La superplasticidad, la condición en la que materiales cristalinos pueden ser estirados más del 1000%

El secreto de las espadas de Damasco

por Fermín Capella30/05/1999
Las armas de acero de Damasco eran renombradas por su fino borde de corte y su elevada resistencia al cuarteado. El arte de los herreros de los tiempos antiguos se había olvidado y perdido. Abundan las leyendas que afirman que los aceros de Damasco fueron desarrollados primero en el continente perdido de Atlantis, que tenían poderes especiales de curación y que fueron usadas por Alejandro Magno en su conquista del mundo civilizado.
Hace 20 años no se sabía nada sobre este legendario acero, pero se iniciaban las investigaciones sobre la superplasticidad. El conformado superplástico de materiales se produce a temperaturas elevadas y puede revolucionar la industria de transformación, dado que los materiales superplásticos pueden conformarse en formas complejas, pudiendo fluir en un molde y replicar perfectamente la superficie y forma de éste. De este modo pueden reducirse o eliminarse muchos de los pasos de soldadura, corte, mecanizado y otros que representan más del 30% del coste de manufactura de la mayoría de los productos de acero. Las investigaciones de esta nueva propiedad en los aceros condujo a Sherby y Wadsworth a estudiar los mitos, magia y metalurgia de los antiguos aceros de Damasco

Superplasticidad y aceros al carbono ultra-elevado

Hacia 1970, los investigadores establecieron dos atributos comunes requeridos para convertir en superplástico un material metálico: en primer lugar, los materiales debían consistir en una mezcla de fase de dos materiales cristalinos distintos, teniendo cada uno granos esféricos (cristales) y en segundo lugar, los granos debían ser ultrafinos, del orden de una micra. Con esto se crean regiones de frontera entre granos con conjuntos desordenados de átomos entre los granos, representando tales regiones de frontera zonas de debilidad a temperaturas elevadas, haciendo que los granos se deslicen fácilmente, como granos de arena. Esto les confiere sus características superplásticas.
Ya en 1973 los investigadores sabían cómo conseguir materiales superplásticos tales como aleaciones de cinc-aluminio y aleaciones de base níquel, pero no se había considerado obtener aceros superplásticos. Esto podía ser posible añadiendo una cantidad excepcionalmente elevada de carbono, desde el 1,3% al 2,1%: la mayoría de los aceros contienen niveles de carbono entre el 0,1% y el 0,8%.
Con ello se pretendía obtener una mezcla de dos materiales; granos de hierro puro mezclados con granos de carburo de hierro (cementita). Mediante pasos de proceso adecuados se consiguió formar granos de tamaño adecuado, evitando que crecieran a temperaturas elevadas. Con ello se obtuvieron un gran número de zonas de frontera donde producirse el deslizamiento y conseguir la superplasticidad.
Esta selección de composición tomaba un camino religiosamente evitado por los metalúrgicos hasta entonces: aunque se sabe que añadiendo carbono al acero aumenta la dureza, también se sabe que los contenidos elevados producen fragilidad; esto es, el acero se quiebra a temperatura ambiente como el cristal. El alargamiento a temperatura ambiente disminuye rápidamente con el incremento de contenido de carbono. Esto es debido a la formación de una red espesa y continua de frágil cementita que se produce al enfriarse desde temperaturas elevadas a intermedias.
Rompiendo la red continua de cementita se obtiene un material más plástico y, contrariamente a la creencia popular, se sabe que la cementita no es quebradiza a temperatura elevada. Se desarrolló un material libre de la red mediante un trabajo mecánico continuo de los aceros al carbono ultra-elevado a medida que se enfriaban desde los 1.200º (rojo-blanco). Este trabajo mecánico por forjado o paso por rodillos rompe las redes de cementita cuando empiezan a formarse durante el enfriamiento. Después de experimentar con diversos aceros de muy alto carbono se consiguió la microestructura deseada; partículas esféricas ultrafinas de cementita embebidas en partículas de hierro de iguales características a un contenido de carbono del 1,5%. El material es superplástico a temperaturas elevadas y, más importante, no es quebradizo a temperatura ambiente. Se otorgó una patente a Sherby, Young, Walser y Cady (1976) por los procedimientos de procesado en el desarrollo de estructuras ultrafinas denominadas "Ultra-High Carbon Steel" (UHCS), en las que se obtuvo un alargamiento de hasta el 1.000% sin ninguna evidencia de fallo inminente.

Aceros al carbono ultra-elevado y tipos de aceros de Damasco

La cuestión era ahora saber si los aceros UHCS eran lo mismo que los aceros de Damasco. Una investigación de literatura metalúrgica histórica indicó que los aceros de Damasco, producidos por herreros persas, contenían ciertamente la misma cantidad de carbono que los UHCS.
Además, muchas de las espadas poseían bellísimas marcas de superficie, como la denominada "escalera de Mahoma" debida a marcas verticales repetitivas. Las áreas claras de las marcas son regiones ricas en carburo de hierro, que son distintas pero relacionadas con los carburos en la red de cementita de los UHCS. Con gran esfuerzo, se reprodujeron estas marcas de superficie y se aclamaron como el redescubrimiento moderno de las antiguas manufacturas de acero de Damasco.
Entre los tres tipos de aceros de Damasco, el principal es el "acero de Damasco genuino con marcas de superficie". El término "genuino" indica que estaba hecho de una sola colada, con un contenido de carbono entre el 1% al 2%. Los pasos utilizados por los herreros antiguos incluían procesos de forja intrincados y repetitivos caliente-frío , que resultaban en muestras a capas. En sentido estricto, estos aceros pueden ser vistos como composites laminados in-situ.
El "acero de Damasco genuino sin marcas superficiales" tenía las mismas, sino superiores, cualidades estructurales que el anterior. El acero UHCS patentado cae en esta misma categoría, dado que en ambos casos la cementita está distribuida de manera fina y uniforme y no hay marcas superficiales detectables a simple vista. El procesado era más simple que para los aceros anteriores y con su estructura de carburo esférica puede considerarse como un composite particulado in-situ.
Los "aceros de Damasco soldados", denominados aceros soldados en muestra, muestran también marcas visibles, y pueden confundirse con aceros de Damasco genuinos (con marcas) porque las marcas son muy similares. Los procedimientos para hacer aceros de Damasco soldados y los orígenes estructurales o metalúrgicos de tales muestras son totalmente distintos.
Estudios de cada una de las categorías citadas han llevado a descubrir que puede conseguirse la superplasticidad en los tres tipos de acero. Además, pueden desarrollarse características inusuales para aplicaciones a temperatura ambiente que sugieren un gran potencial para nuevas y útiles aplicaciones. Además la revisión de la historia de los aceros de Damasco ha descubierto muchos aspectos interesantes con relación a mitos, magia y metalurgia de estos y otros aceros.

La historia de los aceros de Damasco

La descripción más antigua de las espadas de Damasco data del año 540 de nuestra era, pero pueden haber estado en uso mucho antes, incluso en la época de Alejandro Magno (ca. 323 A. C.). El propio acero estaba hecho en la India, en donde se denominaba wootz. Se comercializaba en forma de coladas (cakes) del tamaño de discos de hockey sobre hielo. Las mejores espadas se forjaban en Persia a partir de wootz indio que se usaba también para escudos y armaduras. Estos aceros se conocieron en la Edad Media en Rusia, donde se denominaban aceros "bulat". En Persia se llamaban "poulad Janherder".
Como en todos los procesos de fabricación de acero, la manufactura de wootz implica la extracción del oxígeno del mineral de hierro, que es un óxido. Esto se conseguía mezclando el mineral de hierro con carbono (en forma de carbón, madera u hojas) y calentando la mezcla en un horno de piedra a alrededor de 1.200º C. En función de la cantidad de carbono en la mezcla el producto podía ser hierro batido (de bajo carbono) o lingote (más del 4%) y los indios obtenían wootz añadiendo o extrayendo carbono según convenía. Los detalles conocidos son muy someros, como es clásico de los secretos de los fabricantes que pasaban de generación en generación. Akihira Miyairi, considerado como el mejor fabricante de espadas japonés viviente, dice "los antiguos sabían donde ir a por mineral de hierro rico, pero no mantenían registros".
En el paso de forjado, una vez obtenido el wootz, el herrero utilizaba el color como guía para el control de la temperatura en el forjado y el tratamiento. Tampoco sobre esto hay registros y se usaba la intuición, más que la lógica, para realizar éste que es el paso más importante de la manufactura. El color del acero, la llama, la fuerza y frecuencia de los golpes de mallo, todo era dictado por la intuición y un largo aprendizaje.
Dado que el procedimiento usado por los antiguos herreros para hacer las marcas de superficie se da en términos muy vagos, ha sido objeto de especulación y en 1979 se propuso un procedimiento específico, la receta "Wandsworth-Sherby", que puede haber sido el utilizado. El wootz, en este caso un acero UHCS al 1,5% de carbono, se calienta al rojo blanco (1.200º C) para desarrollar granos de acero bastos. A continuación, se enfría muy lentamente (durante varias horas) para formar una red espesa continua de cementita en las fronteras de estos granos bastos. En este momento, las marcas superficiales son visibles a simple vista. Luego, el wootz se calienta a un color entre rojo sangre y rojo cereza (650º a 750º C) en que no se disolverá la red de carburo de hierro y se trabaja entonces mecánicamente el wootz (en este caso a rodillos) para romper la red en partículas de cementita bastas individuales. La red ya no es continua, pero permanece visible la estructura a capas que es muy atractiva a simple vista.
La macroestructura resultante no posee una muestra como las espadas de Damasco debido al distinto proceso de tratamiento mecánico, dado que con rodillos se obtiene una deformación unidireccional. En el caso del forjado, las deformaciones son multidireccionales, incluyendo la incorporación de pasos especiales que hacen que las marcas vayan a ángulo recto con la dirección normal de forja, construyendo así el efecto de la escalera de Mahoma.

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