Il Segreto dell’Acciaio

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

Ferro e Acciaio: Una Storia di Metallo e Civiltà

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.

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 anche chiamato “ferraccio”, ma meglio noto come ghisa.

In realtà, nella lavorazione alla forgia del ferro, il carbonio presente nel carbone della forgia stessa va a legarsi con il ferro formando uno strato superficiale di lega ferro-carbonio. Questo significa che, in un certo qual modo, si hanno le prime armi e armature costituite parzialmente d’acciaio sin dall’età del ferro!

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.

È importante sottolineare che pensare che, nell’antichità, si usasse come materiale di partenza il ferro puro è un’imprecisione: la maggior parte del ferro, infatti, si otteneva dalla fusione dei minerali ferrosi attraverso una fornace, operazione che lasciava sempre delle inevitabili impurità nel metallo. Alle temperature della fornace, infatti, il ferro non si liquefà mai del tutto, ma viene in qualche modo a “colare” dalla pietra in una sostanza viscosa che si porta inevitabilmente dietro impurità della roccia d’origine.

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.

Le caratteristiche della fornace, oltre a determinare la qualità del metallo finale, limitano anche la quantità di materiale ottenibile in un singolo processo. Si tendeva, infatti, a partire da un’unica massa di metallo per costruire oggetti poiché saldare più pezzi metallici avrebbe portato a caratteristiche fisiche peggiori. Per ottenere singole masse di metallo maggiore, tuttavia, sono necessarie fornaci più grandi che richiedono a loro volta temperature maggiori non banali da raggiungere!

L’evoluzione storica delle fornaci

Nel mondo antico, l’impero romano aveva costruito delle fornaci più grandi e calde, necessarie per ottenere lamine abbastanza grandi da costituire le piastre della Lorica Segmentata: l’armatura a piastre più famosa del periodo pre-medievale e che tutti noi identifichiamo oggi come la classica protezione del legionario imperiale. Tuttavia la lenta fine dell’impero e l’abbandono di tali corazze in favore della più economica Lorica Hamata, a tutti gli effetti una cotta di maglia, portarono al disuso di tale tecnologia.

La capacità di ottenere piastre di dimensioni considerevoli tornò in auge con l’invenzione, verso la metà del ‘300 (ma diffusasi successivamente), dell’altoforno, una fornace in grado di raggiungere dimensioni e temperature capaci di fondere completamente il ferro. Oltre a permettere di ottenere agglomerati metallici di dimensioni considerevoli e molto più poveri di impurità, l’altoforno produce una lega di ferro ad alto contenuto di carbonio, chiamata ghisa.

L’acciaio di alta qualità

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, 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.

La ghisa e la sua raffinazione

La ghisa, trovandosi allo stato liquido quando esce dall’altoforno, può essere versata in uno stampo per produrre lavorati per fusione, in modo simile al bronzo. Tuttavia questo tipo di lega, pur essendo usata all’epoca per la creazione di cannoni e relativi proiettili, è inadatta alle altre armi e armature poiché troppo fragile (come vedremo dopo).

Per ottenere invece un materiale lavorabile e adatto a tali armamenti, la ghisa veniva soggetta a un successivo trattamento di raffinazione, nella quale veniva nuovamente riscaldata in un ambiente ricco di ossigeno: in questa maniera, oltre a eliminare ulteriori scorie, parte del carbonio presente nel materiale si legava all’ossigeno formando anidride carbonica e abbandonando il metallo. Questo processo forniva come risultato una lega di ferro con percentuale di carbonio inferiore al 2%, cioè quello che noi chiamiamo acciaio!

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.

Per amor di completezza, va ricordato che nel medioevo sono state prodotte lame d’acciaio di altissima qualità ottenute battendo insieme lamine metalliche diverse in quello che è comunemente noto come “acciaio a pacchetto” o “acciaio di Damasco”. 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.

Proprietà meccaniche dell’acciaio

Due sono le proprietà meccaniche dell’acciaio che ci interessano: la sua durezza e tenacità.

Scala di Vickers

Prima di proseguire, è necessario aprire una breve parentesi su un sistema ideato per misurare la durezza di questi metalli: la scala Vickers. Si tratta di una scala di durezza misurata osservando la deformazione del materiale 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’occorrenza convertito in pascal (Pa) essendo infatti un’unità di pressione.

Durezza e struttura cristallina

La durezza è la resistenza, da parte del materiale, alle deformazioni: essa dipende sostanzialmente dal tipo di struttura che assumono gli atomi in toto all’interno del metallo.

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 presenza di carbonio è in grado di raddoppiare la durezza rispetto al ferro ricco di scorie ottenuto mediante la fornace. La rottura della simmetria dovuta alla presenza del carbonio 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%).

Tempra e durezza

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.

Nel medioevo era uso comune una tempra non rapidissima in grado di formare un acciaio duro 3-4 volte il ferro ottenuto dalla fornace: è possibile invece temprare rapidamente il metallo, formando un acciaio estremamente duro, fino al doppio del precedente. 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.

Fragilità e tenacità

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.

Tuttavia, questo tipo di tempra rischia di rendere l’acciaio fragile ed è dunque inadatto ai nostri scopi. Ma cos’è la fragilità? Un materiale si dice fragile se è facile spezzarlo: l’esempio classico di materiale duro e fragile è il vetro, che è difficilissimo da deformare ma si rompe con facilità. La capacità di resistere alla rottura di un materiale è detta tenacità ed è la caratteristica più importante per le armature: infatti la tenacità di un metallo definisce quanta energia è necessaria per perforare o spezzare il materiale.

Rinvenimento e tempra differenziale

Il primo metodo per ovviare al problema della fragilità, 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 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 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.

Conclusione

La storia del ferro e dell’acciaio è una storia di innovazione continua, dall’età del ferro antica all’invenzione dell’altoforno medievale, dalle tecniche di tempra giapponesi agli acciai legati moderni. Ogni progresso nella lavorazione metallurgica ha permesso lo sviluppo di nuove tecnologie, armi più efficaci e armature più resistenti, dimostrando come la comprensione delle proprietà dei materiali sia stata e rimanga fondamentale per il progresso umano.

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