II. Les sources primaires
1) L'homme face au métal
La prise en considération des éléments liés à la fabrication fait partie des approches les plus sensibles qu’on puisse donner à l’étude de l’armement. Et nous avons évoqué comment certains objets, de par leur état, semblent encourager les investigations dans ce domaine. La réalisation de la nécessité d’orienter nos propres travaux en ce sens, en complément de nos
319 BIRINGUCCIO Vannoccio, La pyrotechnie, ou art du feu, contenant dix livres, ausquels est amplement
traicté de toutes sortes & diversité de minieres, fusions & separations des metaux: des formes & moules pour getter artilleries, cloches & toutes autres figures:des distillations, des mines, contremines, pots, boulets, fusees, lances, & autres feuz artificiels, concernans l'art militaire, & autres choses dependantes du feu, traduction de Jacques Vincent, Paris : chez Claude Frémy, 1572.
démarches sur les sujets liés à l’utilisation de l’arme, a été un des points clés de notre recherche. La possibilité d’observer le métal320 en bénéficiant d’apports similaires dans l’esprit, mais évidemment différent dans les effets, à ceux que la connaissance corporelle, dynamique et fonctionnelle des armes basée sur l’étude des sources primaires du combat, s’imposa comme une obligation.
La compréhension et la mise en place de cet axe d’approche dans notre propre travail selon une démarche impliquant le chercheur se fit en plusieurs étapes qui correspondirent également à des phases de réflexions sur la question et de mise en œuvre de solutions adaptées à celles-ci. Ces stades successifs ont tour a tour permis d’envisager des aspects du travail du métal dans la perspective de notre approche de savoir-faire correspondant aux objets étudiés ; aussi apparaîtra dans nos propos des mentions de ces étapes de questionnement, et des réponses proposées.
Notre premier coup de marteau fut donné en juillet 2004. Nous n’avions à l’époque pour travailler qu’un foyer au charbon de bois très réduit en dimensions, à ventilation à manivelle, un simple marteau relativement léger et le tas à frapper d’un étau en guise d’enclume. Cependant, en amont de ce démarrage modeste, ce furent de nombreuses heures passées à consulter de la littérature technique321 acquise quelques mois auparavant, et quelques longs moments également occupés à bénéficier de ce que la toile mondiale pouvait offrir en matière d’informations sur le sujet : notre marteau était donc légèrement arrangé, et ce n’était pas vraiment un pas vers l’inconnu que nous accomplissions.
Là encore, les apports se firent rapidement sentir, même s’ils demeurèrent longtemps difficilement transférables en parole. Surmontant petit à petit les problèmes liés à l’outillage sur lesquels nous reviendrons, la plus importante des réflexions qui nous vint concerna la matière en elle-même. Donc, avant de discuter de nos méthodes, et des retours de notre expérience, il convient de procéder brièvement à quelques rappels sur le fer et l’acier, puisqu’ils sont les principaux matériaux présents dans notre mobilier.
320 Et pas uniquement le métal : nous le verrons, les savoir-fai re techniques impliqués ne se cantonnent pas à
cette seule matière.
321 Notamment les ouvrages de Jim Hrisoulas. HRISOULAS Jim, The Complete Bladesmith, Paladin Press,
a) Notions métallurgiques : le fer et l'acier.
Nous n’approfondirons pas la description des procédés d’extraction du minerai et d’élaboration du fer et de l’acier à l’époque médiévale : notre intérêt se porte principalement vers la métallurgie différenciée, vers les étapes entre le produit semi-fini et l’objet. Les phases initiales de la métallurgie, dans leur variété et leur complexité, peuvent être abordées et approfondies dans les travaux de Peter Crew, Lee Sauder et Skip Williams, Paul Benoit et Philippe Fluzin, Ronald F. Tylecote entre autres322.
Nous tâcherons également de ne pas noyer le lecteur sous des masses de termes, équations et symboles chimiques : la bibliographie indiquée au cours de ce chapitre sera à même de satisfaire la gourmandise scientifique des plus curieux. Notre discours sur la matière s’efforcera d’être simple voire simpliste : les réalités métallurgiques sont bien plus complexes que ce que nous présentons ici ; les raccourcis auxquels nous procéderons sont assumés dans toute leur maladresse.
Mais revenons à nos préoccupations. Revenons au métal. Car pour la plupart des armes de la période médiévale, le fer – et l’acier, alliage de fer et de carbone – est le principal constituant323 de celles-ci et a naturellement une influence certaine sur divers aspects morphogénétiques de l’arme.
Depuis l’Antiquité et pendant la très longue première partie du Moyen Âge, le fer est obtenu par réduction directe du minerai en portant ce dernier à haute température dans un bas- fourneau, alimenté le plus souvent en charbon de bois et en oxygène provenant de l’air atmosphérique insufflé selon diverses méthodes. La réalité des réactions multiples qui se produisent est beaucoup plus complexe, mais pour simplifier, les oxydes de fer constituant le minerai sont réduits par le monoxyde de carbone issu de la combustion du charbon, libérant ainsi le métal au cours d’une réaction solide : il n’y a pas de liquéfaction du fer car on reste à
322 CREW Peter, « The expreriment al Production of Bar Iron », in Journal of the Historical Metallurgy Society
vol. 25, n° 12, 1991, p. 21-36 ; SAUDER Lee & SKIP Williams, « A Practical Treatise on the Smelting and Smithing of Bloomery Iron », in Historical Metallurgy vol 36, n°2, 2002, p. 122-131. ; Paul Benoit et Philippe Fluzin (éd.), op. cit.. ; MANGIN Michel (dir.), DABOSI F., DOMERGUE C., FLUZIN Ph., LEROY M., MANGIN M., MERLUZZO P., PLOQUIN A., SERNEELS V., Le fer, Paris : Editions Errance, 2004, 204 pages. ; Ronald F. TYLECOTE Ronald F., The Medieval Smith and His Methods, in Mediaeval Industry, vol. 40, Council for British Archaeology, 1981 p. 42-50. ; TYLECOTE Ronald F., A history of metallurgy, The Metal Society, London, 1979, 179 pages.
323 Pour davantage d’inform ations à ce sujet dans une optique adaptée à nos préoccupations, voir VERHOEVEN
John, op. cit., encore qu’il s’intéresse principalement aux aciers modernes. On peut également consulter l es travaux d’Alan Williams, cités précédemment. Et nous remercions, pour nos échanges sur le m étal, notre camarade Cyril Langlois.
des températures inférieures à son point de fusion (1538 °C). Selon des conditions spécifiques, le carbone amené par le combustible peut en outre pénétrer dans le fer ; on obtient ainsi de l’acier. Le premier produit à l’issue de cette réduction est une loupe contenant encore beaucoup d’impuretés. De composition hétérogène, elle est épurée par cinglage : elle est martelée à chaud pour en chasser les impuretés et rassembler le métal. Etirage, pliage, soudage, sont répétés autant que nécessaire pour homogénéiser le demi-produit. Certains fers et aciers de réduction directe possédaient en outre d’autres éléments présents dans leur composition (phosphore, souffre notamment), amenés également par le minerai et qui pouvaient en modifier les propriétés.
Les progrès dans l’exploitation de l’énergie hydraulique permirent en outre d’augmenter la puissance des souffleries, et par conséquent la température à l’intérieur des fourneaux – de même que leur taille. La réduction du minerai, qui passe alors par une phase liquide puisqu’on travaille au-dessus du point de fusion du fer, est alors dite indirecte : il faut désormais décarburer les fontes obtenues en oxydant le carbone présent en abondance (plus de 2%) dans l’alliage, ce qui était fait selon diverses méthodes. Les procédés, direct et indirect, coexistent pendant une longue période, chacun avec leurs besoins et leurs résultats propres. Qu’ils soient issus des procédés de réduction directe ou indirecte, les fers et aciers médiévaux présentent une quantité significative d’impuretés présentes sous formes d’inclusions dans le métal, apportées par le minerai, par les parois du fourneau, par les opérations d’affinage comme les scories destinées à réoxyder le carbone des fontes créées dans le haut fourneau324.
Un autre procédé utilisé pour la fabrication de l’acier obtenu par migration de carbone en solution solide dans du fer porté à haute température est la cémentation. Le fer est chauffé en atmosphère réductrice (souvent fermée : on pouvait ainsi placer la pièce métallique et l’élément organique dans une enveloppe en argile). Du carbone, apporté par exemple par du charbon en poudre ou diverses matières organiques pénètre dans le métal pour donner, dans des zones proches de la surface, de l’acier. C’est toutefois un procédé lent, la vitesse de migration du carbone étant de l’ordre de 0,8 mm/h à 1000°C325, et qui ne peut atteindre une grande profondeur. Le carbone n’est en outre pas le seul élément capable de migrer ainsi dans la solution solide de fer ; ces autres éléments peuvent eux-mêmes perturber sa diffusion. Mais
324 Ces hétérogénéités et inclusions sont visibles dans les « flow lines » évoquées lors de la présent ation de
l’objet en tant que source primaire.
325 J. Verhoeven affirme qu’un atome de carbone est capable de se dépl acer dans la mat rice cristalline cubique
si le carbone peut pénétrer dans le fer selon certaines conditions, dans d’autres, l’acier peut voir son taux de carbone décroître
Si le fer et l’acier sont si intéressants dans la fabrication des armes et des outils, c’est qu’ils possèdent des propriétés remarquables. La première est l’augmentation de leur ductilité, de leur malléabilité avec la température : lorsque le fer est chaud, on peut le déformer par martelage, pliage, torsion ou autres. Une autre de ses propriétés essentielles est sa soudabilité : à très haute température, le fer (et ses alliages) « colle » à lui-même. On peut ainsi fabriquer un objet par l’assemblage de diverses pièces en employant à dessein des éléments de composition différente adaptés à l’usage qu’on prévoit pour le dit objet.
L’acier, en raison de la présence de carbone, et à condition qu’elle soit supérieure à 0,4% de la masse, possède en outre la caractéristique suivante : porté à haute température et refroidi rapidement, il voit sa dureté croître considérablement. Ce processus, généralement effectué à l’aide de réfrigérants liquides, est nommé trempe. Notons toutefois que, de manière générale, l’acier même non-trempé existe sous des formes plus dures que le fer pur. Lors de la montée en température, les atomes de carbone se dissolvent dans la matrice cristalline du fer, modifiée par la chaleur : les atomes de fer, théoriquement initialement organisés sous forme de ferrite, modifient leur place les uns par rapport aux autres laissant des vacuités que le carbone vient remplir ; le fer sous cette forme est nommé austénite. La maille cristalline de la ferrite est dite cubique centrée : chaque atome de fer occupe un sommet du cube, un autre atome le centre ; la maille austénitique est cubique face centrée : les atomes de fer occupent les sommets et le centre des faces du cube, laissant entre eux des vides dans lesquels le carbone pénètre. Le refroidissement rapide « piège » le carbone entre les atomes de fer, alors que la maille se rétracte, ce qui élève par conséquent la dureté de la pièce ; on obtient, si le refroidissement est suffisamment rapide, de la martensite. Le corollaire est une augmentation de sa fragilité (elle est plus dure, mais plus cassante), qui peut cependant être nuancée par un réchauffage doux et lent, qu’on nomme revenu, dont les effets microscopiques sont trop nombreux et variés pour être mentionnés. Plus ce revenu est poussé, plus la dureté de la pièce se voit réduite. Un revenu trop fort peut annuler les effets de la trempe.
Sous l’effet d’une chaleur modérée, par exemple au cours du revenu, la surface du métal s’oxyde. Le mince film ainsi formé, dont l’épaisseur varie en fonction du réchauffement subi par la pièce, provoque des interférences entre la lumière réfléchie par la surface sous- jacente du métal et par la surface du film. Le degré de ces interférences dépend de l’épaisseur
de la couche d’oxydes, et résulte en une lumière perçue dont la couleur est altérée. Elle varie du jaune pâle au bleu-vert, en passant par le brun clair, puis sombre, le violet (gorge de pigeon), le bleu profond, le bleu clair. Au-delà d’une certaine épaisseur, les oxydes perdent leur transparence. Naturellement, l’épaisseur de cette couche est également conditionnée par la composition de l’alliage, et par le temps d’exposition à l’atmosphère oxydante. Mais l’observation de cette couleur permet d’estimer la température à laquelle la pièce a été soumise, et donc d’avoir une idée du degré du revenu qu’elle a subi. La couche d’oxydes ainsi formée peut également avoir des propriétés passivantes et esthétiques.
Chauffer une pièce au-dessus de la température d’austénisation et la laisser refroidir très doucement sans qu’il n’y ait trempe permet d’en réduire la dureté : on laisse ainsi le temps à l’austénite de se transformer aussi complètement que possible en ferrite, tout en réduisant la formation de composés eux-mêmes plus durs que cette dernière.
Le milieu dans lequel s’effectue la trempe a son importance. Les transferts calorifiques qui s’y opèrent, en influençant la vitesse de refroidissement du métal, ont une conséquence sur les composés formés dans la matière. Les milieux de trempe les plus commun sont l’eau, la saumure (solution aqueuse de 5% à 10% de sel) et l’huile. Lors d’une trempe dans un bain liquide, le milieu entre en ébullition pelliculaire, créant une enveloppe de gaz autour de la pièce (caléfaction326) : or le gaz absorbe moins vite la chaleur, rendant le refroidissement moins efficace. Agiter l’objet permet de se débarrasser de ce film, et donc d’augmenter l’efficacité du refroidissement ; le film disparaît de lui-même après un certain temps lors d’une phase au cours de laquelle, sous la « violence » du phénomène, les éventuels oxydes de surface vont être éliminés. Une fois l’enveloppe gazeuse disparue, le métal va être directement en contact avec le milieu de trempe, qui sera toujours porté à ébullition mais à un degré moins élevé : on parle d’ébullition nucléée327. C’est alors que les transferts de chaleur sont les plus efficaces. Au-dessous de ce point, la chaleur est simplement absorbée par convection.
Par conséquent, deux facteurs ont une influence dans cette étape. La température initiale du milieu de trempe en est un : plus il est chaud, moins rapidement il absorbera la chaleur de la pièce et la refroidira, tout autant que sera modifié l’apparition des autres phénomènes. De l’eau chauffée à 80°C aura ainsi un taux de refroidissement maximal
326 On peut se rendre compte de ce phénom ène en observant comment une goutte d’eau projetée sur une plaque à
haute température (supérieure à 160°C environ) semble « danser » à la surface sans disparaître : le film de vapeur qui se form e entre elle et la plaque l’isole et la soulève.
inférieur de 60 % à celui de l’eau à 20°C : 90°C par seconde au lieu de 225°C par seconde328. L’huile en revanche sera plus efficace chaude (entre 40°C et 65°C) que froide, en raison d’une réduction de sa viscosité329.
Mais la nature et la composition du milieu entrent également en jeu. Les différences entre l’huile et l’eau sont faciles à concevoir ; celles existant entre l’eau et la saumure sont liées à la présence du sel, qui à la trempe va en effet précipiter, réduisant la durée de la phase d’ébullition pelliculaire.
Lors de la trempe, les forces et les tensions impliquées par les changements de structure dans le métal et par les rétractations de la matière peuvent déformer, fendre ou briser la pièce, d’autant plus si le refroidissement est rapide. Une température non homogène de la pièce, le refroidissement inégal de celle-ci sont autant de facteurs pouvant y contribuer.
Une caractéristique importante aux yeux des métallurgistes et artisans actuels est elle- même un phénomène globalement microscopique330 : la taille des grains, c’est à dire des cristaux formés par l’agencement entre eux des atomes. Ces grains croissent lorsque le métal est porté à température d’austénisation, et d’autant plus vite que la chaleur est élevée331. De gros grains induisent dans la pièce une certaine fragilité ; ils ne sont donc pas souhaités332. Les déformations plastiques du métal disloquent les grains. Or ces dislocations résultent en une énergie stockée dans ces grains, qui à la chauffe va se libérer et permettre la formation de nouveaux cristaux. Ainsi, procéder à des cycles de chauffes brèves au dessus du point de transformation austénitique suivies de refroidissements lents (pour ne pas tremper la pièce) permet d’affiner la taille du grain. Le travail plastique à haute température va permettre d’accroître le taux de formation de ceux-ci tout en profitant d’une ductilité accrue de la matière. La taille du grain a en outre un effet sur la profondeur de trempe de l’alliage : un gros grain permet aux transferts thermiques de s’opérer plus en profondeur qu’un grain fin.
Ceci est un modèle idéal, où les éléments autres que le carbone et le fer ne sont pas pris en compte. Mais ils peuvent être présents, amenés par exemple par le fourneau ou par le
328 BRANDT Daniel A., WARNER Jarius C., Metallurgy Fundamentals : Ferrous and Nonferrous, Tinley Park :
Goodheart -Willcox, 2005, 301 pages.
329 VERHOEVEN John, op. cit. p. 122.
330 Quoiqu’on puisse voir les grains à l’œil nu selon certaines conditions.
331 des phénomènes de tension de surface expliquent les mécanismes de croissance des grains, et d’absorption
des plus petits par les plus gros. Ibid. p. 68-69.
332 MORRIS J.W., Jr., The Influence of Grain Size on the Mechanical Properties of Steel, actes de l’International
minerai, et ainsi grandement affecter les propriétés de l’alliage, et avoir une influence sur l’ensemble des phénomènes présentés ci-dessus. Les autres éléments alliés peuvent ainsi avoir un effet sur la trempabilité de la pièce : en ralentissant la formation des autres produits lors de la trempe, ils induisent une meilleure création de martensite333.
Enfin, un des effets de la déformation plastique du matériau à basse température est l’écrouissage, procédé connu depuis les premiers Âges des métaux : l’écrasement du métal augmente sa dureté, tout en le rendant plus cassant. Dans l’armement médiéval occidental, ces procédés sont surtout utilisés à des buts d’assemblage : une partie saillant hors d’une cavité par exemple est déformée par martelage afin d’empêcher son retrait ; elle est durcie au passage, résultant en un assemblage solide (soie des épées et dagues, rivets des emmanchements par exemple).
b) Le métal ancien.
Si ce rappel était nécessaire, c’est parce que notre toute première réflexion, qui d’ailleurs revint de manière récurrente, concerna la matière. Or les références de travail pour l’apprentissage des savoir-faire liés au métal, que ce soit pour la déformation de matière, son comportement à chaud, ses propriétés de trempe, ses usages possibles, ne mentionnaient et ne se focalisaient que sur des aciers modernes, parfois fortement alliés.
Aussi, dans notre poursuite de la compréhension du geste lié à l’objet, il a paru plus que pertinent de prendre en considération les connaissances et méthodes anciennes de travail du métal.
Les artisans médiévaux ne pouvaient pas avoir conscience des phénomènes microscopiques qui se produisaient à l’intérieur du métal. Ils connaissaient en revanche grâce à de longs siècles d’héritage technique empirique, certains de ces processus ou de leurs effets comme de leurs risques.
Une des propriétés universelles de la matière à haute température est l’émission de lumière dans le spectre visible (l’incandescence). La longueur d’onde de cette lumière, et donc sa couleur, varie en fonction de l’énergie émise par le corps, liée à sa température. C’est