Ferrite, Perlite et Martensite : Introduction à la microstructure de l'acier pour comprendre les épées japonaises
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Pourquoi la science des métaux est nécessaire pour comprendre les épées japonaises
La caractéristique des épées japonaises d'être « dures mais incassables » a longtemps été décrite comme « artisanat mystique », mais sa véritable nature peut être expliquée par la science du changement de la microstructure du fer et de l'acier. En acquérant une connaissance fondamentale de la métallurgie, la signification des techniques traditionnelles telles que l'orikaeshi-kitae, la trempe et le tsuchi-oki devient considérablement plus claire, et de nouvelles perspectives s'ajoutent à l'appréciation et l'authentification des épées.
Dans le monde du fer et de l'acier, deux variables — la « teneur en carbone » et « la vitesse de chauffage et de refroidissement » — déterminent la microstructure. Bien que le forgeage des épées japonaises soit une technique accumulée par l'expérience, c'est en fait un processus systématique qui contrôle précisément ces deux variables. Dans cet article, en utilisant les trois microstructures de base — ferrite, perlite et martensite — comme axes, j'expliquerai en séquence quelle importance métallurgique chaque processus de la production des épées japonaises a.
Ferrite — La microstructure de base du fer doux et ductile
La ferrite est une microstructure de fer presque pur contenant très peu de carbone, possédant une structure cristalline cubique centrée (BCC). C'est la phase de base stable du fer à température ambiante, et elle excelle par sa douceur avec une excellente ductilité (extensibilité) et une excellente ténacité (résilience).
Dans les épées japonaises, le « shingane » (fer du noyau) est relativement proche d'un acier à faible teneur en carbone dominé par la ferrite. Puisque le shingane formant l'intérieur de la lame nécessite une ténacité résistant à la rupture, une microstructure à faible teneur en carbone et à haute ferrite est appropriée. C'est ici que réside la base de la résistance à la rupture de l'uchidachi.
Le kawagane (fer externe), qui a une teneur en carbone plus élevée, joue le rôle d'envelopper le shingane. La section transversale des épées japonaises a souvent une structure dans laquelle le shingane doux et tenace est enveloppé par un kawagane dur, une conception qui permet à la fois à la dureté externe et à la ténacité interne de coexister dans une seule lame. Ce concept de « extérieur dur, intérieur résilient » est une philosophie de conception commune non seulement à l'acier mais aussi aux matériaux composites en général.
Perlite — La microstructure de l'acier au carbone intermédiaire
La perlite est une microstructure composite dans laquelle la ferrite et le carbure de fer (cémentite : Fe₃C) s'alternent en couches. Lorsque la teneur en carbone atteint environ 0,8% (composition eutectoïde), la perlite pure se forme, qui est plus dure et plus forte que la ferrite mais plus douce que la martensite pure.
Lorsque le fer et l'acier sont classés par teneur en carbone, ils ont les compositions suivantes.
| Classification | Teneur en carbone | Composition |
|---|---|---|
| Acier hypoeutectoïde | C<0,8% | Ferrite + Perlite |
| Acier eutectoïde | C=0,8% | Perlite pure |
| Acier hypereutectoïde | C>0,8% | Perlite + Cémentite |
Parce que le tamahagane varie en teneur en carbone dans une gamme d'environ 0,5-1,5%, il est nécessaire d'obtenir un matériau avec une teneur en carbone appropriée par « homogénéisation » dans le processus de forgeage à grande échelle.
Martensite — La « dureté des épées japonaises » créée par la trempe
La martensite est une microstructure créée par la trempe (refroidissement rapide) du fer et de l'acier, possédant une structure cristalline tétragonale centrée (BCT). Son mécanisme de formation est une transformation non-diffusionnelle dans laquelle l'austénite (fer avec une structure cristalline cubique centrée stable à température élevée) subit une conversion de réseau par refroidissement rapide avant que les atomes de carbone n'aient le temps de diffuser et de s'échapper.
La martensite est l'une des microstructures les plus dures du fer et de l'acier, mais possède en même temps une fragilité (susceptibilité aux fissures). La portion « ha » (tranchant) des épées japonaises nécessite une microstructure dure, dominée par la martensite, tandis que le côté « mune » (lame dorsale) nécessite une microstructure tenace, dominée par la ferrite et la perlite — cette « combinaison de dureté et de ténacité » est le défi fondamental de la fabrication des épées japonaises. Concernant la courbure et la déformation autour de la limite qui se produit dans la lame lors de ce processus de refroidissement rapide, cela est couvert dans Technique Hamachi-Munemachi de finition.
La raison métallurgique de la courbure
La « courbure » qui caractérise la forme des épées japonaises est censée être étroitement liée aux changements de microstructure. La martensite a un volume de réseau cristallin légèrement plus grand par rapport à la ferrite et la perlite, et lorsque la portion du tranchant se transforme en martensite par trempe, cette zone subit une légère expansion. L'explication selon laquelle la différence entre l'expansion du tranchant et la contraction relative du côté de la lame dorsale agit comme une force qui courbe la lame vers la lame dorsale est largement connue.
Bien sûr, la taille et la forme de la courbure ne sont pas déterminées uniquement par la transformation microstructurelle seule, mais plutôt par plusieurs facteurs qui se chevauchent.
- La forme que le forgeron forge pendant les étapes préliminaires de dessin et de formation à chaud avant la trempe
- L'épaisseur du revêtement de sol (tsuchi-oki)
- La qualité du matériau en acier
Néanmoins, la science métallurgique des microstructures fournit des indices fondamentaux à la question : « Pourquoi la lame se courbe-t-elle pendant la trempe ? »
La métallurgie de Tsuchi-oki et Hamon
La technique d'appliquer de l'argile (sol) sur la lame avant la trempe, appelée « tsuchi-oki », est une opération technique précise pour contrôler la vitesse de refroidissement et créer différentes microstructures dans les portions du tranchant et de la lame dorsale. Les portions avec une application de sol épaisse (côté de la lame dorsale) se refroidissent lentement, et une microstructure mixte de ferrite et de perlite est maintenue. La portion du tranchant avec une application de sol mince (ou sans) subit un refroidissement rapide et se transforme en martensite. Cette région de frontière apparaît comme un lustre de type bande observé comme le « hamon ».
Le « nie » du hamon fait référence à un état où des particules de martensite grossière apparaissent granulaires, et « nioi » fait référence à un état où la martensite fine est distribuée dans un motif de type voile. Que le résultat soit « nie-deki » ou « nioi-deki » est un résultat complexe de la méthode d'application du sol, de la vitesse de refroidissement et de la teneur en carbone de l'acier, et est une partie qui reflète l'habileté et l'expérience du forgeron.
Le hamon peut être observé à l'œil nu comme un lustre de type bande avec une teinte blanche, et lorsque vous regardez la lame en changeant l'angle de la lumière, les différences de luminosité du nie et du nioi deviennent plus apparentes. Faire attention à la forme et au lustre du hamon lors de l'appréciation ne constitue pas seulement une appréciation du design, mais fournit également des indices pour déduire quel processus de trempe l'épée a subi.
La métallurgie d'Orikaeshi-Kitae — Homogénéisation et élimination des inclusions
L'importance scientifique de la contribution d'orikaeshi-kitae à la qualité de l'épée réside dans « l'élimination des inclusions (scories) et l'homogénéisation de la microstructure de l'acier ». Le tamahagane contient des scories (oxydes, sulfures, etc.) de la production de fer restant comme impuretés. Par le chauffage et le forgeage répétés d'orikaeshi-kitae, les scories sont forcées à sortir, montent à la surface et sont éliminées.
De plus, le pliage répété homogénéise la distribution du carbone et contribue au raffinage de la microstructure. Cependant, le pliage excessif comporte le risque que le carbone brûle et soit consommé, causant une chute de la teneur en carbone plus que nécessaire. Les métallurgistes modernes interprètent que les artisans ont empiriquement découvert le nombre optimal de plis parce qu'ils ont intuitivement saisi cette « limite entre l'homogénéisation et la décarburation ».
Comment appliquer les connaissances de microstructure à l'appréciation et à l'achat
Lors de la sélection d'une épée japonaise, l'apparence du hamon et de la texture du sol est un indicateur qui reflète comment les microstructures de ferrite, de perlite et de martensite sont arrangées. Une épée avec un lustre clair sur le tranchant et une limite distincte entre le tranchant et le sol suggère que les processus de tsuchi-oki et de trempe ont été effectués avec soin.
Les documents d'authentification incluent souvent des observations sur l'état du hamon et de l'acier du sol, et en comprenant les bases de la métallurgie, on peut lire ces observations tout en visualisant leur signification plus concrètement. Lorsque vous remarquez quelque chose d'étrange dans la texture ou le lustre de la lame, vous devenez capable de poser des questions aux forgerons ou aux authenticateurs du point de vue « quels changements microstructurels auraient dû se produire à quels stades ».
La métallurgie du fer est une base pour développer l'« œil » pour apprécier les épées japonaises, et lorsqu'elle est combinée avec des connaissances professionnelles en authentification, elle améliore considérablement la résolution de la sélection de l'épée. La perspective de la métallurgie du fer ne « déconstruit » pas le mystère des épées japonaises, mais elle sert plutôt d'outil auxiliaire pour réaffirmer à quel point les connaissances empiriques de l'artisan étaient rationnelles scientifiquement. L'artisanat du forgeron et la science métallurgique ne s'opposent pas, mais parlent la même vérité en langues différentes.
