轉自：汗青 熱處理技術研究所 6月13日
大家都知道，最近《倚天屠龍記》的新版開播了，又颳起了一股兵器風，畢竟倚天劍和屠龍刀是絕世之寶。記得咱們分享過周芷若用屠龍刀去砍倚天劍，讓我們發現了倚天劍的製作工藝，有興趣的小夥伴可以點擊下面這張圖看一看製作工藝：
學會了倚天劍的製作，大家估計娶周芷若這樣的美女是有保障了。娶完周芷若，咱們還分享了刀劍為何能削鐵如泥，吹毛斷髮，大家可以點擊下面這張圖片了解大寶劍的秘密：
今天，咱們再聊一聊其它的寶劍，幹將莫邪大家也都知道吧，知道它們在製作過程中是怎麼滲碳的嗎？內容過於專業和精彩，估計你們又漲不少知識，學會了又多一門手藝，江湖又是一場血雨腥風啊。。。
需要說明一下的是，本文的主要內容是參考了冷兵器研究學者-汗青發表在知乎上的文章。
滲碳：是對金屬表面處理的一種，採用滲碳的多為低碳鋼或低合金鋼，具體方法是將工件置入具有 活性滲碳介質中，加熱到900--950攝氏度的單相奧氏體區，保溫足夠時間後，使滲碳介質中分解出的活性碳原子滲入鋼件表層，從而獲得表層高碳，心部仍保持原有成分。相似的還有低溫滲氮處理。這是金屬材料常見的一種熱處理工藝，它可以使滲過碳的工件表面獲得很高的硬度，提高其耐磨程度。
簡單的說，滲碳就是增加鋼鐵製品的碳含量。鋼的含碳量越高就越硬，古代通常都採取表面滲碳，以提高鋼鐵製品的堅硬度。
我們從史料記載、傳統匠人的工藝及從日本等地傳承的古法冶煉和鍛造的工藝，可知至少分兩大類：一類是在冶煉時滲碳；還有一類是在冶煉得到成品鋼鐵後，在鍛造過程中進行滲碳。
日本刀匠一直使用至今的古法冶煉，這種方式其實是原始的使用木炭燃料進行悶燒獲得海綿鐵的技術。這種方式最大的缺點就是木炭溫度最多只能達到1200℃上下，要把木炭覆蓋在礦石上連續燒好幾天才可以。而燃燒過程是會讓鋼鐵失碳，但覆蓋木炭進行悶燒這種手段，使得一些未燃燒的一氧化碳經過反應，最終成了滲碳過程，局部地補充了含碳量。
這種冶煉方式得到的海綿鐵成品成分非常複雜，還有不少有害雜質，各部位含碳量不一樣。鐵匠會把成品海綿鐵砸開，憑經驗挑出含碳量接近的部分歸類，再分別用於不同的用途。
還有一類是在冶煉得到成品鋼鐵後，在鍛造過程中進行滲碳。這個過程中的滲碳手段更多，也更為複雜。大體上可分為固體滲碳和液體滲碳兩類，具體內容下面進行一一介紹：
對製品進行固體滲碳。如日本刀製造時，在摺疊鍛打鋼鐵時，會在工件外包裹紙張和草木灰及泥漿等進行鍛打，這是一種滲碳手法。紙張草木灰都是滲入劑，泥漿則是分散劑，可防止碳滲入物黏結不勻、以及幫助析出炭黑。
我國明代《天工開物》裡記載的制針方法，也是固體滲碳，但和日本刀製造過程中的滲碳技術比，這是屬於非常高端的外熱式箱體滲碳技術。
這種技術，是把工件整好形，放入坩堝等容器中，然後蓋上木炭、豆豉、土末，在容器外加熱。木炭、豆豉自然都是滲碳用，土末依然是分散劑。這種滲碳技術的好處，是工件得到的滲碳非常均勻且穩定，且碳勢很高，效率和效果都相當好。其實這種技術到現代也還在用的，就是所謂的「燜鋼法」。
另外還有些和日本刀鍛造過程中的滲碳技術一樣的做法，但用的材料不一樣。如明代的《物理小識》裡說，要用大醬和硝塗抹工件，然後進行熱處理——不要小看這點不同，就這一點點不一樣，事情的性質就變了。
大醬和豆豉的材料是一樣的，但硝是含氮的，所以這種滲碳技術就是碳氮共滲技術，大醬和硝是共滲介質。用木炭豆豉泥漿是一種技術，一換成大醬和硝就成另外一種原理都不同的技術了。
另外還有用油脂、動物角和毛髮指甲，以及自然灰也就是碳酸鈉（這是很好的是催滲劑）等等一起進行滲碳的。實際上這種技術到現在也還在大量應用，一般用機油和碳黑等材料製成的膏劑對工件進行塗抹，然後進行滲碳處理，叫膏體滲碳。
一定有很多人想知道古代那些神兵利器尤其是那些名劍都去哪裡了吧？《吳越春秋》裡有記載製造我國古代著名寶劍「幹將」的過程。從這個記載裡，可以知道幹將因為「金鐵之精」不能「銷」，於是投入毛髮和指甲，然後再讓人投入大量木炭，最終「金鐵之精」溶化而成劍。這其實是一種比較原始的液體滲碳技術。
在青銅器盛行的年代，出現了一把鋼鐵劍，當然是毫無疑問的寶劍了，削那個青銅如泥這絕不是傳說。但問題在於鋼鐵器太容易腐蝕了，一不小心就爛成渣。從幹將的記載看，我認為中國古代，尤其是春秋戰國到西漢的絕大多數名劍，都因為是鋼鐵器所以才稱雄一時，但也恰恰因為它們是鋼鐵器，又很快地被時間之河侵蝕因而徹底消亡——這就是為什麼幹將莫邪純鈞湛盧等等絕代名劍都不見後世的根本原因。
再就是著名的灌鋼法了。這種技術是把生鐵當滲碳劑使用，對熟鐵進行滲碳，得到合適含碳量的鋼。所以這種技術都是先製備好熟鐵，然後將生鐵溶化淋到熟鐵工件上進行滲碳。這種技術在我國文獻裡記載相當詳細，如《天工開物》。
南北朝時期的著名刀匠綦毋懷文造宿鐵刀的技術也是一種滲碳技術。《北史》的記載是這樣的：「又造宿鐵刀，其法燒生鐵精以重柔鋌，數宿則成剛。以柔鐵為刀脊，浴以五牲之溺，淬以五牲之脂，斬甲過三十札。」從「燒生鐵精以重柔鋌，數宿則成剛」一句看，這依然是把生鐵當滲碳劑用，且很可能他最終造出來的是某種花紋鋼產品。
在滲碳技術之餘，是古人對催化介質的不斷認識和創新。
譬如幹將用毛髮指甲，以及明代文獻記載中大量使用牛羊角及其灰燼、油脂、自然灰，還有箬皮灰、青鹽、砂等等，都是這類。這些東西，動物毛髮之類都是含氮的，氮能降低鋼鐵的臨界溫度，加大淬透性，並提高滲碳速度和工件表面硬度，是非常重要的滲碳介質。這些演變，都是滲碳技術裡的一個分支發展，就是碳氮共滲技術。
中國古代造刀劍一直都有投入動物毛髮指甲乃至骨骼的傳統，而傳說中以身殉爐的也不少，這些做法在本質上就是增氮滲碳法——其實古人跳爐子是真有科學道理的……
==========================轉自：中國科普博覽 2020-07-04
抽刀斷水水更流，舉杯消愁愁更愁。（圖片來源：veer圖庫）
自古以來，把水斬斷往往比借酒消愁更加困難。即使鋒利的刀劍，面對涓涓細流也顯得無可奈何。
不過，如果有一把無形的「刀」，情況就完全不同了。
這把「無形刀」就是物體表面的特殊粘附力圖案。
近日，中科院化學所宋延林課題組與清華大學馮西橋、李群仰研究團隊合作，在固體表面設計粘附力圖案，當下落的液滴碰撞到該固體表面後，液滴能夠在毫秒時間尺度內完成自發切割，成為數目可控的多個小液滴，並可在預設的位置進行沉積。該項研究利用只有分子層厚度的「無形刀」實現了液滴的快速可控切割，並提出了液滴切割的定量化判據，在功能器件製備、組合化學及快速檢測等領域具有應用前景。研究成果近日發表於《Angewandte Chemie International Edition》（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 10535- 10539），被期刊選為Hot paper（看論文請戳下方「閱讀原文」）。
無形的「液刀」切割液滴過程及文章封面亮點報導
微液滴的可控制備及在固體表面的沉積對於高通量篩選、功能材料圖案化以及複雜樣品分析檢測等過程非常重要。由於液體的流動性和可變形性，以及分子間存在的範德華力、氫鍵等相互作用，均勻微液滴的製備往往需要藉助複雜的設備，例如噴墨印表機、微流控設備等。使用滴管、移液槍等常見工具製備體積相等、分布均勻的微液滴陣列，一直是一個難題。
研究人員在低粘附的固體表面設計製備了高粘附的圖案。由於該製備通過選擇性分子修飾過程實現，因此整個表面的物理形貌相同，僅存在化學分子層的差異。
固體表面「液刀」的形貌表徵和分子結構示意圖
藉助高速成像系統，研究人員發現，當液滴以一定下落速度碰撞到該固體表面後，其首先鋪展成為近似圓形的液膜，並在2毫秒左右的時間內達到最大程度的鋪展。隨後，不同位置的液膜發生不對稱的回縮，並在數毫秒時間內將液滴切割形成多個微液滴。通過對粘附力圖案進行設計，可以將一個液滴切割成為不同數目且體積均勻的微液滴。並且，切割形成的微液滴能夠在預設的區域進行沉積，形成微液滴陣列圖案。
切割各種功能材料液滴形成的微液滴圖案
研究人員對該過程進行了建模和分析，發現控制液滴在固體表面行為的因素為固液之間的粘附力。通過對表面粘附力的調控，能夠誘導鋪展液膜產生各向異性的回縮行為。基於對該過程的分析，研究人員提出了液滴切割過程的定量化控制規律。
液滴切割過程建模分析
為了研究無形「刀」切割液滴過程中的流體動力學過程，研究人員將氯化鐵溶液作為待切割液滴，並在左側的高粘附區域預先沉積硫氰化銨。硫氰化銨能夠和氯化鐵發生反應，產生紅色絡合物。對該過程進行觀測，可以看出在液滴接觸圖案化基底的瞬間（<1毫秒），處於左側高粘附區域的液體內部已經出現紅色絡合物。隨著液滴鋪展以及後續切割的進行，紅色絡合物一直被限域在低粘附「刀刃」的左側，不同微液滴間未發生物質交換。
基於此原理，研究人員在基底表面的四個高粘附區域預先沉積四種化學物質，當液滴滴加到該表面並通過自切割形成四個微液滴後，能夠分別與四種物質發生相互獨立的反應，並且能夠對不同反應進行實時觀測和對比。進一步，研究人員製備了具有四個檢測區域及一個參比區域的汙水檢測晶片。當一滴汙水滴加到該表面後，能夠同時對汙水中的多種金屬離子及酸鹼性等進行快速鑑定，為未來的可攜式檢測設備研發、組合化學等方面提供了新的思路。本項目得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、博士後創新人才支持計劃和博士後基金資助。==========================轉自：原創 全日精英高校聯盟 中國科普博覽 6月16日
大家一定經常聽到這樣的說法：「削鐵如泥，吹毛即斷，古代的刀具非常鋒利，只是製造技術已經失傳，我們再也做不出這麼厲害的刀了。」古代名刀製造技術真有這麼牛，現代技術都無法複製嗎？答案並不是那麼簡單。以大馬士革刀為例，在古代，大馬士革刀是上等的刀具。從公元前6世紀開始，一直到大約1750年，它都是頂級刀劍的代表。然而，大約從1750年開始，高檔的大馬士革刀劍逐漸從市面上消失了。到19世紀早期，就連品質較低的產品也慢慢淡出了人們的視野，這就是我們常說的大馬士革刀的「失傳」。關於它的失傳原因，目前存在很多說法，不過可能性較高的是作為其製作原料的印度產烏茲鋼錠遇到了資源危機，因而不得不逐漸消亡。近代金屬材料學的分析結果顯示，釩可能是促成烏茲鋼較高力學性能以及特殊紋樣的主要原因。古代工匠無法從元素組成的高度來對產品品質進行管控，一旦指定礦石產地資源枯竭，便很難利用其它原料再現從前的產品。畢竟鋼鐵實際上是多種元素構成的合金，成分極為複雜不說，最終性能還可能受到具體熱處理路線的影響。從這個意義上來說，古代的大馬士革刀可能真的已經失傳了。不過，這並不是說現代技術無法製成與之類似的刀具。現代工藝完全可以製成類似的花紋，而且拜更高性能的現代冶金機械所賜，花紋的紋樣與古代比還更加多變。加上人類對鋼鐵材料學和熱處理工藝的深入理解，刀具整體的綜合力學性能也要高於過去的產品。但仍有不少現代工匠和學者固執地認為如今生產的大馬士革刀與其古代同類是完全不同的存在。的確，任何一種古代工藝的復興都存在類似的問題，即便在性能上已經有了接近乃至超越，但畢竟時過境遷，很多當年的條件已經不復存在，百分之百的復原有相當大的難度。今天的工匠和科學工作者執著於復原這些古代工藝的努力仍然值得欽佩，只是復原程度到底達到多少才算成功就是見仁見智的事情了。「削鐵如泥，吹毛即斷」從古代開始就是我們形容刀劍鋒利程度的至高標準。如今我們可能無法百分百復刻一把大馬士革刀，但要製造出達到古代「至高標準」的刀具，現代技術是完全可以實現的。以削鐵如泥為例，工業工具機上用來加工其它金屬零件的各種刀具切削起鐵來簡直比砍瓜切菜還要輕鬆。首先，硬度是決定鋒利程度的首要因素。當兩種材料相遇，相互發生摩擦時，誰將受到劃傷，誰又會相安無事？決定材料間相互摩擦時加工/被加工關係的是材料的硬度，硬度越高越耐磨，硬度越低則越容易被劃傷。硬度是材料的基本屬性之一，微觀上硬度的含義是材料內部原子發生移動的難易程度。以較為常見的切削工具鋼——高速鋼為例，它的洛氏硬度（HRC硬度）可以達到62甚至更高，而普通鋼材的出廠硬度大約只有25～35左右，在高速鋼刀具面前完全就是弟弟。車銑刨磨各種操作下來，被高速鋼安排的明明白白，網上隨處可見的各種刀具切削視頻就反應了這一過程。當然，如果需要加工的材料本身硬度就達到了高速鋼級別，那就只能採用硬度更高的刀具材質，例如粉末冶金燒結材料、金剛石以及陶瓷刀頭了。其次，光有硬度還不夠，韌性同樣重要。硬度絕非越高越好，適當的硬度才是最好的。為什麼這麼說呢？硬度和材料的脆性是息息相關的，正常情況下，硬度越大脆性越大，韌性越低。想提高鋼材的硬度其實很容易，鋼材冶煉過程中，往往離不開淬火這道工序。經過淬火的鋼材硬度都會有顯著提升，但同時脆性也會極大增加，如不經處理直接使用，很可能硬度雖高，但稍微受到衝擊就會出現豁口。解決這個問題的辦法就是在淬火後加上一個叫做回火的工序，大致可以理解為把加熱後經過極速冷卻的鋼材再重新加熱到適當溫度並保溫一定時間。通過這樣的操作，就可以讓刀具本身尤其是刃口處既有耐磨性，又不至於在切到硬物時立即崩裂。最後，刃口的幾何形狀同樣是刀具，尤其是廚用刀具鋒利程度的關鍵因素。較長的刃口，側面呈現銳角，不僅在切削時擁有更小的接觸面積（更大的壓強，即更鋒利），還有著打磨方便等特點。當然，較長的刃口在加工時要比短刃口更加費事，不少低端刀具（如水果刀等）多採用短刃口，但高檔廚刀往往有非常長的刃口。長刃口帶來的另外一個好處是切開食材離刃時更容易，不至於發生粘刀的現象。總而言之，硬度、韌性、刃口幾何形狀共同決定了刀刃的鋒利度，其中硬度與耐久度關係很大，而韌性決定了刀刃抗豁、抗彎的能力，刃口形狀決定了維護的難易程度。鋒利當然是刀之所以稱為刀的核心要素，但一味追求鋒利並不明智。與刀的使用場合相應的綜合性能更為重要。那麼，刀在不同的使用場合下需要不同的性能側重嗎？答案是肯定的。比如，剔骨時所用的剔骨刀，為了使用方便經常會設計為非常細窄的形狀。這是因為剔骨時往往會把肉吊在高處，過重的刀身會造成作業疲勞，另外刀在肉內部划動時細小的刀身也可以降低阻力。由於在剔骨時要根據骨骼與肉類的連接情況不斷轉換進刀方向，刀身經常會受到扭轉作用力。而在進行長度很大的切割時（比如從頸部一直切到臀部），刀身又會受到很大的側向彎折作用力，如果材質過硬，就容易發生折斷。所以，剔骨刀一般都會採用材質相對較軟、韌性好的鋼材。又如聞名世界的越王勾踐劍，被埋藏於地下兩千年後仍然能有非常高的鋒利度，可以一次切開十幾張疊著的白紙。不過越王勾踐劍材質屬於青銅，綜合力學性能比鋼要低很多，尤其是韌性比較差，所以越王勾踐劍在出國展出的時候出現過刃口人為損壞的事故。而類似的青銅劍在掉落地面時也發生過斷裂為很多截的情況。因此，硬度和韌性的恰當組合對於一把好刀而言是非常重要的。高端的刀具會在刃口處通過調整熱處理工藝增加硬度以提高鋒利程度和耐磨性，然後同時還能保證刀身的韌性，甚至同時利用兩種或者多種材料製作的刀具也並不罕見。在日常生活中，刀具主要是用來進行食材加工的，那麼都有哪些辦法能夠儘量維持刀刃的鋒利度呢？首先，可以把刀具蘸水後再對食材進行切割。尤其是澱粉含量較高的食物，切割時含有大量澱粉的組織很容易粘附在刀刃上，如果刀具乾燥，這種感覺會更加明顯。刀具溼潤後在觸感上會變得更加鋒利，同時食材斷面也會更加美觀。其次，選用材質合適的菜板。與食材相比，菜板的硬度要高的多，給刀具帶來的磨損也會比較大，實際上菜刀變鈍主要是菜板造成的。從這個角度而言，使用質地較軟的樹脂菜板比木質菜板更容易保持刀刃鋒利。不過，由於樹脂較軟，刀刃切入後會有粘刀的感覺，沒有木質菜板帶來的清爽感。因此，如何進行菜板的選擇就見仁見智了。最後，再好的刀具都不可能保證永久的鋒利，特別是每天都會派上用場的廚用刀。刀刃變鈍後再進行研磨當然沒有問題，但在刀刃有明顯鈍感之前就定期研磨是更為合理的選擇。及時的維護可以大大減少讓刀刃重新恢復鋒利所花的功夫，也能在準備食材時一直保證清爽的手感。硬度過低的刀刃可能會很快變鈍，而硬度過高又可能給研磨帶來困難。因此，硬度合理的刀刃可以儘量減少需要研磨的次數，同時還可以在接受研磨後儘快恢復刃口的鋒利度。在日語中，刀刃的鋒利程度叫做「切味」，一個「味」字很好地體現了鋒利度的「玄學」屬性。一把刀有多快，其實不存在定量評價的方法。對於使用者來說，擁有一把趁手的好刀無疑能帶來更爽快的料理體驗。不過，再好的刀也離不開定期的養護。失傳近300年的「絕世好鋼」重出江湖！科學家3D列印出大馬士革鋼轉自：中科院物理所 3天前
網紅技術3D列印，一直在帶給我們驚喜，除了複雜的形狀，在材料性能方面亦展現出巨大的想像空間。
不求連城璧，只求傷人劍。一把稱手兵器是古代大俠標配。這種古老的東西，現在和最新科技結合到了一起。最近，來自德國的科學家，用3D列印技術造出了一坨「絕世鋼坯」，靈感來自18世紀之前的古法制鋼工藝——大馬士革鋼。這種源於古印度的秘技，可以將鐵鑄成兼具硬度和韌性的好鋼，在當時的冷兵器時代被奉為神器。而它的秘訣，就在於不同成分鋼鐵的逐層堆疊，一層硬、一層韌，最終造出的兵器可長期保持刃口鋒利。3D列印跟隨這個思路，直接生產出了失傳已久的大馬士革鋼！中國古代有越王勾踐劍，英格蘭有石中劍和斷鋼劍，日本有天叢雲劍，而伊斯蘭國度，有令歐洲人羨而不得的大馬士革鋼刀劍。這種來自東方的神奇材料，傳說曾讓12世紀東徵穆斯林的英國十字軍望而生畏，並熱烈追逐。在13世紀讓埃及的馬穆魯克騎兵以少勝多，擊退超二倍蒙古兵。拿破崙曾評價：「法國步兵配上馬穆魯克騎兵天下無敵。」一把古代大馬士革刀。冷兵器時代，鑄鐵術直接影響戰爭成敗。|來自網絡但是這一切在18世紀結束。法國遠徵的火炮打敗了這些在中世紀憑藉駿馬寶刀戰無不勝的東方勇士。大馬士革鋼原產地印度也被英國人侵佔，鍛造技術在18世紀中葉神秘失傳。據早前《自然》雜誌一項研究推測，技術失傳很可能是因為鍛造大馬士革鋼的原材料成分發生了變化，礦石中的一種或數種微量成分消失了。原來用於取材的礦脈被採盡，鐵匠們憑眼睛無法察覺這樣的變化，但是再也造不出之前的大馬士革鋼了。為什麼肉眼不可見的微量成分，就能決定大馬士革鋼的命運？這從現代科學來講，很好解釋。我們日常所見的材料，無一不是由一個個原子組成。原子之間結合的緊密程度，決定了材料的硬度、韌性和光澤，等等。現代制鋼也經常會為了得到特定性能，添加一些額外成分。在鋼材中，用來調節硬度的通常是碳元素。在純鐵中，鐵原子呈面心立方或體心立方排列，質地十分柔軟。但加入碳之後，碳和鐵會結合形成金屬化合物碳化鐵（Fe3C）。因為鐵和碳之間結合力遠高於鐵原子之間結合力，所以硬度會大為增強。細看大馬士革鋼，會發現其表面有著如雲海一般夢幻的銀黑花紋。這些花紋就是碳含量不同所致。也生動表現了什麼叫剛柔結合。其中黑色花紋就是含碳量較低（0.8%）的珠光體（現代煉鋼也這麼叫）。它韌性非常好，但是硬度不高，也就是軟。銀色花紋是含碳量較高（6.7%）的滲碳體，它硬度要高得多，然而韌性幾乎為零，也就是脆。這兩種成分單獨做刀劍，都帥不過三秒，但是結合在一起，卻是鋒利度和韌性兼具，所向披靡。典型的大馬士革刀及其表面花紋。|來自網絡
Philipp Kürnsteiner, Markus Benjamin Wilms, AndreasWeisheit, High-strength Damascus steel by additive manufacturing, Nature,582: 515-519, 2020.
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