Les Aciers Martensitiques Chapitre 1

Je pense important avant d’aborder les Aciers actuels d’avoir un historique pour comprendre pourquoi même aujourd’hui ce sujet n’est pas facile à traiter et pourquoi peu d’Aciéristes sont performants dans ce domaine.

Chapitre 1
Ce qui rend passionnant la fréquentation du milieu de la coutellerie que j’ai connue en arrivant au début des années 90 chez Sandvik est le côté quasi mystique entourant la fabrication des lames. Une accumulation de savoir-faire souvent transmise de père en fils ou par compagnonnage. Lors de mes premières visites dans les régions coutelières en Europe et dans le Monde, j’ai constaté combien était forte la tradition de ces entreprises. Je me suis rendu compte également que tous les efforts des couteliers étaient portés sur les manches et le design des lames et que la qualité des Aciers utilisés pour les lames était acquise. Le chemin a été long et compliqué, mais je peux dire avec satisfaction aujourd’hui que cela a changé et que l’acier utilisé pour fabriquer un couteau est pratiquement toujours identifié et mis en avant.
Sandvik depuis 1862 année de sa création grâce au perfectionnement du brevet Bessemer (dont je parlerais plus tard) a été la première entreprise à pouvoir fabriquer en continu des bandes d’acier capables d’êtres souples tout en étant très dures (le réputé Aciers Suédois) Leader incontesté pendant des décennies dans la fabrications des scies pour couper le bois et la pierre.
Aujourd’hui c’est l’Intelligence Artificielle et les coulées virtuelles qui permettent de créer de nouveaux Aciers en réduisant drastiquement les temps de développement de nouvelles nuances qui permettent à cette entreprise centenaire de garder une avance technologique incontestable.
Étrangement ce n'est qu’au XX siècle que la science a compris ce qu'était l'Acier. Au cours des millénaires qui ont précédé, la maîtrise de sa fabrication se transmettait de génération en génération comme un art, même au XIX siècle alors que nous disposions d'un savoir théorique impressionnant en astronomie en physique et en chimie la fabrication du Fer et de l'acier sur lequel était fondé notre révolution industrielle se faisait que d'une façon empirique sur la base d'intuitions et de conjonctures, d'observation méticuleuse et d'une bonne dose de chance. A l’âge de pierre les métaux étaient extrêmement rares et très recherchés, les seules sources disponibles sur terre étaient les gisements naturels (ou natifs) de Cuivre et d'Or. La plupart des autres métaux devaient être extraits de minerais, le Fer peut courant provenait quant à lui des météorites tombées du ciel. Pour preuve les météorites tombés en Bosnie sur une maison entre 2007 et 2008 au nombre de 5, une aberration statistique tel qu'on pouvait être tenté de croire qu’elle a été la cible des extraterrestres, une autre météorite un peu plus grosse en 2011 est tombée au même endroit a fini par rendre ces chutes réellement mystérieuses, des analyses ont confirmé que ces roches étaient bien des météorites composée à 99% de Fer.
Des spécialistes étudient depuis maintenant une bonne dizaine d'années l'endroit pour élucider la fréquence si inhabituelle de ces chutes.
La capacité des métaux à se transformer en objet dur à partir d'un matériau tendre devaient paraître magiques à nos lointains aïeux.
La découverte des métaux a été un moment important de la préhistoire, on pouvait bien entendu attendre qu'il en tombe du ciel mais il aurait fallu s'armer d'une patience infinie puisque chaque année seuls quelques kilogrammes de météorites métalliques s'écrasent sur terre le plus souvent dans les océans, puis une innovation a mis fin à l'âge de pierre et ouvert la perspective d'une quantité illimitée de cette matière première. On a constaté qu’en plaçant une certaine roche verdâtre dans un feu très chaud entouré de braises incandescentes celle-ci se transformait on a un morceau de métal brillant, la roche verdâtre était de la Malachite et le métal obtenu du Cuivre. Quelle éblouissante révélations cela a dû être ! Nos ancêtres n'étaient désormais plus entourés de blocs de pierres inertes mais de mystérieux matériaux dotés d'une vie intérieure. Ils ne pouvaient accomplir une telle transformation qu'avec un nombre restreint de roches comme la Malachite. Pour réussir l'opération Il fallait non seulement choisir la bonne roche mais aussi maîtriser avec précision les conditions chimiques du feu. Ils devaient soupçonner que les roches qui ne réagissaient pas, celles qui restaient obstinément à leur état d'origine quelle que soit l'intensité du feu dans lequel on les plongeait recelaient d'autres secrets. Ils avaient raison. Le processus fonctionne pour de nombreux minéraux mais il a fallu encore des milliers d'années avant que la compréhension des processus chimiques en jeu et donc le contrôle des réactions entre la roche et les gaz engendrés au sein du foyer conduisent à une véritable avancée en matière de fonderie. En attendant dès 5 000 ans avant notre ère, nos ancêtres ont perfectionné à tâtons le procédé de production du Cuivre. Le développement spectaculaire de la technologie humaine qui s’en est suivi a débouché sur la naissance des premières cités, puis des premières grandes civilisations. Il a été calculé que 10 000 tonnes de minerai de Cuivre ont été prélevés en Égypte ancienne afin de produire les 300 000 burins nécessaires à la construction des pyramides. Sans la maitrise de l’élaboration du Cuivre l'entreprise aurait sans doute échoué malgré une main d'œuvre illimité. L’exploit est d'autant plus impressionnant que le cuivre est beaucoup moins dur que la pierre et donc peu approprié pour la sculpture et la taille d'un bloc.

L'autre élément disponible était l’Or. Les bagues sont rarement faites en Or pur car elles seraient vite rayées cependant si vous réalisez un alliage d'Or on y ajoutant une faible proportion d'autres métaux par exemple de l'Argent ou du Cuivre non seulement vous en changerez la couleur, l'argent lui donne un aspect plus blanc, le Cuivre plus rouge mais en plus vous le renforcez. Cette possibilité de modifier les propriétés des métaux par l'ajout d'infimes quantités d'autres éléments rend fascinante l'étude des métaux. Dans le cas des alliages d'Or vous vous demandez peut-être où vont les Atomes d'Argent. La réponse et qu'ils s’intègrent dans la structure cristalline de l'Or, chacun d'eux prenant la place d'un atome d'Or, c'est cette substitution d'Atomes dans le réseau cristallin de l'Or qui le rend plus dur. Les alliages tendent à être plus rigides que les métaux purs pour une raison très simple : les Atomes ajoutés ont une taille et des propriétés chimiques différentes de celles des atomes du métal hôte. Ainsi quand ils sont intégrés dans le cristal de ce dernier ils provoquent toutes sortes de perturbations mécaniques et électriques qui se cumulent pour aboutir à un résultat crucial : ils limitent le déplacement des dislocations. S’'il est plus difficile à ces dernières de se déplacer, le métal est donc plus solide puisque les cristaux changent moins facilement de forme. La mise au point d'alliages c'est donc l'art d'empêcher le mouvement des dislocations. Ces substitutions d'Atomes se produisent naturellement dans certains cristaux. Un cristal d'Oxyde d'Aluminium est incolore quand il est pur, mais lorsqu'il contient des Atomes de Fer il prend une teinte bleutée et devient une gemme que l'on nomme le Saphir, le même cristal d'Oxyde d'Aluminium contenant des atomes de Chrome et lui aussi une gemme appelé Rubis.
Les noms des différents âges de la civilisation, de l'âge du Cuivre à l'âge du bronze puis à celui du Fer correspondent à une succession d'alliages de plus en plus résistants. Le Cuivre est un métal peu résistant mais facile à extraire et qui se trouve à l'état naturel. Le Bronze c'est un alliage de Cuivre contenant des petites quantités d'Etain où parfois d’Arsenic il est bien plus résistant que le Cuivre ainsi si vous aviez en votre possession du Cuivre et les connaissances adéquates vous pourriez fabriquer moyennant un effort minime des armes et des rasoirs 10 fois plus durs et solides que ceux en Cuivre. Le seul problème est que l’Etain et l'Arsenic sont extrêmement rares. A l'âge de bronze, c'est précisément pour cette raison que des routes commerciales ont été créées : pour amener de l'Etain des lieux comme les Cornouailles ou l'Afghanistan vers les centres de civilisation du Moyen-Orient. Je reviendrais plus tard sur l’extrême Orient.
L'Acier est un mélange de Fer et de Carbone, il est bien plus résistant que le Bronze et ces 2 ingrédients sont bien plus abondants, chaque roche ou presque contient de l’Oxyde de Fer, le Carbone se trouve dans tout ce qui brûle . Nos ancêtres ne se rendaient pas compte que l’Acier était un alliage, que le charbon n'étais pas seulement un combustible à utiliser pour chauffer et à remodeler le Fer, mais qu’il pouvait pénétrer à l'intérieur de cristaux de Fer au cours de l'opération. Le Carbone ne produit pas les mêmes effets lors de la fusion du Cuivre de l’Etain ou du bronze mais pénétrais bien avec le Fer. Cela devait être très mystérieux à l'époque. C’est seulement à la lumière de nos connaissances actuelles en mécanique quantique que nous pouvons expliquer pourquoi il en est ainsi : Dans la structure cristalline d'un alliage ferreux, le Carbone ne prend pas la place d’un Atome de Fer, mais il s’insère entre eux créant une distorsion du cristal.
Un autre problème demeure si l’on crée un alliage de Fer contenant trop de Carbone par exemple 4% au lieu de 1% il devient extrêmement cassant et par conséquent impropre à la production d’outils et d'armes, il s'agit là d'un obstacle majeur car par nature un Feu recèle une immense quantité de Carbone. Pour peu que vous laissiez trop longtemps le Fer à l'intérieur du foyer ou que vous le laissiez se liquéfier une quantité excessive de Carbone pénètrera dans le cristal du métal anéantissant vos efforts. Une épée forgée dans cet acier à haute teneur en Carbone se briserait facilement au combat.
Avant le XX siècle, ou la création des alliages a été pour la première fois pleinement expliquée, personne ne comprenait pourquoi certains procédés de fabrication de l'Acier fonctionnaient et d'autres non. On les développait par essais successifs, et ceux qui donnaient satisfaction était transmis de génération en génération. En cas de vol, ces secret professionnels étaient si complexe et les chances de reproduire avec succès la méthode d’un autre était très faible.
Dans certaines cultures, les traditions métallurgiques sont devenues réputées pour la fabrication d'Acier de très haute qualité et ces civilisations ont prospéré.
Mais il n’existe pratiquement pas d’écrits sauf quelques cas rares de description qui permettrait peut-être de reproduire certains aciers utilisés pour la fabrication de lames utilisées par exemple par les Vikings grâce à leur excursion par le Nord en Mer Noire ou bien aux échanges lors des Croisades avec les Normands (ex vikings) les Arabes et les Mongols et les Indous. Il est admis aujourd’hui par les historiens que ce savoir-faire est perdu un peu comme le feu grégeois inventé vers le milieu du VII siècle.
De temps en temps une thèse est publiée ou un Métallurgiste annonce avoir découvert le secret de la fabrication de lames en aciers au creuset ou Wootz qui existaient au XI siècles et qui sont devenues légendaires (mais comme toute légende il faut reconnaitre que ces performances ont été largement surestimée), mais vérification faite et jusqu’à ce jour il ne s’agissait que de fausse informations. J’ai découvert une publication scientifique ou il existe une « recette » mais rien n’indique qu’il s’agit de « la » recette tant les traductions a partir d'anciens livres sont difficiles.
Je vous la communiquerais lors d’un prochain post.
Ce préambule permet de situer la complexité du travail de l’Acier sous toutes ses formes et explique pourquoi même aujourd’hui il n’est pas facile d’élaborer un Acier qui répond soit le meilleur possible.

Merci pour ce brin d’histoire avec ces explications techniques

Le Wootz serait la fontaine de jouvence des aciers


Je ne connaissais pas la présence d’arsenic dans le bronze

Très intéressant, indeed, mais un peu compact, et les lignes longues ne facilitent pas la lecture.
À l'avenir, est-ce que tu pourrais "aérer" ton texte, en sautant une ligne à chaque paragraphe, par exemple ?
Merci pour ce beau boulot.