梅氏家族(刀之界)

刀具【熱處理】之探討

這是轉載自左岸刀友論壇2013-12-02的貼文，覺得寫的淺顯易懂，於是轉載分享給新手入門。

言歸正傳，話說國內傳統刀劍論壇和網站對中國和日本的古代製刀、造劍工藝都十分推崇，而且對於製程的細節都描述得非常生動，尤其是講到刀劍最後的熱處理，更是神秘萬分，必定有個感人的故事，不過多有雷同……。

無非是什麼某某某，天下無雙的刀匠，選個月黑風高的XX 夜，乾柴烈火，前推後鼓，噼劈啪啪，嘿咻嘿咻，火眼金睛，激戰大半夜，興致正酣…… 忽地，猛然抽出一大根，面部表情突兀，大喝一聲，《嘿！》，俯身迅速插入那滿滿是水的穴中，盡根而入，《滋……》，輕攪幾下，徐徐抽出… … 低頭一看，《歐？……冶！ 歐冶！》 硬鳥，硬鳥！翹鳥，翹鳥！然後……就沒有然後了。
其實說到古刀劍，確實是經常有提到古代刀匠會在伸手不見五指的黑夜裡完成最重要的步驟→ 淬火，但為什麼會選在黑暗裡進行呢？難道有什麼東西我們在白天見不到？ …… 事實確實是這樣。

今夜，筆者在這裡就嘗試一下，作個解釋，難免多有錯漏，請各位多加指正。具體細節，還是再次借用國外論壇大神們的貼圖來進行說解吧。

1. 下圖是一把製作完成的刀胚，在爐子裡燒得通紅，一段時間後略帶橙色，於是拿出，在黑暗中靜置。

2. 由於刀尖較薄，由圖 1 開始，就已經開始冷卻，顏色變暗。刀莖位置也是同理，（因為較窄，儲存的熱量也較低），不過比刀尖冷卻得慢點。刀背因為是最厚的，所以還是處於高溫，顏色光亮。

3. 上面的冷卻過程繼續進行，按理說，再過很短的時間，全刀就應該冷卻成下圖的樣子 （注意，圖裡的標籤是 8）…

可事實卻不是這樣 （看下圖， 正確的標籤 3）

4. 冷卻繼續，此時最厚的刀背及中央部分仍然光亮，但刀兩頭異常的光斑卻在擴大追逐著開頭冷卻變暗的部分，形成了一個大圈圈。

5. 繼續，亮斑形成的圈圈開始變小，刀的外圍也變得更亮。

6. 圈圈越來越小，刀尖的黑暗部分逐漸擴大，表明刀尖已經再次逐漸冷卻。

7. 圈圈合攏，刀背形成一個半圓的低溫區。

8. 忽然，剛才刀背的那個半圓暗黑區域消失了，整個刀背變得光亮，顯示刀背變熱了。與此同時，刀尖，刀莖和刀尾部分因為冷卻的關係，變成暗黑了。

9. 10. 11. 冷卻在延續，再沒有新的亮斑生成了，刀胚慢慢變暗，逐漸消失在黑暗中。

【再輝現象】

上面這11幅圖，每幀圖的間隔是五秒，在這短短的少於一分鐘的時間裡，我們見證了鋼材極其特殊的，微結晶凝固過程中的 再輝現象。

這種現象速度之快，及由於白天可見光的干擾導致的鋼材表面顏色變化不明顯，令我們不得不在黑暗中進行觀察。再輝現象的成因是什麼？

要解釋這個，專業人士可以寫得很複雜，筆者不是冶金、材料專業出身的，所以就簡單說點吧。

古代的冶金技術是相對原始、簡單的，刀劍主體的成分就是碳鋼。當刀匠把刀胚鍛打完成後，會讓它在常溫中慢慢冷卻，所以在熱處理之前，刀體碳鋼內的晶體組織主要就是珠光體。

在進行熱處理時，刀胚在爐子裡被慢慢地加熱，達到一定的溫度後，鋼體裡的珠光體開始向奧氏體轉變（即開始進入臨界溫度的下限）。此時，繼續加熱，鋼體內餘下的的珠光體也逐漸轉變成奧氏體，當鋼體內所有的珠光體都完全轉化成奧氏體時，鋼體達到了臨界溫度的上限。

在上述過程中，珠光體轉變成奧氏體的相變，是需要吸收能量的，這種現象叫相變吸熱或 退輝。假設爐子提供的熱量值是恆定值，鋼體由常溫開始加熱，則其溫度的升幅值也是恆定的。可是當鋼體溫度上升到臨界溫度的下限時，珠光體產生相變，轉為奧氏體，鋼體需要吸入額外的熱量以滿足這種變化。此時，鋼體溫度的升幅會驟減，甚至變成零，總體溫度停滯不前。當鋼體內大部分珠光體轉變成奧氏體的相變完成時，鋼體溫度的升幅才會重新回到恆定值，即總體溫度回复上升。

在前面轉載的十一幅圖片裡所展示的過程，其實就是上面描述的反轉版本。

原圖 1，為剛出爐的碳鋼刀胚，其仍處於高溫，即純奧氏體狀態。

原圖 2，由於刀尖、刀莖、刀尾較薄細，所以其溫度下降得快，顏色迅速變暗。

原圖 3，當溫度進一步下降時，刀尖、刀莖、刀尾位置首先達到了臨界溫度上限，順理成章地，裡面的奧氏體開始轉變成珠光體。這個過程會導致相變潛熱的釋放，又稱再輝（即之前鋼體在加熱過程中，珠光體轉變成奧氏體時吸走的額外熱量，現在被釋放歸還，這是能量守恆的一個非常好的例子），從而導致這些部位回溫，出現亮斑。

原圖 4 - 7，由於刀背比較厚，降溫較慢 (尚未達到臨界溫度)，所以刀尖、刀尾部分的回溫亮斑對其產生了圍攻之勢，形成了半圈狀。

原圖 8，當刀背也降到臨界溫度上限時，相變潛熱的釋放令整個刀背變得光亮。

原圖 9 - 11，當刀背里餘下的奧氏體的相變完成後，臨界溫度下限已經達到，刀胚以恆定幅度繼續冷卻，逐漸變暗，消失在黑夜中。

本帖最后由 duckbillclinton 于 2013-12-24 00:44 编辑

那古代的淬火工藝又與上述的再輝現像有什麼關係呢？

首先，說一下鋼材淬火的簡化版定義，即：

將鋼材加熱到臨界溫度以上，保溫一段時間，使之全部或部分奧氏體化，然後以大於臨界冷卻速度的冷速，快冷到馬氏體生成溫度以下，進行馬氏體轉變的熱處理工藝。

再簡單通俗點，就是將鋼材加熱至高溫（令鋼體完全轉變成奧氏體狀態），用介質，例如：水，將其急速冷卻，從而使鋼體變得堅硬（奧氏體直接轉變成馬氏體）。
經驗告訴我們，如果鋼材以很高的溫度來水淬是會產生淬裂的，所以鋼材是不可能被無節制地加熱淬火。另一方面，淬火溫度也不能太低，不然就會達不到機械性能的要求。根據上面的鋼材淬火定義，最佳的淬火溫度應該是略高於臨界溫度就可以了。

那我們如何才能獲得略高於鋼材臨界溫度的淬火溫度呢？
細心的刀友在看完我在前一樓對刀胚的加熱和 11 幅插圖的解釋之後，大概已經猜到方法。其實鋼材的慢速加熱和慢速冷卻，其微觀結構的變化、熱量的吸收釋放、及外表的顏色變化是一致的，只不過加熱的過程是冷卻的反過程。

各位都有留意到我貼出的 11 幅插圖中慢速冷卻的刀胚經歷了鋼材臨界溫度的上限和下限，其變化在黑暗中清晰可見。換言之，只憑看刀胚表面的亮斑及暗影的變化和移動，我們可以迅速地知道鋼體是處在臨界溫度之上（圖1，2），之中（圖3 - 8），還是之下（圖9 - 11）。

回到主題，古代的刀匠在白天鍛打好刀胚之後，會先讓其在空氣中慢慢冷卻（正火）或者塞入草木灰中退火，這是為了晚上的淬火作準備。夜幕降臨之後，刀匠升爐，適當調整爐火至不快不慢，之後將刀胚塞入燃燒的木碳中，令其勻速升溫，緩緩加熱，然後細心觀察仍少量露出的刀尾、刀莖部分的顏色變化，這些部分隨著溫度的升高，顏色逐漸由暗紅色轉至紅色，鋼的亮度同時也逐漸增加……

忽然，刀莖、刀尾部分出現了一道不容易察覺的暗影，接著變寬了一點點，在之後的一段很短的時間內，暗影勻速移動著，又逐漸消失了，此時的鋼體已經帶著亮紅色，刀匠稍稍等了一下，將刀胚取出，然後放入冷水中淬火…… 大功告成！ （後面當然還要回一下火。）

上面提到的暗影的出現，是因為鋼體被加熱到了臨界溫度的下限，此時一部分珠光體開始向奧氏體轉換，需要更多熱能，導致鋼體表面出現溫度的不均勻，視覺上可以觀察到的就是溫度較低的區域呈暗影狀，即退輝效應。

顧名思義……望文生義…… 退輝，就是光輝退卻的意思啊。 （同理，大家應該理解為什麼還有個 再輝 效應。）

暗影的移動，是因為刀體有厚薄長短，在爐內加熱時，不同的點加熱的速度有不同。暗影的消失，則是刀體大致已經達到了臨界溫度的上限，但要確定全刀的鋼體內外都基本轉至奧氏體，還是要多等一下，之後才可以淬火。

至於為什麼我寫此貼時要兜個大彎，只有鋼材冷卻的圖片而沒有加熱的圖片…… 引用國外高手的原話，是因為拍攝爐內加熱鋼材的系列圖片實在太難了，爐火一直在閃動，在相同間隔的時間裡拍到好的照片基本不可能，所以只能拍刀胚冷卻的過程來讓各位把原理搞清。之後，逆向思維就可以把淬火過程也弄明白了。

本帖最后由 duckbillclinton 于 2015-3-4 23:55 编辑

補充說明一點，其實鋼材的加熱和冷卻的臨界溫度是有差異的，加熱時珠光體轉變成奧氏體的相變溫度高於冷卻時奧氏體轉變回珠光體的相變溫度。所以，假如您淬火採用的是觀察鋼材冷卻時顏色光影變化的話，不好意思，溫度太低了，您必須要用觀察鋼材加熱時色、影變化來決定淬火溫度。

另外再補充更正一點，傳統的淬火方法，在鋼材加熱過程中，刀匠其實會從爐中反覆抽出刀胚來觀察顏色和光影。我原文中所寫的只觀察刀尾、刀莖有點片面……。《轉摘自左岸刀友論壇》