锋利的极限——几何视角

court0

摘要: 实验证明，当刀具的切割动作无法进行“剃式推切”而只能通过“往复锯切”来完成时,无论往复锯切的感觉多么好,都表明此时刀具的锋利度明显下降了，刀具的不当打磨以及工作使用，在刃缘上形成的微观变形或剥落扩大了刃缘宽度，从而降低了刀具的实用锋利度；而那些交错的微观变形有时被称为毛刺或微齿，对于它们是否如传说中“能提高锋利度”的实验证明，历史上也从未真正出现过；锋利的极限在几何学观点上，取决于刃缘的宽度、刃缘的平坦度，进而打磨的微观技术，这有力地驳斥了“微齿有利”的错觉。

关键词：刀；微观锋利；刃缘宽度；刃缘平坦度


（注：1、本文中所有的图片中都有一根线，那条线代表的是长度为10微米比例尺；2、文中有关于大马士革钢的论断来自国际顶尖的资深大马和乌兹钢科学家；3、文中的刀刃打磨是由世界顶级的研磨专家通过机械或手工完成，达到当前人类刀具打磨技术极限；4、除剃刀以外其余刀具均为单侧20度对称打磨，即刃缘角度为40度。）


下图为必要的直观图，三张用电子显微镜扫描下来的全新不锈钢剃刀刀片（硬度为HRC60）的刃缘实物图片，比例为10微米。如果一把不太厚的刀子在不太大的开锋角度下能够避免打磨过程中出现的刃缘卷曲或其它情况的破坏，那么它就达到了锋利的极限。但它的极限刃缘是多宽呢？无穷小吗？

[ 本帖最后由 court0 于 2006-8-21 15:29 编辑 ]

court0

古时世上为何有锯子与斧子?套用古话可以解释为“力所不及也”。谁力所不及？人。用什么力所不及？刀。锯子的切削方案是通过纵向拉力与横向压力的综合完成渐进的切入，斧子的切削方案是通过助力加速度形成更深的切入，形态上，锯子为横向交错刃且总体足够长，而斧子为大角度刃且重量足够大，它们都弥补了刀的功用不足，本质上是刀具形态与功能的拓延。

伐木工人用的斧子与木匠用的斧子最大的区别在哪里？对了，斧子的开锋方案不同。前者所用为对称开锋的斧子，后者所用斧子为单面开锋（即斧刃的一面是平的，而另一面是斜的，通常也称之为凿式开锋、偏锋）。原因何在？伐木工的目标是尽快把木头砍断，而木匠的目标在于快速把木材砍出一个基本平面。这里面包含了一条隐性知识，从业人员往往体会更深：如何尽量省力同时耗时最少以达成目标（我称之为HEHE, High Effectiveness with High Efficiency）。

先来粗看手工木匠活儿的一段业务流程。为了各部件铆接成为一个器具，木匠首先需要按体积、面积将原料锯成段状和面状，接着将粗糙的原木外层表面用斧子修平，再用刨子找平，然后用凿子挖出铆口与铆头，最后合成器具。木匠所用的锯子、斧子、刨子、凿子均为偏锋（也就是上面所说的单面开锋），它们是隐性知识的成果，目标为HEHE。简单举个例子。刨子的刀片是45度角（左右）偏锋，而刀片又以45度角（左右）被固定在刨子里，工作的目的在于尽快将材料找平，同时木匠要尽量省力，此即为刨子这样一个工具系统被发明和运用的内在约束条件。同样的道理发生在木工锯子和木工斧子身上，如果足够仔细，我们甚至会发现木匠用凿子挖孔时也并不是垂直地敲击凿柄，而是斜敲。以上工具的运用过程中，在省力的前提下，刃口着力点与施力方向最大程度地吻合了，原因归根到底指向了HEHE，切割方案决定开锋方案。

我们现在反过来看。如果一把刀，一把折刀或一把直刀，无论它是否战术的，被施以偏锋开刃，它能否达到HEHE的要求呢？这取决于目标与流程。根据上述段落的分析，我们容易得出结论：对于非专业类刀具，单面的开锋方案并不符合通常的切割方案。况且在切割中，偏锋造成了手柄握力支点与刃口着力点的扭曲，在重度使用中这又是危险的，而刀刃的破裂则随着刃口受力的扭曲变得相当明显。

偏锋的支持者也许会说：偏锋更锋利啊！的确如此，但有条件。众所周知（也有人不知），同样的侧面开刃角度a，单面开锋与双面开锋相比，前者为a而后者为2a，此时自然是单面开锋更加锋利。只不过，如果后者的侧面开刃角度降为a/2时，那么它的刃角也就成了a，此时前者与后者同等锋利。只不过，由于刚才（上一段文字）所说的切割方案的原因，在通常的使用过程中偏锋的刃口所受破坏将远远多于对称的双面开锋，毕竟，我们使用刀子时不可能总像木匠们那样能做到“平面贴切、力点一致”。

说到这里，才要将行文引向主题了：锋利有极限。

[ 本帖最后由 court0 于 2006-8-21 14:24 编辑 ]

court0

文中第一部分中已经定义了非专业刀具采用偏锋的不实用性。事实上，刃口最边缘（刃缘）的保持从力的几何分解来看，将受到来自外部的正面对立的压力、侧面的压力、某一侧钢材的拉力、另一侧钢材支撑力（它们统称为4F），而各向力的失衡将破坏刃口最边缘的部分，从统计学角度可得出偏锋不适合非专业刀具的受力特征这一结论（即便是专业刀具，例如木工切具，机床切具等也必须符合稳定着力点与受力方向一致的要求），除此，我们亦可在手持刀具类的范畴中将偏锋之利视为“不实用的锋利”。

然而，上述的“锋利”却并非本文重点，锋利一词，多为主观，为避免这一点，本文尽量不涉及诸如吹毛断发、风雷一击、削金断玉之类。求客观故，首先定义两个关键词：“锋利”和“微观锋利”。

1、锋利：刃口薄的程度。
可能有人会说，用60度角对称打磨和用15度角对称打磨，两种方法交汇出来的刃缘难道不都是一条极细的边线吗，难道不都是可以趋向于纳米级吗？理论上的确如此，但由于它们刃角不一样，导致了切入时所受到的4F不同，亦即，锋利的程度并不一样。况且，就刃缘本身的锋利度（即刃缘本身的宽度，EW，Edge Width）来看，它也并非我们通常理解的一条极细的边线。有后话为证。

2、微观锋利：除了下表（表1）所示的角度经验值反映了锋利的实用范围，这里要说的主要指刃缘的宽度（EW，如图1），亦即，开锋角度只是锋利的必要条件，而不是“微观锋利”的充分条件。如果把开锋角度看作粗磨，那么刃缘的宽度便是细磨的结果，在刀具的一定厚度和开锋角度前提下，刃缘的宽度便是此刀“微观锋利”的决定性要素，而这恰恰是主题“锋利的极限”所关心的问题。

[ 本帖最后由 court0 于 2006-8-21 14:26 编辑 ]

court0

1、220目的极限

[ 本帖最后由 court0 于 2006-8-21 14:28 编辑 ]

court0

2、600目的极限

[ 本帖最后由 court0 于 2006-8-21 14:29 编辑 ]

court0

3、1000目的极限

[ 本帖最后由 court0 于 2006-8-21 14:30 编辑 ]

court0

4、1000目极限的崩溃

下图一张为用1微米及5微米颗粒对1000目极限的修理结果，事实上，正好适得其反；另一张为到达极限后用1000目条石一边各多修了七次的后果。

[ 本帖最后由 court0 于 2006-8-21 14:33 编辑 ]

court0

5、6000目的极限

[ 本帖最后由 court0 于 2006-8-21 14:44 编辑 ]

court0

6、剃刀是极限吗?

[ 本帖最后由 court0 于 2006-8-21 14:46 编辑 ]

court0

7、碳钢与大马的极限

[ 本帖最后由 court0 于 2006-8-21 14:49 编辑 ]

court0

8、实验解释

上述诸图片，除了注明为碳钢和大马钢的，其余均为不锈钢，当然，均经过了良好热处理。

打磨不当以及在使用过程中，不锈钢一样可以形成微齿，它们其实是由刃缘毛刺或物理剥落造成的，而有些不锈钢（比如154CM）更容易刃缘脱落，非常明显地扩大刃缘宽度，从而在刀具使用中产生切口打滑效应，显然这种情况比微齿的微观锋利度更差。

因此，微观锋利可分为自上而下的三个等级：无毛刺或剥落；有毛刺无大面积剥落；大面积剥落。很显然，分级的依据是刃缘的宽度自小而大。在逻辑上，从最高级的微观锋利逐渐下降的过程中，刃缘的平坦程度也在下降，两者的变化共同使刀变钝。

由于使用的常态便是刀具的第二级微观锋利状态，即有毛刺而无大面积剥落，所以一把刀在使用过程中能够尽量的保持微齿而避免刃缘剥落的话那么它的锋利持久度在宏观上便是非常优秀的。但我们却不能混淆概念，认为微齿的锋利度高于平滑的刃缘锋利度，事实正好相反。而我们通常认为平滑的不锋利的刃口在微观上却呈现出刃缘大面积剥落。一切的一切，都是刃缘宽度和刃缘线的平坦程度来决定刀具的微观锋利程度。

对于实验反映出来的现象，我们清楚地知道，一把刀的微观锋利决定了它的锋利极限，但这只是理论上的。因为，现实的使用让刀具必须面对4F，此时刀具钢材的考验、热处理的考验才真正开始，大多数的刀会迅速的失去它们的刃缘平坦度，更有甚者其刃缘会大面积剥落，为了避免这些微观的最重要的特征损失，世界上最尖端的刀具钢材研发机构和热处理专家们始终致力于让一把刀的微结构更致密和均匀，例如解决铬的反淬透性问题、钒钼钴等添加剂帮助颗粒细化、分段热处理使针状结构指向一致，等等等等。

另外，随着钢材中碳含量的急剧提升，我们通常所用来界定不锈钢与碳钢的概念也早已经失效和过时。此时，老概念及其物理限定已经不再重要，真正重要的是新事物本身在哪些方面产生改进或突破。例如通常被我们称为不锈钢的S30V，由于微观实验证明了它在HRC60以上会产生大面积刃缘剥落，这引导了业界普遍将其热处理最终硬度定位于HRC59以下，而并没有去追究高含碳量与无微齿的悖论。同样的道理，经典纯碳钢与大马士革钢的微观锋利极限实验也证明了光靠经验做事恰恰是上一代人不如新一代人的原因，新一代人的利器在于创新，这是历史上的任何时代都无法比拟的。


既然已经被你们占了位了，那就不往下写了，接下去的第四、第五部分是高碳合金钢与碳钢及大马钢的对比以及一些共享资料，大家自己去想想吧。最后感谢Leonard、 Juranitch、 Sackman、Verhoeven、Kiesler、Kirby等人的实验报告和图片，本文文字总体上是court0原创，基于科学的实验结论。

[ 本帖最后由 court0 于 2006-8-21 15:35 编辑 ]

grf198701

看了好几遍 的确受教了
炭钢跟大马的极限只能到这里了？看起来还不如220目的极限呢 是不是跟它爱氧化导致脱落有关系？
那个6000目镗过的真牛



为这一帖我挨了不少骂
以后凡看见标记“占位”的帖子打死我都不回啦
我不活啦我:(

[ 本帖最后由 grf198701 于 2006-8-21 23:05 编辑 ]

死肥不肥

原帖由 grf198701 于 2006-8-21 14:24 发表
老大介似要干嘛？

楼上的讨厌，每次都捣乱.不招人喜欢.

cloneyagami

与被切割对象也有关系吧
C版占了好多位啊

grf198701

原帖由 死肥不肥 于 2006-8-21 14:25 发表

楼上的讨厌，每次都捣乱.不招人喜欢.

小弟知道错啦 您教训的是....
对不起 小弟下次一定注意

[ 本帖最后由 grf198701 于 2006-8-21 23:06 编辑 ]

xpy220

专业帖啊，要认真看几遍才有体会！！

百年巴克

好帖子,学习了!

jedi

等待下文`

硬主

微锯齿理论要被推翻了吗

胖大厨

文中形成的微齿和有规律的整齐开锋的微齿有很大的差别~~~刃缘的宽度、刃缘的平坦度在在原厂一般齿刃上还是有体现的......其实越薄越锋利是肯定的,只是如何尽可能长时间的保持锋利是让制造者头疼的......

[ 本帖最后由 胖大厨 于 2006-8-21 15:42 编辑 ]