钢铁为什么要淬火处理（揭开宝刀削铁如泥的秘密）

来源：刀剑情报局 作者青铜

武侠世界，英雄出手，疾如电，快如风，手起刀落，刹那间取人性命。以前的宝刀真能削铁如泥吗？是如何做到的？我们来进入刀剑的内部，看看它的微观世界里究竟藏着哪些秘密！

影响刀剑性能的一堆孪生兄弟，“马氏体”和“奥氏体”

马氏体和奥氏体，是钢铁内部的两种晶体结构。把（中高碳）钢加热到一定的温度，迅速冷却（淬火），一般得到的就是马氏体。马氏体的内部结构稳定，制作成的刀剑更坚硬也更锋利。

马氏体转变的速度极快，淬火的瞬间，体积膨胀，钢铁内部会形成很大的内应力。所以淬火之后要及时回火，防止因为应力而开裂。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，直到获得合适的性能。马氏体具有高强度、高硬度，但是韧性很差，其特点是硬而脆。所以要想提高淬火钢的塑性和韧性，必须用提高回火温度的方法，牺牲部分强度而换取韧性。

奥氏体是碳在γ-Fe（温度在910℃-1390℃之间的纯铁）中的无磁性固溶体，是钢铁的一种层片状的显微组织。奥氏体的晶体结构为面心立方结构(fcc)。

奥氏体的塑性好，强度较低，具有一定韧性，易于加工塑性成形。因此，钢锭，钢坯，钢材一般被加热到1100˚C以上奥氏体化，然后进行锻轧，塑性加工成材或加工成零部件。

奥氏体不具有铁磁性，因此奥氏体钢可以作为无磁性钢。然而特殊成分的Fe-Ni软磁合金，也具有奥氏体组织，却具有铁磁性。

奥氏体导热性差，所以，厚钢件在热处理过程中应当缓慢冷却和加热，以减少温差热应力，避免开裂。

宝刀为什么要经过折叠锻打？意义何在？

折叠锻打是一种人工锤锻的方法，常见的主要有：团打、流水、旋焊、马牙等，锻打出的刀剑表面往往会呈现出花纹，这是折叠锻打的层理的外露。

用折叠锻打的方法制造刀剑，一方面是为了将钢铁中的杂质锻出，以提高刀剑的品质；一方面可以将几种软硬不同的钢材锻打到一起，使制成的刀剑同时具备硬度和韧性。后来随着技术的进步，人们逐渐掌握了采用不同的锻制方法，获得不同花纹的技术，从而使花纹钢制刃术又得到了发展和完善。

重新认识淬火

淬火，是将钢加热到临界温度以上温度，保温一段时间使之全部或部分奥氏体化后，再以大于临界冷却速度的冷速，快速冷却以进行马氏体转变的金属热处理工艺。常用的淬冷介质有盐水、水、矿物油、空气等。

淬火的目的是使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变，得到马氏体或贝氏体组织，然后配合以不同温度的回火，以大幅提高钢的刚性、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等。淬火还可以改善某些特殊钢的材料性能或化学性能，如提高不锈钢的耐蚀性，增加磁钢的永磁性等。

热处理背后的科学原理碳钢

在讨论钢之前，我们还需要先说说纯铁（Fe），纯铁在912℃以下，呈体心立方晶格，叫作α-Fe，在912~1394℃之间，为面心立方晶格，叫作γ-Fe；在1394℃以上，熔点1535℃以下，又成了体心立方晶格，叫作δ-Fe。什么叫立方结构？形象来说，就好比是铁原子排列成三维的方阵，那叫简立方，如果每4个相邻的铁原子形成的正方形中间都再放一个铁原子，那就叫面心立方；如果每8个相邻的铁原子的中间都再放一个铁原子，就叫体心立方。

这种图只是表示相对位置，实际上原子之间不会离这么远，稍微写实一点的是这样的：

面心立方的铁原子堆积，实际的原子也不会正好是球体，只能说大致如此

钢的本质，是铁和碳和合金，碳原子比铁原子要小得多，碳原子会尽量待在铁原子的间隙当中，面心立方晶格的间隙比较大，可以容得下碳原子，碳原子存在于铁原子的间隙中，就形成一种叫作“奥氏体”的结构。

1538℃以上为液态

1538℃ — 1394℃ 体心立方晶格 δ—Fe铁

1394℃ — 912℃ 面心立方晶格 γ—Fe铁

912℃以下至低温 体心立方晶格 α—Fe铁

在刀具钢中，可以分为碳钢和不锈钢两大类。碳钢比不锈钢便宜得多，但碳钢在锋利度上，要胜过不锈钢，其他如强度、韧性等，只要热处理做得好，碳钢也不差。碳钢的惟一缺点就是会生锈。

现代的碳钢，实际上也含有少量的合金元素。即使日本武士刀这种纯淬的传统工艺，是最纯粹的碳钢，也难保里面完全没有别的元素。但我们认识钢材，还需要从“纯碳钢”开始。

钢的本质，是铁和碳和合金，碳原子比铁原子要小得多，碳原子会尽量待在铁原子的间隙当中，面心立方晶格的间隙比较大，可以容得下碳原子，碳原子存在于铁原子的间隙中，就形成一种叫作“奥氏体”的结构。奥氏体的特点是塑性非常好，因此要对钢材进行锻造，首先都要把它加热到形成奥氏体的温度。

而体心立方晶格，间隙半径比较小，不能容下碳原子，只有在结构中有缺陷中可以使碳原子存在。如果碳的含量很少，可以全部存在于铁的晶格缺陷当中，这种结构叫作铁素体，性质和纯铁差不多，硬度、强度都比较低。

如果碳的含量比较多，多余的碳就会扩散出铁的晶格，形成Fe3C(碳化铁)的结构，这种结构称为渗碳体，比较复杂：

渗碳体结构，这图容易看得晕，可以忽略，我们知道是碳扩散形成的另一种结构,并且很硬就可以了。

印度古代所产的乌兹钢，即“铸造型天然结晶平面大马士革钢”。其独特的花纹，虽然具体的成因还不明确，但在一点上研究者早已形成共识，就是乌兹钢花纹是由大量的成排分布的渗碳体颗粒构成的。乌兹钢所做的刀剑整体硬度并不高，但具有很高的微观硬度，这使它具有非常好的切割性能。

印度塔瓦 乌兹钢 其花纹的白色部分即为渗碳体颗粒所形成。

波斯卡德短刀 乌兹钢

极为名贵的一种乌兹钢花纹——双天梯与玫瑰

在碳含量为0.77%时，如果奥氏体缓慢冷却，就形成一种铁素体与渗碳体片层相间的组织，称为珠光体，因为在显微镜下观察有珍珠一样的光泽而得名。珠光体强度高、韧性好、硬度适中。

铁碳相图

这就是铁碳合金的相图，横轴为含碳量，纵轴为温度，在这张图上，什么含碳量的钢材在什么温度下的形态都一目了然。我们只了解左下方就够了，因为右边碳含量在2.11以上的已经不是钢了，而属于铸铁；而最上方的L相是液态，都和我们这些玩刀的没什么关系。

此图中的S点，叫作共析点，表示含碳量0.77%，这个含碳量的钢叫共析钢，含碳量小于0.77%的叫亚共析钢，大于0.77%的叫过共析钢。刀具钢一般都是过共析钢。因此，我们真正需要重点关注的只是红圈里面的部分：

A：奥氏体，F：铁素体，P：珠光体，Fe3C:渗碳体

在727℃，奥氏体开始向珠光体转变。S点的上方，A就表示奥氏体，下方的P表示珠光体。在GPQ区域内，是铁素体F区，GPS是奥氏全和铁素体的混合区，QPS线的下方，是珠光体和铁素体的混合区。也就是说，如果含碳量小于0.77%的钢从奥氏体开始冷却，会先部分形成铁素体，然后到727℃，奥氏体再转化为珠光体，形成珠光体和铁素体的混合物，含碳量越低，铁素体的比例就越高。

SE线右下方的区域，是奥氏体和渗碳体的混合物，到727℃以下，则形成珠光体和渗碳体的混合物，含碳量越高，渗碳体的比例就越高。

这个铁碳相图，也只不过是帮我们了解一点最基础的知识。对于刀具钢的热处理来说，它用处不大。因为我们淬火，主要是为了得到马氏体，而这张图里边，根本没有马氏体。因为相图中钢的各种状态都是平衡态，而马氏体是非平衡态。我们从铁碳相图上能得到的有用信息，也就是形成奥氏体的温度，因为淬火的前提是先把钢加热成奥氏体。

马氏体与C曲线

在平衡状态奥氏体向珠光体转变的过程中，铁原子重新排列，碳原子要扩散、改变位置。但如果快速冷却，让碳原子来不及扩散，新的铁晶格空隙又容不下碳原子，形成一种过饱和固溶体，它的晶格已经不再是体心立方，而是发生了畸形变化，就是马氏体，硬度很高，打个不太恰当的比喻，有时地铁里特别挤的时候，每个人的姿态都发生畸形变化，这时外面的人也最难再挤进来，如果当成微观结构看，就是这个人群的“硬度”很高。我们刀具钢的淬火，目的就是得到更多的马氏体。

在加热到形成奥氏体的阶段，温度的掌握非常重要，在实际当中，要求温度比奥氏体转化温度高出30~50℃，这是为了使其成分更为均匀。但也不能高出太多，否则会使奥氏体晶粒长大，淬火后的马氏体脆性增大、裂纹增多。因此，对于碳钢来讲，淬火温度一般就是在770℃左右。

如果其中加入了合金元素，由于合金元素在奥氏体中扩散比较慢，需要加热到更高的温度，一般都要加热到1000℃以上，好在，大多数合金元素，除了锰以外，又有阻止奥氏体晶粒变大的作用。尤其以钛、钒的作用最为显著。

要了解马氏体的转变规律，我们需要引出真正的重点——C曲线图。

C曲线不是特别好懂，但局座建议在这里您要打起点精神来把它看懂，因为这个东西确实很重要。

1095碳钢的C曲线

此图的标准名称应该是TTT曲线，因为曲线的形状像是字母“C”，因此又称为C曲线。它的横轴是时间（秒），它是以指数为标尺的，如果按正常比例的话，那就太长了，根本画不下。

它的纵轴是温度。这个温度的意思，是把它瞬时降到某一个温度，然后观察钢的成分随时间的变化情况。图的上方有一条As线，这就是奥氏体的转变温度，温高如果高于As，无论时间多久，奥氏体都仍然是奥氏体，不会发生转变。

在As线的下方，有两条C形曲线，左边那一条代表转变开始时间，右边代表转变结束的时间。比如我们把一块钢材从奥氏体降到650℃，那么它大概在第3秒开始转变，到第30秒，转化成珠光体。但也不会完全转化，总会有些奥氏体留下来，这叫残余奥氏体。温度再低一些的，还会形成贝氏体，这个和我们关系不大，就不管他了。

C曲线的下边有一条Ms的水平线，大概对应的温度是210℃，到这个温度以下，才能有马氏体形成，温度越低，马氏体形成的越多。我们可以看到下边还有两个温度，际为M50、M90，分别指马氏体形成到50%和90%的温度。再往下，还会有一条Mz线，是马氏体结束转变的温度，一般都在0℃以下。因此，用液氮做深冷处理，可以使马氏体最大限度地形成。

但在实际当中，降温不可能瞬时完成，总是需要一个过程，关键就是降温的过程中，奥氏体不能转变为珠光体。在这个降温的过程中，C曲线最左侧，俗称“鼻尖”的部位，是危险区域，因为这个“鼻温”下，奥氏体最容易转化为珠光体，一旦转化为珠光体，就不能再变为马氏体，淬火即告失败。这就好比说，你将来想要成为一名模特，那就要在成长过程中时刻注意，不要让自己先变成一个胖子。最好的办法就是长快点，身高长得快，也就来不及变胖。

我们看1095碳钢C曲线的鼻尖，对应的时间约是1秒，对应温度约为550℃，也就是说，我们的冷却速度，必需保证在1秒钟之内，降温到550℃以下，否则就会有珠光体形成。这就是淬火的最关键所在。

既然如此，是不是降温越快越好呢？那也不一定，降温速度快，风险也随之增加，比如可能出现开裂，也同样会导致淬火失败。日本武士刀由于是用水淬火，风险还是比较大的，一旦淬火失败，就前功尽弃，这也是日本武士刀非常贵的原因。因此，好的淬火方式是既要保证绕开C曲线的鼻尖，又要尽可能地慢一点。

1095：含有0.9~1%碳，和0.3~0.5%的锰，几乎不含硫、磷，硬度HRC45~66；

1095是一种非常优质的碳钢，ABS的锻造大师多喜欢采用。它的不幸是价钱便宜，因而经常被一些非常低档的刀所采用，影响了它的名声。

美军ONTARIO 安大略 M9军刺刃，刃材质1095

美国TOPS游骑双刃格斗刀，刃材质1095

1084碳钢的C曲线

1084：碳钢同样是做刀常用的钢材，它的含碳量是0.84%，含锰0.75%，硬度HRC45~66；

我们可以看到1084碳钢C曲线的“鼻温”更低一些，和1095碳钢的C曲线相比，形状没有区别，但稍稍偏左一点。这就意味着它的淬水需要冷却得更快。

美国ABS总裁、AKI成员哈维·迪安的博伊 1084碳钢

除了碳的含量之外，合金元素对C曲线的影响更大。合金元素可以分为不形成碳化物的和形成碳化物的两类。不形成碳化物的元素，是镍、硅、铝、锰（锰的含量不超过3%就不会形成碳化物），它们都可以使C曲线右移。

而形成碳化物的元素，有铬、钼、钒、钨，它们不但使C曲线右移，还会使C曲线的形状发生改变，比如铬会使C曲线变成上下两个“C”形。同时这几种元素还可以使C曲线的“鼻温”上升，“鼻温”上升的结果，就是只需要下降较小的温差，就可以绕过C曲线的鼻尖，和C曲线右移的较果是一样的，都是提高了钢的“淬透性”，也就是允许淬火时冷却的速度慢一些，减小淬火失败的风险。淬透性好，就相当于把模特的标准放宽了，本来腰围必须两尺以下，现在三尺也可以了。

此为L6工具钢的C曲线，它的合金元素还不太多，但C曲线的鼻尖已经右移到了10秒的位置

这里边只有钴是个例外，它会使C曲线左移。和别人唱反调，使本来降低的淬火难度又提高了。但钴、钨都能提高刀的红硬性。现在刀具钢中加钴的不多。常见的只有VG-10（1.5%）、N690（1.5%）、S125V（2.5%）。

52100钢：碳0.98~1.1%；锰0.25~0.45%;铬1.3~1.6%;硅0.15~0.3%，

硬度HRC58~62；

和1095相比，52100主要就是增加了1.5%左右的铬，这使它的淬透性更强。同时的结果就是它的硬度范围窄了很多。

ABS大师 J·尼尔森做的厨刀 52100碳钢

冷却的速度，一般都是能过不同的淬火介质实现的。常用的有水淬、油淬、风淬，水淬的冷却速度最快，油淬慢一些，不同的油速度也不同，轻质油相对更快，水或油的温度对冷却速度也有影响。风淬就是在空气中冷却，这种最慢，如果用风扇吹，则会快一些，古代波斯刀匠淬火时是持加热的刀骑快马疾驰，算是一种最特别的风淬了。

一般来讲，1084这样较纯的碳钢应该水淬，合金钢可以油淬甚至风淬，可以风淬的钢又称为风钢或高速钢。

但1095的含碳量较高，C曲线也相对比较偏右，也有人用油淬火。

总而言之，马氏体形成全靠碳，碳是钢的硬度的来源。

碳化物与耐磨性

碳含量和硬度的关系，左侧为维氏硬度，右侧为洛氏硬度。

上图是不同人所做的不同含碳量的钢的淬火后的硬度。总的来说，在共析点（0.77%）以下，硬度随含碳量上升而提高。达到共析点以后，不同人的热处理方式不同，效果也就不同了。

既然碳含量到0.77%，硬度就到顶了，为什么我们用的很多刀具钢材含碳量都高于0.77%呢？这是因为，我们所测的洛氏硬度，是整体上的硬度。而含碳量高于0.77%的钢，多余的碳还是会形成渗碳体，也就是碳化铁的颗粒。渗碳体的硬度，还要明显高于马氏体。渗碳体的硬度是微观局部硬度，一般的硬度测量方法测不出来，它可以增强钢的耐磨性，耐磨性好，做成刀的刃保持性就好。锋利度可以保持更长的时间。但一般高碳钢所形成的渗碳体，不会出现乌兹钢那样的花纹。

而加了合金元素以后又会形成合金元素的碳化物颗粒，它们比构成渗碳体的碳化铁更硬。不同的合金元素形成碳化物的硬度也不同。比较顺序为：

锰 < 铁 < 铬 < 钒 < 钼 < 钨 < 铌

其颗粒硬度越高，钢的耐磨性就越强。这里边锰是个例外，刀具钢中，锰的含量很少超过1%。

但由于碳化铬的晶粒比碳化铁大，在刃口容易脱落，这使不锈钢达不到碳钢那样的极致锋利度。通过局部热处理，碳钢中的马氏体可以提供足够的硬度和强度，珠光体可以提供足够的韧性。至于生锈的问题，可以通过表面氧化、涂层的方式解决。当然表面的抗氧化层如何保证不脱落，也需要很高的技术保障。

在刀具钢来说，一般只分为碳钢和不锈钢两大类。不锈钢都是加了13%以上的铬元素，因此铬是不锈钢耐腐蚀作用的决定性元素，其他的都只是起辅助作用。没有哪种不锈钢是不加铬的。它的原理是加了铬以后，钢表面的氧化物会形成一层致密的保护膜，阻止它进一步氧化，从而起到防锈的效果。

初级刀迷往往有一个误区，就是以钢材的价格来判断刀的价值，这种方法非常片面。不锈钢肯定比碳钢贵，但在三十年前的美国，有一种观点很流行，就是说碳钢刀才真的牛，不锈钢都弱爆了。这个当然也比较片面，主要是因为那时候的不锈钢都不是为了做刀生产的，自然效果不佳。现在，有不少专门为做刀的不锈钢，效果好了很多。但即便在今天，碳钢仍然可以通过高超的热处理技术挑战任何不锈钢的极限。

不锈钢的最大劣势，就是不能像日本武士刀那样做局部热处理，因为它的C曲线右移太多，不锈钢要形成珠光体，需要几分钟，这样无论你怎么覆土，冷却速度也下降不了那么多，得到的仍然全是马氏体。现在是铁了心要让你当模特，腰围不超过6尺不许拒绝。因此，不锈钢如果和成功局部热处理的碳钢相比，一般是比不过的。它无法达到那种刚柔相济的效果。

里克·巴瑞特的折刀 1095高碳钢局部热处理。

即便不考虑局部热处理，铬对钢的韧性也存在负面影响。至于说增加了硬度和强度，也只是相对于热处理不好的碳钢而言。实际上1095、1084碳钢的硬度可达HRC66，而不锈钢的硬度一般最多也就是HRC62。

可以这么说，碳钢刀的价值主要在技术，不锈钢呢，一半在技术，一半在钢材。因此，现在的量产刀，绝大多数都是不锈钢的，因为产量大，没有条件做那么精细的热处理，用不锈钢至少可以保障一个基本的质量水平。而手工刀，不锈钢和碳钢各占半壁江山。手工刀用不锈钢的，多是追求完工度、艺术性。碳钢的手工刀，主要是ABS这种锻造工艺的崇尚者，因为不锈钢不适合锻造。而在一部分不锈钢刀匠看来，有些热衷锻造的人只不过是在装13。现代条件下，锻造的确并不能使钢材的性能有什么提升，但锻造有一个优势就是可以锻出独特的大马士革花纹。大马士革钢从理论上讲，可以兼具两种或三种钢的性能优势，但现在的大马士革钢主要还是为了好看。

ABS大师J 尼尔森做的博伊 采用1095、5100、15N20三种钢材锻造大马士革钢

ABS大师罗恩·牛顿的短剑 1095、15N20锻造大马士革钢

ABS大师罗恩·牛顿的短剑 15N20、15N20、1084 锻造大马士革钢

不锈钢的真正好处，其实也就两点，一是耐腐蚀，二是淬火技术容易掌握。还有一个是耐磨，如果是做机器零件，那么耐磨性要重要得多，这直接决定它的使用寿命。但对做刀，这个要分两方面说，耐磨对刃保持性有利，缺点是研磨比较费劲。但刃保持性并不完全取决于耐磨性，和淬火、刃口研磨的精度都有关系；而研磨费劲倒也不是大问题，选择更好的磨石就行，比如金刚砂磨石。当然，耐磨性好，刀就不容易“变旧”，但这个指标，对实用性关系不大。而有些刀上配件，如衬锁折刀的内衬簧片，每次开关都有磨损，所用材料对耐磨性要求也很高。

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