O Mistério das Lâminas de Damasco

Original article by JOHN D. VERHOEVEN traduzido do inglês de SCIENTIFIC AMERICAN – “The Mystery of Damascus Blades” p74-79

Desde a Idade do Bronze até ao século XIX, os guerreiros usavam a espada como arma. Os exércitos com versões melhores tinham abr>forte> vantagem táctica clara.

e os que tinham swords of Damascus – que os ocidentais encontraram pela primeira vez nas cruzadas contra as nações muçulmanas – teve o que alguns consideram a melhor espada de todas.

Estas lâminas, inicialmente consideradas como tendo sido feitas em Damasco (agora na Síria), tinham duas qualidades não encontradas nas variedades europeias. Um padrão ondulado, hoje conhecido como damasceno ou damasceno, decorou a sua superfície.

Uma adaga com uma lâmina de aço de Damasco, originária de Mughal India, foi feita por volta de 1585. A lâmina de qualidade é espessada perto da ponta da haste perfurante; o cabo dourado é fixado com esmeraldas e rubis.

e, mais importante, o bordo pode ser incrivelmente afiado. Diz a lenda que as espadas de Damasco podiam cortar através de um lenço de seda a flutuar no ar, um feito que nenhuma arma europeia poderia igualar.

Apesar da fama e utilidade destas lâminas, os ocidentais nunca foram capazes de descobrir como foi feito o aço – também utilizado para punhais, machados e pontas de lança.

Os metalurgista e ferreiros europeus mais bem sucedidos foram incapazes de o reproduzir, mesmo depois de trazerem espécimes para casa e de os analisarem em pormenor.

A arte da produção perdeu-se mesmo no país de origem; os especialistas concordam geralmente que as últimas espadas de Damasco de alta qualidade foram feitas o mais tardar no início dos anos 1800.

Recentemente, no entanto, um engenhoso ferreiro e eu temos, acreditamos, descobrimos o segredo.

Não somos os primeiros a reivindicar uma solução, mas somos os primeiros a prová-lo fazendo réplicas fiéis destas veneradas armas.

Para validar qualquer teoria sobre o fabrico de espadas e punhais de Damasco, as réplicas devem ser feitas dos mesmos materiais que os originais. As armas acabadas devem também ostentar o mesmo padrão de Damasco e ter a mesma estrutura química e microscópica.

What is real Damascus steel?

Damasco Genuíno são conhecidas por terem sido feitas nesta cidade – e mais tarde noutros lugares do Médio Oriente e Oriente muçulmano – de pequenos lingotes de aço (uma mistura de ferro e carbono) enviados da Índia; estes materiais de partida são chamados lingotes ou bolos wootz desde cerca de 1800.

Tem a forma de pucks de hóquei, cerca de quatro polegadas de diâmetro e pouco menos de duas polegadas de altura.

Observadores ingleses na Índia estabeleceram que as espadas de wootz de Damasco eram feitas forjando directamente estes lingotes em forma de lâmina através de numerosas operações repetidas de aquecimento e martelagem.

O aço contém cerca de 1,5% de carbono por peso, bem como baixos níveis de outras impurezas tais como silício, manganês, fósforo e enxofre.

O atraente padrão de superfície encontrado nas espadas de Damasco, no entanto, pode ser criado de outras formas. Os ferreiros modernos podem ‘forjar’ chapas alternadas de aço de alto e baixo carbono para formar um composto complexo.

Este tipo de soldadura por forja, ou “Damas forjado“, tem uma tradição no Ocidente que remonta à Roma antiga, e técnicas semelhantes são encontradas na Indonésia e no Japão.

A estrutura interna resultante destas técnicas é, no entanto, completamente diferente da das lâminas de wootz. Para evitar confusão entre os dois tipos de fabrico, chamarei lâminas soldadas por forja Corroyage Damascus e Eu reservarei o termo “wootz” Damascus para as armas de interesse neste artigo.

aramente em 1824, Jean Robert Bréant em França e, um pouco mais tarde, Pavel Ano- soff na Rússia, anunciaram que tinham conseguido romper o segredo dos ferreiros muçulmanos e afirmaram ter reproduzido os originais.

Neste século, foram propostas outras soluções, a mais recente de Jeffrey Wadsworth e Oleg D. Sherby. Mas em nenhum caso os artesãos modernos foram capazes de utilizar os métodos propostos para produzir lâminas satisfatórias com a aparência externa e estrutura interna dos originais antigos.

p>Efforts para comparar as características químicas e microscópicas das lâminas modernas de wootz com as suas homólogas mais antigas foram durante muito tempo dificultadas por um obstáculo curioso.

As armas de Damasco de qualidade museológica são objecto de arte preciosa e raramente são sacrificadas à ciência para o exame da sua estrutura interna.

Em 1924, contudo, o coleccionador europeu Henri Moser doou quatro espadas ao metalúrgico B. Zschokke, que as seccionou para análise química e microestrutural. As outras peças foram para o Museu Berne, na Suíça, o que recentemente me deu algumas delas para estudar.

mas cedo me apercebi de que precisava de trabalhar com alguém hábil na arte de forjar armas afiadas. O master ferreiro Alfred H. Pendray tinha trabalhado independentemente no puzzle de Damasco. Ele fez pequenos lingotes em um forno a gás e forjou-os em forma de lâmina, e muitas vezes tinha conseguido microestruturas muito próximas das de lâminas antigas de alta qualidade.

Começámos a colaborar em 1988. Na sua juventude, Pendray tinha aprendido o ofício de ferreiro com o seu pai e tinha uma compreensão profunda e paciente da arte de forjar aço.

Mas para replicar uma técnica, tivemos de apoiar as nossas teorias com dados científicos precisos e uma atenção rigorosa aos detalhes nas nossas experiências.

Em 1993, um dos meus alunos da Universidade Estatal de Iowa e eu fomos à Pendray Forge Shop perto de Gainesville, Florida, onde instalámos termopares e pirómetros de infravermelhos controlados por computador para registar as temperaturas dos processos de fusão e forjamento que estávamos a tentar.

No início, tentámos produzir lâminas utilizando o método proposto por Wadsworth e Sherby, mas não conseguimos obter a microestrutura interna ou os padrões damascénicos de superfície.

Então, ao longo de vários anos, desenvolvemos uma técnica que Pendray pode utilizar regularmente para reconstruir lâminas de aço damasceno wootz.

 

Também pode reproduzir o padrão conhecido como a escala Mohammedia, encontrado em alguns dos melhores exemplos muçulmanos primitivos. Neste padrão, as ondulações alinham-se num padrão tipo escada ao longo do comprimento da lâmina; pensava-se que era um símbolo de como os fiéis ascendiam ao céu.

A nossa técnica é semelhante ao método geral descrito por investigadores anteriores, mas com diferenças cruciais. Produzimos um pequeno lingote de aço de uma composição específica num cadinho fechado, e depois forjamo-lo em forma de lâmina.

o nosso sucesso – e o que nos permite ir mais longe do que os nossos antecessores – depende principalmente da mistura de ferro, carbono e outros elementos (tais como vanádio e molibdénio, a que chamamos elementos de impureza) no aço, a temperatura e tempo da queima do cadinho, e a temperatura e habilidade usadas em repetidas operações de forja.

quando examinei as preciosas amostras, descobri que continham bandas de carboneto de ferro partículas, Fe3C, conhecidas como cementite. Estas partículas são tipicamente de seis a nove microns de diâmetro, bem arredondadas e bem agrupadas em faixas espaçadas de 30 a 70 microns, que são alinhadas paralelamente à superfície da lâmina, como o grão de uma tábua de madeira.

p>Quando a lâmina é gravada com ácido, os carbonetos aparecem como linhas brancas numa matriz de aço escuro. Tal como os anéis ondulados de crescimento de uma árvore produzem os padrões característicos de ondulação da madeira cortada, as ondulações das bandas de carboneto são responsáveis pelos intrincados padrões damascenos na superfície da lâmina. As partículas de carboneto são extremamente duras e pensa-se que a combinação destas bandas de aço duro dentro de uma matriz mais macia de aço de mola dá armas damascenas arestas duras combinadas com flexibilidade resistente.

Tentei pela primeira vez combinar as microestruturas de aço damasceno dentro dos limites de um laboratório universitário.

Uma história de aço

Se tiver um aço com cerca de 1,5% de carbono, adicione um dos muitos elementos de impureza (a níveis surpreendentemente baixos, cerca de 0,03%) e submeta-o a cinco ou seis ciclos de aquecimento dentro de uma gama de temperatura específica e arrefecimento à temperatura ambiente, pode obter a formação de aglomerados de partículas de carboneto aglomerado.

são estas partículas de carboneto que produzem os padrões característicos da superfície durante a forja. Experiências em lâminas fortes e modernas mostram que a formação de bandas resulta da segregação a um nível microscópico de certos elementos impuros durante o arrefecimento e solidificação do lingote liquefeito.

Aqui está como ocorre a micro-segregação no aço. À medida que o lingote quente arrefece e solidifica, uma frente sólida de ferro cristalizado estende-se para o líquido, adoptando a forma de projecções em forma de pinho chamadasdendritos.

Em 1,5% de aço carbono, o tipo de ferro que solidifica a partir do aço líquido chama-se austenite. Nas regiões entre estes dendritos (chamadas regiões interdendriticas), o metal líquido é brevemente aprisionado.

Ferro sólido pode conter menos átomos de carbono e outros elementos que o ferro líquido. Assim, como o metal solidifica em dendritos de ferro cristalinos,< forte> os átomos de carbono e impurezas tendem a separar-se no líquido remanescente.

Como resultado, a concentração destes átomos pode ser muito elevada nas últimas regiões interdendriticas a congelar.

À medida que o ferro solidifica e os dendritos crescem, as regiões interdendriticas ficam com uma rede de átomos de impurezas congelados no lugar, como um colar de pérolas.

Mais tarde, quando o lingote sofre múltiplos ciclos de aquecimento e arrefecimento, são estes átomos de impureza que promovem o crescimento de cadeias de partículas de cimento duro que compõem as bandas mais claras do aço.

Podemos mostrar que esta rede está relacionada com as bandas claras e escuras do aço wootz. A distância entre os ramos dos dendritos é de cerca de meio milímetro, e como o lingote é martelado e o seu diâmetro reduzido, esta distância também é reduzida. O espaçamento final entre os dendritos corresponde estreitamente à distância entre as tiras em aço de Damasco.

Durante a forja, é importante obter a temperatura correcta no aço para alcançar uma mistura de austenite e partículas de cimento. Quando a temperatura do lingote cai abaixo de um ponto crítico, partículas de carboneto de ferro (as mesmas partículas de cemento que vi nas lâminas Moser) começam a formar-se.

A temperatura mais baixa acima da qual todo o aço de arrefecimento permanece austenite chama-se a uma temperatura. Em aços contendo mais de 0,77% de carbono, a temperatura A é chamada a Acm temperature. Abaixo da temperatura Acm, começam a aparecer partículas de cimento, espaçadas aleatoriamente no aço austenítico.

The trick to band formation

Damascus steel’s COOLING INGOT, a nível microscópico, tem uma frente metálica congelada que se estende até ao aço fundido, cristalizando, no início, em formações semelhantes a pinho chamadas dendritos. Átomos de elementos de impureza (em vermelho) como o vanádio separam-se rapidamente do ferro sólido nas regiões entre os dendritos, onde congelam no lugar, alinhados como contas num colar. Durante os ciclos subsequentes de aquecimento e arrefecimento, estes átomos de impurezas formam a base para o crescimento de partículas duras de carboneto de ferro (cementite), que formam as bandas claras da lâmina de Damasco. O micrográfico superior mostra faixas claras e escuras numa secção de uma espada original de Damasco. A micrografia inferior mostra uma secção da reconstrução moderna do autor. A semelhança entre as duas estruturas indica que a técnica moderna é uma réplica exacta do processo original.

Um dos principais mistérios das lâminas de Damasco de Wootz é como a simples forja de pequenos lingotes de aço na forma de uma lâmina pode fazer com que os carbonetos se alinhem em bandas distintas.

examinamos sistematicamente as secções transversais dos lingotes forjados quando os transformamos da forma de um disco de hóquei em lâmina.

Para conseguir esta mudança, nós aquecemos um lingote a uma temperatura em que o aço forma uma mistura de partículas de cimentos e austenite e depois martelamo-lo.

Enquanto o lingote estava a ser forjado, arrefeceu de cerca de 50 graus Celsius abaixo de Acm até cerca de 250 graus C abaixo de Acm. Durante este arrefecimento, < forte>a proporção de cimento particulado aumentou.

P>Pomos então o lingote a outro ciclo de aquecimento e martelagem entre as mesmas duas temperaturas. Por experiência, descobrimos que foram necessários cerca de 50 destes ciclos de forjamento para produzir uma lâmina próxima do tamanho dos originais – 45 milímetros de largura e 5 milímetros de espessura.

< forte> É assim que pensamos que o fenómeno ocorre:

Durante os primeiros cerca de 20 ciclos, as partículas duras de carboneto formam mais ou menos aleatoriamente, mas com cada ciclo adicional tendem a alinhar-se mais fortemente ao longo da rede de pontos formados nas regiões interdendriticas.

Esta melhoria explica-se pelo facto de que cada vez que o aço é aquecido, algumas das suas partículas de carboneto dissolvem-se. Mas os átomos dos elementos de impureza diminuem a taxa de dissolução, pelo que permanecem partículas maiores de carboneto.

Com cada ciclo de aquecimento e arrefecimento, estas partículas crescem apenas ligeiramente, o que explica o elevado número de ciclos necessários para formar bandas distintas. Como os elementos de impureza estão alinhados nas regiões entre os dendritos, as partículas de carboneto também se concentram ali.

< forte>

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O bom material

p>Embora há muito que suspeitamos que elementos de impureza desempenharam um papel chave na formação da banda, não tínhamos a certeza de quais eram os mais importantes.

Determinámos rapidamente que o silício, o enxofre e o fósforo, que são bem conhecidos por estarem presentes em aços wootz mais antigos, não pareciam ser jogadores importantes.

mas esta informação não resolveu o problema. Tivemos um feliz avanço quando começámos a usar metal>sorel como ingrediente para lingotes. O metal é uma liga de ferro-carbono de alta pureza contendo 3,9-4,7% de carbono, produzido de um grande depósito de ilmenite no Lago Tio no Rio St Lawrence no Quebec.

O depósito de minério contém vestígios de vanádio; por conseguinte, o metal Sorel contém uma impureza de vanádio de 0,003 a 0,014 por cento.

No início não considerámos esta impureza porque não podíamos acreditar que uma concentração tão baixa fosse significativa. Mas acabámos por nos aperceber (após dois anos a esbarrar numa parede de tijolo) que mesmo as concentrações baixas poderiam ser significativas. A adição de vanádio em quantidades tão pequenas como 0,003% a ligas de ferro-carbono de alta pureza deu-nos uma boa rolagem.

forte> forte>molibdénio também produz o efeito desejado e, em menor medida, crómio, nióbio e manganês. Os
elementos que não promovem a formação de carboneto e bandas são o cobre e o níquel.

A microanálise da sonda de electrões confirmou que os elementos eficazes, quando apresentam apenas 0,02% ou menos em lingotes, são microregregregados em regiões interdendriticas e tornam-se lá muito mais concentrados.

Para verificarmos a nossa conclusão de que as bandas resultam da micro-segregação dos elementos de impureza levando à micro-segregação das partículas de cimento, realizámos experiências destinadas a mostrar que, se nos livrássemos da micro-segregação dos átomos de impureza, poderíamos livrar-nos das bandas.

Pegámos em pequenos pedaços de lâminas antigas e modernas com bandas agradáveis e aqueceu-as a cerca de 50 graus C acima da temperatura Acm. A esta temperatura, todas as partículas de carboneto de ferro dissolvidas na austenite.

ensopamos então as lâminas em água. Resfriamento rápido produzido a fase de martensite do aço, que é muito dura e resistente, sem partículas de carboneto. Como as partículas de carboneto desapareceram, o mesmo aconteceu com as bandas que delas saíram.

Para recriar as partículas de cemento, submetemos as lâminas a vários ciclos de aquecimento até 50 graus C abaixo da temperatura A, seguido de arrefecimento lento no ar, o que deu às partículas tempo para voltarem a crescer e se separarem.

Após o primeiro ciclo, as partículas de carboneto reapareceram, mas foram randamente distribuídas. Mas após um ou dois ciclos mais, estas partículas começaram a alinhar-se em bandas fracas, e após seis a oito ciclos, as bandas tornaram-se muito distintas.

num teste, elevámos a temperatura bem acima do valor de A cm, para 1200 graus C, um pouco abaixo do ponto de fusão do aço, e mantivemo-la durante 18 horas. O
ciclo térmico subsequente do aço não fez reaparecer as bandas de partículas de cimento.

p>Cálculos mostram que este tratamento a alta temperatura elimina completamente a micro-segregação dos átomos de impureza por difusão.

Pendray e eu também tentámos experiências cuidadosamente controladas nas quais omitimos completamente os elementos de impureza.

P>P>Pós muitos ciclos de aquecimento e arrefecimento lento, estes lingotes não produziram aglomerados de partículas ou bandas de carboneto.

Quando adicionámos os elementos de impureza ao mesmo lingote e o submetemos a ciclos de aquecimento e arrefecimento, as bandas apareceram.

A nossa reconstrução da lâmina de Damasco ajuda-nos a responder a outra pergunta: Como é que os antigos ferreiros geravam o padrão da escala de Maomé?

O nosso trabalho confirma uma teoria proposta no passado, nomeadamente que os degraus da escada eram produzidos através do corte de ranhuras nas lâminas.

O padrão da escada visível na fotografia inferior acima foi feito através da incisão de pequenas valas na lâmina depois de ter sido forjada até se aproximar da sua espessura final, e posteriormente forjada para encher as valas.

Este tipo de forjamento reduz o espaçamento entre as faixas claras e escuras na superfície final, particularmente ao longo das extremidades das trincheiras.

O padrão redondo entre os degraus, conhecido como padrão de rosa, é também conhecido de cimitarras mais antigas. Vem de ferramentas>ferramentas rasas perfuradas na lâmina ao mesmo tempo que as ranhuras.

Porquê a arte de fazer estas armas perdidas há cerca de dois séculos atrás?

Talvez nem todos os minérios de ferro na Índia continham os elementos necessários para formar carbonetos. As quatro velhas lâminas Moser que estudámos continham impurezas de vanádio, o que provavelmente explica a formação de bandas nestes aços.

se os desenvolvimentos no comércio mundial resultassem em lingotes da Índia já não conterem os elementos de impureza necessários, os ferreiros e os seus arames já não seriam capazes de alcançar < forte> os belos desenhos das suas lâminas e não saberiam necessariamente porquê. Se este estado de coisas persistisse, após uma ou duas gerações, o segredo da lendária espada de Damasco ter-se-ia perdido.

Só agora, graças a uma parceria entre ciência e arte, é que o véu foi levantado sobre este mistério.

forte>Sobre o Autor:

> forte>JOHN D. VERHOEVEN é um distinto professor emérito de ciência e engenharia de materiais em Iowa State University. Tem estado interessado no mistério de Damasco wootz espadas desde que era estudante de pós-graduação na Universidade de Michigan.

Em 1982, começou a realizar experiências de investigação para recriar Damascus steel. Este trabalho, que era principalmente um hobby, transformou-se num esforço sério através de a sua colaboração com o ferreiro Alfred H. Pendray durante muitos anos.