Il Segreto dell’Acciaio (parte I) – Materiali Bellici

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“Di questo solo ti puoi fidare.”

Con questo articolo, inizia una serie legata ai materiali usati nel medioevo e nei mondi fantasy per creare armi, armature e altri oggetti di interesse avventuroso.

La nascita della metallurgia è stata un punto cruciale nello sviluppo di innumerevoli civiltà nel corso della storia, influenzando tecnologia e società a tal punto da divenire un parametro di giudizio nei confronti di civilizzazioni differenti. Lo sviluppo della lavorazione dei metalli ha scandito l’avanzamento tecnologico civile e bellico mondiale, e la manipolazione di metalli e leghe è tutt’ora parte integrante della tecnologia moderna.
Ma cos’è un metallo? E che differenza fa usarne uno o un altro? Andiamo a scoprirlo assieme a Simone Normani, del mitico blog Grappa e Spada che trovate a questo link, che collaborerà a questa serie di articoli.

Proprietà dei metalli.

Con il termine “metallo” in chimica si identifica la maggior parte degli elementi della tavola periodica che hanno la capacità di aggregarsi a formare strutture anche macroscopiche composte da quel solo elemento: in queste strutture, gli ioni (gli atomi privi di uno o più elettroni) sono immersi in un “mare” di elettroni dove questi ultimi si possono muovere liberamente. Questa è la ragione per cui i metalli sono buoni conduttori di corrente elettrica e di calore, ma questo tipo di legami comporta anche che gli atomi si dispongano in una struttura ordinata, analoga a quella cristallina (appropriatamente detta “reticolo”). L’integrità di questa struttura inoltre si allenta mano a mano che la temperatura aumenta, rendendo il materiale via via più duttile e malleabile, fino a passare allo stato liquido. Queste proprietà fanno sì che i metalli possano essere lavorati e manipolati a piacimento con i dovuti accorgimenti, e la loro importanza tecnologica non è dunque una sorpresa. Simili sono le leghe metalliche, ovvero materiali ricavati dall’unione di diversi metalli, o dall’arricchimento di impurità del reticolo; le leghe conservano svariate proprietà dei metalli alla loro base, ma ne acquisiscono di nuove che dipendono dall’esatta composizione.

Il ferro

Quando si parla di metalli, il primo che salta alla mente è probabilmente il ferro (Fe), e a ragion veduta, poiché è alla base di tantissime tecnologie, in particolar modo le più evidenti e di uso comune, in quanto si palesa da strutture grandi come cancelli a piccole come chiodi. Non è un caso che questo metallo abbia dato il nome ad un’era del mondo antico, in cui esso veniva usato per fabbricarne non solo strutture ed utensili di uso civile, ma anche armi ed armature.

Il ferro è un elemento molto importante per la vita e per l’uomo: la sua struttura atomica, con un nucleo da 26 protoni (di cui abbiamo parlato meglio in questo articolo), lo pone in fondo alla lista degli elementi normalmente prodotti da una stella e ne determina l’inevitabile morte. Esso, infatti, è il primo elemento di questa catena che, davanti al processo di fusione nucleare, consuma energia piuttosto che produrla. Quando questo succede, le stelle tendono a esplodere con grande violenza, generando una Nova o Supernova e scagliando al giro per il cosmo gli elementi prodotti in tale deflagrazione.

Inoltre, il ferro è un componente fondamentale del complesso eme, una struttura chimica necessaria per i processi di respirazione cellulare della stragrande maggioranza degli esseri viventi, salvo alcuni batteri, rendendolo dunque inestimabile per la vita sulla terra.
Negli esseri umani questo è molto evidente a causa dell’emoglobina, la proteina che trasporta l’ossigeno nel nostro sangue.

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Il ferro, come materiale estratto e lavorato dall’uomo, divenne durante l’omonima età il metallo privilegiato per una serie di ragioni, prima fra tutte la maggiore disponibilità (e quindi il costo minore) rispetto agli elementi necessari alla produzione di bronzo. Inoltre, il ferro, una volta estratto dalla roccia, è immediatamente lavorabile tramite forgiatura, ovvero battendolo a caldo, senza necessità di fabbricare una lega, e relativamente semplice da manipolare in quanto metallo puro. In terzo luogo, si scoprì che il ferro poteva dare luce ad un nuovo materiale, che avrebbe portato ad una graduale ma inesorabile rivoluzione tecnologica, ovvero

L’acciaio

L’acciaio altro non è che una lega di ferro e carbonio (C), in cui quest’ultimo appare in piccolissime quantità (non oltre il 2.14% della massa totale), quindi agendo come un’impurità rispetto al metallo. Nonostante queste percentuali apparentemente irrisorie, il ruolo del carbonio è determinante nel definire le proprietà del materiale, in quanto queste impurità agiscono sulla struttura spezzando la simmetria del reticolo atomico e creando così le condizioni per la formazione di cristalliti, ovvero minuscole frazioni del materiale che mostrano diverse geometrie, anziché un’unica struttura ordinata. La distribuzione, struttura e dimensione di questi cristalliti determina poi le proprietà macroscopiche dell’intero materiale. Come vedremo a breve, la presenza del carbonio è essenziale nel permettere l’indurimento dell’acciaio e dunque il suo utilizzo come materiale per la costruzione di armi ed altri strumenti. Una concentrazione superiore di carbonio invece causa una frammentazione eccessiva di questi domini e può portare alla formazione di centri di aggregazione delle impurità, il che comporta una graduale perdita di integrità strutturale e delle proprietà metalliche della lega, originando il materiale è anche chiamato “ferraccio”, ma meglio noto come ghisa.

Produzione dell’acciaio

L’acciaio “nasce” dall’evoluzione dei metodi di estrazione del ferro dalla roccia in cui si trova naturalmente, ottenuto facendo fondere il metallo, e separandolo così dal resto del minerale, un processo che richiede fornaci in grado a superare la temperatura di fusione, ovvero 1538°C. Sebbene del carbonio possa essere incluso nel ferro disciolto, i seguenti processi di lavorazione del metallo ad alte temperature ne causano spesso la perdita, perché si lega con l’ossigeno in forma di monossido di carbonio (CO) ed anidride carbonica (CO2). Al fine di ottenere dell’acciaio vero e proprio (con almeno lo 0.05% di carbonio), e relativamente omogeneo, fu necessario utilizzare metodi che prevedessero la fusione del ferro in fornaci e/o crogioli a stretto contatto con fonti di carbonio quali il carbone, il che permise così di ottenere la tanto agognata lega. In particolare, in India fu sviluppato un processo che permise di raggiungere percentuali di carbonio e gradi di omogeneità ideali per la lavorazione di strumenti di alta qualità, portando anche alla produzione del molto ricercato acciaio wootz (in figura), rinomato per la sua durabilità (in quest’ultimo in tempi recenti si è addirittura scoperta la presenza di nanotubi di carbonio, strutture incredibilmente durevoli che potrebbero aver contribuito alle performance di questo materiale). Il tipico aspetto dell’acciaio wootz è infatti dato dall’alternanza di diverse strutture cristalline, per via del mescolamento di acciai diversi, ad alta e bassa concentrazione di carbonio, che compensano l’uno le mancanze dell’altro. Tuttavia, nella normale produzione dell’acciaio, in epoca antica era normale ottenere porzioni di materiale disomogeneo e di qualità variabile, che andavano dal ferro, all’acciaio dolce, alla ghisa. Per ottenere un acciaio con le proprietà desiderate, era dunque spesso necessaria una serie di ulteriori passi.

Lavorazione dell’acciaio

Per via della sua alta temperatura di fusione ed il rischio della perdita di carbonio, non è semplice formare oggetti finiti in acciaio per colata: pertanto, è invece necessario lavorarlo nel suo stato solido. Tuttavia, la struttura policristallina implica che cercare di lavorarlo a freddo sia non solo molto difficile per via della durezza e resilienza del materiale, ma comporti anche il rischio di causare fratture e difetti nell’integrità strutturale del pezzo. Pertanto, l’acciaio va forgiato, lavorandolo mentre è incandescente: le alte temperature non solo rendono la lega più malleabile, ma permettono anche di dislocare e modificare i cristalliti senza fratture. Inoltre, il comportamento quasi al limite tra liquido e solido della struttura metallica a temperature elevate permette un altro processo importante: la saldatura, che consiste nell’unione di pezzi separati in un unico oggetto tramite la fusione parziale delle superfici incandescenti a contatto. Questo processo divenne essenziale per la produzione di acciaio omogeneo quando materiale della qualità wootz non era disponibile: la saldatura di strati alternati d’acciaio con differente contenuto di carbonio infatti permise di distribuire meglio le strutture, ottenendo un materiale di più alta qualità, noto come acciaio Damasco (in figura, alcuni pattern). Questo può inoltre essere lavorato in varie maniere, ottenendo diversi tipi pattern non solo funzionali, ma anche esteticamente ricercati, a seconda dell’ordine e deformazione degli strati. La tecnica di saldatura a pattern è anche utile per la realizzazione di oggetti a partire da ferro meteoritico, che è spesso ricco di impurità che richiedono una riduzione in concentrazione ed una distribuzione più omogenea.

Ma come definire la qualità di un acciaio? Lo scopriremo assieme nel prossimo articolo…

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  1. Giacomo

    Ciao, complimenti per l’articolo! Non essendo un esperto di metallurgia non commento sulla parte puramente scientifica, ma da storico mi permetto di fare un paio di aggiunte:
    Giustamente hai parlato dell’acciaio Wootz, e lo hai riassunto in maniera eccelsa;
    volevo aggiungere che forme di acciaio, per lo più dolce, sono state trovate in Europa durante l’età del ferro (per es. il famoso acciaio del Norico, senza contare che buona parte delle spade celtiche di tipo La Tène B del IV-III sec. a.c. sono in acciaio dolce);
    inoltre lame con lavorazione a pacchetto, quindi damascate, sono state ritrovate in Europa durante l’età del ferro (es. la falcata di Vetulonia del VII sec. a.c., che presenta una struttura a pacchetto con una concentrazione media di 0,15-025% di carbonio negli strati con perlite e con una media di 0,05-0,07% negli strati quasi interamente in ferrite; oppure anche altre spade e foderi celtici ritrovati nella media e tarda età del ferro in giro per l’Europa).

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