Uvod u metalurgiju kuhinjskih noževa

Podjela čelika po tipovima

Čelik je u osnovi slitina željeza (Fe) i ugljika (C), u kojoj ugljik predstavlja do 2% ukupne mase. Već vrlo mala količina ugljika u čeliku dramatično mijenja njegova mehanička svojstva. Prije svega, poboljšava njegovu čvrstoću, što je od ključnog značaja za bilo kakvu praktičnu upotrebu. Slitina koja ima više od 2% ugljika naziva se lijevano željezo. Takvo je željezo prilično krhko, te stoga nije prikladno za izradu kuhinjskih noževa i sličnog alata. Međutim, visok sadržaj ugljika utječe na nižu temperaturu tališta, što znači da je takvo željezo lakše lijevati u kalupe i izrađivati npr. posuđe od lijevanog željeza.

Čeliku mogu biti dodani i drugi elementi. Često su to krom (Cr), vanadij (V) ili molibden (Mo), koji dodatno poboljšavaju njegova mehanička svojstva, a u pojedinim slučajevima čak i povećavaju otpornost na hrđanje. Takvu skupinu čelika nazivamo legirani čelici. Posebna podskupina legiranih čelika su alatni čelici, čije je zajedničko svojstvo (kao što nam i samo ime govori) da se upotrebljavaju za izradu alata (noževi, pile, sjekire, svrdla itd.). Prikladni su za upotrebu svugdje gdje je potrebna visoka žilavost, čvrstoća i otpornost na habanje.

Iznimna mehanička svojstva alatnih čelika znače da su zahtjevna za proizvodnju i obradu te su stoga skuplja u usporedbi s manje legiranim čelicima. Većina kvalitetnih kuhinjskih noževa, s obzirom na materijal, pripada razredu alatnih čelika.

Na slici ispod predočena je shematska podjela željeznih slitina. Osobito su naglašeni razredi čelika koji se upotrebljavaju za izradu kuhinjskih noževa.👇

Podjela čelika po tipovima

Mehanička svojstva materijala

Da bismo lakše opisali svojstva kuhinjskih noževa i razliku u njihovoj kvaliteti, potrebno je najprije definirati nekoliko osnovnih pojmova koji se odnose na mehanička svojstva materijala i njihovo mjerenje. Zanimaju nas: 

ČVRSTOĆA, TVRDOĆA, DUKTILNOST I ŽILAVOST.

➨ Čvrstoća

Jedno od osnovnih svojstava metala je njihova čvrstoća, odnosno otpornost na promjene oblika pod utjecajem vanjske sile. Eksperimentalno se mjeri vlačnim testom, u kojem se duguljasti uzorak pričvršćuje u čeljusti kidalice, koje ga zatim polako rastežu dok ne dođe do loma. Pri tome bilježimo krivulju sile u ovisnosti od pomaka čeljusti. Radi lakše usporedbe uzoraka različite veličine, vrijednosti obično pretvaramo u krivulju naprezanja u ovisnosti od deformacije. Takav je primjer prikazan na slici ispod, na kojoj se vidi tipičan vanjski izgled uzorka. 👇

Krivulja napetosti u ovisnosti od deformacije

Početni, vrlo strmi dio krivulje predstavlja elastičnu deformaciju, što znači da se materijal nakon uklanjanja opterećenja vraća u prvobitni oblik. Dodatnim opterećenjem dolazi do nepovratne promjene oblika – materijal se plastično deformira. Takvu situaciju svakako nastojimo izbjeći kod kuhinjskih noževa, jer bi to u praksi značilo savijanje brida za rezanje ili cijele oštrice.

Uzorak koji testiramo možemo i dalje rastezati dok u određenoj točki ne postignemo najveću silu odnosno naprezanje koje materijal može podnijeti. To je vlačna čvrstoća. Uslijed poprečne deformacije uzorka, sila se nakon te točke čak donekle smanjuje, sve dok ne dođe do loma uzorka.

➨ Tvrdoća

Po definiciji, tvrdoća materijala je otpornost na utiskivanje, odnosno lokaliziranu plastičnu (trajnu) deformaciju, te posljedično i na habanje. Tvrdoća se razlikuje od čvrstoće, iako su u neposrednoj vezi. Čvrstoća je fizikalno preciznije definirana, dok je tvrdoću obično lakše izmjeriti u praksi, te je kod noževa relevantnija. Poznajemo više različitih metoda mjerenja tvrdoće koje temelje na utiskivanju sonde standardnog oblika u površinu materijala i mjerenjem dubine otiska. Za alatni čelik se često upotrebljava Rockwellova metoda (HRC) mjerenja tvrdoće kod koje je sonda dijamantni stožac. Ostale metode, kao što je mjerenje sondom u obliku kuglice (HRB), prikladnije su za mekše materijale.

➨ Duktilnost (plastničnost)

Vrlo značajno mehaničko svojstvo je duktilnost ili plastičnost – mjera za stupanj plastične deformacije metala prije loma. Na gornjoj slici krivulje vlačnog testa označavaju količinu deformacije u točki F, pri čemu nije važno pri kakvom je naprezanju došlo do loma.

➨ Žilavost

Žilavost je sposobnost materijala da apsorbira veliku količinu energije prije loma. To znači da mora podnijeti što više rastezanja pri što većoj sili. Određeni se materijali lome pri velikoj sili, a manjem rastezanju. To su krhki materijali. Mjerilo žilavosti je površina pod krivuljom vlačnog testa, prikazana na slici ispod.👇

Dijagram žilavosti materijala

Atomska građa metala

Metali su kristalni materijali, što znači da je njihova atomska struktura uređena u elementarne ćelije. Kažemo također da iskazuju red dugog dosega – imaju periodično ponavljajuću strukturu na većim atomskim udaljenostima. Različiti metali (metalni elementi) imaju različite tipove elementarnih ćelija, koji se mogu i mijenjati s promjenom temperature. Kod željeznih slitina najvažnija su dva tipa elementarnih ćelija: kubična plošno centrirana ćelija (lijevo) i kubična volumno centrirana ćelija (desno). Obje su prikazane na slici ispod. 👇

Atomska struktura metala: lijevo površinsko centrirana kubična ćelija / desno volumno centrirana kubična ćelija

Idealni kristali, kod kojih se jednaka atomska struktura periodično ponavlja bez odstupanja na velikoj udaljenosti (npr. cjelokupan proizvod), u praksi ne postoje. Svi kristali odnosno metali sadrže greške u idealnoj kristalnoj strukturi koje mogu biti točkaste, linijske, plošne i volumenske.

I u kemijski čistom metalu (elementu) prisutne su točkaste greške u kristalnoj rešetki kada određeni atom nije na svojem teoretskom mjestu ili je umetnut na pogrešno mjesto. Broj takvih grešaka raste eksponencijalno s temperaturom. Kod dovoljno visoke temperature atomi brzo mijenjaju svoja mjesta (pomiču se po kristalnoj rešetki) što je uzrok većem broju grešaka sve dok se uređena struktura ne raspadne. Tada se pretvara u tekućinu.

Dvije slike ispod shematski predočavaju dva slučaja točkastih grešaka: Slika na lijevoj strani prikazuje grešku kad atom iste vrste nestane s mjesta na kristalnoj rešetki gdje bi se teoretski morao nalaziti. Slika na desnoj strani prikazuje pojavu kad se atom nekog drugog elementa ugura u kristalnu rešetku na neočekivano mjesto, odnosno zamijeni atom polaznog elementa.👇

Točkasti defekti u atomskoj strukturi metala

U metalima su stalno prisutne i linijske greške koje nazivamo dislokacije. Nastaju kada se jedan sloj atoma ugura među ostale slojeve. Pod utjecajem vanjskog naprezanja atomi uguranog sloja mogu zamijeniti svoje susjede, tj. mogu se povezati s drugim slojevima atoma.

Na ovaj se način dislokacije kreću po metalnoj rešetki i omogućuju brojnim atomima da trajno zamijene svoje mjesto. Kretanje i nastanak novih dislokacija vrlo je značajan koncept u metalurgiji, jer na mikroskopskoj razini predstavlja objašnjenje za plastičnu deformaciju koju primjećujemo na makroskopskoj razini.

Sve to nas dovodi do zaključka da, želimo li smanjiti plastičnu deformaciju proizvoda, odnosno želimo li mu povećati tvrdoću, moramo nekako spriječiti kretanje dislokacija.👇

Shematski prikaz gibanja dislokacija

Metalne proizvode ne sačinjavaju jednako usmjerene kristalne rešetke po cijelom volumenu, već veliki broj različito orijentiranih kristalnih zrna. To je posljedica procesa ukrućivanja metala iz tekućeg u kruto stanje koji počinje istovremeno na mnogobrojnim mjestima. Različito usmjerena kristalna zrna u tekućem metalu šire se prema van dok se ne sudare sa svojim susjedima te sav metal prijeđe u kruto agregatno stanje. Kristalna zrna ne možemo vidjeti golim okom, jer obično nisu veća od desetine milimetra, ali ih možemo gledati pod svjetlosnim mikroskopom. Na slikama ispod prikazana je metalna mikrostruktura s mnogobrojnim kristalnim zrnima, u nedeformiranom stanju (slika lijevo) i nakon znatne plastične deformacije u kojoj kristalna zrna mijenjaju oblik – spljošćuju se (slika desno).👇

Mikrostruktura metala

Mehanizmi za učvršćivanje metala

U prijašnjim smo poglavljima upoznali osnove atomske građe metalnih materijala, definicije značajnijih mehaničkih svojstava i načine njihovog mjerenja. Sada možemo povezati te podatke i odgovoriti na pitanje: kojim metalurškim postupcima možemo poboljšati tvrdoću i čvrstoću kvalitetnih kuhinjskih noževa.

Zajedničko svojstvo svih mehanizama za učvršćivanje jest da otežavaju kretanje linijskih grešaka odnosno dislokacija po kristalnoj rešetki metalnoga materijala. Kretanje dislokacija na mikroskopskoj razini predstavlja mehanizam plastične deformacije, koju na makroskopskoj razini primjećujemo golim okom.

 ➨Deformacijsko učvršćivanje

Deformacijsko učvršćivanje je fenomen kod kojeg povećanjem plastične deformacije raste granica plastičnosti materijala. To je posljedica stvaranja velikog broja novih dislokacija koje putuju u različite smjerove po kristalnoj rešetki te se međusobno ometaju pri kretanju. Kod izrade kuhinjskih noževa ovaj je fenomen prisutan kod kovanja, kada udarcima čekića oblikujemo oštricu i mijenjamo njen oblik (plastično ju deformiramo).

U praksi, postupak ne možemo izvoditi u nedogled, jer se uz čvrstoću povećava i krhkost te bi se zbog prevelike plastične deformacije proizvod mogao prelomiti.

Slika ispod prikazuje krivulje deformacijskog učvršćivanja u ovisnosti od stupnja plastične deformacije za nekoliko tipičnih materijala. Vidimo da promjena granice plastičnosti može biti vrlo izrazita. 👇

Krivulje deformacijskog utvrđivanja u ovisnosti od stupnja plastične deformacije (čelik 1040, mjed, bakar)

➨ Učvršćivanje tvrdom otopinom

Učvršćivanje tvrdom otopinom je mehanizam koji objašnjava zašto su slitine različitih elemenata tvrđe od čistih metala. Atomi elemenata koje dodajemo polaznom elementu ubacuju se u njegovu kristalnu rešetku te se, zbog različito velikih atoma, pojavljuju nepravilnosti. Te nepravilnosti u kristalnoj rešetki uzrokuju unutarnje napetosti, koje ometaju kretanje dislokacija – shematski prikaz na slici ispod. Taj mehanizam objašnjava zašto je čelik, koji je slitina ugljika i željeza, tvrđi od čistog željeza i zašto legiranje dodatnim elementima (Cr, Mo, V) poboljšava mehanička svojstva.👇

Nepravilnosti u kristalnoj rešetki zbog atoma drukčije veličine

➨ Učvršćivanje kontrolom veličine zrna

Metalni su proizvodi na mikroskopskoj razini sastavljeni od velikog broja kristalnih zrna, koja su nasumično orijentirana. Uređen raspored atoma u jednom kristalnom zrnu ne nastavlja se preko granice u susjednom kristalnom zrnu, već kreće u drugom smjeru. Stoga su granice kristalnih zrna prepreke za kretanje dislokacija i posljedičnu plastičnu deformaciju (slika ispod). Kristalna se zrna tipično pojavljuju u redu veličine od 0,001 do 0,1 milimetra. Što su zrna manja, to je više granica među njima (po jedinici volumena) i tim više ometaju kretanje dislokacija. Ovaj mehanizam učvršćivanja objašnjava zašto su kuhinjski noževi koji imaju sitnozrnastu strukturu (japanski noževi) tvrđi i kvalitetniji. Veličina zrna u proizvodu ovisna je o kompleksnoj kombinaciji utjecaja kemijskog sastava, mehaničke obrade (kovanje) i termičke obrade. 👇

Gibanje dislokacija na granici među kristalnim zrnima

➨ Kaljenje

Kaljenje je proces poboljšavanja mehaničkih svojstava brzim hlađenjem vrućeg proizvoda. Prvi uvjet za mogućnost kaljenja jest postojanje čistog metala u dvama tipovima kristalnih rešetki pri različitim temperaturama. Željezo na sobnoj temperaturi ostaje u kubičnoj volumno‑centriranoj kristalnoj rešetki koja na temperaturi od približno 730 stupnjeva Celzija prelazi u kubičnu plošno‑centriranu rešetku. Isto se događa pri promjeni temperature u obrnutom smjeru. Drugi uvjet je prisutnost legirnih elemenata koji se ravnomjerno raspoređuju na karakteristična mjesta u kristalnoj rešetki.

Kod čeličnih kuhinjskih noževa osnovni metal je željezo, a legirni element ugljik. Kod dovoljno brzog hlađenja proizvoda s visoke temperature (iznad 730 stupnjeva Celzija) atomi željeza povezuju se u drugu kristalnu rešetku, dok atomi ugljika nemaju dovoljno vremena da se pomaknu na drugo mjesto. Ostaju “smrznuti” na svojim prijašnjim mjestima, što u kristalnu rešetku unosi unutarnje napetosti, koje posljedično ometaju kretanje dislokacija. 

Unutarnje napetosti koje uzrokuje kaljenje mogu biti toliko velike da proizvod znatno promijeni oblik, zakrivi se ili čak slomi. To je prvenstveno ovisno o kemijskom sastavu (postotku ugljika i drugih elemenata) i brzini hlađenja, koju nadziremo odabirom rashladnog medija (voda, ulje, zrak).

Sažetak

U prvom smo dijelu članka pogledali kako se čelici dijele s obzirom na opći kemijski sastav i predviđenu upotrebu i koji se među njima upotrebljava za izradu kvalitetnih kuhinjskih noževa. U drugom smo se dijelu upoznali s definicijama relevantnih mehaničkih svojstava metalnih materijala i načelima njihovog mjerenja. Slijedio je brz pregled atomske građe metala te veza događaja između plastične deformacije na mikroskopskoj i makroskopskoj razini. Kod upotrebe kuhinjskih noževa želimo, naravno, spriječiti plastičnu deformaciju, jer u praksi to znači savijanje brida za rezanje i gubitak oštrine. Sve smo navedeno uzeli u obzir u zadnjem poglavlju, u kojem su predočeni metalurški mehanizmi koji poboljšavaju čvrstoću metalnih materijala. Svima je zajednička karakteristika da na različite načine sprječavaju dislokacije na mikroskopskom nivou, odnosno kretanje linijskih grešaka u kristalnoj rešetki. Moramo naglasiti da svi opisani mehanizmi učvršćivanja prestaju da vrijede s povećanjem temperature, jer se atomi (i posljedično dislokacije) brže kreću, što je razlog zašto kvalitetne kuhinjske noževe ne smijemo dugo izlagati visokoj temperaturi (npr. iznad 150 stupnjeva Celzija)

⬌

Rječnik:

➨ Legirani čelici: čelici koji pored ugljika sadrže i druge elemente, često su to krom (Cr), vanadij (V) ili molibden (Mo) koji poboljšavaju njegova mehanička svojstva, a u pojedinim slučajevima povećavaju otpornost na hrđanje.
➨ Čvrstoća: otpornost materijala na promjenu oblika pod utjecajem vanjske sile.
➨Vlačna čvrstoća: najveća sila odnosno naprezanje koje materijal može podnijeti, prije no što se slomi.
➨Tvrdoća: otpornost materijala na utiskivanje, odnosno na lokaliziranu plastičnu (trajnu) deformaciju, što posljedično znači otpornost na habanje.
➨Rockwellova metoda: (po standardu SIST EN ISO 6508-1: 2000) jedna od metoda koje se upotrebljavaju u metalurgiji za mjerenje tvrdoće tvrdih tvari. Vrijednost je bezdimenzionalni broj. Postoje dvije varijante ove metode (i jedinice) - HRb in HRc.
➨Duktilnost: svojstvo materijala da podnese plastičnu deformaciju, a da se ne slomi. Što je veću deformaciju materijal sposoban podnijeti bez loma uslijed krhkosti, to je više duktilan.
➨ Žilavost: svojstvo materijala da apsorbira veliku energiju, prije no što se slomi.
➨ Karbidi: binarni spojevi ugljika s metalima i nekim polumetalima. Vrlo su tvrdi i krhki.
➨ Kristalni materijali: materijali čija je atomska struktura uređena u elementarne ćelije, koje se periodično ponavljaju u trodimenzionalnoj kristalnoj mreži te imaju simetrijska svojstva.
➨ Dislokacije: linijske greške u kristalima. Njihov je značaj najveći u jer omogućuju plastičnu deformaciju pri razmjerno malim naprezanjima.
➨ Deformacijsko učvršćivanje je fenomen, kad se povećanjem plastične deformacije povećava granica plastičnosti materijala.
➨ Kovanje: preoblikovanje metala, kod kojeg uzrokujemo plastičnu deformaciju uzastopnim udarcima čekića ili polaganim stiskanjem u preši.
➨ Učvršćivanje tvrdom otopinom je mehanizam koji objašnjava, zašto su slitine različitih elemenata tvrđe od čistih metala.
➨ Kaljenje: postupak termičke obrade čelika, kod kojeg čelik najprije ugrijemo do temperature kaljenja (u područje austenita), a zatim ga brzo ohladimo. Na taj način dobijamo tvrdu strukturu – martenzit.

⬌

Autor: Matevž Pintar, univ. dipl. inž. str.
Izvor fotografija i grafika: Callister, William D. in Jr., Rethwisch, David G. 2014. Materials Science and Engineering: An Introduction. Hoboken: John Wiley & Sons, Inc.