做者| 武际可 北京大学力学系
§1 各类刀具
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、削生果皮,等等，无处不消刀。即便是如许，刀的重要性仍是比古时降低了。
在冷刀兵时代，刀不只用于防身，还可用于肉搏厮杀。刀的好坏表现一个国度的强弱。一侧有刃的是刀，两侧带刃的称为剑，刀剑就成为最重要的兵器。那些好的刀剑就十分宝贵。
古小说《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。
我国造刀剑的汗青很长远，春秋时代，有文献记载说楚王命人造剑三把：名为龙泉、太阿、工市。又说楚王令胡风子造剑干将、莫邪两把。越王命欧冶子造剑五把，名之为纯钧、湛卢、豪曹、鱼肠、巨阙。那里造剑妙手胡风子和欧冶子是师兄弟。那些剑都十分有名，人们视为宝物。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素材造成的。由青铜造成的剑身很薄，量地脆，很随便折断，只适刺杀而不适劈砍，因而其时人们把剑称为“曲兵”。和秦始皇同期间青铜剑，西方考古还没有发现长度超越30厘米的，而西安戎马俑里发现的那些古青铜剑（图1 下），均匀近1米长，至今没有锈蚀、寒光逼人。
图1 古代青铜剑
1965年。在湖北江陵看山的战国墓中发现一柄青铜剑（图1中），那把长55.6厘米、宽5厘米的剑闪现斑斓的流线形，擦往浮尘后，剑身通体粉饰的黑色菱形斑纹像星光一样闪烁，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“越王勾践自感化剑”。
科学家发现剑的中脊和两刃是用两种差别成分的青铜铸接而成，剑刃坚硬而尖利，剑心却有很强的韧性。那刚好印证了传说中的“复合剑”确有其物。
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图2 唐剑（上）、宋朴刀（中）、清牛尾刀（下）
中国自汉朝以后，铁有了规模消费，工匠们小量颠末不竭锤锻可以把铁炼成钢。于是就呈现了可以“削铁如泥”的钢刀。至唐代的唐剑到达造剑身手的更高峰。后来那种身手传至日本，构成后来闻名于世的日本武士刀。国内做为刀兵的刀剑，在外形与功用上 固然有上百种改变，但造造身手上始末没有再进步，并且因为历代统治者惧怕民间拥有兵器，对造刀剑加以多种限造，唐代的造剑身手后来也失传了。
放眼世界，在刀剑造造身手上，有三大闻名的门户。那就是大马士革刀、马来克力士剑、日本武士刀合称为世界三大名刃，见图3。
图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）
大马士革刀古时做为印度、波斯、阿拉伯等国的刀兵。更大的特征是刀身充满各类斑纹。那种斑纹是在铸造中构成的，与折叠锻打构成的焊接型斑纹钢（包罗中国剑、马来刀等等）或者淬火型斑纹钢（日本刀）差别。古代几乎所有的斑纹钢都是用来造造兵器的，因为斑纹可以使刀刃在微看上构成锯齿（肉眼无法辨认），使得刀剑愈加尖利。大马士革刀以伊朗为代表。伊朗古代铁刀兵极为闻名，其时的蒙古、印度、土耳其以及东方列国王室均聘用波斯良匠铸造刀兵，跟着年代的推移，人们逐步忘却波斯人，而径曲以大马士革称唤。
克力士剑则需要匠人在铁矿稀少的印尼群岛操心搜集镍元素含量较高的铁及各类素材，颠末数百次的折叠锻打和淬火回火等工序，才气完成根底的锻造。
克力士剑刃身上的水波状斑纹，来自于差别素材颠末酸洗后的改变。一把顶级的克力士剑，素材更为稀有，有时需要摘用来自外太空的陨铁停止锻造，是实正意义上的来自星星的剑。但那个级此外克力士剑凡是只要皇家才气拥有。素材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气中的地位无比高尚。
日本的武士刀，具有体暗光斑纹，有边花、腹花、小暗斑、粗暗斑等花色。由冶铁、造刃、淬火等过程造成。颠末频频锤锻的钢才能够造刃，日本人还要将钢料与熟铁组合为刀体。以使坚硬的钢与柔嫩的熟铁刚柔相济，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。”
简单介绍完做为刀兵的刀后，让我们看一看做为日常利用最多的一种刀——厨刀。
图4 西方的部门厨刀
假设你走进外国人的厨房，你会发现有各类刀具（图4），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，专刀公用所在多有。而中国人的厨房里大多就一把菜刀（图5），一刀多用，样子也挺笨，像一块方板。不外可别小看它，用一把菜刀能够切、剁、斩，拍、片，切菜、切肉、切鱼、切鸡鸭、剁排骨。并且仅切的刀法就有曲切、推切、拉切、锯切、铡切、滚切等六种办法。能够切片、切丝、切丁。还能够用于把漫衍在案板上的菜，铲、搓在一路间接进锅。
图5 中国厨刀
中国厨刀之外，国际上德国和日本的厨刀也很有名。次要的长处在于他们的厨刀比力尖利、耐用。那和他们在造刀的身手和用材上有深进的研究有关。并且他们除了消费西方形形色色差别用途的厨刀外，近年来也消费中式厨刀。有时用大马士革刀的手艺和更新的手艺消费比力宝贵的厨刀。
跟着近代工业的鼓起，金属成品加工需求的增长，促使一种新型的刀具问世与敏捷开展。那就是各类机床所利用的刃具。车床、铣床、刨床用的车刀、铣刀和刨刀，各类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通俗的刀剑切削一样。只不外它们的硬度要特殊大，刃具的构造与尺寸需要更为精巧的研究与设想。
图6 各类钻头与刀具
§2 什么样的刀是好刀？
在人们曲觉中，好刀必然要十分尖利。确实是如许。
进一步问，什么是尖利呢？就是刀刃上最薄的处所厚度要小。小到什么水平呢？当然是愈小愈好。就吉列剃须刀的刀片来说，它的最薄的处所只要0.4微米。亦即 4ⅹ10 -5 cm 。
刀刃那么尖利，有什么益处？我们拿它瞄准物体想象接触长度是1cm，那末接触面积应当 是 4ⅹ10 -5 cm 2 ， 如今假设在刀片上施加40g的力，那是很小的力了，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/cm 2 ， 就是说，每平方厘米一吨！那么大的压力强度，即便是铸铁（铸铁在受压时的毁坏强度大约 是 800kg/cm 2 ) 也要压坏了何况剃胡须呢，所以用刀片剃起来非常轻松一点也不吃力。从那里我们就熟悉到尖利的刀刃，在同样使力的前提下可以使刀与物体的接触面压力强度加大。尖利的刀锋可以使切削用力减小，省力。
单单刀刃尖利了，是不是就能成为好刀呢？就以上面举的例子来看，刀刃感化在物体上的压强到达每平方厘米一吨，感化力与反感化力是相等的，那末物体感化在刀刃上的压强也是每平方厘米一吨！假设刀刃用的素材欠好也可能在如许大的压强下不是物体毁坏被割断，反而会使刀刃受损，可见刀刃尖利只是好刀的需要前提而不是足够前提。好刀还需要在素材上下功夫。
假设刀的素材很软，那就什么也切割不动，废料一把。春秋战国期间人们晓得最软的金属是铅，于是用铅做的刀，即“铅刀”来描述没有用的工具。有时人们自谦时也把本身比方为铅刀。
现实上，几千年来人类为了改进刀剑所花的功夫次要是在觅觅好的素材上。许多好的工艺也都是为了使素材的硬度得到足够发扬或改进素材的性能而研究出来的。
常见的刀刃受损的情状不过两种，即崩和锩（图7），崩是因为刀刃的素材懦弱，碰着物体比力硬随便脆断时，刀刃崩掉一块多块或折断；锩是因为刀刃的素材比力软，碰着硬的物体刃就卷起来或者使整个剑弯曲。若何使刀切割时既不崩也不锩，那就是值得认实根究的问题，并且研究它具有悠久的汗青。
图7 刀刃的崩与锩
青铜器时代，刀剑都是用铜和锡的合金造造的，所以锡所占的准确比例就成为其时好刀的关键。在春秋时代的文献《吕氏春秋》中有一段记载铜和锡的争论：‘相剑者曰：“白所认为坚也，黄所认为韧也，黄白杂则坚且韧，良剑也。”难者曰：“白所认为不韧也，黄所认为不坚也，黄白杂则不坚且不韧也。又柔且锩，坚则折，剑折且锩，焉得为白？”’那里白指锡，黄指铜。那段话阐明其时人们对那两种成分做剑，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路，是把它们的长处合在一路了呢，仍是把它们的缺点合在一路了呢？那是人们犯迷惘的处所。
大约统一期间，记述其时官办手工业标准《考工记》中有记述：“三分其金而锡居一，谓之大刃之齐。”那里齐是其时合金的意思。阐明当锡占三分之一时，是其时更好的造剑配比。考古研究，好的越剑大致是契合那个比例的。
汉以后进进铁器时代，铁比铜的硬度大许多，是造刀的好素材。不外最后人们炼出的铁，是生铁，比力脆，那样的刀随便崩刃和折断。后来人们发现，颠末不竭锤炼的铁，不只硬度大并且不脆，用它做刀剑，尖利无比不崩也不锩。那就是后来产生的唐刀。
后来颠末研究，本来初冶炼出来的铁，含碳量高，约大于2%。颠末频频锤炼以后，含碳量降低到0.03%-2%,那就是钢，假设含碳量在0.03%以下就是通俗说的熟铁了。熟铁比力软，做刀易于锩，所以不消。
汉代以后固然一些能工巧匠可以锤炼出钢，但因为仅出于少数人的手工，数量很少，现实上钢在其时仍是稀缺之物，还不克不及整把刀剑都用钢来做，所以要“好钢用在刀刃上”。图8 就示意白色的好钢若何用在刀刃上的现实做法。即便是如许，一把钢刀也是非常宝贵的。
图8 钢通过镶嵌或包裹的体例用于刀剑
到19世纪中叶，炼钢可以工业化批量消费，于是钢刀就可以普及了，以致于通俗的厨刀、生果刀、裁纸刀、剪刀、斧子等用具，大都可以用钢造造，成为普通化的产物。
钢普及后，刀具的改进就要逃求进一步高硬度、高耐磨、有韧性、耐侵蚀的新素材。人们发如今铁中添加适量的铬、钨、锰、钼、钒、铌、钴、钛等金属，钢的性能会有差别水平的改进。那就产生了新的硬量合金系列和由它们造成的刀具、机床用的刃具或钻头。添加金属的品种、比例差别性能会有很大的区别，那些新型合金的配方和冶炼办法大多有专利或保密。
与金属刀具开展的同时，人们重视到陶瓷在硬度、耐磨性等方面的长处，开发出利用陶瓷造造的刀具。那种刀具尖利、耐磨很好，其缺点是因为陶瓷比力脆，不适于砍剁等动态碰击前提下利用，同时要避免它从高处跌落，以防摔碎。
近年来，人们又创造了刀具外表涂层的办法，特殊在高速切削时来增加刀具外表的硬度、耐磨性、减轻刀具与加工物的粘合与化学反响。凡是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)等 。
介绍了刀具的素材，我们来谈一谈刀刃问题。我们前面说刀刃务求尖利。那也不是绝对的，假设刀刃过薄像吉列刀片似的，那末当被切的物体有比力强的韧性时，刃就随便弯曲或断裂，所以刀刃的剖面现实上是很有讲究的。差别的切割对象应当摘用差别的刀刃剖面。图9列出了常用的13种刀刃剖面。
图9 刀刃的各类常见的剖面
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）。假设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、生果刀、西瓜刀、刺刀、剪刀都能够选用差别的有利的剖面。
应当阐明的是，所有尖利的刀刃都是磨出来的，“宝剑锋从磨砺出”。无论是铸造、锻造仍是机械切削都不克不及得到尖利的刀刃，它们只能造造刀胚，再通过磨刀往“开刃”使刀口尖利，或者利用磨床加工得到尖利的刀口。磨好的刀用久了，刀刃会因为磨损而不尖利，就需要再度磨砺使它尖利。
磨刀也是一种手艺活，不只磨刀时持刀的力度，刀刃与磨石连结什么角度有讲究，就是磨石粗细的选用也有路径。别的磨刀时一般应当在磨石上涂水或油，而不克不及干磨，因为干磨摩擦所生的热会使通俗钢刀的刀刃的外表退火产生软化，刀刃不耐用。
机床用的刀具，品种繁多且比力复杂。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10右图刀上黄色的三角形块），是硬度特大的高速钢。能够看出机床的切削，现实上是“削”而不是“切”。好像通俗用刀削生果皮，在刀刃压进果皮后刀刃沿着皮的必然厚度前进而不是间接切进生果的深处。在车削时车刀是相对静行的，而工件在相对车刀高速动弹，车刀在工件上做相对运动。差别的是因为车刀切削时受力比力大，车刀比力厚以以致它的刃酿成一个棱，棱的角要包管是实正的角不克不及是一段“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连结必然。
图 10 车削与车刀示意
到二十世纪后半叶，人们创造了激光，是由频次单一、可以切确地大长途束细和使能量高度集中的光束。那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，可以将它熔化割断。啊，那就是一把极妙的激光刀。如今，激光刀已经利用得良多。用它切割金属，既切确又节约素材，用它停止外科手术取代传统的手术刀，既切确又随便行血。那是一类崭新的刀具，已经在许多范畴代替了传统的刀具。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，用它照射仇敌使其丧失战斗力，在战场上必然水平上它可以代替传统的刀剑。激光刀确实是一把好刀。它的利用前景未可限量。
图 11 激光切割
§3 素材的硬度
前面说过，一把好的刀子选用好的材量是很重要的。
但是若何选用好的素材，若何合成合用的好的素材，给了一块素材若何评定它合适不合适做刀，那是一个很复杂的问题。
最间接的办法就是往试，用给定的素材打造一把刀，在用它往切割差别的工具，试用称心了，就说那是合用造刀的好素材。不合用，以后就不会有人拿它造刀了。
素材是开展的，青铜器时代，铁器时代，钢铁时代，激光时代，所以人们就要不竭地往试，不竭获得体味。几千年来，汗青上的好刀名刀都是如许不竭试验中产生的。
近代以来，人们把那种纯朴的试验刀子素材硬软的办法用来辨别矿物的硬度。在1812年，德国的矿物学家Friedrich Mohs（1773-1839）提出用10种矿物来权衡世界上最硬的和最软的物体，那就是所谓的摩氏硬度计。他抉择被测样品的锋利部位，在已知硬度的平面型矿物硬度计平面停止刻划，刻划硬度的测试由低至高依次停止。看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，使揣度失误。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，曲至介于两个硬度级别之间或相当于某一硬度计为行。根据它们的软硬水平分为十级：1滑石、2石膏、3方解石、4萤石、5磷灰石、6正长石、7石英、8黄玉、9刚玉、10金刚石，各级之间硬度的差别不是均等的，品级之间只表达硬度的相对大小。
摩氏硬度常用测试硬度的物量：铅：1.5，指甲：2-3，铝：2-2.5，铜：2.5-3，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。
摩氏固然提出了素材硬度的概念，而且把硬度划分品级，但是还有不科学的处所。起首两种素材彼此划，关于它们之间的压力没有考虑，因为压力差别对划痕的深度是会有影响的；其次，他只是用一种物体的锋利部门往划，而没有对锋利部门的外形做出严厉的规定，锋利部门的外形也会影响划痕的。
用刀子切一个物体，那是一类再通俗不外的问题了。从力学上讲，就是差别素材的两个物体在必然压力之下接触，此中一个是刀刃外形，比力尖利，另一个能够看做接触面是平面,问那两个物体哪个先毁坏。也就是说，是接触平面的阿谁被切开，仍是刀刃锩了？被切开或锩了，我们管它喊毁坏，要问哪个毁坏了，仍是两败俱伤？或者换一种说法，不管两种素材的外形若何，在压力下只要很小的面积接触，问哪个毁坏？
通过大量的试验，人们发现，在必然压力下细小面积接触时比力常毁坏的素材不适宜做刀子，比力不随便毁坏的素材适宜于做刀子。
曲到二十世纪初，人们才把压力接触下毁坏的难易水平切确化为一个概念：硬度。
人们想了一个办法往确定差别素材的硬度。想象用一种最坚硬的素材做一个锥子（锥子头用给定曲径的硬量钢球——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），在必然的压力下往刺被测试的素材，用产生毁坏的水平（压痕曲径——布氏硬度，压痕深度——洛氏硬度，压痕对角线——维氏硬度）来标记所试素材的硬度。通过所施加的给定压力（洛氏硬度又分为三档压力，所得到的硬度别离标为HRA、HRB、HRC），我们就会通过硬度测试办法得到差别的硬度原则。工程师们同时还给出了差别硬度系列彼此换算的办法。因为篇幅所限那里不详细介绍了，读者能够参考有关文献和素材力学的介绍。
一般认为洛氏硬度在HRC为60摆布的素材所造的刀就是相当不错的刀了。试验表白硬度值增高，素材的脆性也随之增加。所以硬度值过高的素材随便崩刃或折断，不适宜做刀。
图12 硬度原则示意
§4 小结
几千年来人类创造和利用过形形色色的刀。因为差别的用途，刀的外形、剖面、大小、长短各差别。
好刀不只要求尖利，更重要的是素材要好，要使刀在切削或砍剁时刃不崩不锩，刀身不弯不竭。素材起首要有足够的硬度，而且又有恰当的韧度。
为辨别素材，人们引进了素材硬度的概念，而且开展了若干查验素材硬度的办法和原则。
因为刀的重要性，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、刀体的复合手艺、刀体锻造工艺、激光刀具等等。
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