II. ESPADAS DE DAMASCO
CUENTA la leyenda de un encuentro entre Ricardo Coraz�n de Le�n y el sult�n Saladino, que ocurri� en Palestina a finales del siglo XII. Los dos enemigos en la guerra de las Cruzadas cristianas se jactaban del poder de sus respectivas espadas. Ricardo tom� su enorme espada, la levant� con sus dos manos y la dej� caer con toda su fuerza sobre una maza de acero. El impacto de la espada hizo saltar a la maza hecha pedazos. Saladino fue m�s sutil. Coloc� su espada encima de un mullido coj�n de pluma y la jal� suavemente. Sin ning�n esfuerzo ni resistencia la espada se hundi� en el coj�n hasta cortarlo completamente como si fuera mantequilla. Ricardo y sus acompa�antes europeos se miraron unos a otros con incredulidad. Las dudas se disiparon cuando Saladino arroj� un velo hacia arriba y, cuando flotaba en el aire, lo cort� suavemente con su espada.
La espada de Ricardo Coraz�n de Le�n era tosca, pesada, recta y brillante. La de Saladino, por el contrario, era esbelta, ligera y de un azul opaco que, visto m�s de cerca, era producido por una textura compuesta de millones de curvas oscuras en un fondo blanco que caracterizan a los aceros de Damasco. Era tan dura que se podr�a afilar como navaja de afeitar y a la vez era sumamente tenaz, de manera que pod�a absorber los golpes del combate sin romperse. Era dif�cil para los europeos aceptar que la dureza y la tenacidad se pod�an conjugar de una manera tan extraordinaria. Todav�a m�s dif�cil de aceptar result� el entender y dominar la t�cnica de fabricaci�n de los aceros de Damasco en las herrer�as de Occidente. La cosa no dur� a�os, ni d�cadas: tom� siglos.
Muchos eminentes cient�ficos europeos fueron atra�dos por el misterio de los aceros de Damasco. Antes de inventar el motor y el generador el�ctricos, Michael Faraday gast� alg�n tiempo tratando de revelar este misterio.
Faraday era hijo de herrero, de modo que estaba familiarizado con el oficio; adem�s, ten�a la ventaja de trabajar en 1819 cuando la jerga de los acereros ya hab�a decantado muchos conceptos que no se ten�an en el siglo XII. Pero "en casa de herrero, cuchara de palo". Despu�s de sesudos an�lisis, Faraday sali� con que el secreto podr�a estar en la adici�n de peque�as cantidades de s�lice y al�mina al acero. Err�neo. Para lo �nico que sirvi� el art�culo de Faraday fue para que Jean Robert Breant, un metal�rgico de la imprenta de Par�s, se motivara a estudiar el tema y descubriera la esencia del misterio: los aceros de Damasco ten�an un contenido alt�simo de carbono.
EL PAPEL DEL CARBONO EN EL ACERO
El acero es, b�sicamente, una aleaci�n de hierro y de carbono. El contenido del carbono en el acero es relativamente bajo. La mayor�a de los aceros tienen menos de 9 �tomos de carbono por cada 100 de hierro en el acero. Como el carbono es m�s ligero que el hierro, el porcentaje de masa de carbono en el acero es casi siempre menos del 2%. La forma convencional de expresar el contenido de los elementos en las aleaciones es por el porcentaje de la masa total con que cada uno contribuye.
El carbono tiene un gran influencia en el comportamiento mec�nico de los aceros. La resistencia de un acero simple con 0.5% de carbono es m�s de dos veces superior a la de otro con 0.1%. Adem�s, como puede apreciarse en la figura 3, si el contenido de carbono llega al 1%, la resistencia casi se triplica con respecto al nivel de referencia del 0.1%.
Figura 3. Efecto del contenido del carbono en la resistencia de los aceros.
El carbono, sin embargo, generalmente reduce la ductilidad del acero. La ductilidad es una medida de la capacidad de un material para deformarse, en forma permanente, sin llegar a la ruptura. Por ejemplo, el vidrio de las ventanas no es nada d�ctil. Cualquier intento por deformarlo, estir�ndolo o dobl�ndolo, conduce inmediatamente a la fractura. El aluminio, por el contrario, es sumamente d�ctil. Por ejemplo, de un solo golpe una rondana de aluminio se convierte en el tubo donde se guarda la pasta de dientes, como se muestra en la figura 4.
Figura 4. Tubo de pasta de dientes fabricado mediante la deformaci�n de
una rondana de aluminio. El aluminio es muy d�ctil porque es capaz de soportar
grandes deformaciones sin fracturarse. Las muestras fueron amablemente proporcionadas
por la empresa Cospeles, S. A. Fotograf�a de Alfredo S�nchez Ariza.
Un acero de 0.1%. de carbono es m�s de cuatro veces m�s d�ctil que otro con 1% de carbono y dos veces m�s que un tercero con 0.5% de carbono, como se indica en la figura 5. En esta gr�fica, a la ductilidad se le expresa como un porcentaje. �ste se determina estirando una barra de acero hasta llevarla a la fractura para despu�s calcular el incremento porcentual de su longitud.
ACEROS DE BAJO, MEDIO Y ALTO CARBONO
Por su contenido de carbono, los aceros se clasifican como de bajo, medio y alto carbono. Las fronteras que separan a estos tipos de acero no est�n claramente definidas, aunque se entiende que los aceros de bajo carbono tienen menos del 0.25% de carbono en su aleaci�n. Ellos son f�cilmente deformables, cortables , maquinabIes, soldables; en una palabra, son muy "trabajables". Por eso, con estos aceros los herreros hacen puertas y ventanas. Adem�s, con ellos se fabrican las mejores varillas para refuerzo de concreto, las estructuras de edificios y puentes, la carrocer�a de los autom�viles y las corazas de los barcos.
Figura 5. Efecto del contenido del carbono en la ductilidad de los aceros
comunes. En 1938 Sisco public� esta gr�fica y se ha reproducido en muchos libros
de texto todav�a vigentes.
Los aceros de medio carbono, entre 0.25% y 0.6%, se emplean cuando se quiere mayor resistencia, pues siguen manteniendo un buen comportamiento d�ctil aunque su soldadura ya requiere cuidados especiales. Con estos aceros se hacen piezas para maquinarias como ejes y engranes. Los aceros de alto carbono, entre 0.6% y 1.2%, son de muy alta resistencia, pero su fragilidad ya es notoria y son dif�ciles de soldar. Muchas herramientas son de acero de alto carbono: picos, palas, hachas, martillos, cinceles, sierras, etc. Los rieles de ferrocarril tambi�n se fabrican con aceros de ese tipo.
�Y los aceros de Damasco? Resulta que no caben en la clasificaci�n. No han entrado a los libros de texto. Como contienen alrededor de 1.5% de carbono, muchos creen que son tan fr�giles que no vale la pena ni siquiera estudiarlos. Lo bueno fue que los herreros de Saladino no aprendieron la fabricaci�n de sus espadas leyendo los textos de metalurgia que ahora tenemos en las bibliotecas. La ense�anza la obtuvieron de sus padres y abuelos a lo largo de muchos a�os de compartir el trabajo en la herrer�a.
Recientemente dos metalurgistas de la Universidad de Stanford, Sheiby y Wadsworth, retomaron el tema de las espadas de Damasco y han abierto todo un campo de investigaci�n en lo que se llama ahora aceros de "ultra alto carbono". Con toda paciencia empezaron por desentra�ar de nuevo las misteriosas caracter�sticas de estos aceros, para luego reproducir en el laboratorio su legendaria belleza y su singular resistencia y tenacidad. En pocos a�os estuvieron en condiciones de ofrecer a la industria aleaciones de acero de ultra alto carbono con las que se pueden fabricar infinidad de piezas donde la resistencia al esfuerzo, al impacto o a la fatiga son de vital importancia.
La materia prima para fabricar las espadas de Damasco ven�a de la India y se llamaba "wootz". El wootz era un acero muy rico en carbono que produc�an los herreros indios con la forma y el tama�o de un queso fresco chico que se comercializaba intensamente en el Oriente. El procedimiento de la fabricaci�n del wootz se muestra en la figura 6. En un horno de piedra se introduc�an una mezcla de mineral muy rico en �xido de hierro y carb�n de le�a. Mediante un sistema de fuelles se soplaba aire hacia la base del horno. El ox�geno del aire produce la combusti�n del carbono de la le�a, dando lugar a la formaci�n de abundante mon�xido de carbono.
Figura 6. Proceso de fabricaci�n del wootz en la India. El mineral del hierro
y el carb�n de le�a se pon�an en un horno de piedra donde el mon�xido de carbono,
producido por la combusti�n de la le�a reaccionaba con el �xido de hierro para
formar el hierro esponja. El hierro esponja se martillaba y se met�a en un crisol
cerrado junto con polvo de carb�n de le�a. El crisol se met�a de nuevo al horno
y, cuando la temperatura sub�a hasta 1 200° C, se formaba el wootz, parcialmente
en el estado l�quido, por la aleaci�n del hierro y el carbono. Al enfriarse
lentamente, el wootz se solidificaba en su forma final.
El contacto del, mon�xido de carbono con el mineral de hierro sirve para reducirlo (desoxidarlo), dando lugar a la formaci�n de hierro met�lico de acuerdo con la reacci�n qu�mica:
Los hornos antiguos de piedra pod�an alcanzar temperaturas cercanas a los 1 200°C, que son inferiores a la temperatura de fusi�n del hierro, que es de 1 537°C. Por eso el hierro que se formaba a partir del mineral no era l�quido sino un s�lido poroso que ahora se conoce como hierro esponja. En los poros de la esponja se acumulaban muchas de las impurezas que inevitablemente acompa�an a los minerales y que usualmente se encuentran en forma de escoria l�quida al salir del horno. Esta escoria l�quida era removida del hierro esponja a golpe de martillo. El hierro esponja martillado se mezclaba de nuevo con el carb�n de le�a y se colocaba en un crisol de arcilla cerrado que a su vez se introduc�a de nuevo a un horno de piedra. En unas horas, el hierro esponja y el carbono se fund�an parcialmente para. dar origen al acero de ultra alto carbono conocido como wootz.
Los herreros del Medio Oriente que compraban el wootz de la India segu�an, para producir las hojas de espada, un proceso de forja como el indicado en la figura 7. La forja es el conformado de una pieza de acero caliente a golpe de martillo. La diferencia entre el �xito de los sirios y el fracaso de los europeos en el manejo del wootz radicaba en la temperatura de la forja. Los herreros sirios forjaban sus aceros a temperaturas entre 650 y 850 grados cent�grados, algo as� como al rojo p�rpura, cuando el Wootz se vuelve extraordinariamente d�ctil. De hecho, en ese intervalo de temperaturas, el wootz ingresa a un club muy selecto de aleaciones conocidas como superpl�sticas por su gran capacidad de deformarse sin romperse. En el libro de r�cords de Guiness est� registrada la marca mundial de superplasticidad correspondiente a una aleaci�n que pudo alargarse m�s de veinte veces su tama�o original antes de romperse. Adem�s del wootz, el club de superplasticidad incluye a otras aleaciones basadas en el plomo, el cinc o el aluminio.
Figura 7. La forja en Siria se hac�a calentando el wootz a temperatura de
entre 650 y 850° C. A esta temperatura el wootz era sumamente pl�stico y
se pod�a conformar a martillazos.
Aunque los herreros sirios no manejaron el concepto de la superplasticidad que se puso de moda hasta los a�os setenta de nuestro siglo, la aprovechaban para darle forma a sus espadas. Los europeos, por su parte, estaban acostumbrados a forjar sus espadas a 1 200°C, cuando el acero se pone de un amarillo claro. El wootz, a esta temperatura, ya es otra cosa porque se desmorona al primer martillazo. A diferencia de los aceros de bajo contenido de carbono que forjaban los europeos sin ning�n problema a 1 200 grados cent�grados, el wootz forma en su interior una cierta cantidad de material l�quido que propicia su desmoronamiento cuando se martilla.
La conversi�n del wootz en aceros de Damasco mediante la forja y el temple se debe a cambios muy sustanciales en la estructura interna de estos materiales. Los aceros tienen una estructura interna formada principalmente por dos componentes, mas conocidos como fases, que se ilustra en la figura 8(a). La fotograf�a fue tomada con un microscopio electr�nico de barrido, donde el segmento en la parte inferior derecha ayuda a tener una idea de la escala. Antes de tomar la fotograf�a fue necesario tomar un trozo peque�o de acero (en este caso no fue de wootz sino de bajo carbono), y pulirlo en una serie de lijas, cada vez m�s finas, hasta lograr una superficie lisa y brillante como un espejo. Luego se ataca ligeramente con una soluci�n de �cido n�trico en alcohol para que las dos fases se distingan.
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Figura 8. (a) Metalograf�a de un acero de bajo carbono (0.18%). Los granos
oscuros son de ferrita (a) y los granos claros
son de perlita. (b) Detalle de los granos de perlita formados por laminillas
blancas (cementita) y oscuras (ferrita). Fotograf�a de Alfredo S�nchez Ariza
y Jos� Luis Albarr�n.
Volviendo a la figura 8, uno puede darse cuenta de que los aceros, al igual
que muchos otros metales y cer�micos, est�n estructurados a base de cristales,
tambi�n llamados granos, con fronteras claramente definidas, semejantes a las
piedras que integran una barda. En la fotograf�a, muchos de los granos son oscuros.
Son granos de hierro met�lico, frecuentemente de una pureza superior al 99.95%,
conocidos como la fase ferrita del acero. La fase ferrita casi no admite el
carbono en su interior, a lo m�s acepta un 0.05%, y eso cuando la temperatura
es alrededor de 700°C. A temperaturas inferiores se vuelve mucho m�s intolerante
al carbono y aumenta su tendencia a expulsarlo. El carbono que no cabe en la
ferrita forma el compuesto llamado carburo de hierro, Fe3C,
que aparece en forma de laminillas blancas en los granos m�s claros de la figura
8(b). (Lo negro y lo blanco en las metalograf�as depende del instrumento que
se use para observar. En el microscopio electr�nico de barrido se observa lo
que aqu� se presenta; en un microscopio �ptico lo negro se ve blanco y viceversa.)
Las laminillas blancas de carburo de hierro, conocidas tambi�n como cementita,
se alternan con laminillas oscuras de ferrita.
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Figura 9. Cuatro metalograf�as de acero de bajo, medio y alto carbono. La
perlita es escasa en los aceros de bajo carbono y aumenta hasta ocupar casi
todo el espacio en los aceros de alto carbono. Fotograf�a de Alfredo S�nchez
Ariza y Jos� Luis Albarr�n.
A los granos formados de laminillas blancas y oscuras se les conoce como la fase perlita del acero, aunque en realidad no es una fase sino dos, repetimos: la ferrita y el carburo de hierro o cementita. La fase perlita tiene la peculiaridad de contener siempre el mismo contenido de carbono, que es 0.77%.
Por la proporci�n relativa de la ferrita y cementita en los aceros se puede saber su contenido de carbono. En la figura 9 se muestran cuatro micrograf�as de acero con contenidos de carbono de 0.18, 0.25, 0.35 y 0.65%, respectivamente. Cuando el contenido total de carbono es bajo, abundan los granos de ferrita. Los granos de perlita son escasos y dispersos. A medida que el contenido de carbono aumenta, la poblaci�n de cementita sube. En los aceros de alto carbono, la perlita, formada por laminillas de ferrita y cementita, pr�cticamente ocupa todo el espacio.
El wootz de la India, siendo un acero de ultra alto carbono, ten�a una estructura de granos de perlita embebidos en una base de cementita como se muestra en la figura 10.
Figura 10. Simulaci�n de una metalograf�a de un acero con estructura de
granos de perlita embebidos en una matriz de cementita.
Con esta estructura el material es sumamente fr�gil porque la base de cementita es muy quebradiza. Ni los europeos ni los sirios sab�an que, a temperaturas de entre 650 y 850 grados, la base de cementita pod�a transformarse a golpe de martillo para formar part�culas dispersas en una base de perlita, como se indica en la figura 11. La diferencia era que los sirios lo hac�an y los europeos no. Cuando la base de cementita se dispersa en una multitud de part�culas, el wootz ya no es wootz, sino acero de Damasco. De hecho las texturas que se observan en las espadas de Damasco son residuos de la base de cementita que no alcanzaron su transformaci�n a peque�as part�culas, probablemente debido a que se interrump�a el martillado. Lo ir�nico es que si se logra eliminar completamente la textura cl�sica del acero de Damasco al transformarla en peque�as part�culas de cementita se obtiene un acero todav�a superior. Claro que a ning�n herrero sirio se le ocurr�a hacer esto, porque todo mundo cre�a que la fuerza de los aceros de Damasco ven�a de su textura.
Figura 11. Simulaci�n de una metalograf�a de acero forjado que presenta
una gran cantidad de carburos esf�ricos dispersos en una matriz de perlita.
Los herreros sirios incrementaban todav�a m�s la resistencia y la elasticidad de las espadas mediante el temple. El temple, ejemplificado en la figura 12, se consigue al calentar las espadas al rojo vivo, alrededor de 800°C y enfriarla s�bitamente por inmersi�n en un fluido (agua, por ejemplo). El temple se debe a una importante transformaci�n de la estructura at�mica del acero.
Figura 12. Temple de acero. Los sirios calentaban su acero a temperaturas
un poco arriba del rojo p�rpura (m�s o menos 800°C) para luego sumergirlo
en el agua.
Cuando el acero, despu�s de estar al rojo vivo, se deja enfriar lentamente, los �tomos de hierro se acomodan formando la red cristalina llamada ferrita. Los �tomos que no acepta la ferrita se segregan formando laminillas de carburo de hierro(Fe3C). Los �tomos en los metales se comportan como esferas duras de un di�metro caracter�stico en contacto unas con otras. El hierro tiene un di�metro de 2.5 Å, un cuarto de millon�sima de mil�metro, el carbono es ligeramente menor que 1.1Å. Un corte ilustrativo de la ferrita se indica en la figura 13, donde los �tomos de hierro ocupan las esquinas y el centro del cubo. En las esquinas se dibuja un octavo de esfera solamente. Esta red es conocida en cristalograf�a como c�bica centrada en el cuerpo. Los pocos �tomos que acepta la ferrita encuentran acomodo en los huecos que quedan entre las esferas de hierro. De acuerdo con el tama�o de las esferas de carbono, �stas caben en la ferrita, solamente, en sitios como el que se se�ala en la figura 13.
Figura 13. Red cristalina c�bica centrada en el cuerpo de la fase ferrita
del acero. Para mayor claridad solamente se dibuja un octavo de esfera en cada
esquina. El �tomo negro representa al carbono, el cual se ubica en los huecos
m�s grandes que quedan entre los �tomos de hierro. La ferrita acepta muy poco
carbono en su interior.
Cuando el acero se calienta al rojo vivo la estructura at�mica del acero cambia. Arriba de 727°C empiezan a desaparecer las fases ferrita y cementita para dar lugar a la formaci�n de otra fase llamada austenita. Los cambios de fase de las aleaciones se ilustran en los llamados diagramas de fases. En la figura 14 se muestra el de las aleaciones de hierro y carbono. En la abscisa se indica el contenido de carbono que va desde cero, para el hierro puro, hasta 4.8%. En la ordenada se marca la temperatura. Las fases presentes en el acero dependen tanto de su contenido de carbono como de su temperatura.
Figura 14. Diagrama de fases de equilibrio de las aleaciones m�s importantes
de hierro y carbono. Las l�neas en el diagrama delimitan las �reas de temperaturas
y composici�n donde existen o coexisten las diferentes fases de acero.
Como se dec�a antes, abajo de 727°C los aceros contienen las fases ferrita y cementita (a +Fe3C). Sin embargo, arriba de esta temperatura pueden existir la ferrita y la austenita (a+g) y si el contenido de carbono es mayor que 0.8%, la austenita y la cementita. En cualquier caso siempre hay austenita a temperaturas arriba de 727°C.
Los �tomos de hierro en la fase austenita asumen las posiciones en una red cristalina c�bica centrada en las caras, como se indica en la figura 15. Los �tomos de hierro se acomodan ocupando las esquinas y el centro de cada cara en una estructura c�bica. En este caso, los �tomos de carbono caben en el centro de cada una de las aristas de los cubos. La fase austenita puede admitir dentro de su red cristalina hasta un 2% de carbono a una temperatura de 1 150°C, como puede verse en el diagrama de fases de la figura 14. N�tese que la austenita tiene una capacidad para aceptar carbono que es del orden de 40 veces superior a la ferrita.
Figura 15. Red cristalina c�bica centrada en las caras de la fase austenita
del acero. En este caso los �tomos de carbono se acomodan en el centro de las
aristas del cubo. La austenita puede aceptar hasta el 2% en masa, de carbono.
En la etapa inicial del temple del acero de Damasco, cuando se pasa de una estructura de ferrita y cementita a una de austenita y de mentita, es decir al calentar al rojo vivo, una parte de la cernentita se descompone para enriquecer de carbono las zonas donde debe formarse la austenita. Cuando el acero de Damasco se estabiliza al rojo vivo su fase austenita contiene alrededor del 1% de carbono, mientras que la cementita que no se disuelve sigue siendo Fe3C. En estas condiciones, si el acero fuera enfriado lentamente hasta la temperatura ambiente, el carbono se difundir�a en el acero para acomodarse en las posiciones y proporciones adecuadas formando de nuevo la estructura de ferrita y cementita. �Y qu� pasa si el enfriamiento es s�bito? �Qu� hace el carbono cuando de ser ampliamente aceptado en la red cristalina de la austenita se encuentra en una situaci�n de inquilino indeseado en la ferrita? Pues pasa lo de siempre: el ambiente se pone tenso, el acero se ha templado. El carbono queda atrapado en el mismo sitio donde se encontraba en la austenita y al tratar de acomodarse los �tomos de hierro en la red cristalina de la ferrita, el espacio del carbono se vuelve insuficiente. Lo que se produce es una fase llamada martensita, con la red cristalina distorsionada que se describe en la figura 16. La martensita no es una fase de equilibrio, existe s�lo porque "agarraron al carbono fuera de base". Es una fase muy dura y muy el�stica, que es lo que se necesita a la hora de los espadazos.
Figura 16. Red cristalina de la fase martensita del acero. El carbono queda
atrapado en una posici�n donde no cabe en la red c�bica centrada en el cuerpo,
produci�ndose as� una distorsi�n el�stica.
Claro que los herreros sirios ni los europeos entend�an toda esta historia de las redes cristalinas, los �tomos y los carbonos atrapados. Todo esto es asunto del presente siglo, especialmente desde que se dispuso del equipo de rayos X para medir las distancias interat�micas. En la antig�edad, el temple era un misterio y lleg� a convertirse en un rito macabro. Cuentan las leyendas de Asia Menor que el acero se calentaba hasta alcanzar el calor del Sol naciente en el desierto, se dejaba enfriar hasta el purp�reo real, y se hund�a en el cuerpo de un esclavo musculoso. Entonces la fuerza del esclavo se transfer�a a la espada.
