Introducere în metalurgia cuțitelor de bucătărie

Tipuri de oțel

Oțelul este, în esență, un aliaj de fier (Fe) și carbon (C), acesta din urmă reprezentând până la 2% din masa totală. Chiar și o cantitate foarte mică de carbon modifică semnificativ proprietățile mecanice ale oțelului, îmbunătățindu-i în special rezistența, esențială pentru orice aplicație practică. Un aliaj cu peste 2% carbon se numește fontă, un material destul de fragil și, prin urmare, nepotrivit pentru cuțite de bucătărie sau unelte similare. Totuși, un conținut ridicat de carbon duce la un punct de topire mai scăzut, ceea ce înseamnă că fonta este mai ușor de turnat în forme și, astfel, este potrivită, de exemplu, pentru fabricarea oalelor din fontă.

Oțelul poate fi amestecat și cu alte elemente, adesea crom (Cr), vanadiu (V) și molibden (Mo), care îi îmbunătățesc și mai mult proprietățile mecanice și, în unele cazuri, rezistența la coroziune. Acest grup se numește oțel aliat. Un subgrup special al oțelurilor aliate îl reprezintă oțelurile pentru scule, a căror caracteristică comună este utilizarea lor la fabricarea sculelor (cuțite, ferăstraie, topoare, burghie etc.). Acestea sunt potrivite pentru utilizare ori de câte ori sunt necesare tenacitate, rezistență și rezistență la abraziune ridicate.

Proprietățile mecanice excepționale ale oțelurilor pentru scule înseamnă, prin urmare, că acestea sunt dificil de produs și prelucrat, ceea ce le face, la rândul său, mai scumpe în comparație cu oțelurile care conțin mai puține elemente de aliere. În ceea ce privește materialul, majoritatea cuțitelor de bucătărie de calitate fac parte din familia oțelurilor pentru scule. Figura de mai jos prezintă schematic distribuția aliajelor de fier, iar familiile de oțeluri utilizate pentru fabricarea cuțitelor de bucătărie sunt evidențiate. 👇

Proprietățile mecanice ale materialelor

Pentru a descrie proprietățile cuțitelor de bucătărie și diferențele dintre acestea în ceea ce privește calitatea, este util să definim mai întâi câteva concepte de bază referitoare la proprietățile mecanice ale materialului și la modul în care le măsurăm.

Proprietăți mecanice: REZISTENȚĂ, DURITATE, DUCTILITATE, TENACITATE

Rezistență

Una dintre cele mai de bază proprietăți ale materialelor metalice este rezistența, definită ca rezistența la modificarea formei sub acțiunea forțelor externe. Aceasta este măsurată experimental prin teste de tracțiune, în care un eșantion dintr-un material alungit este prins în fălci, care sunt apoi îndepărtate lent una de cealaltă până când eșantionul se rupe. În acest proces, se înregistrează curba forței în funcție de deplasarea fălcilor. Pentru a facilita compararea eșantioanelor de dimensiuni diferite, valorile sunt de obicei convertite într-o curbă a tensiunii în funcție de deformație. Un exemplu este prezentat în figura de mai jos, care prezintă schematic și aspectul exterior tipic al unui eșantion. 👇

Porțiunea inițială, foarte abruptă, a curbei reprezintă o deformare elastică, în urma căreia materialul revine la forma inițială după îndepărtarea sarcinii. Odată cu creșterea în continuare a sarcinii, are loc o modificare ireversibilă a formei, adică materialul se deformează plastic. Cu siguranță dorim să evităm această situație în cazul cuțitelor de bucătărie, deoarece, în practică, înseamnă că tăișul sau întreaga lamă se îndoaie. Eșantionul din testul de tracțiune poate fi întins în continuare până la un anumit punct, în care se înregistrează forța maximă, numită „rezistență la tracțiune”. După acest punct, forța scade ușor chiar și din cauza deformării transversale a eșantionului, până în momentul în care eșantionul se rupe.

Duritate

Duritatea unui material este, prin definiție, rezistența sa la imprimare sau la deformare plastică localizată (permanentă). Prin urmare, aceasta înseamnă și rezistență la uzură. Duritatea este o mărime diferită de rezistență, deși sunt direct corelate. Rezistența este definită fizic mai precis, însă duritatea este de obicei mai ușor de măsurat în practică și este, de asemenea, mai relevantă în cazul cuțitelor de bucătărie. Există mai multe metode diferite de măsurare a durității, care se bazează pe apăsarea unei sonde cu formă standard pe suprafața materialului și măsurarea adâncimii amprentei. Pentru oțelurile de scule se folosește adesea metoda Rockwell (HRC) de măsurare a durității, în care sonda este un con de diamant. Există însă și alte metode mai potrivite pentru materialele mai moi, de exemplu măsurarea durității cu o sondă sferică.

Ductilitate

O proprietate mecanică relevantă este și ductilitatea sau plasticitatea, adică o măsură a deformării plastice înainte de rupere. În figura de mai sus, care prezintă curba testului de tracțiune, aceasta reprezintă cantitatea de deformare în punctul F, în timp ce tensiunea la care s-a produs ruperea este irelevantă.

Tenacitate

Tenacitatea este însă proprietatea unui material de a absorbi o cantitate mare de energie înainte de rupere. Aceasta înseamnă că trebuie să suporte o alungire cât mai mare la forța maximă. Unele materiale se rup la o forță mare, dar la o alungire mică. Spunem că sunt fragile. Aria de sub curba încercării la tracțiune reprezintă tenacitatea și este prezentată, de asemenea, în figura de mai jos. 👇

Metalele sunt materiale cristaline, ceea ce înseamnă că structura lor atomică este organizată în celule elementare. Se spune, de asemenea, că prezintă ordine pe distanță lungă – au o structură repetitivă periodic pe mai multe distanțe interatomice. Diferitele metale (elemente metalice) au tipuri diferite de celule elementare, care se pot schimba chiar și în funcție de temperatură. În cazul aliajelor de fier, cele mai importante două tipuri de celule elementare – celula cubică cu fețe centrate (stânga) și celula cubică cu corp centrat (dreapta) – sunt prezentate în figura de mai sus. 👆

În practică, cristalele ideale, în care aceeași structură atomică s-ar repeta periodic fără erori pe o distanță mare (de exemplu, în întregul produs), nu există. Într-o structură cristalină ideală, toate cristalele sau metalele conțin defecte de diferite tipuri: defecte punctiforme, liniare, planare sau de volum.

Chiar și într-un metal pur din punct de vedere chimic (element metalic), rețeaua cristalină conține defecte punctiforme, ceea ce înseamnă că un anumit atom lipsește din poziția sa teoretică sau este introdus într-o poziție greșită. Numărul acestor defecte crește exponențial odată cu temperatura. La o temperatură suficient de ridicată, atomii își schimbă rapid locurile, se deplasează de-a lungul rețelei cristaline, iar numărul defectelor crește până când structura ordonată se dezintegrează. În acel moment, metalul se lichefiază.

Cele două imagini de mai jos reprezintă schematic exemple de defecte punctiforme: un atom de același tip dispare dintr-un loc al rețelei cristaline în care, teoretic, ar trebui să se afle (figura din stânga); sau atomul unui alt element este introdus în rețeaua cristalină într-un loc neașteptat ori înlocuiește atomul elementului majoritar (figura din dreapta). 👇

Defectele liniare numite dislocații sunt, de asemenea, întotdeauna prezente în metale și apar atunci când un strat de atomi este inserat între alte straturi. Sub acțiunea solicitărilor externe, atomii care aparțin stratului intercalat își pot schimba vecinii și pot stabili o legătură cu alte straturi de atomi. În acest fel, dislocațiile se deplasează de-a lungul unei rețele metalice, permițând astfel multor atomi să își schimbe permanent locul. Deplasarea și formarea unor noi dislocații reprezintă un concept foarte important în metalurgie, deoarece, la nivel microscopic, oferă o explicație pentru deformarea plastică observată la nivel macroscopic. Acest lucru ne conduce și la concluzia că, dacă dorim să reducem deformarea plastică a produsului nostru sau să îi creștem rezistența, trebuie să împiedicăm într-un fel deplasarea dislocațiilor.👇

Produsele metalice nu au o rețea cristalină orientată uniform în întregul lor volum, ci sunt alcătuite dintr-un număr mare de grăunți cristalini cu orientări diferite. Acest lucru se datorează procesului de solidificare a metalului din stare lichidă în stare solidă, care începe în multe locuri simultan. Grăunții cristalini orientați diferit din metalul lichid cresc spre exterior până când se ciocnesc de grăunții vecini, iar întregul metal trece în stare solidă. Grăunții cristalini nu sunt vizibili cu ochiul liber; de obicei, nu sunt mai mari de o zecime de milimetru, dar pot fi observați la microscopul optic. Cele două imagini de mai jos prezintă o microstructură metalică cu mulți grăunți cristalini în stare nedeformată (imaginea din stânga) și după o deformare plastică semnificativă (imaginea din dreapta), când grăunții cristalini și-au schimbat forma, adică s-au aplatizat. 👇

 O caracteristică comună a tuturor mecanismelor de consolidare este că acestea împiedică deplasarea dislocațiilor de-a lungul rețelelor cristaline ale materialelor metalice. La scară microscopică, deplasarea dislocațiilor reprezintă mecanismul deformării plastice, observat cu ochiul liber la scară macroscopică.

Ecruisare

Ecruisarea este un fenomen prin care limita de deformare plastică a unui material crește odată cu creșterea deformării plastice. Acest lucru se datorează formării unui număr foarte mare de noi dislocații care se deplasează în direcții diferite de-a lungul rețelei cristaline și își împiedică reciproc mișcarea. În fabricarea cuțitelor de bucătărie, acest fenomen apare în procesul de forjare, când lamele sunt deformate plastic sau își schimbă forma prin lovituri de ciocan. În practică, procesul nu poate fi continuat la nesfârșit, deoarece, pe lângă rezistență, crește și fragilitatea, iar produsul se poate fisura dacă deformarea plastică este prea mare.

Figura de mai jos prezintă curbele de ecruisare în funcție de gradul de deformare plastică pentru câteva materiale tipice. Observăm că modificarea limitei de plasticitate poate fi destul de pronunțată. 👇

Durificarea prin soluție solidă

Durificarea în stare solidă este un mecanism care explică de ce aliajele formate din elemente diferite sunt mai rezistente decât metalele pure. Atomii elementelor adăugate elementului majoritar se inserează în rețeaua sa cristalină, introducând neregularități din cauza dimensiunilor diferite ale atomilor. Neregularitățile din rețeaua cristalină provoacă tensiuni interne, care, la rândul lor, împiedică mișcarea dislocațiilor. Acest lucru este prezentat schematic și în figura de mai jos. Acest mecanism explică de ce oțelul, care este un aliaj de carbon și fier, este mai rezistent decât fierul pur și de ce alierea cu elemente suplimentare (Cr, Mo, V) îi îmbunătățește și mai mult proprietățile mecanice. 👇

Durificarea prin controlul dimensiunii grăunților

La nivel microscopic, produsele metalice constau dintr-un număr mare de grăunți cristalini orientați aleatoriu. Succesiunea ordonată a atomilor dintr-un grăunte cristalin nu continuă dincolo de limita cu celălalt grăunte cristalin. Prin urmare, limitele grăunților cristalini reprezintă obstacole în calea mișcării dislocațiilor și, în consecință, împiedică și deformarea plastică (imaginea de mai jos). Grăunții cristalini au de obicei dimensiuni cuprinse între 0.001-0.1 milimetri. Cu cât grăunții sunt mai mici, cu atât există mai multe limite între ei pe unitatea de volum și cu atât acestea împiedică mai mult mișcarea dislocațiilor. Acest mecanism de durificare explică de ce cuțitele de bucătărie cu o structură cu granulație fină, precum cuțitele japoneze, sunt mai rezistente și de o calitate mai bună. Dimensiunea grăunților din produs depinde de o combinație complexă a efectelor compoziției chimice și ale tratamentului termomecanic (de exemplu, forjarea la cald). 👇

Călire

Călirea este procesul de îmbunătățire a proprietăților mecanice prin răcirea rapidă a unui produs fierbinte. Prima condiție pentru capacitatea de călire este existența metalului pur în două tipuri de rețele cristaline la temperaturi diferite. La temperatura camerei, fierul există într-o rețea cristalină cubică cu volum centrat, care, la aproximativ 730 de grade Celsius, se transformă într-o rețea cubică cu fețe centrate. Aceeași tranziție are loc în direcția opusă atunci când temperatura scade. A doua condiție este prezența unui element de aliere, ai cărui atomi sunt distribuiți uniform în locurile lor caracteristice din rețeaua cristalină. În cazul cuțitelor de bucătărie din oțel, metalul de bază este fierul, iar elementul de aliere este carbonul. Atunci când produsul se răcește suficient de repede de la o temperatură ridicată (peste 730 de grade Celsius), atomii de fier se leagă într-un alt tip de rețea cristalină, în timp ce atomii de carbon nu au suficient timp să se deplaseze în alte locuri. Aceștia rămân „înghețați” în locurile lor anterioare și introduc tensiuni interne în rețeaua cristalină, ceea ce împiedică la rândul său deplasarea dislocațiilor.
Tensiunile interne cauzate de călire pot fi atât de mari încât produsul își schimbă semnificativ forma, se îndoaie sau chiar crapă. Acest lucru depinde în principal de compoziția chimică (procentul de carbon și de alte elemente) și de viteza de răcire, controlată prin alegerea mediului de răcire (apă, ulei sau aer).

Concluzii

În primul capitol, am analizat modul în care sunt clasificate oțelurile în funcție de compoziția chimică generală și de utilizarea prevăzută și care dintre ele sunt folosite pentru cuțite de bucătărie de calitate. În al doilea capitol, am prezentat definițiile proprietăților mecanice relevante ale materialelor metalice și principiile măsurării acestora. A urmat o scurtă prezentare a structurii atomice a metalelor și a legăturii dintre deformarea plastică la nivel microscopic și macroscopic. Atunci când folosim cuțite de bucătărie, vrem să prevenim deformarea plastică, deoarece, în practică, aceasta se traduce prin deteriorarea tăișului și reducerea ascuțimii. În ultimul capitol, am reunit toate cunoștințele anterioare și am prezentat mecanismele metalurgice care îmbunătățesc rezistența materialelor metalice. Toate au în comun faptul că, la nivel microscopic, împiedică în diferite moduri deplasarea dislocațiilor în rețeaua cristalină. De asemenea, este important de reținut că toate mecanismele de durificare descrise eșuează în cele din urmă la temperaturi ridicate, deoarece toți atomii și, prin urmare, dislocațiile se deplasează mai repede. Acest lucru explică și de ce cuțitele de bucătărie de calitate nu ar trebui expuse la temperaturi ridicate pentru perioade lungi (de exemplu, peste 150 de grade Celsius).

 ➨ Oțeluri aliate: oțeluri care, pe lângă carbon (C), conțin și alte elemente, adesea crom (Cr), vanadiu (V) și molibden (Mo). Acestea le îmbunătățesc și mai mult proprietățile mecanice și, în unele cazuri, și rezistența la coroziune.
➨ Rezistență: rezistența la modificarea formei sub influența forțelor externe.
➨ Rezistență la tracțiune: tensiunea maximă pe care un material o poate suporta în timp ce este întins sau tras înainte de rupere.
➨ Duritate: rezistența unui material la ștanțare sau la deformare plastică localizată (permanentă). Prin urmare, înseamnă și rezistență la uzură.
➨ Metoda Rockwell (HRC): scară de duritate utilizată în metalurgie pentru măsurarea durității substanțelor dure. Rezultatul este un număr adimensional. Există două versiuni (și unități) ale acestei metode: HRb și HRc.
➨ gradul în care un material poate suporta deformarea plastică sub acțiunea unei tensiuni de întindere înainte de rupere. Cu cât un material poate suporta o deformare mai mare fără să se rupă din cauza fragilității, cu atât este mai ductil.
➨ Tenacitate: proprietatea unui material de a absorbi multă energie înainte de a se rupe.
➨ Carburi: compuși binari formați din carbon și un metal sau, în unele cazuri, un semimetal. Au rezistență ridicată și sunt fragili.
➨ Materiale cristaline: materiale solide ai căror constituenți, precum atomii, sunt dispuși în structuri microscopice sau celule elementare foarte ordonate. Aceste celule se repetă periodic într-o rețea cristalină tridimensională și au proprietăți de simetrie.
➨ Dislocații: defecte sau neregularități cristalografice liniare în cadrul unei structuri cristaline, care conțin o modificare bruscă a aranjamentului atomilor. Acestea sunt deosebit de relevante în cazul materialelor metalice, deoarece permit deformarea plastică la o tensiune relativ redusă.
➨ Ecruisarea: creșterea rezistenței unui metal prin deformare plastică. Această creștere a rezistenței are loc datorită mișcării și generării dislocațiilor în structura cristalină a materialului.
➨ Forjarea: modelarea metalului prin deformare plastică, realizată prin lovituri succesive cu un ciocan sau prin aplicarea lentă a unei presiuni continue într-o presă.
➨ Durificarea în stare solidă: mecanismul care explică de ce aliajele formate din elemente diferite sunt mai rezistente decât metalele pure.
➨ Călirea: un tip de tratament termic în care oțelul este mai întâi încălzit la temperatura de călire (temperatura austenitei, o soluție solidă de fier cu un element de aliere), apoi răcit rapid, obținându-se astfel martensita, o formă foarte dură a structurii cristaline a oțelului.