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 La métallurgie

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cdang

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MessageSujet: La métallurgie   La métallurgie Icon_minitime1Jeu 30 Oct - 17:07

Archéométallurgie

Les animaux, dont font partie l'espèce humaine, ont des armes naturelles. Mais sans doute grâce à son cortex, l'humain a appris à utiliser des outils : des objets qui suppléent aux défauts de ses membres, des prothèses en fait.

Outils, dont les armes. On leur demande deux choses :

  • être plus longues que les bras (allonge), pour toucher sans être touché ;
  • être plus dur que les phalanges et les ongles, pour faire plus mal.

On commence par utiliser les matériaux disponibles immédiatement : le bois et la pierre. On découvre le feu, et le feu durcit le bois.

On ne connaît que les métaux existant tels quels à l'état naturel, et ce sont tous des métaux mous, essentiellement l'or, un peu le cuivre. Donc on s'en sert pour faire des bijoux. On les transforme par martelage. Puis, on les fait fondre pour faire des pièces moulées. Néolithique (-9000 à -3000).

Et puis on découvre que le feu peut transformer des cailloux (minerais) en métal. J'imagine qu'au départ, on a du métal natif dans une gangue ; plutôt que de casser la gangue, on met le tout au feu pour faire fondre le cuivre, et oh miracle, on obtient un autre métal plus dur, le bronze. En fait, le minerai contient des métaux à l'état oxydé (liés chimiquement à l'oxygène), ici essentiellement de l'étain ; les gaz de combustion (monoxyde de carbone) capturent l'oxygène et libèrent le métal qui se mélange au cuivre et donne un alliage cuivre-étain, le fameux bronze (d'où l'expression couler un bronze).

Là, on a un métal vraiment dur, et en plus moins fragile que la pierre : sous l'effet d'un choc, il peut se tordre, ce qui absorbe l'énergie du choc et évite de casser. Donc, on en fait des casques, des dagues, des haches, des épées (et des épingles, broches, socs de charrue). Antiquité (on sait déjà écrire dans pas mal d'endroits), Âge du bronze (-1800 à -700).

L'humain aime bien expérimenter. Le cortex, vous dis-je. Il travaille par analogie : quand je met ce cailloux-là au feu, ça fait du bronze ; et si j'essayais tel autre ? Comme ça, on découvre le fer (et un chouïa l'acier). Mais contrairement au bronze qui fond en général en dessous de 1 000 °C, le fer fond vers 1 500 °C. Donc, quand on met le minerai de fer au feu, ça ne fond pas. On obtient une sorte d'éponge de fer pleine de scories, appelée loup ou massiot. On martèle le massiot à chaud pour le débarrasser des scories. C'est la technique du bas-fourneau. Âge du fer (-2600 en Afrique, vers -800 en Europe).

Le fer est plus résistant que le bronze, et donc les armes et pièces d'armure sont plus légères que celles en bronze, ce qui donne un avantage décisif. En Europe, ce sont les Celtes qui répandent l'usage du fer. Mais même si on sait en faire partout dans le monde, cela reste longtemps un matériau rare, de privilégié. Quelques couteaux, socs de charrue et clous pour les paysans.

(À suivre …)
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MessageSujet: Re: La métallurgie   La métallurgie Icon_minitime1Jeu 30 Oct - 18:44

Sujet inattendu mais des plus intéressant.
On oublie souvent toutes ces armes de cuivre, de bronze ou de fer... Un lent processus avant de parvenir à l'acier, lui-même de qualité variable suivant les endroits ou/et les procédés.
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MessageSujet: Re: La métallurgie   La métallurgie Icon_minitime1Ven 31 Oct - 11:01

L'acier antique et médiéval, justement.

Donc, mise à part quelques exceptions (l'or, ou quelques météorites contenant des métaux purs), les métaux sont sous forme minérale à l'état natif. Un minerai, c'est un caillou contenant des atomes de métal, mais liés chimiquement à d'autres atomes, essentiellement de l'oxygène (élément le plus abondant dans la croûte terrestre), du souffre, du phosphore, … À titre d'exemple, l'argile, c'est essentiellement de l'aluminium, du silicium et de l'oxygène.

Le but de la métallurgie primaire consiste à récupérer le métal tout seul en éliminant ce qui ne nous intéresse pas. La méthode la plus simple consiste à utiliser le feu (pyrométallurgie), puisque la réaction chimique peut faire « brûler » les éléments qui ne nous intéressent pas (en fait, comme dit précédemment, c'est plutôt un des gaz produit par le feu, le monoxyde de carbone, qui vient capturer l'oxygène et l'emmène vers les cieux). C'est la « réduction » du minerai.

Mais ça ne marche pas pour tout. D'une part, certains métaux sont très liés à leurs copains et demandent des opérations complexes pour être « réduits » (isolés) ; alors que l'aluminium est le métal le plus abondant sur Terre, il a fallu attendre le XIXe siècle pour pouvoir le réduire. D'autre part, si le minerai contient plusieurs métaux, ce qui est fréquent, on obtient un alliage ; c'est le cas du bronze. En -3000, on n'a pas exprès mélangé du cuivre et de l'étain pour avoir un truc qui fond plus facilement et est plus dur que le cuivre pur ; on l'obtient comme ça, et c'est tout. C'est pas maîtrisé.

Le fer, bin, c'est un peu particulier par rapport aux autres métaux connus au Moyen-Âge ; il fond à haute température, donc à aucune étape on n'a un bain. Et avec les minerais qu'on a, on arrive à obtenir un fer plutôt pur, il suffit de le « cingler » (marteler) pour virer les merdes.

Par contre, la réaction avec les gaz ne se contente pas d'éliminer l'oxygène ; le fer incorpore un peu de carbone (charbon). Mais ce n'est pas homogène : on a des morceaux de fer avec très peu de carbone, et des morceaux de fer avec plus de carbone (enfin, plus, ça veut dire quand même moins de 2 % en masse, c'est pas énorme, mais ça suffit). Or, plus on a de carbone, plus le fer est dur ; cet alliage fer/carbone est appelé acier.

L'acier est déjà plus dur que le fer à la base, mais il durcit encore plus quand on le trempe : on le chauffe à plus de 900 °C, puis on le trempe dans l'eau. (Dans la définition moderne de l'acier, il y a des aciers possédant peu de carbone, qui ne durcissent pas à la trempe, et qui sont donc appelés « fer » au Moyen-Âge ; de cela, il reste quelques dénominations comme par exemple le fer forgé ou le fer blanc, qui sont en fait des aciers bas carbone.)

L'acier trempé est donc très dur, mais aussi plus fragile ; s'il donne des armes très tranchantes, il donne aussi des armes qui s'ébrèchent plus vite et risquent plus de se briser au choc. Il faut bien comprendre la différence entre dureté et résistance aux chocs : par exemple, le verre est bien plus dur que le bois (on peut se couper facilement avec du verre, c'est quand même plus dur avec du bois), par contre, faites tomber un objet en verre et un objet en bois…

On sait très tôt séparer le fer de l'acier : on casse le massiot en petits morceaux, et on tape sur chaque morceau avec un clou et un marteau pour tester la dureté (ça laisse une empreinte plus ou moins grande). Les forgerons japonais font ça, ce qui leur permet ensuite de faire des lames en plusieurs parties, qui associent dureté et résistance aux chocs.

Certains peuples arrivent à transformer le fer pur en acier. En Inde vers -300, on mélange du fer (obtenu par bas-fourneau comme d'hab') avec du charbon de bois et on fait chauffer à plus de 1 000 °C. Ainsi, le fer incorpore du carbone et devient de l'acier. On obtient un mélange composite fer/acier, qui allie donc dureté et résistance aux chocs ; il se forme des motifs caractéristiques à sa surface. C'est l'acier Wootz, ou acier de Damas (car la recette transite par le Moyen Orient), le « vrai » Damas.

On peut aussi obtenir du Damas en prenant du fer pur, de l'acier, et en martelant tout ça ensemble, comme un mille feuille (si à chaque étape on plie en deux, on obtient 1024 couches en 10 étapes). On parle de « Damas de corroyage » (corroyer = marteler).

La métallurgie 106px-DamaszenerKlinge
Lame d'acier de Damas de corroyage, fabrication moderne.

Comme dit plus haut, les forgerons japonais séparent le fer de l'acier, mais ne créent pas pour autant du Damas : ils ne mélangent pas les deux, ils font plusieurs parties, par exemple un cœur en fer pur (shigane, plus « mou » mais résistant aux chocs) et une enveloppe en acier (hagane) qui donne la dureté. Par ailleurs, pour la trempe, ils mettent le dos de la lame dans une gangue d'argile. Ainsi, seul le tranchant est trempé, le dos de la lame refroidit lentement (isolé par l'argile) ; on a ainsi un tranchant en acier trempé très dur (mais fragile), un dos en acier non trempé moins dur (mais plus résistant aux chocs), et un cœur en fer pur encore moins dur (mais encore plus résistant aux chocs).

La métallurgie 420px-Katana_brique
Différente associations de fer (shigane) et d'acier (hagane) dans les lames japonaises.

La métallurgie 320px-Kissaki
Ligne de trempe (hamon) : le dos de la lame, protégé par une gangue d'argile, a refroidi lentement et a une apparence lisse, tandis que le tranchant a refroidi rapidement (trempe) et présente des paillettes diffusant la lumière.

En Chine, ils sont sacrément en avance sur l'Europe. Au pays de la poterie, ils ont développé des fours chauffant à très haute température, qui ont la forme de hautes cheminées, dès -1000. Vers -300, ils ont l'idée corticale (bin oui, rappelez-vous, le cortex…) d'essayer de mettre le minerai de fer dans ces fours. Grâce aux températures atteintes, le fer se charge encore plus en carbone, plus de 2 % en masse. Or, plus il y a de carbone, plus l'alliage fond facilement (comme le sel pour faire fondre la glace). Ils obtiennent donc de la fonte. Du métal liquide coule du haut fourneau.

Bon, la fonte, c'est intéressant parce que ça fond, on peut faire des pièces moulées, mais c'est plutôt fragile ; trop de carbone tue le carbone. Alors ils ont l'idée de brasser la fonte avec des bâtons ; ça fait rentrer de l'air, et avec la chaleur, ça fait « brûler » une partie du carbone. Bref, on élimine une partie du carbone, la fonte s'appauvrit et se transforme en acier, dans le vocabulaire moderne, on parle « d'affinage ». Ces procédés (haut fourneau et affinage) seront découverts en Europe environ 1 000 ans plus tard…

La métallurgie 305px-Chinese_Puddle_and_Blast_Furnace
Brassage de la fonte à la main (affinage à l'air).

On notera aussi l'utilisation de moulins à eau pour activer les soufflets des fourneaux, et donc obtenir des températures plus hautes (vers 30 en Chine), et pour actionner des marteaux-pilons, moins fatiguant pour le cinglage (vers 900 dans le monde islamique).

Après, on rentre dans l'ère industrielle, ce qui est de peu d'intérêt ici ou on s'intéresse plutôt aux armes anciennes.
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cdang

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MessageSujet: Re: La métallurgie   La métallurgie Icon_minitime1Ven 7 Nov - 19:19

Les métaux modernes

Bon, oui, après tout, on s'intéresse aux armes anciennes, mais pourquoi pas aux armes modernes, ou bien aux reproductions modernes d'armes anciennes ?

Donc, nous avons le fer de bas fourneau, que l'on peut transformer en acier en le mettant à nouveau dans un feu pour qu'il se charge en carbone (charbon). Et, en Chine, nous avons la fabrication de fonte (fer très chargé en carbone) grâce à la technique du haut fourneau, fonte que l'on peut convertir en acier en brûlant le carbone (en brassant la fonte liquide pour faire entrer de l'air).

Durant le Moyen-Âge, alors que le savoir est jalousement gardé par les moines en Europe, les sciences se développent dans le monde arabo-perse. En particulier l'alchimie — utilisé ici dans son sens premier, l'ancêtre de la chimie (al-kémia) —, les savants arabo-perses développant des méthode d'essai (cornues, colonnes de distillation). Ils étudient surtout les oxydes des métaux (qui  servent entres autres de pigments pour peintures et poteries).

Fin du Moyen-Âge, on découvre le haut-fourneau et l'utilisation de l'hydraulique pour activer les soufflets en Europe. L'Europe fait de la fonte et de l'acier de conversion à son tour.

Au XVIIIe siècle, on commence à abandonner la théorie des éléments au profit de l'atomistique (en particulier grâce à Lavoisier).

Et là arrive la Révolution industrielle. La découverte de la machine à vapeur permet de mécaniser tout un tas d'applications, et en particulier le pompage au fond des mines. On peut donc plus facilement extraire le minerai et fabriquer l'acier. Et ça tombe bien puisque l'acier, on en a besoin pour toutes ces applications (machines actionnées par la vapeur, chemin de fer).

Le serpent se mord la queue, tout se développe à une vitesse monstre. Les chimistes métallurgistes comprennent le rôle du carbone, et des éléments nuisibles (soufre, phosphore), la qualité des aciers s'améliore. Pourtant, Eiffel, peu convaincu, construira sa tour en fer (bien lui en a pris, ça rouille moins facilement...).

Mais jusqu'à la 2nde Guerre mondiale, les aciers restent de qualité médiocre. En particulier, ils sont fragiles lorsqu'il fait froid : le Titanic, les essais de barges de débarquement en mer du Nord subissent des ruptures catastrophiques.

Après la 2nde GM, on découvre comment faire des aciers plus purs, donc résistant mieux et à plus basses températures. Et on découvre aussi le rôle de certains éléments d'alliage, qui permettent de faire des aciers qui ne rouillent pas : les inox.

La rouille, c'est le fer qui veut retourner à son état naturel, celui de cailloux rouge (l'hématite). Certains éléments (chrome, nickel), en teneur assez importante (genre 10-20 %), viennent former une couche d'oxyde protectrice : les aciers inoxydables s'oxydent (en fait), mais la couche d'oxyde ainsi créée empêche l'air ou l'eau de réagir avec le fer. Comme une couche de peinture invisible qui se forme automatiquement.

Mais il y a aussi les autres métaux... Avec les progrès de la chimie et l'invention de l'électricité, on découvre de nouveaux moyens de réduire les minerais (d'extraire le métal du minerai). C'est ainsi qu'on découvre, en France, comment fabriquer de l'alu à prix correct au milieu du XIXe.

L'alu est très léger, et est inoxydable, mais a une résistance moyenne — pur il est mou, on en fait des alliages qui ont une résistance similaire à un acier de base — et fond à basse température.

Puis on fait de super alliages à base de nickel — chers, lourds, mais super résistants et inoxydables, on en fait des cuves de réacteurs nucléaires. Et on utilise le titane — super cher, inoxydable, mais aussi léger que l'alu. L'aéronautique fait un grand usage des alliages d'alu et des alliages de titane.

Dans es années 1980, on découvre que l'uranium facilite la fusion du fer, comme le sel dans l'eau. On développe des obus en uranium appauvri (moins radioactifs que l'uranium naturel), qui, en s'écrasant sur le blindage, le fond fondre le blindage et projettent à l'intérieur des jets d'acier en fusion. Et polluent l'environnement, comme tous les métaux lourds.


Dernière édition par cdang le Ven 5 Déc - 10:57, édité 2 fois
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MessageSujet: Re: La métallurgie   La métallurgie Icon_minitime1Ven 5 Déc - 9:51

Tiens, pour ceux qui voudraient retrouver le geste de Cétautomatix :
http://fr.wikibooks.org/wiki/R%C3%A9aliser_un_bas_fourneau

La métallurgie 281px-Bas_fourneau
Bas fourneau médiéval ; Georgius Agricola, De Re Metallica,1556

La métallurgie 180px-Fete_du_fer_1998_Plelan_apres
Bas fourneau reconstruit pour une Fête du fer

La métallurgie Coul%C3%A9es_de_scorie1
Bas fourneau en fonctionnement
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MessageSujet: Re: La métallurgie   La métallurgie Icon_minitime1Ven 5 Déc - 18:49

Very Happy Domaine que je connais très bien, puisque pour ceux ne me connaissant pas, je suis employé chez ArcelorMittal dans une aciérie secteur coulée continue pour être plus précis...

Une coulée continue, est une installation, qui consiste à transformer de l'acier sous forme liquide (donc au dessus du liquidus), en acier solide...en faisant passer cet acier liquide dans un moule rectangulaire ou LRM (lingotière à largeur variable)...où il va subir un violent échange thermique grâce à de l'eau froide qui circule dans les faces de la LRM...ça va avoir pour effet de former une peau très fine de quelques mm autours de l'acier liquide...en sortie LRM, plusieurs circuits de refroidissement et des injecteurs, balancent de l'eau sous pression sur les faces, si bien qu'au fur est à mesure de la descente, le liquide va se solidifier pour devenir complètement solide...c'est ce qu'on nome la brame mère...elle sera ensuite découpée en plusieurs brames plus ou moins longues avec une machine d'oxycoupage..


cdang a écrit:
appelée loup

Un loup se forme aussi lorsque de l'acier liquide reste en contact avec de l'air...on obtient alors des plaques plus ou moins grosses...ce sont des loups (et pas la gros chien qui hurle sous la lune hein lol)...


cdang a écrit:
le fer fond vers 1 500 °C.

C'est la température du liquidus...chaque acier possède son propre liquidus...au plus tu va chauffer au plus l'acier aura la consistance de l'eau...au plus tu descends au plus il devient pâteux...
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Gorak

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MessageSujet: Re: La métallurgie   La métallurgie Icon_minitime1Ven 5 Déc - 20:36

dav-ID a écrit:
Very Happy Domaine que je connais très bien, puisque pour ceux ne me connaissant pas, je suis employé chez ArcelorMittal dans une aciérie secteur coulée continue pour être plus précis...

Tu es donc un maître des forges. Tu connais le secret du feu et de l'acier, comme ces forgerons qui, jadis, étaient les personnages les plus vénérés du village.

Smile
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MessageSujet: Re: La métallurgie   La métallurgie Icon_minitime1Ven 5 Déc - 21:42

Gorak a écrit:

Tu es donc un maître des forges. Tu connais le secret du feu et de l'acier, comme ces forgerons qui, jadis, étaient les personnages les plus vénérés du village.

Smile

C'est pour ça que VS m'a donné le titre de forgeron du forum à l'époque des divinités sur la taverne... Wink
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cdang

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MessageSujet: Re: La métallurgie   La métallurgie Icon_minitime1Lun 8 Déc - 14:21

dav-ID a écrit:

cdang a écrit:
appelée loup
Ouais, bon, il manque un « e », ça va…

dav-ID a écrit:

cdang a écrit:
le fer fond vers 1 500 °C.

C'est la température du liquidus...

Il y a écrit fer, et non pas acier. Le fer pur fond à 1 538 °C, il n'y a a pas de distinction entre le liquidus et le solidus.

Vu le contexte, je n'avais pas trop envie de dégainer le diagramme fer-carbone.

Pour aller plus loin, on peut toujours aller voir Les métaux et alliages ferreux sur la Wikiversité.
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Donald S

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MessageSujet: Re: La métallurgie   La métallurgie Icon_minitime1Sam 13 Fév - 19:12

J'aime bien les video...
Si vous avez le temps regardez ça,c'est fascinant...(Pas de commentaire,juste une musique zen en fond sonore)

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MessageSujet: Re: La métallurgie   La métallurgie Icon_minitime1Jeu 2 Nov - 20:09

Un poignard de Toutankhamon en "fer de météorite"

C'est une découverte qui vient bousculer les idées reçues sur la métallurgie du temps des Pharaons.
Une série d'analyses a été effectuée sur l'un des poignards retrouvés dans le fabuleux trésor de Toutankhamon. Surprise, la composition de sa lame révèle contenir 10% de nickel et 0,58% de cobalt, composants essentiels du fer contenu dans les météorites.

Une confirmation est venue avec l'apparition, dans l'écriture de l'époque, d'un nouveau symbole que l'on peut traduire par "fer venu du ciel". Il semblerait donc bien que ce poignard à manche d'or ait été forgé à partir d'un éclat de météorite. Les égyptiens connaissaient donc le fer et savaient l'utiliser. Nul doute que pour eux, ce fer "venu du ciel" était envoyé par les dieux et son usage par conséquent réservé au Pharaon, dieu vivant.

Ci-dessous, les deux poignards à manche en or retrouvés dans la tombe avec leurs fourreaux. Le premier a une lame en or, le second une lame en fer "de météorite". Il était rangé dans son fourreau en or et glissé entre les bandelettes de la momie, sur sa cuisse gauche :

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MessageSujet: Re: La métallurgie   La métallurgie Icon_minitime1Jeu 2 Nov - 21:40

Allez, je dirais un bonus de + 2 à l'habileté. Et la possibilité de tuer immédiatement son adversaire si, après un assaut réussi, on tire un double six aux dés. Laughing

En tout cas, c'est une belle arme. Elle ne pouvait être que l'attribut d'un grand roi. Et quel roi !

On sent toute la puissance de la monarchie égyptienne dans cette lame finement ouvragée.
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MessageSujet: Re: La métallurgie   La métallurgie Icon_minitime1

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