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L’acier en Europe avant Bessemer

 | 
Philippe Dillmann
, 
Liliane Hilaire-Pérez
, 
Catherine Verna

Aciers médiévaux : tirer parti de l’hétérogène

L’acier dans les limes de l’Antiquité au Moyen Âge. Persistance des techniques

Nadine Dieudonné-Glad

Abstract

Cet article étudie l’usage de l’acier pour la fabrication des limes durant l’Antiquité romaine et le Moyen Âge. Quatre limes antiques ont été étudiées par métallographie, faisant apparaître deux techniques de fabrication utilisant l’acier. L’usage systématique de la trempe a été également observé. Pour le Moyen Âge, le traité De diversis artibus du moine Théophile décrit la mise en forme de limes faites d’acier qui pourraient avoir été semblables aux limes romaines étudiées.

Testo integrale

Je remercie vivement Robert Halleux, membre de l’Institut, d’avoir traduit pour moi le passage sur les limes du traité du moine Théophile et de m’avoir éclairée sur le contexte de cette œuvre, ainsi que Jacques Parisot, chargé de recherches au CNRS, pour sa disponibilité lors de ma présence au Laboratoire de métallurgie et de physique des matériaux (ENSMA, Poitiers) où j’ai mené les études métallographiques sur les limes antiques.

  • 1 R. F. Tylecote, The Prehistory of Metallurgy in the British Isles, 1986, p. 144, 167 ; R. Pleiner, (...)
  • 2 J.-F. Dars, A. Papillault, Les forges de Vulcain, Cassette vidéo (28 mn), Paris, 1992.
  • 3 R. Pleiner, Iron in Archaeology. The European Bloomery Smelters, Prague, 2000, p. 233.
  • 4 R. Pleiner, op. cit., p. 245.
  • 5 A. France-Lanord, « Les lingots de fer protohistoriques », Revue d’histoire de la sidérurgie, vol. (...)

1La question de la production et de l’utilisation de l’acier, alliage plus dur que le fer, est centrale dans l’appréciation des savoir-faire anciens. La définition scientifique de l’acier est très précise : c’est un alliage de fer et de carbone, contenant moins de 1,8 % de carbone. Deux catégories d’acier sont identifiées en fonction de la structure de cet alliage, déterminée par sa teneur en carbone : l’acier hypoeutectoïde, contenant moins de 0,8 % de carbone et l’acier hypereutectoïde, contenant entre 0,8 et 1,8 % de carbone. Ce dernier est très dur et difficile à marteler même à chaud. Le métal obtenu dans les fourneaux de réduction directe possède une teneur hétérogène en carbone qui excède très rarement 0,8 %, comme le montrent les analyses effectuées sur les rares loupes archéologiques1 ou sur celles obtenues par expérimentation2. Radomir Pleiner signale, cependant, la présence de zones d’acier hypereutectoïde dans des loupes datant de l’époque celtique3, découvertes sur le site du Magdalensberg (Autriche), mais constate que 80 % des loupes étudiées par métallographie (y compris des loupes médiévales) en sont exemptes4. Les lingots, qui sont un peu moins rares que celles-ci, sont des produits intermédiaires entre le métal brut et l’objet fini. Ils offrent les mêmes caractéristiques que les loupes : ils sont composés d’un métal à teneur en carbone faible et souvent très inégalement répartie5.

  • 6 Aristote, Météorologiques, IV, 6.
  • 7 A. Duvauchelle, Les outils en fer du musée romain d’Avenches, Avenches, 2005 (Documents du musée ro (...)
  • 8 A. Duvauchelle, op. cit., p. 28.

2L’usage de l’acier est donc assez difficile à mettre en évidence à travers l’étude des produits bruts et semi-finis. Les objets finis sont, en revanche, le réceptacle de techniques dont la récurrence permet au paléométallurgiste de percevoir le but du forgeron, même si la représentation mentale qu’il avait de son travail reste définitivement inaccessible à l’observateur moderne. Pour Aristote6, l’acier est un fer plus « pur », alors que nous savons que c’est, au contraire, un alliage de fer et de carbone. Parmi les outils, les limes, dont les dents doivent être plus dures que le matériau travaillé, constituent un type d’objet propice à l’étude de la maîtrise de l’acier par les métallurgistes. En effet, à la différence de la plupart des autres outils, dont la zone de contact avec la matière à travailler est très restreinte (couteau, scie, hache…), et donc pour lesquels le besoin d’acier est modéré, c’est l’ensemble de la surface de la lime qui est utile. On peut donc penser que le volume occupé par l’acier est plus important dans les limes que dans d’autres outils et que la nécessité de durcir l’ensemble de la surface de l’objet entraîne le recours à des techniques particulières. Cependant, toutes les limes ne sont pas destinées au travail du métal ou de la pierre, certaines sont utilisées pour façonner le bois ou l’os, matières plus tendres7 qui nécessitent généralement des dents moins rapprochées (taille grossière8) et, a priori, une dureté moindre du métal.

  • 9 En particulier : A. Duvauchelle, op. cit. ; W. Gaitzsch, Eiserne römische Werkzeuge, Oxford, 1980 ( (...)
  • 10 V. Fell, « Iron age iron files from England », Oxford Journal of Archaeology, vol. 16, 1, 1997, p.  (...)

3Les limes ont fait l’objet d’études typologiques assez nombreuses9, mais rares sont les travaux portant sur la technique de leur fabrication. Pour la fin de l’Âge du Fer dans les Îles britanniques, il faut signaler une étude de Vanessa Fell10 portant sur une quarantaine de limes. Celle-ci met en évidence, à partir de l’observation métallographique de dix-sept d’entre elles, plusieurs caractéristiques structurales : le métal utilisé pour les limes est relativement plus carburé et plus souvent carburé que celui utilisé pour les autres objets contemporains. Près de la moitié des limes observées présentent les structures caractéristiques d’une trempe, la martensite et la troostite. En revanche, cette étude ne s’attarde pas sur l’homogénéité éventuelle du métal utilisé ou sur la répartition de plages à teneur en carbone différentes qui auraient pu permettre une caractérisation plus fine de la technique de fabrication des objets.

  • 11 P. Ottaway, Anglo-Scandinavian Ironwork from Coppergate, York, 1992 (The archaeology of York, The s (...)
  • 12 C. R. Dodwell, Theophilus, De Diuersis Artibus, The Various Arts, Translated from the Latin with In (...)

4Il n’existe aucune étude comparable sur les limes d’époque romaine. Il semblerait même qu’aucune observation structurale n’ait jamais été publiée sur les limes de cette période. Pour le Moyen Âge, on peut citer l’étude métallographique d’une lime trouvée sur le site de Coppergate à York11, qui présente également les indices d’une trempe à partir d’un acier à teneur en carbone hétérogène. Si la littérature technique antique est totalement muette sur ce sujet, pour le Moyen Âge, nous disposons de la source exceptionnelle qu’est l’extrait consacré à la fabrication et la trempe des limes dans le Diversarum artium schedula de Théophile12.

5Les études structurales sur des objets archéologiques étant les seules sources d’information pour la période antique, quatre limes de différents types ont été sélectionnées et étudiées en laboratoire. Les résultats de ces observations seront ensuite confrontés aux recettes de fabrication et de trempe proposées par le moine Théophile pour tenter soit de cerner les convergences entre la réalité archéologique de l’Antiquité et la pratique de l’artisan médiéval, soit d’établir l’existence d’une rupture entre la pratique énoncée et la pratique observée. Dans ce dernier cas, il s’agira d’évaluer les facteurs liés à la nature des sources – littéraires et archéologiques – ou à la chronologie – Antiquité et Moyen Âge.

Étude métallographique de quatre limes antiques

Corpus

Fig. 1. Dessin des limes étudiées : 1. Lime 2306 749.1 ; 2. Lime 2306 682.27 ; 3. Lime 2308 015.15 ; 4. Lime 403 451.6

6Ces limes ont été recueillies en stratigraphie dans deux agglomérations secondaires antiques, Rauranum (Rom, Deux-Sèvres) et Argentomagus (Saint-Marcel, Indre) :

  • 13 A. Duvauchelle, Les outils en fer du musée romain d’Avenches, Avenches, 2005 (Documents du musée ro (...)
  • 14 A. Duvauchelle, op. cit., n. 52.

7Lime 1 (2306 749.1) : L. 19,5 cm, l. 2,8 cm, ép. 0,7 cm. Découverte à Rauranum dans les couches d’occupation d’une forge datée de la 2e moitié du ive siècle après J.-C. et installée dans les bâtiments d’une écurie, cette lime en forme de couteau ne s’inscrit pas dans la typologie usuelle13. Sa taille est assez grossière (7 dents au centimètre). Ces limes à taille grossière sont habituellement attribuées aux charpentiers14 mais, compte tenu du contexte de « forge maréchale » dans lequel elle a été trouvée et de sa forme particulière, on serait tenté d’y voir une râpe pour les sabots des chevaux. En tout état de cause, on peut la classer dans les limes de grandes dimensions utilisées pour des matériaux de faible dureté.

  • 15 A. Duvauchelle, op. cit., p. 28.

8Lime 2 (2306 682.27) : L. cons. 4,6 cm, l. 1,2 cm, ép. 0,8 cm. Egalement originaire de Rauranum, cette lime demi-ronde est fragmentaire. Elle provient des couches de démolition du bâtiment d’écurie évoqué ci-dessus et est datée au plus tôt de la fin du ive siècle après J.-C. Sa taille, de 12 dents au centimètre, est plutôt moyenne (celle-ci varie usuellement entre 8 et 22 dents au centimètre15). Les dents ne sont présentes que sur la face courbe de l’objet.

9Lime 3 (2308 015.15) : L. cons. 12,2 cm, l. 0,8 cm, ép. 0,4 cm. Issue de niveaux de démolition de la fin du ive siècle après J.-C. de Rauranum, cette lime est de section rectangulaire. Elle possède des dents sur ses quatre faces et sa taille est moyenne (9 dents au centimètre).

10Lime 4 (403 451.6) : L. cons 9,3 cm, l. 1,4 cm, ép. 0,5 cm. Cette lime, découverte à Argentomagus, possède la même forme que la précédente et présente également des dents sur ses quatre faces. Seule la soie et une partie du corps de l’outil sont conservés. Son état de surface rend difficile l’évaluation de sa taille. Il semble que celle-ci soit plutôt grossière, avec de 6 à 8 dents au centimètre.

  • 16 Ibid.

11Les quatre limes étudiées, dont trois sont datées de l’Antiquité tardive, possèdent une taille horizontale, ce qui serait un caractère archaïque, d’après Anika Duvauchelle16, car la taille oblique, plus efficace, a été observée dans les provinces romaines dès le ier siècle après J.-C.

Technique d’étude

12Prélèvement. Seule la lime 1 en forme de couteau a subi un prélèvement sur sa partie centrale. Dans le souci de conserver au mieux l’intégralité des objets, les autres ont été observées à leur extrémité cassée. En outre, la soie de la lime 4 a été tronçonnée et étudiée.

13Préparation des échantillons. Après enrobage à froid, le plan de coupe des échantillons a été poli au papier abrasif puis à la pâte diamantée (3 μm) afin de pouvoir observer une section de chacune des limes. Ils ont ensuite été attaqués avec une solution de Nital (1 % d’acide nitrique dans de l’éthanol).

14Observations. Elles ont été effectuées au microscope métallographique et des clichés ont été pris à différents grandissements. Une cartographie de la totalité de la section de chacune des limes a été dressée pour permettre d’observer la répartition des différentes structures du métal. Cette cartographie est le seul document qui puisse permettre une analyse en détail de l’histoire métallurgique et thermomécanique des échantillons, en évaluant en particulier les hétérogénéités dans le métal, en localisant les éventuelles soudures, etc. C’est ce type de document qui manque dans la plupart des études et qui limite la possibilité de comparaisons entre différents corpus.

  • 17 V. Fell, op. cit., p. 79-98.

15Mesures de dureté. Elles ont été effectuées à deux échelles. Des essais de dureté (méthode Vickers, charge de 20 kg) permettent de rendre compte de la dureté moyenne de l’échantillon en plusieurs endroits. Trois à quatre tests ont été pratiqués sur chacun des échantillons, localisés dans la partie centrale de celui-ci, pour s’affranchir des effets liés à la proximité du bord de l’objet. Cette mesure permet donc de caractériser le métal constituant le corps de l’objet mais pas sa surface. Ces essais ayant également été pratiqués par Vanessa Fell sur les limes protohistoriques de Grande-Bretagne17, à raison d’un ou deux points de dureté par objet, des comparaisons intéressantes pouvaient être envisagées.

16Des profils de microdureté (technique Vickers, charge de 100 g) ont également été dressés pour chacun des échantillons. La microdureté consiste à mesurer la dureté à l’échelle de la phase cristalline présente dans le métal et contribue à l’identification de ces phases. La répétition régulière de ces essais le long d’une droite traversant l’échantillon conduit à mieux percevoir les changements progressifs de structure qui peuvent s’expliquer par des traitements métallurgiques. La petitesse de la pointe métallique pénétrant dans le métal permet de tester des zones proches des bords de l’échantillon.

Résultats

Une caractéristique commune : la trempe

17Tous les échantillons étudiés contiennent une structure caractéristique de la trempe : des aiguilles de martensite. Ce composé est obtenu par refroidissement rapide, à l’eau, d’un métal ayant une teneur en carbone supérieure à 0,2 % et porté à une température de 800 à 900°C. Cependant, malgré ce traitement destiné à augmenter la dureté de l’outil, les valeurs relevées sont très variables. La comparaison avec les données recueillies sur les limes protohistoriques est éclairante (fig. 2). La dureté d’une des limes antiques (lime 1) dépasse à peine celle des limes protohistoriques non trempées. Une deuxième (lime 2) possède une dureté comparable à celle des limes protohistoriques trempées les moins dures. Ces limes de faible dureté sont la lime en forme de couteau et la lime demi-ronde. En revanche, les deux limes plates 3 et 4 sont beaucoup plus dures. La comparaison avec les mesures effectuées sur les limes protohistoriques montre, pour les limes trempées, une plus grande homogénéité des duretés pour les outils antiques que pour ceux datés de la protohistoire.

18Malgré l’utilisation systématique de la trempe et l’apparition de plages de martensite, deux catégories de limes antiques peuvent donc être distinguées : les limes d’une dureté supérieure à 700 Hv et les limes d’une dureté inférieure à 500 Hv (fig. 2). Une explication de ce phénomène peut être recherchée dans le degré de carburation du métal et les techniques de mise en forme employées. L’étude structurale des sections des limes, en relation avec les profils de microdureté apporte, en effet, des indications supplémentaires.

Fig. 2. Dureté comparée des limes protohistoriques étudiées par V. Fell et des limes antiques. 1. Lime 2306 749.1 ; 2. Lime 2306 682.27 ; 3. Lime 403 451.6 ; 4. Lime 2308 015.15

Des limes composites de dureté relativement faible

19Les deux limes de faible dureté utilisent des aciers à teneur en carbone variée, relativement mal épurés. Sur la lime 2 (fig. 3) est clairement visible la trace d’une soudure correspondant à l’apport d’une couche d’acier à teneur en carbone supérieure à 0,8 % (présence de cémentite) sur un morceau de métal à teneur en carbone beaucoup plus faible (absence de cémentite). La soudure, soulignée par des chapelets d’inclusions, a occasionné une décarburation locale des deux éléments métalliques conduisant à une chute de la dureté dans la partie centrale de l’échantillon, comme le montrent bien les trois profils de microdureté. Les trois essais de dureté rendent compte du même phénomène. À proximité de la face bombée, où sont les dents, la dureté est la plus forte (464 Hv), au centre, la dureté est la plus faible (170 Hv) et du côté de la partie plate, elle atteint seulement 322 Hv.

Fig. 3. Lime 2 (2306 682.27) : 1. Cartographie micrographique et profils de microdureté ; 2. Essais de dureté ; 3. Micrographie : ferrite et perlite ; 4. Micrographie : rosace de troostite ; 5. Micrographie : acier hypereutectoïde (grains blancs de cémentite) ; 6. Micrographie : grains de cémentite dans une zone corrodée

Fig. 4. Lime 1 (2306 749.1) : 1. Cartographie micrographique et profils de microdureté ; 2. Essais de dureté ; 3. Microstructure : aiguilles de martensite ; 4. Microstructure : ferrite aciculaire et perlite ; 5. Microstructure : martensite en aiguilles et rosaces de troostite (plages foncées)

20La présence de soudures sur la lime 1 (fig. 4) est moins nette, mais on constate des variations brutales de microdureté et la présence concomitante de chapelets d’inclusions. Cette lime est probablement le résultat de la soudure de plusieurs plaques de métal (au moins trois), à teneurs en carbone différentes. Contrairement à ce qui est attendu pour une lime, la microdureté la plus forte n’est pas atteinte à la surface de l’objet, mais en son centre. Nous avons vu plus haut que cette lime était probablement destinée à être utilisée sur des matériaux peu durs. Elle a cependant été trempée. Cette trempe n’a pas eu une grande efficacité, dans la mesure où le métal de surface n’avait pas une teneur en carbone suffisante pour durcir correctement. Il semble que, dans ce cas, on puisse penser à une recette (trempe systématique des limes), appliquée par un forgeron ne maîtrisant pas parfaitement les techniques de l’identification et du travail de l’acier.

Des limes en acier massif de très forte dureté

21Les deux limes plates possèdent une dureté partout supérieure à 700 Hv. Elles sont faites d’une masse métallique carburée à cœur et à forte teneur en carbone. Le métal est particulièrement bien épuré car aucune inclusion n’est visible sur les micrographies. On observe des fissures dues à la violence du refroidissement (tapures de trempe) sur les deux objets. Celles de la lime 3 sont superficielles, de petite taille et visibles seulement au microscope (fig. 6, 3 et 4), tandis que celles de la lime 4 affectent l’outil en profondeur (fig. 5, 1 et 4). La lime 3 présente une structure homogène de martensite, tandis que l’exemplaire 4 possède une structure mixte : martensite exclusive en périphérie, martensite et troostite au centre. La présence et la répartition de ces deux types de cristaux dans la lime 4 s’expliquent probablement davantage par une vitesse de trempe différente (le centre de la lime se refroidit moins vite que sa surface) que par une variation dans la teneur en carbone entre la périphérie et le cœur de l’objet. En effet, on observe une plage martensitique autour d’une fissure largement ouverte à partir de la surface (largeur environ 1/3 de mm), fissure qui a entraîné la propagation d’un refroidissement brutal dans une zone centrale de la lime.

22L’acier utilisé dans ces limes n’a probablement pas été obtenu par cémentation. Si cela avait été le cas, la teneur en carbone serait plus forte en périphérie de l’objet que dans sa partie centrale ; la dureté, qui dépend à la fois de la teneur en carbone et de la vitesse de trempe, serait également plus forte à l’extérieur de l’échantillon qu’en son centre, les deux effets se combinant. Or, les profils de microdureté de la lime 3 montrent une légère diminution globale de dureté lorsque l’on se déplace d’une face à l’autre de la lime. Sur les profils 2 et 3 (fig. 6, 1), apparaît seulement une brusque augmentation de dureté à proximité immédiate de la surface de l’échantillon, ce qui traduit probable ment une teneur plus importante en carbone à la surface de la lime. S’il y a eu cémentation, c’est donc juste sur une épaisseur que l’on peut évaluer à environ trois dixièmes de millimètres.

Fig. 5. Lime 4 (403451.6) : 1. Cartographie micrographique ; 2. Essais de dureté ;
3. Cartographie micrographique de la section de la soie et profils de microdureté ;
4. Microstructure du corps de la lime : tapure de trempe ; 5. Microstructure du corps de la lime : martensite et troostite ; 6. Microstructure du corps de la lime : martensite ; 7. Microstructure du corps de la lime : martensite et cémentite

Fig. 6. Lime 3 (2308015.15) : 1. Cartographie micrographique ; 2. Essais de dureté ; 3. Micrographie : tapure de trempe et martensite ; 4. Micrographie : tapure de trempe avec corrosion soulignant un grain fantôme d’austénite ;
5. Micrographie : martensite

23Par ailleurs, on observe la présence de zones fortement aciérées dans la soie de la lime 4 (fig. 5, 3), ce qui va dans le sens de l’utilisation d’une barre d’acier pour fabriquer la lime. En effet, la présence d’acier dans la soie n’est pas indispensable puisque celle-ci n’est pas la partie active de l’outil, et elle pourrait même être un inconvénient en fragilisant cet appendice servant à l’emmanchement et par lequel est transmise la force exercée par l’artisan. Il n’y a donc aucun intérêt à la cémenter.

Conclusion des observations métallographiques

24Malgré ce corpus restreint, nous pouvons proposer l’existence à l’époque romaine d’au moins deux grands types de limes :

  • celles faites d’un acier homogène, très bien épuré, à forte teneur en carbone (de 0,6 % à plus de 0,9 %). Cet acier a très probablement été produit directement au bas fourneau car il ne présente pas les caractéristiques d’un métal aciéré par cémentation ;

  • celles faites de plusieurs morceaux de métal, plus ou moins carburés et plus ou moins bien épurés, soudés ensemble, la soudure ayant entraîné une décarburation locale.

25Quel que soit leur mode de manufacture, toutes ces limes ont été trempées à chaud dans un liquide pour obtenir la dureté la plus forte possible, comme l’atteste la présence de structures de trempe telles que la martensite et la troostite. Par ailleurs, la pratique de la trempe semble systématique, sur les limes de taille grossière, comme sur les limes taillées plus finement.

La fabrication des limes au Moyen Âge d’après les recettes du Moine Théophile

26L’objectif de cette deuxième partie est, à travers les recettes en usage au Moyen Âge, d’évaluer le niveau technique des artisans médiévaux et de le comparer à celui des artisans antiques que nous avons pu approcher grâce à l’étude métallographique précédente. Une dernière étape, à venir, serait de tester nos hypothèses sur des limes médiévales.

  • 18 C. Opsomer, R. Halleux, « L’alchimie de Théophile et l’abbaye de Stavelot », dans Comprendre et maî (...)
  • 19 C. Opsomer, R. Halleux, op. cit., p. 439.

27La date et le contexte de l’œuvre de Théophile ont été établis par Carmélia Opsomer et Robert Halleux18 : Théophile est probablement un moine-orfèvre bénédictin vivant en Basse-Saxe et ayant écrit la Schedula entre 1120 et 1125. L’utilisation du passage sur les limes du traité est cohérente avec notre démarche car, comme le soulignent Carmélia Opsomer et Robert Halleux19, cet ouvrage est un

texte tout positif […] où Roger [le moine Théophile] décrit, le plus souvent d’après sa propre expérience, le travail du verrier, du peintre ou de l’orfèvre. En fait, la Schedula est plus qu’un recueil de recettes. C’est un plaidoyer fervent pour la pratique monastique du travail manuel, mettant en œuvre les sept dons du Saint-Esprit.

  • 20 R. Halleux, communication personnelle.
  • 21 C. Opsomer, R. Halleux, op. cit., p. 439 ; C. R. Dodwell, Théophilus, XXI.

28Pour nommer l’acier, il emploie d’ailleurs le mot poétique calibs, qui désigne dans l’Antiquité toute espèce de fer très dur et, d’une manière générale, il n’utilise pas le latin incorrect des recettes20. On peut donc considérer que le passage sur les limes contient la description, parfois elliptique il est vrai, de pratiques artisanales, même si quelques paragraphes témoignant de l’héritage d’une tradition littéraire légendaire y ont été rajoutés ça et là, comme la trempe avec de l’urine de bouc21.

  • 22 D. Jacquart, « La scolastique médicale », dans Histoire de la pensée médicale en Occident, M. Grmek (...)

29Le passage sur les limes s’organise en trois paragraphes. Dans la traduction que nous proposons, nous ne traduisons pas le terme temperamentum par trempe car l’expression temperamentum non cadat ne ferait pas sens (littéralement : la trempe ne tombe pas). En français, dans le langage métallurgique, le terme « trempe » traduit l’action de plonger un métal chaud dans un liquide. Dans le contexte des recettes du moine Théophile, le terme temperamentum renvoie à la manière dont on concevait la matière avec, en particulier, ses quatre tempéraments22. Le temperamentum de Théophile caractérise la composition intime du métal et l’expression ut temperamentum non cadat signifie alors qu’il ne faut pas que « le tempérament [de la lime] ne se perde », c’est-à-dire qu’elle perde ses propriétés intimes, son caractère. De la même façon, nous traduisons le verbe correspondant, temperare, par tempérer et non tremper. Cependant, il est clair que certaines des actions décrites se rapportent bien à la technique de la trempe telle que nous la concevons dans la métallurgie moderne. Il faut noter en même temps que le terme employé par Théophile pour l’action de tremper le métal chaud dans l’eau est extinguere. La question est finalement celle de la représentation mentale de l’effet produit sur l’objet par les actions de l’artisan, représentation mentale qui a beaucoup changé avec le développement de la science moderne.

XVII. De limis
Limae vero fiunt ex puro calibe magnae et mediocres, quadrae, trium costarum et rotundae. Fiunt et aliae, ut fortiores sint in medio, interius ex molli ferro, exterius vero cooperiuntur calibe ; quae cum percussae fuerint secundum magnitudinem, quam eis auctor earum dare voluerit, aequantur super runcinam, sicque inciduntur cum malleo ex utraque parte acuto.
Inciduntur etiam aliae cum ferro incisorio, de quo supra diximus, cum quibus aequari debet opus, quod cum aliis grossioribus praelimatum fuerit. Cumque ex omni parte incisae fuerint, fac temperamentum earum hoc modo.

XVIII. De temperamento limarum
Combure cornu bovis in igne et rade, atque misce ei tertiam partem salis, et tere fortiter. Deinde mitte limam in ignem et cum canduerit salies illam confectionem super eam ex omni parte, apertisque carbonibus valde ardentibus cum festinatione sufflabis per omnia sic ut temperamentum non cadat et statim eiciens extinge aequaliter in aqua, et inde eiciens siccabis modice super ignem. Hoc modo temperabis omnes quae sont ex calibe.

  • 23 C. R. Dodwell, Theophilus, p. 72-73.

XIX. Item unde supra
Facies et parvulas similiter quadras, rotundas, semirotundas, triangulas, tenues ex molli ferro, easque sic temperabis. Cum incisae fuerint cum malleo sive cum incisorio ferro aut cum cultello, unges eas veteri arvina porci, et circumdabis corrigiolis ex hyrcino corio incisis, ligabisque filo lineo. Post haec cooperies eas argilla macerata singulariter caudasque nudas dimittes ; cumque siccatae fuerint, mittes in ignem et sufflabis fortiter, combureturque corium et cum festinatione extrahens ab argilla extingues aequaliter in aqua, extractasque siccabis ad ignem
23.

Traduction

XVII. Au sujet des limes
On fait des limes en acier pur, des grandes et des moyennes, des carrées, des triangulaires et des rondes. D’autres, pour qu’elles soient plus solides en leur milieu, sont faites de fer doux à l’intérieur et recouvertes d’acier à l’extérieur. Après les avoir battues aux dimensions voulues par l’artisan, on les égalise sur un racloir et on les taille avec un marteau à deux pointes. On en taille aussi d’autres avec le fer à tailler dont nous avons parlé plus haut, qui servent à égaliser le travail effectué auparavant avec des limes plus grosses. Et quand elles ont été taillées sur toutes leurs faces, faites-les « tempérer » de la façon suivante.

XVIII. Au sujet du « tempérament » des limes
Brûlez au feu de la corne de bœuf et raclez-la, mélangez-y un tiers de sel et broyez fortement. Mettez ensuite la lime au feu et quand elle sera chauffée à blanc, saupoudrez-la de toute part avec cette préparation et, écartant les charbons très ardents, soufflez partout avec vigueur afin que le tempérament ne se perde pas, puis, enlevant immédiatement la lime, éteignez-la tout entière dans l’eau, ensuite sortez-la et faites-la sécher doucement sur le feu. Vous tempérerez de cette manière toutes les limes qui sont en acier.

XIX. Même sujet
On fait aussi de toutes petites limes en fer doux, carrées, rondes, demi-rondes, triangulaires, minces et on les tempère de la manière suivante. Après les avoir taillées avec un marteau, un fer à tailler ou un couteau, vous les oindrez avec de la vieille graisse de porc et les entourerez de bandelettes découpées dans du cuir de bouc que vous attacherez avec du fil de lin. Ensuite, vous recouvrirez chacune d’entre elles avec de l’argile macérée à part en laissant les soies nues ; quand elles seront sèches, vous les mettrez dans le feu et vous soufflerez fortement, le cuir brûlera, ensuite vous les dégagerez promptement de l’argile et vous les tremperez entièrement dans l’eau, puis vous les sortirez et les sécherez au feu.

30Le traité différencie donc les limes suivant leurs dimensions et leur composition :

31Les limes « grandes ou moyennes » peuvent être en acier pur (ex puro calibe) ou en fer recouvert d’acier (interius ex molli ferro, exterius vero cooperintur calibe). L’utilisation du verbe cooperio traduit l’action de recouvrir un matériau avec un autre matériau (le fer avec de l’acier), de la même manière que, plus bas, au paragraphe XIX, ce verbe est employé lorsque les petites limes sont recouvertes d’argile avant d’être mises au feu (cooperies eas argilla macerata). Ces limes ne peuvent donc être que composites, avec une feuille d’acier soudée sur un cœur en fer doux, afin que la région la plus dure se trouve là où les dents seront taillées. Il apparaît donc que pour les grandes limes ou les limes de taille moyenne, l’acier est présent avant la mise en forme de la lime. Les modalités de la mise en forme, de la taille et de la trempe de ces deux catégories de limes sont semblables. On peut se demander si la taille a lieu à chaud, sur un métal rendu plus malléable par l’élévation de température, ou à froid. La recette ne le précise pas. Nos connaissances actuelles plaident plutôt pour un travail à froid avant la trempe, malgré sa difficulté sur un métal déjà dur, car le réchauffage répété des ébauches de limes leur ferait courir le risque d’une décarburation en surface, à cause de l’atmosphère oxydante du foyer de forge, ce qui serait nuisible à la dureté ultérieure de l’outil.

32L’étape qui précède le refroidissement rapide dans l’eau (paragraphe XVIII), consiste à chauffer à blanc (canduerit) la lime et à la saupoudrer dans le feu avec un mélange contenant essentiellement du carbone (2/3 de corne brûlée pour 1/3 de sel). Cette pratique évoque les conseils, encore prodigués aux ingénieurs métallurgistes actuels, pour éviter de décarburer les objets en acier au moment de la trempe :

  • 24 R. Lévêque, « Traitements thermiques dans la masse des aciers à outils », dans Techniques de l’ingé (...)

[Le phénomène de décarburation] est la conséquence de la réaction superficielle d’oxydation de l’acier au cours du traitement [thermique]. […] La décarburation de la surface d’un outil est d’autant plus néfaste pour la […] tenue à l’usure et à la fatigue mécanique dans le cas des aciers d’outillage à froid […]. Si le fabriquant ne dispose pas de four sous vide […], il peut utiliser des expédients de mise en œuvre simple et peu coûteux, tels que l’enrobage des pièces dans de la tournure de fonte, ou du charbon de bois, ou des pâtes constituées par du talc et de l’alcool, qui réduisent très sensiblement la profondeur décarburée. Mais il peut y avoir alors une légère recarburation24.

33Dans le cas de la recette de Théophile, il serait incongru de voir dans le simple saupoudrage de corne et de sel broyé une opération de cémentation ou de nitruration (les cornes contiennent aussi de l’azote), puisque ces limes ont été présentées d’emblée comme étant complètement ou partiellement en acier. Par ailleurs, la température semble particulièrement haute et le passage dans le feu assez rapide (statim eiciens), alors que la cémentation nécessite le maintien de l’objet à haute température, mais pas à blanc, pendant plusieurs heures. Ce procédé empirique est donc utilisé pour que les outils ne perdent pas par décarburation leur dureté, et donc leur « tempérament » au moment de leur réchauffage avant la trempe.

34Les autres limes sont les « toutes petites limes » (parvulas, paragraphe XIX) qui, elles, sont en fer doux (ex molli ferro). Pour celles-ci, le traitement après mise en forme emploie aussi des produits organiques, mais leur nature et les modalités de leur utilisation sont différentes de ce qui est fait pour les plus grosses limes. Chaque lime est, en effet, mise en contact étroit avec de la graisse et du cuir et non pas avec de la corne brûlée et du sel. Par ailleurs, pour empêcher toute perte de carbone par oxydation dans le foyer et pour maintenir un contact étroit entre les produits organiques et le métal, l’ensemble est enfermé dans une gangue d’argile. Comme les limes sont de petite taille et que la chauffe est poursuivie suffisamment longtemps pour que le cuir brûle (comburetur corium), on peut penser que la diffusion du carbone dans le fer est suffisante pour le transformer en acier sur une certaine profondeur, de sorte qu’il puisse être durci par la trempe. Nous avons donc ici la description d’une des manières de pratiquer la cémentation au xiie siècle. Il faut noter que ce procédé est, pour les limes, limité aux petits objets, pour les plus gros, on préfère employer de l’acier déjà constitué.

35L’analyse de ce texte médiéval pose donc la question de savoir d’où venait l’acier utilisé pour les limes de grande taille et de taille moyenne. Tout se passe comme si, dans l’atelier de l’artisan, arrivaient directement deux types de métal, le fer doux et l’acier, que celui-ci parvenait parfaitement à différencier. On peut penser que l’acier provenait directement des ateliers de réduction directe, dont on a vu plus haut qu’ils pouvaient produire, dans les bas fourneaux, du métal plus ou moins carburé.

Confrontation des données archéométriques et textuelles

36Plusieurs parallèles peuvent être faits entre les observations effectuées sur les limes antiques et les recettes du De diversis artibus. Tout d’abord, les dimensions des limes antiques observées les rattachent sans aucun doute à la catégorie des limes grandes (lime 1) ou moyennes (limes 2, 3 et 4), même si aucune dimension n’est précisée dans le traité pour définir ces catégories. À l’intérieur de cet ensemble, on peut distinguer les limes antiques faites entièrement d’acier (limes 3 et 4) et les limes faites de fer doux et d’acier (limes 1 et 2). L’organisation des différentes qualités de métal dans la lime demi-ronde (lime 2) correspond bien aux limes faites de fer doux au centre et recouvertes d’acier, décrites dans le traité. En revanche, la lime en forme de couteau (lime 1), si elle est bien composite, possède un assemblage différent, fait d’une alternance de plaques de fer et d’acier. Malgré cette particularité de la lime 1, l’existence des deux types de lime (en acier massif et composites), apparaît bien déjà effective dans l’Antiquité.

  • 25 R. Levêque, op. cit., p. M1 134-20.

37Le saupoudrage d’un acier avec du charbon de bois au cours du chauffage précédant sa trempe est, d’après les études de métallurgie contemporaines, susceptible de produire une légère recarburation à la surface de l’outil25. L’utilisation de n’importe quel produit organique (comme la corne brûlée mélangée au sel évoquée par Théophile) a évidemment le même effet. L’augmentation de la microdureté de la lime 4 à proximité de sa surface dans certaines zones traduit très probablement ce phénomène. Il est donc possible qu’elle ait été enduite d’une substance organique au moment de sa préparation pour la trempe. La nature exacte de cette substance demeure évidemment impossible à connaître.

Conclusion

38Il est difficile de mettre sur le même plan un recueil de recettes de procédés artisanaux du xiie siècle et des objets de l’Antiquité, mais force est de constater l’existence d’un certain nombre de convergences entre la description de la fabrication des limes au xiie et les observations qui ont pu être menées sur les objets antiques.

39Il apparaît que, dès l’Antiquité, des limes sont fabriquées en acier massif et non pas aciérées par cémentation. Cet acier, produit par réduction directe, est donc parfaitement identifié par les forgerons comme un fer plus dur que le fer usuel et utilisé à des usages particuliers. Le traité médiéval se fait également l’écho de cette pratique : les grosses limes sont faites d’acier pur ou de fer et d’acier soudés, tandis que la fabrication de l’acier par cémentation est réservée aux très petites limes. Comme ces dernières ne faisaient pas partie du corpus des limes antiques étudiées, il n’a pas été possible de faire des comparaisons sur ce dernier point dans le cadre de ce travail. La difficulté de trouver des petites limes bien conservées laisse assez peu d’espoir de résoudre le problème.

40Par ailleurs, les effets de l’utilisation, décrite dans le traité, d’un produit organique empêchant la décarburation à la surface des limes en acier au cours de leur réchauffage avant la trempe, ont pu être observés sur une des limes antiques en acier (lime 4), montrant l’utilisation d’un procédé similaire dans l’Antiquité.

  • 26 V. Fell, op. cit., p. 79-98.

41Il semble donc que le procédé de fabrication des limes, dont certaines étapes, comme la trempe, apparaissent dès la Protohistoire26, évolue pendant l’Antiquité avec un changement dans le choix de la matière première. On passe de l’utilisation d’un métal peu et inégalement carburé à celle d’acier plus homogène et plus dur fabriqué par réduction directe. Aucun changement majeur de technique ne semble, en revanche, avoir lieu au cours du début du Moyen Âge et les observations menées sur les limes antiques s’accordent parfaitement avec les recettes du traité de Théophile. La stabilité des techniques de fabrication des limes semble donc couvrir presque un millénaire et demi. Une étude métallographique de limes médiévales reste cependant à entreprendre pour compléter ces conclusions.

Note

1 R. F. Tylecote, The Prehistory of Metallurgy in the British Isles, 1986, p. 144, 167 ; R. Pleiner, Iron in Archaeology. The European Bloomery Smelters, Prague, 2000, p. 231-235 ; C. Domergue, Un centre sidérurgique romain de la Montagne Noire, Paris, 1993 (Revue archéologique de Narbonnaise, supplément 27), p. 247.

2 J.-F. Dars, A. Papillault, Les forges de Vulcain, Cassette vidéo (28 mn), Paris, 1992.

3 R. Pleiner, Iron in Archaeology. The European Bloomery Smelters, Prague, 2000, p. 233.

4 R. Pleiner, op. cit., p. 245.

5 A. France-Lanord, « Les lingots de fer protohistoriques », Revue d’histoire de la sidérurgie, vol. 4, 1963, p. 167-178 ; F. Delamare, G. Nicolas, E. Mencatelli, « Étude du forgeage d’un lingot de fer protohistorique », Revue de métallurgie, 1982, p. 97-104 ; R. Ehrenreich, Trade, Technology and the Ironmaking Community in the Iron Age of Southern Britain, Oxford, 1985 (BAR, 144) ; N. Dieudonné-Glad, J. Parisot, « Metallographic examination of five currency bars from the Saône River », Historical Metallurgy, vol. 35, 2001, p. 67-73. ; N. Dieudonné-Glad, « Artisanat du fer, artisanat du bois, du cuir et de la pierre », dans Argentomagus, nouveau regard sur la ville antique : catalogue de l’exposition du musée archéologique d’Argentomagus, 13 juillet-17 novembre 2002, F. Dumasy, P. Paillet éd., Argenton, 2002, p. 113-119 ; N. Dieudonné-Glad, « Examen métallographique de trois currency bars », dans Aubigné-Racan, Cherré (Sarthe) : le sondage 11, 1994. Un dépôt métallique d’époque gauloise., T. Lejars, C. Lambert, J. Riouffrey éd., à paraître.

6 Aristote, Météorologiques, IV, 6.

7 A. Duvauchelle, Les outils en fer du musée romain d’Avenches, Avenches, 2005 (Documents du musée romain d’Avenches, 11), p. 27.

8 A. Duvauchelle, op. cit., p. 28.

9 En particulier : A. Duvauchelle, op. cit. ; W. Gaitzsch, Eiserne römische Werkzeuge, Oxford, 1980 (BAR IS, 78) ; P. Halbout, C. Pilet, C. Vaudour, Corpus des objets domestiques et des armes en fer de Normandie du ier au xve siècle, Caen, 1987 (Cahiers des Annales de Normandie, 20) ; G. Jacobi, Werkzeug und Gerät aus dem Oppidum von Manching, Wiesbaden, 1974 ; W. H. Manning, Catalogue of the Romano-British Iron Tools, Fittings and Weapons in the British Museum, Londres, 1985 ; M. Pietsch, « Die römischen Eisenwerzeuge von Saalburg, Feldberg und Zugmantel », Saalburg-Jahrbuch. Bericht des Saalburg-Museums, vol. 39, 1983, p. 5-130.

10 V. Fell, « Iron age iron files from England », Oxford Journal of Archaeology, vol. 16, 1, 1997, p. 79-98.

11 P. Ottaway, Anglo-Scandinavian Ironwork from Coppergate, York, 1992 (The archaeology of York, The small finds, 17/6), p. 521 et pl. XLVIIIa.

12 C. R. Dodwell, Theophilus, De Diuersis Artibus, The Various Arts, Translated from the Latin with Introduction and Notes, Londres, 1961, livre III, XVII-XX.

13 A. Duvauchelle, Les outils en fer du musée romain d’Avenches, Avenches, 2005 (Documents du musée romain d’Avenches, 11), p. 29.

14 A. Duvauchelle, op. cit., n. 52.

15 A. Duvauchelle, op. cit., p. 28.

16 Ibid.

17 V. Fell, op. cit., p. 79-98.

18 C. Opsomer, R. Halleux, « L’alchimie de Théophile et l’abbaye de Stavelot », dans Comprendre et maîtriser la nature au Moyen Âge, Mélanges d’histoire des sciences offerts à Guy Beaujouan, Paris, 1994, p. 438.

19 C. Opsomer, R. Halleux, op. cit., p. 439.

20 R. Halleux, communication personnelle.

21 C. Opsomer, R. Halleux, op. cit., p. 439 ; C. R. Dodwell, Théophilus, XXI.

22 D. Jacquart, « La scolastique médicale », dans Histoire de la pensée médicale en Occident, M. Grmek éd., Paris, 1995, p. 184.

23 C. R. Dodwell, Theophilus, p. 72-73.

24 R. Lévêque, « Traitements thermiques dans la masse des aciers à outils », dans Techniques de l’ingénieur, traité des matériaux métalliques, mise à jour régulière, p. M1 134 -1 à M1 134 -23, M1 134 -20.

25 R. Levêque, op. cit., p. M1 134-20.

26 V. Fell, op. cit., p. 79-98.

Indice delle illustrazioni

Legenda Fig. 1. Dessin des limes étudiées : 1. Lime 2306 749.1 ; 2. Lime 2306 682.27 ; 3. Lime 2308 015.15 ; 4. Lime 403 451.6
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Legenda Fig. 2. Dureté comparée des limes protohistoriques étudiées par V. Fell et des limes antiques. 1. Lime 2306 749.1 ; 2. Lime 2306 682.27 ; 3. Lime 403 451.6 ; 4. Lime 2308 015.15
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Legenda Fig. 3. Lime 2 (2306 682.27) : 1. Cartographie micrographique et profils de microdureté ; 2. Essais de dureté ; 3. Micrographie : ferrite et perlite ; 4. Micrographie : rosace de troostite ; 5. Micrographie : acier hypereutectoïde (grains blancs de cémentite) ; 6. Micrographie : grains de cémentite dans une zone corrodée
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Legenda Fig. 4. Lime 1 (2306 749.1) : 1. Cartographie micrographique et profils de microdureté ; 2. Essais de dureté ; 3. Microstructure : aiguilles de martensite ; 4. Microstructure : ferrite aciculaire et perlite ; 5. Microstructure : martensite en aiguilles et rosaces de troostite (plages foncées)
URL http://books.openedition.org/pumi/docannexe/image/37638/img-4.jpg
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Legenda Fig. 5. Lime 4 (403451.6) : 1. Cartographie micrographique ; 2. Essais de dureté ;3. Cartographie micrographique de la section de la soie et profils de microdureté ;4. Microstructure du corps de la lime : tapure de trempe ; 5. Microstructure du corps de la lime : martensite et troostite ; 6. Microstructure du corps de la lime : martensite ; 7. Microstructure du corps de la lime : martensite et cémentite
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Legenda Fig. 6. Lime 3 (2308015.15) : 1. Cartographie micrographique ; 2. Essais de dureté ; 3. Micrographie : tapure de trempe et martensite ; 4. Micrographie : tapure de trempe avec corrosion soulignant un grain fantôme d’austénite ;5. Micrographie : martensite
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Autore

HeRMA, université de Poitiers.

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