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L’acier en Europe avant Bessemer

 | 
Philippe Dillmann
, 
Liliane Hilaire-Pérez
, 
Catherine Verna

Aciers médiévaux : tirer parti de l’hétérogène

Fer ou acier ? Caractérisation des alliages ferreux utilisés dans la construction des églises gothiques au Moyen Âge et à la période moderne. L’exemple de Troyes et de Rouen

Maxime L’Héritier et Philippe Dillmann

Résumé

Diverses études menées depuis les années 1980 ont montré que les alliages ferreux font partie intégrante de la construction des grands monuments du Moyen Âge et en particulier des églises gothiques. Tant les travaux sur les sources écrites que les premières analyses métallographiques réalisées sur les fers de construction de la cathédrale de Beauvais et du palais des Papes d’Avignon posent la question de la nature des alliages ferreux employés dans la construction gothique. Quel matériau se cache sous l’appellation standardisée de « fer » que l’on rencontre dans les comptes ? S’agit-il de fer pur ou d’un matériau plus carburé ? Y avait-il fréquemment des matériaux de qualités différentes adaptés à des emplois particuliers ? C’est à partir de ces interrogations qu’a été entrepris un travail de recherche interdisciplinaire, alliant le dépouillement des archives comptables avec l’analyse métallographique de plus de 80 échantillons prélevés en place sur les églises de deux grandes villes du royaume de France : Rouen et Troyes. Les résultats de ces analyses montrent que la structure de ces alliages ferreux est en général très hétérogène. Elle est souvent faite d’un mélange de fer, d’acier, de phosphore et d’inclusions non métalliques sans distribution particulière et aucun tri ni traitement de forge spécifique (trempe, cémentation) n’est réalisé par le forgeron. Tous ces facteurs posent enfin la question du comportement mécanique de ces « fers » de construction.

Texte intégral

  • 1 Ph. Delorme, Architecture, livre X, « Des nouvelles inventions pour bien bastir », chapitre IV. Pou (...)
  • 2 D’après l’expression « disgracieux chaînages », C. Enlart, Manuel d’archéologie française, depuis l (...)
  • 3 E. Viollet-le-Duc, Dictionnaire raisonné de l’architecture française du xie au xvie, 10 tomes, 1854 (...)
  • 4 « Le fer fut appelé à jouer un rôle assez important dans l’art de bâtir avec la construction ogival (...)
  • 5 Il s’agit des chapitres « armatures » et « chaînages », ibid.
  • 6 J.-L. Taupin, « Le fer des cathédrales », Monumental, 1996, p. 18-27.

1Longtemps, la présence du fer dans la construction médiévale, et en particulier dans les églises gothiques, fut dénigrée ou ignorée. Dès le milieu du xvie siècle, Philibert Delorme évoque les « abus » des ouvriers qui employaient le fer de manière immodérée dans leurs constructions1. Ces propos du premier Architecte du Roy, qui considérait l’architecture gothique comme une architecture du « tout pierre », marquèrent le début d’une longue controverse sur le sujet. Près de trois cents ans plus tard, en plein xixe siècle, elle fut reprise et largement développée, alimentée par les nombreux chantiers de restaurations qui mirent les édifices à nu. Il semblait alors inconcevable pour les architectes de l’époque qu’un tel matériau « disgracieux2 » ait pu entrer dans la conception originelle des monuments médiévaux. Nonobstant, au même moment, Viollet-le-Duc offrait un premier état de la question dans son Dictionnaire raisonné3. Fort de ses observations sur nombre de monuments historiques, notamment sur les chantiers de restaurations qu’il dirigeait personnellement, comme ceux de la Sainte-Chapelle ou de la cathédrale Notre-Dame de Paris, il fut le premier à consacrer une partie de son œuvre à l’utilisation du fer dans la construction médiévale et à établir un lien entre l’avènement de la période gothique et l’essor des fers de construction à la même époque4. Il insistait en particulier sur leurs deux usages principaux : le maintien en place des vitraux et le renfort de la maçonnerie5. Cependant, malgré les constatations de Viollet-le-Duc et en dépit des nouvelles restaurations qui rythmèrent la seconde moitié du xxe siècle, suite aux destructions causées par les deux guerres mondiales, aucune nouvelle considération sur l’emploi du fer dans ces édifices ne fut formulée. Pire, d’anciens préjugés firent à nouveau surface et, pour des raisons esthétiques, certains architectes en vinrent à supprimer des tirants de fer encore en place dans les édifices. L’exemple le plus célèbre est celui de la cathédrale de Beauvais, où les dernières déposes mirent en péril la statique de l’édifice6.

2Fer ou acier ? Telle n’était alors pas la question. Avant de s’interroger sur la nature du matériau, que ce soit à partir de mentions dans les sources écrites ou par le biais d’analyses métallographiques, les premiers chercheurs ayant repris le dossier de l’emploi du fer dans l’architecture gothique à la fin du xxe siècle durent d’abord aller à l’encontre de préjugés vieux de près d’un demi millénaire, selon lesquels ce métal n’y avait pas sa place. Leurs travaux permirent de dégager de nouveaux questionnements, en particulier sur la détermination de la nature et de la qualité des alliages ferreux employés dans la construction médiévale. C’est à la suite de ces études fondatrices qu’a été entreprise la recherche interdisciplinaire sur les églises troyennes et rouennaises présentée dans cet article.

La réhabilitation par l’interdisciplinarité

  • 7 A. Erlande-Brandenburg, « L’architecture rayonnante et le métal », Dossiers d’archéologie, n° 219, (...)
  • 8 J.-L. Taupin, op. cit., n. 6 ; M. Férauge, P. Mignerey, « La cathédrale de Bourges et l’utilisation (...)
  • 9 W. Haas, « Die Rolle des Eisens in der vorindustriellen Architektur dargestellt an ostbay-erischen (...)
  • 10 O. Chapelot, P. Benoit éd., Pierre et métal dans le bâtiment au Moyen Âge, Paris, 1985, réimpressio (...)
  • 11 Jean-Louis Taupin dénombre 36 occurrences du fer dont toutes ne sont cependant pas contemporaines d (...)
  • 12 Les résultats de ces analyses sont partiellement repris par Jean-Louis Taupin dans son article cons (...)

3Il fallut donc attendre le milieu des années 1980, pour que des archéologues, historiens et architectes revalorisent la place du fer dans la construction gothique. Cette réhabilitation fut subordonnée, d’une part à des chantiers conduits sur plusieurs monuments comme la Sainte-Chapelle de Paris7, les cathédrales de Beauvais et de Bourges8, ou encore quelques églises du Haut-Palatinat9 et, d’autre part, au dépouillement d’archives comptables médiévales attestant l’emploi massif du fer dans les édifices médiévaux10. Du petit crochet au gros tirant de fer, en passant par les armatures des vitraux, on recensa alors plusieurs dizaines d’utilisations distinctes d’alliages ferreux dans les plus grandes églises et cathédrales de la période gothique, représentant des quantités estimées à plusieurs dizaines de tonnes11. Ces premières études aboutirent donc à réinterroger la place du fer dans les bâtiments, en particulier dans la cathédrale de Beauvais, et furent réalisées sous l’impulsion de Paul Benoit, Philippe Fluzin et Jean-Louis Taupin12. Les premières analyses métallographiques entreprises sur des fers de construction médiévaux permirent d’aborder les questions techniques liées à la production du fer aux périodes historiques sous l’angle du bâtiment. Quelles structures de production avaient alimenté les chantiers de construction ? Quels acteurs avaient contribué à la production et au commerce du fer et quel travail avaient-ils réalisé à la forge ? Quelles sont la qualité et la résistance des fers mis en œuvre dans le bâti ? C’est ce dernier point qui fera plus particulièrement l’objet de cet article.

  • 13 Ph. Bernardi, Ph. Dillmann, « La place du métal dans la construction », dans D. Vingtain éd., Monum (...)
  • 14 Ibid.
  • 15 Ph. Dillmann, Ph. Bernardi, « Premiers résultats métallographiques sur les tirants de fer du Palais (...)
  • 16 Ibid.
  • 17 Ph. Bernardi, Ph. Dillmann, « Stone skeleton or iron skeleton : The provision and use of metal in t (...)

4Le premier monument qui a profité d’une étude interdisciplinaire abordant ces différentes questions est le Palais des Papes d’Avignon13. Au repérage des éléments de fer dans le bâti fut allié un examen complet des sources écrites : dans les livres de comptes du Palais des Papes, Philippe Bernardi releva l’achat de près de 16,5 tonnes d’agrafes et de barres de « fer » (barra ferrea) pour la construction du palais neuf de Clément VI14. Philippe Dillmann fit enfin l’analyse métallographique de huit échantillons de fer prélevés sur site15. Tous étaient issus du procédé de réduction directe, bien qu’étant de qualités différentes. Six d’entre eux présentaient, en effet, une structure fer-acier hétérogène et une matrice contenant de nombreuses inclusions non métalliques, traduisant une production de métal de moindre qualité à partir d’une loupe hétérogène. Les coupes des deux derniers échantillons révélaient, en revanche, une structure aciérée beaucoup plus homogène avec une meilleure propreté inclusionnaire, ce qui pouvait indiquer la volonté d’utiliser à un endroit précis un matériau aux qualités mécaniques bien supérieures16. Philippe Bernardi put, en outre, mettre en relation ces résultats avec l’achat, en avril-mai 1351, de barres pour les voûtes de la grande Chapelle attenante, au coût de 24 deniers la livre contre 9 deniers habituellement, soit plus de deux fois et demi le prix des autres barres de fer, montrant qu’il y avait eu, dans ce cas, ponctuellement commande et mise en œuvre d’un matériau spécifique17.

  • 18 M. Mollat, R.-H. Bautier, « Le trafic fluvial sur la Seine au pont de Meulan au milieu du xve siècl (...)
  • 19 M. Arnoux, Mineurs, férons et maîtres de forge : études sur la production du fer dans la Normandie (...)
  • 20 Ibid., p. 329.
  • 21 Ibid.
  • 22 Catherine Verna cite en particulier les marchés de Toulouse et d’Arles (en Provence), ainsi que ceu (...)
  • 23 Ibid., p. 231-232.
  • 24 Ibid., p. 230.

5La circulation de fers de qualités distinctes est attestée dans les sources écrites pour la fin du Moyen Âge. D’après Mathieu Arnoux, le passage de fer dans les deux sens sur la Seine au péage de Meulan, au milieu du xve siècle18, est bien la preuve qu’il s’agit de marchandises différentes19, même si aucune terminologie spécifique n’est alors utilisée. Mais les dénominations sont parfois plus explicites quant à la nature ou la provenance de ces produits. Ainsi, à Caen, en 1375, la construction d’un canon exige la livraison de quatre qualités de métal bien distinctes : de l’acier, du « fer d’Espagne », du « fer d’Espagne plat » et du fer d’Auge de provenance locale20. Pourtant, « fer d’Espagne » et fer d’Auge sont alors achetés au même prix, ce qui montre la complémentarité de ces fers de qualités et d’origines différentes21. En revanche, d’autres matériaux comme le « fer de Foix », dont Catherine Verna a étudié la circulation dans le Sud de la France, ont systématiquement un prix plus élevé que les autres métaux tout au long du xve siècle22. Si le coût du transport depuis les hauteurs des vallées ariégeoises ne doit pas être négligé, il ne peut, selon elle, expliquer seul le prix élevé du « fer de Foix » : le fer ariégeois est cher, car il s’agit d’un métal de qualité23. Or, le « fer de Foix » se retrouve sur certains chantiers de construction, comme celui de la tour du Lion à Arles24, nouvelle preuve de l’emploi d’un matériau de qualité particulière sur un chantier médiéval.

  • 25 Op. cit., n. 6.

6L’ensemble de ces résultats pose la question de la nature des alliages ferreux employés dans la construction gothique. Quel matériau correspond à cette appellation standardisée de « fer » habituellement rencontrée dans les textes ? S’agit-il, comme l’affirmait Jean-Louis Taupin en 1996, d’un « matériau de pointe à l’âge médiéval25 » ? Y avait-il fréquemment des matériaux de qualités différentes adaptés à des emplois particuliers ? Est-il possible de caractériser leur nature métallographique, comme Philippe Dillmann et Philippe Bernardi ont pu le faire pour le Palais des Papes d’Avignon ? Les recherches menées sur plusieurs églises médiévales du nord du royaume de France, en particulier les églises troyennes et rouennaises, permettent d’apporter de premiers éléments de réponses à ces interrogations.

L’acier dans les comptes de fabriques

  • 26 A Guillaume Tesson, mareschal, pour sa paine d’avoir forgé et acheré les marteaux desdits machons, (...)
  • 27 AD Aube, G 1588, fol. 188 v°.
  • 28 Pour II billes d’acier à refaire les marteaux de la forge III s. IIII d. t., AD Aube, G 1562, fol. (...)
  • 29 Prix et qualité sont deux notions qu’il n’est pas toujours aisé à relier. On pourra à ce titre se r (...)

7Dans les comptes des fabriques des églises rouennaises et troyennes de la fin du Moyen Âge et du début de la période moderne, le terme « acier » est assez fréquemment employé. Toutefois, les seules expressions qui font référence de manière récurrente à « l’acier » sont presque exclusivement relatives aux outils des ouvriers et, en particulier, à ceux des maçons, marteaux-taillants et ciseaux, qu’il convient régulièrement de forger, reforger et d’aciérer26. Plus rarement, il est également question de l’aciérage de certaines parties des engins de levage utilisés sur le chantier27. Le procureur de la fabrique mentionne, parfois, le nombre de billes d’acier employées à l’ouvrage28. Cependant, dès qu’il s’agit d’armatures destinées à être mises en œuvre dans la construction, le terme générique de « fer » est le seul à être utilisé pour les qualifier. Pour une période donnée, aucun écart notable entre le prix d’un fer de construction et le prix moyen de la livre de fer ouvrée de l’époque ne permet de suggérer l’achat d’un matériau de qualité supérieure29.

  • 30 AD Seine-Maritime, G 2522, fol. 40 v° ; Ph. Lardin, Les chantiers du bâtiment en Normandie oriental (...)
  • 31 BnF, ms. lat. 9111, fol. 129.
  • 32 L’origine du fer acheté par les fabriques des églises troyennes est parfois précisée. Or, à l’excep (...)
  • 33 Ph. Braunstein, O. Chapelot, « Mines et métallurgie en Bourgogne à la fin du Moyen Âge : première e (...)
  • 34 AD Aube, G 1559, fol. 52.
  • 35 O. Chapelot, « Les ouvriers du métal en Bourgogne… », op. cit., n. 33.
  • 36 Comme Mathieu Arnoux avait pu le montrer pour la construction du canon caennais en 1375, op. cit., (...)
  • 37 Comme c’est le cas pour le « fer de Foix » dans les Pyrénées, C. Verna, op. cit., n. 22, p. 232.
  • 38 AD Seine-Maritime, G 2522, fol. 40 v°.
  • 39 M. Mollat, Le commerce maritime normand à la fin du Moyen Âge : étude d’histoire économique et soci (...)
  • 40 D’après Mathieu Arnoux, « Si la réalité des importations ne saurait faire de doute, on cherche vain (...)

8Dans les comptes, seul le « fer d’Espagne » revêt parfois un coût très légèrement supérieur à la moyenne. Le 8 juin 1508, le serrurier Martin le Bourt fournit à la fabrique de la cathédrale de Rouen ung tourillon de fer d’Espagne coûtant 10 d. t. la livre, soit 1 à 2 d. t. de plus que le prix du fer de l’époque30. De même, plus d’un siècle auparavant, sur le chantier de la cathédrale de Troyes, une bande de « fer d’Espagne » achetée en 1390-1391 coûte 15 d. t. la livre, soit environ 25 % de plus que le prix moyen de la livre de fer ouvré constatée dans les comptes de la fabrique à la même période31. Pour la ville de Troyes, située à l’intérieur des terres, le prix plus élevé du « fer d’Espagne » par rapport aux autres fers, dont l’origine est le plus souvent régionale ou locale32, pourrait s’expliquer par les frais de transport33. Ce surcoût n’est cependant pas systématique : dans deux occurrences précédentes, au cours de l’année comptable 1379-1380, le « fer d’Espagne » acheté par le receveur de la fabrique de la cathédrale de Troyes au serrurier Thomas Grosse Tête ne correspond à aucun coût ni à aucune utilisation exceptionnels34. Il est donc là encore bien difficile d’émettre de quelconques hypothèses sur la nature de ce « fer d’Espagne » et sur sa qualité par rapport aux autres fers dont la fabrique fait l’acquisition35. En revanche, pour la ville de Rouen, accessible par voie maritime, le fer espagnol, à son arrivée sur le port de Rouen36, n’est pas nécessairement plus cher que les fers normands. Le prix légèrement supérieur du « fer d’Espagne » semble ici bien correspondre à une notion de qualité37. En effet, le tourillon de « fer d’Espagne » acheté par la fabrique vient remplacer une pièce de la roe de l’engin du portail sainct Romain qui avoit esté rompu en tournant à la roe38. On peut donc supposer que le maître d’œuvre a voulu s’assurer de la qualité du nouveau tourillon afin d’éviter que l’incident ne se reproduise. Malgré tout, et en dépit des grandes quantités de « fer d’Espagne » arrivant sur le port de Rouen39, son emploi semble relativement anecdotique dans la construction de la cathédrale40.

Corpus d’étude

  • 41 Merci à MM. Étienne Pallot et Daniel Moufle, Architectes en Chef des Monuments historiques, aux Con (...)

9Les informations fournies par les comptes de fabriques sur la nature du métal des armatures mises en œuvre dans les églises gothiques sont donc extrêmement réduites. C’est pourquoi, afin d’avoir directement accès à la structure métallographique de ces alliages ferreux, 74 échantillons ont été prélevés sur des fers de construction provenant de trois églises rouennaises et quatre églises troyennes (tab. 1)41. Certains prélèvements ont été réalisés sur des éléments déposés au cours de restaurations, d’autres sur des éléments encore en place dans le bâti mais ne jouant plus aucun rôle dans l’équilibre de l’édifice. Les objets dont ils sont issus sont très variés, allant de la simple agrafe à l’esquille de tirant, en passant par des attaches de statues (tab. 2). En outre, sur ces 74 prélèvements, 66 interviennent en contexte daté par le bâti et 55 proviennent, plus particulièrement, de la période médiévale ou du début de la période moderne. Ils peuvent donc être considérés comme contemporains de la construction initiale de ces édifices, qui s’est bien souvent achevée au cours du xvie siècle (tab. 1). Les 11 derniers correspondent en revanche à des réfections ultérieures bien identifiées. À partir de ces 74 échantillons, 81 sections ont été découpées pour être polies, observées et analysées.

Edifice

Datation

Nombre de prélèvements

Référence

Église Saint-Ouen de Rouen

1318-mi xvie s.

24

OUEN

Cathédrale de Rouen

fin xiie-début xvie s.

15

ROU

Cathédrale de Troyes

vers 1200-1634

15

TROY

Église Sainte-Madeleine de Troyes

fin xiie-mi xvie s.

13

MAD

Église Saint-Jean-au-Marché

déb. xiiie-fin xvie s.

6

JEAN

Église Saint-Maclou

vers 1436-début xvie s.

1

MAC

Église Saint-Urbain

vers 1262-1286, xixe et déb. xxe s.

0

-

Total

-

74

-

Tab. 1. Nombre de prélèvements effectués pour analyses métallographiques par édifice du corpus avec nomenclature des références et période de construction de ces édifices

Type d’objet source

Nombre de prélèvements

Goujons

24

Agrafes

23

Barres / tirants

10

Attaches de statue

6

Chevilles / éléments de charpente

5

Autres

6

Total

74

Tab. 2. Types d’objets prélevés pour l’étude métallographique

Protocole opératoire

  • 42 Ph. Dillmann, Diffraction X, microdiffraction X et microfluorescence X sous rayonnement Synchrotron (...)

10Ces sections ont toutes été soumises au même mode opératoire : après découpage, la zone sélectionnée est enrobée à froid sous résine, puis la surface à examiner fait l’objet d’un dégrossissage et prépolissage aux papiers de carbure de silicium (SiC), grades 80 à 4000. Le polissage final se fait à la pâte diamantée, 3 et 1 μm, afin d’obtenir un poli miroir qui permet l’observation de la section au microscope optique en réflexion. Chaque section fait tout d’abord l’objet d’un premier repérage au microscope optique afin d’évaluer la propreté inclusionnaire, c’est-à-dire la proportion d’inclusions présentes dans la matrice métallique (nombre, dimensions) et de détecter d’éventuelles lignes de soudure. Ensuite, l’attaque au réactif Nital 4 % révèle la structure métallographique de l’échantillon, avec ses différents degrés de carburation (teneur en carbone). Les observations sont faites à la fois en macroscopie et en microscopie optique. La localisation des zones aciérées et les structures particulières traduisant l’utilisation d’un procédé thermochimique de forge spécifique (trempe, cémentation) sont notées. Des photographies représentatives de chaque type de zone identifié, puis un dessin de la structure métallographique globale de chaque échantillon sont réalisés. Enfin, après un nouveau polissage et le dépôt d’une couche de carbone conductrice pour observation au microscope électronique à balayage (MEB), un nombre représentatif d’inclusions par zone d’intérêt de la section, soit environ une cinquantaine par échantillon, est dosé en spectrométrie dispersive en énergie (EDS). Par l’application d’un protocole établi par Philippe Dillmann et Maxime L’Héritier, la composition des inclusions permet en général de déterminer si ces fers sont issus d’un fer neuf ou s’ils proviennent plutôt de la récupération de lopins de fers corroyés ensemble et, dans des cas favorables, de caractériser le procédé de réduction qui a permis son élaboration42.

Résultats des analyses

Teneur en carbone

11Les 81 sections étudiées montrent une grande part d’échantillons majoritairement ferritiques : 55 d’entre elles représentant près des deux tiers des spécimens, sont essentiellement constituées d’une matrice dénuée de carbone. Parmi celles-ci, 19 sont exclusivement ferritiques. Les 36 autres sections présentent quelques zones le plus souvent peu carburées, mais pouvant atteindre pour certaines la composition de l’eutectoïde (0,8 % mass de C). La surface de ces plages carburées ne dépasse en général pas 5 à 10 % de la surface totale de la section et leur répartition dans la matrice est totalement aléatoire.

  • 43 La nomenclature des échantillons est donnée dans le tableau 1 : ROU pour un spécimen de la cathédra (...)
  • 44 La présence d’une majorité de sections aciérées parmi les attaches de statue est liée à l’homogénéi (...)

12Les 26 autres sections sont davantage aciérées. Sur chacune d’elles, les zones carburées dépassent 50 % de la surface de la matrice observée ; deux sections d’agrafes, OUEN 09a et MAC AG143, sont même constituées exclusivement d’acier dont le titre en carbone varie entre 0,1 et 0,8 % mass. Aucune catégorie d’objet ne semble toutefois se distinguer par des teneurs en carbone particulières (tab. 3), les sections aciérées se répartissant aussi bien parmi les pièces les plus importantes (barres, tirants) que les plus petites (goujons, agrafes… )44. Le plus souvent, sur les sections découpées de manière longitudinale, zones aciérées et zones ferritiques prennent la forme de bandes longitudinales (fig. 1 et 2). Ces structures en bandes sont présentes sur les objets les plus allongés comme les barres, les agrafes et leurs dérivés, par exemple les attaches de statue de la cathédrale de Rouen, mais on les retrouve aussi sur certains goujons et certaines chevilles.

13Aucun gradient de cémentation n’a été découvert sur l’ensemble des 81 sections. Trois structures de trempe ont toutefois été relevées sur les sections ROU TN7, OUEN 05a, OUEN 18a, respectivement deux goujons et une agrafe. Le goujon TN7 est à ce titre la pièce la plus particulière, puisque son corps est composé dans sa partie inférieure de ferrite pure et dans sa partie supérieure d’acier trempé. Cette trempe ne semble cependant avoir aucune utilité, car il est légitime de s’interroger sur la nécessité de renforcer de cette manière la pointe d’un goujon, élément qui n’est pas forcément soumis à des forces très importantes. En outre, tous les autres goujons analysés, en particulier ceux qui ont été prélevés dans la même situation que ROU TN7, à savoir ROU TN6, ROU TS5 et ROU TS6, ne sont même pas carburés en pointe et ne présentent donc a fortiori pas de structure de trempe. Ces structures ne résultent donc pas d’actions délibérées de la part du forgeron. Il est plus probable qu’elles soient accidentelles, peut-être à cause d’un refroidissement trop rapide à l’air après forgeage.

Type d’objet source

Nombre

Ferritiques

Aciérés

Goujons

24

17

7

Agrafes

23

16

7

Barres / tirants

10

8

2

Attaches de statue

6

2

4

Chevilles / éléments de charpente

5

4

1

Autres

6

3

3

Total

74

50

24

Tab. 3. Répartition des sections ferritiques et aciérées par type d’objet

Fig. 1. Variation de la teneur en carbone dans la matrice de deux attaches de statue (ROU 301a et ROU 314a) et d’un goujon (OUEN 05a) avec mise en évidence de structures en bandes

Fig. 2. Micrographie de l’échantillon ROU 314 après attaque au réactif Nital au niveau d’une « structure en bandes ». Les zones aciérées apparaissent en foncé, les zones ferritiques en clair

Teneur en phosphore

  • 45 Ces structures sont la marque de légères variations de la teneur en phosphore dans la matrice métal (...)
  • 46 Tout comme le carbone, le phosphore rend tout d’abord le fer plus dur et donc plus cassant, en part (...)

14Le phosphore est présent dans la plupart des spécimens analysés. Il a été mis en évidence à la fois à l’attaque Nital, avec la présence de « structures fantômes45 » dans les zones ferritiques d’environ un spécimen sur deux, mais aussi par dosage des inclusions et de la matrice métallique (tab. 4). Même présent en très faibles quantités, cet élément est susceptible de fragiliser le fer à froid ainsi que lors d’un forgeage à chaud46.

Spécimen

Teneurs max. de P dans la matrice

Teneurs moy. de P sur 60 dosages

Teneur max. de P2O5 dans les inclusions

rou 35/2

3940 ppm

1300 ppm

20 % mass

rou 35/3

4390 ppm

1390 ppm

20 % mass

rou ts5

2060 ppm

1160 ppm

14 % mass

rou ts6

1160 ppm

390 ppm

8 % mass

rou ch1

2000 ppm

400 ppm

7 % mass

Tab. 4. Teneurs minimales et moyennes en phosphore dans la matrice métallique et dans les inclusions pour des objets provenant de la cathédrale de Rouen

Propreté inclusionnaire

  • 47 Op. cit., n. 32, p. 804-805.

15La présence d’inclusions dans la matrice métallique est une des caractéristiques des procédés anciens d’élaboration du fer avant l’introduction de l’affinage en phase liquide, avec les procédés Bessemer et Thomas dans la deuxième moitié du xixe siècle. Ces inclusions, de taille micrométrique à millimétrique, sont visibles à l’œil nu sur la quasi-totalité des sections étudiées. Aucune surface n’a moins de 5 % de porosité, les plus sales pouvant même atteindre jusqu’à 15 %. Toutefois, les différences de propreté entre les sections étudiées ne semblent pas être liées à la nature des objets dont elles sont issues. Les causes d’une telle abondance d’inclusions dans la matrice de ces objets sont la preuve d’un cinglage insuffisant lors de l’épuration de la loupe et du forgeage. À titre de comparaison, la propreté inclusionnaire de ces fers de construction est bien plus mauvaise que celle d’objets de la vie quotidienne ou encore de certains outils47.

Discrimination des procédés de réduction

  • 48 Op. cit., n. 42.

16D’après la période de construction des édifices étudiés, de la fin du xiie au xvie siècle avec de nombreuses phases de restauration dans les siècles suivants, les fers analysés sont susceptibles de provenir de deux filières techniques de réduction bien distinctes : la filière directe et la filière indirecte. La présence de nombreuses inclusions dans la matrice métallique de chaque objet a le plus souvent permis de caractériser la filière technique dont ils étaient issus, en appliquant le protocole établi par Philippe Dillmann48.

  • 49 Cette datation est parfaitement compatible avec les données actuelles dont nous disposons sur l’int (...)
  • 50 AD Aube G 4417, fol. 46. Les premières mentions d’achat de fer du Reclus par le procureur de la fab (...)
  • 51 Là encore, cette datation est compatible avec le tableau de la sidérurgie normande médiévale tel qu (...)

17Sur les 55 éléments de fer étudiés dont la datation est antérieure au milieu du xvie siècle, 36 sont issus de bas fourneaux (tab. 5). Pour la région troyenne (fig. 3), le plus ancien fer de réduction indirecte analysé provient des travaux effectués au Beau Portail de la cathédrale au milieu du xve siècle (spécimen TROY 07a)49. Cette période de consolidation du portail nord correspond, en outre, aux premières mentions de « fer de fonte » découvertes dans les comptes de la fabrique de la cathédrale de Troyes avec la production de l’abbaye du Reclus en 145350. Pour la région rouennaise (fig. 4), les plus anciens fers issus de la filière indirecte sont deux attaches de statues de la tour de Beurre située au sud de la façade occidentale de la cathédrale et érigée au tournant des xve et xvie siècles (spécimens ROU 35/2 et ROU 35/3)51. En tout, 26 éléments de fer issus de la filière indirecte ont été identifiés, dont 11 sont postérieurs au xviie siècle et proviennent donc essentiellement de réfections ultérieures à l’achèvement des principaux travaux de construction de ces églises (tab. 5).

Période

Nombre d’objets analysés

Procédé direct

Procédé indirect

Indéterminés

xiiie siècle

12

8

0

4

xive siècle

9

9

0

0

1re moitié du xve siècle

14

12

1

1

Fin du xve siècle, 1re moitié du xvie siècle

20

7

14

0

xviie-xixe siècles

11

0

11

0

Total

66

36

26

5

Tab. 5. Discrimination des procédés de réduction par datation pour l’ensemble des échantillons

Fig. 3. Région de Troyes. Répartition des objets par période et procédé de réduction (procédés direct et indirect)

Fig. 4. Région de Rouen. Abaque de détermination des procédés de réduction, répartition des objets analysés

18Sur les 36 fers de réduction directe, 22, soit près des deux tiers d’entre eux, sont majoritairement carburés. En revanche, les 26 fers de construction provenant de la filière indirecte, haut fourneau et affinerie, sont tous très peu aciérés, les rares zones carburées ne dépassant le plus souvent pas 0,1 ou 0,2 % mass de C. Un tiers d’entre eux sont même complètement ferritiques.

Caractérisation des alliages ferreux employés dans la construction des églises Rouennaises et Troyennes

19L’ensemble de ces observations permet de définir assez précisément la nature des alliages ferreux employés dans la construction des églises rouennaises et troyennes aux époques médiévale et moderne. Leur principale caractéristique est une extrême hétérogénéité : présence systématique d’un grand nombre d’inclusions métalliques dans la matrice alliée à la présence éventuelle d’acier ou de phosphore. La dénomination « d’alliage ferreux » n’a jamais été aussi adéquate pour qualifier la nature de ces « fers » de construction.

Fer ou acier ?

  • 52 M. L’Héritier, Ph. Dillmann, P. Benoit, « Analyse métallographique de fers à cheval médiévaux. Mise (...)

20Le carbone qui, allié au fer dans des teneurs inférieures à 2 % mass, donne de l’acier, conférant ainsi une plus grande dureté au matériau, n’a donc pas été systématiquement observé dans la matrice des fers de construction mis en œuvre dans les églises troyennes et rouennaises : la présence d’acier ne caractérise environ qu’un spécimen sur trois. Seuls les fers issus de bas fourneaux semblent pour la plupart résulter d’un mélange de fer et d’acier en proportions variables. A contrario, l’ensemble des fers de construction de la période moderne provenant de l’affinage de fonte sont composés totalement ou majoritairement de fer exempt de carbone. On a donc une apparente transition entre un matériau partiellement aciéré à la fin du Moyen Âge et un matériau essentiellement ferritique à la période moderne. Toutefois, dans les spécimens aciérés, les zones carburées montrent systématiquement une distribution aléatoire, avec notamment l’absence de marque de cémentation. En outre, les seules structures particulières qui ont pu être appréhendées ne résultent aucunement d’un traitement volontaire de la part du forgeron : les rares marques de trempe sont accidentelles et les « structures en bandes » sont la conséquence de l’aplatissement d’un lopin hétérogène sous l’effet du martelage et sont logiquement observables essentiellement sur les objets les plus allongés, comme les barres et l’ensemble de leurs dérivés (agrafes, attaches de statues… )52. En réduction directe, l’hétérogénéité de l’alliage ferreux obtenu en fin de réduction avec présence éventuelle d’acier s’explique aisément par la diversité des conditions thermodynamiques et cinétiques au sein du bas fourneau, où certaines zones peuvent être soumises à une haute température et à une relativement forte pression partielle de monoxyde de carbone, provoquant une réduction poussée des oxydes de fer et une diffusion du carbone dans le métal et par conséquent la production d’acier. En revanche, les observations réalisées sur les fers de réduction indirecte presque exempts de carbone tendent à prouver que, lors de la phase d’affinage, pour la production de fer en gros, le maître affineur procède à une décarburation poussée de la fonte et obtient donc in fine du fer quasiment exempt de carbone. Fer presque pur ou mélange de fer et d’acier, les matériaux obtenus sont ordinaires dans les deux cas et dépendent essentiellement de la filière de réduction utilisée. L’apparent passage de l’utilisation de fers de construction en partie aciérés au Moyen Âge à des fers totalement décarburés à l’époque moderne est donc uniquement le reflet d’un changement de procédé technique avec la transition entre le procédé de réduction directe et la filière indirecte. Le matériau qui se cache sous l’appellation « fer » dans les comptes de fabriques a donc une composition variable selon l’époque considérée et le procédé technique utilisé.

Un matériau ordinaire

21Pas de tri, pas de traitement thermochimique spécifique de forge destiné à améliorer la qualité du matériau, un cinglage insuffisant n’ayant pas permis d’expulser un grand nombre d’inclusions de la matrice métallique, la composition des alliages ferreux employés dans la construction à Rouen et à Troyes à la fin du Moyen Âge et à l’époque moderne n’est donc pas celle d’un « matériau de pointe à l’époque médiévale », mais bien celle d’un matériau très ordinaire, qui n’a fait l’objet d’aucun soin particulier lors des différentes étapes de sa production. Dans tous les cas, la structure métallographique totalement hétérogène de ces alliages est proche de celle du lopin de fer après la première phase d’épuration à la sortie du fourneau. Les forgerons qui ont travaillé ce métal se sont limités à sa mise en forme. Aucune catégorie d’objet ne semble se distinguer par des teneurs en carbone particulières ou une meilleure propreté inclusionnaire, pas même les esquilles et sections de tirants et de barres analysées, dont on aurait pu penser de prime abord que, jouant un rôle plus important dans la structure de l’édifice que de simples goujons ou agrafes, ils auraient pu faire l’objet d’un plus grand soin dans la nature du matériau qui les compose. Au contraire, la microstructure ne permet pas de différencier ces sections et esquilles de tirants des autres éléments de fer mis en œuvre dans ces églises. Si certaines comme OUEN 01a et OUEN 11a sont davantage aciérées, d’autres comme ROU BA1a et les six barres et tirants de la cathédrale de Troyes identifiés par les références TROY 03a à TROY 08a sont plutôt ferritiques. En outre, tous sont chargés d’inclusions. Contrairement à l’exemple des barres d’acier du Palais des Papes d’Avignon, qui ne constituent qu’une partie des éléments analysés par Philippe Dillmann, il n’y a ici en aucun cas recherche de l’obtention d’un matériau aux caractéristiques particulières. Le cas de ces barres d’acier mises en œuvre dans la galerie du Grand Promenoir demeure exceptionnel.

  • 53 M. L’Héritier, A. Juhin, Ph. Dillmann, R. Aranda, P. Benoit, « Utilisation des alliages ferreux dan (...)
  • 54 A. Juhin, Structure métallographique et comportement mécanique des tirants de fer du donjon du chât (...)
  • 55 D’après les micrographies présentées dans l’article de Jean-Louis Taupin, op. cit., n. 6. Le discou (...)
  • 56 Op. cit., n. 15.

22En effet, pour les rares bâtiments médiévaux pour lesquels on dispose d’analyses publiées, la majeure partie des objets étudiés semble également résulter d’un tel assemblage de fer et d’acier en proportions très variables et sans répartition ni traitement de forge spécifique53. Citons, en particulier, le donjon du château de Vincennes54, ou même les premières analyses réalisées à la cathédrale de Beauvais55 et aussi la grande majorité des fers du Palais des Papes d’Avignon56, à l’exception des quelques barres du grand Promenoir.

Des propriétés mécaniques limitées

23Sauf exception, la présence d’acier dans la matrice des fers de construction médiévaux n’est donc pas volontaire et sa répartition est totalement aléatoire. Contribue-t-elle malgré tout à améliorer les propriétés mécaniques de ces alliages ? Le carbone n’est toutefois pas le seul élément entrant dans la composition de ces « fers » de construction : le phosphore y est souvent en quantités importantes, sans compter les composés silicatés que sont les inclusions. Au vu de l’hétérogénéité de structure de ces alliages ferreux, il est légitime de s’interroger sur leur comportement mécanique.

  • 57 Op. cit., n. 54.
  • 58 C’est le cas des deux éprouvettes réalisées sur la barre de chaînage portant la référence VINP 13 : (...)
  • 59 Ibid., p. 63.
  • 60 Les teneurs observées pour les spécimens provenant des églises rouennaises et troyennes dépassent d (...)
  • 61 Op. cit., n. 54, p. 61.
  • 62 Ibid., p. 63.

24L’étude métallographique réalisée par Amélie Juhin et Ivan Guillot sur les armatures métalliques du donjon du château de Vincennes comprenait des essais de traction sur une dizaine d’échantillons provenant de barres de chaînage, de grosses agrafes ou de renforts de linteaux mis en place lors de la construction du donjon du château de Vincennes au milieu du xive siècle57. Ils ont mis en évidence que ces alliages ferreux avaient des comportements en traction très hétérogènes, pouvant même être diamétralement opposés au sein d’une même barre58. D’après Amélie Juhin, « l’hétérogénéité de la microstructure explique la diversité des comportements observés » ; elle insiste en particulier sur le rôle probable des plus grosses inclusions dans l’amorçage d’une rupture dans le domaine fragile59. Les teneurs parfois importantes en phosphore sont également susceptibles de fragiliser le matériau60. Mais les résultats montrent également que la présence de carbone ne semble pas améliorer les propriétés mécaniques de ces alliages ferreux. Au contraire, des fers complètement décarburés peuvent avoir une limite d’élasticité et une résistance à la rupture supérieures à celles d’alliages contenant de l’acier61. Dans tous les cas, quelle que soit leur composition, « les propriétés mécaniques [de ces fers] sont en deçà de celles de matériaux ferreux plus tardifs62 ». Mécaniquement parlant, ces alliages ferreux ne sont donc pas des aciers et sont loin d’être le « matériau de pointe » évoqué par Jean-Louis Taupin.

  • 63 Concernant la période moderne, une étude est actuellement en cours sur les alliages ferreux employé (...)

25Au vu de ces premiers résultats, il semble donc qu’il était a priori presque impossible, pour la personne qui a fabriqué ou a mis en place ces renforts métalliques dans le donjon du château de Vincennes, d’avoir une idée du comportement mécanique de ces barres63. La structure métallographique des « fers » de construction des églises rouennaises et troyennes, identique à celle des fers du donjon du château de Vincennes au moins quant à leur extrême hétérogénéité, induit un comportement mécanique probablement similaire, c’est-à-dire imprévisible. Malgré tout, ce matériau aux propriétés mécaniques limitées était bien souvent de qualité suffisante par rapport au rôle qui lui était assigné, puisque la plupart des armatures métalliques mises en œuvre dans la structure de ces bâtiments ne se sont ni rompues ni fissurées, sauf quand elles ont été gagnées par la corrosion.

Conclusion

26L’acier, bien présent sur les chantiers de construction médiévaux, par l’intermédiaire des pointes des outils et des pièces d’assemblage des engins, occupe en revanche une place très limitée dans la construction proprement dite.

27Certains alliages ferreux mis en œuvre dans la maçonnerie des églises troyennes et rouennaises ou d’autres bâtiments médiévaux contiennent pourtant, dans leur matrice, des zones aciérées. Mais la présence d’acier y est le plus souvent involontaire. La fabrique souhaite la plupart du temps employer un matériau ordinaire qui n’a reçu aucun traitement particulier, si ce n’est sa mise en forme. Les propriétés mécaniques de ces alliages mis en œuvre, qui sont composés non seulement de fer et de carbone, mais également d’inclusions en quantités, et parfois de phosphore, sont très inférieures aux caractéristiques mécaniques des fers et aciers contemporains. Il ne s’agit pas d’aciers au sens mécanique. Sauf exception, comme au Palais des Papes d’Avignon, on ne peut donc pas parler d’emploi d’acier dans la construction monumentale aux périodes médiévale et moderne, le terme le plus adéquat restant celui d’alliage ferreux. La qualité et les usages de certains fers de dénomination particulière, qui apparaissent de manière sporadique dans les comptes des fabriques, comme le célèbre « fer d’Espagne », reste toutefois à éclaircir.

Notes

1 Ph. Delorme, Architecture, livre X, « Des nouvelles inventions pour bien bastir », chapitre IV. Pour l’édition actuelle, Ph. Delorme, Architecture de Philibert de l’Orme, Rouen, 1648, réed. Bruxelles, P. Madraga, 1981, livre X, chapitre IV, p. 282.

2 D’après l’expression « disgracieux chaînages », C. Enlart, Manuel d’archéologie française, depuis les temps mérovingiens jusqu’à la Renaissance. I, Architecture religieuse, Paris, 1919-1920, p. 46.

3 E. Viollet-le-Duc, Dictionnaire raisonné de l’architecture française du xie au xvie, 10 tomes, 1854- 1868, rééd. Paris, 1997.

4 « Le fer fut appelé à jouer un rôle assez important dans l’art de bâtir avec la construction ogivale », ibid., t. 1, p. 461.

5 Il s’agit des chapitres « armatures » et « chaînages », ibid.

6 J.-L. Taupin, « Le fer des cathédrales », Monumental, 1996, p. 18-27.

7 A. Erlande-Brandenburg, « L’architecture rayonnante et le métal », Dossiers d’archéologie, n° 219, déc. 1996 - janv. 1997, p. 46-53.

8 J.-L. Taupin, op. cit., n. 6 ; M. Férauge, P. Mignerey, « La cathédrale de Bourges et l’utilisation du fer dans l’architecture », Bulletin monumental, 1996, p. 129-148.

9 W. Haas, « Die Rolle des Eisens in der vorindustriellen Architektur dargestellt an ostbay-erischen Beispielen », dans Die Oberpfalz ein Europäisches Eisenzentrum 1600 Jahre Grosse Hammereinung, Amberg, 1987, p. 495-504.

10 O. Chapelot, P. Benoit éd., Pierre et métal dans le bâtiment au Moyen Âge, Paris, 1985, réimpression, Paris, 2001.

11 Jean-Louis Taupin dénombre 36 occurrences du fer dont toutes ne sont cependant pas contemporaines de la construction de la cathédrale, op. cit., n. 6. William Haas estime la part du fer dans les vitraux de la cathédrale de Ratisbonne à 13,5 tonnes, soit un total d’environ 40 tonnes de fer pour l’ensemble de l’édifice, op. cit., n. 9.

12 Les résultats de ces analyses sont partiellement repris par Jean-Louis Taupin dans son article consacré au « fer des cathédrales », op. cit., n. 6.

13 Ph. Bernardi, Ph. Dillmann, « La place du métal dans la construction », dans D. Vingtain éd., Monument de l’Histoire - Construire, reconstruire le Palais des Papes, xive-xixe siècles, Avignon, 2002, p. 63-67.

14 Ibid.

15 Ph. Dillmann, Ph. Bernardi, « Premiers résultats métallographiques sur les tirants de fer du Palais des Papes d’Avignon. Eléments de réflexion sur la qualité et la provenance des matériaux ferreux utilisés dans la construction monumentale au Moyen Âge », dans R. Noël, I. Paquay, J.-P. Sosson éd., Au-delà de l’écrit. Les hommes et leurs vécus matériels au Moyen Âge à la lumière des sciences et des techniques. Nouvelles perspective, Louvain-la-Neuve, 2003, p. 241-279.

16 Ibid.

17 Ph. Bernardi, Ph. Dillmann, « Stone skeleton or iron skeleton : The provision and use of metal in the construction of the Papal Palace at Avignon in the 14th century », dans R. Bork dir., De Re Metallica. The uses of metal in the Middle Ages, Ashgate, 2005, p. 297-315.

18 M. Mollat, R.-H. Bautier, « Le trafic fluvial sur la Seine au pont de Meulan au milieu du xve siècle », Bulletin philologique et historique, 1959, p. 251-296.

19 M. Arnoux, Mineurs, férons et maîtres de forge : études sur la production du fer dans la Normandie du Moyen Âge, xie-xve siècles, Paris, 1993, p. 327.

20 Ibid., p. 329.

21 Ibid.

22 Catherine Verna cite en particulier les marchés de Toulouse et d’Arles (en Provence), ainsi que ceux du Condomois et du Quercy, C. Verna, Le temps des moulines. Fer, technique et société dans les Pyrénées centrales (xiiie-xvie siècles), Paris, 2001, p. 230.

23 Ibid., p. 231-232.

24 Ibid., p. 230.

25 Op. cit., n. 6.

26 A Guillaume Tesson, mareschal, pour sa paine d’avoir forgé et acheré les marteaux desdits machons, depuis le jour de Noel derr. passé jusques à la vigille de Pasques, paié à luy pour VIIXX forgeures à V d. chacune forgeure, LVIII s. IIII d., et pour XX acherures à II s. VI d. chacune acherure, la somme de L s. Pour avoir paié par quictance CVIII s. IIII d. t., AD Seine-Maritime, G 2515, fol. 55.

27 AD Aube, G 1588, fol. 188 v°.

28 Pour II billes d’acier à refaire les marteaux de la forge III s. IIII d. t., AD Aube, G 1562, fol. 114 v°.

29 Prix et qualité sont deux notions qu’il n’est pas toujours aisé à relier. On pourra à ce titre se référer à l’étude de Catherine Verna, « Qualités des fers, prix des marchés, valeurs des hommes et des alliances (haut Vallespir, xve siècle) » dans C. Denjean éd., Sources sérielles et prix au Moyen Âge. Mélanges en l’honneur de Maurice Berthe, Toulouse, 2009, p. 353-398.

30 AD Seine-Maritime, G 2522, fol. 40 v° ; Ph. Lardin, Les chantiers du bâtiment en Normandie orientale (xive-xvie s.), les matériaux et les hommes, Villeneuve d’Ascq, 2001, p. 271-272 ; M. Arnoux, op. cit., n. 19.

31 BnF, ms. lat. 9111, fol. 129.

32 L’origine du fer acheté par les fabriques des églises troyennes est parfois précisée. Or, à l’exception du « fer d’Espagne », toutes les autres mentions de provenance font référence à des productions locales (fers de Codon, Chennegy et de Maraye-en-Othe provenant de la forêt d’Othe) ou régionales (fers de l’abbaye du Reclus, fers des forges de Doulevant-le-Château, fer des forges d’Anglus près de Bar-sur-Aube), M. L’Héritier, L’utilisation du fer dans l’architecture gothique. Les cas de Troyes et de Rouen, thèse d’archéologie de l’université Paris 1 Panthéon-Sorbonne sous la direction de P. Benoit, 2007, 5 vol., p. 734-740.

33 Ph. Braunstein, O. Chapelot, « Mines et métallurgie en Bourgogne à la fin du Moyen Âge : première esquisse », dans P. Benoit, Ph. Braunstein éd., Mines, carrières et métallurgie dans la France médiévale, Paris, 1983, p. 31-66. Pour la région du Châtillonais, Odette Chapelot estimait le prix du « fer d’Espagne » de 25 à 100 % supérieur aux fers de production locale, O. Chapelot, « Les ouvriers du métal en Bourgogne à la fin du Moyen Âge : l’exemple du Châtillonais » dans O. Chapelot, P. Benoit éd., Pierre et métal dans le bâtiment au Moyen Âge, Paris, 1985, réimpression, Paris, 2001, p. 305-318. Sur le marché toulousain, Catherine Verna a montré que les coûts de transport peuvent justifier des variations de prix importantes pour des fers de qualité équivalente, op. cit., n. 22, p. 231.

34 AD Aube, G 1559, fol. 52.

35 O. Chapelot, « Les ouvriers du métal en Bourgogne… », op. cit., n. 33.

36 Comme Mathieu Arnoux avait pu le montrer pour la construction du canon caennais en 1375, op. cit., n. 19, p. 329.

37 Comme c’est le cas pour le « fer de Foix » dans les Pyrénées, C. Verna, op. cit., n. 22, p. 232.

38 AD Seine-Maritime, G 2522, fol. 40 v°.

39 M. Mollat, Le commerce maritime normand à la fin du Moyen Âge : étude d’histoire économique et sociale, Paris, 1952, p. 279.

40 D’après Mathieu Arnoux, « Si la réalité des importations ne saurait faire de doute, on cherche vainement dans les comptes de construction ce produit qui devrait s’y trouver en abondance », op. cit., n. 19. Philippe Lardin minimise également l’importance du « fer d’Espagne » sur les marchés et chantiers de construction normands, op. cit., n. 30, p. 230.

41 Merci à MM. Étienne Pallot et Daniel Moufle, Architectes en Chef des Monuments historiques, aux Conservations régionales des Monuments historiques ainsi qu’aux SDAP de la Seine-Maritime et de l’Aube et aux ateliers de restauration Legrand (Rouen) pour avoir donné leur accord à ces prélèvements.

42 Ph. Dillmann, Diffraction X, microdiffraction X et microfluorescence X sous rayonnement Synchrotron et analyses comparées pour la caractérisation des inclusions. Application à l’étude de l’évolution historique des procédés d’élaboration des objets ferreux (procédés direct et indirect), thèse de doctorat de l’université de technologie de Compiègne présentée sous la direction de G. Beranger, 1998, 302 p. L’ensemble du protocole est explicité dans Ph. Dillmann, M. L’Héritier, « Slag inclusion analyses for studying ferrous alloys employed in French medieval buildings : supply of materials and diffusion of smelting processes », Journal of Archaeological Science, 34, 2007, p. 1810-1823.

43 La nomenclature des échantillons est donnée dans le tableau 1 : ROU pour un spécimen de la cathédrale de Rouen, OUEN pour l’église Saint-Ouen de Rouen, MAC pour l’église Saint-Maclou de Rouen, TROY pour la cathédrale de Troyes, JEAN pour l’église Saint-Jean-au-Marché de Troyes et MAD pour l’église Sainte-Madeleine de Troyes.

44 La présence d’une majorité de sections aciérées parmi les attaches de statue est liée à l’homogénéité du corpus qui provient uniquement de la façade occidentale de la cathédrale de Rouen, tour de Beurre incluse.

45 Ces structures sont la marque de légères variations de la teneur en phosphore dans la matrice métallique de l’objet ; elles sont ainsi dénommées car elles apparaissent lorsque l’on fait légèrement varier la mise au point de l’image. Elles caractérisent, en outre, sa nature phosphoreuse pour des teneurs comprises entre 0,1 et 0,6 %, V. F. Buchwald, H. Wivel, « Slag analysis as a method for the characterization and provenancing of ancient iron objects », Materials Characterization, 40, New York, 1998, p. 73-96 ; J. W. Stewart, J. A. Charles, E. R. Wallach, « -Iron-phosphorus-carbon system, Part 3- Metallography of low carbon iron-phosphorus alloys », Materials Science and Technology, vol. 16, Cambridge, 2000, p. 291-303.

46 Tout comme le carbone, le phosphore rend tout d’abord le fer plus dur et donc plus cassant, en particulier dans les alliages ternaires fer-carbone-phosphore. De plus, sa présence dans le fer induit une coexistence des phases austénitique (γ) et ferritique (α) entre 900 et 1400° C ; la différence de malléabilité entre les deux phases à ces températures génère, lors du forgeage, des cassures aux interfaces des grains α et γ qui fragilisent ainsi le fer, J. W. Stewart, J. A. Charles, E. R. Wallach, « Iron-Phosphorus-Carbon. system, Part 1- Mechanical properties of low carbon iron-phosphorus alloys », Materials Science and Technology, vol. 16, Cambridge, 2000, p. 275-282.

47 Op. cit., n. 32, p. 804-805.

48 Op. cit., n. 42.

49 Cette datation est parfaitement compatible avec les données actuelles dont nous disposons sur l’introduction du nouveau procédé de réduction dans cette région du royaume de France : la première mention explicite d’un atelier de production fonctionnant selon le procédé indirect aux alentours de Troyes se trouve en plein pays d’Othe, où Joséphine Rouillard a mis en évidence l’existence dès 1377 d’une usine comprenant un haut fourneau à Valcon sur l’Ancre, dont les produits sont affinés par le même propriétaire à Saint-Liébaut (Estissac), où on trouve une forge à affiner fer, c’est-à-dire une affinerie, J. Rouillard, L’homme et la rivière : histoire du bassin de la Vanne au Moyen Âge (xiie-xvie siècles), thèse de doctorat d’histoire de l’université Paris 1 Panthéon-Sorbonne sous la direction de M. Bourin, 5 vol., 2003, p. 401. Cet exemple de métallurgie indirecte reste toutefois un peu isolé dans la région avant le deuxième tiers du siècle suivant, période à laquelle nombre d’établissements pratiquant la fonte du minerai de fer et son affinage se développent dans l’ensemble de la Champagne, T. Boutiot, Notes sur les anciennes exploitations métallurgiques des contrées composant le département de l’Aube, Paris, 1867 ; C. Verna, Les mines et les forges des Cisterciens en Champagne méridionale et en Bourgogne du Nord, xiie-xve siècles, Paris, 1995, p. 66-67 ; J. Rouillard, L’homme et la rivière…, op. cit., p. 407-410.

50 AD Aube G 4417, fol. 46. Les premières mentions d’achat de fer du Reclus par le procureur de la fabrique de la cathédrale de Troyes datent de l’année comptable 1431-1432, AD Aube G 1562, fol. 115 v°. Il n’est toutefois pas certain qu’il s’agisse déjà de structures de production fonctionnant selon le procédé indirect.

51 Là encore, cette datation est compatible avec le tableau de la sidérurgie normande médiévale tel qu’il est actuellement connu par l’étude des sources écrites et l’archéologie de terrain : le procédé wallon ne se répandit en Normandie qu’au cours du dernier tiers du xve siècle, J.-F. Belhoste, Y. Lecherbonnier, M. Arnoux, D. Arribet, B. G. Awty, M. Rioult, La métallurgie normande, xiie-xviiie siècles. La révolution du haut fourneau, Caen, 1991 ; D. Arribet-Deroin, Fondre le fer en gueuses au xvie siècle : le haut fourneau de Glinet en pays de Bray, thèse de doctorat d’archéologie de l’université Paris 1 Panthéon-Sorbonne sous la direction de P. Benoit, 2001.

52 M. L’Héritier, Ph. Dillmann, P. Benoit, « Analyse métallographique de fers à cheval médiévaux. Mise en forme et origine du métal », La revue d’archéométrie, 27, 2003, p. 193-206.

53 M. L’Héritier, A. Juhin, Ph. Dillmann, R. Aranda, P. Benoit, « Utilisation des alliages ferreux dans la construction monumentale du Moyen Âge. État des lieux de l’avancée des études métallographiques et archéométriques », La revue d’archéométrie, 29, 2005, p. 117-127.

54 A. Juhin, Structure métallographique et comportement mécanique des tirants de fer du donjon du château de Vincennes, mémoire de M2 de Science des matériaux et nano objets (universités Paris 6 Pierre et Marie Curie et Paris-Sud 11) sous la direction de Ph. Dillmann et I. Guillot, 2005.

55 D’après les micrographies présentées dans l’article de Jean-Louis Taupin, op. cit., n. 6. Le discours tenu par l’auteur n’est toutefois pas en adéquation avec les images qu’il présente. Les résultats complets sont disponibles dans R. Robin, E. Ternon, Étude mécanique d’éléments métalliques de la cathédrale gothique de Beauvais, UVTX de l’université de Compiègne sous la direction de P. Benoit, 1994.

56 Op. cit., n. 15.

57 Op. cit., n. 54.

58 C’est le cas des deux éprouvettes réalisées sur la barre de chaînage portant la référence VINP 13 : la première éprouvette a présenté une rupture fragile dans le domaine élastique, c’est-à-dire avec absence de déformation plastique macroscopique (allongement < 0,1 %), alors que la seconde a montré une rupture ductile après un allongement plastique de plus de 10 %, ibid., p. 45.

59 Ibid., p. 63.

60 Les teneurs observées pour les spécimens provenant des églises rouennaises et troyennes dépassent de beaucoup les 400 ppm tolérés pour les aciers actuels, comme le prouve la présence des structures fantômes. Les dosages montrent même que certains dépassent localement le seuil critique de 0,38 % mass évoqué par Stewart au-delà duquel le phosphore fragilise notablement le fer, op. cit., n. 46.

61 Op. cit., n. 54, p. 61.

62 Ibid., p. 63.

63 Concernant la période moderne, une étude est actuellement en cours sur les alliages ferreux employés dans la maçonnerie de la tour nord de l’église Saint-Sulpice de Paris.

Table des illustrations

Légende Fig. 1. Variation de la teneur en carbone dans la matrice de deux attaches de statue (ROU 301a et ROU 314a) et d’un goujon (OUEN 05a) avec mise en évidence de structures en bandes
URL http://books.openedition.org/pumi/docannexe/image/37688/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 25k
Légende Fig. 2. Micrographie de l’échantillon ROU 314 après attaque au réactif Nital au niveau d’une « structure en bandes ». Les zones aciérées apparaissent en foncé, les zones ferritiques en clair
URL http://books.openedition.org/pumi/docannexe/image/37688/img-2.jpg
Fichier image/jpeg, 28k
Légende Fig. 3. Région de Troyes. Répartition des objets par période et procédé de réduction (procédés direct et indirect)
URL http://books.openedition.org/pumi/docannexe/image/37688/img-3.jpg
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Légende Fig. 4. Région de Rouen. Abaque de détermination des procédés de réduction, répartition des objets analysés
URL http://books.openedition.org/pumi/docannexe/image/37688/img-4.jpg
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© Presses universitaires du Midi, 2011

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