Superplasticità Acciaio Wootz

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Superplasticità Acciaio Wootz

Messaggioda Aldebaran » 19/06/2012, 12:50

"Abstract"

In questo articolo verrà descritto lo sviluppo dell'acciaio indiano "Wootz". Wootz è la versione anglicizzata di "ukku" che nelle lingue degli stati di Karnataka e Andhra Pradesh, denota l'acciaio. L'acciaio dalla parte meridionale del subcontinente indiano è stato esportato in Europa, Cina, mondo arabo e del Medio Oriente.

Anche se è un materiale antico,il Wootz ha delle peculiarità di un materiale avanzato, dal momento che possiede proprietà ultra-elevate di un acciaio al carbonio con aggiunta di superplasticità e durezza ad alto impatto.Dominò per un millennio in tre continenti, un risultato difficilmente superato da materiali avanzati dell'epoca attuale.

Wootz merita un posto negli annali della scienza occidentale grazie allo stimolo fornito dallo studio di questo materiale nei secoli 18 ° e 19 e ai moderni progressi metallurgici, non solo nella metallurgia del ferro e dell'acciaio, ma anche allo sviluppo della metallurgia fisica in generale e in particolare metallografia.

Descriveremo alcuni dei recenti esperimenti di studio sul Wootz per ri-costruirne la composizione, la microstruttura e il comportamento meccanico, insieme ad alcune recenti evidenze archeologiche.

Wootz, acciai ad alto contenuto di carbonio, India del Sud, superplasticità, crogiolo, analisi

1. Introduzione

L'India era rinomata per il suo ferro e l'acciaio sin dai tempi antichi. Fonti letterarie indicano che l'acciaio dal sud dell'India è considerato anche uno dei migliori al mondo ed è stato esportato nell' antica Europa, Cina, mondo arabo e del Medio Oriente. Gli studi sul Wootz indicano che si tratta di una lega di acciaio ad alto contenuto di carbonio ( 1-2% ) e fu usato per le lame in Damasco .L'acciaio Wootz ha anche stimolato gli sviluppi di studi metallografici moderni e si qualifica anche come un materiale avanzato.Infatti secondo la terminologia moderna tale acciaio mostra proprietà di super-plasticità . Questo articolo passa in rassegna alcuni di questi sviluppi.

2. Storia dell'acciaio Wootz.

Ci sono numerosi riferimenti letterari sull'acciaio Indiano provenienti da fonti del Mediterraneo tra cui una ai tempi di Alessandro (3 ° sec. A.C.) in cui si afferma che gli erano stati venduto 100 talenti di acciaio indiano,( menzionato da Pant [1]). Bronson [2] ha trovato piu' riscontri sul ferro e l'acciaio indiano nelle fonti greche e romane che suggeriscono l'esportazione di ferro e acciaio di alta qualità dall'antica India. Srinivasan [3], Biswas [4] e Srinivasan e Griffiths [5] hanno sottolineato che le prove archeologiche della regione del Tamil Nadu indiano suggeriscono che il processo di acciaio al crogiolo è probabile che sia iniziato prima dell'era cristiana. Zaky [6] ha sottolineato che furono gli Arabi che presero il Wootz in lingotti di acciaio e di coseguenza a Damasco si sviluppò una fiorente industria per fare armi e armature di questo acciaio, da qui la sua fama. Nel 12 ° secolo l'arabo Edrisi affermò che gli Indù eccellevano nella produzione di ferro e che era impossibile trovare qualcosa che superasse il taglio delle lame in acciaio indiano, e disse anche che gli indiani avevano officine dove furono forgiate le sciabole migliori del mondo. Anche Egerton sottolineò la propensione degli arabi ad elogiare le lame indiane [7].

Diversi viaggiatori europei, tra cui Francis Buchanan [8] e Voysey [9] a partire dal 17 ° secolo studiarono la produzione di acciaio nel sud dell'India partendo da un processo a crogiolo.Dal 1600 decine di migliaia di lingotti Wootz venivano barattati sulla costa Coromandel in Persia. Questo indica che la produzione di acciaio Wootz era già attuata su su scala quasi industriale antecedentemente allla rivoluzione industriale in Europa.

In India fino al 19 ° secolo le spade e pugnali di Wootz in acciaio sono state forgiate presso i centri tra cui Lahore, Amritsar, Agra, Jaipur, Gwalior, Tanjore, Mysore, Golconda ecc. Oggi nessuno di questi centri esiste piu'.


3. Il ruolo dell'acciaio Wootz nello sviluppo della metallurgia moderna.

Gli scienziati metallografici inglesi, francesi e russi hanno sviluppato strumenti nell tentativo di documentare questa struttura. Allo stesso modo la trama acciaio di Damasco è stato uno dei primi materiali ad essere esaminata dalla microstruttura. Smith [10, 11] ha chiarito affascinante questa storiografia iniziale l'interesse per lo studio della Wootz acciaio e la sua importanza per la crescita della metallurgia.

Anche se il ferro e l'acciaio erano stati usati per migliaia di anni il ruolo del carbonio nell' acciaio come elemento dominante fu concepito solo nel 1774 dal chimico svedese Bergman Tobern, ed è grazie agli sforzi degli europei che furono svelati i misteri del Wootz. Tobern Bergman è stato in grado di determinare che le composizioni di ghisa, acciaio e ferro battuto variano a causa della composizione e al tipo di grafitizzazione del carbonio. Come suggerito da Smith [11]dopo gli studi svedesi sul Wootz c'è stato uno sviluppo alla creazione di acciaio damasco saldato.
Nei primi anni del 1800 , studiando le descrizioni dei viaggiatori europei riguardo l' acciaio al crogiolo prodotto nel sud dell'India iniziarono le ricerche e riproduzioni in Europa dei manufatti. Mushet [12] iniziò gli studi nel 1804 più tardi si uni' Michael Faraday [13]. Insieme con il coltellinaio Stodart, Faraday concluse erroneamente che le proprietà dell'acciaio erano dovute alla presenza di ossido di alluminio e silicio.Cio' si evince dagli studi pubblicati nel 1820.[15].
In seguito l'interesse per l' acciaio Damasco si trasferi' in Francia. Wadsworth e Sherby [17] hanno sottolineato che la ricerca Faraday fu di grande impatto in Francia, dove la ricerca sulle armi in acciaio prosperò nel periodo napoleonico. La lotta per capire la natura del Wootz ben si riflette negli sforzi di Breant [18] .Nel 1820 la Zecca di Parigi, condusse un numero sorprendente di circa 300 esperimenti aggiungendo una serie di elementi che vanno dal platino, oro, argento, rame, stagno, zinco, piombo, bismuto, manganese, arsenico, boro e anche l'uranio, prima che, finalmente, si giunse alla conclusione che le proprietà dell' acciaio Damasco erano dovute al carbonio. Smith [10] affermò che l'analisi di lingotti di Wootz nel 1800 hanno evidenziato che il materiale possedeva oltre 1,3% di carbonio. Un russo, Anasoff [19] aveva anche studiato il processo di fabbricazione dell'acciaio Wootz , riuscendo a far lame in acciaio Damasco dai primi anni del 1800 .
Nei primi anni del 1900 il Wootz continuò ad essere studiato come un materiale speciale e le sue proprietà sono state meglio comprese e discusse ulteriormente . Belaiew [20].

4. Indagini di superplasticità e di altre proprietà meccaniche dell'acciaio Wootz

Alcuni scienziati europei riuscirono a replicare la forgiatura del Wootz e Stodart lo usò per fare posate. Zschokke nel 1924 rilevò che il trattamento termico dell'acciaio in questione faceva si' che questi acquisisse particolari caratteristiche quali una maggiore durezza , resistenza e duttilità, (citato da Smith [10]). Nel 1918 un risultato di rilievo riguardante l' acciaio Damasco fu raggiunto da Belaiew [20], che fu probabilmente il primo ad attribuire la malleabilità del Damasco alla ricottura di coalescenza.Detta anche globulizzazione, è un processo che ha come obiettivo l'ottenimento di cementite sferoidale, operando a temperature prossime ad A1.
Da un punto di vista meccanico si ottiene un materiale simile alla ghise sferoidali: si impedisce il moto delle cricche in quanto si riduce sensibilmente l'angolo di partenza della cricca. Permette di associare alti allungamenti con buone resistenze, senza che il materiale sia eccessivamente fragile.Ciò si verifica durante la forgiatura a una temperatura al calore rosso (cioè 700-800 0 C).

Panseri [23] nel 1960 scopri' che quello che non viene omogeneizzato è il tenore degli altri elementi di lega (nickel, V, Mo, Cr ecc) i cui atomi hanno una velocità di diffusione molto inferiore rispetto a quella del carbonio.

Quindi, nel damasco bollito, la trama è dovuta all'ternarsi di strati di acciaio con uguale tenore di carbonio ma composizione chimica diversa. Quindi la trama è dovuta all alternanza di acciai con diversa temprabilità e quindi diversa struttura dopo la tempra e il rinvenimento.

Quindimentre uno strato può essere formato da sola martensite, un altro può essere formato da martensiteiù austenite residua più carburi, un altro da strutture miste, ecc.

La superplasticità è un fenomeno per cui a causa di un allungamento eccessivo non si creano fratture nel materiale . Al contrario , dei materiali più "cristallini" possono essere allungati per non più di 50-100 volte la lunghezza originaria del "pezzo". La superplasticità si verifica esponendo il materiale ad alte temperature. Per i materiali superplastici l'indice di sensibilità riguardante la velocità di deformazione (m) è elevato, essendo circa 0,5. L' ideale è m = 1 e la sollecitazione portata è proporzionale alla velocità di deformazione e il materiale si comporta come un fluido Newtoniano viscoso come il vetro caldo. La superplasticità si verifica solo sopra allo 0,3-0,4 Tm K dove Tm è il punto di fusione. Un'altra caratteristica è che, una volta iniziata la sollecitazione,per mantenere la condizione di superplasticità la quantità di energia necessaria è molto bassa. I materiali superplastici possiedono una grana ultrafine (non piu' di 5 micron).Tali materiali a grana ultrafine presentano un bordo del grano scorrevole che favoriscono i comportamenti superplastici.

Gli studi contemporanei di Wadsworth e Sherby [17] , [24] hanno evidenziato che gli acciai UHCS ( ad altissimo contenuto di carbonio,circa l'1,8%) possiedono una velocità di deformazione con un esponente di sensibilità in fase di 0,5 a circa 750 gradi centigradi. La spiegazione della superplasticità del damasco persiano è dovuta al fatto che nella microstruttura tipica di un acciaio ad alto contenuto di carbonio con il riscaldamento a determinate temperature cambi il rapporto di spessore degli strati di ferrite e cementite nella perlite che è approssimativamente di8 a 1. Lo spessore assoluto dello strato, tuttavia, dipende dalla temperatura alla quale avviene la
trasformazione isotermica. A temperature di poco inferiori a quella eutettoide si formano stratirelativamente spessi sia di fase ferrite a che di fase Fe3C. Questa microstruttura è chiamata perlite grossolana. A queste temperature le velocità di diffusione sono relativamente alte, con il risultato che durante la trasformazione gli atomi di carbonio possono diffondere percorrendo distanze relativamente lunghe: da questa lunghezza di percorso relativamente elevata deriva la formazione di lamelle spesse.Tali acciai devono essere forgiati, tuttavia, in una gamma ristretta di 850-650 Gradi Centigradi e non al calor bianco di 1200 gradi centigradi.
Inoltre, Wadsworth e Sherby [17] e Sherby [24] scoprirono che gli ultra-alta acciai al carbonio possedevano un rendimento di 800 a 1500 Mpa se avevano parecchi carburi fini di forma sferoidale,mentre i "pezzi" di damasco con carburi sferoidali piu' grossolani,possedevano rispetto ai primi una capacità di allungamento (ressitenza alla trazione) in piu' del 23% (senza rompersi).

Verhoeven [27], [28, 29] ha cercato di reinventare l'acciaio Damasco e le lame con gli esperimenti di replica sulla base di studi storici. Verhoeven [29] utilizzò un metodo per fare i lingotti, che consisteva nella fusione in un crogiolo di ferro e argilla il tutto sigillato all'interno di un forno a gas. Il lingotto veniva lasciato raffreddare in forno .il tempo di permanenza in forno era di 20-40 minuti,le temperature tra i 1440 -1480 gradi C seguito da un raffreddamento completo in forno spento.La composizione dell'acciaio era costituita dall'1,6% di C e lo 0,1% di fosforo. La composizione della carica è stato scelto per corrispondere a quello di vere e proprie lame di Damasco di circa il 1,6% e 0,1% C P.Tale percentuale di fosforo però non rendeva possibile la forgiatura,cosi' il materiale ottenuto fu scaldato nuovamente a 1200 gradi centigradi con dell'ossido di ferro.


5. L'evidenza archeologica e analitica

Alcune delle testimonianze archeologiche e di analisi per la produzione di crogiolo in acciaio è discusso che copre le indagini di Rao [30], Rao et al. [31], Lowe [32, 33], Srinivasan [3] e Srinivasan e Griffiths [5].
I dettagli del forno descritto e disegnato da Buchanan [8] indicano che i crogioli erano disposti in file di circa quindici elementi all'interno di un fossato riempito di cenere per costituire il forno che era azionato da soffietti di pellame bufalo, fissati ad una parete perforata separandoli dal forno probabilmente per minimizzare i rischi di incendio. Il fuoco era alimentato da una fossa circolare collegata al fondo del pozzo di cenere. I crogioli stessi erano conici e potevano contenere fino a 14 once di ferro, con steli e foglie. Il processo di acciaio Wootz in generale si attuava in un crogiolo chiuso .

Le indagini di Craddock [34] che il lingotto di Wootz aveva una struttura dendritica tipica del cast steel. Lowe [32, 33] studiò particolarmente bene la natura refrattaria dei crogioli che erano refrattari abbastanza per sopportare i cicli di cottura lunghi fino a 24 ore per processo. La formazione di mullite e cristobalite fu rilevata nei frammenti di crogiolo studiati da Lowe [32, 33] suggerendo che il ferro era stato ben cotoa a temperature di oltre 1300-1400 gradi .Tuttavia la maggior parte del materiale era costituito da ghisa bianca,a volte difficilmente lavorabile.Sul fondo dei crogioli pero' restava una tipica struttura corrispondente ad un acciaio ipereutettoide di buona qualità con la formazione di grani esagonali prima di austenite,poi di perlite lamellare con grano fine, con precipitati di pro-eutettoide cementite e lungo i bordi dei grani di austenite : è la classica struttura ad altissimo contenuto di carbonio, circa l' 1,5% C cui sono state effettuate le ricerche in laboratorio da parte di Wadsworth e Sherby [17}

Conclusioni

Recenti indagini sulle proprietà dell'acciaio Wootz come materiale superplastico tendono a far si che lo si consideri un materiale avanzato del mondo antico, con un solo un passato, ma forse anche con un futuro.

Riferimenti

Indian National Academy of Engineering. Srinivasan desidera ringraziare per il sostegno del British Council, New Delhi per una borsa di studio Chevening britannico per la ricerca di dottorato, e l'interesse del Dr. D. Griffiths, Institute of Archaeology, University College di Londra, il dottor JA Charles, Cambridge University, fine del Dr . CV Seshadri, fondatore-presidente, il Congresso di Scienza e Tecnologia tradizionale, e Hutti Gold Mines Ltd. per l'assistenza sul campo e con il sostegno del Homi Bhabha Research Council.
Wootz ACCIAIO: un materiale avanzato DEL MONDO ANTICO
S. Srinivasan e S. Ranganathan
Dipartimento di Metallurgia
Indian Institute of Science
Bangalore
1. Pant GN, braccia indiani e Armour, vol. I e II, National Museum, New Delhi (1980)
2. B. Bronson, La fabbricazione e la vendita di Wootz, un crogiolo di acciaio dell'India, Archaeomaterials, 1 (1986), pp.13-51.
3. S. Srinivasan, acciaio al crogiolo Wootz: un sito di produzione di recente scoperta nel sud dell'India, Papers dell'Istituto di Archeologia, University College London, Londra, 5 (1994), pp 49-61.
4. AK Biswas, ferro e acciaio in pre-moderna India-una revisione critica, Journal of History of Science, 29 (1994), pp 579-610.
5. Srinivasan S. e D. Griffiths, South Indian Wootz:. Prove ad alta acciaio al carbonio da crogioli da un sito recentemente identificati e confronto preliminare con reperti relativi a questioni materiali Arte e Archeologia-V, Materials Research Society Symposium Proceedings Series Vol.. 462, Pittsburgh, (1997), in corso di stampa.
6. AR Zaky, armi medievali arabi, islamici e Arms Armour, Londra (1979).
7. W. Egerton, indiana e orientale Armour, London (1896).
8. F. Buchanan, un viaggio da Madras attraverso i paesi di Mysore, Canara e Malabar, vol. I, II, II, London (1807).
9. HW Voysey, Descrizione della produzione nativo di acciaio in India meridionale. Journal of the Asiatic Society of Bengal, 1 (1832), pp 245-7.
10. CS Smith, A History of Metallografia, University Press, Chicago (1960).
11. CS Smith, una ricerca per la struttura, MIT Press, Cambridge (1981).
12. D. Mushet, Esperimenti su Wootz o indiano dell'acciaio, Philosophical Transactions della Royal Society, London, Ser. A. 95 (1804), p. 175.
13. M. Faraday, L'analisi della Wootz o indiano dell'acciaio, Quarterly Journal of Science, Letteratura e delle Arti, 7 (1819), pp 319-30.
14. Peter Day, Michael Faraday come scienziato dei materiali, la storia delle materie, World Materials, 1995.
15. Stodart J. e M. Faraday, sulle leghe di acciaio, Philosophical Transactions della Royal Society di Londra, Ser. A, 112 (1822), pp 253-70.
16. J. Stodart, un breve racconto di Wootz, Asiatic Journal, 5 (1818)
17. J. Wadsworth, e OD Sherby, Sulle Bulat-Damasco acciai rivisitato, Progress in Scienza dei Materiali, 25 (1980), pp 35-67.
18. JR Breant, Descrizione di un processo per produrre acciaio damascato, Ann. Philos., 8, (1824), pp 267-71.
19. P. Anassoff, On the Bulat, ristampato in Annuire du Journal des Mines de Russie, (1843), pp 192-236.
20. NT Belaiew, Damasceno acciaio, Journal of the Iron and Steel Institute, 97 (1918), pp 417-37.
21. R. Hadfield, cingalese ferro e acciaio di antica origine, Journal of the Iron and Steel Institute, 85 (1912).
22. K Barraclough, acciaio Crucible: la crescita della tecnologia, The Society Metals, London (1984)
23. C. Panseri, acciai Damasco nella leggenda e realtà, Armi Atiche, Bollettino dell'Accademia di S. Marciano (1962).
24. OD Sherby, acciaio Damasco e superplasticity, Parte I-Background, Superplasticity e genuini acciai Damasco, Parte II-saldati acciai Damasco. SAMPE Journal, 31, 4 (1995).
25. BN Ghose, J. Bhattacharya, NK Das, De RK, CSSR Krishnan e ON Mohanty, Superplasticity in leghe ferro-carbonio, Paper presentato per ICSAM-97, Indian Institute of Science, Bangalore (1997).
26. KNP Rao. Monografia inedita. Wootz-indiana crogiolo in acciaio. Una valutazione. Investigazione Scientifica di metallo antica lavorazione del rame e del ferro in Karnataka, India Institute of World Culture, Bangalore.
27. JD Verhoeven, acciaio di Damasco, Parte I: Indian Wootz Acciaio, Metallografia 20 (1987), pp 145-51.
28. JD Verhoeven, HH Baker, DT Peterson, HF Clark e WM Yater, Damascus Steel, Parte III: The Wadsworth-Sherby meccanismo, caratterizzazione dei materiali, 24 (1990), pp 205-27.
29. JD Verhoeven, Pendray AH, e ED Gibson, Wootz Damasco Lame in acciaio, caratterizzazione dei materiali 37 (1996), pp 9-22.
30. KNP Rao, Wootz-indiano dell'acciaio, Feature Crucible articolo. No.1, News Metallo, 11, (1989), pp 1-6.
31. P KN Rao, JK Mukherjee, e AK Lahiri, Alcune osservazioni sulla struttura in acciaio antica dal sud dell'India e il suo modo di produzione, Bollettino Storico di Metallurgia, 4, (1970), pp 12-4.
32. TL Lowe, solidificazione e l'elaborazione crogiolo di acciaio Deccani antica. In Trivedi, R., Sekhar, JA e Mazumdar, J. (a cura di), Principi di solidificazione e la lavorazione di materiali, Oxford e IBH Publishing, New Delhi, vol. 2, (1989), pp 639-739.
33. TL Lowe, refrattari ad alto tenore di carbonio lavorazione del ferro: uno studio preliminare di Deccani Wootz-making crogioli, In Kingery, WD (a cura di), Ceramica e Civiltà, l'American Society Ceramic, Pittsburgh, 4 (1990), pp 237 - 50.
34. PT Craddock, dell'estrazione dei metalli precoce e di produzione, Edinburgh University Press, Edinburgh (1995).
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Re: Superplasticità Acciaio Wootz

Messaggioda Aldebaran » 21/06/2012, 10:48

Essendo l'acciaio di Damasco famoso anche per la sua resistenza e la capacità di mantenere il filo, studi recenti hanno suggerito che nanotubi di carbonio (prodotti in maniera inconsapevole durante il processo) fossero inclusi nella sua struttura, il che potrebbe spiegare le sue caratteristiche meccaniche.
Chissà se questo giovane scienziato*
http://oknotizie.virgilio.it/go.php?us=71318a819841063c
potrebbe rivelarci altri particolari interessanti
gli piacciono anche i lavori manuali e questo è sito di gente "pratica".Sarebbe una figatase ci contattasse.
*Genio dei nanotubi di carbonio
Lavoro I cervelli a volte non fuggono, restano qui e si adattano, senza mollare. Come capita ad Alessandro Pace, 25enne di Bassano del Grappa, chimico per vocazione, ciabattino per passione nell'attesa che la sua invenzione sui nanotubi venga brevettata. I nanotubi di carbonio sono dei filamenti infinitesimali, utilizzabili come conduttori, duri come il diamante ma flessibili come un capello. Produrli era molto complicato e costoso, fino a che Alessandro e il team dell'università di Padova con cui ha lavorato(6 persone in tutto) non hanno inventato un sistema più semplice e quindi facilmente applicabile nell'industria: «In un altro paese le imprese si sarebbero buttate, finanziandoci per commercializzare l'invenzione. Invece da noi le aziende investono poco o nulla nella ricerca. Abbiamo dato fondo ai pochi finanziamenti pubblici e io ho insistito perchè brevettassimo il sistema, così l'Università potrà vendere direttamente il brevetto o incassare i diritti di utilizzo».
Il brevetto dovrebbe arrivare tra sei mesi e Alessandro spera così che qualche azienda lo chiami per le applicazioni. «Mi sono laureato un anno fa, ho mandato centinaia di curriculum e finora mi hanno proposto solo stage all'altro capo del paese. Nel frattempo sono andato a fare esperienza per quattro mesi da un mio amico ciabattino, mi piace molto la manualità, imparare mestieri che scompaiono». Un piano B nel caso che coi nanotubi vada male? «Certo, non si sa mai». Paola Rizzi
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