武际可分享 http://blog.sciencenet.cn/u/武际可 北大退休教授

博文

2022-05-17 精选

已有 4047 次阅读 2022-5-17 10:39 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦

漫话刀剑

武际可

§1 各种刀具

刀,是人们最常用的用具之一。日常切肉、切菜、砍树、剪枝、剃胡须、削水果皮,等等,无处不用刀。即使是这样,刀的重要性还是比古时降低了。

在冷兵器时代,刀不仅用于防身,还可用于格斗厮杀。刀的好坏体现一个国家的强弱。一侧有刃的是刀,两侧带刃的称为剑,刀剑就成为最重要的武器。那些好的刀剑就非常名贵。

古小说中《三国演义》中有关云长使青龙偃月大刀,《水浒传》中有杨志卖宝刀的情节。

我国制刀剑的历史很久远,春秋时代,有文献记载说楚王命人制剑三把:名为龙泉、太阿、工市。又说楚王令胡风子制剑干将、莫邪两把。越王命欧冶子制剑五把,名之为纯钧、湛卢、豪曹、鱼肠、巨阙。这里制剑能手胡风子和欧冶子是师兄弟。这些剑都非常有名,人们视为宝贝。所以后人称好的剑为宝剑。

考古发现,汉以前的刀剑大多是用铜掺加少量其他金属材料制成的。由青铜制成的剑身很薄,质地脆,很容易折断,只适刺杀而不适劈砍,因此当时人们把剑称为直兵。和秦始皇同时期青铜剑,西方考古还没有长度超过30厘米的,而西安兵马俑里发现的那些古青铜剑1 下),平均近1米长,至今没有锈蚀、寒光逼人。

图片.png图片.png 

图片.png 

1 古代青铜剑

1965年。在湖北江陵望山的战国墓中发现一柄青铜剑1中),这把长55.6厘米、宽5厘米的剑呈现优美的流线形,擦去浮尘后,剑身通体装饰的黑色菱形花纹像星光一样闪烁,剑格以绿松石和极珍稀的蓝琉璃镶嵌出云纹和兽面纹,剑柄处刻着8个鸟篆体铭文越王勾践自作用剑

科学家发现剑的中脊和两刃是用两种不同成分的青铜铸接而成,剑刃坚硬而锋利,剑心却有很强的韧性。这恰好印证了传说中的复合剑确有其物。

图片.png图片.png图片.png 

2 唐剑(上)、宋朴刀(中)、清牛尾刀(下)

中国自汉朝以后,铁有了规模生产,工匠们小量经过不断锤锻能够把铁炼成钢。于是就出现了能够“削铁如泥”的钢刀。至唐代的唐剑达到制剑技艺的最高峰。后来这种技艺传至日本,形成后来闻名于世的日本武士刀。国内在作为兵器的刀剑,在形状与功能上 虽然有上百种变化,但制作技艺上始终没有再提高,而且由于历代统治者惧怕民间拥有武器,对制刀剑加以多种限制,唐代的制剑技艺后来也失传了。

放眼世界,在刀剑制造技艺上,有三大著名的流派。这就是大马士革刀、马来克力士剑、日本武士刀合称为世界三大名刃

大马士革刀古时作为印度波斯阿拉伯等国的兵器最大的特点是刀身布满各种花纹。这种花纹是在铸造中形成的,与折叠锻打形成的焊接型花纹钢(包括中国剑、马来刀等等)或者淬火型花纹钢(日本刀)不同。古代几乎所有的花纹钢都是用来制作武器的,因为花纹能够使刀刃在微观上形成锯齿(肉眼无法分辨),使得刀剑更加锋利。大马士革刀以伊朗为代表。伊朗古代铁兵器极为著名,当时的蒙古印度、土耳其以及东方各国王室均聘用波斯良匠铸造兵器,随着年代的推移,人们逐渐忘却波斯人,而径直以大马士革称呼。

图片.png 

图片.png 

图片.png 

3 世界三大名刃 大马士革刀(上)、马来克力士剑(中)和日本武士刀(下)

 

克力士剑则需要匠人在铁矿稀少的印尼群岛费心搜集镍元素含量较高的铁及各种材料,经过数百次的折叠锻打和淬火回火等工序,才能完成基础的锻造。

克力士剑刃身上的水波状花纹,来自于不同材料经过酸洗后的变化。一把顶级的克力士剑,材料更为稀有,有时需要采用来自外太空的陨铁进行锻造,是真正意义上的来自星星的剑但这个级别的克力士剑通常只有皇家才能拥有。材料的稀有和工艺的复杂高级,让掌握克力士剑锻造工艺的匠人们在人民心中的地位无比崇高。

日本的武士刀,具有体暗光花纹,边花、腹花、小暗斑、粗暗斑等花色冶铁、制刃、淬火等过程制成经过反复锤锻的钢才可以制刃,日本人还要将钢料与熟铁组合为刀体。以使坚硬的柔软的熟铁刚柔相济称为复合刃。日本刀早在宋代就闻名于中国,欧阳修有诗句:昆夷道远不复通,世传切玉谁能穷。宝刀近出日本国,越贾得之沧海东。

简单介绍完作为兵器的刀后,让我们看一看作为日常应用最多的一种刀——厨刀。

图片.png4 西方的部分厨刀

如果你走进外国人的厨房,你会发现有各种刀具。有用于切肉的,有用于切鸡鸭的,还有剁骨头的、削皮的、擦丝的等等,专刀专用不一而足。而中国人的厨房里大多就一把菜刀,一刀多用,样子也挺笨,像一块方板。不过可别小看它,用一把菜刀可以切、剁、斩,拍、片,切菜、切肉、切鱼、切鸡鸭、剁排骨。而且仅切的刀法就有直切、推切、拉切、锯切、铡切、滚切等六种方法可以切片、切丝、切丁。还可以用于把散布在案板上的菜,铲、搓在一起直接入锅。

中国厨刀之外,国际上德国和日本的厨刀也很有名。主要的优点在于他们的厨刀比较锋利、耐用。这和他们在制刀的技艺和用材上有深入的研究有关。而且他们除了生产西方各式各样不同用处的厨刀外,近年来也生产中式厨刀。有时用大马士革刀的技术和更新的技术生产比较名贵的厨刀。

图片.png 

5 中国厨刀

图片.png图片.png 

6 各种钻头与刀具

随着近代工业的兴起,金属制品加工需求的增长,促使一种新型的刀具问世与迅速发展。这就是各种机床所使用的刃具。车床、铣床、刨床用的车刀、铣刀和刨刀,各种钻头和拱螺丝和螺母的丝锥板牙(图6)。它们对金属加工的切削原理也和普通的刀剑切削一样。只不过它们的硬度要特别大,刃具的结构与尺寸需要更为精细的研究与设计。

 

§2 什么样的刀是好刀?

在人们直觉中,好刀一定要非常锋利。的确是这样。

进一步问,什么是锋利呢?就是刀刃上最薄的地方厚度要小。小到什么程度呢?当然是愈小愈好。就吉列剃须刀的刀片来说,它的最薄的地方只有0.4微米。亦即0,00004cm

刀刃这么锋利,有什么好处?我们拿它对准物体设想接触长度是1cm,那末接触面积应当是0.00004平方厘米,现在如果在刀片上施加40g的力,这是很小的力了,还不到一两重的力(一两是50g)。那末,在接触面上所受的压力强度就是1000kg/平方厘米,就是说,每平方厘米一吨!这么大的压力强度,即使是铸铁(铸铁在受压时的破坏强度大约是800kg/平方厘米)也要压坏了何况剃胡须呢,所以用刀片剃起来十分轻松一点也不费力。从这里我们就认识到锋利的刀刃,在同样使力的条件下能够使刀与物体的接触面压力强度加大。锐利的刀锋能够使切削用力减小,省力。

单单刀刃锋利了,是不是就能成为好刀呢?就以上面举的例子来看,刀刃作用在物体上的压强达到每平方厘米一吨,作用力与反作用力是相等的,那末物体作用在刀刃上的压强也是每平方厘米一吨!如果刀刃用的材料不好也可能在这样大的压强下不是物体破坏被割断,反而会使刀刃受损,可见刀刃锐利只是好刀的必要条件而不是充分条件。好刀还需要在材料上下功夫。

如果刀的材料很软,那就什么也切割不动,废物一把。春秋战国时期人们知道最软的金属是铅,于是用铅做的刀,即“铅刀”来形容没有用的东西。有时人们自谦时也把自己比喻为铅刀。

实际上,几千年来人类为了改善刀剑所花的功夫主要是在寻找好的材料上。许多好的工艺也都是为了使材料的硬度得到充分发挥或改善材料的性能而研究出来的。

常见的刀刃受损的情况不外两种,即崩和锩(图7),崩是由于刀刃的材料脆弱,遇到物体比较硬容易脆断时,刀刃崩掉一块多块或折断;锩是由于刀刃的材料比较软,碰到硬的物体刃就卷起来或者使整个剑弯曲。如何使刀切割时既不崩也不锩,这就是值得认真探求的问题,而且研究它具有悠久的历史。

青铜器时代,刀剑都是用铜和锡的合金制造的,所以锡所占的正确比例就成为当时好刀的关键。在春秋时代的文献《吕氏春秋》中有一段记载铜和锡的辩论:相剑者曰:“白所以为坚也,黄所以为也,黄白杂则坚且,良剑也。”难者曰:“白所以为不也,黄所以为不坚也,黄白杂则不坚且不也。又柔且锩,坚则折,剑折且锩,焉得为利剑?这里白指锡,黄指铜。这段话说明当时人们对这两种成分做剑,既要不崩又要不锩提出的问题。也就是说把两种金属合在一起,是把它们的优点合在一起了呢,还是把它们的缺点合在一起了呢?这是人们犯疑惑的地方。

大约同一时期,记述当时官办手工业规范《考工记》中有记述:三分其金而锡居一,谓之大刃之齐这里齐是当时合金的意思。说明当锡占三分之一时,是当时最好的制剑配比。考古研究,好的越剑大致是符合这个比例的。

图片.png    图片.png

图片.png 

7 刀刃的崩与锩

汉以后进入铁器时代,铁比铜的硬度大许多,是制刀的好材料。不过最初人们炼出的铁,是生铁,比较脆,那样的刀容易崩刃和折断。后来人们发现,经过不断锤炼的铁,不仅硬度大而且不脆,用它做刀剑,锋利无比不崩也不锩。这就是后来产生的唐刀。

后来经过研究,原来初冶炼出来的铁,含碳量高,约大于2%经过反复锤炼以后,含碳量降低到0.03%-2%,这就是钢,如果含碳量在0.03%以下就是平常说的熟铁了。熟铁比较软,做刀易于锩,所以不用。

汉代以后虽然一些能工巧匠能够锤炼出钢,但由于仅出于少数人的手工,数量很少,实际上钢在当时还是稀缺之物,还不能整把刀剑都用钢来做,所以要“好钢用在刀刃上”。图8 就示意白色的好钢如何用在刀刃上的实际做法。即使是这样,一把钢刀也是十分名贵的。

图片.png图片.png 

8 钢通过镶嵌或包裹的方式用于刀剑

    19世纪中叶,炼钢能够工业化批量生产,于是钢刀就能够普及了,以至于普通的厨刀、水果刀、裁纸刀、剪刀、斧子等用具,大都能够用钢制造,成为大众化的产品。

钢普及后,刀具的改进就要寻求进一步高硬度、高耐磨、有韧性、耐腐蚀的新材料。人们发现在铁中添加适量的铬、钨、锰、钼、钒、铌、钴、钛等金属,钢的性能会有不同程度的改善。这就产生了新的硬质合金系列和由它们制成的刀具、机床用的刃具或钻头。添加金属的种类、比例不同性能会有很大的差别,这些新型合金的配方和冶炼方法大多有专利或保密。

    与金属刀具发展的同时,人们注意到陶瓷在硬度、耐磨性等方面的优点,开发出使用陶瓷制作的刀具。这种刀具锋利、耐磨很好,其缺点是由于陶瓷比较脆,不适于砍剁等动态撞击条件下使用,同时要防止它从高处跌落,以防摔碎。

近年来,人们又发明了刀具表面涂层的办法,特别在高速切削时来增加刀具表面的硬度、耐磨性、减轻刀具与加工物的粘合与化学反应。通常的涂层有氮化钛涂层(TiN)氮碳化钛涂层(TiCN)氮铝钛或氮钛铝涂层(TiAlN/AlTiN)氮铬铝涂层(AlCrN) 金刚石涂层(Diamond) 

图片.png 图片.png

9 刀刃的各种常见的剖面

 

介绍了刀具的材料,我们来谈一谈刀刃问题。我们前面说刀刃务求锋利。这也不是绝对的,如果刀刃过薄像吉列刀片似的,那末当被切的物体有比较强的韧性时,刃就容易弯曲或断裂,所以刀刃的剖面实际上是很有讲究的。不同的切割对象应当采用不同的刀刃剖面。图9列出了常用的13种刀刃剖面。

如老式剃刀,剖面大致是(6),单面斧子、木凿子或锛子是(9)或(10)。如果要在铁器上凿字的冲子就应当是(11)或(12)刀刃钝一点反而好。菜刀、刨刀、柴刀、镰刀、水果刀、西瓜刀、刺刀、剪刀都可以选用不同的有利的剖面。

应当说明的是,所有的锋利的刀刃都是磨出来的,宝剑锋从磨砺出。无论是铸造、锻造还是机械切削都不能得到锋利的刀刃,它们只能制造刀胚,再通过磨刀去“开刃”使刀口锋利,或者使用磨床加工得到锋利的刀口。磨好的刀用久了,刀刃会因为磨损而不锋利,就需要再度磨砺使它锋利。

磨刀也是一种技术活,不仅磨刀时持刀的力度,刀刃与磨石保持什么角度有讲究,就是磨石粗细的选用也有门道。另外磨刀时一般应当在磨石上涂水或油,而不能干磨,因为干磨摩擦所生的热会使普通钢刀的刀刃的表面退火产生软化,刀刃不耐用。

图片.png图片.png图片.png 

10 车削与车刀示意

机床用的刀具,种类繁多且比较复杂。图10是典型的两把刀车削(一把车端面膜,一把把轴车细)和一把车刀。刀上那块带麻点的小块(图左刀上黄色的三角形块),是硬度特大的高速钢。可以看出机床的切削,实际上是“削”而不是“切”。犹如普通用刀削水果皮,在刀刃压入果皮后刀刃沿着皮的一定厚度前进而不是直接切入水果的深处。在车削时车刀是相对静止的,而工件在相对车刀高速转动,车刀在工件上做相对运动。不同的是由于车刀切削时受力比较大,车刀比较厚以致使它的刃变成一个棱,棱的角要保证是真正的角不能是一段“圆弧”。所以所谓磨刀就是用砂轮把它打磨出棱来,各个平面之间的角度要保持一定。

到二十世纪后半叶,人们发明了激光,是由频率单一、能够精确地大远程束细和使能量高度集中的光束。这种集中在几微米之内的光束照射到物体上会顷刻产生极高的温度,能够将它熔化割断。啊,这就是一把极妙的激光刀。现在,激光刀已经应用得很多。用它切割金属,既精确又节约材料,用它进行外科手术代替传统的手术刀,既精确又容易止血。这是一类崭新的刀具,已经在许多领域取代了传统的刀具。近年来,人们有研究将它用于战争的,用它照射靶机能将其击落,用他照射敌人使他丧失战斗力,在战场上一定程度上它能够取代传统的刀剑。激光刀确实是一把好刀。它的应用前景未可限量。

图片.png 

 

11  激光切割

§3 材料的硬度

前面说过,一把好的刀子选用好的材质是很重要的。

但是如何选用好的材了,如何合成合用的好的材料,给了一块材料如何评定它适合不适合做刀,这是一个很复杂的问题。

最直接的办法就是去试,用给定的材料打造一把刀,在用它去切割不同的东西,试用满意了,就说这是合用制刀的好材料。不合用,以后就不会有人拿它制刀了。

材料是发展的,青铜器时代,铁器时代,钢铁时代,所以人们就要不断地去试,不断取得经验。几千年,历史上的好刀名刀都是这样不断试验中产生的。

把这种朴素的试验刀子材料硬软的方法用来鉴别矿物的硬度。1812年,德国的矿物学家Friedrich mohs1773-1839提出用10种矿物来衡量世界上最硬的和最软的物体,这是所谓的摩氏硬度计。选择被测样品的尖锐部位 在已知硬度的平面型矿物硬度计平面进行刻划,刻划硬度的测试由低至高依次进行。 观察硬度计平面有无刻面,轻擦平面,以防被测样品的粉末留在硬度计上,使判断失误。 若硬度计平面有划痕,则样品硬度大于硬度计。再依次测试更高一级的硬度计,直至介于两个硬度级别之间或相当于某一硬度计为止。按照他们的软硬程度分为十级: 1、滑石6、正长石2、石膏7、石英3、方解石8、黄玉4、萤石9、刚玉5、磷灰石10、金刚石, 各级之间硬度的差异不是均等的,等级之间只表示硬度的相对大小。

摩氏硬度常用测试硬度的物质铅:1.5指甲:2-3 2-2.52.5-3大理石:3小刀:5-5.5 玻璃:5.5钢锯条:6钢锉 6.5 翡翠6.5-7 雨花石、玛瑙、石英石7

常见金属的硬度: 铬:9 铁:4-5 银:2.5-4铜:2.5-3金:2.5-3铝:2-2.9铅:1.5

摩氏虽然提出了材料硬度的概念,并且把硬度划分等级。但是还有不科学的地方。首先两种材料相互划,对于它们之间的压力没有考虑,因为压力不同对划痕的深度是会有影响的;其次,他只是用一种物体的尖锐部分去划,而没有对尖锐部分的形状做出严格的规定,尖锐部分的形状也会影响划痕的。

用刀子切一个物体,这是一类再普通不过的问题了。从力学上讲,就是不同材料的两个物体在一定压力之下接触,其中一个是刀刃形状,比较锐利,另一个可以看作接触面是平面。要问,这两个物体哪个先破坏。也就是说,是接触平面的那个被切开,还是刀刃锩了?被切开或锩了,我们管它叫破坏,要问那个破坏了,还是两败俱伤?或者换一种说法,不管两种材料的外形如何,在压力下只有很小的面积接触,问哪个破坏?

通过大量的试验,人们发现,在一定压力下微小面积接触时比较常破坏的不适宜做刀子,比较不容易破坏的材料适宜于做刀子。

直到二十世纪初,人们才把压力接触下破坏的难易程度精确化为一个概念:硬度。

人们想了一个办法去确定不同材料的硬度。设想用一种最坚硬的材料做一个锥子(锥子头用给定直径的硬质钢球——布氏硬度,锥子头用张角120度的金刚石锥——洛氏硬度,锥子头用张角138度的四棱锥——维氏硬度 ),在一定的压力下去刺被测试的材料,用产生破坏的程度(压痕直径——布氏硬度,压痕深度——洛氏硬度,压痕对角线——维氏硬度)来标志所试材料的硬度。通过所施的给定压力(洛氏硬度又分为三档压力,所得到的硬度分别标为HRAHRBHRC),我们就会得到硬度测试办法得到不同的硬度标准。工程师们同时给出了不同硬度系列相互换算的办法。由于篇幅所限这里不具体介绍了,读者可以参考有关文献和材料力学的介绍。

一般认为洛氏硬度在HRC60左右的材料所制的刀就是相当不错的刀了。试验表明硬度值增高,材料的脆性也随之增加。所以硬度值过高的材料容易崩刃或折断,不适宜做刀。

 

图片.png 

12 硬度标准示意

§4 小结

几千年来人类发明和使用过各式各样的刀。因为不同的用处,刀的形状、剖面、大小、长短各不同。

好刀不仅要求锋利,更重要的是材料要好,要使刀在切削或砍剁时刃不崩不锩,刀身不弯不断。材料首先要有足够的硬度,并且又有适当的韧度。

为鉴别材料,人们引进了材料硬度的概念,并且发展了若干检验材料硬度的方法和标准。

由于刀的重要性,迄今改进刀具性能仍然是一类重要的研究课题。高性能合金、高硬度涂层和镀膜、刀体的复合技术、刀体锻造工艺、激光刀具等等。




https://m.sciencenet.cn/blog-39472-1338917.html

上一篇:谈科学技术研究的选题
下一篇:我们需要真实的名人传记 ——读《爱因斯坦的错误》

10 张学文 周少祥 尤明庆 李建国 周忠浩 杨正瓴 史晓雷 宁利中 黄永义 刘炜

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (2 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2022-8-12 07:05

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部