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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.43.2013.tde-16102014-134346
Document
Author
Full name
Hellen Cristine dos Santos
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2013
Supervisor
Committee
Added, Nemitala (President)
Anjos, Roberto Meigikos dos
Chamon, Luiz Carlos
Neiva, Augusto Camara
Santos, Antonio Domingues dos
Title in Portuguese
Caracterização de espadas antigas por técnicas não destrutivas
Keywords in Portuguese
Arqueometria
Espadas
Física nuclear
NRA
PIXE
RBS
XRD
Abstract in Portuguese
Varias técnicas de física nuclear tem sido aplicadas no estudo de artefatos arqueológicos e de arte contribuindo para seu restauro e preservação. A aplicação destas técnicas são indicadas por não serem destrutivas, preservando o material a ser analisado. Neste trabalho, propomos um procedimento para a investigação indireta da dureza de espadas antigas, por meio de técnicas não destrutivas. Com este proposito as técnicas PIXE, NRA, XRD e RBS se adequam ao nosso estudo de espadas antigas, especificamente uma espada Indiana (Damascena) e outra Japonesa (Wakizashi). Com a técnica PIXE esperávamos identificar os elementos presentes nas laminas das espadas e em suas empunhaduras. Na espada Indiana os elementos identificados foram: Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn e As. Para a espada Japonesa somente o elemento Fe foi identificado, mas com o auxílio da técnica RBS identificamos também, um filme fino de carbono na superfície da lamina, medindo 0; 75 _m de espessura. Nas empunhaduras foram identificados os elementos Cr, Fe, Cu e Au para a espada Indiana; Fe, Cu, As e Ag na peca Habaki e S, Cl, K, CA, Fe, As e Au na peca Fuchi, estas duas pecas fazem parte da empunhadura da espada Japonesa. A técnica XRD foi usada para verificarmos as estruturas cristalinas que se formam na superfície das laminas durante o processo de forja (variação de 6 temperatura e deformações plástica). Estas informações possibilitam inferir sobre a temperatura de forja e consequências da deformação plásticas. A fase cristalina da superfície das laminas foi identificada como ferro na forma cristalina cubica de corpo centrado. Nesta estrutura, ha a formação de pequenos cristais orientados (cristalitos), que apresentaram tamanho médio da ordem de 200 _A. Foi verificado que ha também uma fase amorfa do ferro na espada Japonesa, sugerindo que o processo de forja alcançou temperaturas menores quando comparada com a espada Indiana. A espada Damascena _e muito famosa pela dureza e ductibilidade apresentada por sua lamina. Um elemento que pode contribuir para estas caraterísticas e o nitrogênio, que pode ser identificado usando a técnica NRA, mais especificamente a reação 15N(p; _)12C. O nitrogênio poderia ser introduzido na lamina durante o processo de endurecimento da região de corte. Neste processo a lamina era resfriada em urina animal, composta principalmente por acido úrico (C5H4N4O3) e ureia (NH2)2CO. Não foi possível identificarmos a presença de nitrogênio dentro do nosso limite de detecção (acima de 0; 263(4)% em massa de nitrogênio, valor referenciado para a amostra padrão CRM-298).
Title in English
Characterization of ancient sword using non-destructive methods
Keywords in English
Archaeometry
NRA
Nuclear physics
PIXE
RBS
Swords
XRD
Abstract in English
A set of physical techniques have been applied to characterize archaeological and art artifacts and contribute to its preservation and restoration. The application of these techniques are indicated because they are non invasive methods, preserving the material to be analyzed. In this work, we propose a procedure to investigate indirectly the hardness of ancient swords, by nondestructive techniques. With this aim, we decided to apply the techniques PIXE, NRA, XRD and RBS in the study of ancient swords, specially Indian (Damascus blade) and a Japanese (Wakizashi) swords. With PIXE we identified the major compounds in the blades and in their grips. In the Indian blade were identified the following elements: Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn e As. In the Japanese only iron was identified, although, with RBS we could identified a thin _lm of carbon on its surface. The grips were also analyzed and the results indicated to Indian were: Cr, Fe, Cu and Au; and to Japanese: Fe, Cu, As e Ag in the peace Habaki, and S, Cl, K, CA, Fe, As e Au in the peace Fuchi, those pieces are part of the grip. The XRD technique was applied to verify the crystalline structure which were formed during the forging process (hammering and quenching). These information can help to understand more about the quenching and hammering process. The crystalline phase in the surface of the blade was identified as iron. The surface is composed by crystallites oriented with grain size in order to 200_A, oriented as the result of hammering process. Also there is an amorphous phase in the Japanese blade, suggesting that in the forje process the temperature achieved was lower when compared with the Indian sword. The Damascus blade is famous due its hardness and ductility. An element that can improve these characteristics is the nitrogen. Its determination is possible using NRA technique, more specially the reaction 15N(p; _)12C. The nitrogen could been insert in the blade during the edge hardness process (in this process the blade was quenched into animal urine that its main compound are uric acid (C5H4N4O3) and urea (NH2)2CO, or in a brine). It was not possible to identify the presence of nitrogen within our limit of quantification.
 
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Tese_HSantos.pdf (19.56 Mbytes)
Publishing Date
2014-10-17
 
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