Trempe et transformation martensitique—La science des changements de microstructure d'acier qui durcissent les sabres japonais

Qu'est-ce que le revenu—Le processus final qui transforme un sabre en « acier vivant »

Le revenu (yaki-ire) est le processus le plus dramatique de la fabrication des sabres japonais. Une lame de sabre qui a été recouverte d'argile (tsuchi-oki) est chauffée dans un four, et au moment où elle atteint la température optimale, elle est plongée dans un réservoir d'eau d'un seul coup. En l'espace de quelques secondes, des changements structuraux intenses se produisent à l'intérieur de l'acier, transformant l'acier auparavant mou en un tranchant dur. En même temps, un beau motif de tranchant (hamon) émerge, et le « visage » du sabre est complété.

Le revenu est aussi un processus de décision finale irréversible. Si la température, le moment ou la température de l'eau s'écarte ne serait-ce qu'un peu, le sabre devient un « échec (dame) ». Les formes d'échec sont les suivantes :

• Le tranchant fin de la lame ne peut pas résister au stress thermique du refroidissement rapide et se fissure
• Le processus se termine par une dureté insuffisante appelée « sous-revenu (yaki-busoku) »

Après avoir été affiné par plus d'une centaine de processus, une lame de sabre pourrait devenir un déchet en ce seul moment—c'est la scène où les compétences et la force mentale du forgeron de sabres sont mises à l'épreuve les plus sévèrement.

De l'austénite à la martensite—Comment l'acier devient dur

La raison pour laquelle l'acier devient dur par le revenu est due aux changements dans la structure cristalline du fer. À température ambiante, l'acier au carbone est une microstructure mixte de ferrite cubique centrée (BCC) et de cémentite (carbure de fer : Fe₃C), mais lorsqu'il est chauffé au point de transformation A1 (température eutectoïde : environ 727°C), la transformation en austénite commence. Dans l'acier hypo-eutectoïde avec une teneur en carbone inférieure, il doit être chauffé au point A3 plus élevé pour obtenir une austénite complète (ou au-dessus du point Acm dans l'acier hyper-eutectoïde). L'austénite a une grande solubilité du carbone solide (jusqu'à environ 2,14%), apportant tout le carbone qui avait précipité au stade de la ferrite dans un état dissous.

Lorsqu'il est refroidi rapidement à partir de cet état d'austénite, le carbone n'a pas le temps de s'échapper, et la transformation de la structure FCC à la structure BCC est gelée en cours de processus, formant une structure « gelée ». C'est la microstructure d'acier appelée « martensite », qui a une structure de réseau tétragonal centré au corps (BCT). La distorsion de ce réseau est la source de la dureté ; parce que le carbone dissous déforme le réseau, le matériau résiste à la déformation, et la dureté peut atteindre 60 ou plus sur l'échelle de dureté Rockwell (HRC).

Dans le cas des sabres japonais, la partie du tranchant (acier de la lame : hagane) utilise de l'acier hautement carboné contenant 0,6–1,5% de carbone, et le revenu forme une martensite à haute dureté. Pendant ce temps, le côté de la colonne vertébrale protégé par un revêtement d'argile et l'acier du noyau avec une teneur en carbone moyen refroidissent plus lentement, se transformant en microstructures plus douces et plus tenaces appelées « perlite » ou « bainite ». Cette structure de dureté double est la raison fondamentale pour laquelle les sabres japonais réalisent la performance apparemment contradictoire d'être « durs mais incassables ».

Déterminer la température de revenu—Comment les forgerons de sabres lisent la couleur de la flamme

La température de chauffage appropriée au revenu varie en fonction de la teneur en carbone de l'acier, mais la plage optimale pour l'acier au carbone général des sabres japonais est généralement 760–820°C. Au-dessous de cette température, la transformation de l'austénite devient incomplète, entraînant une dureté insuffisante. Inversement, si la température est trop élevée, le grain s'épaissit et la décarburation progresse, augmentant le risque de fissures de trempe (yaki-ware).

Dans le revenu industriel moderne, des thermomètres précis et des contrôles de température du four sont utilisés, mais le revenu traditionnel des sabres japonais est toujours effectué presque entièrement par « jugement visuel ». La couleur de la lumière émise par la lame du sabre dans le four fonctionne comme un thermomètre précis pour l'œil du forgeron de sabres.

La correspondance approximative entre la couleur de l'acier et la température est la suivante :

Parce que ce jugement est fortement influencé par l'environnement de travail (lumière naturelle, éclairage), de nombreux forgerons de sabres effectuent le revenu à l'aube tôt et sombre avant le lever du soleil. C'est une sagesse accumulée qui élimine les perturbations visuelles.

Certains maîtres forgerons de sabres utilisent comme méthode auxiliaire de tenir la lame chauffée près d'un aimant pour confirmer le « moment où elle perd le magnétisme ». Le fer perd le ferromagnétisme au-dessus du point de transformation A2 (température de Curie : environ 770°C), donc la température à laquelle l'aimant n'adhère plus devient un guide pour la plage de température de revenu.

Point Ms et point Mf—Le début et la fin de la transformation martensitique

La transformation martensitique a une température de début et une température de fin distinctes. Le « point Ms (point de début de transformation martensitique) » est la température à laquelle la martensite commence à se former pendant le refroidissement, et le « point Mf (point de fin de transformation martensitique) » est la température à laquelle la transformation est complète.

Plus la teneur en carbone est élevée, plus les points Ms et Mf se décalent vers le bas. Dans l'acier avec 1% de carbone, le point Ms chute à environ 230°C, et le point Mf peut tomber en dessous de la température ambiante. Cela signifie que même lorsque l'acier hautement carboné est refroidi à température ambiante, la transformation peut ne pas être complètement terminée, et de l'austénite non transformée (austénite retenue) peut rester.

La conception structurelle de la forge des sabres japonais, qui combine l'acier hautement carboné de la lame (hagane) avec l'acier du noyau à carbone moyen par la « construction de composition », utilise intelligemment ces différences dans les points Ms et Mf. Le tranchant de l'acier hautement carboné forme une martensite à haute dureté par le revenu, tandis que l'acier du noyau à carbone moyen, combiné avec des vitesses de refroidissement plus lentes, forme des microstructures de perlite et de bainite robustes. Bien que les forgerons de sabres traditionnels ne comprenaient pas scientifiquement ce phénomène, le fait qu'ils aient établi une conception et des processus de matériaux optimaux par plus de mille ans d'essais et d'erreurs continue d'étonner les scientifiques des matériaux modernes.

Revenu (Réchauffement)—Équilibrer la dureté et la ténacité

Une lame de sabre immédiatement après le revenu a une haute dureté mais aussi une haute fragilité. Parce que la distorsion du réseau de la martensite est trop importante, même les impacts mineurs peuvent facilement créer des fissures internes. Le processus utilisé pour résoudre ce problème est le « revenu (yaki-modoshi, également appelé réchauffement ou revenu) ».

Le revenu implique de réchauffer la lame du sabre trempé à une basse température (généralement 150–250°C). À cette plage de température, une partie du carbone de la martensite précipite pour former des carbures, et la distorsion du réseau est soulagée. En conséquence, la dureté diminue légèrement, mais la ténacité (résistance aux impacts) s'améliore considérablement.

Dans la fabrication traditionnelle des sabres japonais, l'opération de refroidissement à l'air de la lame pendant une courte période après son retrait de l'eau suite au revenu correspond à un traitement de revenu pratique. Lorsque la chaleur interne générée par le revenu se transfère du noyau du sabre à la surface, la surface est appropriément réchauffée. Cet effet de « revenu automatique (jiko-yaki-modoshi) » est censé contribuer au maintien de la ténacité des sabres japonais et représente une connaissance qui se connecte aux techniques modernes de revenu de l'acier à grande vitesse.

Hamon—Le visage du sabre japonais créé par le revenu

Le produit visuel du processus de revenu est le « hamon » (motif de tranchant). Ce motif brillamment lumineux qui apparaît après le polissage est la limite entre la microstructure de martensite (région durcie) et la microstructure de perlite et de bainite (région adoucie), reflétée comme une différence dans la réflexion de la lumière. La martensite apparaît blanche parce qu'elle diffuse la lumière, tandis que la perlite apparaît grise à noire parce qu'elle réfléchit la lumière uniformément.

La forme du hamon est déterminée par la forme du revêtement d'argile, et chaque école crée ses propres motifs uniques (tranchant droit, ondulant, en forme de clou de girofle, motifs alternés, et ainsi de suite). En d'autres termes, le hamon n'est pas simplement décoratif, mais est une preuve scientifique d'un revenu réussi, une « empreinte digitale d'acier » qui enregistre la technique et l'individualité du forgeron de sabres. Le critère ultime pour juger si le revenu a été réussi est de savoir si le hamon apparaît aussi beau qu'il était prévu, et c'est là que le forgeron de sabres apprend enfin le succès ou l'échec d'une seule lame.