Monteiro thibaud    Delmas Jérôme     Xavier Onrazac    Durand Fabien

(Le texte ci-dessous est un extrait d'un mémoire de métallurgie que nous avons réalisé à l'École Nationale d'Ingénieurs de Tarbes)

Résumé :

Les métaux sont utilisés dans la fabrication des armes blanches depuis 4000 ans avant J.C.; et au cours du temps toutes les techniques de fabrication et de traitement thermique employées ont été découvertes fortuitement. Au départ, les métaux non ferreux (en général le cuivre et ses alliages) étaient privilégiés et leur mise en oeuvre relevait surtout du hasard et des traditions.
Dès que les progrès techniques ont permis de fondre le fer (vers 1200 avant J.C.) les autres métaux ont commencé à disparaître des armes blanches.
Très vite, tous les procédés de durcissement du fer et de l’acier ont été découverts empiriquement, et transmis de génération en génération; on note peu d’évolutions jusqu’au premier millénaire après J.C.
C’est à cette époque que les aciers damassés se répandent, amenés en Europe par les Maures et très prisés au Japon.
L’acier utilisé pour réaliser les lames damassées provenait généralement de gisements particuliers où le minerai extrait contenait déjà un fort pourcentage de carbone (environ 2%).
Quelques mines ont d’ailleurs conservé une grande renommée (comme Damas ou Tolède) jusqu’à ce que la diffusion du carbone dans le fer soit complètement maîtrisée.
Jusqu’à cette époque, la fabrication des armes blanches était la source de la plupart des innovations dans le domaine métallurgique.
Après l’apparition des armes à feu, les armes blanches n’ont plus généré d’innovations, mais ont profité de celles apportées par d’autres domaines.
Ainsi, le grenaillage et les aciers inoxydables n’étaient pas directement destinés aux armes blanches.

Le 20ème siècle a apporté une connaissance précise des matériaux et de leurs procédés de fabrication, grâce à d’importants progrès scientifiques et technologiques comme le microscope, les rayons X . . .
La dernière évolution technologique dans les armes blanches est l’apparition des aciers maraging dans l’escrime moderne. Ils apportent aux armes une grande dureté et une bonne flexibilité qui garantissent la sécurité des sportifs.
Mais ces caractéristiques ne sont pas encore suffisantes, après une bonne pratique de l’escrime nous pensons que les recherches pourraient s’orienter vers un matériau anisotrope pour induire une flexion de la lame dans une unique direction.

Ainsi, l’évolution des techniques de fabrication des armes blanches n’est pas arrivée à son terme.

Introduction

La découverte des matériaux métalliques a été une révolution dans le mode de vie de l’homme. ses premières applications furent, en particulier, les armes blanches, qui donnèrent lieu à des évolutions fondamentales dans le domaine de la métallurgie.
C’est pourquoi nous avons décidé de traiter ce sujet, même si aujourd’hui il peut paraître désuet.

Afin d’étayer nos recherches, nous avons pris contact avec des fabricants actuels, mais aussi avec des utilisateurs et des passionnés. Nous avons aussi rencontré un archéologue qui nous a montré des armes retrouvées dans des tumulus, et nous a expliqué les modes de recherche actuels.

Cependant, la fabrication actuelle des armes blanches conserve quelques secrets, surtout en ce qui concerne le traitement thermique ou la forge.
Malgré notre insistance, nous n’avons pas obtenu de la part des entreprises tous les renseignements escomptés.

Nous présenterons les armes blanches et leurs procédés de fabrication de manière chronologique, depuis les premières armes en cuivre et alliages de cuivre, jusqu’aux aciers maraging utilisés en escrime moderne, tout en développant les matériaux ou les techniques qui ont marqué l’histoire.

La petite histoire de la métallurgie des armes blanches

Depuis, environ 4000 ans l’évolution de l’armement a suivi de près celle de la métallurgie. L’introduction du fer en tant que constituant de la lame est considérée comme la révolution la plus importante dans l’histoire de la métallurgie des armes blanches. Cet événement survint 1000 ans avant notre ère, et depuis cette date, l’importance de ce matériau n’a cessé de prendre de l’ampleur.
On situe le berceau de la production des armes en cuivre en Perse et celle des armes en fer le long de la côte turque actuelle de la Mer Noire.

Au début du deuxième millénaire avant J.C., le fer était encore très rare et extrêmement coûteux. Au 19^e siècle avant J.C., le fer était encore 8 fois plus chère que l’or, 40 fois plus cher que l’argent et 400 fois plus cher que le cuivre ou l’étain. Au 7^e siècle avant notre ère, en Grèce, 1g d’argent coûtait déjà le prix de 2 kg de fer. Le fer était devenu un matériau utilitaire, et les armes fabriquées à base de fer se multiplièrent.
Quel fut donc le facteur qui provoqua ce brusque déploiement de la fabrication des armes en fer dans l’antiquité? Dans les années 1200 av. J.C., les approvisionnements en cuivre et en étain se firent rares. Les forgerons de l’époque se penchèrent donc sur un nouveau matériau. Ils abandonnèrent petit à petit la fabrication des armes en bronze pour celles en fer et plus tard, pour un véritable alliage: l’acier.

C’est durant le premier millénaire que les plus grandes découvertes en matière de fabrication des armes blanches se firent. En effet c’est lors de cette période que se vulgarisa la fabrication d’épées par forgeage et soudage répétés de fer et d’acier. Nous pouvons nommer pour mémoire les lames du japon, des pays islamiques (Damas, Tolède), du monde occidentale ( armes mérovingiennes).

Que se passa-t-il au cours des siècles qui suivirent? Et bien, pas grand chose, jusqu’à l’apparition des aciers maraging qui sont utilisés pour la fabrication de l’arme d’escrime moderne (sabre, épée, fleuret).

tableau récapitulatif de l'historique

A/ Les traitements des métaux pour la fabrication d’armes blanches de l’antiquité au moyen age

Les plus récentes histoires de la métallurgie de l’antiquité et du moyen âge sont, tout autant que leurs devancières, grevées d’une certaine hypothèque documentaire. Le nombre croissant de découvertes archéologiques et d’analyses de laboratoire contraste avec la pauvreté des ressources littéraires. En fait, la quantité des textes disponibles ne s’est guère accrue depuis la Renaissance. Leur interprétation a certes progressé, mais les informations que l’on tire de ces documents permettent rarement d’entrer dans le détail des procédés.
Un secteur déshérité des littératures, la littérature des recettes, est susceptible d’apporter d’utiles informations.
Le plus ancien de ces recueils est le papyrus de Leyde, copié vers 300 de notre ère, qui compile des procédés artisanaux et des expériences alchimiques de laboratoire (1). Une bonne partie de ces recettes se retrouvent traduites mot pour mot, dans de nombreux ouvrages à travers tout le moyen âge avec par exemple les Compsitiones du manuscrit 490 de Lucques (8^e siècle) (2) et la Mappae Clavicula (9^e siècles) (3). Beaucoup de procédés techniques ont été incorporés, au 10^e siècle, dans la compilation des Alchimistes Grecs (4). Enfin, la Diversarum artium schedula du moine Théophile reflète surtout la pratique contemporaine des ateliers monastiques du haut moyen âge et constitue de ce fait un précieux recueil d’informations.

L’exploitation de tels documents exige diverses précautions critiques. Il faut d’abord par analyse des ces documents déterminer l’âge de la recette. Ensuite, la distinction n’est toujours aisée entre un réel procédé d’élaboration d’une arme et une pure recherche de laboratoire, particulièrement la recherche alchimique.

1 la cémentation du bronze par l’arsenic:

De nombreuses armes du Bronze Ancien, découverts en Europe Occidentale, en Égypte, en Palestine, Dans le Caucase et le monde égéen contiennent des proportions significatives en arsenic (1 à 9 %).

Le bronze à l’arsenic a précédé, puis souvent concurrencé le bronze dit d’étain. On a pensé qu’il provenait accidentellement de la fusion de minerais mixtes (enargites, Cu₃As₂s₄, tennantite, Cu₁₂As₄S₁₃).

Dans ce cas, comment expliquer que l’arsenic ne soit pas évaporé dans le grillage et la fusion pour matte nécessaires à l’élimination du soufre?

En fait, l’arsenic possède d’excellents effets sur la coulabilité et sur les propriétés mécanique du cuivre (durcissement structural (5)). Il semble donc que ces alliages soient intentionnels. Certains poignards présentent une surface argentée, enrichie en arsenic, ce qui fait penser à une cémentation. Or, l’arsenic natif est rare; l’arsenic métal, très volatil et difficile à isoler, n’apparaît que tardivement chez les alchimistes. La cémentation a donc dû se faire par les minerais d’arsenic, orpiment As₂S₃ et réalgar As₃S₄.

A l’époque classique, l’arsenic n’apparaît plus dans les analyses qu’à l’état de traces. Les textes, de leur côté, ne sont pas précis. Ils mentionnent du cuivre blanc (aes candidum) qui passe pour un produit de Gaule, dont la composition est inconnue. Un fragment présumé du Traité des métaux perdu de Théophraste, rapporte les faits suivants:

" Le cuivre des Mossynèques est dit-on, très brillant et très blanc. On n’y mêle pas d’étain, mais on met au feu avec lui une certaine terre indigène".

Dans son Traité des pierres, le même Théophraste fait allusion à une terre qui, mêlée au cuivre, fond et donne une belle couleur à la lame du glaive. L’opération décrite est bien une cémentation, mais, dans tout les cas, l’alliage peut être arsénifère, zincinifère ou même stannifère (par fusion réductrice du cuivre et de la cassitérite); mais les deux derniers procédés ne concernent pas l’élaboration d’armes blanches.

C’est la littérature qui donne les détails sur le procédé. Il ne s’agit plus de remplacer l’étain, mais de donner aux armes de bronze une couleur flatteuse. Sous le titre Blanchiment du cuivre, le papyrus 10 de Leyde, préconise de fondre le métal, d’y incorporer 2 drachmes de réalgar en décomposition (en cours d’oxydation) et 5 drachmes d’alun lamelleux (alun de fer, Fe₂(SO₄)₃) avec de la cire (réducteur).

Dans le même but, quatre recettes de la Mappae Clavicula décrivent la cémentation du cuivre en fusion par l’orpiment cru (non grillé) (arsenicum, oripigmentum). Ces quatre dernières recettes sont quantifiées; il y a autant (en masse) d’orpiment que cuivre. L’orpiment peut donner au cuivre diverses teintes (noir, blanc, ou même jaune).

Il faut supposer que le grillage et la réduction de l’oxyde s’opéraient en cours de fusion. On obtenait un alliage blanc, auquel on pouvait allier de l’argent. De tels alliages sont longtemps restés en usage sous le nom de " false silver ".

En fondant, l’arsenic risquait de s’évaporer, et l’alliage de perdre sa couleur. C’est pourquoi, les Compositiones de Lucques recommandent d’opérer la fusion sous le couvert de poudre de verre, qui en fondant forme un couche protectrice.

Aux yeux des premiers alchimistes, la cémentation du cuivre par l’arsenic paraissait susceptible de constituer une voie ad album, c’est à dire la voie vers l’argent. Ces techniques de blanchiment du cuivre connaîtront, chez les alchimistes du moyen âge une immense diffusion.

Mais la documentation nous fait défaut pour déterminer si la pratique alchimique a redécouvert le procédé ou si elle s’enracine dans une pratique artisanale qui s’est maintenue. En effet, avec l’apparition à grande échelle du fer, les armes de cuivre vont petit à petit céder leurs place aux lames d’aciers

2 la cémentation du fer par le carbone

Dès le début de l’âge du fer, des armes et des outils apparaissent constitués, au moins superficiellement, de martensite. Ce sont donc des aciers, produits par cémentation et trempe. Le fer chauffé dans les charbons du four au stade d’austénitisation (890°c), absorbe le carbone contenu dans le charbon de bois. par refroidissement rapide (trempe à l’eau), la structure de cet acier passe d’austénitique à martensitique, structure contenant des carbures de fer durs et cassants.

Dès l’époque classique grecque, des lames ont une structure beaucoup plus complexe et sont partiellement constituées de ferrite et perlite (aciers doux) obtenues soit par recuit, soit par refroidissement différencié. On mentionnera pour mémoire les fers différenciés des lames corroyées (damas soudé, pattern-welding) et du damas oriental auquel nous consacreront un chapitre. Tholander a trouvé à Chypre 23 couteaux (1050 av. J.C.) dont deux au moins avaient été non seulement cémentés et trempés, mais aussi revenus.

Les textes sont, sur ce point, avares de détails. Ils distinguent diverses qualités de fer, appropriées à différents usages, mais il s’agit souvent de fers naturels ( phosphoreux, magnésifères). La terminologie est intéressante:

- s t o m a désigne la pointe ou tranchant (le latin utilise acies).
- s t o m w s i z désigne l’action de durcir la lame par trempe (le latin utilise aciarium).
- s t o m w a désigne le résultat, c’est à dire l’acier.

Depuis Homère, ils insistent sur la trempe, l’aspect le plus spectaculaire de l’opération. Pline rapporte que certaines eaux conviennent mieux que d’autres à la trempe. On ignore s’il s’agit d’un slogan publicitaire ou de l’observation. Par exemple, l’eau chargée en sel ne refroidit pas le métal à la même vitesse qu’une eau non minéralisée.

Nous savons aujourd’hui que le coefficient de transfert de chaleur entre le métal et le liquide varie avec la qualité milieu de trempe. De même, certaines lames étaient trempées à l’huile. En effet, l’huile par sa viscosité, donne une trempe plus douce, et diminue les contraintes liées à la formation de la martensite, qui sont particulièrement sensibles dans des pièces telles que les lames qui se briseraient au premier coup porté.

La trempe au sang de bouc (et parfois humain) doit répondre aux même exigences. Il faut ajouter une dimension mythique à cette dernière opération. les croyances de l’époque voulaient que la force de l’âme de la victime aille renforcer l’arme et la rende supérieure à une arme plus traditionnelle.

A partir de quand le carbone cessa-t-il d’être apporté par les charbons du foyer pour venir d’un véritable cément appliqué sur la lame? On ne peut le dire. Toutefois, la Collection des alchimistes contient, un véritable traité de sidérurgie, en 5 chapitres.

Le premier s’intitule " trempe de l’acier indien ". Il prescrit de chauffer le fer doux en petit morceaux avec de l’écorce de dattier sur des charbons avec de la magnésie. Ensuite, sous le titre de " trempe du fer (p e r i b a j h z s i d h r o n ) " viennent 4 céments.

Le deuxième comprend corne de chèvre brûlée et broyée, le double de sel, (qui accélère la réaction et qui semble-t-il est encore présent dans nos céments commerciaux actuels), de l’eau qui rendra la pâte humide, pour mieux tenir sur le tranchant. Après martelage au feu, on trempe. Les outils à tailler la pierre et ceux qui n’ont pas une pointe aiguë (pièces massives) sont simplement trempés. Pour ce qui nous concerne, pour les épées et les coutelas, le tranchant est recouvert d’un chiffon ou d’une pelote de laine trempée dans l’eau, ce qui a pour but de modifier les échanges de chaleur entre le métal et l’eau. Il est possible que cela détruise la gaine de vapeur qui se forme entre le métal et l’eau et donne donc une trempe plus rapide sur le tranchant que sur le reste de la lame.

Le troisième cément contient de la terre blanche (carbonate de chaux, qui se décomposera en CO₂, lequel avec le carbone excédentaire donnera du CO), des oeufs d’oiseaux (carbone organique) ou bien de la cendre d’oliviers ou d’autres bois (idem) brûlés avec de l’huile et du sel. Après martelage, on trempe les lames dans l’huile ou dans l’eau suivant leur fragilité.

Le cinquième cément contient des excréments humains (p e r i t t w m a t a ), mais le contexte n’est pas suffisamment précis pour savoir s’ils entrent dans la composition du cément ou du bain de trempe. L’urine, eau chargée en sel trempe plus vite.

Selon Théophile on effectuait des trempe à l’urine de bouc. Celle-ci n’a pas de propriétés particulières mais c’est le cas de beaucoup de produits qui contiennent un peu de " poudre de perlimpinpin " qui fait leur réputation commerciale. L’urine contient aussi du NH₃ qui se décompose et pourrait en théorie nitrurer la surface. Cependant, la nitruration est une opération très lente. D’autres part, il s’agirait ici, d’une carbonitruration, ce qui ne paraît pas compatible avec les analyses, car les nitrures y apparaissent dans une structure ferritique. la cause est plus probablement la réduction au feu de tourbe séchée comme le propose Jean R. Maréchal (6) ou l’ingestion de petits morceaux de fer par des animaux avec récupération dans les excréments comme le proposait Salin.
Il est à noter, que les anciens Égyptiens connaissaient déjà la nitruration. Du temps des pharaons, le fumier de chameau était un combustible fort convoité. Si l’on met une lame de fer dans un feu alimenté par ce combustible, l’azote pénètre dans la pièce par diffusion. Quand à savoir si les égyptiens avaient effectivement découvert empiriquement l’effet de cette opération ou s’il s’agit du résultat actuel d’une démarche de pensée, nous ne saurions nous prononcer.

Il n’y a pas moyen d’assurer une cémentation totale de la lame. Mais, Théophile, lui, prescrit d’enduire les lames de vieux saindoux, d’entourer de courroies, de couvrir d’argile puis de chauffer, ce qui devait assurer une carburation en plus grande profondeur.

Le procédé de cémentation est le plus ancien procédé thermochimique maîtrisé par l’homme. Toutefois, à l’époque antique, on pensait que l’effet du maintient prolongé du fer dans le charbon de bois était plus de le nettoyer que d’y faire pénétrer un élément par diffusion. la première cémentation au sens actuel du terme, réalisée sous forme de traitement thermochimique a été décrite par Théophile en 1130 après J.C. Mais ce n’est que 650 ans plus tard qu’un savant Suédois découvrit que le fer et le carbone constituent un alliage (1781).

Références bibliographique

(1) éditions HALLEUX, 1980: Alchimistes Grecs. 1. Papyrus de Leyde

(2) éditions Hedfors, 1932: Compositiones ad tingenda musiva

(3) éditions PHILLIPPS, 1847: Archaelogia

(4) éditions BERTHELOT, 1888-1889: Collection des anciens alchimistes grecs

(5) Maréchal J.R., 1958: " étude sur les propriétés des cuivres à l’arsenic "

(6) Maréchal J.R., 1963: Revue de la métallurgie, 60, p 135-142.

B/ Les aciers damassés

C/ Les aciers damassés soudés

 Les premières épées de fer étaient trop ductiles (il arrivait que lors de combats, les Gaulois les redressaient au pied). En voulant les durcir, les premiers forgerons les ont cémenté et trempé, obtenant ainsi un acier d’une grande dureté mais trop cassant. En unissant un jour deux métaux dans le corps d’une même lame, on comprit enfin qu’on pouvait réaliser des lames d’épée possédant d’une part la flexibilité du fer et d’autre part la dureté de l’acier.

De plus, ce matériau a l’avantage d’être superplastique à des températures intermédiaires et résistant et ductile à température ambiante. Ce sont ces propriétés qui, à n’en pas douter, sont la cause d’un tel engouement tant au niveau métallurgique que commercial.

Dans certains cas, des tentatives ont été réalisées pour reproduire les motifs caractéristiques des aciers damassés et c’est aux alentours de 1860 que le métallurgiste russe Chernov inventa le label " damassé soudé " pour ces produits en acier.

Ces produits soudés à l’état solide ne doivent surtout pas être confondus avec les vrais aciers de Damas qui, rappelons le, étaient forgées à partir d’une pièce unique.

Dans cette partie, nous allons passer en revue certains de ces composites ferreux soudés à l’état solide et en particulier ceux qui ont un intérêt historique.

1 Exemples anciens

Les découvertes de lames anciennes ont permis aux métallurgistes d’affirmer que l’assemblage à l’état solide de deux matériaux ferreux différents était pratiqué à une époque aussi ancienne que le premier millénaire avant J.C.. Dans la majorité des cas, le produit soudé consistait en un mélange d’un acier avec un fer.

Comme exemple d’acier à moyen carbone soudé à un fer, nous pouvons citer une lame d’herminette fabriquée par des artisans Grecs aux environs de 400 av J.C.. Elle comporte une arête tranchante en acier à moyen carbone soutenu par un fer forgé.

La teneur en carbone des aciers utilisés pour réaliser de telles lames n’avait pas une importance primordiale. Elle pouvait varier de bas à haut et même très haut carbone.

Les produits composites fabriqués par soudage à l’état solide découverts sont nombreux et comportent un grand intérêt historique. Cependant, il est impossible de les aborder tous et nous nous contenterons d’en étudier deux d’entre eux qui nous paraissent plus intéressants: une lame mérovingienne (Europe ancienne) et un kriss (Indonésie).

Nous pouvons également citer l’épée Japonaise mais une partie lui est réservée plus loin car elle revêt un intérêt particulier du fait de la complexité de son élaboration et de sa qualité.

 a) Lame mérovingienne

Le principe de fabrication de ces lames consistait à empiler des bandes alternées de fer pur et de fer cémenté, puis à les marteler ou les forger ensemble selon une technique comportant des pliages et des torsions. L’arête tranchante était en acier à haut carbone. Les motifs dûs aux couches différentes étaient rendus visibles par un meulage et une attaque chimique de la surface.

Bien qu’une lame portant le nom de la première dynastie franque (500-751 ap J.C.) ait été retrouvée (fig. 1), cette technique de fabrication a été estimée comme datant approximativement de la fin du deuxième siècle. En effet, les objets en fer fabriqués avant cette date sont souvent trop fortement corrodés pour qu’on puisse effectuer un examen métallurgique de leurs surfaces.

D’après Cyril Stanley Smith, les lames mérovingiennes étaient fabriquées principalement près du Rhin mais les guerres et le commerce ont contribué à l’expansion de cette technique.

 b) Kriss

Le kriss est un type de couteau fabriqué par les indonésiens depuis, d’après Cyril Stanley Smith, la fin du 14^ème siècle.

L’ancien métallurgiste Walter Rosenhain, pour sa part, décrit la fabrication d’un kriss relativement moderne. Il est réalisé par soudage à l’état solide d’un acier à outil (un acier à haut carbone tel qu’on en emploie couramment pour les outils et en coutellerie) à des couches soudées de fer forgé. En outre, il explique que "  l’imperfection des soudures (à l’état solide) entre les couches de fer forgé joue aussi un rôle important dans la formation du motif damassé ".

Actuellement, le kriss est surtout utilisé comme arme de décoration mais il est encore utilisé lors de danses semi-religieuses à Bali et dans d’autres îles de l’Indonésie. Les danseurs finissent par se mettre en transe et arrivent même à se blesser assez grièvement.

2 L’épée japonaise

Le produit soudé à l’état solide le plus fameux est probablement l’épée japonaise. Elle est réalisée à partir d’une lame en acier à très haut carbone (appelé uagane) qui était " enroulée " et soudée par forgeage à un acier à bas carbone doux. La température spécifique de forgeage était, d’après les métallurgistes, d'environ 1000-1100 °C. A ces températures, une liaison s’établit facilement du fait de la diffusion rapide du fer et de l’interdiffusion du carbone passant de l’acier à haut carbone à l’acier à bas carbone. De plus, à ces températures les métaux sont très doux et ductiles et leurs pellicules d’oxydes se brisent facilement.

L'uagane de l’épée japonaise est un acier à très haut carbone (environ 1,3 % C) obtenu à partir d’un tama-hagane, produit de réduction fabriqué à partir de minerai de fer, de sable et de charbon de bois. Le tama-hagane contenait environ 1,9 % C, niveau trop élevé pour les caractéristiques mécaniques optimales. Il était donc forgé, replié sur lui-même et soudé à l’état solide par un nouveau forgeage. Ce procédé était répété plus de 15 fois jusqu’à obtenir la forme voulue et un taux de carbone plus faible. Le principe d’obtention d’un tel acier est le même que celui des aciers damassés, que nous avons décrit précédemment.

Après la liaison des deux aciers, nous avions donc une lame comprenant une couche d’acier uagane sur toute sa surface, enveloppant complètement le coeur en acier à bas carbone. La lame subissait ensuite un traitement thermique pour augmenter sa dureté, le centre devant garder une dureté plus faible (et donc une meilleure résilience). Elle était enchâssée dans de l’argile, celle-ci ayant seulement une faible épaisseur sur l’arête de la lame où l’on désirait avoir la dureté maximale. Le traitement thermique a été effectué probablement à environ 50°C au-dessus de Ac₁, température de l’eutectique du diagramme Fer-Carbone (727°C). Cette température relativement basse réduit l’interdiffusion du carbone dans le coeur en fer doux et donne aussi la dureté maximale possible de l’arête à haut carbone de la lame après la trempe.

Le motif visible sur la surface de l’épée japonaise provient des différentes réponses de l’acier à haut carbone à l’attaque des produits de transformation obtenus par la trempe depuis une température supérieure à Ac₁ de la martensite-bainite sur l’arête de la lame et une structure perlitique ensuite. Le coeur en fer forgé de l’épée n’est naturellement pas affecté par ce traitement thermique. (Disons toutefois qu’il est parfois possible d’observer de véritables motifs d’acier de Damas sur une lame d’épée japonaise, comme résultat de sa haute teneur en carbone et de l’histoire de son traitement).

3 19^ème Siècle: Naissance de l’acier damassé soudé

La technique de production de l’acier de Damas soudé est très récente. Elle comporte essentiellement le soudage d’un acier à un fer en bandes en vue de procurer la résistance et la structure adéquates à des canons de fusil et à des lames d’épée. Cyril Smith place son origine en Extrême-Orient au 16^e siècle. Au 18^e siècle, elle était pratiquée en Europe.

Il faut noter que certaines épées faites de cette manière représentaient de véritables aciers de Damas.

Dans le district russe de l’Oural, aux 16^e et 17^e siècles, les lames damassées soudées étaient élaborées en joignant ensemble des bandes de fer cémentées puis en les pliant et en les ressoudant. Les bandes en fer cémenté à très haut carbone étaient appelées " acier bulat ". Le produit soudé à l’état solide était le " bulat soudé ".

Dans certains cas, plusieurs bandes soudées étaient tordues puis ressoudées et enfin reforgées afin d’obtenir des motifs d’une plus grande complexité.

L’intérêt pour l’acier damassé soudé a atteint son maximum en France au début du 19^e siècle. La technique était alors si développée que, par exemple, une inscription " écrite " sur un acier pouvait être incorporée à une lame d’épée.

Quelle que soit la technique spécifique utilisée, tous les composites feuilletés soudés à l’état solide étaient soudés puis forgés à une température suffisamment basse pour éviter une diffusion excessive. Les deux matériaux différents constituant le composite étaient en général un acier à bas carbone ou un fer forgé et un acier à très haut carbone. L’épée japonaise en est un bon exemple. Mais des aciers damassés soudés étaient aussi constitués d’un acier à bas carbone et d’un acier à haut carbone. Dans certains cas les soudures à l’état solide étaient exécutées entre un fer forgé et un acier à bas ou moyen carbone. La lame mérovingienne en est un bon exemple.

D/ Nouveaux composites feuilletés

1 Version moderne de l’épée japonaise

Les simulations ont été effectuées sur le procédé des pliages multiples servant à la fabrication de l’acier uagane, en employant une méthode qui optimise le maintien d’une microstructure feuilletée. Cette technique rigoureuse consiste à lier entre elles par laminage des couches alternées d’un acier à très haut carbone et d’un alliage Fe-3%Si à la température relativement basse de 700°C. Le composite feuilleté ainsi obtenu est découpé en plusieurs sections, ces sections sont empilées, puis l’empilage est laminé. Cette procédure est répétée jusqu’à ce qu’on obtienne l’épaisseur voulue du composite feuilleté.

Les micrographies optiques (grossissement 100) montrent le composite feuilleté après trois étapes de sa fabrication: 25, 250 et 2500 couches.

Etudions maintenant les photomicrographies au microscope électronique à balayage.

Celle de gauche est celle du composite feuilleté à 2500 couches et révèle une épaisseur individuelle de couche de 5 mm. La séparation des deux constituants est très nette malgré la forte déformation thermomécanique. Ceci n’a été possible qu’en raison des conditions spéciales de la fabrication et des composites de couches choisies. D’abord, le choix d’une température de travail inférieure au point Ac₁ de l’acier à très haut carbone (727°C) n’occasionne aucune dissolution des carbures. Ensuite, le silicium de l’alliage Fe-3%Si empêche la diffusion du carbone dans celui-ci en provenance de l’acier à très haut carbone.

Les deux autres micrographies montrent ce qu’il arrive lorsque ce composite feuilleté à 2500 couches est ensuite laminé à 700°C. Quand une épaisseur de couche de moins de 1 mm est obtenue (à droite), le composite révèle une répartition homogène des carbures avec une grosseur de grain égale à plusieurs fois l’épaisseur des feuillets. Ce résultat vient appuyer la théorie selon laquelle un pliage multiple du genre de celui utilisé pour fabriquer l’acier uagane des épées japonaises donne une microstructure homogène. Il faut également ajouter que la haute température lors du pliage (1000°C) et l’absence d’inhibiteur de diffusion (de silicium par exemple) ajouté durant la fabrication produisent des structures homogènes beaucoup plus aisément que dans cet exemple moderne.

2 Propriétés particulières de ces nouveaux composites

Une étude effectuée à Stanford a révélé que les aciers à grain fin à très haut carbone peuvent être facilement soudés à l’état solide soit entre eux, soit à d’autres métaux ferreux. En fait, les structures ultra fines permettent la liaison à des températures inférieures à Ac₁, ceci étant rendu possible par le grand nombre de joints de grains qui favorisent la liaison aux interfaces en accélérant la diffusion.

L’aptitude à lier ces aciers à eux-mêmes ou à d’autres métaux ferreux à une température inférieure à Ac₁ est une propriété clé des aciers à très haut carbone pour plusieurs raisons:

1-Une basse température de liaison signifie que les composites ferreux feuilletés peuvent être fabriqués sans détruire la structure ultra-fine des aciers à très haut carbone.

2-Dans l’élaboration des aciers à très haut carbone par la métallurgie des poudres, des poudres solidifiées rapidement et ayant des structures fines peuvent être compactées à des températures intermédiaires, conservant ainsi cette structure fine dans la pièce frittée.

3-Les composites feuilletés en acier à très haut carbone peuvent être traités thermiquement sélectivement: une trempe depuis une température juste supérieure à A₁ crée un composite comprenant des couches alternées de martensite ultra dure et de fer doux.

4-Les composites feuilletés peuvent posséder des propriétés superplastiques.

L’étude citée précédemment sur des composites ferreux feuilletés a donné les résultats suivants à propos des propriétés telles que la ténacité et la plasticité.

a) Ténacité

Un domaine d’intérêt actuel est celui des propriétés de résilience de ces matériaux. On notera que les composites feuilletés en aciers à très haut carbone sont assez semblables aux objets anciens soudés à l’état solide. Ces matériaux modernes sont constitués de couches alternées d’acier à très haut carbone (1,0 % C) et d’acier AlSi 1020, liées ensemble à l’état solide à une basse température de 650°C par laminage. Des composites formés de douze couches (six couches de chaque acier) ont été fabriqués.

Les composites ont été testés à l’état brut de laminage (sans traitement thermique). L’orientation favorable à l’arrêt de la propagation des fissures a été le principal sujet étudié. Des liaisons excellentes ont été obtenues du point de vue microstructure et les résultats d’essais de flexion simple prouvent une très bonne intégrité des liaisons. La liaison n’est pourtant pas parfaite, ce qui est avantageux pour certaines propriétés de résilience.

Des énergies de rupture élevées lors d’essais de résilience ont été obtenues avec ces composites feuilletés, plus élevées que celles de leurs constituants.

La résilience élevée est due aux liaisons bonnes (mais non parfaites) entre les feuillets. Une augmentation de la résistance de la liaison au moyen d’un traitement thermique, par exemple, entraîne une diminution de l’énergie de rupture de résilience.

Des études similaires sont en cours avec pour objectif d’élever la résistance à la fatigue de l’acier à très haut carbone par un feuilletage. L’objectif est ici d’émousser la pointe des fissures de fatigue à l’aide d’une délamination des interfaces, ce qui allonge la durée de vie en fatigue.

Ces observations peuvent aider à expliquer le comportement au choc des pièces damassées soudées. Les soudures à l’état solide dans de ces matériaux n’étaient, elles aussi, pas parfaites. En effet, beaucoup d’entre elles contenaient des particules d’oxydes et de laitier. Si de tels plans affaiblis se trouvaient dans l’orientation favorable à l’arrêt des fissures, il pouvait en résulter des propriétés de résilience améliorées.

b) Superplasticité

3 Etudes actuelles

Malgré toutes les études effectuées au sujet de l’art ancien de la fabrication des composites ferreux feuilletés, certains paramètres tels que les températures de liaison, les techniques de préparation des surfaces ou bien les procédures de traitement thermique restent encore inconnus. En outre, les étapes réellement suivies dans la fabrication des métaux constituant un composite feuilleté n’ont jamais été décrites avec précision par les anciens forgerons.

L’importance possible de l’épaisseur des couches intermédiaires et la documentation les concernant n’étaient apparemment pas un objet d’intérêt. L’épaisseur était dictée par l’esthétique des motifs obtenus à la surface des pièces ou par l’optimisation des caractéristiques mécaniques.

De plus, aucun document n’a été découvert pour prouver qu’une liaison à l’état solide n’a jamais été réalisée à des températures inférieures à Ac₁. Cependant, il est fortement probable que la liaison était faite à des températures relativement basses (inférieures à 1000°C) où la diffusion du carbone dans l’austénite est ralentie.

D’autres facteurs importants tels que la température et le milieu de trempe jouent des rôles clés dans l’élaboration de la lame et restent à ce jours relativement inconnus. Le temps de maintien à température est aussi critique car il dicte la quantité d’interdiffusion et par conséquent le type et la qualité des produits de transformation.

De telles considérations forment la base des futures recherches sur les composites feuilletés ferreux. L’objectif essentiel sera d’obtenir des caractéristiques mécaniques spécifiques pour ces matériaux.

E/ LES ARMES BLANCHES MODERNES

1 les armes de guerre

2 Les armes blanches présentes dans le commerce

Les couteaux occupent la majeure partie de cette catégorie. Leur fabrication ne s’est différenciée de celle des poignards qu’avec l’apparition des aciers inoxydables. En effet, leur usage domestique demande plus d’hygiène et moins d’entretien. Cette caractéristique mise à part, les couteaux requièrent les mêmes exigences que les armes de guerre, à savoir, une dureté élevée et une bonne résilience.

Les matériaux utilisés répondent en général à ces trois propriétés, mais obéissent à un autre facteur: le coût. C’est pourquoi on rencontre diverse qualité de matériau:

-l’acier Z100CD17 (ou le 440C norme US) pour le haut de gamme (couteau de chasse).
-l’acier Z70CD15 (ou le 440A norme US) pour le couteau haut de gamme, à cran d’arrêt avec un resort en Z20C13.
-l’acier Z30C13 pour le bas de gamme (couteau de table classique).

Les procédés de traitement thermique restent classiques car la taille des lames est faible. Cependant, l’austénitisation s’effectue à la température élevée de 1000°C pour ces deux qualités extrêmes. Ces aciers sont trempés à l’huile, pour limiter les contraintes résiduelles dans la structure martensitique.
Le Z30C13 est revenu à une température comprise entre 625°C et 675°C, tandis que le Z100CD17 est revenu entre 180°C et 210°C.
La dureté obtenue est de 59HRC pour le 440C, de 56HRC pour le 440A et de 51HRC pour le Z30C13.
La résilience de ces aciers est de l’ordre de 2.5KCU.

Selon la législation en vigueur, tout objet perçant peut être considéré comme une arme blanche. C’est pourquoi nous limitons cette partie aux couteaux.

F/ LES ARMES D’ESCRIME MODERNE

L’escrime moderne, dérivée des duels de la renaissance, est aujourd’hui un sport à part entière.
Comme dans la plupart des autres sports au cours du dernier siècle, l’apport de la technologie a permis d’améliorer considérablement les performances des athlètes et leur sécurité.

Les trois armes actuellement utilisées en compétition sont:

le fleuret: lame de 90cm de longueur, poids maximal 500g.
l’épée: lame de 90cm de longueur, poids maximal 750g
le sabre: lame de 90cm de longueur, poids maximal 500g

La sécurité des escrimeurs est directement liée aux propriétés mécaniques des armes utilisées (une lame qui se brise entraîne souvent des blessures graves, voire mortelles).
C’est pourquoi la métallurgie des armes s’est attachée à développer de nouveaux matériaux, possédant les propriétés mécaniques souhaitées. 

 1 Propriétés requises par les armes d’escrime

L’arme, lorsqu’elle atteint sa cible, doit fléchir. Les coups portés sont parfois très appuyés, la lame doit donc posséder une grande flexibilité.
La limite élastique de la lame doit donc être très élevée, pour qu’elle retrouve sa forme initiale après la flexion.
Il est primordial, pour la sécurité des tireurs, d’éviter la rupture de la lame, même lorsque la limite d’élasticité a été dépassée. La dureté de la lame doit donc être importante.

Toujours pour éviter la rupture de la lame, la mise en oeuvre doit être très soigneuse afin d’éliminer les défauts (criques...).

Les contacts entre les lames peuvent être violents, il ne faut donc pas négliger la résistance aux chocs d’une épée. La résilience doit être suffisante.

La durée de vie d’une épée est assez grande pour que les problèmes de corrosion soient pris en compte dans le choix et la mise en oeuvre d’un matériau.

Tout le travail des métallurgistes est donc de concilier ces différents facteurs, avec le meilleur compromis. Depuis 1960, les aciers maraging sont utilisés dans l’industrie et ont connu un développement très rapide. Leurs propriétés remarquables ont séduit les fabricants d’armes d’escrime, ainsi que la Fédération Française d’Escrime.

2 Une solution récente: les aciers maraging

a) Composition chimique des aciers maraging

b) Propriétés mécaniques des nuances courantes

Ces résultats sont obtenus après une trempe d’1 heure et un vieillissement de 3 heures à 480°C, les refroidissements étant effectués à l’air.

Limite élastique: E0.2 (Mpa) 1300 à 2100
Résistance à la rupture(MPa) 1400 à 2100
Allongement(A%) 6 à 12
Striction(Z%) 35 à 65
Résilience(KCU) 2.5 à 6

c) Les traitements thermiques des aciers maraging

Les aciers maraging sont principalement composés d’un alliage Fer-Nickel. L’étude des diagrammes Fer-Nickel ci-dessous donne As, Af et Ms, Mf pour un alliage à 18% de Nickel.

A l’aide d’un diagramme TRC, on obtient le résultat suivant: pour toute vitesse de refroidissement comprise entre 2°C/min. et 150°C/min., la transformation est martensitique et il n’existe pas d’austénite résiduelle (car Mf=215°C).

Ce résultat montre qu’une trempe à l’air est suffisante. De plus, comme Af et Ms sont éloignées, il est possible de pratiquer une opération de recuit à température élevée sans formation d’austénite.
Ce vieillissement en phase martensitique permet la précipitation d’éléments d’addition, qui donnent à l’acier maraging ses propriétés exceptionnelles.
Ces propriétés rendent le traitement thermique très simple puisque seuls une trempe et un revenu sont nécessaires.

La trempe
La mise en solution s’effectue entre 800 et 850°C, et un refroidissement à l’air transforme l’austénite en martensite " douce " (Lath Martensite). Sa structure cristallographique est cubique centrée, et sa structure métallographique est une juxtaposition de plaquettes allongées.

Les propriétés mécaniques de l’acier dans cet état sont:

R environ 1000 Mpa
E0.2 environ 800 Mpa
A% environ 15

Il faut éviter la pollution par le carbone ou le soufre lors de la mise en solution; il n’est pas nécessaire de prendre de précautions supplémentaires.

Le revenu ou vieillissement
La dureté des aciers maraging est augmentée par la précipitation de composés intermétalliques; ces précipités se forment pendant l’opération de revenu.

La grande densité de dislocations de la martensite " douce " favorise la répartition uniforme des précipités tels que Ni₃Mo ou Ni₃Ti, qui améliorent considérablement les propriétés mécaniques du matériau.

Les courbes suivantes justifient les paramètres de revenu généralement employés dans l’industrie: 3 heures à 480°C.

Les recherches actuelles sur les aciers maraging ne s’orientent pas vers la réalisation de nouveaux traitements thermiques, puisque ceux-ci sont parfaitement adéquats, mais plutôt vers une modification des proportions des éléments d’addition. En effet, on modifie les propriétés mécaniques des aciers maraging en modifiant leur composition chimique et non leur traitement thermique.

3 Etude des données constructeur

L’entreprise BLAISE FRERES, qui fabrique des lames d’escrime distribuées dans le monde entier, nous a communiqué quelques informations sur la composition et l’élaboration de son acier maraging.
La mise en solution s’effectue à 820°C pendant 1 heure.
Le revenu s’effectue à 480°C pendant 3 à 5 heures.

Composition chimique:

C 0.03%
Si 0.05%
P 0.002%
Mn 0.01%
Ni 18.66%
S 0.001%
Mo 5.08%
Cr 0.06%
Co 8.84%
Ti 0.75%
Al 0.13%

Nous allons maintenant étudier, pour comprendre ce choix, l’influence des différents éléments d’addition. 

Le cobalt et le molybdène augmentent la résistance à la traction et à la corrosion sous contrainte des aciers maraging. Pour illustrer cette propriété, deux éprouvettes d’acier maraging avec et sans addition de molybdène et de cobalt ont été placées dans de l’eau de mer, soumises à une contrainte voisine de la contrainte élastique. Les premières se sont rompues au bout de 240 jours, tandis que les secondes n’ont tenu que 3 jours.

Le titane améliore aussi la résistance à la traction d'environ 70 Mpa pour 0.1% de titane en plus. Par contre, il abaisse le point de température Ms d’environ 27°C par % de titane ajouté, et a tendance à la ségrégation. Pour ces raisons son addition n’excédera jamais 0.7%.

Les teneurs en silicium et manganèse influent sur la résilience. Elles devront toujours être inférieures à 0.12%, leur somme n’excédant jamais 0.2%.

L’aluminium est un désoxydant et améliore la résistance. Cependant sa teneur restera comprise entre 0.1% et 0.2% pour que l’alliage garde une résilience suffisante.

Des traces de bore (0.003%) et de zirconium (0.02%) rendent l’alliage plus résilient et plus résistant à la corrosion sous contrainte.

Dans l’élaboration des aciers maraging, nous avons vu qu’il faut éviter la pollution par le carbone lors du traitement thermique (teneur maximale en carbone 0.03%). En effet, le carbone réagit avec le titane et le molybdène pour former des carbures. Ce phénomène diminue considérablement les propriétés mécaniques de l’acier.

De même, l’azote (formant des précipités) et le soufre devront être éliminés au maximum. Du calcium sera ajouté pour atténuer l’effet du soufre.

Micrographie d’une surface de rupture due à la formation de précipités de TiC,TiN,Ti₂S.

Le phosphore en faible quantité ne semble pas fragiliser l’acier maraging (<0.015%), le chrome reste sans effet sur les propriétés mécaniques, du moins pour une teneur inférieure à 0.5%.

Le choix des éléments d’addition pour le matériau étudié répond bien aux propriétés mécaniques requises pour la réalisation de lames d’escrime.

BIBLIOGRAPHIE 

Editions HALLEUX, 1980: Alchimistes Grecs. 1. Papyrus de Leyde.

Editions Hedfors, 1932: Compositiones ad tingenda musiva.

Editions PHILLIPPS, 1847: Archaelogia.

Editions BERTHELOT, 1888-1889: Collection des anciens alchimistes grecs.

Maréchal J.R., 1958: " étude sur les propriétés des cuivres à l’arsenic ".

Maréchal J.R., 1963: Revue de la métallurgie, 60, p 135-142.