Vie Sauvage et Survie
Équipement et matériel => Outils coupants => Discussion démarrée par: DavidManise le 25 mars 2008 à 21:35:45
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Bonjour :)
Le lecteur anonyme a encore frappe :love:
Je ne suis pas un expert du domaine et je n’ai pas de connaissances pratiques dans la réalisation de couteaux. Mais j’en possède quelques uns et j’ai souvent participé à des démonstrations ou à des stages sur le sujet.
En revanche j’ai à la base une formation en sciences dures et j’aime aller au fond des choses sans me laisser (je l’espère) distraire par des considérations «pseudo-romantiques ». Cela ne m’empêche pas d’avoir du respect pour les gens qui mobilisent connaissances ancestrales et qui nous les transmettent honnêtement. Mais le respect n’empêche pas la réflexion.
La suite est basée sur de nombreuses lectures et recherches sur plus de dix ans, parmi les références les plus récentes :
Cornet A., Hlawka F. (2006). Sciences des matériaux, métallurgie mécanique du microscopique au macroscopique. Ellipses. 304p.
Barralis J., Maeder G. (2002). Métallurgie, élaboration, structures propriétés, normalisation. Nathan. 232p.
Quel Acier ?
Quand on parcourt les forums relatifs aux couteaux, c’est toujours la même question qui se pose : « quel acier inox ou carbone ? ».
Si on pose toujours la même question, c’est peut être que ce n’est pas la bonne ou bien encore que les réponses apportées ne sont pas les bonnes!
Introduction :
Un acier est un mélange de fer et de carbone avec quelques éléments en plus. Dans l’état actuel nos connaissances historiques, on a régulièrement de l’acier depuis la découverte des Chalybés 1500 ans avant J.C. Les peuples de langue indo européennes seraient à l’origine de sa découverte, de son exploitation et de sa diffusion (Hittites, Doriens, Celtes, Pizarre….).
Le fait de dire que l’on a de l’acier ne veut pas dire que l’on sait fabriquer de l’acier. Pendant longtemps on préparait du fer, et on récupérait l’acier dans la masse de fer fondu sans trop savoir pourquoi il était là.
Il faut attendre le XVIIIème siècle pour commencer à comprendre l’importance du carbone, et la deuxième moitié du XIXème siècle pour appréhender les phénomènes à l’oeuvre lors des traitements thermiques.
Ce n’est qu’au XXème siècle que l’on commence réellement à modéliser ce qui se passe et à maîtriser l’élaboration fine des aciers. Contrairement au sens commun, l’étude de l’acier est toujours un domaine de recherche important.
Historiquement l’acier a été surtout utilisé pour fabriquer des armes, avant tout des lames. De nos jours, il est surtout utilisé dans la construction (structure, armature des bétons) et dans l’industrie (automobile, navale, emballage…).Globalement on trouve peu d’information sur les aciers utilisés dans l’élaboration des lames dans les ouvrages techniques. Il faut lire beaucoup pour pouvoir apporter une information fiable et pertinente.
L’acier c’est un mélange de fer et de carbone qui s’ordonne sous une forme cristalline. Selon le type d’ordonnancement, les propriétés seront différentes. Par exemple, le diamant et le graphite sont tout les deux composés exclusivement de carbone, mais que l’arrangement cristallin et les propriétés qui en découlent sont différentes.
L’ajout dans cet ensemble cristallin de petites proportions d’autres éléments, va modifier fortement les propriétés de l’ensemble. Toujours par analogie le saphir et le rubis ont quasi la même composition chimique (oxyde d’aluminium), les traces de métaux lourds vont modifier la couleur.
Quel acier ?
Acier inoxydable :
Il existe des aciers qui s’oxydent facilement (acier au carbone) et depuis une centaine d’année des aciers qui s’oxydent moins facilement (acier inoxydable). Pour l’hygiène, la facilité de maintenance mais aussi pour la préservation du micro tranchant, il est préférable d’avoir un acier qui s’oxyde peu dans les conditions ordinaires d’utilisation. Pourtant certains amateurs veulent toujours des couteaux avec de l’acier carbone : nostalgie, masochisme ou pertinence ?
La mauvaise réputation en matière de coupe des aciers inoxydable repose sur deux phénomènes imputables à leur composition chimique.
Dans un acier inoxydable, la résistance à la corrosion est obtenue par l’inclusion d’atomes comme le chrome, le nickel, le molybdène… Ces composés vont « compresser » les mailles cristallines de l’acier et s’opposer à certaines formes d’oxydation. Des phénomènes plus complexes sont à l’œuvre (potentiel oxydo réduction….). C’est bien, cela permet d’obtenir de l’acier inoxydable parfois même en milieu salin.
Mais, ces composés vont aussi se lier au carbone pour former des nouvelles formes cristallines appelés carbures complexes. Les carbures sont des composés extrêmement durs, bien plus durs que la forme la plus dure (et la plus fragile) de l’acier trempé : la martensite. Selon les conditions physico chimiques prévalant lors de la formation des carbures, ils seront plus ou moins gros ou plus ou moins agrégés. S’ils sont trop nombreux et/ou mal répartis dans la matrice composée de fer et de carbone, ils auront tendance à créer des « grumeaux » y compris sur le fil de la lame, ce qui n’est pas bon pour la coupe par pression.
Imaginez que vous fassiez du béton avec des cailloux de granit bien durs (chrome…) du sable (carbone) et du ciment (fer). Si les cailloux s’agrègent en surface, le béton manquera d’homogénéité et sera au final fragile. En revanche, la surface du béton composé de cailloux sera très résistante à l’abrasion. Mais avec ces cailloux grossiers vous ne pourrez pas obtenir des angles de murs en béton bien nets. C’est la même chose pour une lame d’acier dans laquelle il y aurait trop de carbures, surtout si ceux-ci sont mal répartis.
Il est possible d’obtenir une lame extrêmement tranchante avec un acier inoxydable. Mais cela implique d’avoir des carbures petits, durs et dispersés de façon homogène dans la matrice de fer, elle-même assez résistante. C’est faisable, mais cela nécessite des compositions précises et des traitements thermiques sophistiqués. A l’extrême on doit recourir aux aciers frittés.
Aciers carbones :
Dans les aciers carbones, il s’agit aussi de créer des carbures (cémentite) entre le fer et le carbone. Ces cristaux existent sous différentes formes et composent des grains (mailles) pouvant être organisées de multiples façons. La cémentite est un petit cristal C-Fe assez dur, et l’objectif c’est de l’obtenir fine et homogène.
Premier cas : Si je n’ai pas assez de carbone par rapport au Fer, l’acier manque de cémentite et ne sera pas d’une dureté optimale.
Deuxième cas : Si j’ai trop de carbone par rapport au fer, il aura tendance à créer des cristaux de type cémentite gros et complexe au sein de l’acier et l’on se retrouve dans le cas des aciers inoxydables. Pour obtenir de bonnes lames, il faut réaliser des traitements thermiques précis, coûteux et complexes à mettre en oeuvre.
Dans la pratique on n’a jamais du Fer et du carbone dans les aciers. On utilise aussi du Manganèse pour favoriser la trempe et neutraliser les traces de souffre (impuretés) qui fragilisent l’acier à la suite des traitements thermiques. Des traces d’autres composants persistent dans l’acier (Si, P, O, Al….) et l’un des objectifs des fonderies est de minimiser le plus possible ces impuretés dans l’acier final. Ces impuretés fragilisent fortement les aciers dans certaines conditions.
Le mélange idéal Fer/carbone est obtenu pour environ 0.75% de carbone. Vous venez de comprendre pourquoi l’acier XC75 est en faveur auprès des couteliers. L’augmentation du taux de Carbone n’augmente pas la dureté finale de l’acier mais augmente sa sensibilité oxydation, diminue son pouvoir de coupe et sa fragilité dans les conditions d’élaboration ordinaire.
L’acier carbone de type XC75 permet des réaliser des aciers durs et très coupant avec des traitements thermiques relativement simples techniquement. MAIS, comme l’œuf à la coque dont la recette est connue depuis longtemps, techniquement simple ne veux pas dire que c’est à la portée de tout le monde. Seuls les véritables maîtres queux sauront réaliser un excellent œuf à la coque à tout les coups. Les amateurs feront plus facilement illusion sur les ortolans….Mais il serait dommage que l’art des bons maîtres queux ne s’exerce que sur les œufs à la coque. Imaginez le résultat s’ils s’attaquent aux ortolans !
Comment une lame d’acier coupe ?
Une lame d’acier de couteau coupe, selon deux mécanismes.
Soit le tranchant est suffisamment fin pour qu’une force importante puisse s’exercer sur une toute petite surface. C’est la coupe en « pression » comme celle que l’on utilise pour tailler le bois.
Soit le tranchant est suffisamment fin mais porte en plus des micro dentelures composées de nos fameux carbures. Plus les dentelures sont fines homogènes et dures, plus le résultat sera probant sur les matières fibreuses comme la viande. C’est la coupe en sabrant, en faisant rapidement défiler le la lame sur la matière.
Dans les deux cas, il faut que la matrice de l’acier soit suffisamment dure pour « bloquer » les carbures (cémentite fine ou carbure complexe) alors que le fil de la lame est le plus fin possible. Il faut donc que la matrice soit dure mais suffisamment résiliente et élastique pour ne pas casser sous la pression exercée ou le choc éventuel. Si ces conditions sont réunies on pourra avoir une émouture très fine et durable. Le tranchant sera maximal.
Malheureusement, plus il y a de carbures et plus la matrice d’acier est dure, moins l’acier est résilient et élastique. Fait incontournable. MAIS, ont peut jouer sur l’ordonnancement de l’acier !
Cas 1 :
On essaye d’obtenir un fil de lame dur et le reste de la lame plus résilient. C’est possible par les mécanismes de trempe ou revenus différenciés. Je ne distinguerais pas ici entre les deux procédés mais des différences dans le produit final existent.
Avec ces procédés, le fil est traité thermiquement pour être plus dur que le reste de la lame. L’idée générale est de transformer l’austénite en martensite dure au niveau du fil de la lame et en perlite/bainite (résiliente) pour le reste du couteau. C’est obtenu en jouant sur les cinétiques et/ou les températures de transformation soit lors de la trempe soit lors du revenu.
La méthode est bonne mais elle risque d’apporter de telles contraintes dans la structure de la lame (les parties d’acier plus dur sous la forme de martensite n’ont pas le même volume que les parties plus molles en perlite) que celle-ci est fragilisée.
C’est d’ailleurs pour éviter ces contraintes que beaucoup de couteliers préfèrent réaliser des trempes douces (lentes) à l’huile chaude….au risque de ne pas transformer la totalité de l’austénite avec les conséquences que l’on sait (problème d’austénite résiduelle).
Cas 2 :
On rend l’acier localement plus dur, là où c’est utile, sur le tranchant de la lame. Le procédé consiste à apporter du carbone localement sur le tranchant alors que le reste de la lame est peu carburé. On effectue une cémentation, le procédé est très ancien et certainement déjà pratiqué sur les épées celtes. Le cœur de la pièce reste en acier à faible carbone. A la limite, il est en fer donc peu élastique mais très résilient (voir l’avis mitigé d’historien de la Rome antique sur la qualité des lames des Allobroges de la Drôme…).
C’est aussi comme cela que l’on fabrique les meilleurs engrenages, l’acier utilisé est résilient et on apporte du carbone sur les dentelures pour les durcir afin qu’ils résistent au frottement. Les limes aussi sont ordinairement fabriquées par cémentation. Ainsi elles ne cassent pas lorsqu’elles tombent de l’établi.
Le seul problème c’est que cela nécessite des fours chauds, du temps et une préparation délicate. La lame ne sera dure qu’en surface, il y a un risque que cela parte lors de l’aiguisage.
Cas 3 :
On combine deux aciers différents. La partie centrale est dure le reste est souple et/ou inoxydable. Le procédé était très répandu dans l’ancien temps. L’acier était rare et le fer abondant. On rapportait un tranchant en acier par soudure sur une matrice de fer peu aciéré. On peut aussi amalgamé une partie centrale en acier et des parties latérales en fer.
Le résultat est intéressant, assez facile à faire pour un artisan, très facile (marteau pilon, laminoir…) pour un industriel. Ceci dit, le fil de la lame utilise un acier très carburé et trempé dur qui reste cassant. En revanche, la lame est globalement résiliente.
Helle fabrique des lames solides et économique selon ce procédé.
Cas 4 :
On combine x aciers différents. Historiquement c’était un moyen de pallier au manque d’acier carburé et/ou à la médiocrité de la matière première obtenue dans un four de type catalan. C’est l’acier composite occidental ou bien celui des japonais (katana). Dans certaines conditions et un fois révélées à l’acide, il ressemble à l’acier « de Damas » obtenu par fusion (Wootz, bulat, poulat….).
Le résultat est intéressant pour une lame longue devant être résiliente et belle. Mais le tranchant n’est pas homogène et souvent médiocre, sauf pour la viande. On peut rapporter par soudure un tranchant, mais dans ce cas le procédé composite est seulement là pour des raisons esthétique.
Cas 5 :
On procède par écrouissage. En « battant » l’acier à froid, on compresse le réseau cristallin ce qui durcit le tranchant. Les paysans procédaient ainsi quand ils battaient leur faux sur l’enclume portative il y a quelques années. Le procédé est utile sur les lames fines avec l’acier de l’acier relativement doux. Il semble que de nombreuses épées de nos ancêtres celtes n’étaient pas trempées, seulement écrouies. Les duretés obtenues sont faibles, et en permettent de couper que des matières tendres. L’usage par le légionnaire romain de la lorica segmenta a montré la limite de ce procédé.
Le travail d’écrouissage peut être aussi utilisé pour la partie de la lame en dehors du tranchant. Cela permet dans certain cas de compresser l’acier et d’améliorer les caractéristiques mécaniques. On procède ainsi pour les ressorts afin de les rendre plus endurants dans le temps. A ma connaissance ce n’est pas utilisé pour les couteaux….c’est peut être dommage.
Cas 6 :
La forge. La vraie, celle qui façonne le couteau à partit d’un lingot d’acier. Dans ce cas le travail de cinglage bien mené oriente les mailles (fibres) de l’acier dans le sens des contraintes que l’acier va subir. Dans ce cas les propriétés mécaniques peuvent êtres améliorées. En théorie.
En pratique, le travail va nécessiter de nombreuses chauffes qui vont décarburer l’acier et modifier sa composition chimique. Sauf à utiliser un martinet ou plusieurs aides maniant la masse….et encore. Les aciers actuels sont excellents, bien meilleurs que ceux d’il y a trente ans.
Désormais, le jeu pour l’artisan, ne consiste plus à améliorer un acier médiocre par un travail de forgeage mais plutôt de conserver les qualités initiales de l’acier. C’est pas fun et cela va dans le sens de l’usage des abrasifs aux corindons (saphir : on boucle là).
AMHA, le travail de forge ne se justifie, d’un point de vue technique) que pour le façonnage de la pointe, mise en forme de l’émouture ou de la soie d’un couteau. Le mieux étant l’ennemi du bien.
D’autres procédés existent mais nécessitent la mise en oeuvre de moyens lourds.
Conclusion :
Le travail d’un coutelier consiste désormais à utiliser au mieux les aciers qu’il a à sa disposition. Pour préserver les qualités de l’acier, le traitement mécanique aura pour objectif de préserver le meilleur état cristallin possible de l’acier.
En fait, l’obtention d’une lame efficace passe plutôt par le traitement thermique appliqué à celle-ci.
Un conseil : lorsque vous discutez avec un artisan coutelier, après avoir parlé de vos moyens, de vos goûts et de l’usage envisagé : plutôt que de parler longuement de la nature des aciers, interrogez-le sur les traitements thermiques qu’il utilise. Ici se trouve la vraie marge d’amélioration du produit final.
J'ai boublié de citer un ouvrage fondamental,d'autant plus que l'auteur aborde le problème complexe des aciers Damas.
Durand-Charre M. (2003) La microstructure des aciers et des fontes. Genèse et interprétation. SIRPE. 399p.
Cet auteur a commis l'année dernière un ouvrage plus détaillé sur les épées et les aciers de type Damas. Ouvrage à conseiller aux amateurs souhaitant avoir des infos sur les produits actuels de type "damas" ou acier UHC (roselli). il s'agit d'une enseignante-chercheuse Grenobloise à la retraite.
Durand-Charre M. (2007) Les aciers Dammasés. Du fer primitif aux aciers modernes. Mines Paris. 206p.
Ciao ! :)
David
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Salut Anonyme,
Moi j'ai beaucoup de peine à comprendre les aciers. Et je m'arrache les cheveux sur les diagrammes. Je n'ai pas lu les références proposées, et je vais essayer de les emprunter. Mais j'ai une question, peut-être que j'avancerai mieux avec une piste ou deux.
Dans un acier à 0.77%C, en descendant la température dans le diagramme métastable, lors de la transformation eutectoïde, l'austénite (gamma) est en équilibre avec la cémentite (carbure) et la ferrite (alpha). Mais qu'est ce qui définit la forme que prendra la perlite. Et quelle est la forme qui conviendrait le mieux au tranchant d' une lame carbone, la structure lamellaire ou la perlite globulaire. Comment favoriser l'une au détriment de l'autre. D'instinct (mais je ne sais pas à partie de quelles infos), je pense que la structure lamellaire est plus dure, et doit donc être favorisée.
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Voici la réponse à ta question, Nävis :)
Pour Nävis….sous réserve de mes faibles compétences exposées ci-dessus.
Normalement un traitement thermique pour une lame mise en forme, nécessite de chauffer rapidement l’acier pour atteindre la température d’austénisation. A ce stade, l’acier est amagnétique. On évitera de chauffer trop ou trop longtemps de façon à éviter le grossissement du grain.
Un grain fin est la SEULE façon d’obtenir à la fois une augmentation de la dureté ET de la résilience. Donc un tranchant durable ET de bonnes qualité mécaniques. Il permet aussi d’avoir un meilleur tranchant. L’obtention d’un grain fin devrait être le premier souci d’un coutelier.
La trempe (refroidissement rapide) va permettre de transformer idéalement la totalité de l’austénite en martensite.
Ce résultat pourra être approché en travaillant sur le liquide de trempe, sa température, sa composition et l’agitation du bain pour minimiser la phase initiale de caléfaction lors de la trempe. Dans certains cas, particulièrement pour les aciers très carburés ayant un Ms bas, il est utile de procéder à une trempe cryogénique qui permet d’atteindre le point Mf qui se situe en dessous de 0°C.
La martensite est très dure fragile. Il faut pratiquer un recuit (parfois on dit revenu) d’adoucissement dans la zone des 200°C (cela dépend de la nuance de l’acier). Ce recuit a pour objet de détendre l’acier et d’éliminer une partie des défauts.
Les composés de type perlite globulaire sont le résultat d’une trempe incomplète. Ou bine on peut les obtenir à partir de la martensite si le revenu est poussé vers 500 à 600°C. Dans ce cas je cite l’ouvrage de Durand Charre :
« Le carbone piégé dans le réseau de martensite forme des précipités de cémentite. Les précipités sont fins, de l’ordre du micromètre, mais cependant trop grossiers pour induire un durcissement structural. Une structure assez similaire mais plus grossière est celle de la perlite globulaire obtenue lors de maintien en température de la perlite lamellaire dont la microstructure dégénère. » . Durand-Charre M. (2003) p.294.
En résumé : préserver le grain grâce à une austénisation de l’acier bien menée. Trempe correcte (vitesse, température, déstabilisation de l’austénite…). Puis recuit d’adoucissement. Eventuellement recuits multiples si pas de trempe cryogénique et acier fortement carburés. Idéalement le tout est mené en atmosphère non oxydante de façon à éviter la décarburation de l’acier lors des phases de chauffe, d’autant plus fréquentes sur le fil de la lame….
Vous comprenez pourquoi coutelier est un métier.
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:ohmy:merci lecteur anonyme,c'est exactement le genre d'info qu'il me faut en ce moment...
je ne suis pas trop experimenté dans ce domaine mais je vais m'y mettre...en tout cas,a ta lecture,mes synapses font de nouvelles connections...
skaro
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Et est-ce que Lecteur anonyme (:lol:) n'estime pas que — toute modestie de sa part dans le coin — son article est manifestement destiné à être publié dans le Wiki, où il ne déparerait pas, de conserve avec d'autres publications de style voisin et au contenu aussi pointu, documenté et clair ?!
jiluc. (http://jiluc.net/Firefox_icone.png)