Armes et acier

Armes et acier

article tiré de la gazette des "Gentilhommes de la Brette, association d'escrime artistique et ancienne:

http://gentilshommesbrette.free.fr/

Avec leur aimable accord.

Fabrication et composition
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La qualité d’une arme dépend de la qualité du métal, de son mode de fabrication et de son dessin. Elle ne sera jamais une « arme à tout faire » et doit être jugée en fonction des intentions de son concepteur.

En règle générale, une bonne épée doit être :
• légère pour sa taille. Pas plus de 1.2, 1.3 kg pour une épée à une main, pas plus de 1.6 kg pour une arme à deux mains. Les armes plus lourdes fatiguent les bras et surtout ont une escrime trop primaire (frapper trancher). Le moindre adversaire esquivera de corps et jouera sur la légèreté de son arme.
• bien équilibrée. Encore plus que le poids, l’équilibre est fondamental. Le pommeau joue un grand rôle, avec la longueur de la poignée. Une bonne épée ne fatigue pas le poignet, accompagne les mouvements et n’a pas trop d’inertie. Une arme mal équilibrée est un danger : une fois le coup parti, il n’est plus question de l’arrêter, on risque d’être entraîné et surtout la dynamique rend le combattant trop prévisible.
• avec de bons quillons. Les quillons (les éléments perpendiculaires à la lame) n’ont pas un rôle ornemental. Ils sont fondamentaux pour la sécurité (les coups parés remontent facilement la lame et couperaient la main en deux), les prises d’armes (un grand quillon est très utile pour bloquer le fer de l’adversaire par un mouvement tournant du poignet et remonter sur son fer), et les mouvements (un grand quillon gène les dégagements et les coupés de l’adversaires).

Métallurgie
Les armes et les techniques militaires sont intimement liées à l'état de la technique, et plus spécifiquement à la métallurgie. Le travail du fer a commencé plus d'un millénaire avant notre ère mais les difficultés de production en faisaient un métal rare et précieux, et en tout cas bien moins intéressant que le bronze (alliage cuivre étain) dont les composants avaient l'avantage d'exister à l'état natif. Contrairement à une croyance commune, le fer n'est pas utilisable sous forme pure : il se corrode très rapidement, il casse difficilement mais est trop souple pour une utilisation efficace et manque de dureté. En pratique, le fil de la lame céderait à la moindre sollicitation. Une bonne arme ou une bonne cuirasse se doit de répondre à certains critères:
- élasticité : capacité de l'arme à retrouver sa forme originale après un coup. Elle est définie par la limite élastique.
- résilience, ductilité : capacité du métal à se plier ou à se déformer sans casser.
- dureté : résistance intrinsèque du métal au choc.
- pureté : des imperfections affaiblissent l'arme et favorisent le bris soudain. A long terme, le métal travaille et se rompt plus facilement.
- résistance à la corrosion.
Il existe de nombreuses autres contraintes, telles la résonance (une arme ne doit pas entrer en résonance lors du choc car le combattant risque de la lâcher par contrecoup) ou la tolérance aux erreurs (un débutant ou un milicien peut ne pas maîtriser la technique et parer un peu n’importe comment, ce qui pousse à lui donner des armes surdimensionnées).

Les techniques
Les forgerons du Moyen Age n'avaient aucune connaissance théorique. Pourtant l'expérience et d'innombrables essais leur ont permis de façonner des armes de très grande qualité. La fabrication d’une arme passe par l’extraction du minerai, la purification, l’élimination du carbone, les traitements thermiques et le polissage. Rater une étape conduit à jeter tout le travail au rebut.
Contrairement à ce qu’on pense généralement, le martelage à chaud n’a pas pour but premier de mettre la lame en forme (c’est relativement rapide), mais :
- de gérer la teneur en carbone du métal. L'arme idéale doit contenir un peu de carbone, qui augmente la dureté, mais pas trop, ce qui aurait pour effet de rendre la lame cassante et inutilisable. Pour parler grossièrement, le fer est trop doux, l'acier utilisable, la fonte trop cassante.
- obtenir la structure cristalline la plus intéressante possible. L’arrangement régulier des atomes conduit à une lame dure, mais cassante (peu de tolérance à la flexion), une disposition erratique est bien plus souple mais moins dure. On la modifie en provoquant des chocs thermiques comme la trempe ou le recuit.

Purification du Minerai : la réduction du Fer
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Le minerai de fer est communément un oxyde de fer rouge ou noir qu'il s'agit de réduire, c’est à dire se débarrasser de l’oxygène par apport de carbone. Les atomes d'oxygène se lient au carbone du bois ou du charbon et partent sous la forme de CO, ce qui laisse du fer pur Fe et une gangue de résidus carbonés et d'impuretés. La proportion optimale de carbone est d'environ 0.5 à 0.7% selon l'utilisation. A l'époque la détermination du taux de carbone se fait à l'œil et demande une grande expérience.

Gestion du taux de carbone : décarburation/carburation
Pour modifier le taux de carbone, il faut « écarter » les atomes pour permettre un échange plus facile avec le milieu gazeux. L’austénitisation est le traitement thermique consistant en une chauffe du métal afin que les processus chimiques désirés se réalisent. En pratique, il s'agit de la chauffe de la pièce à 880-900°.
Le martelage de la lame permet de faire migrer progressivement les atomes de carbone vers la surface et de décarburer.
L’action contraire, la cémentation, consiste à traiter des métaux et alliages pour en augmenter la dureté superficielle. Dans le cas des aciers à faible teneur en carbone (moins de 0.25%), il s'agit de placer la lame dans un environnement riche en carbone (du charbon) puis à porter à environ 900° ce qui favorise la diffusion progressive du carbone jusqu'à un taux optimal (de 0.7 à 0.8%). Le temps de chauffe est d'environ 10 heures par mm.

Gestion de la structure cristalline
Le premier procédé, le plus connu est la trempe. Il s’agit de tremper la lame dans un liquide (l’eau le plus souvent, l’huile parfois car elle réduit la vitesse de refroidissement) pour la refroidir rapidement. L'acier chauffé, appelé austénite se transforme lors du refroidissement :
- s'il est très rapide, on obtient de la martensite, très dure mais fragile. Cette structure cristalline est particulièrement néfaste pour les armes car elles casseraient au premier coup.
- s'il est intermédiaire, on obtient de la bainite qui correspond plus ou moins à la structure cristalline du métal initial. C’est la structure préférée.
- s'il est lent (inférieur à la "vitesse critique de trempe", on obtient de la troostite moins dure que la bainite. Cette trempe est aussi appelée trempe douce.
On voit bien ici que l’expérience du forgeron est primordiale : trop rapide, la lame casse, trop lente, elle est trop douce.

Le refroidissement provoque des tensions internes entre le cœur encore chaud et la surface au contact de l’eau, qui risquent de provoquer des criques ou des fentes (les tapures). Pour l'éviter, la trempe est suivie du revenu. Il vise à limiter les risques de tapure et développer la résilience du métal. Normalement, l'acier est chauffé à plus de 200°, maintenu à température puis refroidi très doucement. Dans les cas où le but principal est une grande dureté et d'une plus grande ductilité, la température est inférieure à 200°.

En cas de problème, on utilise le recuit, procédé visant à éliminer les défauts structurels provoqués par les traitements antérieurs, comme les tensions internes. La pièce est chauffée assez fortement pour modifier l'ordonnancement cristallin. Il existe autant de types de recuit que de rectifications. Par exemple :
- recuit complet : destiné à éliminer les éléments durs d'un acier pour en faciliter l'usinage.
- recuit de diffusion : destiné à homogénéiser la structure chimique d'une grande pièce.
- recuit de régénération : destiné à modifier la structure interne du métal pour en améliorer les qualités. C'est l'utilisation la plus courante.
- recuit de détente : destiné à éliminer les tensions internes consécutives à une trempe ou à une soudure.

Chacun de ces procédés a des avantages en terme de solidité, de dureté ou de résilience, mais il existe toujours des effets secondaires. L'acier final est toujours le fruit d'un choix entre les techniques, le produit désiré et le coût. Une simple erreur ou une fausse manœuvre (en particulier lors de la trempe) suffit pour modifier la structure interne du métal et à le rendre inutilisable. D'autres techniques sont incompatibles avec le but désiré. Par exemple, un acier destiné à fabriquer une cote de maille devra passer au tréfilage. Or, un recuit de régénération augmente la fragilité du métal et le rend presque impossible à travailler.

Les techniques de trempe, de recuit et de cémentation sont connues, au moins de manière empirique depuis près de 3000 ans. Les premiers fers utilisés sont par nature peu raffinés, donc souvent chargés en impuretés, ce qui conduit à des résultats étranges voir désastreux. La première cémentation documentée date du XIIième siècle.

Un élément que ne pouvaient pas contrôler les forgerons du Moyen Age était la présence de métaux associés. Le minerai de chaque mine comprend des quantités infimes d'autres métaux dont la présence a un impact sur la qualité de l'acier. Les lames de certaines régions ont longtemps eu une réputation internationale, non seulement à cause de la compétence des forgerons, mais aussi et surtout grâce au minerai spécifique de la région. La présence d'impuretés comme le soufre rend les aciers impropres à tout usage. Les aciers modernes utilisés pour l’escrime ont un cahier des charge très précis (à 0.01% près) quant aux quantités d’impuretés.

Quelques adjuvants et polluants courants- Soufre : polluant rendant l'acier cassant. Neutralisé par l'adjonction de calcium.
- Cobalt : augmente la résistance à la corrosion et à la traction.
- Chrome : améliore la résistance à la corrosion.
- Nickel : améliore la résistance à la corrosion.
- Molybdène : augmente la résistance à la corrosion et à la traction.
- Titane : augmente la résistance à la traction mais a tendance à la ségrégation. Un taux trop important rend la lame cassante.
- Silicium : améliore la résilience.
- Manganèse : améliore la résilience.
- Vanadium : améliore la résistance mécanique à chaud et améliore la résistance à la surchauffe.
- Aluminium : améliore la résistance et la résistance à la corrosion, mais diminue la résilience.
- Bore : augmente la résistance à la corrosion sous contrainte et améliore la résilience.
- Zyrconium : augmente la résistance à la corrosion sous contrainte et améliore la résilience.
Le degré de technicité actuel est très élevé et les quantités de métaux parfaitement contrôlées. Les lames d'escrime modernes sont fabriquées en acier maraging (martensitic aging) à très faible teneur en carbone (de l'ordre de 0.03%) mais avec plus de quinze métaux ajoutés.

Quelques techniques communes
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- Le replié-martelé
Le premier millénaire a vu l'apparition de lames forgées à partir de plusieurs feuilles de fer et de fer carburé, plié, replié et martelé avec un tranchant en acier à fort teneur en carbone. Ces lames souvent appelées "mérovingiennes" sont très rares.
- Le damas
Les épées damassées sont parmi les plus réputées. A l'origine produites au Moyen Orient, elles sont rapidement devenues la norme pour les armes de grande valeur. Elles combinent un minerai de qualité et une technique éprouvée. La fabrication commence par un raffinage classique donnant un acier, le wootz à 1.5-2% de carbone, ce qui est bien trop élevé et rend l'acier cassant. Le refroidissement est lent et forme une cémentite. La décarburation s'opère par martelage à basse température jointe au pliage et repliage de la matrice. Nous savons maintenant que ce procédé permet de mettre toutes ses parties en contact avec l'air et de réduire le taux de carbone. Le martelage permet l'interdiffusion des atomes de carbone, c'est çà dire une homogénéisation de la lame conjointe à un abaissement de sa teneur en carbone. Globalement, la lame obtenue a un faible taux de carbone uniformément réparti, ce qui lui donne une bonne résistance tout en conservant sa résilience
Enfin, le forgeron révèle les motifs par damasquinage, c'est à dire par application d'acide attaquant les couches superficielles de l'épée.
- Le damas soudé
Rapidement, les forgerons s'avisèrent de l'intérêt de mélanger plusieurs types d'aciers pour obtenir une arme plus efficace. L'âme de l'arme est composé d'un acier doux, ductile et résistant au vrillage, alors que le fil sera composé d'un acier dur trempé capable d'absorber les chocs. Tout l'art du forgeron est d'allier les différents aciers et de maîtriser le degré de carburation à l'aide de son expérience, de sa connaissance des températures et des réactions du métal. La technique d’utilisation de différents métaux se retrouve sur les lames des armes orientales.

- Les aciers Maraging
Ces aciers sont utilisés pour les lames d'escrime contemporaine. Cet alliage Fer-Nickel (à 18%) est réalisé à partir d'un forgeage à chaud suivi d'un refroidissement à l'air et d'un recuit simple. La qualité de l'arme vient avant tout des métaux entrant dans la composition de l'alliage. Plus spécifiquement, le refroidissement à l'air permet la transformation de l'austénite en lath martensite et le recuit permet la précipitation des composés (formation de molécules spécifiques). Une spécificité de cet acier est le peu de carbone total (moins de 0.05%).

Sources :
Glossaire de la FFE et FREB (Belgique) – voir leur site
Annexes du règlement international, parties 2 à 4.
L’acier maraging: - par G. Maeder et par R. Ravez et G. Billon.
Les armes blanches modernes - C-H TAVARD - Balland.
Gazette des Uniformes, 1980, page 133.