Il segreto dell’Acciaio (parte II) – Materiali Bellici

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Questo è il secondo articolo di una serie: trovi qui il primo articolo di questa serie.

Scala di Vickers

Nel precedente articolo, abbiamo introdotto rapidamente la natura del ferro e dell’acciaio.
Prima di proseguire, è necessario aprire una breve parentesi su un sistema ideato per misurare la qualità di questi metalli: la scala Vickers.
Si tratta di una scala di durezza misurata osservando deformazione del materiale a seguito dopo averlo compresso con una punta di diamante piramidale.
L’unità di misura è Vickers Pyramid Hardness (VPH), ed è definita dal rapporto tra la forza F applicata e l’area A del solco lasciato dal diamante nel materiale: il valore in VPH dunque equivale a kgf/mm2, e può essere all’occorenza convertito in pascal (Pa) essendo infatti un’unità di pressione

Tempra e durezza

Come abbiamo detto, l’acciaio è piuttosto duro e poco malleabile a temperatura ambiente, il che lo rende un ottimo materiale perfetto per creare oggetti che devono sostenere un certo sforzo.
Esso è particolarmente utile per la produzione di lame, poiché la durezza è strettamente legata alla capacità di mantenere un filo tagliente anche dopo l’uso, in virtù della minor propensione a deformarsi: non stupisce dunque la sua popolarità nella produzione di armi bianche.
Tuttavia, l’acciaio lavorato a caldo e lasciato raffreddare autonomamente in aria non raggiunge durezze estreme: il ferro puro si ordina in cristalli di ferrite, con legami relativamente deboli, che può raggiungere una durezza tra i 100 e 180 VPH.
La rottura della simmetria dovuta alla presenza del carbonio invece porta l’acciaio “dolce” a formare la cosiddetta perlite, una struttura composita di ferrite e carburo ferroso (Fe3C, o cementite), la cui durezza oscilla in genere tra 180 VPH (0.2% di carbonio) e 260 VPH (0.6%).
Per sfruttare al meglio le potenzialità dell’acciaio è necessario aggiungere il processo di tempra, che consiste nel portare il materiale oltre la temperatura critica di circa 900°C, dove la lega perde le sue proprietà ferromagnetiche, per poi raffreddarla violentemente senza dare il tempo al reticolo di rilocarsi come prima, effettivamente “congelando” la struttura. Il principale cristallo di un’arma temprata è la martensite, che arrivava a raggiungere durezze di 300-400 VPH (e con processi moderni anche 800 VPH!) a seconda della quantità di carbonio.
Il metodo di tempra consiste nell’immergere immediatamente l’acciaio incandescente in acqua o olio, causando la rapida dissipazione di calore: questo processo viene spesso preceduto da alcuni cicli di riscaldamento e raffreddamento lento in aria, detti cicli di normalizzazione, che causano una ricombinazione graduale del reticolo, eliminando degli eventuali difetti nella struttura di perlite causati dalla forgiatura: questo eviterà che la martensite si organizzi in domini macroscopici, aumentando la fragilità dell’intero pezzo.
A questo punto però, per quanto l’acciaio temprato sia ottimo per mantenere una lama affilata, non è adatto a strumenti di una certa taglia, specialmente armi che devono sostenere un certo grado di impatti: la martensite infatti è sì molto dura, ma è anche immensamente più fragile, cioè più propenso a spezzarsi, dell’acciaio dolce, che invece tende a piegarsi.

Rinvenimento e tempra differenziale

Il primo metodo, detto rinvenimento, consiste nel ridurre la fragilità dell’acciaio dopo la tempra, riportando il materiale in prossimità di 700°C, e lasciandolo raffreddare liberamente come nei cicli di normalizzazione di cui abbiamo già parlato.

Questo permette alla struttura di ricombinarsi a formare cristalliti più piccoli che comprendono sia martensite, sia perlite e altre geometrie, il che riduce in parte la durezza dell’intero oggetto, ma in cambio lo rende di gran lunga più resistente a sforzi ed impatti, ed elastico, permettendogli di deformarsi per poi tornare alla sua forma originale senza modifiche permanenti. Questo processo è stato alla base della produzione di acciaio armonico, e dell’intero sviluppo metallurgico europeo dal Medioevo in poi.

Un altro metodo di ovviare al problema della fragilità della martensite è la cosiddetta tempra differenziale. Il processo consiste nel far subire la tempra solo ad una porzione dell’acciaio, mantenendo il restante a durezza bassa anziché raffreddare bruscamente l’intero oggetto. In questa maniera, la parte temprata potrà mantenere una durezza (e quindi un’affilatura) molto elevata, mentre la parte in perlite fungerà da “cuscinetto”, assorbendo gli eventuali urti per evitare la frattura della lama. A differenza dell’acciaio armonico, oggetti temprati in questa maniera manterranno eventuali deformazioni, ma questo eviterà che si frammentino o spezzino, dando così la possibilità di ripararli se danneggiati. Uno dei metodi più noti di tempra differenziale fu sviluppato in Giappone, e consisteva nel ricoprire la parte che doveva restare “morbida” in argilla, in modo da trattenere meglio il calore mentre la parte scoperta veniva raffreddata in acqua. Questa è la ragione per cui lungo la lama delle armi da taglio nipponiche si può vedere il cosiddetto hamon, che altro non è che il risultato visivo dell’interfaccia tra l’acciaio temprato del filo e quello dolce del dorso della lama.

L’uso di rinvenimento o tempra differenziale, come si può intuire, informa dunque il design dello strumento stesso, in primo luogo perché il secondo metodo in particolare è più adatto a lame monofilari che a doppio filo. Inoltre, mentre l’acciaio armonico in genere richiede una materia prima di buona qualità in partenza, la tempra differenziale può essere usata per confinare il materiale migliore sulla lama, dove è importante mantenere la durezza e consistenza della lega, mentre quello meno pregiato può essere svolgere senza problemi la suddetta funzione di ammortizzatore meccanico. 

Acciai ed altre impurità

Oltre al carbonio, la matrice ferrosa può ospitare numerose altre impurità che vanno a modificare le proprietà del materiale. Gran parte di queste, specialmente quando appaiono in quantità disomogenee e incontrollate, possono causare una degradazione dell’integrità strutturale e delle proprietà meccaniche del pezzo, ed infatti questo è uno dei maggiori problemi della lavorazione di alcuni tipi di acciaio come quello meteorico.

Tuttavia, quando presenti in quantità adeguate, queste impurità forniscono proprietà favorevoli alla lega a seconda delle necessità (va però specificato che il buon controllo su queste impurità è possibile con mezzi moderni, ma più difficoltoso con tecnologie antiche). Ad esempio, il nichel (Ni) è molto popolare per migliorare l’elasticità dell’acciaio; inoltre la colorazione più chiara lo rende uno dei più popolari nella fabbricazione di Damasco, grazie al buon contrasto con altri tipi di acciaio. Leghe di ferro e nichel (FeNi o NiFe) sono inoltre tra le più comuni rinvenute nei meteoriti ferrosi.

Un altro elemento comunemente usato per modificare le proprietà dell’acciaio è il tungsteno, che ne aumenta durezza e resistenza all’usura, al costo di renderlo però meno resistente agli impatti. Allo stesso modo, il rame (Cu) è utilizzato per produrre un acciaio con maggiore resistenza. Infine, come non citare il celeberrimo acciaio Inox, resistente all’ossidazione grazie al contenuto di cromo.
Tutte anche queste impurità tuttavia ne compromettono la tenacità, il che li rende poco adatti a strumenti, particolarmente quelli di grossa taglia, che devono resistere ad urti e sforzi improvvisi (come ad esempio le spade). Ne consegue dunque che, a parte leghe di nichel e salvo casi particolari e costosi ottenuti con tecnologie contemporanee, il caro vecchio acciaio al carbonio sia l’opzione migliore per le armi bianche.

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