Il ferro e le sue leghe.

Questo articolo é tratto dagli articoli sulla metallurgia di Baionette Librarie.

Qualche informazione di base sui metalli.

Il ferro ha iniziato a diffondersi a partire dal 1900-1400 a.C. circa fino a diventare di uso comune attorno al 900 a.C., quando già veniva impiegato per fabbricare spade, pugnali, gambali e scaglie d’armatura. Circa 150 tonnellate di ferro sono state rinvenute nel palazzo di Sargon (710 a.C.) presso Dur Sharrukin (oggi Khorsabad, vicino a Mosul in Iraq) e parte del materiale rinvenuto era formato da “acciaio” anche se non vi sono prove che all’epoca si praticasse alcun genere di tempra (quenching in inglese) per ottenere acciai invece di ferro. Anche gli antichi Greci, sebbene utilizzassero regolarmente il ferro da secoli, continuarono a fabbricare corazze ed elmetti in bronzo fino al tempo delle Guerre Persiane (V secolo a.C.). Il ferro povero di carbonio e ricco di impurità, come si poteva produrre con i metodi di fusione precedenti l’invenzione dell’altoforno, era inferiore al bronzo per durezza e resistenza alla corrosione.
Prima degli altiforni si usavano infatti fosse scavate nel terreno, per trattenere al meglio il calore, coperte da una cupola di pietre o mattoni in cui il fuoco veniva ravvivato da un mantice (forni a cupola). Questi forni permettevano di liberare il ferro dalle rocce in cui si trovava, seppur lasciando al suo interno molte scorie, ma non favorivano affatto la sua combinazione con il carbonio per formare leghe d’acciaio. E in ogni caso l’acciaio non è detto sia sempre più duro del bronzo lavorato, come vedremo dopo.
Gli altiforni alimentati a carbone permettevano una migliore combinazione del carbonio con il ferro per la produzione di ghise e acciai. I più antichi risalgono al XII secolo e la diffusione capillare degli altiforni in Europa avverrà solo nella seconda metà del XV secolo, permettendo di produrre quegli acciai duri e resistentinecessari per le armature bianche sempre più diffuse e richieste.

Cos’é la durezza?

La durezza di un metallo o di una lega è la resistenza di questi alla deformazione permanente; la durezza viene anche definita, più comunemente, come la capacità di un materiale di lasciarsi scalfire da un altro.

La durezza viene misurata tramite l’esecuzione di test appositi:

Test di durezza Brinell. Su un metallo viene applicata un pressione tramite un penetratore di forma sferica per poi misurarne il diametro dell’impronta da esso lasciata. I penetratori possono essere di 2 materiali differenti: il primo in acciaio temprato, viene utilizzato per test sotto i 350 HB, il secondo in Widia viene utilizzato per prove fino a 650 HB. Per misurazioni di durezza superiore a 650 HB bisogna utilizzare la durezza Vickers. A seconda del penetratore utilizzato nella prova, l’unita di misura riportata sarà HBS per l’acciaio temprato e HBW per il Widia.

Test di durezza Vickers. Simile al precedente ma il penetratore è di forma piramidale. Indica il rapporto tra carico e superficie dell’impronta. Il vantaggio di questo test stà nella precisione della misurazione e nell’utilizzo di un unica scala per i diversi materiali, di contro è poco versatili in quanto la misurazione dell’impronta và eseguita al microscopio.

Test di durezza Rockwell. Si realizza con penetratori di forma o conica con punta sferica (realizzati in diamante) oppure sferica (realizzati in carburo di tungsteno). Esso avviene secondo più stadi successivi di carico. La durezza è determinata in base alla deformazione elasto-plastica del materiale in esame. Al pezzo di cui si intende misurare la durezza viene dapprima applicata sul penetratore una forza stabilita, dopodiché si aggiunge una ulteriore forza per un determinato lasso di tempo. Rimossa la forza addizionale viene mantenuto il carico iniziale. La profondità raggiunta é correlata alla misura di durezza. Per questo test esistono differenti scale, scelte a seconda del penetratore e della durezza del pezzo.

In questo articolo i risultati saranno espressi con la scala di durezza Vickers (VPH, Vickers Pyramid Hardness) e cioé in chilogrammi forza su millimetro quadrato. Il chilogrammo forza é un unità di misura della forza che orrisponde al peso di 1 kg sulla superficie terrestre alla latitudine di 45° a livello del mare.
Più il VPH è alto e più il metallo offre resistenza alla deformazione.

Il rame puro ha una durezza di circa 40 VPH e fonde a 1080°C. La lavorazione a freddo, tramite il martellamento o la riduzione in filo di rame, può alzare la durezza fino a 100 VPH ottenendo però una riduzione dello spessore e un corrispondente incremento della fragilità (ovvero è più facile che si fratturi quando sottoposto a una tensione).
Unire il rame con lo stagno porta progressivamente la durezza della lega di bronzo da 50 VPH (3% di stagno) a 110 VPH (10% di stagno) con la semplice unione a caldo e può essere ulterioramente incrementata con una lavorazione a freddo del bronzo fino a 270 VPH (10% di stagno).
Il ferro puro ha una durezza di 60 VPH, fonde a 1550°C e diventa più duro assorbendo carbonio, formando la lega chiamata acciaio. Se l’acciaio viene lasciato raffreddare ad aria, lentamente, la sua durezza sarà paragonabile a quella del bronzo (in base alla % di carbonio assorbito). Dopo il raffreddamento ad aria un acciaio con poco carbonio (0,2%) avrà una durezza di circa 110 VPH ed uno con un ottimo contenuto di carbonio (0,5-0,6%) arriverà a 170-180 VPH circa. Una durezza che lo pone nella fascia media del bronzo lavorato, con in più la difficoltà di ottenere un livello di carbonio alto senza disporre di un altoforno: le fornaci con la fossa producono perlopiù ferro, come già detto.
Se invece l’acciaio viene raffreddato rapidamente (quenching, tempra) si potrà ottenere una durezza tra 300 e 700 VPH in base al contenuto di carbonio.

 La tempra degli acciai.

Il ferro é un metallo, nella tavola periodica riportato come elemento chimico numero 26, e costituisce da solo il 35% circa della massa del nostro pianeta. Dal ferro di possono ottenere differenti leghe: la ghisa (carbonio dal 2 al 5%), l’acciaio (dallo 0,1% di carbonio al 2%), acciai speciali (oltre al carbonio sono presenti altri elementi in soluzione), ossido di ferro(magnetico, usato per i dispositivi di memorizzazione). Del ferro esistono tre forme allotropiche (allotropia é la proprietà di un materiale di esistere in diverse forme), causate dalla dilatazione termica:

Reticolo cubico a corpo centrato (ferro alfa e delta)	Reticolo cubico a facce centrate (ferro gamma

Il ferro alfa esiste fino a temperature di 910°C e presenta un reticolo cubico a corpo centrato(un atomo di ferro all’interno della struttura cubica del cristallo).
Il ferro gamma esiste dai 910°C ai 1394°C e presenta un reticolo cubico a facce centrate(un atomo di ferro al centro di ogni faccia della struttura cubica del cristallo).
Il ferro delta esiste dai 1394°C ai 1538°C e presenta un reticolo cubico a corpo centrato(identico al ferro alfa ma il lato della struttura è di misura maggiore rispetto al ferro alfa).

Da queste tre forme allotropiche si ottengono tre diverse soluzioni interstiziali con il carbonio:

Ferrite alfa (carbonio in ferro alfa)
Austenite (carbonio in ferro gamma)
Ferrite delta (carbonio in ferro delta)

Seppure l’acciaio raffreddato ad aria sia già molto più duro del comune ferro, il vero vantaggio dell’acciaio si ottiene indurendolo ancora di più con pratiche di raffreddamento rapido (ad esempio: buttandolo subito in acqua, come si vede fare ai fabbri nei film).

Se l’austenite viene raffreddata ad aria il carbonio che si era dissolto nel ferro sopra i 900°C tornerà a riunirsi in “blocchi” formando un aggregato lamellare di ferrite (ferro poverissimo di carbonio) e cementite (un carburo di ferro, Fe3C) chiamato perlite.
La pura ferrite (in pratica purissimi cristalli di ferro) ha una durezza di 80 VPH. Naturalmente non è possibile ottenere pura ferrite con le tecnologie medievali e verrà fuori invece un metallo più o meno ricco di scorie (slag in inglese, un materiale fragile simile al vetro) e di tracce di altri elementi dissolti nella ferrite, la cui durezza varierà tra i 100 e i 180 VPH. La presenza di cementite (carburo di ferro) rende la perlite ancora più dura, in base al livello di carbonio, permettendo di ottenere durezze tra 180 VPH (0,2% C) e 260 VPH (0,6% C).

Se l’austenite viene raffreddata più rapidamente di quanto avvenga in aria (trattamento di tempra, di norma tempra di soluzione) si può evitare la condizione di equilibrio che porta il carbonio a riaddensarsi in cementite e si possono ottenere di conseguenza dei cristalli differenti.
Si può ottenere la perlite globurale, in cui cementite e ferrite si uniscono in strutture sferiche, oppure la bainite, ferrite circondata di cementite in forma aciculare che la rende più dura della perlite, o perfino la martensite, un acciaio durissimo di struttura tetraedrica ottenibile solo con un brusco raffreddamento che “congeli” l’acciaio in una forma molto simile a quella austenitica, ovvero con il carbonio mischiato uniformemente al ferro senza, usando un linguaggio terra-terra, “grumi”.
La dimensione dei cristalli che formano il metallo è importante dato che i piccoli cristalli si deformano con maggiore difficoltà e quindi una “granularità” più fine aumenta considerevolmente la durezza dell’acciaio.

La rapidità del raffreddamento, le dimensioni dell’oggetto e la quantità di carbonio presente nell’austenite determinano il tipo di cristalli che si otterranno. Immergere l’austenite nell’acqua solitamente porta a un raffreddamento così rapido (full quenching) da formare una struttura di sola martensite di durezza fino a 800 VPH (0,6% C) e oltre. Raffreddare il metallo in olio, nel piombo liquido (che lavoro salubre: facciamo tutti “ciao ciao” al saturnismo…) o in altre sostanze determina un raffreddamento meno brusco (slack quenching) e l’acciaio risultante sarà composto da una combinazione di perlite, bainite e martensite con una durezza tra i 300 e i 400 VPH in base alla composizione.
Lo slack quenching era frequentemente praticato nel Medio Evo (le sostanze usate nella soluzione di tempra facevano parte dei segreti degli armaioli) mentre ormai è evitato e si pratica solo il full quenching, che avviene di norma in semplice acqua per gli acciai al carbonio.

foto al microscopio elettronico che evidenziano la struttura di vari tipi di acciaio :

Il problema della martensite eccessivamente dura sono le tensioni interne che potrebbero rendere l’acciaio fragile causando delle microfratture. Per aumentare la resistenza all’impatto dell’acciaio è necessario sottoporlo a rinvenimento (tempering in inglese), ovvero scaldarlo di nuovo (al massimo fino a 700°C) e raffreddarlo di nuovo in modo da rimuovere gli stress interni. Il rinvenimento può portare al peggioramento dell’acciaio, in particolare negli acciai al carbonio che nella fase del riscaldamento a 250-400°C possono cadere vittime di una fragilità irreversibile (a meno di non rifondere d’accapo tutto). Anche nella fase dei 450-500°C gradi può avvenire un indebolimento dell’acciaio dovuto alla minore coesione intercristallina, la malattia di Krupp, ma è un problema reversibile. In caso di problemi si può sempre pensare alla ricottura: riportare il metallo allo stato di austenizzazione e mentenerlo il tempo necessario a riomogenizzare il macello fatto precedentemente per poi ripartire col lavoro.

Il rinvenimento può ridurre la durezza a 400-500 VPH, ma la resistenza agli impatti dell’acciaio aumenterà notevolmente: sarà duro ed elastico. Ma non bisogna eccedere: troppi rinvenimenti possono indebolire l’acciaio, formando blocchi di cementite e rendendo la martensite meno dura perfino della perlite non temperata (a pari percentuale di carbonio).

 La resistenza alla frattura.

Abbiamo visto cosa è la durezza e come ottenerla, ma la durezza non è tutto. Anche il vetro è duro (1500 VPH circa), ma se lo colpisci si spezza più facilmente dell’acciaio di pari spessore. Se contasse solo la durezza tutti indosserebbero corazze di vetro che di certo “non si piegano sotto i colpi”, ma sappiamo che in realtà una simile corazza andrebbe in frantumi al primo impatto violento (ma senza deformarsi prima: sai che consolazione…). Quindi la durezza per quanto importante non è l’unica proprietà, come abbiamo visto parlando del rinvenimento della martensite, ma deve essere accompagnata da una adeguata resistenza alla frattura.

La resistenza alla frattura (o “resistenza alla frattura all’impatto” o “resistenza all’impatto”, fracture toughness in inglese) misura la resistenza che un materiale contenente una imperfezione offre alla rottura. Dipende da vari fattori: microstruttura del metallo, durezza, dimensione dei cristalli e presenza di scorie. I test che misurano la resistenza alla frattura totale indagano sia la deformazione plastica che la frattura elastica (un test molto comune è quello di Cottrell-Mai).

Più scorie sono presenti nel metallo (ossido di ferro, silicato di ferro magari mischiato a calcio o alluminio o altre porcherie) e più il metallo è sensibile alla frattura a causa delle aree imperfette che rendono più debole la struttura complessiva. La resistenza alla frattura di un ferro puro, senza carbonio e senza scorie (es: il ferro ARMCO), è circa 200 KJ/m2. Una presenza di scorie al 1-2% (considerata come piuttosto bassa per gli standard medievali) può abbassare fino a 170 KJ/m2 la resistenza. Con un 4,7% di scorie siamo già a 150 KJ/m2 che scende a 120 KJ/m2 al 4,7% e arriva a 28 KJ/m2 al 7,5%.

Il carbonio influendo sulla durezza influisce anche sulla resistenza alla frattura. Un ferro privo di scorie e di carbonio (il ferro ARMCO già accennato) ha una resistenza di 200 KJ/m2. Un contenuto di carbonio allo 0,1% alza la resistenza a 235 KJ/m2 che sale a 320 KJ/m2 per una presenza di carbonio allo 0,55% e raggiunge quasi i 400 KJ/m2 con lo 0,85%.