Les techniques traditionnelles des forgerons japonais

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Les techniques traditionnelles des forgerons japonais Introduction Cet exposé tente de présenter quelques éléments du travail du forgeron traditionnel japonais, en se basant en particulier sur la confection d'un objet emblématique et complexe, le sabre. Mais les bases des techniques de ces artisans sont finalement valables pour l'ensemble des sociétés pré - industrielles. Ces techniques sont envisagées ici du point de vue de la physique du fer et de ses alliages, plutôt que sous le seul aspect historique.
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Publié le : mercredi 28 mars 2012
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Les techniques traditionnelles des forgerons japonais
Introduction
Cet exposé tente de présenter quelques éléments du travail du forgeron traditionnel japonais,
en se basant en particulier sur la confection d’un objet emblématique et complexe, le sabre.
Mais les bases des techniques de ces artisans sont finalement valables pour l’ensemble des
sociétés pré - industrielles. Ces techniques sont envisagées ici du point de vue de la physique
du fer et de ses alliages, plutôt que sous le seul aspect historique.
Dans cette présentation, je chercherais donc à expliquer comment et pourquoi les techniques
empiriques de ces artisans leur ont néanmoins permis d’obtenir des objets aussi perfectionnés
que cette arme, même s’ils ignoraient les causes physiques des transformations du fer ou la
raison des différences de propriétés de ce métal et de ses alliages.
Le développement de la métallurgie est ainsi un bel exemple de dissociation complète entre
l’amélioration d’un savoir-faire empirique et la compréhension du monde et de ses
phénomènes physiques. Sans rien connaître de l’atome ou de la structure des matériaux, et
sans vraiment progresser dans cette connaissance pendant des siècles, les Hommes, par coup
de chance, essais et erreurs, ont néanmoins découvert, amélioré et sélectionné les gestes et les
procédures qui leur ont permis d’obtenir des outils sophistiqués et particulièrement efficaces.
On commencera donc, en suivant le trajet inverse de l’Histoire, par présenter quelques
données générales sur le fer, à partir desquelles on pourra interpréter ces techniques et l’utilité
de chaque étape.
Remarque : comme le niveau de physique des lecteurs de cet exposé est sans doute très variable, j’ai tenté de
donner des explications aussi simples et claires que je le pouvais. Je m’excuse auprès de ceux pour qui elles
paraîtront des banalités.
Le fer, l’acier et la fonte
Les minerais de fer
Le fer (Fe) est l’un des éléments les plus répandus qui soit. Il représente 17% du poids de
notre planète, mais malheureusement, la plus grande partie se trouve dans le noyau terrestre,
entre 2900 et 6400 kilomètres de profondeur.
En surface et sub-surface, on ne le trouve quasiment jamais à l’état natif (Fer pur, métal*),
2+ 3+mais sous forme oxydée, en fer ferreux Fe ou ferrique Fe , au sein de deux types de
minerais* :
- des minerais chargés d’oxydes de fer, l’hématite Fe O ou la magnétite Fe O (le seul2 3 3 4
minéral naturellement aimanté).
- Des minerais carbonatés (roches ou sable calcaires) contenant du carbonate de fer, FeCO .3
Au Japon, le principal minerai était un sable contenant de l’hématite (satetsu).
Fer, acier et fonte. Quelques définitionsLe fer, sous forme métallique, est rarement pur. En particulier, il peut contenir, à l’état solide,
du carbone (c’est une solution solide* fer-carbone, dont les propriétés physiques sont
différentes de celles du fer et du carbone purs, et changent selon la proportion des deux
composants). Les métallurgistes modernes parlent d’acier pour désigner un mélange
contenant moins de 1,7% de carbone (en proportion massique), et de fonte pour une
proportion de carbone supérieure à cette valeur.
La présence de ce carbone dans le fer modifie l’arrangement des atomes au sein du solide
lorsque celui-ci refroidit et cristallise depuis l’état liquide, et donc aussi la température à
laquelle la cristallisation va commencer (exactement comme l’eau salée qui cristallise à une
température plus basse que l’eau pure). C’est ce que représente le diagramme ci-dessous.
Sur cette figure, on remarque également qu’à l’état solide, le fer a une organisation cristalline
différente selon sa température. En dessous de 730°C, il prend une structure appelée fer
alpha, ou ferrite. Au dessus, toujours à l’état solide, il est sous une forme cristalline dite fer
gamma, ou austénite. C’est seulement sous cette forme d’austénite, donc chauffé, que le fer
peut dissoudre jusqu’à ~5% de carbone.
En refroidissant très brutalement du fer porté au dessus de cette température de ~730°C, on
peut« figer » sa structure d’austénite, qui persiste alors à ambiante (état
« métastable »). C’est la technique dite de trempe du métal (car obtenue en plongeant
rapidement le métal chaud dans un liquide froid). Sous cette forme d’austénite, le métal est
plus dense et plus dur que la ferrite.
Le fer peut aussi contenir d’autres éléments, ou d’autres formes cristallines que celle du fer.
Car, déjà, un bloc de fer ou d’acier n’est jamais un cristal d’un seul tenant, mais un agrégat de
cristaux accolés, ou grains, plus ou moins gros selon la rapidité de la cristallisation, et plus ou
moins bien imbriqués. Entre ces grains peuvent s’insérer des impuretés ou des cristaux de
nature différente.
Ainsi, le carbone peut soit rester à l’état dissous au sein du réseau cristallin du fer, soit former
des aiguilles de carbure de fer (Fe C ou cémentite, plus dur mais aussi plus cassant que la3
ferrite), qui se forme pour une teneur en carbone supérieure ou égale à 1,7% et qui
caractérisera donc la fonte.L’obtention du métal utile
2+Obtenir du fer sous forme métallique implique de transformer l’ion ferreux Fe ou ferrique
3+Fe en fer Fe, c'est-à-dire de lui fournir des électrons. C’est une opération d’oxydo-réduction,
les électrons étant donnés par un agent réducteur, qui réduit le fer et se retrouve, lui, oxydé.
Quel est cet agent ? Tout simplement le carbone, issu de la combustion incomplète du
charbon de bois utilisé pour le feu.
Mais les températures atteintes dans les fours simples anciens, comme celui représenté ci-
dessous, sont insuffisantes pour faire fondre le fer ou ses alliages avec le carbone. Cependant,
le minerai contient aussi des minéraux comme les carbonates ou les feldspaths, qui font office
de fondants, c’est-à-dire qui, ajoutés en faibles quantités à d’autres matériaux, abaissent la
température de fusion du mélange. Ici, ils permettent la fusion du reste du minerai.
Moyennant un courant d’air suffisant pour entretenir la combustion, et un temps assez long,
ce processus aboutit à une « éponge de fer » solide, constituée de scories de fer qui piègent
encore entre leurs mailles du liquide (le laitier). L’artisan récupère cette éponge de fer au fond
du four, et il lui faut la purifier, en la portant à nouveau à plus de 1000°C et en la martelant
longuement. Ainsi, le fer est rendu malléable et le laitier, redevenu liquide, s’écoule en
entraînant des impuretés. Le martelage en expulse encore, et soude entre eux les blocs de fer
purifiés.
Le fer obtenu de cette façon contient peu de carbone (on l’appelle fer « doux »). Mais le
forgeron peut, dans une certaine mesure, modifier le type de métal final, fer presque pur ou
acier : chauffée au contact de carbone (du charbon de bois), une pièce de fer doux en
incorpore par sa périphérie, qui devient ainsi une couche d’acier (procédé appelé
cémentation).Notons que les Chinois, eux, ont utilisé très tôt (dès 800 av. J.C.) un deuxième procédé : en
réussissant à atteindre des températures supérieures à 1536°C (par l’utilisation de four en
céramique et de houille comme combustible), ils transformaient directement le minerai de fer
en fonte liquide. Celle-ci ne peut se forger car elle est trop cassante à froid, mais par contre,
fondue, elle s’écoule et se moule facilement, et l’on peut ensuite la purifier en acier, en la
chauffant à nouveau dans un courant d’air pour oxyder l’excès de carbone.
Les outils des forges!: le feu, l’air, le bois… et le muscle
Ainsi le traitement du minerai de fer demande du bois (ce dont le Japon ne manque pas) ou du
charbon (plus rare sur l’archipel) pour atteindre des températures élevées et aussi, même si
l’artisan l’ignore, pour réduire le fer. Il nécessite aussi de l’oxygène, donc de l’air, pour
entretenir le feu mais aussi, là encore sans que le forgeron l’ait compris, pour purifier le métal
en oxydant les impuretés. Enfin, entretenir un feu puissant avec un flux d’air impose un
dispositif de soufflet, mû par la force humaine. Pour obtenir un courant d’air continu, leadéquat est le soufflet à double effet : deux poches d’air (en cuir le plus souvent)
reliées au même orifice et comprimées en alternance. C’est le tatara que l’on voit dans
Princesse Mononoke.C’est encore par la force humaine, sous les coups de marteau du forgeron, que le métal sera
purifié, transformé et mis en forme.
Le chef-d’oeuvre du forgeron!japonais : le sabre
La création d’une lame
La lame japonaise est une structure complexe, issue d’un travail très long et de la répétition à
de nombreuses reprises de certaines étapes.
Sa partie externe est faite d’acier à forte teneur en carbone, avec une structure feuilletée
obtenue par martelages et repliements successifs du bloc initial (figure ci-dessous).Au centre de cet acier replié en gouttière (kawagane), le forgeron insère une pièce de fer
beaucoup plus pauvre en carbone (shingane), elle aussi préalablement repliée et martelée
plusieurs fois.
Au cours du temps, et selon le type de sabre, cette procédure a pu être encore compliquée,
avec l’emploi de plusieurs pièces d’acier (éventuellement différents) pour chaque région de la
lame (flancs, tranchant, dos, cœur…), comme représenté sur la figure suivante.Les deux éléments sont chauffés ensemble et martelés, de manière à ce que l’acier enserre
entièrement le fer forgé du cœur. Après quoi la lame est recouverte d’un mélange d’argile et
de charbon de bois, épais sur le dos et les flancs de la lame et plus fine sur le tranchant. La
lame ainsi apprêtée est trempée, et enfin polie (figure ci-après).Avec cette dernière technique, le tranchant et le reste de la lame, après polissage, reflètent et
diffractent différemment la lumière. La limite entre les deux zones forme une ligne ondulée
typique des sabres japonais, et le forgeron, en déposant l’argile sur la lame, jouait sur le tracé
de cette limite entre les couches fine et épaisse, pour faire de son sabre une œuvre d’art à part
entière. La réponse différente de ces deux parties du sabre à la trempe explique aussi
l’acquisition de sa courbure.
Mais, on va le voir, toutes ces étapes n’avaient pas qu’un intérêt esthétique.
L’utilité des différentes étapes
Quels sont les intérêts respectifs de toutes ces étapes et d’une telle complexité technique ?
Tout d’abord, une lame d’épée efficace doit combiner deux caractéristiques :
- la solidité, c’est-à-dire la capacité à résister aux chocs (résilience*).
- et le tranchant, donc la capacité à résister à l’enfoncement (dureté*).
Or l’acier, dur et que l’on peut aiguiser, est aussi plus cassant que le fer pur.
La lame de sabre japonais, avec sa structure double, est une solution originale à ce problème.
L’acier externe, dur, tranchant et aiguisable, est complété par le fer forgé du cœur, qui confère
au sabre sa résistance (sa meilleure résilience).
Pour comparaison, on utilise la même idée de structure composite pour réaliser la partie
mobile d’un cadenas : l’extérieur est fait d’un acier dur, résistant à la scie, alors que le cœur
est plus résilient, pour supporter des coups de marteau !
Les multiples étapes de chauffage des deux matériaux permettent d’éviter que leurs grains
soient trop gros, et les pliages et martelages répétés, qui donne une structure feuilletée, évitent
que ces grains acquièrent une orientation préférentielle, qui pourrait se traduire par une zone
de fragilité (c’est sur le même principe que l’on obtient du contre-plaqué).
Le chauffage et le martelage ont aussi pour effet d’extraire les impuretés restées dans le métal.
Enfin, la trempe a pour intérêt de maintenir la structure austénite, mais aussi de faire
apparaître une autre structure de l’acier, la martensite (solution solide de carbone dans la
ferrite) d’autant plus dure que la proportion de carbone est élevée. On voit donc là l’intérêt du
choix (empirique, toujours) par le forgeron d’un acier à forte teneur en carbone pour former le
fil de la lame ! C’est l’acquisition de cette structure martensitique sur une partie de la lame
seulement qui explique donc l’aspect particulier du tranchant après polissage. C’est aussi
(comme indiquée plus haut) la raison pour laquelle la lame devient courbe.
Mais la martensite est très cassante, et une part de l’art du forgeron consiste donc aussi à
contrôler les effets de la trempe pour conserver la dureté souhaitable tout en maintenant la
fragilité à un niveau acceptable.
Le résultatL’aspect final du sabre est loin d’être atteint à ce stade : le polissage de la lame, déjà, est
réalisé par un spécialiste de ce travail, non par le forgeron lui-même. Le polisseur fera
ressortir, par l’utilisation d’un abrasif légèrement acide, la ligne de trempe de la lame. Un
autre artisan forgera la garde (tsuba), avant qu’un dernier n’assemble ces éléments, y ajoute la
poignée, en bois paré de galuchat (une peau de requin ou de raie tannée), et ne lui procure un
fourreau en bois laqué.
Au final, l’efficacité du sabre est remarquable : certains samouraï s’enorgueillissaient de
pouvoir fendre d’un coup des casques de fer cloutés, et trancher une tête d’un seul coup était
chose aisée pour qui maîtrisait bien le maniement de cette arme ! Car de par sa forme, le sabre
japonais demande de la technique pour être efficace : au contraire de l’épée chinoise ou
occidentale, moins résistantes mais à lame droite et à double tranchant, il faut orienter
correctement le sabre pour couper ou percer. Et le tranchant se salit et s’use rapidement, c’est
donc un objet de valeur par sa beauté, mais aussi par le soin et l’entretien régulier qu’il
demande.
Conclusion!: un (tout petit) peu d’histoire!
Les techniques décrites ici n’ont évidemment pas été inventées en un jour. Les premiers
sabres japonais apparaissent avant 900 ap. J.C., mais ils ne sont encore que des copies, ou des
importations, d’armes chinoises, à lames droites. Le sabre courbe n’apparaît qu’ensuite,
pendant la période allant de 900 à 1530, où l’instabilité politique et les batailles nombreuses
èmefavorisent le développement de l’armurerie et de ses techniques. De plus, partir du 15
siècle, les sabres, de plus en plus demandés par les guerriers, deviennent aussi des objets de
commerce avec la Chine. La grande majorité des sabres anciens conservés datent cependant
ème èmede la période suivante, entre 1530 et 1867. Car du 15 au 17 siècle, il devient assez
courant de refondre des anciens sabres familiaux ou célèbres pour les rendre plus beaux,
surtout ceux qui viennent de l’époque Kamakura. Ils deviennent ainsi des objets symboliques
d’une certaine appartenance à une famille célèbre ou preuve d’une certaine longévité (réelle
ou inventée) de la famille.
Avec cette forte production, cependant, la qualité de travail des forgerons, et par voie de
conséquence la qualité générale des sabres, baisse. On parle alors pour ces armes de médiocre
facture de « kazu uchi » ou « taba-katana ».
Enfin, à l’ère Meiji, la restauration du pouvoir impérial amène une loi interdisant le port du
sabre (1876), qui entraîne évidemment une chute de la production. Des forgerons japonais
produisent cependant toujours des sabres aujourd’hui, selon les techniques anciennes, en tant
qu’objets d’art ou comme arme d’apparat, par respect pour cette tradition.
Glossaire
Minerai : Un minerai (du latin minera mine) est un ensemble rocheux contenant des
substances utiles en pourcentage suffisant pour justifier une exploitation (la définition de
« pourcentage suffisant » étant donc très variable selon la substance recherchée…). En
pratique, ce terme désigne essentiellement les substances métalliques, et en sont exclus, en
particulier, les matériaux de construction et les matériaux combustibles.Métal : corps simple, doué d’un éclat particulier (éclat métallique), bon conducteur de
l’électricité, réducteur, c’est-à-dire formant avec un oxydant, en premier lieu l’oxygène, des
oxydes.
Environ 75 éléments chimiques sont des métaux, ils occupent toute la partie gauche du
tableau périodique de Mendeleiev. Plus précisément, ils se définissent comme tous les
éléments chimiques comportant moins de quatre électrons sur leur couche électronique la plus
externe.
Dureté : capacité de résistance à l’enfoncement. En métallurgie moderne, on l’estime « en
mesurant la profondeur de pénétration d’une bille, d’un cône ou d’une pyramide [ eux-mêmes
taillés dans un matériau bien déterminé, du carbure de tungstène ou du diamant ] appliquée
sur l’acier avec une force déterminée » (Encyclopaedia Universalis, article « Sidérurgie »).
Résilience : en métallurgie, grandeur permettant de caractériser la résistance aux chocs d’un
acier, et mesuré par « le travail nécessaire pour rompre, par flexion sous l’effet d’un choc, une
éprouvette portant une entaille de forme et de profondeur déterminées » (Encyclopaedia
Universalis, article « Sidérurgie »).
Solution solide : cristal homogène de composition intermédiaire entre plusieurs constituants
purs (ici le fer Fe et le carbone C).
Sources et pistes bibliographiques
- NOTIS, Michael M. (2000) The history of the metallographic study of the Japanese sword,
Material characterisation 45, 253-258.
- SOUTIF, Michel, NAISSANCE DE LA PHYSIQUE. De la Sicile à la Chine, EDP Sciences,
Grenoble, 2003.
- ENCYCLOPAEDIA UNIVERSALIS, article ACIER, ALLIAGES, FER, METALLURGIE
– Histoire, ou encore SIDERURGIE.

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