Article original de JOHN D. VERHOEVEN traduit de l'anglais provenant de SCIENTIFIC AMERICAN - "The Mystery of Damascus Blades" p74-79

De l'âge du bronze jusqu'au 19e siècle, les guerriers ont utilisé l'épée comme arme. Les armées possédant de meilleures versions jouissaient d'un
un net avantage tactique.

Et ceux qui possédaient des épées de Damas - que les Occidentaux ont rencontrées pour la première fois lors des croisades contre les nations musulmanes - avaient ce que certains considèrent comme la meilleure épée de toutes.

Ces lames, dont on pense à l'origine qu'elles ont été fabriquées à Damas (aujourd'hui en Syrie), présentaient deux qualités que l'on ne retrouve pas dans les variétés européennes. Un motif ondulé, connu aujourd'hui sous le nom de damas ou damascène, décorait leur surface.

lame damas wootz antique

Poignard avec une lame en acier Damas, provenant de l'Inde moghole, a été fabriqué vers 1585. La lame de qualité est épaissie près de la pointe de la hampe de perçage ; la poignée en or est sertie d'émeraudes et de rubis.

Et, ce qui est plus important, le bord pouvait être incroyablement aiguisé. La légende raconte que les épées de Damas pouvaient trancher un mouchoir en soie flottant dans l'air, un exploit qu'aucune arme européenne ne pouvait égaler.

Malgré la renommée et l'utilité de ces lames, les Occidentaux n'ont jamais réussi à comprendre comment l'acier - également utilisé pour les poignards, les haches et les pointes de lance - était fabriqué.

Les métallurgistes et les forgerons européens les plus accomplis n'ont pas pu le reproduire, même après avoir ramené des spécimens chez eux et les avoir analysés en détail.

L'art de la production s'est perdu même dans le pays d'origine ; les experts s'accordent généralement à dire que les dernières épées Damas de haute qualité ont été fabriquées au plus tard au début des années 1800.

Récemment, cependant, un forgeron ingénieux et moi-même avons, nous le pensons, percé le secret.

Nous ne sommes pas les premiers à revendiquer une solution, mais nous sommes les premiers à l'avoir prouvée en réalisant des répliques fidèles de ces armes vénérées.

Pour valider toute théorie sur la fabrication des épées et des poignards de Damas, les répliques doivent être fabriquées à partir des mêmes matériaux que les originaux. Les armes finies devraient également porter le même motif de damas et avoir la même structure chimique et microscopique.

Qu'est-ce que le véritable acier de Damas ?

On sait que les véritables lames de Damas ont été fabriquées dans cette ville - et plus tard ailleurs dans le Moyen-Orient et l'Orient musulmans - à partir de petits lingots d'acier (un mélange de fer et de carbone) expédiés d'Inde ; ces matériaux de départ sont appelés lingots ou gâteaux wootz depuis 1800 environ.

Ils avaient la forme de palets de hockey, d'environ quatre pouces de diamètre et d'un peu moins de deux pouces de hauteur.

Les premiers observateurs anglais en Inde ont établi que les épées Damas wootz étaient fabriquées en forgeant directement ces lingots en forme de lame par de nombreuses opérations répétées de chauffage et de martelage.

L'acier contient environ 1,5 % de carbone en poids, ainsi que de faibles niveaux d'autres impuretés telles que le silicium, le manganèse, le phosphore et le soufre.

L'attrayant motif de surface que l'on trouve sur les épées Damas peut toutefois être créé d'autres façons. Les artistes-forgerons modernes peuvent "forger" des feuilles alternées d'acier à haute et à basse teneur en carbone pour former un composite complexe.

Ce type de soudage à la forge, ou "Damas de corroyage", a une tradition en Occident qui remonte à la Rome antique, et on trouve des techniques similaires en Indonésie et au Japon.

La structure interne résultant de ces techniques est cependant totalement différente de celle des lames wootz. Pour éviter toute confusion entre les deux types de fabrication, j'appellerai les lames soudées à la forge des Damas de Corroyage et je réserverai le terme de Damas "wootz" aux armes qui nous intéressent dans cet article.

Dès 1824, Jean Robert Bréant en France et, un peu plus tard, Pavel Ano- soff en Russie, annoncent avoir réussi à percer le secret des forgerons musulmans et affirment avoir reproduit les originaux.

Au cours de ce siècle, d'autres solutions ont été proposées, la plus récente par Jeffrey Wadsworth et Oleg D. Sherby. Mais en aucun cas les artisans modernes n'ont pu utiliser les méthodes proposées pour produire des lames satisfaisantes ayant l'aspect extérieur et la structure interne des originaux anciens.

Les efforts visant à comparer les caractéristiques chimiques et microscopiques des lames wootz modernes avec leurs homologues plus anciens ont longtemps été entravés par un curieux obstacle.

Les armes de Damas de qualité musée sont des objets d'art précieux et sont rarement sacrifiées à la science pour l'examen de leur structure interne.

En 1924, cependant, le collectionneur européen Henri Moser a fait don de quatre épées au métallurgiste B. Zschokke, qui les a sectionnées pour une analyse chimique et microstructurale. Les autres pièces sont allées au Musée de Berne, en Suisse, qui m'en a récemment donné quelques-unes pour que je les étudie.

Mais je me suis vite rendu compte que je devais travailler avec quelqu'un de compétent dans l'art de forger des armes tranchantes. Le maître forgeron Alfred H. Pendray avait travaillé de manière indépendante sur le puzzle de Damas. Il fabriquait de petits lingots dans un four à gaz et les forgeait en forme de lame, et il avait souvent obtenu des microstructures très proches de celles des lames anciennes de qualité supérieure.

Nous avons commencé à collaborer en 1988. Dans sa jeunesse, Pendray a appris de son père le métier de maréchal-ferrant et a une compréhension profonde et patiente de l'art de forger l'acier.

Mais pour reproduire une technique, nous devions étayer nos théories par des données scientifiques précises et une attention rigoureuse aux détails de nos expériences.

En 1993, un de mes étudiants de l'université d'État de l'Iowa et moi-même nous sommes rendus à l'atelier de forge de Pendray près de Gainesville, en Floride, où nous avons installé des thermocouples et des pyromètres infrarouges contrôlés par ordinateur pour enregistrer les températures des processus de fusion et de forgeage que nous essayions.

Au début, nous avons essayé de produire des lames en utilisant la méthode proposée par Wadsworth et Sherby, mais nous n'avons pas réussi à obtenir la microstructure interne ou les motifs damascènes de surface.

Ensuite, pendant plusieurs années, nous avons mis au point une technique que Pendray peut utiliser régulièrement pour reconstituer des lames en acier damassé wootz.

 

Il peut également reproduire le motif connu sous le nom d'échelle de Mohammedia, que l'on retrouve sur certains des plus beaux exemples musulmans anciens. Dans ce motif, les ondulations s'alignent en forme d'échelle sur toute la longueur de la lame ; on pensait qu'il s'agissait d'un symbole de la façon dont les fidèles montaient au ciel.

Notre technique est similaire à la méthode générale décrite par les chercheurs précédents, mais avec des différences cruciales. Nous produisons un petit lingot d'acier d'une composition précise dans un creuset fermé, puis nous le forgeons en forme de lame.

Notre succès - et ce qui nous permet d'aller plus loin que nos prédécesseurs - dépend essentiellement du mélange de fer, de carbone et d'autres éléments (tels que le vanadium et le molybdène, que nous appelons des éléments d'impureté) dans l'acier, de la température et de la durée de la cuisson du creuset, ainsi que de la température et de l'habileté utilisées lors des opérations de forgeage répétées.

Lorsque j'ai examiné les précieux spécimens, j'ai constaté qu'ils contenaient des bandes de particules de carbure de fer, Fe3C, connues sous le nom de cémentite. Ces particules ont généralement un diamètre de six à neuf microns, sont bien arrondies et étroitement regroupées en bandes espacées de 30 à 70 microns, qui sont alignées parallèlement à la surface de la lame, comme le grain d'une planche de bois.

Lorsque la lame est attaquée à l'acide, les carbures apparaissent comme des lignes blanches dans une matrice d'acier sombre. Tout comme les anneaux de croissance ondulés d'un arbre produisent les motifs tourbillonnants caractéristiques du bois coupé, les ondulations des bandes de carbure expliquent les motifs damascènes complexes de la surface des lames. Les particules de carbure sont extrêmement dures et l'on pense que la combinaison de ces bandes d'acier dur au sein d'une matrix plus souple d'acier à ressort confère aux armes damascènes un tranchant dur associé à une flexibilité résistante.

J'ai d'abord tenté de faire correspondre les microstructures de l'acier Damas wootz dans les limites d'un laboratoire universitaire.

Une histoire d'acier

Si vous disposez d'un acier contenant environ 1,5 % de carbone, que vous y ajoutez l'un des nombreux éléments d'impureté (à des niveaux étonnamment bas, autour de 0,03 %) et que vous le soumettez à cinq ou six cycles de chauffage dans une plage de température précise et de refroidissement à température ambiante, vous pouvez obtenir la formation de groupes de particules de carbure agglomérées.

Ce sont ces particules de carbure qui produisent les patrons de surface caractéristiques pendant le forgeage. Des expériences menées sur des lames anciennes et modernes montrent que la formation de bandes résulte de la ségrégation à un niveau microscopique de certains éléments impurs lors du refroidissement et de la solidification du lingot liquéfié.

Voici comment la microségrégation se produit dans l'acier. Lorsque le lingot chaud refroidit et se fige, un front solide de fer crystallisé s'étend dans le liquide, adoptant la forme de projections en forme de pin appelées dendrites.

Dans l'acier à 1,5 % de carbone, le type de fer qui se solidifie à partir de l'acier liquide est appelé austenite. Dans les régions situées entre ces dendrites (appelées régions interdendritiques), le métal liquide est brièvement piégé.

Le fer solide peut contenir moins d'atomes de carbone et d'autres éléments que le fer liquide. Ainsi, lorsque le métal se solidifie en dendrites de fer cristallines, les atomes de carbone et d'impuretés ont tendance à se séparer dans le liquide restant.

Par conséquent, la concentration de ces atomes peut être très élevée dans les dernières régions interdendritiques à geler.

Au fur et à mesure que le fer se solidifie et que les dendrites grandissent, les régions inter-dendritiques se retrouvent avec un réseau d'atomes d'impuretés gelés en place comme un collier de perles.

Plus tard, lorsque le lingot subit de multiples cycles de chauffage et de refroidissement, ce sont ces atomes d'impureté qui favorisent la croissance des chaînes de particules de cémentite dures qui constituent les bandes plus légères de l'acier.

Nous pouvons montrer que ce réseau est lié aux bandes claires et foncées de l'acier wootz. La distance entre les branches des dendrites est d'environ un demi-milimètre, et au fur et à mesure que le lingot est martelé et que son diamètre est réduit, cette distance est également réduite. L'espacement final entre les dendrites correspond étroitement à la distance entre les bandes dans l'acier Damas.

Pendant le forgeage, il est important d'obtenir la bonne température dans l'acier pour obtenir un mélange de particules d'austénite et de cémentite. Lorsque la température du lingot tombe en dessous d'un point critique, des particules de carbure de fer (les mêmes particules de cémentite que j'ai vues dans les lames Moser) commencent à se former.

La température la plus basse au-dessus de laquelle tout l'acier en refroidissement reste en austénite est appelée la température A. Dans les aciers contenant plus de 0,77 % de carbone, la température A est appelée température Acm. En dessous de la température Acm, des particules de cémentite commencent à apparaître, espacées de façon aléatoire dans l'acier austénitique.

L'astuce de la formation de bandes

INGOT DE REFROIDISSEMENT de l'acier Damas Wootz

L'INGOT DE REFROIDISSEMENT de l'acier Damas, à un niveau microscopique, présente un front de métal gelé s'étendant dans l'acier fondu, cristallisant, au début, en formations ressemblant à des pins appelées dendrites. Les atomes des éléments d'impureté (en rouge) tels que le vanadium se séparent rapidement du fer solide dans les régions situées entre les dendrites, où ils se figent en place, alignés comme les perles d'un collier. Au cours des cycles ultérieurs de chauffage et de refroidissement, ces atomes d'impureté sont à la base de la croissance des particules de carbure de fer dur (cémentite), qui constituent les bandes claires de la lame de Damas. La micrographie du haut montre des bandes claires et sombres dans une section d'une épée de Damas originale. La micrographie du bas montre une section de la reconstruction moderne de l'auteur. La similitude entre les deux structures indique que la technique moderne est une réplique exacte du processus original. 

L'un des principaux mystères des lames Damas wootz est la façon dont le simple forgeage de petits lingots d'acier dans la forme d'une lame peut faire en sorte que les carbures s'alignent en bandes distinctes.

Nous avons systématiquement examiné les sections transversales des lingots forgés lorsque nous les avons transformés de la forme d'une rondelle de hockey en lame.

Pour obtenir ce changement, nous avons chauffé un lingot à une température à laquelle l'acier forme un mélange de particules de cémentite et d'austénite, puis nous l'avons martelé.

Pendant que le lingot était forgé, il refroidissait d'environ 50 degrés Celsius sous l'Acm à environ 250 degrees C sous l'Acm. Pendant ce refroidissement, la proportion de cémentite particulaire augmentait.

Nous soumettions ensuite le lingot à un autre cycle de chauffage et de martelage entre les deux mêmes températures. Par expérience, nous avons constaté qu'il fallait environ 50 de ces cycles de forgeage pour produire une lame proche de la taille des originaux - 45 millimètres de large et 5 millimètres d'épaisseur.

C'est ainsi que nous pensons que le phénomène se produit :

Au cours des quelque 20 premiers cycles, les particules de carbure dur se forment de manière plus ou moins aléatoire, mais à chaque cycle supplémentaire, elles ont tendance à s'aligner plus fortement le long du réseau de points formés dans les régions interdendritiques.

Cette amélioration s'explique par le fait que chaque fois que l'acier est chauffé, certaines de ses particules de carbure se dissolvent. Mais les atomes des éléments d'impureté ralentissent la vitesse de dissolution, ce qui fait que de plus grandes particules de carbure restent.

À chaque cycle de chauffage et de refroidissement, ces particules ne croissent que légèrement, ce qui explique le nombre élevé de cycles nécessaires à la formation de bandes distinctes. Comme les éléments d'impureté sont alignés dans les régions situées entre les dendrites, les particules de carbure s'y concentrent également.

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Les bons éléments

Bien que nous ayons longtemps soupçonné que les éléments d'impureté jouaient un rôle clé dans la formation des bandes, nous n'étions pas sûrs de savoir lesquels étaient les plus importants.

Nous avons rapidement déterminé que le silicium, le soufre et le phosphore, dont la présence dans les anciens aciers wootz est bien connue, ne semblaient pas être des acteurs majeurs.

Mais cette information n'a pas résolu le problème. Nous avons eu une percée heureuse lorsque nous avons commencé à utiliser le métal de Sorel comme ingrédient pour les lingots. Ce métal est un alliage fer-carbone de haute pureté contenant de 3,9 à 4,7 % de carbone, produit à partir d'un important gisement d'ilménite au lac Tio, sur le fleuve Saint-Laurent, au Québec.

Le gisement de minerai contient des traces de vanadium ; par conséquent, le métal de Sorel contient une impureté de vanadium de 0,003 à 0,014 pour cent.

Au départ, nous n'avons pas tenu compte de cette impureté car nous ne pouvions pas croire qu'une concentration aussi faible était significative. Mais nous avons fini par nous rendre compte (après deux ans à nous heurter à un mur de briques) que même de faibles concentrations pouvaient être importantes. L'ajout de vanadium en quantités aussi minuscules que 0,003 % à des alliages fer-carbone de haute pureté a permis d'obtenir un bon laminage.

Le molybdène produit également l'effet recherché et, dans une moindre mesure, le chrome, le niobium et le manganèse. Les éléments qui ne favorisent pas la formation de carbures et de bandes sont le cuivre et le nickel.

La microanalyse par sonde électronique a confirmé que les éléments efficaces, lorsqu'ils ne sont présents qu'à 0,02 % ou moins dans les lingots, sont micro-ségrégués dans les régions interdendritiques et y deviennent beaucoup plus concentrés.

Pour vérifier notre conclusion selon laquelle les bandes proviennent de la microségrégation d'éléments d'impureté menant à la microségrégation des particules de cémentite, nous avons mené des expériences conçues pour montrer que si nous nous débarrassions de la microségrégation des atomes d'impureté, nous pourrions nous débarrasser des bandes.

Nous avons pris de petits morceaux de lames anciennes et modernes joliment baguées et les avons chauffés à environ 50 degrés C au-dessus de la température Acm. À cette température, toutes les particules de carbure de fer se sont dissoutes dans l'austénite.

Nous avons ensuite trempé les lames dans l'eau. Le refroidissement rapide a produit la phase martensite de l'acier, très dure et résistante, sans particules de carbure. Comme les particules de carbure avaient disparu, les bandes qui en provenaient aussi.

Pour recréer les particules de cémentite, nous avons soumis les lames à plusieurs cycles de chauffage à 50 degrés C en dessous de la température A, puis à un refroidissement lent à l'air, ce qui a donné aux particules le temps de repousser et de se séparer.

Après le premier cycle, les particules de carbure sont réapparues mais étaient réparties de manière aléatoire. Mais après un ou deux cycles supplémentaires, ces particules ont commencé à s'aligner en bandes faibles, et après six à huit cycles, les bandes sont devenues très distinctes.

Lors d'un test, nous avons augmenté la température bien au-delà de la valeur A cm, jusqu'à 1 200 degrés C, juste en dessous du point de fusion de l'acier, et nous l'avons maintenue pendant 18 heures. Les cycles thermiques ultérieurs de l'acier n'ont pas fait réapparaître les bandes de particules de cémentite.

Les calculs montrent que ce traitement à haute température élimine complètement la microségrégation des atomes d'impuretés par diffusion.

Pendray et moi avons également tenté des expériences soigneusement contrôlées dans lesquelles nous avons complètement omis les éléments d'impureté.

Même après de nombreux cycles de chauffage et de refroidissement lent, ces lingots n'ont pas produit d'amas de particules ou de bandes de carbure.

Lorsque nous avons ajouté les éléments d'impureté au même lingot et l'avons soumis aux cycles de chauffage et de refroidissement, les bandes sont apparues.

Notre reconstitution de la lame de Damas nous aide à répondre à une autre question : Comment les anciens forgerons ont-ils généré le motif de l'échelle de Mahomet ?

Nos travaux confirment une théorie proposée dans le passé, à savoir que les barreaux de l'échelle ont été produits par la découpe de rainures sur les lames.

Le motif de l'échelle visible sur la photographie du bas ci-dessus a été réalisé en incisant de petites tranchées dans la lame après qu'elle ait été forgée à une épaisseur proche de son épaisseur finale, puis en la forgeant ensuite pour remplir les tranchées.

Ce type de forgeage réduit l'espacement entre les bandes claires et sombres sur la surface finale, en particulier le long des bords des tranchées.

La configuration ronde entre les échelons, connue sous le nom de motif de la rose, est également connue des cimeterres plus anciens. Elle provient de trous peu profonds percés dans la lame en même temps que les rainures.

Pourquoi l'art de fabriquer ces armes s'est-il perdu il y a environ deux siècles ?

Peut-être que tous les minerais de fer de l'Inde ne contenaient pas les éléments nécessaires à la formation de carbures. Les quatre anciennes lames Moser que nous avons étudiées contenaient toutes des impuretés de vanadium, ce qui explique probablement la formation des bandes dans ces aciers.

Si l'évolution du commerce mondial entraînait l'arrivée de lingots en provenance d'Inde ne contenant plus les éléments d'impureté requis, les forgerons et leurs fils ne seraient plus en mesure de réaliser les magnifiques motifs de leurs lames et ne sauraient pas nécessairement pourquoi. Si cet état de choses persistait, après une ou deux générations, le secret de la légendaire épée de Damas aurait été perdu.

Ce n'est qu'aujourd'hui, grâce à un partenariat entre la science et l'art, que le voile a été levé sur ce mystère.

A Propos de l'auteur :

JOHN D. VERHOEVEN est un professeur émérite distingué de science et d'ingénierie des matériaux à l'Iowa State University. Il s'est intéressé au mystère des épées Damas wootz depuis qu'il était étudiant diplômé à l'Université du Michigan.

En 1982, il a commencé à faire des expériences de recherche pour recréer l'acier de Damas. Ce travail, qui était avant tout un passe-temps, s'est transformé en un effort sérieux grâce à sa collaboration avec le forgeron Alfred H. Pendray pendant de nombreuses années.



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