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——讨论“造边”技艺中在刀身各个部位钢材搭配的效用... 10 【力学史】力学的发展在历史年代顺序上和学科逻辑顺序上大体相同,这种发展反映出人类认识由简单到复杂逐步深化的过程。牛顿定律的建立是力学发展过程中重要的里程碑.经典力学从此奠定基础并根据学科自身的逻辑规律发展着.在近代和现代,力学随着研究 内容的深入和研究领域的扩大逐渐形成各个分支,近年来又出现了跨分支,跨学科综合研究的趋势. 力学的发展是分析和综合相结合的过程。从总的发展趋势来看，牛顿运动定律建立以前力学研究的历史大致可分为两个时期：①古代,从远古到公元5世纪，对平衡和运动有初步的了解;②中世纪,从6世纪到16世纪,这个时期对力、运动以及它们之间的关系的认识已有进展，为牛顿运动定律的建立作了准备。牛顿运动定律的建立和从此以后力学研究的历史大致可分为四个时期：①从17世纪初到18世纪末，经典力学的建立和完善化；②19世纪,力学各主要分支的建立；③从1900年到1960年,近代力学，它和工程技术特别是航空、航天技术密切联系；④1960年以后，现代力学，力学同计算技术和自然科学其他学科广泛结合。 当然，各个时期的分界年代并不是绝对的。 【现代力学】现代力学对计算机的科学计算十分依赖。体现为力学各学科众多软件的广泛应用。力学在土木工程、机械工程、航空航天工程、水利工程、船舶工程、能源工程等众多领域有着广泛的应用。同时，与其他学科交叉产生了众多交叉学科。如生物力学中的骨力学、软组织力学、心脏力学血液流变学和血流动力学。 总的来说，力学的发展史蕴含着一门科学发展的规律，对现代力学在现代社会应用广泛而深远。 ——以日本武士刀为例，讨论力学在制刀业的应用 在现代战场，战刀作为一种冷兵器，虽然已经没有冷兵器时代战争中的核心地位，但即是与枪支相比，战刀以其隐秘性和可靠性，仍是在特殊战线上行动的士兵最信赖的战友。 刀自古以来就是英雄和权力的象征与化身。作为工具，它是日常生活和应急生存的好帮手；作为武器，它被战士视为生命一般重要。据说美国的精锐部队中流传着这样一句名言：“One knife，one life”，有人直译为“一把刀，一条命”，意译可理解为“好刀伴一生”。一把好刀的重要性不言而喻，它不仅能协助战士完成特殊使命，保护自己和战友的生命安全，而且作为随身战斗工具，它还能给予战士坚强的信念支持。 力学在现代的众多领域应用深广。其中材料力学，结构力学等，在起到十分重要的作用。在新榜网的世界十大著名军刀中的冷钢三美武士刀，其优良的力学性质引人注目。 【现代军刀赏析——冷钢三美武士刀】 三美武士刀以低碳钢（韧性和弹性较强）与高碳钢（硬度较高）组合以达到刀刃坚硬而刀身不易断的优良特质。而这种方法，源自日本传统武士刀的制作工艺。 【武士刀简介】 传统武士刀锻造业作为一种人工密集型产业，注定无法批量生产。在日本封建时期，也仅有身为贵族的“武士”阶级才能佩刀。而到了明治维新开始，1873年开始禁止武斗，1876年禁止警察，军人以外的人带刀的废刀令出台，日本刀锻造行业急速衰退。到现代，作为一项传统工艺，传统武士刀锻造法仍在日本的制刀师傅中传承。 另一方面，武士刀演变自唐刀，武士刀锻造业在其千百年的发展中，刀匠大师们总结了种种经验。从钢材的冶炼，挑选，到钢材在刀身不同部位的搭配，再到成形刀的热处理过程，处处蕴含着丰富的力学知识。 【武士刀制作基本工序】 不同的刀工流派，在不同的年代，都有不同的制刀方法，以下只能约略列出一般典型的制刀步骤： 第一步. 「水挫」 (Mizuheshi)——又称为「水减」。即是将「玉钢」加热并锤打成厚度为约5mm 的薄片。听起来像是很简单的工序，其实不然... 为了控制钢材的含碳量(含碳量的保留/ 流失)，加热的次数有严格限制；而且「玉钢」的硬度在其续渐冷却时会有所改变。只有经验老到的刀匠才能准确把握施锤力度的变化，在限定的加热次数下将「玉钢」打链成厚薄均一的薄片。钢片成形后，刀匠会用水将其急速冷却。含碳量足够的部份会自然碎落，作为制刀的材料。刀匠要对钢片的温度和用水的份量有极准确的把握，才能够收集到含碳量合适的材料。余下的部份，刀匠会留待将来再用。以现代材质学的角度来看，这个步骤算是刀匠控制钢材含碳量的手法 第三步. 制作烧台——烧台将会成为刀身的一部份，所以必需以优质的「玉钢」制造。 (烧棒不是刀身部份，可以用任何钢料制作。) 第五步. 「积沸」 (Tsumiwakashi)——将「积重」工序办好的物料放回炉火，以确保钢料能够完全焊合。为确保钢料与空气完全隔绝(以免炉火消耗钢材中的含碳量) 和容许细慢而均匀的热力处理，置入炉火前刀匠会将钢料用沾满泥汁和稻草灰的和纸将钢料紧紧包好。刀匠必需小心掌握炉火的温度和加热的时间。 将「积沸」工序办好的钢料捶打至扁平，再折叠重回焊接，如此反复。若重复10 次，可以造出有1024 层的钢材（2的10次方）。。 典型的“皮铁包芯铁”法是将一层刚硬的「皮铁」(Kawatetsu) 包裹着另一柔韧的「芯铁」(Shintetsu)，焊合。「皮铁」由含碳量较高的「玉钢」经10 到15 次的「折返锻炼」制成，而「芯铁」则以由含碳量较低的「庖丁铁」或用含碳量低的「玉钢」)经5 到6 次的「折返锻炼」制成。
第九步.打造「切先」 为确保「切先」与刀身有同样的混合钢材分布，也为了得到通顺的表面纹理，刀匠会将刀尖斜斜切去一段(尖角在边锋的位置)，再以小锤将尖角打造成向后的弯弧，成为「切先」。制作「切先」是最考究手工的步骡，所以由制成品的「切先」可以看出刀匠本身的功力。 第十步. 「火造」 第十一步. 「烧入」 第十二步. 「合取」将烧刃过后的刀重新置回火床上，经过一短暂的特定时间和温度，立即取出刀体，完成回火之动作，即为回火。 第十二步. 锻冶押、刀身雕刻、铭入 【部分制作工艺的力学简析】 制刀过程中，钢材选择上，追求刃口的硬度与刀身整体的冲击韧性兼备。格斗中，刃口则应足够坚硬，以保证其锋利程度以及刃口不致崩坏；而刀身应具有一定冲击韧性，以免在对方兵器的冲击下，刀身轻易折断。然而，即使刀身整体冲击韧性足够，也并非追求整体的硬度越高越好，刀背如果跟刀锋一样硬度很高，那么冲击时刀刃吸收的能量过大，刀刃将会容易碎裂。 从图中可看出，普通碳素钢的碳含量与布氏硬度、冲击功的关系。（冲击功越大，材料表现出来的冲击韧性越低） 总的来说，日本刀的材料主要为「玉钢」(Tamahagane) 碳含量1.0 到 1.7%和「庖丁铁」约为 0.1 到 0.3%。 日本古时一直未有机会发展高温炼炉的技术，要炼制均质的刀剑就非常困难。为克服这个问题，刀匠采用「折返锻炼」的技术。「折返锻炼」可以提高钢材均质程度，使铁晶体[1]更细致，同时也能减少杂质， 将「积沸」工序办好的钢料捶打至扁平，再折叠重回焊接，如此反复。层次愈多，钢材中的碳和各种成份就会更加均一，铁晶体也会更细致，制成品的强度亦会较高。 (注：不过层次越多，也意味着钢材在炼炉中的时间越长，钢材中的碳含量亦可能会流失过多，制成品的硬度就会受到影响，锋利程度亦会有所限制。因此，日本的刀剑通常不会经过15次以上的折返锻炼。) 世界各地以高温炼炉制成的刀剑，成形后都会有铁晶体肥大的问题。根据热力学的解译，在高温炼制过程中，细少的铁晶体为减少其数目(减低总表面积)，会自行互相结合，重组成数目较少，体积较大的铁晶体。如此一来，钢材的强度就会受到影响。所以，以高温炼炉制成的刀剑在淬火之后(即是将白热的钢材投到水/ 油中冷却)，必须重新置回低温炉火数小时，令细少的铁晶体在原有的晶体之间重新结晶，回复强度和韧性。不过，长时间的炉火锻炼又会令碳含量过份流失，影响制成品的表面硬度和锋利程度。相对于西方的刀剑，以低温炼炉(低于摄氏1000 度) 炼制的日本刀，铁晶体一直能够保持在细密的状态。 在「折返锻炼」期间，不断的锤打会令钢材中一大部份的杂质化为火花飞走。从微观上看，杂质是钢材的瑕疵。也是钢材的「强度弱点」，在反复受到冲击时，金属损害往往由「强度弱点」开始，蔓延至材质的整体，成为全面的损坏。「强度弱点」的数目愈少，慢廷破坏的机会也随之减少。所以，钢材愈纯净，其强度和韧性就会愈高。 此外，经过「折返锻炼」的刀剑会出现有如木纹一般的表面纹理(「地肌」)，美观之极。 (注：有利必有弊。高温炼炉中的钢材较软，较易打造成形；低温炼炉中的钢材较硬，较难打造，甚至不是个人的体力所能应付。如果折返层不能完全焊合，就会成为潜在的裂口，变成完成品的瑕疪。所以，一般打造过程中，刀匠会紧持钢材，并发号施令，由两三名体壮力健的弟子从旁以长柄大锤敲打。换句话说，制作日本刀是人力集约的工事，以血汗换取质素的伟大艺术。) 日本刀锋利而又不易弯曲，即是拥有刃口的高硬度的特性。同时，日本刀又不易折断，即是拥有刀身的高冲击韧性的特性。 集刚柔于一身，日本刀如何做到呢？有别于世界各国的刀剑，日本刀并非由一块钢材打造而成。在其制作工序中，独具体色的“造边”工艺是将不同性质的钢料搭配组合，从而达到刀的刚柔合一。 “皮铁”包“芯铁型” 四种不同组合方式及相应刀体截面结构 不同的刀工流派采用不同的钢料搭配方式，有的刀匠会在刀刃部位采用用硬度更高的「刃铁」(Hatetsu)，或是在刀背采用硬度更低的「栋铁」(Munetetsu)，或采用经折叠却没有焊合的双层「芯铁」。 总的来说，在工序“造边”中，刀匠将不同含碳量的钢材组合。以本三枚式造边发为例 典型的“本三枚”式锻造过程及其截面 其次、在刀内部用含碳量低，也是强度更大的钢，可以保证刀身足够高的冲击韧性。 最后、在刀侧，用含碳量适中，富有韧性与弹性的刃金包裹刀身。在收到冲击时，可以通过弹性形变将部分能量吸收。减小刃部所受的应力。又可进一步加强刀身的稳定性。 （一）金属热处理简介 金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。 为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。钢铁是机械工业中应用最广的材料，钢铁显微组织复杂，可以通过热处理予以控制，所以钢铁的热处理是金属热处理的主要内容。 整体热处理部分工艺的简介 （1）：淬火：指将钢件加热到Ac3 或Ac1（钢的下临界点温度）以上某一温度，保持一定的时间，然后以适当的冷却速度，获得马氏体（或贝氏体）组织的热处理工艺。淬火的目的：使钢件获得所需的马氏体组织，配合以不同温度的回火，以大幅提高钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等，从而满足各种机械零件和工具的不同使用要求。 钢铁锻造过程有两种结构对其力学性质影响深刻，分别为奥氏体与马氏体。奥氏体是一种塑性很好，强度较低的固溶体，具有一定韧性。不具有铁磁性。古代铁匠打铁时烧红的铁块即处于奥氏体状态。奥氏体因为是面心立方，四面体间隙较大，可以容纳更多的碳。 奥氏体急速冷却（淬火）形成马氏体，这种情况下奥氏体中固溶的碳原子没有时间扩散出晶胞。当奥氏体到达马氏体转变温度（Ms）时，马氏体转变开始产生，母相奥氏体组织开始不稳定。在Ms以下某温度保持不变时，少部分的奥氏体组织迅速转变，但不会继续。只有当温度进一步降低，更多的奥氏体才转变为马氏体。最后，温度到达马氏体转变结束温度Mf，马氏体转变结束。 马氏体不是一种平衡组织。平衡组织的形成需要很慢的冷却速度和足够时间的扩散，而马氏体是在非常快的冷却速度下形成的。由于化学反应（向平衡态转变）温度高时会加快，马氏体在加热情况下很容易分解。这个过程叫做回火。由于淬火过程难以控制，很多淬火工艺通过淬火后获得过量的马氏体，然后通过回火去减少马氏体含量，直到获得合适的组织，从而达到性能要求。马氏体太多将使钢变脆，马氏体太少会使钢变软。[④] （二）锻造过程的热处理工序 在武士刀锻造过程中，尤其是 “烧入”工序中，泥封、加热、淬火；及“合取”工序中的回火过程是也金属热处理。其对刀的微观结构改变影响着刀的力学性质。而此过程，体现出刀匠对奥氏体，马氏体两种结构在刀身合理分布的控制。 泥封：刀匠以特制「烧刃土」封刀身。自刀背到刀刃，依次渐薄而下，刃口处最薄（部分流派则不包泥土）不同的流派烧刃土的成份和调制方法亦有不同。泥封首先是为了淬火过程中，控制刀的自刀背到刀刃的降温速度依次递增。 加热：刀匠对泥封好的刀身加热，此过程在在暗室中进行以便由炉火的颜色以确认温度在摄氏750 至760 度之间。若温度高于摄氏800 度以上，刀身就会出现奥氏体粗大的现象，影响强度。 淬火：将红热的刀身猛地浸入淬火液中（各个流派有自己的配方），刀身急速降温。其中，刀身下水淬火时刀口未包泥土处 ( 刀刃波浪纹部分 ) 直接与水接触，包覆泥土部分其覆土厚度越高，降温速度越低。 在刀的急速降温中，刀刃部大量的奥氏体转变为马氏体，而由于“烧刃土”的厚度渐变，自刀刃到刀背，降温速度亦渐缓，因而奥氏体转变为马氏体的数目亦渐少。同时，因为马氏体的密度低于奥氏体，所以转变后体积会膨胀。因此，转变马氏体多的刀刃部分，体积增大得多。最终导致武士刀形成一个较大的弯度。 回火：将烧刃过后的刀重新置回火床上，经过一短暂的特定时间和温度，立即取出刀体，即为回火。一般而言，淬火后获得的马氏体会过量，刀匠根据经验，判断刀所需要的回火时间和温度。 【对武士刀锻造工艺的理解】 总的来说，武士刀的锻造工艺是历史上千万刀匠的经验结晶，充满着一种神秘色彩，是一种重要的精神文化。尽管这一工艺并非完全系统化理论化的学科，但其中，自选材、折返锤炼、钢材搭配以至热处理，十分符合材料力学、结构力学、金相学以及热力学的设计原理。因而武士刀拥有锋锐坚硬的刀刃和强韧的刀身，与大马士革刀与亚克力剑并称为世界三大名刃。 这部分比较多个人的感受，因而语言口语化一些，还请见谅。 【感想】上力学概论过程中，了解到了力学史，力学的学科分类和现代力学的应用。而课程中又有 自工匠的经验，工程师的理论摸索，到后来力学大师（如牛顿、铁木辛柯等）系统化的理论建设以及成形的力学研究方法，再到现今的力学与计算机技术的结合，力学既是千百年来工程师们解决问题的力量，同时也是工程师们研究的经验结晶。学习力学概论的过程，增大了我对力学的了解，自然地消除了力学学科的神秘感。同时，让我更加认同力学，渴望着成为这长长的力学发展史的一个参与者。 【建议】站在一个学生的角度，我看到的更多的是教学形式方面。在力学史转入学科分类的时候呢，可能相比前一段有具体例子（如）的而言知识性内容较多，生动程度稍有降低。或可在下一年的这部分课程中更多地加入一些简单的实验演示（像讲解张衡的地动仪时，老师就用粉笔进行了纵波和岩石的抗拉性能方面的演示。）这样更加生动，具体。 |
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