O papel-chave das impurezas nas antigas lâminas de aço de Damasco: J.D. Verhoeven, A.H. Pendray, e W.E. Dauksch
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Introdução
A secção
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e foram ambos aparentemente produzidos pela primeira vez cerca de
este artigo centra-se no segundo tipo de aço de Damasco, por vezes chamado “
imagens detalhadas de muitas espadas de Damasco wootz deste tipo são apresentadas no livro de Figiel e a metalurgia destas lâminas é discutida no livro de Smith.
br>br>Felizmente,
reprodução bem sucedida das lâminas de Damascus wootz exige que as lâminas produzidas correspondam à composição química, possuam o padrão de superfície Damascene característico e tenham a mesma microestrutura interna que dá origem ao padrão de superfície.
AÇODAMAS
Aço Wootz foi produzido como lingotes com cerca de 2,3 kg, vulgarmente conhecidos como bolos, que são solidificados num cadinho fechado. Tratava-se de um aço de ferro relativamente puro com 1,5% de carbono. Os bolos foram enviados para Damasco, Síria, onde os cortadores aprenderam a forjá-los em espadas com um belo padrão de superfície. O nível de carbono hipereutectóide nestes aços desempenha um papel fundamental na produção do padrão de superfície característico, uma vez que o padrão resulta do alinhamento das partículas de Fe3C que se formam nestes aços durante o arrefecimento. Quando os europeus ocidentais encontraram pela primeira vez estas armas com padrão, adoptaram o nome de aço Damasco. As
lâminas de Damasco Wootz com padrões de damasco da mais alta qualidade foram produzidas nos séculos XVI e XVII.
A microestrutura interna e a composição química destes aços foram bem estabelecidas no início deste século. A microestrutura interna de uma lâmina de Damasco com um padrão de superfície Damasceno de alta qualidade é uma microestrutura metalúrgica única. Consiste em bandas de pequenas partículas de Fe3C (cimento) (geralmente cerca de 6 mm de diâmetro) agrupadas ao longo da linha central da banda. As bandas têm um espaçamento característico na gama de 30-70 mm e estão contidas numa matriz de aço. A estrutura da matriz de aço varia consoante a forma como o ferreiro tratou a lâmina com calor, mas é geralmente encontrada como sendo perolita. As tiras correm paralelamente ao plano de forjagem das lâminas. Ao manipular o ângulo da superfície da lâmina em relação ao plano das tiras, o ferreiro pode produzir uma variedade de padrões convolutos de intersecção das tiras com a superfície da lâmina. Durante o polimento e a gravação, as partículas de Fe3C fazem com que as bandas apareçam brancas e a matriz de aço quase preta; assim, o padrão de superfície é criado.
p>Reprodução de Lâminas de Damasco Wootz
Trabalhos recentes desenvolveram uma técnica para produzir lâminas que correspondem à melhor qualidade de lâminas de Damasco Wootz, tanto na aparência da superfície como na microestrutura interna. A figura 1 mostra uma lâmina recentemente fabricada por um dos autores, A.H. Pendray, mostrando o padrão característico da superfície damascada. Foi especialmente preparada para incluir o famoso padrão da escala Mohammedan que aparece em muitas espadas e lâminas de museu de alta qualidade. O padrão circular entre as escalas é frequentemente referido como o padrão da rosa, e por vezes é também encontrado em lâminas de museu de alta qualidade.4 Uma secção longitudinal de uma peça adjacente desta lâmina é também mostrada, o que ilustra as faixas alinhadas de partículas de cimento aglomerado típicas de lâminas de museu de alta qualidade.
Foi recentemente publicada uma descrição detalhada do processo de produção desta lâmina.14
Além disso, a técnica foi descrita em pormenor na literatura,15-17 e foi demonstrado que lâminas com padrões damascenos de alta qualidade podem ser produzidas repetidamente utilizando esta técnica. A técnica é, na sua essência, uma réplica simples do método geral descrito por investigadores anteriores. Um pequeno lingote de aço com a composição correcta (Fe + 1,5C) é produzido num cadinho fechado e depois forjado na forma de uma lâmina. No entanto, alguns factores-chave são agora especificados. Estes incluem o registo do tempo/temperatura da preparação do lingote, a temperatura das operações de forja, e o tipo e nível de composição dos elementos de impureza no aço Fe + 1,5C. Parece que o factor mais importante é o tipo de elementos de impureza no lingote de aço. Trabalhos recentes17-18 mostraram que as bandas de partículas aglomeradas de Fe3C podem ser produzidas em lâminas através da adição de quantidades muito pequenas (0,03% ou menos) de um ou mais elementos formadores de cádmio, tais como V, Mo, Cr, Mn e Nb. Os elementos vanádio e molibdénio parecem ser os mais eficazes para causar a formação de bandas. Estes resultados levantam uma questão óbvia: estão estes elementos também presentes em pequenas quantidades nas lâminas de Damasco do século 16-18?
Um grande problema na realização de experiências científicas sobre o aço de Damasco wootz é a impossibilidade de obter amostras para estudo. Tal estudo exige que as lâminas sejam cortadas em secções para exame microscópico, e pequenas quantidades devem ser sacrificadas para análise química destrutiva. Um exemplo raro da doação de lâminas de Damasco de qualidade de museu à ciência para estudo é relatado no artigo de Zschokke de 1924.13 Um famoso explorador e coleccionador, Henri Moser, reuniu uma colecção de cerca de 2.000 lâminas de Damasco e doou duas adagas e quatro espadas a Zschokke para estudo. A colecção Moser está agora em exposição no Museu Histórico em Berna, Suíça, e as restantes peças das quatro espadas do estudo de Zschokke são aí guardadas. Recentemente, Ernst J. Kläy do Museu de Berna doou uma pequena amostra de cada espada para estudo posterior.
Este artigo apresenta os resultados de um estudo destas quatro amostras. Além disso, quatro outras lâminas de Damasco, todas com algumas centenas de anos, foram adquiridas e estão incluídas. Assim, todas as lâminas aqui estudadas têm mais de dois séculos e foram provavelmente feitas de aço wootz. Estas lâminas são referidas como “verdadeiras lâminas de Damascus wootz” para as diferenciar das lâminas de Damascus wootz reconstruídas de acordo com a técnica desenvolvida pelos autores.
espadas de Zschokke
br>Zschokke identificou as quatro espadas no seu estudo como 7-10 espadas, e o mesmo código é usado aqui. As espadas tinham uma largura original de cerca de 30 mm. As amostras fornecidas tinham aproximadamente 18 mm de largura por 88 mm de comprimento e continham o fio de corte. A superfície das amostras foi retocada por polimento com papel SiC fino e depois gravura em cloreto férrico. O contraste da superfície da amostra foi realçado pela aplicação de cloreto férrico por fricção repetida a partir de um pano. A figura 2 mostra as macrografias das quatro amostras de sabre; o sabre 9 mostra o padrão mais distinto.
Cortaram-se pedaços de uma extremidade de cada amostra com uma serra de diamante fino. Um comprimento de 2 cm foi cortado para estudos de análise química, e uma amostra de 8 mm de comprimento foi utilizada para análise da microestrutura. As análises químicas foram realizadas por espectroscopia de emissão numa máquina calibrada da Nucor Steel Corporation. A tabela I mostra as análises químicas, juntamente com os valores comunicados pela Zschokke. O acordo entre as análises efectuadas por Zschokke em 1924 e os dados actuais é razoavelmente bom.
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87
65
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41
34
79
73
Sword 8 is hypoeutectoid and therefore cannot be a true Damascus wootz steel, as these steels will not form Fe3C particles on cooling. O exame metalográfico confirmou esta expectativa e revelou que o padrão de superfície observado nesta espada (Figura 2) era devido a bandas de ferrite numa matriz de perlite. Portanto,
esta espada não será considerada uma verdadeira espada de Damasco na seguinte discussão.
Micrografias da superfície e secções transversais das outras três espadas são mostradas na Figura 3. Os micrografos de superfície são, de facto, secções de pico através das bandas vistas nos micrografos da secção transversal, e, como esperado, as larguras das bandas são alargadas nas vistas de superfície.
Quadro II apresenta um resumo das observações microestruturais dos aços. As três espadas de Damasco mostram todas espaçamento de bandas na gama de 40-50 mm. A espada 7 contém bandas de grafite que não são mostradas nos micrografos. A espada 10 contém uma mistura de partículas grandes e pequenas nas bandas. A Espada 9 tem as bandas mais distintas nos micrografos e também parece dar o padrão damasceno mais atractivo (Figura 2). As bandas são as mais distintas porque esta lâmina contém a menor quantidade de partículas de Fe3C que se encontram entre as bandas de carboneto. É interessante notar, no entanto, que Zschokke avaliou a qualidade damascena das quatro espadas e relata que a espada 10 é “a mais bela e valiosa das quatro”. Três outras lâminas de qualidade museológica foram seccionadas8 e as faixas de carboneto parecem semelhantes à espada 9, sendo mais distintas do que nas espadas 7 e 10 e sem as grandes partículas cimentadas da espada 10.
br> os dados de dureza C foram levados ao longo da linha central das secções transversais das quatro espadas a fim de as caracterizar mais completamente. Foi encontrada uma grande variação na dureza, que é apresentada no Quadro II. A dureza está correlacionada com a microestrutura da matriz. A estrutura matricial das lâminas sofreu uma transição de perlite na extremidade fina para uma ferrite etectóide divorciada + cimentício na extremidade gorda (espessura = 3-4 mm). Estas estruturas são consistentes com estudos cinéticos recentes da reacção eutectóide em aços hipereutectóides.19-20 Os estudos mostram que em aços bifásicos (austenite + Fe3C), a transformação divorciada de eutectóides (DET) domina a taxas de arrefecimento lentas e a reacção de perlite domina a taxas de arrefecimento mais elevadas; a DET é favorecida à medida que a densidade de partículas de Fe3C na austenite transformadora aumenta. Assim, as microestruturas matriciais indicam que as lâminas foram arrefecidas a ar com perlite dominando perto da aresta de corte de arrefecimento mais rápido. A dominância da estrutura matricial DET em espadas 7 e 10 resulta provavelmente da maior quantidade de Fe3C interband presente nestas espadas.
.
Rc = 8, DET matrix*
Rc = 9, DET matrix*
Rc = 5, matriz DET*
Devido ao valor histórico único destas lâminas, foi realizado um estudo bastante cuidadoso para caracterizar a morfologia das partículas de carboneto que compõem as bandas que deram origem aos padrões damascenos. As faces dos espécimes de 2 cm de comprimento utilizados para análise espectrográfica das emissões foram montadas e polidas e gravadas picradas. Estas faces, juntamente com as secções transversais e longitudinais das espadas preparadas com metalografia semelhante, foram então examinadas com uma câmara digital de alta resolução. Foi utilizado software de análise de imagens para determinar a área média da superfície, o diâmetro máximo e o diâmetro mínimo das partículas de Fe3C (Quadro III). Foram examinadas três regiões para cada medição relatada. Foi determinada uma média das 20 maiores partículas não ligadas num campo de amostra de 500-600 partículas em cada região, e a tabela apresenta a média das três medições médias. Os resultados apresentam uma medida quantitativa da anisotropia em forma de partícula, que é aparente na Figura 3.
Em espadas 7 e 10, as partículas são predominantemente em forma de placa, com a direcção fina alinhada no plano de forjamento das lâminas da espada. Portanto, a superfície das partículas na face da espada é geralmente maior do que nas secções. O desvio padrão dos dados foi sempre na ordem dos 20-25%, de modo que as diferenças de área de superfície nas três faces são problemáticas, enquanto as diferenças de diâmetro mínimo e máximo são significativas. Para as lâminas 7 e 10, a relação de aspecto máximo/mínimo das partículas é em média de cerca de três nas secções transversais e longitudinais e cerca de duas nas faces da espada. As proporções são ligeiramente inferiores para a lâmina 9, reflectindo a forma mais globular das partículas e a observação de que as partículas oblongas não têm as suas faces largas bem alinhadas no plano de forjamento, como é o caso das lâminas 7 e 10.
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>corpo>
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6
69
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6
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9
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1,300
590
640
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0
30
As partículas grosseiras na lâmina 10 têm uma área de superfície significativamente maior na face da lâmina e pode esperar-se que melhorem o padrão damasceno. Este melhoramento não foi encontrado na amostra repolhida para este estudo. No entanto, é difícil tornar a matriz escura nas lâminas 7 e 10 devido à grande quantidade de ferrite produzida pela estrutura DET da matriz nestas lâminas. Com gravura picral, as superfícies das lâminas mostram um padrão muito fraco devido a este problema, em oposição a um padrão brilhante na lâmina 9 com a sua matriz de pérolas. Com o cloreto férrico a roçar gravura, a matriz é mais escura, mas ainda não tão escura como a lâmina 9, como mostra a figura 2. É possível que Zschokke, que tinha retocado as lâminas para o seu estudo de 1924, tenha utilizado uma técnica de gravura superior que permitiu que a matriz DET da lâmina 10 fosse gravada mais escura e assim produzisse bandas mais distintas, levando à conclusão de que o seu padrão damasceno era superior ao da lâmina 9. Quatro lâminas de Damasco de Wootz A fim de obter uma melhor amostragem estatística do nível de elementos de impureza em lâminas de Damasco de Wootz verdadeiro, foram analisadas quatro lâminas adicionais. Três das lâminas tinham sido estudadas anteriormente, com vistas transversais mostrando bandas bem alinhadas de partículas de Fe3C com uma morfologia semelhante à da Espada 9. Além disso, as superfícies de todas as lâminas apresentavam excelentes padrões damascenos. As três lâminas foram identificadas como Voigt,21 Figiel,8 e Old B.15 Todas as três foram reanalisadas para este estudo no mesmo espectrómetro de emissão utilizado para as espadas Zschokke. Os resultados das análises, juntamente com as análises completas das quatro espadas Zschokke, são apresentados no Quadro IV.
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