Metale si Aliaje

1
Metale si Aliaje
2
Fizica este taisul care ajunge la esenta naturii.
Focul, spada arzânda, este taisul cu care omul,
acum 7000 de ani, a
patruns dincolo de structura vizibila a materiei.
3
Acum 7000 de ani în Persia si Afganistan a
început extragerea cuprului din minereu.
Malachitul ( carbonat bazic de cupru Cu2
(OH)2CO3 ) era aruncat în foc si din el se
scurgea cuprul. (Din fericire procesul de
extractie are loc la o temperatura modesta.) Se
stia ca ceea ce se scurge este cupru pentru ca
acesta împreuna cu aurul face parte dintre
putinele metale care se gasesc în stare nativa.
4
Dintr-o data omul avea la dispozitie un material
care putea fi modelat într-un instrument, un
ornament, un vas.
5
Cuprul are un singur defect este un metal moale.
Când o bara de cupru este întinsa aceasta se rupe.
6
Cuprul pur, la fel ca orice metal este format din
straturi de microcristale. Microcristalele (în
care atomii sunt dispusi într-o retea ordonata)
aluneca unul fata de altul pâna ce se produce o
ruptura. Atunci când bara de cupru începe sa
prezinte cea mai mica ruptura la nivel
microscopic, aceasta se propaga datorita
alunecarii interne a microcristalelor.
7
Evident ca fierarul de acum 6000 de ani nu gândea
asa. El doar observa ca instrumentele din cupru
sunt prea moi pentru a avea un tais. Problema
care si-o punea era sa gaseasca un metal
suficient de tare ca sa fabrice o lama taioasa.
8
Defectul nu se mai propaga!
În termeni moderni un asemenea material putea fi
gasit astfel Cuprul era moale pentru ca
straturile de microcristale aluneca. Cuprul poate
fi întarit prin batere, microcristalele mari sunt
farâmitate, devin rugoase la suprafata lor si
frecarea dintre ele creste. Prin urmare daca se
introduc niste impuritati în cupru care sa faca
microcristalele mai rugoase aceasta ar putea opri
alunecarea interna. Într-un aliaj cristalele
sunt mai rigide deoarece atomii nu sunt de
acelasi fel. Aceasta cunoastere legata de
proprietatile speciale ale aliajelor plecând de
la structura atomica am dobândit-o de-abia în
ultimii 50 de ani.
9
Fierarii antici, prin noroc sau prin
experimentare au obinut acelasi raspuns când se
adauga la cupru un metal mai moale, plumbul, se
obtine un aliaj mai tare si mai dur decât ambele
metale BRONZUL. Din fericire în Lumea Veche
minereurile de plumb se afla alaturi de cele de
cupru. Bronzul este mai greu si are temperatura
de topire mai mica decât cuprul. Aceasta a permis
procesul de TURNARE a bronzului în forme.
10
Pasul urmator în evolutia cunoasterii umane s-a
facut odata cu descoperirea fierului. La început,
ca si cuprul, fierul a fost gasit în forma sa
nativa, în meteoriti, de aici si numele sumerian
pentru fier metal din ceruri. Uneori acest fier
nativ era si magnetizat, atragînd pilitura de
fier. Ulterior, chinezii aveau sa foloseasca
magnetii în geomantie.
11
Extragerea fierului din minereu a fost o
descoperire mult mai târzie. Folosirea fierului
în instrumente este anterioara anului 2500
î.C. Un instrument de fier a fost gasit în
priamidele egiptene.
12
Perioada de glorie a fierului, la fel cum s-a
întâmplat cu cuprul, s-a produs odata cu
descoperirea aliajului de fier cu carbonul
otelul. În 1000 î.C. otelul este produs în India
si avea sa fie vândut sub forma pretioaselor
sabii din Damasc. Secretul fabricatiei avea sa
fie atât de bine pastrat (mai bine zis
dificultatea fabricatiei) încât de-abia în sec.
XVIII otelul avea sa fie produs pe scara larga.
13
Fabricarea sabiilor de Damasc era înconjurata de
ritual si pentru asta exista un motivatie
evidenta. Atunci când cunoasterea nu se
transmitea pe cale scrisa, când nu exista nimic
de genul unei formule chimice, bineînteles ca era
necesar un ceremonial precis care sa fixeze
secventa operatiilor astfel încât acestea sa fie
memorate cât mai exact.
14
În Japonia, ritualul fabricarii sabiei de samurai
dateaza din anul 800. Astazi mai traieste
maestrul Getsu care este un descendent direct al
maestrului de sabii Masamune care a perfectionat
acest proces în sec. XIII pentru a-i alunga pe
mongoli. În acea perioada mongolii încercau sa
cucereasca Japonia prin China sub comanda
nepotului lui Gingis Han, cunoscutul Kublai Han.
15
bcc
fcc
hcp
De ce fabricarea otelului era atât de
dificila? Fierul (si la fel otelul) este o
descoperire mai târzie deoarece în fiecare etapa
a fabricarii sale necesita mai multa caldura
decât cuprul. Punctul de topire Fe-1500C,
Cu-1000C. Atât la tratamentul termic cât si la
elementele adaugate, otelul este un material
infinit mai delicat decât bronzul. Variatii mai
mici de 1 în concentratia carbonului modifica
apreciabil duritatea otelului.
16
Iar o sabie de samurai trebuia sa combine doua
proprietati diferite si incombatibile ale
materialelor. Trebuie sa fie flexibila si în
acelasi timp dura. Aceste proprietati nu pot fi
continute în acelasi material, decât daca este
format din straturi. Bucata initiala de otel este
taiata si dublata în mod repetat realizând o
multime de suprafete interne. Sabia fabricata de
Getsu este dublata de 15 ori. Asta înseamna ca
numarul de straturi din otel este 21530.000.
Fiecare strat trebuie unit cu urmatorul, fiecare
având alte proprietati. Este ca si cum am uni
flexibilitatea cauciucului cu duritatea sticlei.
Iar sabia este un sandwich imens a celor doua
proprietati.
17
În ultima etapa, sabia este acoperita cu argila
de diferite grosimi, astfel încât când este
încalzita si introdusa în apa sa se poata raci cu
viteze diferite. Temperatura otelului în acest
moment final trebuie stiuta precis, dar cum se
putea face într-o civilizatie în care nu se
cunostea masurarea temperaturii? Practica era ca
sabia sa fie încalzita pâna ce stralucea precum
soarele la rasarit. Acest procedeu avea sa fie
folosit si în Europa pâna în sec XVIII când se
determina temperatura dupa culoare aurie,
purpurie sau albastruie.
18
Punctul culminant consta în racire, care întarea
sabia si fixa diferitele proprietati în interior.
Diferitele rate de racire produceau diferite
forme si marimi ale microcristalelor mari,
netede la capatul flexibil al sabiei si mici,
iregulare la tais. Proprietatile cauciucului si
sticlei erau în final unite în sabia terminata!