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Les techniques traditionnelles des forgerons japonais

Le fichier pdf de cet exposé est disponible ici.

Introduction

Cet exposé tente de présenter quelques éléments du travail du forgeron traditionnel japonais, en se basant en particulier sur la confection d'un objet emblématique et complexe, le sabre.
Mais les bases des techniques de ces artisans sont finalement valables pour l'ensemble des sociétés pré - industrielles. Ces techniques sont envisagées ici du point de vue de la physique du fer et de ses alliages, plutôt que sous le seul aspect historique.
Dans cette présentation, je chercherais donc à expliquer comment et pourquoi les techniques empiriques de ces artisans leur ont néanmoins permis d'obtenir des objets aussi perfectionnés que cette arme, même s'ils ignoraient les causes physiques des transformations du fer ou la raison des différences de propriétés de ce métal et de ses alliages.
Le développement de la métallurgie est ainsi un bel exemple de dissociation complète entre l'amélioration d'un savoir-faire empirique et la compréhension du monde et de ses phénomènes physiques. Sans rien connaître de l'atome ou de la structure des matériaux, et sans vraiment progresser dans cette connaissance pendant des siècles, les Hommes, par coup de chance, essais et erreurs, ont néanmoins découvert, amélioré et sélectionné les gestes et les procédures qui leur ont permis d'obtenir des outils sophistiqués et particulièrement efficaces.
On commencera donc, en suivant le trajet inverse de l'Histoire, par présenter quelques données générales sur le fer, à partir desquelles on pourra interpréter ces techniques et l'utilité de chaque étape.
Remarque : comme le niveau de physique des lecteurs de cet exposé est sans doute très variable, j'ai tenté de donner des explications aussi simples et claires que je le pouvais. Je m'excuse auprès de ceux pour qui elles paraîtront des banalités.

Le fer, l'acier et la fonte

Les minerais de fer

Le fer (Fe) est l'un des éléments les plus répandus qui soit. Il représente 17% du poids de notre planète, mais malheureusement, la plus grande partie se trouve dans le noyau terrestre, entre 2900 et 6400 kilomètres de profondeur.
En surface et sub-surface, on ne le trouve quasiment jamais à l'état natif (Fer pur, métal*), mais sous forme oxydée, en fer ferreux Fe2+ ou ferrique Fe3+, au sein de deux types de minerais* :
- des minerais chargés d'oxydes de fer, l'hématite Fe2O3 ou la magnétite Fe3O4 (le seul minéral naturellement aimanté).
- Des minerais carbonatés (roches ou sable calcaires) contenant du carbonate de fer, FeCO3.
Au Japon, le principal minerai était un sable contenant de l'hématite (satetsu).

Fer, acier et fonte : Quelques définitions

Le fer, sous forme métallique, est rarement pur. En particulier, il peut contenir, à l'état solide, du carbone (c'est une solution solide* fer-carbone, dont les propriétés physiques sont différentes de celles du fer et du carbone purs, et changent selon la proportion des deux composants). Les métallurgistes modernes parlent d'acier pour désigner un mélange contenant moins de 1,7% de carbone (en proportion massique), et de fonte pour une proportion de carbone supérieure à cette valeur.
La présence de ce carbone dans le fer modifie l'arrangement des atomes au sein du solide lorsque celui-ci refroidit et cristallise depuis l'état liquide, et donc aussi la température à laquelle la cristallisation va commencer (exactement comme l'eau salée qui cristallise à une température plus basse que l'eau pure). C'est ce que représente le diagramme ci-dessous.
Sur cette figure, on remarque également qu'à l'état solide, le fer a une organisation cristalline
différente selon sa température. En dessous de 730°C, il prend une structure appelée fer alpha, ou ferrite. Au dessus, toujours à l'état solide, il est sous une forme cristalline dite fer gamma, ou austénite. C'est seulement sous cette forme d'austénite, donc chauffé, que le fer peut dissoudre jusqu'à ~5% de carbone.
En refroidissant très brutalement du fer porté au dessus de cette température de ~730°C, on peut "figer" sa structure d'austénite, qui persiste alors à température ambiante (état "métastable"). C'est la technique dite de trempe du métal (car obtenue en plongeant rapidement le métal chaud dans un liquide froid). Sous cette forme d'austénite, le métal est plus dense et plus dur que la ferrite.
Le fer peut aussi contenir d'autres éléments, ou d'autres formes cristallines que celle du fer.
Car, déjà, un bloc de fer ou d'acier n'est jamais un cristal d'un seul tenant, mais un agrégat de cristaux accolés, ou grains, plus ou moins gros selon la rapidité de la cristallisation, et plus ou moins bien imbriqués. Entre ces grains peuvent s'insérer des impuretés ou des cristaux de nature différente.
Ainsi, le carbone peut soit rester à l'état dissous au sein du réseau cristallin du fer, soit former des aiguilles de carbure de fer (Fe3C ou cémentite, plus dur mais aussi plus cassant que la ferrite), qui se forme pour une teneur en carbone supérieure ou égale à 1,7% et qui caractérisera donc la fonte.

Image

L'obtention du métal utile

Obtenir du fer sous forme métallique implique de transformer l'ion ferreux Fe2+ ou ferrique Fe3+ en fer Fe, c'est-à-dire de lui fournir des électrons. C'est une opération d'oxydo-réduction, les électrons étant donnés par un agent réducteur, qui réduit le fer et se retrouve, lui, oxydé.
Quel est cet agent ? Tout simplement le carbone, issu de la combustion incomplète du charbon de bois utilisé pour le feu.
Mais les températures atteintes dans les fours simples anciens, comme celui représenté ci-dessous, sont insuffisantes pour faire fondre le fer ou ses alliages avec le carbone. Cependant, le minerai contient aussi des minéraux comme les carbonates ou les feldspaths, qui font office de fondants, c'est-à-dire qui, ajoutés en faibles quantités à d'autres matériaux, abaissent la température de fusion du mélange. Ici, ils permettent la fusion du reste du minerai.
Moyennant un courant d'air suffisant pour entretenir la combustion, et un temps assez long, ce processus aboutit à une "éponge de fer" solide, constituée de scories de fer qui piègent encore entre leurs mailles du liquide (le laitier). L'artisan récupère cette éponge de fer au fond du four, et il lui faut la purifier, en la portant à nouveau à plus de 1000°C et en la martelant longuement. Ainsi, le fer est rendu malléable et le laitier, redevenu liquide, s'écoule en entraînant des impuretés. Le martelage en expulse encore, et soude entre eux les blocs de fer purifiés.
Le fer obtenu de cette façon contient peu de carbone (on l'appelle fer "doux"). Mais le forgeron peut, dans une certaine mesure, modifier le type de métal final, fer presque pur ou acier : chauffée au contact de carbone (du charbon de bois), une pièce de fer doux en incorpore par sa périphérie, qui devient ainsi une couche d'acier (procédé appelé cémentation).


Image

Notons que les Chinois, eux, ont utilisé très tôt (dès 800 av. J.C.) un deuxième procédé : en réussissant à atteindre des températures supérieures à 1536°C (par l'utilisation de four en céramique et de houille comme combustible), ils transformaient directement le minerai de fer en fonte liquide. Celle-ci ne peut se forger car elle est trop cassante à froid, mais par contre, fondue, elle s'écoule et se moule facilement, et l'on peut ensuite la purifier en acier, en la chauffant à nouveau dans un courant d'air pour oxyder l'excès de carbone.

Les outils des forges : le feu, l'air, le bois... et le muscle

Ainsi le traitement du minerai de fer demande du bois (ce dont le Japon ne manque pas) ou du charbon (plus rare sur l'archipel) pour atteindre des températures élevées et aussi, m'me si l'artisan l'ignore, pour réduire le fer. Il nécessite aussi de l'oxygène, donc de l'air, pour entretenir le feu mais aussi, là encore sans que le forgeron l'ait compris, pour purifier le métal en oxydant les impuretés. Enfin, entretenir un feu puissant avec un flux d'air impose un dispositif de soufflet, mû par la force humaine. Pour obtenir un courant d'air continu, le dispositif adéquat est le soufflet à double effet : deux poches d'air (en cuir le plus souvent) reliées au même orifice et comprimées en alternance. C'est le tatara que l'on voit dans Princesse Mononoke.

Image

C'est encore par la force humaine, sous les coups de marteau du forgeron, que le métal sera purifié, transformé et mis en forme.

Le chef-d'oeuvre du forgeron japonais : le sabre

La création d'une lame

La lame japonaise est une structure complexe, issue d'un travail très long et de la répétition à de nombreuses reprises de certaines étapes.
Sa partie externe est faite d'acier à forte teneur en carbone, avec une structure feuilletée obtenue par martelages et repliements successifs du bloc initial (figure ci-dessous).

Image

Au centre de cet acier replié en gouttière (kawagane), le forgeron insère une pièce de fer beaucoup plus pauvre en carbone (shingane), elle aussi préalablement repliée et martelée plusieurs fois.
Au cours du temps, et selon le type de sabre, cette procédure a pu être encore compliquée, avec l'emploi de plusieurs pièces d'acier (éventuellement différents) pour chaque région de la lame (flancs, tranchant, dos, coeur), comme représenté sur la figure suivante.

Image

Les deux éléments sont chauffés ensemble et martelés, de manière à ce que l'acier enserre entièrement le fer forgé du coeur. Après quoi la lame est recouverte d'un mélange d'argile et de charbon de bois, épais sur le dos et les flancs de la lame et plus fine sur le tranchant. La lame ainsi apprêtée est trempée, et enfin polie (figure ci-après).

Image

Avec cette dernière technique, le tranchant et le reste de la lame, après polissage, reflètent et diffractent différemment la lumière. La limite entre les deux zones forme une ligne ondulée typique des sabres japonais, et le forgeron, en déposant l'argile sur la lame, jouait sur le tracé de cette limite entre les couches fine et épaisse, pour faire de son sabre une oeuvre d'art à part entière. La réponse différente de ces deux parties du sabre à la trempe explique aussi l'acquisition de sa courbure.
Mais, on va le voir, toutes ces étapes n'avaient pas qu'un intérêt esthétique.

L'utilité des différentes étapes

Quels sont les intérêts respectifs de toutes ces étapes et d'une telle complexité technique ?
Tout d'abord, une lame d'épée efficace doit combiner deux caractéristiques :
- la solidité, c'est-à-dire la capacité à résister aux chocs (résilience*).
- et le tranchant, donc la capacité à résister à l'enfoncement (dureté*).

Or l'acier, dur et que l'on peut aiguiser, est aussi plus cassant que le fer pur.

La lame de sabre japonais, avec sa structure double, est une solution originale à ce problème.
L'acier externe, dur, tranchant et aiguisable, est complété par le fer forgé du coeur, qui confère au sabre sa résistance (sa meilleure résilience).

Citer :
Pour comparaison, on utilise la même idée de structure composite pour réaliser la partie mobile d'un cadenas : l'extérieur est fait d'un acier dur, résistant à la scie, alors que le coeur est plus résilient, pour supporter des coups de marteau !


Les multiples étapes de chauffage des deux matériaux permettent d'éviter que leurs grains soient trop gros, et les pliages et martelages répétés, qui donne une structure feuilletée, évitent que ces grains acquièrent une orientation préférentielle, qui pourrait se traduire par une zone de fragilité (c'est sur le même principe que l'on obtient du contre-plaqué).

Le chauffage et le martelage ont aussi pour effet d'extraire les impuretés restées dans le métal.

Enfin, la trempe a pour intérêt de maintenir la structure austénite, mais aussi de faire apparaître une autre structure de l'acier, la martensite (solution solide de carbone dans la ferrite) d'autant plus dure que la proportion de carbone est élevée. On voit donc là l'utilité du choix (empirique, toujours) par le forgeron d'un acier à forte teneur en carbone pour former le fil de la lame ! C'est l'acquisition de cette structure martensitique sur une partie de la lame seulement qui explique donc l'aspect particulier du tranchant après polissage. C'est aussi (comme indiquée plus haut) la raison pour laquelle la lame devient courbe.
Mais la martensite est très cassante, et une part de l'art du forgeron consiste donc aussi à contrôler les effets de la trempe pour conserver la dureté souhaitable tout en maintenant la fragilité à un niveau acceptable.

Le résultat

L'aspect final du sabre est loin d'être atteint à ce stade : le polissage de la lame, déjà, est réalisé par un spécialiste de ce travail, non par le forgeron lui-m'me. Le polisseur fera ressortir, par l'utilisation d'un abrasif légèrement acide, la ligne de trempe de la lame. Un autre artisan forgera la garde (tsuba), avant qu'un dernier n'assemble ces éléments, y ajoute la poignée, en bois paré de galuchat (une peau de requin ou de raie tannée), et ne lui procure un fourreau en bois laqué.

Au final, l'efficacité du sabre est remarquable : certains samouraï s'enorgueillissaient de pouvoir fendre d'un coup des casques de fer cloutés, et trancher une tête d'un seul coup était chose aisée pour qui maîtrisait bien le maniement de cette arme ! Car de par sa forme, le sabre japonais demande de la technique pour être efficace : au contraire de l'épée chinoise ou occidentale, moins résistantes mais à lame droite et à double tranchant, il faut orienter correctement le sabre pour couper ou percer. Et le tranchant se salit et s'use rapidement, c'est donc un objet de valeur par sa beauté, mais aussi par le soin et l'entretien régulier qu'il demande.

Conclusion : un (tout petit) peu d'histoire!

Les techniques décrites ici n'ont évidemment pas été inventées en un jour. Les premiers sabres japonais apparaissent avant 900 ap. J.C., mais ils ne sont encore que des copies, ou des importations, d'armes chinoises, à lames droites. Le sabre courbe n'apparaît qu'ensuite, pendant la période allant de 900 à 1530, où l'instabilité politique et les batailles nombreuses favorisent le développement de l'armurerie et de ses techniques. De plus, partir du 15ème siècle, les sabres, de plus en plus demandés par les guerriers, deviennent aussi des objets de commerce avec la Chine. La grande majorité des sabres anciens conservés datent cependant de la période suivante, entre 1530 et 1867. Car du 15ème au 17ème siècle, il devient assez courant de refondre des anciens sabres familiaux ou célèbres pour les rendre plus beaux, surtout ceux qui viennent de l'époque Kamakura. Ils deviennent ainsi des objets symboliques d'une certaine appartenance à une famille célèbre ou preuve d'une certaine longévité (réelle ou inventée) de la famille.
Avec cette forte production, cependant, la qualité de travail des forgerons, et par voie de conséquence la qualité générale des sabres, baisse. On parle alors pour ces armes de médiocre facture de "kazu uchi" ou "taba-katana".
Enfin, à l'ère Meiji, la restauration du pouvoir impérial amène une loi interdisant le port du sabre (1876), qui entraîne évidemment une chute de la production. Des forgerons japonais produisent cependant toujours des sabres aujourd'hui, selon les techniques anciennes, en tant qu'objets d'art ou comme arme d'apparat, par respect pour cette tradition.

Glossaire

Minerai : Un minerai (du latin minera mine) est un ensemble rocheux contenant des substances utiles en pourcentage suffisant pour justifier une exploitation (la définition de "pourcentage suffisant" étant donc très variable selon la substance recherchée). En pratique, ce terme désigne essentiellement les substances métalliques, et en sont exclus, en particulier, les matériaux de construction et les matériaux combustibles.

Métal : corps simple, doué d'un éclat particulier (éclat métallique), bon conducteur de l'électricité, réducteur, c'est-à-dire formant avec un oxydant, en premier lieu l'oxygène, des oxydes.
Environ 75 éléments chimiques sont des métaux, ils occupent toute la partie gauche du tableau périodique de Mendeleiev. Plus précisément, ils se définissent comme tous les éléments chimiques comportant moins de quatre électrons sur leur couche électronique la plus externe.

Dureté : capacité de résistance à l'enfoncement. En métallurgie moderne, on l'estime "en mesurant la profondeur de pénétration d'une bille, d'un cône ou d'une pyramide [ eux-mêmes taillés dans un matériau bien déterminé, du carbure de tungstène ou du diamant ] appliquée sur l'acier avec une force déterminée" (Encyclopaedia Universalis, article "Sidérurgie").

Résilience : en métallurgie, grandeur permettant de caractériser la résistance aux chocs d'un acier, et mesuré par ´ le travail nécessaire pour rompre, par flexion sous l'effet d'un choc, une
éprouvette portant une entaille de forme et de profondeur déterminées" (Encyclopaedia Universalis, article "Sidérurgie").

Solution solide : cristal homogène de composition intermédiaire entre plusieurs constituants purs (ici le fer Fe et le carbone C).

Sources et pistes bibliographiques

- NOTIS, Michael M. (2000) The history of the metallographic study of the Japanese sword,
Material characterisation 45, 253-258.

- SOUTIF, Michel, NAISSANCE DE LA PHYSIQUE. De la Sicile à la Chine, EDP Sciences,
Grenoble, 2003.

- ENCYCLOPAEDIA UNIVERSALIS, article ACIER, ALLIAGES, FER, METALLURGIE - Histoire, ou encore SIDERURGIE.

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"Qui trop embrasse mal étreint, qui mal étreint perd les pédales et qui perd les pédales se fout la gueule par terre". Pierre Dac


Dernière édition par Cyr le 19 Mai 04 09:03, édité 6 fois.

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Message Publié : 16 Mai 04 20:43 
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Localisation : Paname
Pour moi, il n’y a qu’une réponse, bravo pour cet exposé. Il présente la question de la création des sabres sous un regard scientifiques novateur et rare sur le Web, et donc d’un très grand intérêt.

Merci beaucoup pour cet exposé et merci beaucoup aussi pour tout ce travail.

Fuse


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Message Publié : 16 Mai 04 21:21 
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Localisation : Plus entre Pissevieille et Berrybouy (et oui, y'en a qu'ont de la chance dans la vie !)
J'ai enfin lu et relu cet exposé (ouaip, parce que ma formation scientifique se résume à un abonnement à "Science & Vie" et 1h de physique-chimie-biologie-géologie par semaine au lycée...)
Tu as du vraiment trimé dur pour trouver autant d'infos.
Et j'aime tout particulièrement comment tu allies détails techniques, données scientifiques et contexte historique.

Merci beaucoup, j'ai déjà donné le lien à un ami escrimeur, fana de sabre japonais qui s'y connait un peu, j'attends sa réaction.

:prosternation:

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L'art est bref, la vie est longue. Et la lutte, finale.
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08/08/05 : LONGUE VIE A L'ARME SUPER-SONIQUE AUSTRALIENNE, à l'ancien leader de l'Alliance Française du Dessous, au brouillard des steppes, au pêcheur du lointain, à l'empereur noir et au tueur de graines !


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Message Publié : 16 Mai 04 21:30 
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Localisation : Houilles
Je profite de la lecture de ce passionnant exposé pour te féciliter également pour les deux précédents. Merci pour cette approche scientifique, plutôt rare dans ce type d'exposé mais très enrichissante.


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Message Publié : 17 Mai 04 08:57 
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Inscription : 10 Mai 03 09:00
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Localisation : Bristol
AAAAH, depuis le temps que je voulais lire ça !!

Mon Dieu, un diagramme de phases liquide-solide. J'en pleure de joie...

Merci, Cyr. Merci infiniment.


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Message Publié : 17 Mai 04 12:27 
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Inscription : 17 Mai 04 12:14
Message(s) : 1
Bonjour à tous , konnichiwa minasan

Ceci est un exposé très bien fait, félicitation,
voici une photo du fer utilisé pour la forge de katana.

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ci-dessous une tsuba (garde) moderne - choshuryu -

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avec plaisir, harumi et jérôme

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Message Publié : 17 Mai 04 21:55 
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Localisation : En train de preparer un plan contre la FNAK!
Merci bcp pour l'exposé. J'avoue que j'ai du relire plusieurs fois, car, comme Maubec, mes notions scientifiques sont relativement restreintes. Mais grâce à toi, j'ai pu comprendre des données chimiques, chose fortment improbable d'habitude!
et puis il est vraiment interessant de voir comment le forgeron, par empirisme, reussit des operations chimiques complexes qui aboutissent à la realisation de chefs d'oeuvre. C'est valable pour le sabre, mais aussi des matieres comme la porcelaine japonaise ou la ceramique. Merci donc d'avoir su mettre en valeur cet art de cette facon, cela change des enormités que l'on trouve sur internet!^^


Dernière édition par Ceiba le 19 Mai 04 10:34, édité 1 fois.

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Message Publié : 18 Mai 04 08:00 
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Localisation : Tokyo
Merci beaucoup pour cet expose! Tu as repondu a une de mes grandes questions: comment on fait pour avoir une lame recourbee?... Voila maintenant je sais!

Ah oui, et puis j'aime bien tous les schemas de ton expose. Ils s'integrent super bien avec le fond du forum.

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http://tinou81.wordpress.com <-- Des recits de voyage.


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Message Publié : 19 Mai 04 09:07 
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Localisation : De retour à Lyon, après Paris et Bordeaux
Merci à tous pour vos commentaires et vos appréciations. :)
Pour ceux qui préfèreraient lire ce texte hors connexion ou sur papier, j'ai ajouté au début du texte le lien vers la version pdf de cet exposé. Bonne lecture.

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Message Publié : 30 Juin 04 12:08 
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Localisation : Caché sous une montagne auvergnate en train de paufiner mes plans pour humilier Sherloic Holmes
Juste une petite précision en ce qui concerne le trempage de katana qui est assez praticulier...

Cyr, tu nous parles du contrôle qu'exerce le forgeron sur la trempe :
Citer :
Mais la martensite est très cassante, et une part de l'art du forgeron consiste donc aussi à contrôler les effets de la trempe pour conserver la dureté souhaitable tout en maintenant la fragilité à un niveau acceptable.


Il me semble qu'on peut préciser en disant que cette trempe est différentielle (ou "graduelle") et est obtenue en plaçant la lame dans une gangue d'argile dont l'epaisseur diminue au fur et à mesure qu'elle s'approche du fil de la lame....
Ainsi la dimunition de température ne se fait pas à la même vitesse sur la hauteur de la lame... permettant souplesse et solidité....


En tout cas, encore un super exposé très bien documenté... bravo encore une fois!
Etant natif de la capitale française de la coutellerie, tu m'a coupé l'herbe sous le pied ;) :lol:. Et pour avoir déjà vu et touché un véritable katana forgé à l'ancienne par un maître forgeron japonais, je peux vous garantir que ce sont de beaux objets...

Et il est interréssant de voir comment ils fascinent, comment ils sont le symbole de tellement de chose et comment ils sont l'objets de beaucoup de fantasmes aussi :lol:!!!!!

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-- Li Po


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Message Publié : 30 Juin 04 14:12 
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Localisation : De retour à Lyon, après Paris et Bordeaux
Koropokguru-Gweg a écrit :
Il me semble qu'on peut préciser en disant que cette trempe est différentielle (ou "graduelle") et est obtenue en plaçant la lame dans une gangue d'argile dont l'epaisseur diminue au fur et à mesure qu'elle s'approche du fil de la lame....

Euh, je l'ai dit, ça (pas exactement à l'endroit que tu cites, un peu avant), il y a même une figure pour l'illustrer.

En tout cas, merci pour tes appréciations.

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Message Publié : 30 Juin 04 14:31 
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Localisation : Caché sous une montagne auvergnate en train de paufiner mes plans pour humilier Sherloic Holmes
Après ablation des paupières (qui se sont fermées juste sur le passage du dit schéma), je m'excuse...

La prochaine fois je me mettrai des allumettes!!! ;)

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Message Publié : 17 Août 04 15:48 
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Localisation : paris le plus souvent
ca faisait longtemps que je me posais la question de la conception des sabres. merci pour cet exposé !

ca serait sympa qu'on ai des images de sabres de différentes époques en compléments. :wink:
EDIT :
je ne sais pas si ce site est correctement documenté (je suis pas assez aclé pour juger), mais en tout cas ca a l'air assez detaillé, et on peut voir des photos des étapes de fabrication et de sabres de differentes epoques.
http://perso.wanadoo.fr/nipponto/histoire.html

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albert E.


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