a influência de forças externas. É medida experimentalmente por ensaios de tração, onde uma amostra de material alongado é presa nas mandíbulas, que são então lentamente afastadas até a amostra se romper. Durante este processo, é registada a curva da força em função do deslocamento das mandíbulas. Para facilitar a comparação de amostras de diferentes tamanhos, os valores são geralmente convertidos numa 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 ao remover a carga. 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 significa que o fio de corte ou toda a lâmina se dobra. A amostra no ensaio de tração pode ser esticada ainda mais até um certo ponto onde é registada a força máxima, chamada “resistência à tração”. Após este ponto, a força até 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 estampagem ou deformação plástica localizada (permanente). Consequentemente, isto também significa resistência ao desgaste. A dureza é uma grandeza 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 das facas de cozinha. Existem vários métodos diferentes para medir a dureza e baseiam-se em pressionar uma sonda de forma padrão na superfície do material e medir a profundidade da impressão. Para aços para ferramentas, o método Rockwell (HRC) de medição da dureza é frequentemente usado, onde a sonda é um cone de diamante. No entanto, existem outros métodos 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 fractura. Na figura acima da curva do ensaio de tração, isto significa a quantidade de deformação no ponto F, enquanto a tensão à qual ocorreu a ruptura é irrelevante.

➨ Tenacidade

A tenacidade, no entanto, é a propriedade de um material de absorver muita energia antes de se partir. Isto significa que deve suportar o máximo de alongamento possível à força máxima. Alguns materiais partem-se a alta força mas com baixo alongamento. Dizemos que são frágeis. A área sob a curva do ensaio de tração representa a tenacidade e também está mostrada 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 exibem uma ordem de longo alcance – possuem 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 centrada nas faces (esquerda) e célula cúbica centrada no corpo (direita) – estão mostrados na figura acima. 👆

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

Mesmo num metal quimicamente puro (elemento metálico), a rede cristalina contém defeitos pontuais, o que significa que um átomo específico está em falta na sua localização teórica ou está inserido no local errado. O número desses 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-se.

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

Defeitos lineares chamados discordâncias estão também 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 de vizinhos e estabelecer uma ligação com outras camadas de átomos. Desta forma, as discordâncias movem-se ao longo da rede metálica, permitindo assim que muitos átomos mudem permanentemente de lugar. O movimento e a formação de novas discordâncias é um conceito muito importante na metalurgia, pois a nível microscópico representa uma explicação para a deformação plástica observada a nível macroscópico. Isto leva-nos também 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 discordâncias. 👇

Os produtos metálicos não possuem uma rede cristalina uniformemente orientada em todo o seu volume, mas são antes compostos por um grande número de grãos cristalinos com diferentes orientações. Isto deve-se ao processo de solidificação do metal do estado líquido para o sólido, que começa em muitos locais 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 têm mais do que 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 (figura à esquerda) e após uma deformação plástica significativa (figura à direita), quando os grãos cristalinos mudaram de forma, ou seja, ficaram achatados. 👇

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

➨ Endurecimento por deformação

O endurecimento por deformação 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 diferentes direções 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 na 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 do limite de plasticidade pode ser bastante pronunciada. 👇

➨ Endurecimento por solução sólida

O endurecimento no estado sólido é um mecanismo que explica porque 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 aos átomos de tamanhos variados. As irregularidades na rede cristalina causam tensões internas, que por sua vez obstruem o movimento das discordâncias. Isto é também mostrado esquematicamente na figura abaixo. Este mecanismo explica porque o aço, que é uma liga de carbono e ferro, é mais forte do que o ferro puro e porque a liga com elementos adicionais (Cr, Mo, V) melhora ainda mais as suas propriedades mecânicas. 👇

➨ Endurecimento pelo controlo do tamanho do grão

Ao nível microscópico, os produtos metálicos consistem num grande número de grãos cristalinos orientados aleatoriamente. A sequência ordenada de átomos num grão cristalino não continua através da fronteira para o outro grão cristalino. Portanto, as fronteiras dos grãos cristalinos representam obstáculos ao movimento das discordâncias e, consequentemente, também impedem a deformação plástica (imagem abaixo). Os grãos cristalinos 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 dificultam o movimento das discordâncias. Este mecanismo de endurecimento explica porque as 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

O têmpera é o processo de melhorar as propriedades mecânicas através do arrefecimento 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 numa rede cristalina cúbica centrada no corpo que, a cerca de 730 graus Celsius, se transforma numa rede cúbica centrada nas faces. 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 nos seus lugares característicos na rede cristalina. No caso das facas de cozinha em aço, o metal base é o ferro e o elemento de liga é o carbono. Quando o produto arrefece rapidamente o suficiente a partir de uma temperatura elevada (acima de 730 graus Celsius), os átomos de ferro ligam-se numa outra tipo de rede cristalina, enquanto os átomos de carbono não têm tempo suficiente para se mover para outros lugares. Eles permanecem “congelados” nos seus lugares anteriores e introduzem tensões internas na rede cristalina, o que por sua vez dificulta o movimento das discordâncias.
As tensões internas causadas pela têmpera podem ser tão grandes que o produto muda significativamente de forma, dobra-se ou até racha. Isto depende principalmente da composição química (percentagem de carbono e 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 como os aços são classificados de acordo com a composição química geral e o uso pretendido, e quais deles são usados 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 da ligação entre a deformação plástica a nível microscópico e macroscópico. Ao usar facas de cozinha, queremos evitar a deformação plástica, porque na prática isso se traduz em danos na aresta 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 têm em comum é que, a nível microscópico, impedem o movimento das discordâncias na rede cristalina de várias maneiras. É também importante notar que todos os mecanismos de endurecimento descritos acabam por falhar a temperaturas elevadas porque todos os átomos e, consequentemente, as discordâncias se movem mais rapidamente. Isto explica também por que as facas de cozinha de qualidade não devem ser expostas a altas temperaturas por períodos prolongados (por exemplo, acima de 150 graus Celsius).

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 ➨ Aços de liga: aços que, além do carbono (C), também contêm 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.
➨ Resistência: resistência a mudanças de 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 partir.
➨ Dureza: resistência do material à impressão ou deformação plástica localizada (permanente). Consequentemente, significa também resistência ao desgaste.
➨ Método Rockwell (HRC): uma escala de dureza usada em 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 partir devido à fragilidade, mais dúctil é.
➨ Tenacidade: a propriedade de um material de absorver muita energia antes de se partir.
➨ Carburetos: compostos binários formados 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 organizados em estruturas microscópicas altamente ordenadas ou células básicas. Estas células são repetidas periodicamente numa rede cristalina tridimensional e possuem propriedades simétricas.
➨ Discordâncias: um defeito cristalográfico linear ou irregularidade dentro de uma estrutura cristalina que contém uma mudança abrupta no arranjo dos átomos. São mais relevantes nos materiais metálicos porque permitem a deformação plástica a uma tensão relativamente baixa.
➨ Endurecimento por deformação: o fortalecimento de um metal por deformação plástica. Este fortalecimento ocorre devido aos movimentos e à geração de discordâncias dentro da estrutura cristalina do material.
➨ Forjamento: a conformação do 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.
➨ Endurecimento no 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 até uma temperatura de têmpera (a temperatura da austenite, uma solução sólida de ferro com um elemento de liga) e depois arrefecido 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. Jr., Rethwisch, David G. 2014. Materials Science and Engineering: An Introduction. Hoboken: John Wiley & Sons, Inc.