El secreto de las espadas de Damasco

José Manuel Torralba, IMDEA MATERIALES and Ilchat Sabirov, IMDEA MATERIALES

Las espadas de acero de Damasco eran legendarias por su gran dureza y tenacidad y su filo “casi eterno”. Podían cortar seda y también despedazar una roca. El sultán Saladino impresionó a Ricardo Corazón de León en una exhibición de espadas. La del sultán, esbelta, ligera y de un azul opaco propio de los aceros de Damasco, fue capaz de hundirse en un mullido cojín de plumas.

Herreros y expertos en metalurgia buscaron durante siglos el secreto que las convertía en el arma más sangrienta y deseada. Sin embargo, dominar la técnica de fabricación de los aceros de Damasco ha llevado siglos.

En nuestros días, en los laboratorios más punteros del mundo, conseguimos aceros que combinan esa dureza y tenacidad, casi eternos, recreando la estructura de ese material mítico cuya forja, los cristianos de las Cruzadas, atribuían al mismísimo Lucifer.

Katanas, acero toledano y acero de Damasco

Al igual que los secretos procesos de forja de las katanas de los samuráis japoneses o del acero toledano español, conocido en toda Europa en la Edad Media, la producción del acero de Damasco se transmitió de generación en generación de metalúrgicos durante siglos. Estas técnicas se perdieron en el presente, pero esto podría cambiar.

Una reciente publicación científica del prestigioso Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) de Düsseldorf muestra que imitando los principios de fabricación del acero de Damasco se pueden superar las propiedades de los aceros más modernos, pero utilizando únicamente materias primas baratas y fáciles de obtener.

El secreto de su estructura interna

El uso del hierro por el ser humano cambió el mundo. Y el acero es, básicamente, una aleación de hierro y de carbono.

Los primeros materiales con base de hierro, conocidos como aceros pudelados, aparecieron en la India hacia el año 200 a. e. c. Estos aceros se obtenían forjando esponja de hierro mezclada con carbono de distintas fuentes naturales.

Al mismo tiempo, los metalúrgicos chinos desarrollaban algo similar a la fundición de hierro. Sin embargo, su alto contenido en carbono hacía este material increíblemente quebradizo y, por tanto, en gran medida, inútil.

Mirando la intimidad del acero de Damasco descubrimos que al forjarse se creaba una jerarquía de microestructuras en la que las capas dúctiles (que pueden deformarse fácilmente) se alternan con capas duras (más frágiles), lo que daba lugar a propiedades mecánicas muy superiores a las de otros aceros.

Los procesos de difusión durante su producción hacían que las hojas fueran muy dúctiles, lo que permitía cambios y transformaciones, pero, al mismo tiempo, increíblemente duras.

Sin embargo, durante más de 1 000 años, el coste de producción de estos aceros hizo que su uso se limitara a casos muy concretos en los que se necesitaba un filo muy cortante, como cuchillos, navajas y espadas. También se utilizaba para fabricar piezas pequeñas y complejas, como muelles para relojes.

A finales del siglo XIX, con la invención de técnicas modernas de producción de acero, como el proceso Bessemer, el ser humano fue capaz de producir aceros como el material estructural que conocemos hoy en día.

El moderno proceso de producción del acero

El siglo XXI ha traído hasta ahora una serie de avances en este ámbito. Podemos tomar, como dos ejemplos, la impresión en 3D y los nuevos tratamientos térmicos como los temple y partición (quenching and partitioning o Q&P), dos métodos de producción que se estudian actualmente en el Instituto IMDEA Materiales.

El principal objetivo de la investigación actual es generar microestructuras en chapas de acero suave que no sólo muestren propiedades mecánicas mejoradas, sino que también presenten propiedades relacionadas con la aplicación, como resistencia a la fatiga, a la fractura y al choque, junto con conformabilidad y soldabilidad.

Muy recientemente, IMDEA Materiales también ha iniciado una investigación activa en el área de la impresión 3D de aceros al carbono para aplicaciones estructurales. Se centra en el procesamiento de piezas con un conjunto de diversas propiedades adecuadas para la aplicación final de las piezas de acero de formas complejas.

Volver a las lecciones del pasado

Aunque este tipo de investigación está a la vanguardia de la producción siderúrgica actual, en cierto modo seguimos jugando a ponernos al día con los metalúrgicos del pasado.

En la publicación del MPIE citada anteriormente, los metalúrgicos fueron capaces de reproducir el proceso de fabricación estructural jerárquico de hace miles de años, alternando capas dúctiles y duras.

Los investigadores lograron producir un acero capaz de soportar 2 000 MPa, pero con una deformación del 25 %, muy superior a la de cualquier técnica moderna.

Para poner este logro en perspectiva, los aceros más resistentes (conocidos como aceros maraging) que se utilizan actualmente en la industria aeroespacial, pueden alcanzar los 2 500-2 600 MPa, pero con el inconveniente de tener un nivel de deformación pobre (4-5 %). Este nivel es muy inferior al que se consigue empleando el proceso del acero de Damasco y da como resultado un material fuerte, pero quebradizo y que puede romperse bajo tensión o impacto.

Mientras tanto, los aceros producidos mediante Q&P han demostrado una ductilidad mejorada de alrededor del 14 %, pero a expensas de la resistencia mostrada por los aceros maraging, alcanzandose alrededor de 1 500-1 600 MPa.

En otro reciente trabajo publicado en Nature por los científicos del MPIE, también basado en el desarrollo de una microestructura jerarquizada como la de las espadas de Damasco, se obtienen resultados aún mejores. Pero en esta última publicación se utiliza toda la artillería que nos permite la ciencia de materiales: muchos elementos de aleación (más raros y caros) y la más moderna tecnología de impresión 3D.

Sin embargo, el verdadero logro de la investigación del MPIE son los resultados obtenidos basándose únicamente en elementos de aleación no críticos junto con tecnologías convencionales de forja y tratamientos térmicos.

Herramientas avanzadas basadas en la inteligencia artificial y el aprendizaje automático irán sustituyendo gradualmente al enfoque de ensayo y error en el desarrollo y la fabricación del acero. Pero, en todo momento, que la arrogancia del progreso no nos impida ver la genialidad de quienes nos precedieron y todo lo que tienen que enseñarnos.

José Manuel Torralba, Catedrático de la Universidad Carlos III de Madrid, IMDEA MATERIALES and Ilchat Sabirov, Investigador Senior, IMDEA MATERIALES

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.