viernes, 24 de marzo de 2017

Ciencia Detrás de la Magia: Acero Valyrio- Reinventando el Acero

Esta es una respuesta muy completa que un usuario de Subdivx, JedWryWizard tuvo la amabilidad de compartir conmigo en respuesta al posteo sobre el acero valyrio. Tenia pensado hacer un posteo similar a este pero me ganaron de mano y en honor a la verdad, este es mucho mejor que el que yo tenia en mente. Así que acá se los traigo.


Ciencia Detrás de la Magia: Acero Valyrio- Reinventando el Acero

Se puede hacer una aleación que tenga carbono y silicio, de hecho el acero de alto silicio se llama ´´acero eléctrico´´ porque se usa para fabricar componentes de maquinarias y transformadores eléctricos. El alto contenido en silicio aumenta la resistencia a la electricidad del acero y hace que las corrientes autoinducidadas (corrientes de Foucault) disminuyan, lo que a su vez evita la pérdida de energía por inducción en la armadura (corrientes que calientan la ´´chapa´´ en vez de generar trabajo o inducir movimiento de electrones en el secundario del transformador).

Hasta donde he leído, el acero Valyrio se parece bastante al acero de damasco, lo cual me parece un golazo de parte de Martin, porque no fue sinó hasta hace muy poco que se ´´redescubrió´´ oficialmente la fabricación de este tipo de aceros.



Fabricación del Acero de Damasco

El trabajo de investigación lo llevó a cabo un grupo de la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad Complutense de Madrid. Está fechado en 1995, pero se publicó hasta el año 2001, y todavía no es muy conocido en el ambiente académico.

El Acero de Damasco era notable por muchísimas cosas fuera de lo común. Primero, por el altísimo contenido de carbono. Los aceros ´´normales´´ contienen carbono en proporciones que van del 0.1 al 2.5%, pero los de alto carbono son casi inutilizables.

Pero bueno, para no divagar. Expliquemos primero (y si me dan permiso, capaz que publique esta explicación en otro lado). Los aceros no son estrictamente hablando ´´combinaciones´´ químicas, desde el punto de vista químico, son más bien soluciones. Soluciones de carbono puro en hierro. Los átomos de carbono, se distribuyen entre los átomos de hierro en forma más o menos uniforme.

El tema es que el hierro a temperatura ambiente es sólido, y el carbono, también.

El hierro puro, cuando se encuentra en estado sólido está formado por átomos que ocupan posiciones definidas y ordenadas en una estructura tridimensional, a temperatura ambiente la forma cristalina más abundante en el hierro puro se llama ´´hierro alfa´´ y es una estructura cúbica centrada en el cuerpo ( la celda unitaria está formada por ocho átomos de hierro ocupando los vértices de un cubo, más un átomo de hierro ocupando una posición en el centro del cubo),



por encima de los 900 grados ºC la estructura cambia a lo que se llama hierro gamma (estructura cúbica centrada en las caras, un átomo en los ocho vértices del un cubo, más un átomo en cada una de las caras).



Tengamos esto presente para explicar el resto.

Cuando se incorpora carbono a la solución, se producen alteraciones en la estructura cristalina del hierro, los átomos de carbono empiezan a ocupar lugares en el crista, pero tienen tamaños y propiedades diferentes a los átomos de hierro. Las celdas unitarias se deforman, y aparecen tensiones. Si el contenido de carbono es muy alto, las tensiones son tan grandes, que hacen que el metal con el añadido de carbono se vuelva frágil. Se quiebra como el cristal cuando se lo golpea.

Pero cuando el contenido de carbono está en un rango muy específico, las tensiones aumentan la dureza (la capacidad de cortar a otras sustancias), sin afectar su tenacidad (la capacidad de resistir golpes sin romperse) .

Para un arma de corte sometida a golpes, como una espada, es deseable que el metal sea duro (que pueda cortar a otras sustancias, por ejemplo para atravesar armaduras) pero que sea tenaz (que resista golpes sin quebrarse).

Lo curioso del acero de Damasco es que tenía niveles de carbono (niveles comprobados en armas que todavía existen) muy por encima de lo que se considera ´´normal´´ en un acero ´´moderno´´ para espadas.

Un acero ´´moderno´´ con esos niveles de carbono sería muy duro, pero tan frágil como el cristal. Sin embargo, las espadas de damasco eran extremadamente filosas, extremadamente resistentes al desgaste, y curiosamente, extremadamente flexibles.

Además el acero de damasco tenía una característica óptica distintiva, que lo hace muy hermoso. Un patrón de zonas más claras y más oscuras en forma de ondas, muy bello.


Como contaba, las espadas de acero de Damasco tenían características tan impresionantes que se decía que podían cortar una piedra primero, y un velo de seda soltado en el aire después. Ni hablar de como se comían crudos a los cruzados europeos con armadura y todo. Y sin contar la belleza veteada de las hojas Sarracenas, muy diferente a la de las bruñidas espadas europeas.

Y de donde vienen esas hermosas características?

Bueno, una de las de las teorías más extendidas por la época de las cruzadas decía que el secreto estaba en el temple. Que según se cuenta en las leyendas se hacía de una forma muy especial: Se calentaba la hoja al rojo vivo, y se la introducía a esa temperatura en el cuerpo vivo de un prisionero de guerra especialmente destacado. De esta forma la hoja ´´absorbia´´ la fuerza y la valentía del desdichado infiel cristiano.

Y por ahí, investigando después, entre la verdad y la brujería, no andaban tan mal encaminados. El secreto no estaba en la fundición, ni en el contenido de carbono, sino en los tratamientos térmicos posteriores.

Pero me estoy adelantando.

Veamos la ciencia detrás de la brujería.

Un pedazo de hierro no es un cristal único, sino que más bien está formado por millones y millones de pequeños cristales con un tamaño de un par de micras soldados entre sí.

En un acero, este patrón se repite, pero ahora los cristales son ligeramente diferentes entre si, dependiendo del contenido de carbono que tenga cada cristal en particular.

Si uno corta con muchísimo cuidado un trozo de acero y lo ataca con un ácido, el ácido actúa de diferente forma dependiendo del tipo de cristal del que se trate, revelando el patrón de cristales escondidos. Una micro fotografía de un acero moderno se ve más o menos así:



Un patrón bastante regular de cristales con una forma granular de hierro alfa (denominado también ferrita), entre gránulos de hierro con carbono en una proporción de 3 átomos de hierro por átomo de carbono (a esta fase se la denomina cementita, o carburo de hierro).

Si al acero se lo calienta por encima de los 900 grados centígrados, el hierro alfa (ferrita) comienza a transformarse en cristales de hierro gamma, lo que permite que el carbono difunda y distribuya mejor. La estructura cristalina se altera y se forma un tipo de cristal llamado austenita:



La austenita es muy blanda y dúctil, por lo que la mayoría de las operaciones de estampado y forja se hacen a temperaturas austeníticas (generalmente a 1000-1100 ºC)

Sin embargo, la austenita no es muy estable a baja temperatura, si se baja la temperatura lentamente, los átomos de carbono difunden nuevamente para formar cristales de ferrita y cementita. Pero si se enfría rápidamente, los átomos de carbono quedan retenidos en las posiciones intersticiales de los cristales y la forma de hierro alfa cúbica centrada en el cuerpo se altera tanto que toma una estructura tetragonal centrada en el cuerpo. Este tipo de cristales se denominan martensita. Y se observan como forma de fibras o agujas en el interior del material.



El cristal de martensita tiene tantas tensiones internas que lo convierten en un material muy duro (pero muy frágil).

Al proceso de enfriado rápido desde la temperatura austenítica, para que el material adquiera la estructura martensítica se lo denomina templado.

Al material templado se le puede bajar la proporción de cristales de martensita, calentándolo hasta temperaturas de 500 o 600 grados, manteniendo esta temperatura durante un tiempo y luego enfriandolo lentamente. Esto permite que algunos cristales de martensita se conviertan en ferrita y cementita, lo que disminuye las tensiones internas del material, y rebaja la dureza (pero aumenta la tenacidad). A este proceso se lo denomina Revenido.

En los aceros modernos, se controla la dureza y la tenacidad con el contenido de carbono y añadiendo otros elementos aleantes (manganeso, tungsteno, vanadio, cromo, etc), sin embargo las operaciones que dependen de la temperatura (forja, templado y revenido), se hacen casi siempre en los mismos rangos de temperatura.

Durante mucho tiempo fue un misterio como se lograba forjar a las espadas sarracenas, los árabes utilizaban como material de partida el Wootz, un tipo de fundición de hierro muy rica en carbono (alrededor del 2%) que fabricaban los hindúes. Una de las características principales del Wootz es que estaba formado por numerosas capas de hierro alfa entre capas de carburos de hierro. (O sea, en vez de tener una estructura microgranular, tenía una estructura macrocristalina en capas)

Acá unas imágenes de lingotes auténticos de Wootz antiguo





Sin embargo, cuando se trata de forjar aceros con tan alto contenido de carbono a las temperaturas ´´modernas´´, los cristales de austenita quedan suspendidos en una solución eutectoide de hierro y carbono (de más bajo punto de fusión) superplástica, muy blanda lo que provoca que la pieza se desgrane. En otras palabras, es imposible forjar el Wootz a temperaturas austeníticas.

¿Y como diablos lo hacían entonces?

Bueno, la investigadora Laura García Sánchez de la U de Madrid redescubrió que hacían la forja a temperaturas mucho más bajas, alrededor de los 750 ºC, algo que era impensable para los herreros modernos. A esa temperatura comienza a ablandarse el eutectoide, lo que permite romper los cristales de cementita y apilar los cristales de ferrita, lo que se consigue es que se obtengan bandas de un par de micras de un apilamiento de microristales superduros con altísimo contenido de carbono (carburos de hierro, y nanotubos de carbono), entre bandas de un material supertenaz con bajo contenido de carbono.

Al contrario de lo que se busca con la forja moderna, que es redistribuir en forma uniforme el carbono, lo que se persigue en este tipo de forja, es mantener las diferencias en la concentración de carbono que tienen las capas del material original. Algo que parecía impensable para los especialistas en metalurgia ´´modernos´´.

Increíble ¿no?

Y lo más curioso, para evitar que se desestabilice la estructura cristalina obtenida, los aceros damasquinos no se templan.

Sin embargo, los enormes cristales de carburos de hierro atrapados entre las láminas de ferrita, son mucho más duros que la martensita que se obtiene por un proceso de temple clásico. Lo que se consigue al final es un efecto similar al que se persigue con actuales hojas de corte con cristales de diamante. Cristales de diamante superduros, atrapados en un material que es mucho menos duro, pero mucho más tenaz.

Este apilamiento en microláminas de cristales duros y blandos es lo que brinda los aceros de Damasco las características físicas tan notables (lo mejor de ambos mundos), y como los carburos de hierro son más resistentes al óxido, le brindan ese hermoso aspecto ´´ondulado´´ a las hojas, formado por capas oscuras de hierro ´´blando´´ oxidado en la superficie, entre capas más claras de cristales ´´duros´´ de cementita que prácticamente no se oxidan.

Entonces los secretos del acero damasquino estaban primero en la elaboración del Wootz (el propio proceso de elaboración de los lingotes de Wootz es casi mágico, se hace primero la reducción de los óxidos de hierro con carbón vegetal para obtener pequeños lingotes de hierro con muy alto contenido en carbono, y llenos de impurezas, y luego una refusión y forja de estos lingotes con vidrio y más carbón, el vidrio actúa como fundente, facilitando la fusión del hierro, y no se mezcla, flota sobre el hierro fundido, impidiendo que el hierro se oxide y arrastrando impurezas.) La forja de diferentes lingotes con diferente contenido de carbono produce un lingote de mayor tamaño con una estructura en capas.

Luego la selección de un lingote correcto, con un buen patrón de bandas de carburos, la forja a baja temperatura en la dirección adecuada para respetar y resaltar el patrón de bandas del material original, un ataque químico superficial para facilitar la oxidación del hierro ferrítico (para resaltar el patrón de bandas), y el pulido y afilado que otorgan el hermoso aspecto final en bandas y brindan la funcionalidad definitiva del arma.

En resumen, un proceso complicadísmo, que pone en evidencia la paciencia y oficio de los metalúrgicos hindúes que fabricaban el Wootz y sobre todo de los maestros herreros árabes, capaces de trabajar ese material que actualmente no pasaría ningún control de calidad para obtener un producto muy superior a muchos de los que se obtienen por técnicas ´´modernas´´.

Probablemente Martin incluya alguno de estos aspectos en la elaboración del acero Valyrio (quizás el Wootz se elabore con vidriagón, y la forja se haga a baja temperatura con fuego de dragón). Quién lo dice, pero sin dudas, el proceso original no tiene nada que envidiarle a la fantasía.

Bueno, para quienes tengan tiempo y ganas, les dejo el trabajo de Tesis publicado por García sobre la manofactura de aceros de damasco con la descripción de todos los pasos (desde la creación de lingote de Wootz, hasta el pulido final). Es interesantismo de leer. E incluye aspectos históricos, físicos, químicos y hasta mitológicos.

La única contra es que tiene 273 páginas, pero es muy ameno, y muy accesible incluso para los que no tienen formación técnica.

Teésis Doctoral: Claves metalúrgicas de la fabricación de espadas con acero de Damasco (Al-hindi) según el taller persa medieval del shamshirsaz Assad Allâh de Isfahân

Finalmente una aclaración, no hay que confundir el acero de Damasco (elaborado a partir de Wootz y forjado a baja temperatura) con el acero damasquinado, que se logra forjando y plegando en capas a temperaturas normales (1000-1100 ºC) dos materiales diferentes. Usualmente un acero de carbono medio 1050 con un acero inoxidable. Plegando y golpeando se logra que los dos materiales diferentes se suelden en patrones característicos. No es lo mismo.

Ejemplo de acero damasquinado:


El verdadero acero de Damasco es mucho más sutil, y tiene mejores propiedades mecánicas:

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