Yaki-ire et transformation martensitique — La science des transformations de la microstructure de l'acier qui confèrent leur dureté aux nihontō

Qu'est-ce que le yaki-ire — La dernière étape qui transforme la lame en « acier vivant »

Le yaki-ire est l'étape la plus spectaculaire de la fabrication des nihontō. Le corps de la lame, recouvert de tsuchioki, est chauffé dans le four, et au moment où la température optimale est atteinte, il est plongé d'un seul geste dans le bac d'eau. En l'espace de quelques secondes, des transformations microstructurales violentes se produisent à l'intérieur de l'acier, et l'acier jusqu'alors mou se mue en une lame dure. Simultanément, le beau hamon apparaît, et le « visage » de la lame est achevé.

Le yaki-ire est également une étape irréversible et définitive. Si la température, le timing ou la température de l'eau dévient, même légèrement, la lame est « ratée » (dame). L'échec prend l'une des formes suivantes.

• Le tranchant mince, incapable de résister aux contraintes thermiques lors du refroidissement rapide, se fissure
• Il aboutit à un « yakibusoku » (manque de yaki-ire) qui ne permet pas d'atteindre la dureté suffisante

Le corps de la lame, façonné au terme de plus d'une centaine d'étapes, peut devenir en un instant un rebut — c'est le moment où la maîtrise technique et la force mentale du kaji sont le plus mises à l'épreuve.

De l'austénite à la martensite — Le mécanisme par lequel l'acier durcit

La raison pour laquelle l'acier durcit grâce au yaki-ire réside dans la modification de la structure cristalline du fer. À température ambiante, l'acier au carbone est un mélange de « ferrite » à structure cubique centrée (BCC) et de cémentite (carbure de fer : Fe₃C), mais lorsqu'il est chauffé jusqu'au point de transformation A1 (température eutectoïde : environ 727 °C), la transformation en austénite commence. Dans les aciers hypoeutectoïdes à faible teneur en carbone, il faut chauffer jusqu'au point A3, à température encore plus élevée, pour obtenir une austénite complète (au-delà du point Acm pour les aciers hypereutectoïdes). L'austénite présente une grande capacité à dissoudre le carbone en solution solide (jusqu'à environ 2,14 % au maximum) ; tout le carbone qui précipitait au stade de la ferrite se trouve alors entièrement dissous.

Lorsque l'on refroidit rapidement depuis cet état austénitique, le carbone n'a pas le temps de s'échapper, et il se forme une structure « figée » à mi-chemin de la transformation de la structure FCC vers la structure BCC. C'est ce que l'on appelle la « martensite », une microstructure de l'acier dont la maille est une structure quadratique centrée (BCT), distordue. La distorsion de cette maille est la source de la dureté : le carbone dissous distordant la maille, celle-ci résiste à la déformation, et la dureté peut atteindre plus de 60 sur l'échelle de Rockwell (HRC).

Dans le cas des nihontō, de l'acier à haute teneur en carbone contenant 0,6 à 1,5 % de carbone est utilisé pour la partie tranchante (hagane), et le yaki-ire y forme une martensite de haute dureté. En revanche, le côté du mune, protégé par le tsuchioki, et le shingane, dont la teneur en carbone est moyenne, se transforment en microstructures douces et tenaces appelées « perlite » et « bainite », en raison de leur vitesse de refroidissement plus lente. Cette double structure de dureté est la raison fondamentale pour laquelle les nihontō allient des performances apparemment contradictoires : « durs et qui ne se brisent pas ».

Détermination de la température de yaki-ire — La couleur des flammes lue par l'œil du tōshō

La température de chauffe optimale pour le yaki-ire varie selon la teneur en carbone de l'acier, mais la plage de 760 à 820 °C est généralement considérée comme la zone optimale pour les aciers au carbone utilisés dans les nihontō courants. En dessous de cette température, la transformation en austénite est incomplète et une dureté suffisante ne peut être obtenue. Inversement, si la température est trop élevée, le grossissement des grains cristallins et la décarburation progressent, augmentant le risque de fissuration lors du yaki-ire (yakiware).

Dans le yaki-ire industriel moderne, des thermomètres précis et un contrôle de la température du four sont utilisés, mais le yaki-ire traditionnel des nihontō se fait encore presque entièrement par « jugement visuel ». La couleur de la lumière émise par le corps de la lame dans le four fonctionne comme un thermomètre précis aux yeux du tōkō.

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

Ce jugement étant fortement influencé par l'environnement de travail (lumière naturelle, éclairage), de nombreux tōkō effectuent le yaki-ire aux premières heures du matin, avant le lever du soleil, dans la pénombre. C'est un savoir-faire fondé sur l'expérience, visant à éliminer les perturbations visuelles.

Certains tōshō utilisent également comme méthode auxiliaire l'approche d'un aimant du corps de la lame chauffé pour confirmer « le moment où il perd son magnétisme ». Le fer perdant son ferromagnétisme au-delà du point de transformation A2 (température de Curie : environ 770 °C), la température à laquelle l'aimant n'adhère plus constitue un repère pour la plage de température de yaki-ire.

Points Ms et Mf — Début et fin de la transformation martensitique

La transformation martensitique possède une température de début et une température de fin bien définies. Le « point Ms (point de début de transformation martensitique) » est la température à laquelle la martensite commence à se former lors du 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 déplacent vers les basses températures. Dans un acier à 1 % de carbone, le point Ms descend à environ 230 °C et le point Mf peut descendre en dessous de la température ambiante. Cela signifie que même en refroidissant un acier à haute teneur en carbone jusqu'à la température ambiante, la transformation peut ne pas s'achever complètement, laissant de l'austénite non transformée (austénite résiduelle).

La conception structurelle du « tsukuri-komi », qui associe dans la forge des nihontō le hagane à haute teneur en carbone au shingane à teneur en carbone moyenne, exploite habilement cette différence entre les points Ms et Mf. L'acier à haute teneur en carbone du tranchant forme, par le yaki-ire, une martensite de haute dureté, tandis que l'acier à teneur en carbone moyenne du shingane, combiné à sa lente vitesse de refroidissement, se transforme en une microstructure tenace de perlite et de bainite. Bien que les tōkō traditionnels n'aient pas compris ce phénomène de manière scientifique, le fait qu'ils avaient établi une conception optimale des matériaux et des procédés au terme de plus de mille ans d'essais et d'erreurs continue d'étonner même les spécialistes modernes de la science des matériaux.

Le yakimodoshi (revenu) — Ajustement de l'équilibre entre dureté et ténacité

La lame qui vient d'être soumise au yaki-ire présente une dureté élevée, mais aussi une grande fragilité (morosa). La distorsion de la maille martensitique étant trop grande, des fissures internes peuvent facilement se former sous le moindre choc. C'est pour remédier à ce problème que l'on effectue le « yakimodoshi (revenu, tempering) ».

Le yakimodoshi consiste à réchauffer le corps de la lame après le yaki-ire à basse température (généralement environ 150 à 250 °C). Dans cette plage de températures, une partie du carbone précipite hors de la martensite pour former des carbures, et la distorsion de la maille est atténuée. Il en résulte une légère diminution de la dureté, mais la ténacité (résistance aux chocs) s'améliore considérablement.

Dans la fabrication traditionnelle des nihontō, l'opération consistant à sortir la lame de l'eau après le yaki-ire et à la laisser refroidir à l'air pendant un court moment équivaut en pratique à un yakimodoshi. Au cours du processus de transmission de la chaleur interne générée lors du yaki-ire du cœur de la lame vers sa surface, la surface est modérément réchauffée. On considère que cet effet de « jiko-yakimodoshi (auto-revenu) » contribue à préserver la ténacité des nihontō, et c'est une connaissance qui s'applique également aux techniques modernes de yaki-ire des aciers à outils rapides.

Le hamon — Le visage du nihontō créé par le yaki-ire

Le produit visuel du processus de yaki-ire est le « hamon ». Ce motif blanc et brillant, qui apparaît après polissage, reflète comme une différence de réflexion lumineuse la frontière entre la microstructure martensitique (zone durcie) et les microstructures de perlite et de bainite (zone adoucie). La martensite diffuse la lumière et apparaît blanche, tandis que la perlite réfléchit la lumière uniformément et apparaît grise à noire.

La forme du hamon est déterminée par la forme du tsuchioki, et chaque école produit des motifs qui lui sont propres (suguha, notare, chōji, gunome, etc.). Ainsi, le hamon n'est pas simplement décoratif : c'est une preuve scientifique attestant du succès du processus de yaki-ire, et également une « empreinte digitale d'acier » gravant la technique et la personnalité du tōkō. Le critère final pour juger si le yaki-ire a réussi ou non est de savoir si ce hamon est apparu bellement comme prévu, et c'est là que le tōkō connaît pour la première fois le succès ou l'échec d'une lame.