La métallurgie du laiton et du fer au néolithique

Epée en bronze fabriquée au néolithique.

Epée en bronze fabriquée au néolithique.

La métallurgie du laiton puis du fer est apparue vers la fin du néolithique en différents endroits du monde en même temps. D’abord balbutiante, la maîtrise de la métallurgie a été lente, basée sur l’essai-erreur et la transmission orale en l’absence de toute connaissance fondamentale (nature des alliages, moyens de mesure, …). Les premiers alliages à avoir été maitrisés (cuivre, laiton, …, fer) furent liés à leur disponibilité dans le milieu naturel (à l’état natif) et à la facilité de leur transformation (point de fusion, …) pour réaliser des armes, des pièces utilitaires (haches, couteaux, …) ou de décoration.

Le contexte néolithique de l’apparition de la métallurgie

La métallurgie au néolithique cuivre bronze et fer.
La métallurgie au néolithique cuivre bronze et fer.

Au paléolithique, les hommes modernes (homo-sapiens) étaient chasseurs cueilleurs et se déplaçaient sans cesse, en petits groupes (10 à 30 individus environ), quelquefois sur de grands territoires (plusieurs centaines de kilomètres carrés), en fonction des saisons et du déplacement du gibier. Ils ne disposaient alors que de très peu d’objets matériels (pointes de silex, coquillages, …). La population mondiale était très faible (une dizaine de millions tout au plus) et ces petits groupes ne se rencontraient que très peu. Au néolithique (qui démarre 8500 ans avant notre ère au Proche-Orient), les hommes se sédentarisèrent très progressivement dans des villages (puis des villes), pratiquèrent l’agriculture (mil, sorgho, blé, riz, …) et l’élevage (moutons, vaches, cochons, …) et accumulèrent des biens matériels. Ce faisant, ils durent travailler la terre, couper les forêts (pour libérer des terres), stocker des surplus de grains pour les mauvaises années et se défendre contre des groupes rivaux qui pouvaient convoiter leurs terres ou leurs réserves de grain. Ils organisèrent une vie en société plus complexe avec des codes de loi (code d’ Hammurabi par exemple), des religions, une hiérarchie sociale puis des armées pour se défendre. L’homme maîtrise alors la réalisation d’outils en pierre taillées et polies (pour couper les arbres, travailler la terre, …) et d’ustensiles en céramique (plats, vases, …).

L’apparition de la métallurgie vers la fin du néolithique

La métallurgie n’apparaitra que très progressivement vers la fin du néolithique. La production d’objets en métal est en effet attestée dès le VIIIe millénaire au Proche-Orient et en Anatolie. Il s’agit de petits objets en cuivre réalisés par martelage à froid. La fusion du métal est plus tardive et n’est attestée jusqu’à présent qu’à la fin du VIe millénaire avant notre ère. L’apparition très progressive des objets en métal ne semble pas avoir produit de rupture fondamentale dans l’organisation de la société de l’époque, du moins au début …. Il faut avoir en effet à l’esprit que contrairement à notre époque moderne où de multiples technologies (télévision, smartphone, voitures) se sont répandues très vite (en quelques dizaines d’années), l’évolution des techniques au néolithique était très lente. La maîtrise de la métallurgie prit des centaines d’années. Les outils en métal (bronze, fer) remplaceront très progressivement les outils en pierre car ils sont moins fragiles, peuvent se réparer et peuvent se mettre en forme de manière plus souple que la pierre. Parmi les vestiges de la fin du néolithique, les préhistoriens trouvent toutes sortes d’objets en métal : des bijoux et des objets de décoration, des outils agricoles (haches, faucilles) et les premières armes. Il est assez communément admis que deux périodes de maitrise de la métallurgie se succédèrent ; l’âge du bronze (avec utilisation du cuivre pur dans un premier temps) et l’âge du fer. Les périodes historiques de ces différentes époques peuvent cependant énormément varier selon les zones géographiques.

C. J. Thomsen, inventeur des trois âges

Chronologie historique des différents âges en Europe occidentale et développement de la métallurgie.
Chronologie historique des différents âges en Europe occidentale et développement de la métallurgie.

En 1816, alors qu’il devait classer les antiquités nationales danoises, le chercheur danois C. J. Thomsen eut l’intuition, de l’emploi successif par l’humanité de la pierre, du bronze et du fer. Il énonça sa théorie des trois périodes préhistoriques — l’âge de la pierre, l’âge du bronze et l’âge du fer. L’âge des métaux (âge du bronze et âge du fer) a été depuis appelée protohistoire et s’intercale entre l’ère préhistorique et l’ère historique (faits relatés assez fiables liés à l’invention de l’écriture). Contrairement à la préhistoire où les artefacts humains sont très rares, la protohistoire est beaucoup plus riche en sites archéologiques et en objets (métaux, céramiques, constructions, pièces de monnaie, …) qui permettent de retracer de manière plus certaine le mode de vie des populations de l’époque.

Utilisation du cuivre, peu d’impact sur le mode de vie du néolithique

Pendant une grande partie du Néolithique, la métallurgie du cuivre cohabita avec les industries de la pierre taillée car le cuivre pur était un métal trop mou pour pouvoir s’imposer dans l’outillage et dans l’armement. À cette époque, d’autres métaux tels que l’or ou l’argent étaient aussi travaillés pour fabriquer des ornements, mais la production d’outils et d’armes demeurait principalement en pierre et en os. Recueilli en faibles quantités, le cuivre natif est martelé puis fondu et moulé à 1 000 °C environ, pour des pièces de taille modeste, comme des poignards à soie et alênes. Alors que les premiers objets en cuivre datent de 8700 av. J.-C. au Moyen-Orient, ou en Europe occidentale, l’âge du cuivre s’étend de 3 200 à 2 000 av. J.-C., suivant les régions. La faible incidence du cuivre sur les cultures néolithiques s’explique par le faible intérêt du cuivre pur par rapport à la pierre. Les historiens considèrent d’ailleurs en général que l’âge de pierre ne s’arrête véritablement qu’avec le démarrage de l’âge du bronze durant lequel le bronze a pu réellement remplacer très progressivement les outils en pierre.

L’âge du bronze, l’apport de l’industrie de la céramique

Evolution de la maitrise du bronze depuis la Mésopotamie jusqu'en Europe.
Evolution de la maitrise du bronze depuis la Mésopotamie jusqu’en Europe.

L’âge du bronze (alliage de cuivre et étain) s’étend sur une période de 2000 ans, de 3000 à 1000 avant notre ère environ, mais avec de grandes variations suivant les parties du monde. En Europe, la métallurgie du bronze ne se développe réellement qu’au cours du IIIe millénaire av. J.‑C et nécessite un savoir-faire parfait de l’art du feu, déjà acquis par les hommes du néolithique avec la cuisson de la céramique. Il existe d’ailleurs une parenté certaine entre le four du potier et le four du bronzier. Le bronze était maîtrisée beaucoup plus tôt en Mésopotamie (3700 ans avant notre ère) depuis laquelle il aurait lentement diffusé jusqu’en Europe.

Des artisans de plus en plus spécialisés

La métallurgie du bronze nécessite également des artisans, des mineurs, des forgerons ou des marchands qui exercent leur activité (du fait de la complexité) à plein temps. Il faut donc que d’autres personnes leur fournissent en échange subsistance et bientôt protection. Cela entraîne une spécialisation des sites de production alors que la métallurgie du cuivre se faisait généralement au sein de la famille élargie, d’un clan ou d’un village uniquement. Ce nouveau métal, dont la couleur évoque l’or, permet la fabrication d’armes, de parures, d’outils, d’objets de prestige ou rituels. L’orfèvrerie, parfaitement maîtrisée, est réservée à des objets prestigieux ou rituels.

Un métal de composition très variable

Analyse de haches en cuivre en Irlande.
Analyse de haches en cuivre en Irlande.

Les objets métalliques en cuivre et en bronze retrouvés ont une composition très variable et une teneur en impuretés (arsenic, antimoine, argent, nickel, plomb, …) divers liés sans doute à des qualités du minerai très inégales et des pratiques métallurgiques ou des modes de coulée différentes. Ces teneurs en arsenic ou en antimoine spécifiques permettent d’ailleurs aux spécialistes de préciser la zone de production. L’utilisation préférentielle d’un cuivre riche en arsenic pendant de longues périodes indique probablement qu’il était reconnu comme facile à produire et à façonner. En effet, si la teneur en arsenic sert à diminuer la température de fusion et à réduire la viscosité, elle a aussi pour effet d’être un désoxydant performant lors du moulage.

L’extraction minière du cuivre grâce à l’abattage par le feu

Les minerais de cuivre sont généralement distribués au sein de filons de quartz centimétriques inclus dans des roches de type dolomitiques particulièrement résistantes. Cela rend difficile leur exploitation à l’aide uniquement de maillets de pierre. Des analyses d’ancienne mines de cuivre ont révélés que les hommes du néolithiques pratiquaient l’abattage par le feu (utilisé jusqu’au moyen âge) qui consistait à creuser des chambres puis à les bourrer d’une grande quantité de bois ensuite mise à feu. La température atteinte (autour de 400°C) fragilisait la roche et la fissurait et l’extraction du minerai était complétée par la percussion avec des maillets en pierre. La roche était sortie à l’extérieur, puis broyée et nettoyée avec de l’eau. Cette exploitation à 10 ou 20 mètres de profondeur nécessitait une infrastructure sociale conséquente (alimentation en bois, creusement des galeries, éclairage, aération des galeries après l’abattage, treuil pour la remontée de la roche, …).

Mine de cuivre protohistorique - France.
Mine de cuivre protohistorique – France.

Un fort impact de l’âge du bronze sur l’organisation sociale

La métallurgie du bronze semble avoir eu de nombreux impacts sur le mode de vie des populations. Les historiens constatent, semble-t-il, une montée progressive de l’insécurité à cette époque liée à la production de richesses et d’armes (qui nécessitent la sécurisation des mines et des routes de transports) et la construction de places fortes. Cette période du néolithique se traduisit également par l’émergence d’une aristocratie guerrière avec l’introduction de biens de prestige (poignards/épées, lances, ornements, gobelets de métal, …) et l’apparition de « tombes princières » où de nombreux objets en métal sont retrouvés.

Un changement dans la vision du monde

Au-delà des changements d’ordre sociaux, ce nouveau métal doré aurait, d’après les protohistoriens, profondément influencé le mode de pensée de l’époque et provoqué une révolution cognitive. La transformation d’une roche jusque-là inutilisable, la production d’une nouvelle matière première inépuisable qui peut être refondue et recyclée (après avoir été endommagée), sont autant d’éléments qui ont pu modifier la vision que l’homme de l’époque avait des forces naturelles. On retrouve un indice de ce changement sur les stèles qui représentent des êtres humains accompagnés d’objets marqueurs d’un statut particulier. Ce sont souvent des armes qui sont probablement dans de nombreux cas en cuivre. Cette modification dans la vision du monde au néolithique est à rapprocher de la modification de notre perception actuelle de la finitude des ressources (minerai, bois, …) lié au concept de développement durable.

Le transport de lingots de bronze à longue distance

Alors que la première métallurgie du cuivre pur ne s’est développée que dans les zones disposant de gisements de cuivre, l’âge du bronze se développe dans des régions dépourvues de minerais de cuivre ou d’étain avec des échanges de matériaux sur de grandes distances. De plus, les mines d’étain sont beaucoup plus dispersées et souvent éloignés des mines de cuivre. De la zone d’extraction au produit fini, il peut y avoir alors plusieurs centaines voire des milliers de kilomètres de distance. L’âge du Bronze voit pour la première fois dans l’histoire l’instauration de liens politiques à longue distance et le développement de déplacements et d’échanges (matière première et produits finis) organisés entre des noyaux urbains, qui génèrent une demande constante en matières premières, et des périphéries demandeuses d’objets précieux et de savoirs. À partir des centres de production métallurgiques, des lingots de bronze sont distribués à travers toute l’Europe par centaines de milliers, créant de vastes réseaux d’échanges et propageant peu à peu les techniques de la métallurgie et la connaissance au sens large. Car si c’est bien le développement du bronze qui pousse aux échanges à longues distances entre les communautés, on peut raisonnablement penser que ces échanges ne se limitaient pas à des lingots mais pouvaient inclure des échanges de techniques de tissage, de poterie, de construction, de méthodes agricoles ou d’élevage. On peut penser également que les commerçants chargés de transporter de la marchandise sur de longues distances purent acquérir des compétences linguistiques et géographiques importantes et élargir ainsi leurs connaissances du monde. Certains historiens montrent également qu’il s’est produit une augmentation des déplacements lointains pour certains groupes de l’élite dirigeante (guerriers, commerçants, …, métallurgistes).

L’âge du fer

L’âge du fer débute vers 1100 av. J.-C. dans le monde méditerranéen, vers 800 à 700 av. J.-C. dans le nord de l’Europe et vers 1000 av. J.-C. en Afrique. La métallurgie du fer nécessite une température plus élevée (1500°C pour être réduit) que celle du bronze, atteignable grâce à l’évolution technologique des fours. Au niveau social, l’âge de fer se caractérise notamment par un renforcement de la domination des chefs de guerre en lien avec le développement de nouvelles armes (remplacement de l’armement en bronze par des armes de fer, plus percutantes) ; l’augmentation des rendements agricoles avec la fabrication d’instruments en fer (araire et charrue pourvues d’un soc, hache plus efficaces que celles en pierre qui permet de défricher plus largement les terres arables, faux et faucilles) favorisant l’extension des défrichements et enfin l’essor démographique.

La fin de l’âge de fer, vers une organisation pré-étatique

objets et armes en fer trouvés dans une tombe mérovingienne.
objets et armes en fer trouvés dans une tombe mérovingienne.

Cette force de travail accrue par des outils en fer permet de sortir des travailleurs de la production agricole et de l’élevage et de les utiliser dans l’artisanat et des activités non productrices (commerce, activités rituelles, armée, administration, …) beaucoup plus largement que précédemment. Dans la Gaulle, la fin de l’âge du fer voit apparaître des organisations pré-étatiques (les oppida). Cette expansion urbaine, alliée à la spécialisation de certaines activités, ont été rendues possibles par le commerce des excédents agricoles, qui s’observe à travers la multiplication des structures de stockage (greniers, silos). Des élites intellectuelles purent aussi se développer : la formation des druides prenait ainsi une vingtaine d’années selon Jules César (La Guerre des Gaules).

Le fer météoritique, utilisé avant même l’âge du fer

La première source de fer à avoir été utilisée par l’homme est le fer contenu dans les météorites. Si les quantités sont très réduites, ce fer est la seule source de métal à l’état natif sur terre (donc sans travail métallurgique complexe) et il est facilement accessible (sans creusement de mines). Il est de plus souvent allié à du nickel (et du cobalt dans certains cas), ce qui lui confère d’excellentes propriétés mécaniques. Le fer météorique était déjà travaillé avant le début de l’âge du fer pour fabriquer des objets rituels, des outils et des armes. Les plus anciens objets fabriqués en fer météorique datent d’il y a près de 6 000 ans. Les Inuits ont ainsi fabriqués de petits outils (lames de couteau, pointes de harpon, …) par martelage à froid pendant des siècles en exploitant des fragments de la météorite du cap York tombé au Groenland (masse totale estimée à 58,2 t) et composée de 92 % de fer et de 8 % de nickel (traces de germanium, gallium et iridium). Si l’utilisation du fer météoritique est resté anecdotique en volume, il permit néanmoins de faire connaître (par les échanges) ce métal bien avant son utilisation (à partir de minerai) à plus grande échelle pendant l’âge de fer.

Les premiers bas fourneaux

Le premier outil de réduction du minerai de fer utilisé a été le bas fourneau au début de l’âge de fer. Dans sa forme la plus primitive, le bas fourneau est un trou dans le sol d’environ 30 cm de diamètre, rempli de charbon de bois et de minerai. Le feu est généralement attisé au moyen d’un soufflet. Au bout d’une dizaine d’heures, on démolit le four et on récupère une loupe incandescente, de la taille du poing mélange hétérogène de fer plus ou moins réduit et de scories. Bien que la température atteinte, entre 700 et 900 °C, y soit suffisante pour la réduction du minerai de fer, on est encore loin de la température de fusion du fer (1 535 °C).

Le bas fourneau surélevé pour des pièces forgées

Puis, peu à peu, les métallurgistes ont surélevé la construction et l’ont doté d’une ouverture latérale à sa base pour faciliter l’alimentation en air. Une courte cheminée facilitera le rechargement du four pendant son fonctionnement, tout en activant le tirage. Des températures de 1 000 à 1 200 °C sont ainsi atteintes et les scories, devenues liquides, peuvent être extraites par l’ouverture. La teneur en fer de ces scories (le laitier), diminue lorsque la température augmente. On attise alors le feu en renforçant le tirage naturel par augmentation de la hauteur en adossant, par exemple, la construction à un talus. De même, des soufflets permettent une alimentation en air plus efficace et mieux contrôlée. Ces « fourneaux à tirage naturel » et « à soufflets » produisent une loupe pesant de quelques kilogrammes à plusieurs centaines de kilogrammes à l’issue d’une campagne de 4 à 20 heures. Cette loupe est immédiatement débarrassée des morceaux de charbon et du laitier par un cinglage alterné avec plusieurs réchauffages, et finalement forgée pour obtenir les objets souhaités.

Invention du haut fourneau en Chine pour réaliser des pièces moulées

Les Chinois commencent à faire fondre le fer dès le Ve siècle avant notre ère (période des Royaumes combattants). Les outils agricoles et les armes en fonte deviennent alors très répandus, tandis que les fondeurs du IIIe siècle av. J.-C. emploient des équipes de plus de deux cents hommes. Le fer, issu d’une loupe obtenue au bas fourneau, est alors fondu dans des fours assez semblables au cubilot. Lorsque le fer chaud entre au contact avec le charbon de bois, il absorbe le carbone contenu dans le combustible jusqu’à s’en saturer. On obtient alors de la fonte, plus facile à fondre que le fer, homogène et débarrassée des impuretés présentes dans la loupe. Les européens ne maitriseront cette technologie du haut fourneau qu’au XIV siècle et ne produiront au néolithique que des pièces en fer forgé et non pas par moulage, contrairement aux Chinois.

Les technologies de transformation maîtrisées au néolithique

En Europe, diverses technologies ont été maîtrisées par l’homme pour mettre en forme des objets en laiton (ou en fer). On peut citer le martelage à froid, la forge à chaud, mais également la fonderie en cire perdue pour des objets de forme plus complexe (manches de poignards ou d’épées, statuettes, bijoux, objets rituels) ou enfin le moulage en moule permanent pour les objets de série de forme simple. En effet, au néolithique, des petits objets (pointes de flèches, anneaux, …) en laiton étaient réalisés assez couramment par moulage dans des moules en pierre en deux parties (alors réutilisables).

La diminution constante du prix du fer au néolithique

Si l’on en croit un texte akkadien du XIXe siècle avant notre ère, le fer coûtait alors huit fois plus cher que l’or. Au XIVe siècle av. J.-C., un document comptable précise que 23 sicles (ancienne unité de poids) d’argent sont équivalents à 12 sicles de fer. Au VIIe siècle avant notre ère, en Grèce, le prix de 2 kg de fer ne vaut plus que celui d’un gramme d’argent. De nos jours, un gramme d’argent (0,50 €/g) vaut 5 fois plus qu’un kilo de fer (0,10 €/kg environ avant transformation). A la fin du néolithique, si le fer est alors devenu un matériau utilitaire avec une multiplication des armes fabriquées, ces dernières n’en restent cependant pas moins encore très coûteuses. Ainsi, une épée mérovingienne classique coutait encore le prix de 7 à 20 vaches.

Les quantités de fer produites au néolithique

On estime à la fin du néolithique (1er siècle avant notre ère) qu’en Europe, l’empire romain aurait produit 54 000 t/an de fer pour une population de 30 millions d’habitants environ, soit près de 1,8 kg/an et par personne. A titre de comparaison, l’union européenne en 2017 produisait 168 millions de tonnes d’acier/an pour une population de 511 millions d’habitants, soit 180 kg/an et par personne. On utilise donc 100 fois plus de fer par personne de nos jours qu’à la fin du néolithique.

Les découvertes métallurgiques selon les zones géographiques

Certaines régions n’ont jamais connu d’âge du fer tout en connaissant très tôt certaines caractéristiques d’un développement social ou technique important. C’est le cas par exemple des civilisations précolombiennes qui connurent uniquement une métallurgie de l’or et du cuivre jusqu’à la conquête espagnole. L’Afrique, au contraire, n’a pas connu d’âge du bronze, mais directement celui du fer. La métallurgie du cuivre et du bronze (Ife, Benin…) y est en effet très postérieure. Ceci peut s’expliquer par le fait qu’à cette époque, les contacts et échanges s’effectuaient essentiellement par voie terrestre. Ainsi, les contacts entre les différents blocs continentaux étaient quasi-inexistants et les évolutions techniques s’y produisaient de manière séparée.

La métallurgie après le néolithique

Après le néolithique, la métallurgie continuera d’évoluer et les quantités d’objets produits ne cesseront pas d’augmenter. En particulier, les outils en pierre disparaitront au profit du fer, de la fonte et de l’acier qui, bien qu’encore de basse qualité, deviendront d’usage courant. La pierre continuera d’être utilisée pour la construction (maison, ponts, …). Ce n’est cependant véritablement qu’avec la révolution industrielle, le développement de la démarche scientifique et des moyens de mesure (composition chimique, microstructure, dureté, …) que la métallurgie connaitra un essor considérable. Dans certains secteurs, l’acier en viendra à remplacer la pierre (ponts, construction d’usines, …) ou le bois (construction navale, mobilier intérieur, …). Certaines métallurgies (aluminium, zinc, …) apparaitront tardivement car nécessitant de l’électricité pour leur production par électrolyse. D’autres (titane, …) verront leur usages liés au développement d’industries spécifiques (aéronautique, médical). De nombreux procédés de transformations (moulage sable, fonderie sous pression, moulage en coquille, MIM, centrifugation, …) ou d’assemblage (soudage, collage, FSW, …) deviendront disponibles pour s’adapter au poids des pièces ou aux séries et réaliser des sous ensemble complexes. Enfin, plus récemment, des outils numériques (calcul de structure, simulation numériques, bases de données sur les matériaux) deviendront disponibles pour prédire et optimiser le comportement des alliages et des pièces avant même leur production.

2 commentaires

  1. Paul Dos Reis says

    Merci pour cet article très intéressant qui démontre l’extrême ingéniosité de nos ancêtres qui ont développé des techniques surprenantes avec si peu de moyens !

    • Le métallonaute
      Le métallonaute says

      Bonjour Paul et merci de votre intérêt pour cet article sur la métallurgie « protohistorique ». En effet, c’est toujours surprenant de constater la maitrise (relative) des technologies à cette époque avec très peu de moyens mais également avec aucune connaissance des mécanismes fondamentaux (Tliquidus, intervalle de solidification, composition chimique, caractéristiques mécaniques, dureté, …). N’oublions pas cependant qu’ils avaient un QI équivalent au notre, qu’il devait donc y avoir aussi d’excellents « bidouilleurs » parmi eux et que cette maitrise relative à pris quelques siècles.

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