juin 01, 2020

Encyclopédie de l’Acier Damas : Tout savoir sur l'acier de Damas

Les lecteurs de notre blog Couteau-Damas me posent souvent des questions sur l'acier de Damas.  Cet acier à la fois attrayant et mystérieux a captivé l'imagination de beaucoup de gens. Je vais donc faire de mon mieux pour expliquer ce que c'est et comment il est fabriqué.

Qui n'a pas rêvé un jour de posséder une lame semblable à celle de Saladin ou façonnée comme le terrible harpon du Capitaine Hachab dans les aventures de Moby Dick ? Toutes ces armes légendaires étaient fabriquées dans un acier fabuleux, à la fois étique et tranchant, que l'on connaissait sous le nom de Damas.

Si, pour beaucoup de collectionneurs, la seule évocation de ce mot mystérieux suscite l'envie, l'élaboration de ce matériau et ses véritables qualités sont bien souvent source de confusion et ce, faute de la divulgation pourtant très intéressante des résultats obtenus par les scientifiques métallurgistes de nos jours.

1. Acier Damas : Petite introduction

D'après certaines légendes, le damas est un acier supposé indestructible aux connotations alliant le beau et le magique !

En vérité l'acier damas est seulement de l'acier. Il n'a pas de propriétés magiques, il n'est pas indestructible ; les légendes qui courent à son sujet sont sans doute liées aux effets destructeurs des épées maures sur les armures des chevaliers pendant les Croisades.

veritable acier damas wootz

Ces épées "légendaires" étaient fabriquées à partir d'un acier, le wootz, à haute teneur en carbone (1.5 à 2 %) obtenu en Inde en portant du fer et du carbone (charbon de bois sans doute) à 1200° dans un creuset hermétiquement fermé. Le refroidissement lent de ce mélange permettait la formation d'un réseau de cémentite, le forgeage à basse température (rouge sang /cerise) rompait le maillage de cémentite sans la faire disparaître ce qui permettait d'obtenir en plus de bonnes qualités mécaniques (dureté et souplesse dont les croisés ont souffert…) de très beaux dessins. Cet acier damas est appelé Wootz en Orient et Bulat en Russie.

Aujourd'hui, ce que l'on appelle acier damas est un acier obtenu en soudant alternativement des couches d'acier doux et d'acier dur les unes sur les autres. C'est l'acier damas de corroyage. Le nombre de couches varie de quelques dizaines à quelques centaines suivant les effets recherchés.

acier de damas par corroyage (moderne)

Les objets obtenus à partir de ces empilements sont gravés à l'acide ; l'acide attaquant l'acier dur et l'acier doux à des vitesses différentes, des lignes de gravure vont apparaître à la surface de l'objet. L'acier damas moderne n'a pas plus de propriétés magiques que le wootz. Ses propriétés mécaniques semblent similaires à celles des aciers homogènes à teneur en carbone équivalente.
L'intérêt principal du damas est d'ordre esthétique ; en jouant sur le nombre de couches, les matériaux utilisés, des déformations diverses et variées, un nombre infini de motifs peut être obtenu.

2. Histoire de l'acier de damas

2.1. Origine de l'acier damassé

L'acier de Damas est un type d'acier célèbre, reconnaissable à la forme claire et foncée, aqueuse ou ondulée, du métal. En plus d'être beau, l'acier de Damas était apprécié parce qu'il conservait un bord vif, tout en étant dur et flexible. Les armes fabriquées en acier de Damas étaient largement supérieures aux armes en fer ! Bien que les aciers modernes à haute teneur en carbone fabriqués selon le procédé Bessemer du XIXe siècle surpassent la qualité de l'acier de Damas, il reste un matériau exceptionnel, en particulier pour son époque. Il existe deux types d'acier Damas : l'acier Damas moulé Wootz et l'acier Damas soudé.

Le mot "Damas" remonte aux cultures occidentales médiévales et fait référence à un ancien style d'artisanat qui est apparu pour la première fois en Inde vers 300 avant J.-C. Cet artisanat était prolifique à l'époque, et a probablement été nommé d'après la région qui l'a rendu célèbre.


À cette époque, la culture arabe a introduit l'acier Wootz dans la ville syrienne de Damas, où ce matériau a donné naissance à une industrie d'armement florissante. Damas a importé de l'acier Wootz de Perse et du Sri Lanka pour la production et l'utilisation de lames d'acier hybrides connues pour leur robustesse.

Apparemment, les esprits derrière ce développement technologique ont compris comment la combinaison de divers métaux permettrait de créer des armes plus résistantes que celles fabriquées en acier pur.

Ainsi, l'acier de Damas n'est pas pur. En fait, cette unicité est son charme et son mystère. Le matériau se caractérise par de multiples bandes et marbrures soudées ensemble de manière structurée pour créer des lames décoratives de n'importe quelle forme et/ou longueur avec une incapacité à se briser. L'identification des composites dans l'acier de Damas d'origine reste inconnue aujourd'hui, car il n'existe pas de documents les décrivant. Pourtant, la fabrication moderne de l'acier de Damas suit la pratique consistant à combiner des métaux purs, qui varient en fonction des préférences et des besoins personnels. Bien que les métallurgistes puissent choisir et mélanger les matériaux pour former des billettes d'acier, le fer est favorisé pour sa solidité et sa force d'âme renforcées par le carbure.

Historiquement parlant, l'acier de Damas a adopté une réputation quelque peu énigmatique, puisque les premières références ont disparu vers 1700 après J.-C., un point marquant le déclin des épées à motifs qui cesseront d'être produites une cinquantaine d'années plus tard. La tradition ancienne et l'importance de l'acier de Damas n'ont cependant jamais été oubliées, d'où l'industrie florissante qui existe aujourd'hui.

2.2. Histoire moderne

En Allemagne, durant la seconde guerre mondiale, un grand nombre de lames en acier damas a été fabriqué pour les militaires. Aux Etats Unis, le damas n'a pas été redécouvert avant les années 70. En 1973, Bill Moran a présenté aux collectionneurs sa première lame en damas à l'occasion de l'exposition de la Guilde des Couteliers. A cette époque seulement quelques couteliers commençaient à travailler avec ce "nouveau" matériel. 

3. L'acier de damas, un acier corroyé

L'acier damas laminé a ses origines dès le début de l'age de fer. Il fût découvert que par pliage et soudure dans un feu de carbone, il était possible de produire de l'acier, un composé du fer que l'on peut durcir pour produire des outils et des armes de qualité supérieure. Presque chaque culture dans le monde a développé une forme ou l'autre d'acier laminé. Il existe encore des épées de l'époque des Vikings qui montrent des motifs très développés. En Malaisie, le kris est connu pour ses motifs complexes d'acier laminé. La forme la plus élaborée a sans doute été développée au Japon. Les Japonais, avec un procédé de soudage à la forge d'ensemble de fer doux et d'un acier très carburé appelé tamahagane produisent des épées d'une qualité exceptionnelle et de grande beauté.

3.1. Motifs à partir d'empilements laminés droit.

Les trousses sont réalisées en coupant et en empilant les unes sur les autres des barres d'acier de qualités différentes puis en soudant l'ensemble en un seul bloc. La trousse est ensuite étirée et coupée en deux ou plusieurs morceaux qui sont de nouveau empilés et soudés. Le nombre de couches dans l'empilement final dépend du nombre de couches dans l'empilement initial et du nombre de fois ou il a été plié et soudé. Le nombre de couches suit une progression géométrique 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512 etc.

3.1.1 Le motif veines de bois

Ce sont des motifs créés en réalisant la lame par forgeage. Ce motif peut avoir une direction mais en général il reflète parfaitement la frappe du forgeron, telle qu'elle a été conduite pour former la lame. J'avais abandonné les motifs à veines de bois depuis plusieurs années. Récemment j'ai recommencé à les utiliser avec un grand respect pour leur rendu très naturel et leur aspect presque organique. Le motif à veines de bois surprend ceux qui veulent l'examiner avec attention tellement l'acier semble naturel.

3.1.2 Les motifs à partir de torsades

Le motif torsade nécessite moins de couche dans l'empilement. La trousse, une fois soudée, est forgée avec une section carrée ou ronde puis elle est vrillée à chaud. L'utilisation du damas torsade a été à son maximum pour la création des canons de fusil. Ces canons montrent une maîtrise incroyable de la part des artisans canonniers ainsi que leur créativité. Le damas torsade est aussi facilement utilisable pour les lames et de nombreux motifs peuvent être réalisés à partir du motif de base. Le damas torsade exhibe des étoiles caractéristiques qui apparaissent lorsque l'on coupe la trousse torsadée.

3.1.3 Les motifs à partir de découpes

Ces motifs sont créés à partir d'empilements laminés droits dans lesquels sont pratiquées des découpes. Les découpes dégagent des sections transversales de la trousse. Quand la trousse est remise en température et de nouveau forgée à plat, les fonds de découpes se trouvent remontés en surface ce qui rend visible les sections transversales. Le motif de découpe le plus connu est le damas en échelle qui présente de fines rangées ou bandes disposées en travers de la lame.

3.1.4 Les motifs à partir d'enroulements

De nombreux motifs peuvent être créés en utilisant des combinaisons des différentes techniques. Par exemple une barre peut être d'abord découpée puis torsadée.

A partir d'un nombre de couches assez faible, 7 par exemple, réaliser la soudure puis un étirement pour obtenir une barre avec une section d'environ 25 par 6 mm, aussi longue que possible. Supprimer les résidus de soudure à l'une des extrémités, réduire son épaisseur en dessous de 6 mm et enrouler la barre sur elle-même. L'enroulement se pratique à chaud, en le serrant au maximum mais sans exagérations. Quand l'opération est terminée, vous obtenez un beau biscuit roulé d'acier. Séparer le manche de forgeage du rouleau et le ressouder sur le coté du rouleau. Souder en masse le rouleau. Pour ce faire, il faut le faire tourner dans le sens de la spirale afin de la resserrer avec une frappe légère. Quand le rouleau est soudé, vous pouvez l'étirer puis le replier et le souder comme s'il s'agissait d'un empilement droit. Une fois étiré, il peut aussi être mis en section carré puis coupé pour faire apparaître les spirales à la surface du bloc. Les possibilités sont sans limites.

3.1.5 Les motifs de fin de barre

Souvent les plus beaux motifs se trouvent dans les extrémités des trousses. Il y a plusieurs possibilités pour faire apparaître ces motifs sur les parties plates des lames. Quel que soit le motif de base, vous pouvez couper transversalement une extrémité pour faire apparaître le motif. Pour obtenir des surfaces plus grandes, vous pouvez alterner les découpes de chaque coté de la barre puis déplier l'ensemble comme une bande. Cette méthode est appelée l'accordéon et peut être réaliser par une découpe à chaud ou à la scie à métaux (à ruban). Une autre méthode consiste à mettre la barre sur le coté et à la découper en diagonale. Cela permet d'obtenir une plus longue section de la fin de barre montrant le motif. Les pièces doivent être ensuite retournées puis ressoudées en un seul bloc avec maintenant les motifs de fin de barre à l'extérieur. Cette méthode permet de montrer complètement les fins de barre et ajoute des distorsions en raison de la découpe en diagonal. Les effets peuvent être très intéressants.

3.2 Motifs à partir d'assemblages mosaïque

Le damas mosaïque est devenu assez populaire ces dernières années. Steve Schwarzer, Pierre Reverdy et Hank Knickmeyer ont franchi de nouvelles limites avec cette nouvelle technique et les motifs qu'ils produisent sont merveilleux et plein de créativité.

damas par mosaique

La technique de fabrication du damas mosaïque diffère des techniques de pliages et soudures du damas à couches laminées. Les motifs sont préparés et créés en positionnant différents métaux, de formes et de tailles variables dans un empilement. Quand toutes les pièces sont soudées, les motifs sont présents à l'intérieur de la trousse. Le principe est similaire à celui des mosaïques qui permettent de créer des dessins en juxtaposant des morceaux de différentes couleurs.

3.2.1 Assemblage de barres

Motif damas mosaique drapeau americain

Hank Knickmeyer a réalisé des démonstrations de son procédé à la réunion des forgerons à Batson, en Alabama. Il a pris des barres carrées et rondes qu'il a placées dans un tube d'acier. Il avait organisé les différentes pièces en fonction de ce qu'il souhaitait obtenir. Il a ensuite comblé les espaces libres avec de petites barres de remplissage. Il a soudé les extrémités du tube après l'avoir rempli de pétrole. Pendant la chauffe pour la soudure, la combustion du pétrole réduit l'oxygène ce qui crée un environnement neutre et évitera l'apparition de calamine durant la soudure. La température de soudure a été obtenue dans une forge à gaz et l'ensemble a été soudé en une seule fois avec une presse hydraulique. Compte tenu de l'importance des surfaces exposées, il est primordial de pouvoir réaliser la soudure dans un environnement neutre. La principale difficulté de la méthode de Hank vient de la nécessité d'effectuer une soudure complète en une seule chauffe. S'il reste un trou dans la trousse, les surfaces non soudées vont s'oxyder.

Une autre méthode consiste à souder le tube sur un manche creux qui sera muni d'une valve à l'extrémité qui reste froide. Par cette extrémité, le vide d'air peut être réalisé avec de l'azote ou un autre gaz inerte. L'opération doit être faite plusieurs fois avant la soudure pour être sur qu'il n'y a plus d'oxygène à l'intérieur du tube. Avec cette technique on peut obtenir une soudure parfaite entre des métaux que l'on ne réussirait pas à souder dans un feu ouvert. La méthode de Hank a été perfectionnée par Steve Schwarzer, il obtient de très bonnes soudures presque à chaque fabrication.

motif cible acier damas mosaique par Steve Schwarzer

3.2.1 Assemblage de motifs

Steve et Pierre Reverdy ont développé une nouvelle technique qui incorpore l'utilisation d'outils modernes pour créer leurs motifs mosaïque complexes. En utilisant une machine numérique de découpe par électro-érosion à fil, le motif est percé dans un bloc d'acier puis une autre pièce est réalisée pour combler exactement le motif percé. L'ensemble est ensuite soudé en une seule pièce. Avec cette technique il est possible de réaliser des motifs que l'on n'imaginait pas pouvoir créer avec les méthodes plus classiques.

Barry Gallagher, Shane Taylor et Rick Dunkerly combinent les différentes techniques et inventent de nouvelles catégories de damas mosaïque incluant pliages et soudures avec des matrices de formage. L'idée originale doit être attribuée à Darrel Meier qui a développé le motif appelé "Callico". Ensemble ces forgerons ont créé un nouveau langage avec de l'acier.

motif calico damas mosaique

 

3. Composition de l'Acier de Damas

Les sciences à l'origine de l'acier de Damas et de la sidérurgie sont très impliquées, mais elles affirment l'ingéniosité et la complexité avec lesquelles les techniques et les processus de Damas sont connus et respectés. La métallurgie et la chimie servent de base à la composition et aux multiples applications nécessaires à la production et à l'utilisation de l'acier.

Il est intéressant de noter que l'acier de Damas était considéré comme quelque chose comme du "super plastique", non pas à cause de l'idée qu'il n'était pas un véritable métal - bien qu'il n'ait jamais été pur dans ce sens - mais à cause de la durabilité attribuée à la première référence. Bien que divers types d'acier modernes aient remplacé les lames de Damas en termes de performances, la constitution chimique propre aux processus de production originaux impliquant ces dernières rendait les lames de l'époque exceptionnellement rigoureuses et puissantes.

Depuis 1973, les lames modernes en acier Damas ont été construites à partir de divers types d'acier soudés pour former des billettes. Ces billettes contiennent aussi couramment des bandes de fer pour leur donner la fermeté nécessaire au niveau moléculaire. Elles sont donc étirées et superposées en fonction des besoins dénotés par l'application particulière de la lame et des préférences du propriétaire de la lame. Cela indique que les lames en acier de Damas ne sont pas produites à la chaîne, mais sur la base d'une personnalisation individuelle.
La procédure est simple : les lingots d'acier forment des billettes qui sont pliées comme des "sandwiches" dans d'autres types de métal. Le produit qui en résulte peut comprendre jusqu'à des centaines de couches, et il est certain d'avoir une densité solide et un design varié. Ce procédé éprouvé garantit à chaque fois l'intégrité et le caractère unique de l'acier Damas.

Néanmoins, la composition de base de l'acier de Damas est constituée de deux types de structures dichotomiques : la ductilité et la fragilité. La première permet la compression du matériau pour absorber une augmentation d'énergie qui, autrement, minimiserait ou éliminerait la défaillance de l'intégrité de la lame. La seconde est trompeuse, car la fragilité est généralement liée à la faiblesse. Dans ce cas, cependant, le mot fait référence au degré de flexibilité nécessaire pour éviter l'éclatement ou la rupture, ainsi que pour faciliter l'affûtage du tranchant.
Ce phénomène structurel assure à la lame Damas de couper facilement et de rester durable. L'affûtage convexe offre un tranchant à la finesse du tranchant de sorte que le matériau tranché cède sur les côtés pendant la frappe et minimise ainsi le "collage" qui se produit souvent avec des lames ayant des bords plus émoussés. La fragilité structurelle nécessite donc la rectification convexe.

À un niveau plus profond, des nanotubes de carbone se forment dans l'acier pour permettre la malléabilité et une résistance soutenue pendant le processus de forgeage. La forte concentration de carbone assure une qualité décisive dans l'intégrité de l'acier qui garantit des performances élevées. Cela explique pourquoi le carbone est crucial dans le développement des lames en acier Damas.
Au cours du processus de forgeage, de petits lingots d'acier se forment progressivement pour prendre la forme préférée d'une lame. Cela provoque l'alignement.

4. Acier Damas Wootz

Le développement de l'acier wootz indien ancien est passé en revue. Wootz est la version anglicisée de ukku dans les langues des états du Karnataka et de l'Andhra Pradesh, un terme désignant l'acier. Les récits littéraires suggèrent que l'acier provenant de la partie sud du sous-continent indien était exporté vers l'Europe, la Chine, le monde arabe et le Moyen-Orient.

Bien qu'il soit un matériau ancien, l'acier wootz répond également à la description d'un matériau avancé, puisqu'il s'agit d'un acier à très haute teneur en carbone présentant des propriétés telles que la superplasticité et une grande dureté aux chocs, et qui s'est répandu pendant un millénaire sur trois continents - un exploit qui ne sera probablement pas dépassé par les matériaux avancés de l'époque actuelle.

Wootz mérite une place dans les annales de la science occidentale en raison de l'impulsion donnée par l'étude de ce matériau aux XVIIIe et XIXe siècles aux avancées métallurgiques modernes, non seulement dans la métallurgie du fer et de l'acier, mais aussi au développement de la métallurgie physique en général et de la métallographie en particulier.

Certaines des expériences récentes d'étude du wootz par reconstruction de la composition, de la microstructure et du comportement mécanique, ainsi que certaines preuves archéologiques récentes, sont décrites. 

5. Utilisation moderne de l'acier Damas

Les couteaux et autres objets modernes fabriqués à partir d'acier Damas de corroyage ou soudé par motif portent le motif aqueux tout au long du métal et possèdent bon nombre des mêmes caractéristiques que le métal Damas original. L'acier soudé par motif est fabriqué en superposant le fer et l'acier et en forgeant les métaux ensemble en les martelant à haute température pour former une liaison soudée. Un flux scelle le joint pour empêcher l'oxygène d'entrer. Le soudage par forgeage de plusieurs couches produit l'effet aqueux caractéristique de ce type d'acier de Damas, bien que d'autres motifs soient possibles.