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 frágil e, portanto, 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 vazar em moldes e, portanto, adequado, por exemplo, para fazer panelas de ferro fundido.

O aço também pode ser misturado com outros elementos, muitas vezes cromo (Cr), vanádio (V) e molibdênio (Mo), que melhoram ainda mais suas propriedades mecânicas e, em alguns casos, também a resistência à corrosão. Este grupo é denominado aço-liga. Um subgrupo especial de aços-liga são os aços para ferramentas, cuja característica comum é que são usados ​​para ferramentas (facas, serras, machados, brocas, etc.). Eles são adequados para uso sempre que alta tenacidade, resistência e resistência à abrasão são necessárias.

As propriedades mecânicas excepcionais dos aços para ferramentas significam, consequentemente, que eles são exigentes em termos de produção e processamento, 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 são destacadas as famílias de aços utilizadas na fabricação de 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 definir primeiro alguns conceitos básicos relativos às propriedades mecânicas do material e como as medimos.

Propriedades mecânicas: RESISTÊNCIA, DUREZA, DUCTILIDADE, RESISTÊNCIA

➨ Força

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

A parte inicial e 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 na carga, ocorre uma mudança 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 o fio cortante ou toda a lâmina entorta. A amostra no ensaio de tração pode ser ainda esticada até um determinado ponto onde a força máxima é registrada, chamada “resistência à tração”. Após este ponto, a força diminui ainda ligeiramente devido à deformação transversal da amostra, até o momento em que a amostra quebra.

➨ Dureza

A dureza de um material é, por definição, a sua resistência ao relevo ou à deformação plástica localizada (permanente). Consequentemente, isto também significa resistência ao desgaste. A dureza é uma quantidade diferente da resistência, embora estejam diretamente relacionadas. A resistência é fisicamente definida com mais precisão, 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 para medir a dureza e baseiam-se na pressão de uma sonda de formato padrão na superfície do material e na medição da profundidade da impressão. Para aços ferramenta, o método Rockwell (HRC) de medição de dureza é frequentemente usado, 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 também é a ductilidade ou plasticidade, ou seja, uma medida da deformação plástica antes da fratura. Na figura acima da curva do teste de tração, isso significa a quantidade de deformação no ponto F, enquanto a tensão na qual ocorreu a ruptura é irrelevante.

➨ Dureza

A tenacidade, entretanto, é a propriedade de um material de absorver muita energia antes de quebrar. Isto significa que deve suportar o máximo alongamento possível com força máxima. Alguns materiais quebram com alta força, mas com baixo alongamento. Dizemos que eles 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 sua estrutura atômica está organizada em células unitárias. Diz-se também que eles exibem uma ordem de longo alcance – eles têm uma estrutura periodicamente repetitiva ao longo de muitas distâncias interatômicas. Diferentes metais (elementos metálicos) possuem diferentes tipos de células unitárias que podem até mudar com a temperatura. No caso de ligas de ferro, os dois tipos mais importantes de célula unitária - célula cúbica de face centrada (esquerda) e célula cúbica de corpo centrado (direita) - são mostrados na figura acima. 👆

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

Mesmo em um metal quimicamente puro (elemento metálico), a rede cristalina contém defeitos pontuais, o que significa que um determinado átomo está faltando em 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 se liquefaz.

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

Defeitos de linha chamados discordâncias 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 entrelaçada podem trocar de vizinhos e estabelecer uma ligação com outras camadas de átomos. Desta forma, as discordâncias movem-se ao longo de uma rede metálica, permitindo assim que muitos átomos mudem permanentemente de lugar. O movimento e formação de novas discordâncias é um conceito muito importante na metalurgia, pois no nível microscópico representa uma explicação para a deformação plástica observada no nível macroscópico. Isto 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 discordâncias. 👇

Os produtos metálicos não possuem uma rede cristalina uniformemente orientada em todo o seu volume, mas são compostas por um grande número de grãos cristalinos com diferentes orientações. Isso se deve ao processo de solidificação do metal do estado líquido ao sólido, que começa em vários lugares ao mesmo tempo. Grãos de cristal com orientação diferente no metal líquido crescem para fora até colidirem com seus vizinhos e todo o metal se transformar em estado sólido. Os grãos de cristal não são visíveis a olho nu, normalmente não são maiores 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 indeformado (figura à esquerda) e após deformação plástica significativa (figura à direita), quando os grãos cristalinos mudaram de formato, ou seja, achatados. 👇

 Uma característica comum de todos os mecanismos de reforço é que eles impedem o movimento das discordâncias ao longo das redes cristalinas dos materiais metálicos. Na 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 fenômeno onde o limite de deformação plástica de um material aumenta com o aumento da deformação plástica. Isto se deve à formação de um grande número de novas discordâncias que viajam em diferentes direções ao longo da rede cristalina e dificultam o movimento umas das outras. Na fabricação de facas de cozinha, esse fenômeno ocorre no processo de forjamento, quando as lâminas são deformadas plasticamente ou alteradas de formato por golpes de martelo. Na prática, o processo não pode continuar indefinidamente, pois, além da resistência, a fragilidade também aumenta e o produto pode rachar se houver muita deformação plástica.

A figura abaixo mostra as curvas de encruamento em função do grau de deformação plástica para alguns materiais típicos. Vemos que a mudança no limite de plasticidade pode ser bastante pronunciada. 👇

➨ Fortalecimento de solução sólida

O endurecimento no estado sólido é um mecanismo que explica porque ligas de diferentes elementos são mais fortes que metais puros. Os átomos dos elementos adicionados ao elemento majoritário são inseridos em sua rede cristalina, introduzindo irregularidades devido aos átomos de tamanhos variados. 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 porque o aço, que é uma liga de carbono e ferro, é mais forte que o ferro puro e porque a liga com elementos adicionais (Cr, Mo, V) melhora ainda mais as suas propriedades mecânicas. 👇

➨ Fortalecimento com controle de tamanho de grão

No nível microscópico, os produtos metálicos consistem em um grande número de grãos de cristal orientados aleatoriamente. A sequência ordenada de átomos em um grão de cristal não continua através da fronteira do outro grão de cristal. Portanto, os limites dos grãos cristalinos representam obstáculos ao movimento das discordâncias e consequentemente também evitam a deformação plástica (figura abaixo). Os grãos de cristal normalmente ocorrem na faixa de tamanho de 0,001-0,1 milímetros. Quanto menores os grãos, mais limites entre eles por unidade de volume e mais dificultam o movimento das discordâncias. Este mecanismo de endurecimento explica porque as facas de cozinha com 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 termomecânico (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 em 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 locais característicos na rede cristalina. No caso das facas de cozinha de aço, o metal base é o ferro e o elemento de liga é o carbono. Quando o produto esfria rápido o suficiente a partir de uma alta temperatura (acima de 730 graus Celsius), os átomos de ferro se unem em outro tipo de rede cristalina, enquanto os átomos de carbono não têm tempo suficiente para se moverem para outros lugares. Eles permanecem “congelados” em seus locais 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 ou até mesmo racha. Isto depende principalmente da composição química (porcentagem de carbono e outros elementos) e da taxa de resfriamento, que é controlada pela escolha do meio de resfriamento (água, óleo ou ar).

Conclusões

No primeiro capítulo, vimos 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, apresentamos as definições de propriedades mecânicas relevantes dos materiais metálicos e os princípios de sua medição. Isto foi seguido por uma rápida visão geral da estrutura atômica dos metais e a conexão entre a deformação plástica nos níveis microscópico e macroscópico. Ao utilizar facas de cozinha, queremos evitar a deformação plástica, pois na prática isso se traduz em danos ao fio cortante e redução do fio. No último capítulo combinamos todos os conhecimentos anteriores e apresentamos mecanismos metalúrgicos que melhoram a resistência dos materiais metálicos. O que todos eles têm em comum é que, no nível microscópico, impedem o movimento das discordâncias 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 se movem mais rapidamente. Isto também explica por que 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 de liga: aços que, além do carbono (C), também contêm outros elementos, muitas vezes cromo (Cr), vanádio (V) e molibdênio (Mo). Estes melhoram ainda mais as suas propriedades mecânicas e, em alguns casos, também a resistência à corrosão.
➨ Força: resistência a mudanças de forma sob a influência de forças externas.
➨ Resistência à tracção: a tensão máxima que um material pode suportar ao ser esticado ou puxado antes de quebrar.
➨ Dureza: resistência do material à gravação ou deformação plástica localizada (permanente). Consequentemente, também significa 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 sustentar 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 quebrar.
➨ Carbonetos: compostos binários compostos de carbono e um metal ou, em alguns casos, um semimetal. Eles têm alta resistência e são frágeis.
➨ Materiais cristalinos: materiais sólidos cujos constituintes, como átomos, estão organizados em estruturas microscópicas altamente ordenadas ou células básicas. Essas células são repetidas periodicamente em uma rede cristalina tridimensional e possuem propriedades simétricas.
➨ Luxações: um defeito cristalográfico linear ou irregularidade dentro de uma estrutura cristalina que contém uma mudança abrupta no arranjo dos átomos. Eles são mais relevantes no que diz respeito aos materiais metálicos porque permitem a deformação plástica sob uma tensão relativamente pequena.
➨ Endurecimento por deformação: fortalecimento de um metal por deformação plástica. Este fortalecimento ocorre devido a movimentos de deslocamento e geração de deslocamento dentro da estrutura cristalina do material.
➨ Forjamento: a moldagem de metal onde a deformação plástica é causada por golpes consecutivos com um martelo ou pela aplicação lenta de uma pressão contínua em uma prensa.
➨ Endurecimento em estado sólido: um mecanismo que explica por que ligas de diferentes elementos são mais fortes que metais puros.
➨ Têmpera: um tipo de tratamento térmico onde o aço é primeiro aquecido a uma temperatura de têmpera (a temperatura da austenita, uma solução sólida de ferro, com um elemento de liga) e depois resfriado rapidamente, obtendo-se assim a martensita, uma forma muito dura de estrutura cristalina do aço.

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