以日本武士刀製作過程談力學概論感想

2021-04-14 09:37:26 字數 4507 閱讀 6678

【對力學學科的認識】

【力學史】力學的發展在歷史年代順序上和學科邏輯順序上大體相同,這種發展反映出人類認識由簡單到複雜逐步深化的過程。牛頓定律的建立是力學發展過程中重要的里程碑.經典力學從此奠定基礎並根據學科自身的邏輯規律發展著.

在近代和現代,力學隨著研究內容的深入和研究領域的擴大逐漸形成各個分支,近年來又出現了跨分支,跨學科綜合研究的趨勢.

力學的發展是分析和綜合相結合的過程。從總的發展趨勢來看,牛頓運動定律建立以前力學研究的歷史大致可分為兩個時期:①古代,從遠古到公元5世紀,對平衡和運動有初步的了解;②中世紀,從6世紀到16世紀,這個時期對力、運動以及它們之間的關係的認識已有進展,為牛頓運動定律的建立作了準備。

牛頓運動定律的建立和從此以後力學研究的歷史大致可分為四個時期:①從17世紀初到18世紀末,經典力學的建立和完善化;②19世紀,力學各主要分支的建立;③從2023年到2023年,近代力學,它和工程技術特別是航空、航天技術密切聯絡;④2023年以後,現代力學,力學同計算技術和自然科學其他學科廣泛結合。

當然,各個時期的分界年代並不是絕對的。

【現代力學】現代力學對計算機的科學計算十分依賴。體現為力學各學科眾多軟體的廣泛應用。力學在土木工程、機械工程、航空航天工程、水利工程、船舶工程、能源工程等眾多領域有著廣泛的應用。

同時,與其他學科交叉產生了眾多交叉學科。如生物力學中的骨力學、軟組織力學、心臟力學血液流變學和血流動力學。

總的來說,力學的發展史蘊含著一門科學發展的規律,對現代力學在現代社會應用廣泛而深遠。

【力與刀】

——以日本武士刀為例,討論力學在製刀業的應用

【刀的歷史地位與現代戰鬥刀的價值】

在現代戰場,戰刀作為一種冷兵器,雖然已經沒有冷兵器時代戰爭中的核心地位,但即是與槍枝相比,戰刀以其隱秘性和可靠性,仍是在特殊戰線上行動的士兵最信賴的戰友。

刀自古以來就是英雄和權力的象徵與化身。作為工具,它是日常生活和應急生存的好幫手;作為**,它被戰士視為生命一般重要。據說美國的精銳部隊中流傳著這樣一句名言:

「one knife,one life」,有人直譯為「一把刀,一條命」,意譯可理解為「好刀伴一生」。一把好刀的重要性不言而喻,它不僅能協助戰士完成特殊使命,保護自己和戰友的生命安全,而且作為隨身戰鬥工具,它還能給予戰士堅強的信念支援。

力學在現代的眾多領域應用深廣。其中材料力學,結構力學等,在起到十分重要的作用。在新榜網的世界十大著名軍刀中的冷鋼三美武士刀,其優良的力學性質引人注目。

【現代軍刀賞析——冷鋼三美武士刀】

三美iii(san mai iii):(cold stell公司出品)用的是一種非常昂貴的,傳統風格的日本碾壓鋼。以堅硬的高碳不鏽鋼夾在中間作為刀刃的核心,上下各加一層韌性和彈性都很好的不鏽鋼來輔助和增強,最後的成品具有兩種材料鋼的特性,這種碾壓出來的鋼材位元韌的aus 8a堅固25%。

三美iii的特徵是刀鋒處的線渦紋路,遍及整個刀刃的邊緣,是由於打磨時各鋼層顯露出來而形成的。每把刀的線紋長度各有不同,因為每一片三美iii都是獨一無二的。象aus 8a不鏽鋼一樣,三美iii由現代精確傳送熔爐熱處理和零下低溫淬水流程,改進鋼材的微觀結構,去掉雜質。

最後的成品刀刃比一般不鏽鋼刀刃具有更好的彈性和保持性(硬度可達到60以上),刀身也具有非常好的韌性。

三美武士刀以低碳鋼(韌性和彈性較強)與高碳鋼(硬度較高)組合以達到刀刃堅硬而刀身不易斷的優良特質。而這種方法,源自日本傳統武士刀的製作工藝。

【武士刀簡介】

日本刀(にほんとう,nihontou),由唐代的唐刀改良而成 ,在日本又稱為刀(かたな,katana)。全稱為平面碎段複體暗光花紋刃,世界三大名刃之一。依據形狀、尺寸分為太刀、打刀(刀)、脅差(脅指)、短刀等。

一般日本刀柄與刀刃的比例是1:4,刀柄雙手持握,劈殺有力,其彎曲程度控制在「物打」(又稱「物內」)即鋒尖下16.7mm處,砍劈時此處力量最大,十分符合力學原理。

刀背稱「棟」或「脊」,用以抵擋攻擊,有平、庵、

三、丸四種。日本刀的材料鋼,被稱作和鋼(わこう,wakou)或玉鋼(たまはがね,tamahagane)。錘鍛的方法有很多,如十字鍛、折子木鍛、短冊鍛、木葉鍛等,紋樣各異。

傳統武士刀鍛造業作為一種人工密集型產業,注定無法批量生產。在日本封建時期,也僅有身為貴族的「武士」階級才能佩刀。而到了明治維新開始,2023年開始禁止武鬥,2023年禁止警察,軍人以外的人帶刀的廢刀令出台,日本刀鍛造行業急速衰退。

到現代,作為一項傳統工藝,傳統武士刀鍛造法仍在日本的製刀師傅中傳承。

另一方面,武士刀演變自唐刀,武士刀鍛造業在其千百年的發展中,刀匠大師們總結了種種經驗。從鋼材的冶煉,挑選,到鋼材在刀身不同部位的搭配,再到成形刀的熱處理過程,處處蘊含著豐富的力學知識。

【武士刀製作基本工序】

不同的刀工流派,在不同的年代,都有不同的製刀方法,以下只能約略列出一般典型的製刀步驟:

第一步. 「水挫」 (mizuheshi)——又稱為「水減」。即是將「玉鋼」加熱並錘打成厚度為約5mm 的薄片。

聽起來像是很簡單的工序,其實不然... 為了控制鋼材的含碳量(含碳量的保留/ 流失),加熱的次數有嚴格限制;而且「玉鋼」的硬度在其續漸冷卻時會有所改變。只有經驗老到的刀匠才能準確把握施錘力度的變化,在限定的加熱次數下將「玉鋼」打鏈成厚薄均一的薄片。

鋼片成形後,刀匠會用水將其急速冷卻。含碳量足夠的部份會自然碎落,作為製刀的材料。刀匠要對鋼片的溫度和用水的份量有極準確的把握,才能夠收集到含碳量合適的材料。

餘下的部份,刀匠會留待將來再用。以現代材質學的角度來看,這個步驟算是刀匠控制鋼材含碳量的手法

第二步. 「小割」 (kowari)——將鋼料打碎成2到3 cm長短的細塊。不碎的部份就是含碳量過低,有些刀匠會用這個來製作刀劍的「芯鐵」。

第三步. 製作燒台——燒台將會成為刀身的一部份,所以必需以優質的「玉鋼」製造。 (燒棒不是刀身部份,可以用任何鋼料製作。)

第四步. 「積重」 (tsumikasane)——將「小割」工序所得的碎鋼塊一層一層的焊接在燒台之上,如此熱力就可以均勻傳遞。鋼塊的熱黏性對焊接的效果有決定性的影響,而熱黏性則取決於鋼材的純度和含碳量,所以選用「玉鋼」和進行第一步的「水挫」工序是必要的。

不同的刀工流派有不同的焊接方式... 平行排列的焊接稱為「短冊鍛」,交差排列的稱為「拍木鍛」,十字形排列的稱為「木葉鍛」或「十文字鍛」。以鍛造一支「刀」(「打刀」) 為例,就需要積聚約2 到3 kg 的鋼材。

第五步. 「積沸」 (tsumiwakashi)——將「積重」工序辦好的物料放回爐火,以確保鋼料能夠完全焊合。為確保鋼料與空氣完全隔絕(以免爐火消耗鋼材中的含碳量) 和容許細慢而均勻的熱力處理,置入爐火前刀匠會將鋼料用沾滿泥汁和稻草灰的和紙將鋼料緊緊包好。

刀匠必需小心掌握爐火的溫度和加熱的時間。

第六步. 折返鍛鍊

將「積沸」工序辦好的鋼料捶打至扁平,再摺疊重回焊接,如此反覆。若重複10 次,可以造出有1024 層的鋼材(2的10次方)。。

第七步. 「造邊」——依照刀身不同部位的力學性質需要搭配鋼材。

典型的「皮鐵包芯鐵」法是將一層剛硬的「皮鐵」(kawatetsu) 包裹著另一柔韌的「芯鐵」(shintetsu),焊合。「皮鐵」由含碳量較高的「玉鋼」經10 到15 次的「折返鍛鍊」製成,而「芯鐵」則以由含碳量較低的「庖丁鐵」或用含碳量低的「玉鋼」)經5 到6 次的「折返鍛鍊」製成。

第八步. 「素廷」

將「造邊」工序準備好的混合鋼材打造成長條形,成為刀身的基本形狀。

第九步.打造「切先」

為確保「切先」與刀身有同樣的混合鋼材分布,也為了得到通順的表面紋理,刀匠會將刀尖斜斜切去一段(尖角在邊鋒的位置),再以小錘將尖角打造成向後的彎弧,成為「切先」。製作「切先」是最考究手工的步騾,所以由製成品的「切先」可以看出刀匠本身的功力。

第十步. 「火造」

以小錘將刀身各部份打造成形和修正。

第十一步. 「燒入」

最後的火鍛工序:刀匠用粘土、木炭粉和磨刀石的粉末調製「燒刃土」(yakibatsuchi) (不同的流派有不同的成份和調製法),再將成形的刀身用「燒刃土」包封。 「刃」的範圍用土較薄,「鎬地」和「棟」的範圍用土較厚。

基本上,「燒刃土」的分布可以由完成品的「刃文」看出一點。泥封好的刀身會被放到攝氏750 至760 度的爐火之中。經過特定的加熱時間,刀匠就會將刀身移離爐火,再放到水中急速冷卻,即是"淬火"。

急速淬火,會產生高硬度的麻田散鐵(亦即是馬氏體martensite)

第十二步. 「合取」將燒刃過後的刀重新置回火床上,經過一短暫的特定時間和溫度,立即取出刀體,完成回火之動作,即為回火。

第十二步. 鍛冶押、刀身雕刻、銘入

再經過初步的打磨、開「目釘穴」、銼「鑢目」、刻「銘」等工序後,刀匠的責任可以說是到此為止了。一般來說,日本刀的「研磨」、造鞘、金銀裝飾、卷柄等工序另有專人負責,不是刀匠的工作範圍

【部分製作工藝的力學簡析】

一、鋼材性質與含碳量

製作刀劍的鋼材,有兩個基本屬性需要考慮,一是硬度,二是衝擊韌性。依照材料力學的定義,硬度是金屬材料抵抗更硬的物體壓入其內的能力(也就是這把刀能夠切割多硬的東西),衝擊韌性是材料抵抗衝擊載荷的能力。

製刀過程中,鋼材選擇上,追求刃口的硬度與刀身整體的衝擊韌性兼備。格鬥中,刃口則應足夠堅硬,以保證其鋒利程度以及刃口不致崩壞;而刀身應具有一定衝擊韌性,以免在對方兵器的衝擊下,刀身輕易折斷。然而,即使刀身整體衝擊韌性足夠,也並非追求整體的硬度越高越好,刀背如果跟刀鋒一樣硬度很高,那麼衝擊時刀刃吸收的能量過大,刀刃將會容易碎裂。

日本刀做法

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