科普：古代刀匠在月黑风高夜里的勾当

duckbillclinton

每天都写同一帖子，未免枯燥，今天就换个题目，试一下快速写两句…… 占了 5 楼，可能多了。

言归正传，话说国内传统刀剑论坛和网站对中国和日本的古代制刀、造剑工艺都十分推崇，而且对于制程的细节都描述得非常生动，尤其是讲到刀剑最后的热处理，更是神秘万分， 必定有个感人的故事，不过多有雷同……

无非是什么某某某，天下无双的刀匠，选个月黑风高的 XX 夜，干柴烈火，前推后鼓，噼噼啪啪，嘿咻嘿咻，火眼金睛，激战大半夜，兴致正酣……  忽地，猛然抽出一大根，面部表情突兀，大喝一声，“嘿”，俯身迅速插入那满满是水的穴中，尽根而入，“呲……”，轻搅几下，徐徐抽出……  低头一看，“欧？……  …… 冶！  欧冶！” 硬鸟，硬鸟！ 翘鸟，翘鸟！ 然后…… 就没有然后了。


全贴完， 拜拜！    {:5_161:}










开玩笑啦{:5_184:}，其实说到古刀剑，确实是经常有提到古代刀匠会在伸手不见五指的黑夜里完成最重要的步骤—— 淬火，但为什么会选在黑暗里进行呢？ 难道有什么东西我们在白天见不到？……  事实确实是这样。

今夜，笔者在这里就尝试一下，作个解释，难免多有错漏，请各位多加指正。具体细节，还是再次借用国外论坛大神们的贴图来进行说解吧。

1. 下图是一把制作完成的刀胚，在炉子里烧得通红，一段时间后略带橙色，于是拿出，在黑暗中静置；


2. 由于刀尖较薄，由图 1 开始，就已经开始冷却，颜色变暗。刀茎位置也是同理，（因为较窄，储存的热量也较低），不过比刀尖冷却得慢点。刀背因为是最厚的，所以还是处于高温，颜色光亮；


3. 上面的冷却过程继续进行，按理说，再过很短的时间，全刀就应该冷却成下图的样子 （注意，图里的标签是 8）……


可事实却不是这样 （看下图， 正确的标签 3）；

duckbillclinton

4. 冷却继续，此时最厚的刀背及中央部分仍然光亮，但刀两头异常的光斑却在扩大追逐着开头冷却变暗的部分，形成了一个大圈圈；


5. 继续，亮斑形成的圈圈开始变小，刀的外围也变得更亮；


6. 圈圈越来越小，刀尖的黑暗部分逐渐扩大，表明刀尖已经再次逐渐冷却；


7. 圈圈合拢，刀背形成一个半圆的低温区；


8. 忽然，刚才刀背的那个半圆暗黑区域消失了，整个刀背变得光亮，显示刀背变热了。与此同时，刀尖，刀茎和刀尾部分因为冷却的关系，变成暗黑了；


9.  10.  11.  冷却在延续，再没有新的亮斑生成了，刀胚慢慢变暗，逐渐消失在黑暗中；




* 上面这十一幅图，每帧的间隔是五秒…… 在这短短的，少于一分钟的时间里，我们见证了钢材极其特殊的，微结晶凝固过程中的 再辉现象。

这种现象速度之快，及由于白天可见光的干扰导致的钢材表面颜色变化不明显，令我们不得不在黑暗中进行观察。

duckbillclinton

再辉现象的成因是什么？

要解释这个，专业人士可以写得很复杂，笔者不是冶金、材料专业出身的，所以就简单说点吧。

古代的冶金技术是相对原始、简单的，刀剑主体的成分就是碳钢。当刀匠把刀胚锻打完成后，会让它在常温中慢慢冷却，所以在热处理之前，刀体碳钢内的晶体组织主要就是珠光体。在进行热处理时，刀胚在炉子里被慢慢地加热，达到一定的温度后，钢体里的珠光体开始向奥氏体转变（即开始进入临界温度的下限）。此时，继续加热，钢体内余下的的珠光体也逐渐转变成奥氏体，当钢体内所有的珠光体都完全转化成奥氏体时，钢体达到了临界温度的上限。

在上述过程中，珠光体转变成奥氏体的相变，是需要吸收能量的，这种现象叫相变吸热或 退辉。假设炉子提供的热量值是恒定值，钢体由常温开始加热，则其温度的升幅值也是恒定的。可是当钢体温度上升到临界温度的下限时，珠光体产生相变，转为奥氏体，钢体需要吸入额外的热量以满足这种变化。此时，钢体温度的升幅会骤减，甚至变成零，总体温度停滞不前。当钢体内大部分珠光体转变成奥氏体的相变完成时，钢体温度的升幅才会重新回到恒定值，即总体温度回复上升。


在前面转载的十一幅图片里所展示的过程，其实就是上面描述的反转版本。

原图 1，为刚出炉的碳钢刀胚，其仍处于高温，即纯奥氏体状态。

原图 2，由于刀尖、刀茎、刀尾较薄细，所以其温度下降得快，颜色迅速变暗。

原图 3，当温度进一步下降时，刀尖、刀茎、刀尾位置首先达到了临界温度上限，顺理成章地，里面的奥氏体开始转变成珠光体。这个过程会导致相变潜热的释放，又称 再辉（即之前钢体在加热过程中，珠光体转变成奥氏体时吸走的额外热量，现在被释放归还，这是能量守恒的一个非常好的例子），从而导致这些部位回温，出现亮斑。

原图 4 - 7，由于刀背比较厚，降温较慢 (尚未达到临界温度)，所以刀尖、刀尾部分的回温亮斑对其产生了围攻之势，形成了半圈状。

原图 8，当刀背也降到临界温度上限时，相变潜热的释放令整个刀背变得光亮。

原图 9 - 11，当刀背里余下的奥氏体的相变完成后，临界温度下限已经达到，刀胚以恒定幅度继续
冷却，逐渐变暗，消失在黑夜中。

duckbillclinton

那古代的淬火工艺又与上述的再辉现象有什么关系呢？

首先，说一下钢材淬火的简化版定义，即：

将钢材加热到临界温度以上，保温一段时间，使之全部或部分奥氏体化，然后以大于临界冷却速度的冷速，快冷到马氏体生成温度以下，进行马氏体转变的热处理工艺。再简单通俗点，就是将钢材加热至高温（令钢体完全转变成奥氏体状态），用介质，例如：水，将其急速冷却，从而使钢体变得坚硬（奥氏体直接转变成马氏体）。

经验告诉我们，如果钢材以很高的温度来水淬是会产生淬裂的，所以钢材是不可能被无节制地加热淬火。  另一方面，淬火温度也不能太低，不然就会达不到机械性能的要求。根据上面的钢材淬火定义，最佳的淬火温度应该是略高于临界温度就可以了。那我们如何才能获得略高于钢材临界温度的淬火温度呢？

细心的刀友在看完我在前一楼对刀胚的加热和 11 幅插图的解释之后，大概已经猜到方法。其实钢材的慢速加热和慢速冷却，其微观结构的变化、热量的吸收释放、及外表的颜色变化是一致的，只不过加热的过程是冷却的反过程。

各位都有留意到我贴出的 11 幅插图中慢速冷却的刀胚经历了钢材临界温度的上限和下限，其变化在黑暗中清晰可见。换言之，只凭看刀胚表面的亮斑及暗影的变化和移动，我们可以迅速地知道钢体是处在临界温度之上（图 1，2），之中（图 3 - 8），还是之下（图 9 - 11）。

回到主题，古代的刀匠在白天锻打好刀胚之后，会先让其在空气中慢慢冷却（正火）或者塞入草木灰中退火，这是为了晚上的淬火作准备。夜幕降临之后，刀匠升炉，适当调整炉火至不快不慢，之后将刀胚塞入燃烧的木碳中，令其匀速升温，缓缓加热，然后细心观察仍少量露出的刀尾、刀茎部分的颜色变化，这些部分随着温度的升高，颜色逐渐由暗红色转至红色，钢的亮度同时也逐渐增加……  忽然，刀茎、刀尾部分出现了一道不容易察觉的暗影，接着变宽了一点点，在之后的一段很短的时间内，暗影匀速移动着，又逐渐消失了，此时的钢体已经带着亮红色，刀匠稍稍等了一下，将刀胚取出，然后放入冷水中淬火……   大功告成！       （后面当然还要回一下火。）

上面提到的暗影的出现，是因为钢体被加热到了临界温度的下限，此时一部分珠光体开始向奥氏体转换，需要更多热能，导致钢体表面出现温度的不均匀，视觉上可以观察到的就是温度较低的区域呈暗影状，即退辉效应。顾名思义……望文生义…… 退辉，就是光辉退却的意思啊。（同理，大家应该理解为什么还有个 再辉 效应。）

暗影的移动，是因为刀体有厚薄长短，在炉内加热时，不同的点加热的速度有不同。 暗影的消失，则是刀体大致已经达到了临界温度的上限，但要确定全刀的钢体内外都基本转至奥氏体，还是要多等一下，之后才可以淬火。


至于为什么我写此贴时要兜个大弯，只有钢材冷却的图片而没有加热的图片…… 引用国外高手的原话，是因为拍摄炉内加热钢材的系列图片实在太难了，炉火一直在闪动，在相同间隔的时间里拍到好的照片基本不可能，所以只能拍刀胚冷却的过程来让各位把原理搞清。  之后，逆向思维就可以把淬火过程也弄明白了。



完{:5_169:}

duckbillclinton

补充说明一点，其实钢材的加热和冷却的临界温度是有差异的，加热时珠光体转变成奥氏体的相变温度高于冷却时奥氏体转变回珠光体的相变温度。所以，假如您淬火采用的是观察钢材冷却时颜色光影变化的话，不好意思，温度太低了，您必须要用观察钢材加热时色、影变化来决定淬火温度。

另外再补充更正一点，传统的淬火方法，在钢材加热过程中，刀匠其实会从炉中反复抽出刀胚来观察颜色和光影。我原文中所写的只观察刀尾、刀茎有点片面……

（写作中，再补充多点传统淬火的细节）。

duckbillclinton

合金含量高的钢……

hu192

6

大马士革FANS

恭候

太阳鱼

前排就坐等下回。

山城重工

学习中，{:5_169:}

hrmiswinner

楼主这贴明显是前眼球，后技术啊！

w07w

然后呢？感觉文章好像没结束

Soulknifelife

盖楼！

wsk228

先找位置坐下。

18enjoy

搬凳听讲，学习一下！

Fishark

其实甭说刀匠不刀匠，月黑风高夜所做之事都如LZ所描述那样。
只是依稀记得楼主就曾干过半路‘停火’的勾当。你再这样搞的断断续续，再好的帖子都很难成功“授精”。
与众刀友坐等看楼主射完。

mdj0427

很有专业精神啊

basakuno5

楼主快撸快射啊。。。。。

秋意正浓

且听下回分解

Ada__.

下半部分是什么？