MÉTALLURGIE - Histoire


MÉTALLURGIE - Histoire
MÉTALLURGIE - Histoire

«Quelle est la différence entre le fer et l’acier ?» demande, un jour de 1962, le professeur Cyril Stanley Smith, éminent métallurgiste, à un forgeron d’Iran réputé pour son habileté. L’homme lui répond: «Fer et acier sont deux espèces aussi différentes que le saule et le chêne.» Ainsi sont mis face à face l’homo sapiens de la seconde moitié du XXe siècle, capable de relier l’observation instrumentale de la structure des métaux à la somme des connaissances acquises sur l’état solide, et l’homo faber , héritier des artisans qui ont fait l’histoire de leurs mains, et qui, sauf en Chine, n’ont eu d’interlocuteur valable qu’à partir du XVIIIe siècle. L’industrie métallurgique s’est fondée sur l’expérience, l’audace, l’ingéniosité; elle est déjà implantée dans l’Ancien et le Nouveau Monde alors qu’on ignore encore le rôle du carbone dans le fer.

Dès ses débuts, la métallurgie est une aventure: l’homme puise dans l’écorce terrestre les matières dont il va tirer successivement sa parure, ses outils, ses armes, avant de s’engager dans de vastes constructions. Quelle que soit la région du globe considérée, les étapes à franchir pour chaque métal seront à peu près les mêmes, mais leurs dates, leur succession, leur nature varient considérablement, suivant les peuples, leur mode de vie sédentaire ou nomade, les ressources minières qu’ils découvrent, les échanges, l’organisation des sociétés.

Tout au long de l’histoire, l’essor des industries sera motivé par des soucis de qualité et de quantité des produits fabriqués, produits de plus en plus diversifiés pour répondre aux besoins et aux ambitions des civilisations.

1. Les premiers âges

Les métaux natifs

Selon les plus récents travaux archéologiques, la première rencontre de l’homme et du métal se situerait – il y a quelque dix ou onze mille ans – au bord d’un torrent alluvionnaire, dans le massif d’Elbourz ou celui du Taurus. À la recherche de galets chatoyants, l’homme vit briller une pépite d’or qui n’était pas une pierre comme les autres, ni par son aspect, ni au toucher.

Une autre pierre, moins brillante, plus rouge, pliait aussi sous les doigts: le cuivre. Bien avant de connaître l’action du feu, l’homme apprécia les qualités mécaniques du métal, et réussit d’autant mieux à marteler or et cuivre natifs qu’ils étaient très purs.

Fortuite, croit-on, la découverte majeure du recuit (cf. MÉTALLURGIE – Traitements thermiques) serait associée à la chute d’un bijou dans un foyer; bientôt, martelage à la pierre et chauffes dans l’âtre seront alternés.

On estime qu’en Asie Antérieure et jusqu’aux îles de la Méditerranée orientale les métaux passent de la parure – où ils voisinent avec les pierres – aux petits accessoires (épingles, crochets, hameçons) où ils détrôneront l’os, du début du VIIe millénaire au début du Ve.

L’extraction du cuivre

L’une des tribus qui s’établit dans le pays de Sumer, dans le delta du Tigre et de l’Euphrate, apporta avec elle, vers l’an 4300 avant J.-C., un métal rouge – le cuivre – extrait d’une pierre bleue, sans doute un carbonate. Considéré comme une manière de sorcier, le forgeron sera bientôt dispensé des travaux agricoles (attitude que les ethnographes ont pu retrouver dans des tribus peu évoluées).

Le cuivre pénètre en Égypte avec les apports de l’est. Au Fayoum, vers l’an 3600 avant J.-C., on trouve des outils en cuivre pour trancher bois ou cuir. Vers l’an 3000, au bord du Nil, le cuivre est franchement utilitaire; il est extrait de la mine, tandis que les métaux natifs, l’or, l’argent, plus rare encore, sont réservés à la parure, comme le fer météoritique (soit l’alliage fer-nickel à 5 ou 7 p. 100 de nickel que l’industrie ne réussira à fondre qu’en 1890) très prisé.

Le bronze et les métaux blancs

Fortuite sans doute aussi, la fusion mixte de minerais de cuivre et d’étain ouvre l’âge du bronze au IIIe millénaire, en Asie Antérieure ou peut-être en Arménie. Étape capitale de la métallurgie: le nouveau produit n’est pas malléable. Il sera coulé avec le concours des potiers déjà experts dans le traitement des sables et argiles: on connaît son rapide essor.

Des autres «pierres coulantes» que livrent les régions montagneuses de l’Orient, on tire des éléments à point de fusion peu élevé, plus ou moins impurs, souvent mal identifiés, tels le plomb argentifère ou l’étain. L’électrum, alliage d’or à teneur variable en argent et en cuivre, est considéré comme un élément – peut-être confondu avec le platine –, le laiton également.

Les textes des auteurs classiques font mention, avec une certaine confusion dans le vocabulaire, souvent par trop poétique, des métaux de la haute antiquité et des mythes qui les entourent; néanmoins, ils livrent à la critique scientifique d’un R. J. Forbes une moisson considérable d’informations.

L’âge du fer

Dès le début du IIIe millénaire, ou avant, Sumériens et Égyptiens, séduits par l’éclat métallique des minerais de fer bien cristallisés, la magnétite (Fe34) ou l’hématite (Fe23), les avaient taillés et ciselés: poids, cylindres décorés, baguettes de maquillage en témoignent.

Un texte du Fayoum récemment déchiffré, et datant de 3500 avant J.-C., atteste que les Égyptiens savaient alors extraire le fer du minerai. Même si la fusion totale n’était pas atteinte dans les bas foyers rudimentaires, où couches de minerais et couches de charbon de bois alternaient, on pense généralement que, moyennant un bon courant d’air, les premiers métallurgistes pouvaient réduire les oxydes en prolongeant suffisamment l’opération (fig. 1). Démolissant ensuite le four, ils y trouvaient une pâte visqueuse, mêlée de scories, que le forgeron travaillerait ensuite au marteau pour l’épurer. En fait, remarque Cyril S. Smith, jusqu’en 1771, on a ignoré le rôle du carbone dans le fer et tout progrès a été purement empirique.

Arts et techniques

Malgré le soin avec lequel les forgerons – pseudo-sorciers – tentèrent de garder leurs secrets, nomades et navigateurs contribuèrent à faire sortir la métallurgie de son berceau. Des vocations surgirent partout où les gisements de surface étaient exploitables, c’est-à-dire à proximité des forêts.

En outre, avec un rare bonheur, la plupart des techniques artistiques ou utilitaires ont été mises en œuvre par les Sumériens. Citons entre autres: martelage, ciselage, repoussé, étirage de minces rubans (dont on faisait les fils), dorure à la feuille ou en bains de sels dissous, granulations, incrustations d’or ou de laiton, travail du bronze, rivetage, soudure du fer doux ou carburé; tel est un aperçu du bilan technique des exhumations récentes, en Mésopotamie et aux alentours, de trésors du IIIe millénaire avant notre ère.

On a pu dire qu’en Asie Antérieure, l’humanité primitive accomplit son apprentissage comme dans un grand atelier de métallurgie: le vocable de kas , comme dans Caucase, Caspienne, etc. (ou k ch , comme Hind K ch) se rapporterait – ce n’est qu’une hypothèse – soit aux Kuchites nubiens, renommés pour leurs armes, leurs outils, leurs chevaux, soit aux Kassites du Lurist n. Ce pourrait être l’origine du mot turc Kasak devenu Cosaque en russe, selon l’historien tchèque Bed face="EU Caron" シich H face="EU Caron" シozný.

Au Ier millénaire, dans la région qui nous occupe, le fer va petit à petit prendre la place du bronze pour les outils tranchants, mais l’effort des techniciens se portera particulièrement sur les armes que les chefs veulent aussi belles qu’efficaces: laissant l’orfèvrerie et la statuaire à l’histoire de l’art, le métallographe tente aujourd’hui d’écrire l’histoire de la métallurgie en étudiant au laboratoire ces pièces étonnantes à tous égards.

2. Les techniques déchiffrées au laboratoire

L’examen du métal – quels que soient sa nature et son âge – commence sous le microscope où en première lecture se discerne la structure métallographique: arrangement polycristallin résultant de la solidification, disposition des inclusions ou précipités, éventuellement déformation des grains correspondant à telle ou telle action mécanique. S’il y a lieu, l’information première sera complétée par microscopie électronique, diffraction de rayons X, analyse par microsonde électronique, mesures de microdureté, etc. Dans tous les cas, l’ensemble des observations est confronté avec l’analyse chimique.

Sauf s’il s’agit de déchiffrer une fracture, tout échantillon, avant d’être exploré au microscope, est poli et attaqué; ainsi apparaît sa structure sur laquelle se reflète la lumière, spectacle dont l’observateur oublie aujourd’hui la beauté au bénéfice de l’information scientifique. Pourtant, il a répété les gestes de l’armurier de Damas qui a su profiter des hétérogénéités visibles de ses aciers pour assurer aux armes une décoration et une efficacité qui ont fait leur réputation.

Avant les études de laboratoire du XXe siècle, on a confondu le damas de cristallisation, le vrai, et le damas d’assemblage. C. S. Smith a longuement discuté cette question qui intéresse l’histoire: de 1773 à 1821, tous les essais de reproduction des vrais aciers damassés ont échoué, en Suède, en France, en Angleterre, faute de comprendre le rôle du carbone dans la cristallisation de l’acier. Selon cet auteur, le vrai acier de Damas, fabriqué en Islam depuis le VIIIe siècle, est un acier à haute teneur en carbone dont la texture a pour origine une ségrégation dendritique résultant d’une solidification très lente de la première fusion, solidification suivie d’un forgeage conduit de manière à préserver la disposition des plages fortement et faiblement carburées, ce qui donne une structure lamellaire assez irrégulière. La structure composite du second est obtenue à partir d’un assemblage de fers doux et de fers carburés soudés en fagot, lequel est corroyé à plusieurs reprises, après pliages ou autres déformations, de manière à former des motifs visibles à la surface.

Cela n’est qu’un exemple de la puissance de l’examen de laboratoire: le microscope perce les «secrets» du passé, qu’il s’agisse des épées mérovingiennes, des kriss malais ou des sabres japonais, perfection du genre.

Encore faut-il préciser que la portée de l’observation dépend du degré de connaissance de l’observateur: Réaumur a tiré parti de ses expériences en entrevoyant les différentes qualités de cristallisation du fer doux, de l’acier, de la fonte décarburée ou non; Henry Clifton Sorby a été le premier à juger de l’importance de la disposition des différents précipités dans l’acier (1863): ses résultats sont passés inaperçus. Quinze ans après, Adolf Martens, par la même technique, suivit l’effet des traitements thermiques sur les aciers: le microscope devint outil de progrès.

Chaque technique de fabrication, d’observation, d’essai a sa propre histoire qui intéresse l’évolution de la métallurgie. On peut faire remonter l’observation des fractures à l’âge de la pierre taillée, et la voir revenir en 1956, à l’échelle du microscope électronique, sous le nom de microfractographie , pour reconnaître les causes de rupture d’une pièce en service. L’historien s’intéresse autant aux échecs qu’aux réussites, mais les témoins glorieux lui sont seuls transmis. Pourtant Smith, examinant un siglos persan (monnaie d’argent du Ve siècle av. J.-C.), reconnaît sur sa face l’empreinte d’une fracture de bronze. Mieux encore, il peut estimer approximativement la teneur en étain du métal absent: 18 à 23 p. 100.

D’autres essais encore pratiqués sont d’inspiration ancienne: la dureté – devenue microdureté –, le pliage, entre autres. Enfin certaines qualités ne sont, encore aujourd’hui, décelées que par l’expérience, par exemple l’aptitude à la soudure.

Ce qui a changé radicalement au cours des temps, c’est l’image de l’objet qui se forme dans l’esprit de l’observateur, autrement dit le degré de connaissance attaché à l’observation. Selon Smith, l’histoire de la métallographie est discontinue, illogique... et passionnante. Elle se termine vers 1890: métallurgie et métallographie ont alors vie et âme communes.

3. Les premiers établissements industriels

Naissance de l’industrie du fer

Hier encore on pensait que l’industrie du fer ne s’était implantée qu’en Mésopotamie: 160 tonnes de fer – lingots et objets trouvés à Ninive vers 1865 – en témoignaient. Ils datent de l’an 1200 avant J.-C. Plus récemment, Contenau déchiffre une tablette, qu’il date de 1300 environ (fouilles de Boghaz Köy – publiées en 1934): un roi hittite mentionne le retard d’une livraison.

En 1969, A. France-Lanord rassemble, avec ses propres analyses, toutes celles portant sur les épées en fer du Lurist n et conclut qu’une véritable industrie de qualité s’était établie dans cette région dès le Ier millénaire avant J.-C.

Les découvertes archéologiques se multipliant, on voit s’étendre les régions où le fer est exploité – sans pour autant remplacer totalement le bronze – et reculer les dates de son usage intensif.

En Europe, les premières stations s’établissent à Villanova, à Hallstadt (900 av. J.-C.), peut-être par l’intermédiaire des Étrusques, puis à La Tène (à partir de 500). Étudiant les lingots, puis les épées, France-Lanord parvient à esquisser une filiation à partir d’études métallographiques portant sur la manière dont le fer était élaboré, cémenté, corroyé et poli.

L’industrie à l’époque classique

En Grèce, l’exploitation des mines du Laurium est la seule industrie indépendante des métiers d’art, encore que l’argent soit extrait du plomb par le procédé déjà connu de la coupellation. À l’époque gréco-romaine, les ponts des navires sont recouverts de plomb pour protéger le bois, et le plomb, utilisé pour les poids, servira aussi à faire les ancres.

La monnaie d’argent frappée et non plus coulée, devient fiduciaire. Du coup, en Grande Grèce, on trouve des pièces «fourrées», de même volume que les monnaies en argent massif; ce sont des éponges de plomb parfaitement argentées, témoins de l’ingéniosité des monnayeurs officiels. L’usage du laiton se répand: d’après Dioscoride (Ier s. apr. J.-C.), les Grecs cémentent le cuivre, non plus avec la calamine, mais avec un oxyde de zinc purifié.

Si Aristote mentionne le vif-argent, on attribue aux Romains la découverte du mercure, et l’usage de sa distillation. Après la mise en exploitation des minerais d’Espagne (Ier s. apr. J.-C.), l’or est extrait par amalgamation. Le plomb est de plus en plus employé: pour la première fois on en fait des canalisations urbaines.

En Italie, comme dans tous les territoires conquis, les Romains ont largement exploité les ressources minières, établi des ateliers de toutes sortes, armes, monnaies, etc. Partout ils ont codifié les conditions de travail, de véritables experts encadrant les esclaves. Plutôt que d’innover, les conquérants ont su profiter des talents de forgerons des Saxons, des Britanniques, des Gaulois, «maîtres métallurges»; toutefois ils reconnurent la haute qualité des fers venant d’Orient. Ils importèrent du «fer sérique» pensant que la Chine le produisait; en fait, il s’agissait sans doute de l’acier au creuset élaboré, en Inde, directement à partir de la magnétite.

À la même époque, en effet, fut édifié le fameux pilier de fer de Delhi (310 apr. J.-C.), haut de vingt-deux mètres, qui s’est trouvé protégé de la corrosion grâce à la formation spontanée d’une mince couche de magnétite recouvrant le fer très peu carburé.

Après la chute de l’Empire romain, les techniques locales s’épanouissent librement, deviennent plus subtiles, comme le montrent les épées richement décorées des Scandinaves ou des Saxons, entre autres. Leurs assemblages s’apparentent à ceux de Damas; on note en outre, chez les Mérovingiens, en sus du fer doux et du fer carburé, des éléments volontairement nitrurés. La légende rapporte que des volatiles auxquels on faisait ingurgiter du fer doux le restituaient incomparablement plus dur: les études de É. Salin et France-Lanord confirment le bien-fondé de ces dires.

La fonte

En Occident

À l’aube du XIIIe siècle, un progrès capital dans l’élaboration du fer se dessine avec la généralisation de l’emploi de l’énergie hydraulique pour souffler l’air dans les foyers et pour cingler la loupe toujours encombrée de scories, remarque Forbes.

Le marteau à bascule, ou martinet , utilisé par les chartreux dans le Dauphiné, dès le XIIe siècle, pénètre en Europe. Les souffleries mécaniques activent le fonctionnement des fours dont la diversité (bas foyers, fours à cuve, four catalan, four corse, etc.) répond en général aux caractéristiques des gisements locaux.

Le modèle le plus intéressant est le four à masse du pays de Siegen (fig. 2), où l’on a pu voir la première esquisse du haut fourneau (Stückofen). Il s’élève à cinq mètres à la fin du XIIIe siècle, tandis qu’ailleurs subsistent des bas foyers. Le principe demeure toutefois le même, mais la température est plus élevée et plus régulière. C’est à cette époque que l’on vit un jour couler la fonte, jusque-là ignorée, en tout cas à l’état liquide. Si l’on avait trouvé auparavant de la fonte dans les produits de solidification mêlés aux scories, elle eût été remise en seconde fusion: seuls les fers malléables intéressaient les forgerons d’antan.

En Chine

Tout au contraire, en Chine, la fonte fut connue dès le IVe siècle avant J.-C., avant le fer doux. On trouve non seulement des statuettes ou des outils agricoles de cette époque, mais aussi leurs moules (coquilles). Cela s’expliquerait par la forte teneur en phosphore de certains minerais, ce qui permet leur réduction à 950 0C au lieu de 1 130 0C pour des teneurs en phosphore de 0,6 p. 100. Toutefois cette proportion n’aurait pu être généralement atteinte sans une addition de phosphate de fer, sans doute la vivianite, mentionnée sous le nom de «terre noire» dans les anciens textes chinois, où Joseph Needham trouve la description complète des procédés les plus anciens et de leur évolution.

Les fourneaux, déjà hauts, munis de soufflets doubles, fonctionnent au charbon de terre, et donnent de la fonte, «fer brut». Le fer forgé, «fer mûr», résulte d’un affinage des gueuses de première fusion avec des mélanges provoquant la décarburation: boues séchées et tamisées, perches de bouleau, cendres, etc.

Au début du VIe siècle de notre ère, un texte mentionne déjà la fabrication de l’acier par «cofusion» de fonte et de fer forgé, ce qui évoque le principe du procédé Siemens-Martin. Évoluant avec le temps, les aciers ainsi produits prenaient la trempe – connue très tôt – et servaient à la fabrication des sabres corroyés, prototypes des fameuses armes japonaises.

Mais la cofusion a ses adversaires: le vrai acier serait non pas un produit hétérogène mais le résultat de «cent affinages» consistant à décarburer à l’enclume la fonte encore rouge sous un puissant courant d’air froid. Méthode pratiquée depuis le IIe siècle avant J.-C., décrite au XIe siècle après J.-C., et que Needham rapproche du procédé Bessemer.

Réfléchissant d’une part sur l’usage intensif de la fonte en Chine: ponts suspendus dès le VIe siècle après J.-C., grandes pagodes ou toitures au Moyen Âge, sans parler des statues colossales et des cloches, d’autre part sur l’usage déjà généralisé depuis le IXe siècle de l’imprimerie, sur le développement de l’horlogerie, Needham se demande si le «réveil» du XIVe siècle en Occident ne serait pas dû à quelque connaissance de la civilisation de l’Extrême-Orient... Les preuves manquent encore pour l’affirmer.

Les traités de métallurgie du XIIe au XVIIIe siècle

Si, en Europe, les premiers ouvrages imprimés traitant de la pratique des arts métallurgiques apparaissent au XVIe siècle, le manuscrit du moine Théophile, datant du début du XIIe siècle, a certainement circulé à l’époque des cathédrales. Le livre III du Diversarum artium schedula décrit minutieusement les techniques intéressant tous les métaux servant à l’ornementation des édifices religieux: montage des vitraux dans le plomb, orfèvrerie, tuyaux d’orgue, cloches, etc. On a pu, en reconstituant tous les outils et gabarits de l’époque, reconnaître la qualité de métallurgiste de l’auteur, sans doute Roger de Helmarshausen, bénédictin de Cologne. La dernière traduction (en anglais), due au latiniste John G. Hawthorne, complétée par les commentaires de Smith, donne la clé des opérations technologiques de l’époque.

L’art militaire reprend ses droits aux époques troublées: les premières armes à feu sont forgées en Germanie (1325), puis sera coulé le canon de bronze (1350), remplacé au XVe siècle par le mortier en fonte. Vanucci Biringuccio, de Sienne, publie en 1540 De la pirotecnica . Les quatre premiers chapitres traitent de l’extraction des «sept métaux de l’Antiquité»; on y trouve entre autres les descriptions de l’amalgame d’argent, du four à réverbère, de la liquation, et de la fonte des canons de bronze que G. Somigli analysera pertinemment. Si les vues sur le durcissement du fer par carburation sont théoriquement incohérentes, elles n’en sont pas moins valables pratiquement.

En 1556, un an après la mort de Georg Bauer, médecin, chercheur, grand voyageur, paraît sous la signature de Georgius Agricola, à Bâle, le manuscrit qu’il avait remis en 1553 à son éditeur: De re metallica . On y trouve réunies, avec nombre d’illustrations, toutes les observations qu’a pu faire l’auteur sur l’élaboration et la transformation des métaux, y compris les mécanismes auxiliaires. Réimprimé maintes fois pendant deux siècles, ce fut le seul traité de métallurgie qui circula. Toutefois, la part réservée au fer est limitée comme dans l’ouvrage de Lazarus Ercker. Ce dernier complète Agricola au sujet des méthodes d’essai et signale l’usage de l’aimant pour retirer des minerais grillés les portions utiles.

Parmi les ouvrages du XVIIe siècle, mentionnons, outre quelques brochures de recette, l’ouvrage de Georg Englehardt von Löhneis (1617) traitant de l’organisation des mines (Bericht von Bergwercken ), celui de Alvaro Alonso Barba, Arte de los metales , montrant l’exploitation des mines d’or et d’argent du Nouveau Monde (1640). En France, Mathurin Jousse (La Flèche, 1627) publie La Fidèle Ouverture de l’art du serrurier ; Jean Boizard traite des monnaies (1696).

Quand Descartes visite une forge, ses observations lui inspirent, comme à d’autres savants du XVIIe siècle, des réflexions sur la théorie corpusculaire de la matière, mais le praticien n’en aura cure. Il faut attendre René Antoine Ferchault de Réaumur pour que s’opère la première tentative sérieuse de jonction entre la pensée et la technique, encore que l’exploitation de ses résultats ne fût pas immédiatement heureuse en général. Il est membre de l’Académie des sciences quand, de 1716 à 1726, il s’intéresse aux métaux, suit leur élaboration à l’atelier, conçoit et exécute des expériences, contrôle la dureté par rayure, construit une machine pour mesurer la flexion des barreaux et observer leurs fractures. Les résultats sont décrits et expliqués dans L’Art de convertir le fer forgé en acier et l’art d’adoucir le fer fondu, ou de faire des ouvrages de fer fondu aussi finis que de fer forgé (1722) et dans plusieurs notes ultérieures. Malgré l’embarras du langage de l’époque, il donne pour la première fois les définitions correctes de la trempe, de la carburation du fer; il explique la cémentation (connue depuis l’Antiquité); il obtient de la fonte malléable, et, plus tard, trouve un procédé d’étamage qui sera longtemps appliqué dans les ateliers.

4. La grande industrie

Les combustibles nouveaux

Dès le milieu du XVIIe siècle, tandis que se multipliaient les applications du fer, les Anglais s’inquiètent: le bois va manquer, les Américains commencent à exporter, la qualité des aciers suédois est reconnue et c’est un ouvrier wallon qui, en 1650, inaugure à Sheffield la fabrication des canifs. À la fin du XVIIe siècle, l’Angleterre n’a pas encore tiré de la fonte autre chose que des produits moulés, cassants, tandis qu’à Versailles, dès 1664, l’eau est amenée dans des canalisations de fonte. Pour sauver l’industrie, il faut envisager un nouveau combustible et améliorer l’affinage de la fonte. Oliver Cromwell encourage dès 1652 les efforts voués à l’utilisation de la houille dans les hauts fourneaux. Dud Dudley est le seul à réussir au départ, puis il échoue. Il s’en explique dans un livre Metallum martis (1665), invoquant des circonstances extérieures à la technique. Dès 1708, Abraham Darby, fondeur de bronze, se convertit à la fonte, essaye à son tour la houille, puis finalement adopte avec succès le coke, récemment découvert (1735). La France attendra cinquante ans pour changer de combustible. Désormais, on renoncera le plus souvent à la fonte de première fusion pour les moulages. Les fonderies, indépendantes du haut fourneau, utilisent le cubilot. D’autre part, on affine la fonte de première fusion dans des fours analogues aux bas foyers de production directe de fer, avec des mélanges de scories et de charbon de bois: on obtient une loupe plus ou moins propre.

Acier au creuset et fonte de qualité au XVIIIe siècle

Un horloger de Sheffield, Benjamin Huntsman, se plaint de l’irrégularité des loupes d’acier qu’on lui livre. Pour les homogénéiser, il parvient à trouver le réfractaire dont il fera des creusets; grâce au coke, la température de fusion sera atteinte: pour la première fois l’acier est fondu (1740). Le procédé sera repris à l’échelle industrielle en Suisse, puis en France, au début du XIXe siècle pour les aciers carburés – destinés à l’outillage – à point de fusion relativement peu élevé.

La fonte s’améliore et entre dans la construction: dix-sept siècles après les Chinois, les Anglais jettent sur la Severn le premier pont en fonte de l’Occident; il sera réservé aux piétons; un village naît sur la rive droite: Ironbridge.

Nouveau progrès décisif dans l’affinage: en 1784, Henry Cort invente le puddlage (de l’anglais, to puddle , brasser) qui permet de traiter de grandes masses. Dans le four spécial, la fonte de première fusion est amenée à l’état liquide et brassée énergiquement avec les oxydants, sans jamais être en contact avec le coke placé sur une grille. On obtient du fer à l’état pâteux, mêlé de scories, dont il faudra le débarrasser par cinglage.

Cependant les qualités des fers paraissent inférieures aux aciers de Damas qui éblouissent les gens de métier. Les Suédois en usine, les Français au laboratoire vont tenter de reproduire «l’eau de ces étoffes», entrevoyant un lien entre aspect et qualité de fonction; ce fut, note Smith, un stimulant extraordinaire pour les recherches, au moment où la chimie, avec Lavoisier, se débarrassait de l’héritage des alchimistes, où Grignon et les Suédois s’intéressaient à la cristallisation des métaux, où de nouveaux éléments métalliques naissaient dans les cornues.

Au début du XIXe siècle, Michael Faraday eut l’idée de poursuivre cette recherche en éprouvant l’effet d’additions métalliques – telles que d’argent, de nickel, de chrome, de platine même – à l’acier. Ce faisant, il s’éloignait de son but, mais ses résultats furent repris par l’industrie des aciers au cours du temps. On savait déjà que les effets visibles sur ces aciers damassés étaient mieux révélés par les acides, après les remarques de Johann Andreas Cramer (Leyde, 1739) et les explications de Grignon (datant de 1762, publiées en 1775); on entrevoyait la signification de la structure visible. Bréant donne en 1823 la Description d’un procédé à l’aide duquel on obtient une espèce d’acier fondu semblable à celui des lames damassées orientales . Il y dénonce les conditions de la précipitation du carbure et l’effet du corroyage. Le général P. Anossoff, en Russie, tentera d’appliquer les techniques de Bréant aux fabrications, ce qui déclenche encore toute une série d’études théoriques et pratiques, où s’illustrèrent D. Tschernoff (1839-1921), puis Nicolas Timothy Belaiew.

En même temps que le duc de Luynes en France, J. C. Fisher, en Suisse, observe l’acier damassé. Le chapitre sera clos en 1851, selon Smith, après l’exposition, côte à côte, à Londres, d’une reproduction de l’acier de Damas et d’une section de météorite à la «structure damassée» à peine visible à l’œil, car l’intérêt majeur se porte maintenant sur les débuts de l’industrie lourde.

La production massive au XIXe siècle

Toutes les découvertes du XIXe siècle vont être mises à profit par la métallurgie, qu’elles intéressent la chimie, l’électricité, la thermodynamique ou la structure de la matière. Économiquement parlant, la révolution industrielle s’applique surtout à la sidérurgie, mais au souci de quantité succédera celui de la qualité des aciers; en outre naissent des métallurgies nouvelles pour les métaux légers, le nickel, le zinc.

Quelle que soit la technique envisagée pour traiter la fonte des hauts fourneaux, le même problème va embarrasser tous les novateurs: la difficulté de travailler à des températures élevées en évitant la contamination par les parois du récipient. Le choix du réfractaire a été de tout temps une préoccupation sérieuse, il s’avère encore plus difficile lorsque croissent les exigences de qualité. Il s’est posé dès le premiers essais du procédé Bessemer: il s’agit d’injecter dans la fonte liquide un courant d’air froid sous pression qui provoquera, dans la cornue, la combustion des impuretés, telles que le carbone ou le silicium. La surélévation de la température qui en résulte permet d’obtenir l’acier liquide en masse. La capacité de la cornue passe de une tonne en 1858 – date des premiers essais réussis – à dix, puis atteint soixante tonnes en 1940. Le seul frein au développement industriel est la réaction des fontes phosphoreuses avec le revêtement siliceux, donc acide, de la paroi des convertisseurs.

Quelques années plus tard, les frères Siemens imaginent le chauffage par récupération d’un four de très grande dimension: les gaz sont préchauffés, ce qui permet, après réaction, d’obtenir également l’acier liquide. La nuance est bien contrôlée par le jeu des additions, à condition qu’il n’y ait pas réaction avec la sole de silice sur laquelle repose le métal. Les frères Émile et Louis Martin – avec la collaboration de Louis Le Chatelier – améliorent la qualité des briques siliceuses et réussissent à mettre en œuvre des fours dont la capacité atteindra rapidement vingt ou même soixante tonnes, pour passer à quatre cents tonnes en 1940.

Ces forts tonnages n’auraient pu être envisagés sans la découverte de Sidney Gilchrist Thomas qui, avec son cousin Percy Carlyle Gilchrist, émit en 1878 l’idée de revêtements basiques; ces deux chimistes préconisèrent l’usage de la dolomie (carbonate double de calcium et de magnésium) déjà portée à haute température avant son utilisation: les soles et les parois dorénavant seront basiques. En outre les mêmes auteurs recommandent d’opérer avec un sursoufflage préliminaire. Une retombée du procédé se révèle rentable: le résidu de l’opération, la scorie riche en phosphore, servira d’engrais.

À la même époque les fours électriques de modèles divers sortent du laboratoire et voient leur capacité augmenter sérieusement; ils seront par la suite largement utilisés.

La fabrication des aciers spéciaux exigeait un contrôle sévère de la qualité: pour les produire en quantité, R. Perrin, aux aciéries d’Ugine (Savoie), après de longues recherches, mit au point en 1934 un procédé original, appliqué de nos jours à grande échelle. Le principe consiste à amener à l’état liquide, en deux poches séparées, la fonte d’une part, la scorie dosée selon la nuance finale désirée d’autre part. En mince filet, la fonte est déversée dans la scorie: la réaction est instantanée, totale. On peut répéter l’opération pour éliminer successivement les impuretés indésirables: phosphore, oxydes de fer, etc.

Les nouveaux métaux

Si le fer a pris une telle importance, ce n’est pas tant à ses qualités propres qu’il le doit, mais au fait de son abondance sur le globe. La petite histoire signale qu’au moment de la conquête espagnole un cavalier s’aperçut que son cheval avait perdu un fer. Faute de forgeron, il trouva un orfèvre qui lui fit un «fer» en argent dont il fut parfaitement satisfait.

Des métaux anciens ou nouveaux virent naître au XIXe siècle leur propre métallurgie, grâce à la découverte et à l’exploration de gisements négligés ou inconnus, à l’invention de méthodes adaptées aux caractéristiques de chacun. La tradition ne s’efface pas d’un trait de stylo à bille de tungstène: longtemps après l’électrolyse de l’aluminium, on verra encore le perchage du cuivre pratiqué comme à l’époque romaine; ce n’est pas là le seul exemple.

Nouvelles techniques de contrôle et de recherche

Le dernier quart du XIXe siècle va être la période où le laboratoire devient le centre du progrès; le microscope en est le principal outil, mais autour de lui vont bientôt se grouper les dilatomètres, les appareils de mesure de résistivité, de magnétisme, de conduction thermique, etc. Par l’étude des aciers avant et après la trempe, la jonction s’est enfin opérée entre propriétés mécaniques et structure cristalline, ce qui se traduit dans la pratique par la liaison entre le laboratoire de recherche et l’industrie, et, du point de vue de l’historien, par l’association de la pensée et de l’action: les nombreuses revues scientifiques consacrées aux métaux en témoignent. Les épisodes glorieux, les controverses internationales de cette période d’épanouissement de la métallurgie – devenue science appliquée – ont été rappelés aux colloques célébrant la découverte de Sorby, plus exactement sa prise de conscience de la portée des observations de structure vis-à-vis des propriétés des matériaux métalliques.

Le XXe siècle hérite à sa naissance de deux découvertes aussi imprévisibles l’une que l’autre: les rayons X émis par la matière sous l’irradiation aux électrons, et l’émission spontanée des éléments radioactifs. Exposant sa découverte, Wilhelm Conrad Röntgen (28 décembre 1895), qui se voulait théoricien, présente les premières radiographies de métaux, y compris celle d’une soudure: l’utilisation précède l’explication. Le contrôle industriel profitera largement des rayons pénétrants, la préférence allant actuellement aux rayons 塚 naturels ou artificiels. Avec la découverte, en 1912, de la diffraction X, M. von Laue apporte au laboratoire l’outil indispensable pour l’analyse des phases: l’établissement des diagrammes thermiques en est singulièrement facilité, et William Hume-Rothery élabore la théorie des alliages. L’industrie contrôle ses produits par diffraction ou fluorescence X: les deux techniques sont automatisées.

5. Voies d’avenir

D’une part, le foisonnement des nouvelles techniques dont quelques exemples ont été cités, d’autre part, l’affirmation des théories de l’état solide réussiront-ils à assurer la démarche de la recherche, à éviter sinon les échecs, du moins les tâtonnements?

Certaines réussites sont encourageantes. Au début du siècle, aux États-Unis, on demanda à Irving Langmuir comment l’on pouvait produire des filaments de tungstène, alors que ce métal ne se laissait pas étirer. Le savant réussit à fritter la poudre, et les lampes à incandescence mises au point par William David Coolidge ne furent plus tributaires du carbone, dont la brillance est faible. Mais l’imagination des ingénieurs fut d’abord freinée par la mise au point des matériaux dont ils exigeraient des services sévères, parfois des qualités jugées incompatibles. La fonte au silicium résiste d’autant mieux aux acides qu’elle est plus chargée en cet élément; du même coup sa fragilité augmente jusqu’à la rendre inutilisable. Il faut «modifier» les phases précipitées. Métal léger, le titane paraît tout indiqué pour l’aviation ou les vols spatiaux; en 1952, sa métallurgie est sur la bonne voie, des usines s’établissent, puis un autre matériau lui est substitué, la production se ralentit.

En 1944, alors qu’on pensait l’acier ordinaire à toute épreuve, voici des liberty ships , construits aux États-Unis, qui se fendent dans les mers très froides. On découvrit alors que, sous l’influence d’oligo-éléments, la température de transition entre l’état ductile et l’état fragile pouvait varier de plusieurs degrés: certains aciers ne résistent pas aux grands froids.

Tel autre acier allié était employé de confiance, et puis des ruptures imprévues se produisaient: le microscope y vit une phase dite «sigma» – de structure aussi complexe que l’uranium 廓 – responsable de sa fragilité.

L’utilisation de l’énergie nucléaire posa dès son début des problèmes nouveaux aux métallurgistes; qu’il s’agisse du gainage des barreaux d’uranium ou des systèmes de refroidissement, quels sont les alliages qui ne seront pas endommagés par les radiations? Les recherches multiples aboutissent à la mise au point de nouveaux alliages, de revêtements jusqu’alors inhabituels.

La métallurgie réserve donc des surprises, même avec les matériaux que l’on croit bien connaître. Cependant, si les physiciens d’aujourd’hui ne possèdent pas immédiatement la réponse et le palliatif, ils sont armés pour les chercher. Parfois la question se pose de remplacer un métal par un polymère «chargé», ou par un «composite», auquel on pourrait, par le jeu de précipitations provoquées ou par tout autre moyen, donner les qualités requises – par exemple, associer la résistance mécanique à la résistance au choc thermique. Cependant, au début de 1971, les espoirs fondés sur de longues recherches furent déçus dans le domaine des réacteurs.

Dans le même temps, l’école du professeur G. Chaudron, en France, s’attache à l’élaboration de métaux ultra-purs, débarrassés de leurs oligo-éléments, parfois jusqu’à une partie par milliard, en conjuguant toutes les méthodes de purification. Magnésium, aluminium ou fer ainsi traités changent complètement de comportement. D’autres métaux trouveront peut-être quelque jour une application encore insoupçonnée. Avant-hier encore, le germanium – semi-conducteur, il est vrai – était une curiosité, hier il était entre toutes les mains; il s’est effacé devant le silicium pour la préparation des transistors.

Encyclopédie Universelle. 2012.

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