|
Tipuri de oțel
Oțelul este practic un aliaj al elementelor fier (Fe) și carbon (C), unde acesta din urmă reprezintă până la 2% din masa totală. Chiar și o cantitate foarte mică de carbon modifică considerabil proprietățile mecanice ale oțelului, în special îmbunătățind rezistența acestuia, care este crucială pentru orice aplicație practică. Un aliaj cu mai mult de 2% carbon se numește fontă, un material destul de fragil și, prin urmare, nepotrivit pentru cuțite de bucătărie sau unelte similare. Cu toate acestea, un conținut ridicat de carbon are ca rezultat un punct de topire mai scăzut, ceea ce înseamnă că fonta este mai ușor de turnat în matrițe și astfel, de exemplu, este potrivită 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, și rezistența la coroziune. Acest grup se numește oțel aliat. Un subgrup special de oțeluri aliate sunt oțelurile pentru scule, a căror caracteristică comună este că sunt utilizate pentru unelte (cuțite, ferăstrău, topoare, burghie etc.). Ele sunt potrivite pentru utilizare ori de câte ori este nevoie de rezistență ridicată, rezistență și rezistență la abraziune.
Proprietățile mecanice excepționale ale oțelurilor pentru scule înseamnă, în consecință, că acestea sunt exigente pentru a produce și prelucra, ceea ce, la rândul său, le face mai scumpe în comparație cu oțelurile cu mai puține elemente de aliere. În ceea ce privește materialul, majoritatea cuțitelor de bucătărie de calitate aparțin familiei oțelurilor pentru scule. Figura de mai jos prezintă o distribuție schematică a aliajelor de fier și sunt evidențiate familiile de oțeluri folosite la fabricarea cuțitelor de bucătărie. 👇
 |
Proprietățile mecanice ale materialelor
Pentru a descrie proprietățile cuțitelor de bucătărie și diferențierea lor din punct de vedere calitativ, este util să definim mai întâi câteva concepte de bază privind proprietățile mecanice ale materialului și modul în care le măsurăm.
Proprietăți mecanice: REZISTENTĂ, DURITATE, DECTILITATE, TENACITATE
➨ Forță
Una dintre cele mai de bază proprietăți ale materialelor metalice este rezistența lor, definită ca rezistență la schimbările de formă sub influența forțelor externe. Se măsoară experimental prin teste de tracțiune, în care o probă dintr-un material alungit este prinsă în fălci, care sunt apoi despărțite încet până când proba se rupe. Procedând astfel, se înregistrează curba forței în funcție de deplasarea fălcilor. Pentru a facilita compararea mostrelor de diferite dimensiuni, valorile sunt de obicei convertite într-o curbă de efort versus deformare. Un exemplu în acest sens este prezentat în figura de mai jos, care prezintă, de asemenea, schematic aspectul exterior tipic al unei probe. 👇
|
Partea inițială, foarte abruptă a curbei reprezintă o deformare elastică atunci când materialul revine la forma sa inițială pe măsură ce sarcina este îndepărtată. Odată cu o creștere suplimentară a sarcinii, are loc o schimbare ireversibilă a formei, adică materialul este deformat plastic. Cu siguranta dorim sa evitam aceasta situatie cu cutitele de bucatarie, pentru ca in practica inseamna ca muchia taietoare sau intreaga lama se indoaie. Proba din testul de tracțiune poate fi întinsă în continuare până la un anumit punct în care este înregistrată forța maximă, numită „rezistență la tracțiune”. Dupa acest punct forta scade chiar si usor datorita deformarii transversale a probei, pana in momentul in care proba se rupe.
➨ Duritate
Duritatea unui material este, prin definiție, rezistența acestuia la gofrare sau la deformare plastică (permanentă) localizată. În consecință, aceasta înseamnă și rezistență la uzură. Duritatea este o cantitate diferită de rezistență, deși acestea sunt direct legate. Rezistența este definită fizic mai precis, dar 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 și se bazează pe presarea unei sonde de formă standard pe suprafața materialului și măsurarea adâncimii amprentei. Pentru oțelurile de scule, se utilizează adesea metoda Rockwell (HRC) de măsurare a durității, unde sonda este un con de diamant. Cu toate acestea, există și alte metode care sunt mai potrivite pentru materiale mai moi, de exemplu măsurarea durității cu o sondă în formă de bilă.
➨ Ductilitate
O proprietate mecanică relevantă este, de asemenea, ductilitatea sau plasticitatea, adică o măsură a deformării plastice înainte de rupere. În figura de mai sus a curbei de încercare la tracțiune, aceasta înseamnă cantitatea de deformare în punctul F, în timp ce solicitarea la care s-a produs ruptura este irelevantă.
➨ Duritate
Duritatea, totuși, este proprietatea unui material de a absorbi multă energie înainte de a se rupe. Aceasta înseamnă că trebuie să reziste cât mai multă alungire la forță maximă. Unele materiale se sparg la forță mare, dar la alungire redusă. Noi spunem că sunt fragile. Aria de sub curba de încercare la tracțiune reprezintă tenacitatea și este prezentată și în figura de mai jos. 👇
 |
Proprietățile mecanice ale unui material metalic depind de compoziția sa chimică și de tratamentul termo-mecanic. Elementul chimic care are cel mai mare efect asupra durității oțelului este carbonul, în timp ce cromul, manganul, vanadiul și molibdenul afectează în mod pozitiv duritatea. Împreună cu carbonul, acestea din urmă formează compuși noi, extrem de duri, numiți carburi. |
Structura atomică a metalelor
 |
Metalele sunt materiale cristaline, ceea ce înseamnă că structura lor atomică este aranjată în celule unitare. De asemenea, se spune că prezintă o ordine pe distanță lungă - au o structură periodică repetitivă pe multe distanțe interatomice. Diferitele metale (elemente metalice) au diferite tipuri de celule unitare care se pot schimba chiar cu temperatura. În cazul aliajelor de fier, cele mai importante două tipuri de celule unitare – celulă cubică centrată pe față (stânga) și celulă cubică centrată pe corp (dreapta) – sunt prezentate în figura de mai sus. 👆
În practică, cristalele ideale, în care aceeași structură atomică s-ar repeta periodic fără eroare pe o distanță lungă (de exemplu, întregul produs), nu există. Într-o structură cristalină ideală, toate cristalele sau metalele conțin defecte de diferite tipuri: defecte punctiforme, liniare, plane sau de volum.
Chiar și într-un metal chimic pur (element metalic), rețeaua cristalină conține defecte punctiforme, ceea ce înseamnă că un anumit atom lipsește în locația sa teoretică sau este introdus într-o locație greșită. Numărul acestor erori crește exponențial cu temperatura. La o temperatură suficient de ridicată, atomii își schimbă rapid locul, se deplasează de-a lungul rețelei cristaline, iar numărul de defecte crește până când structura ordonată se dezintegrează. În acel moment, metalul se lichefiază.
Cele două imagini de mai jos reprezintă schematic exemple de erori punctuale: un atom de același tip dispare dintr-un loc din rețeaua cristalină unde ar trebui să fie localizat teoretic (figura stânga); sau atomul altui element este introdus în rețeaua cristalină într-un loc neașteptat sau înlocuiește atomul elementului majoritar (figura dreapta). 👇
 |
Defecte de linie numite dislocații sunt, de asemenea, întotdeauna prezente în metale și apar atunci când un strat de atomi este introdus între alte straturi. Sub influența tensiunilor externe, atomii aparținând stratului întrețesut 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-și schimbe permanent locul. Mișcarea și formarea de noi luxații este un concept foarte important în metalurgie, întrucât la nivel microscopic reprezintă o explicație pentru deformația plastică observată la nivel macroscopic. Acest lucru ne duce, de asemenea, la concluzia că, dacă dorim să reducem deformația plastică a produsului nostru sau să creștem rezistența acestuia, trebuie să inhibă într-un fel mișcarea luxațiilor. 👇
 |
Teoria dislocațiilor a fost stabilită încă de la începutul secolului al XX-lea și a fost confirmată experimental, fără echivoc, abia aproximativ 50 de ani mai târziu, odată cu invenția microscopului electronic. Imaginea de mai jos este o imagine cu microscopul electronic a dislocațiilor de pe suprafața cristalului. |
Produsele metalice nu au o rețea cristalină care este orientată uniform pe tot volumul lor, ci sunt mai degrabă compuse dintr-un număr mare de granule de cristal cu orientări diferite. Acest lucru se datorează procesului de solidificare a metalului din stare lichidă în stare solidă, care începe în multe locuri în același timp. Granulele de cristal orientate diferit din metalul lichid cresc spre exterior până când se ciocnesc de vecinii lor și tot metalul se transformă într-o stare solidă. Granulele de cristal nu sunt vizibile cu ochiul liber, de obicei nu sunt mai mari de o zecime de milimetru, dar pot fi observate cu un microscop optic. Cele două imagini de mai jos prezintă o microstructură metalică cu multe granule de cristal în stare neformată (figura stânga) și după o deformare plastică semnificativă (figura dreapta), când granulele de cristal și-au schimbat forma, adică s-au aplatizat. 👇
 |
Mecanisme de întărire a metalelor
În capitolele anterioare, am aflat mai multe despre elementele de bază ale structurii atomice a materialelor metalice, definițiile proprietăților mecanice importante și metodele de măsurare a acestora. Acum putem reuni aceste informații și stabilim ce procese metalurgice pot îmbunătăți rezistența și duritatea cuțitelor de bucătărie de calitate. |
O caracteristică comună a tuturor mecanismelor de întărire este că acestea împiedică mișcarea dislocațiilor de-a lungul rețelelor cristaline ale materialelor metalice. La scara microscopică, mișcarea luxațiilor reprezintă mecanismul de deformare plastică care se detectează cu ochiul liber la scara macroscopică.
➨ Întărire prin deformare
Călirea prin deformare este un fenomen în care limita de deformare plastică a unui material crește odată cu creșterea deformației plastice. Acest lucru se datorează formării unui număr mare de noi dislocații care călătoresc în direcții diferite de-a lungul rețelei cristaline și împiedică mișcarea reciprocă. La fabricarea cutitelor de bucatarie, acest fenomen apare in procesul de forjare, cand lamele sunt deformate plastic sau modificate de 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 crăpa dacă există o deformare plastică prea mare.
Figura de mai jos prezintă curbele de întărire prin deformare în funcție de gradul de deformare plastică pentru unele materiale tipice. Vedem că modificarea limitei plasticității poate fi destul de pronunțată. 👇
 |
➨ Întărirea soluției solide
Întărirea în stare solidă este un mecanism care explică de ce aliajele diferitelor elemente sunt mai rezistente decât metalele pure. Atomii elementelor adăugate la elementul majoritar sunt inserați în rețeaua cristalină a acestuia, introducând nereguli din cauza atomilor de diferite dimensiuni. Neregulile din rețeaua cristalină provoacă tensiuni interne, care, la rândul lor, obstrucționează mișcarea luxațiilor. 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 puternic decât fierul pur și de ce alierea cu elemente suplimentare (Cr, Mo, V) își îmbunătățește și mai mult proprietățile mecanice. 👇
 |
➨ Consolidare cu controlul granulometriei
La nivel microscopic, produsele metalice constau dintr-un număr mare de granule de cristal care sunt orientate aleatoriu. Secvența ordonată de atomi dintr-un granul de cristal nu continuă peste granița din celălalt granu de cristal. Prin urmare, limitele granulelor de cristal reprezintă obstacole în calea deplasării luxațiilor și, în consecință, împiedică și deformarea plastică (imaginea de mai jos). Granulele de cristal apar de obicei în intervalul de dimensiuni de 0,001-0,1 milimetri. Cu cât boabele sunt mai mici, cu atât sunt mai multe granițe între ele pe unitate de volum și cu atât mai mult împiedică mișcarea luxațiilor. Acest mecanism de întărire explică de ce cuțitele de bucătărie cu o structură cu granulație fină, precum cuțitele japoneze, sunt mai puternice și de mai bună calitate. Dimensiunea granulelor din produs depinde de o combinație complexă a efectelor compoziției chimice și ale tratamentului termo-mecanic (de exemplu, forjare la cald). 👇
 |
➨ stingere
Călirea este procesul de îmbunătățire a proprietăților mecanice prin răcirea rapidă a unui produs fierbinte. Prima condiție pentru capacitatea de întărire este existența metalului pur în două tipuri de rețele cristaline la temperaturi diferite. La temperatura camerei, fierul există într-o rețea cristalină cubică centrată pe corp, care la aproximativ 730 de grade Celsius se transformă într-o rețea cubică centrată pe față. Aceeași tranziție are loc în sens opus când temperatura scade. A doua condiție este prezența unui element de aliere, ale cărui atomi sunt distribuiți uniform în locurile lor caracteristice în rețeaua cristalină. În cazul cuțitelor de bucătărie din oțel, metalul de bază este fierul, iar elementul de aliere este carbonul. 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 timp suficient pentru a se muta în alte locuri. Ei rămân „înghețați” în locurile lor anterioare și introduc tensiuni interne în rețeaua cristalină, care, la rândul său, împiedică mișcarea luxațiilor.
Tensiunile interne cauzate de călire pot fi atât de mari încât produsul își schimbă semnificativ forma, se îndoaie sau chiar se fisurează. Aceasta depinde în mare măsură de compoziția chimică (procentul de carbon și alte elemente) și de viteza de răcire, care este controlată de alegerea unui mediu de răcire (apă, ulei sau aer).
Concluzii
În primul capitol, am analizat modul în care oțelurile sunt clasificate în funcție de compoziția chimică generală și utilizarea prevăzută și care dintre ele sunt folosite pentru cuțite de bucătărie de calitate. În al doilea capitol, am introdus definițiile proprietăților mecanice relevante ale materialelor metalice și principiile măsurării acestora. Aceasta a fost urmată de o scurtă privire de ansamblu asupra structurii atomice a metalelor și a conexiunii dintre deformarea plastică la nivel microscopic și macroscopic. Când folosim cuțite de bucătărie, dorim să prevenim deformarea plastică, deoarece în practică se traduce prin deteriorarea tăișului și reducerea ascuțitului. În ultimul capitol, am combinat toate cunoștințele anterioare și am prezentat mecanisme metalurgice care îmbunătățesc rezistența materialelor metalice. Ceea ce au toate în comun este că, la nivel microscopic, împiedică mișcarea luxațiilor în rețeaua cristalină în diferite moduri. De asemenea, este important de menționat că toate mecanismele de întărire descrise eșuează în cele din urmă la temperaturi ridicate, deoarece toți atomii și, în consecință, dislocațiile se mișcă mai repede. Acest lucru explică și de ce cuțitele de bucătărie de calitate nu ar trebui expuse la temperaturi ridicate pentru perioade mai lungi de timp (de exemplu peste 150 de grade Celsius).
⬌
Glosar de termeni:
➨ Oteluri aliate: oteluri care, pe langa carbon (C), mai contin si alte elemente, adesea crom (Cr), vanadiu (V) si molibden (Mo). Acestea îi îmbunătățesc în continuare proprietățile mecanice și, în unele cazuri, și rezistența la coroziune.
➨ Rezistenta: rezistenta la schimbarile de forma sub influenta fortelor externe.
➨ Rezistenta la tractiune: solicitarea maxima pe care o poate suporta un material in timp ce este intins sau tras inainte de rupere.
➨ Duritate: rezistența materialului la gofrare sau la deformare plastică (permanentă) localizată. În consecință, înseamnă și rezistență la uzură.
➨ Metoda Rockwell (HRC): o 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.
➨ Ductilitate: gradul în care un material poate suporta deformarea plastică sub efort de tracțiune înainte de rupere. Cu cât un material poate suporta mai multe deformari fără a se rupe din cauza fragilității, cu atât este mai ductil.
➨ Duritate: proprietatea unui material de a absorbi multă energie înainte de a se rupe.
➨ Carbure: compuși binari alcătuiți din carbon și un metal sau, în unele cazuri, un semimetal. Au o rezistență mare și sunt fragile.
➨ Materiale cristaline: materiale solide ai căror constituenți, precum atomii, sunt aranjați în structuri microscopice foarte ordonate sau celule de bază. Aceste celule sunt repetate periodic într-o rețea cristalină tridimensională și au proprietăți simetrice.
➨ Dislocații: un defect cristalografic liniar sau neregularitate în cadrul unei structuri cristaline care conține o schimbare bruscă a aranjamentului atomilor. Acestea sunt cele mai relevante în ceea ce privește materialele metalice deoarece permit deformarea plastică la o solicitare relativ mică.
➨ Călirea prin deformare: întărirea unui metal prin deformare plastică. Această întărire are loc din cauza mișcărilor de dislocare și a generării de dislocare în structura cristalină a materialului.
➨ Forjare: modelarea metalului la care deformarea plastică este cauzată de loviri consecutive cu un ciocan sau prin aplicarea lent a unei presiuni continue într-o presă.
➨ Întărirea în stare solidă: un mecanism care explică de ce aliajele diferitelor elemente sunt mai rezistente decât metalele pure.
➨ Călire: un tip de tratare termică în care oțelul este mai întâi încălzit la o temperatură de călire (temperatura austenitei, o soluție solidă de fier, cu un element de aliere) și apoi răcit rapid, obținându-se astfel martensită, o formă foarte dura de oțel cristalin. structura.
⬌
Autorul articolului: Matevž Pintar, MSc în inginerie mecanicăImagini: Callister, William D. în Jr., Rethwisch, David G. 2014. Știința și ingineria materialelor: o introducere. Hoboken: John Wiley & Sons, Inc.