本帖最后由 xxxxx213641 于 2020-7-12 13:10 编辑
Sword Blade Hardness: A look at the current research An article by Craig Johnson
刀剑刃的硬度：且看目前的研究
原作者：Criag Johnson 翻译：Edc3
构成任何刀剑的合金的成分变化通常多不胜数。今天人们知道这种变更的目的是为了刀剑的生产，以应对特定时期材料和设计上的挑战。千百年来，工匠们在这个创造性过程中运用了他们最好的技术和努力。对于这些历史片断的认识一直在不断的增长。随着知识的增加，对于历史上制造的刀剑到底包含哪些成分的一些假设正在受到质疑。
没有完美的刀剑设计。每一把精制的刀剑都是独一无二的，包含了制作刀剑的目的和部件之间的平衡。刀剑的属性以适当的比例，产生出某种和谐性。至于是否能够欣赏这种和谐，则取决于与特定的历史时期相关的个人的品位。对于严谨的学生，收藏家，或者刀剑制造者来说，认识到这个变换的体系包含了制造刀剑的人，可以使用的材料，制造目的以及其它额外的倾向就至关重要。
一个制造刀剑的铁匠
中世纪剑在其合金成分方面往往受到现代爱好者的吹捧，但是对于刀剑本身硬度，人们知之甚少。很多人谈到古代刀剑时，估计甚至直接猜测其硬度。实际上重要的是应该看看那个时代的工匠能够获取哪些材料，生产出来的成品，以及这些材料所带来的成就。
刀剑的金属成分
我想简要的谈一下刀剑的金属成分，尽管意识到这是一个复杂的话题。通常情况下，我们可以对任何样品列出一长串的问题，比如金属微观结构，金属元素，显微摄影下的状态和制作图纸。
采石厂工作的矿工，大约1482年
经过检测的刀剑并不多。因此虽然我们可以概括地描述大范围内的情况，我们却不能断定有多大百分比的古刀剑有哪些金属构成。虽然在某个领域可能产生这个时代最优异的产品，普通量产钢材的质量却是制约刀剑制造者能够生产何种类型的淬火钢的一个因素。测试表明大多数历史上的剑都是接近钢的铁的混合物。混合物中碳和合金成分的变化制约了刀剑可能达到的硬度。通过热处理，这种材料将使刀剑的硬度从一个地方到另一个地方呈现显著变化。当然，有些经过测试的例子也表明金属元素和碳的混合相当充分，但这只是通过测试的样品中很小一部分。记录下来少量的历史文献表明，历史上使用过的合金和碳的成分范围远远超过现代钢铁生产工厂的严格设计规格。
综合考虑，现代制造者使用的均质钢也许是在复制刀剑的过程中比起其原来的材料来最大的飞跃。今天，我们现代制造者使用的材料有一些变化，但是远远小于中世纪的制造者见到的变化。如同任何行业标准，它通常用一个范围表述，而非一个具体的数字。下面的例子就是一些常见的制造刀剑用钢材。
| 钢材类型 | 碳含量 | | 1045 | .43-.50 | | 1075 | .70-.80 | | 6150 | .48-.53 | | 5160 | .57-.62 |
精炼炉，大约1586年
我们看到的那些古代刀剑中，有迹象表明六把刀剑上都有碳元素的存在，其范围也有变化。它们显示了碳的水平从小于等于0.１（所有的刀剑）直到0.8之间，六把剑当中的四把碳元素含量在0.6或者更少。这表面，即使是这组古代刀剑中质量最好的，碳含量的变化范围也比现代钢材大得多。
刀剑的硬度
在当今的市场上，有许多关于剑硬度的讨论。事实上，顾客抵触硬度上没有达到特定硬度等级的刀剑。这是为什么呢？ 我们现代人的思想往往倾向于固守一个确定的限定词。我们希望说：＂因为达到了X，这个比那个好＂。我们用这种断定方法带来问题就是其实钢不是这么一回事，它是一个相互竞争的功能之间的平衡或者和谐。柔韧性，刀锋的持久性，拉伸强度，合金材料，材料的处理——这些都是刀制造者可以操作的因素并且最终影响最终产生的结果。
为了帮助大家了解这个问题，并通过比较古代刀剑来增加一个人评估现代刀剑能力，最好也许是从一些定义开始。这非常关键，因为有些人经常宣称剑的这种或那中测试分数是多么重要，但是当被问起他们实际在测什么的时候，却不能给出准确的描述。
在讨论刀剑的时候，有三种主要的的针对钢材的硬度测试选择可以作为参考。Brinell硬度，英国制定并主要在欧洲使用；Vickers硬度，英国制定，常在文献中用于古刀剑测试；Rockwell硬度C（实际上变化范围从A到C，但C是我们这里用到的）美国制定。这些方法么一个都测试试样的表面，使用特定形状和已知硬度的压头压入表面，然后使用不同的方法测量留下的痕迹，再把这些数据转化成相应的硬度等级。下面就是对这些方法的一段简短说明，公式没有包含在内。
锻工在砧旁工作，14世纪
Brinell硬度
国内叫做：布氏硬度
这是一种在测试媒介上压痕直径的平均值。在完全列出的时候，它的标示数字看起来应是：481 HB 10/500/30。这翻译为Brinell硬度481，使用一个直径十毫米的球以五百公斤的载荷加载三十秒。这个测试通常被认为具有最高的通用精度。
Vickers硬度国内叫做：维氏硬度
这个过程包含了测量以一定的载荷作用一定的时间后侵入到金属表面的金字塔型锥体的表面积，然后用除法得到一个硬度数值。这个过程通常通过一个换算表完成。例如数字用513HV/10表示，意味着Vickers硬度值为513，用10千克载荷作用于试件表面。这种方法的好处是从头到尾使用单一硬度等级，并且始终使用同一个压入头。
Rockwell C硬度国内叫做：洛氏硬度
Rockwell硬度使用实验机测量在平衡状态下最大和最小载荷作用下的侵入深度。从实验机直接读出结果。这种测试最快，但是容易受误差和实验机差别的影响。Rockwell硬度等级有些随意性，因为A到V等级相互之间都关联，并且它不容易被换算到其他的系统。通常的理解是工业标准可接受的Rockwell硬度值会有正负2点的误差，也就是说：通过普通的工业检测的硬度50Rc实际上可能是40Rc或者52Rc。
在以上三个硬度等级中，Rockwell的C等级是含盖我们正在讨论的钢硬度的最佳范围。
定义硬度
硬度的定义是光滑材料表面对刮伤和磨损的抵抗性。从最早期的硬度评测等级就可以看到这种测量方式。大多数人在科学课上学的Moh硬度是一个数字等级，表示某种矿石在另一种矿石上产生划痕。但是，它并没有在各个水平上被校准，大多数的钢，无论软硬，都在同一等级上。
锻冶匠工作场所
随着现代工业对更完善的等级的要求，其他的系统得到了发展，Brinell和Vickers测量法通过测量对于位移阻抗来获取硬度数值，而Rockwell等级更是一种对于抗侵入的测试。这就是为什么各种硬度等级之间没有一种确切的联系，也解释了为什么Vickers和Brinell系统之间可以通过测量某些拉伸强度大致关联起来而Rockwell数值却不行。
一个刀具商人
我还想谈谈某些刀剑制造商使用的一种方法，这种方法一直也是刀剑领域一些讨论的主题：使用硬度锉。这种方法利用一套硬度逐渐升高的锉刀。锉刀法测试通常用于一般的比较而不是产生具体的数值。同时，该测试只能测量某个具体位置的实际的表面材料。
锉法测试的缺点在于锉的实际硬度以及使用锉的动作产生载荷不一致性。一套锉刀通常有五个点的有效范围，例如，一套典型的锉刀通常是校准在30，40，45，50，55，65。因此，一个有经验的测试人员，通过训练能够保持手感的一致，或许可以把硬度数值估计在3到4个点之内的范围。这个过程中存在的变数导致很难用锉刀法测量少量的几个试样，在讨论测试结果的细节的时候，应该谨慎对待。
如同上面描述的，剑刃的硬度是测量其表面抗磨损的能力并起预示着其边缘保持锋利的能力。拉伸强度与此有一定的关系，但是剑的韧性和其他的因素总体上就不和这些特定的数值相关了。
古刀剑的硬度
了解了哪些东西能够用刀剑硬度测试来揭示以后，让我们可以回过头来看看那些历史上存留下来的剑。从已有的测试来看，我们可以看到它们显示中世纪的刀剑工匠的目标在哪里，以及中世纪的顾客在购买些什么。
研磨刀刃，大约1150年
在刀剑之间和刀制剑工匠之间的对比应该小心。没有一种标准的方法来描述古剑的硬度和结构的属性。一个研究人员在刀剑上选择采样的地方可能不是另一个选择的地方或者检测点的数量有所不同。一个考古冶金学家和一个制刀剑的工人选择的测试领域就可能不同。因此，注意得到这种结果所使用的方法以及基于的假设就尤其重要。任何做这种研究的人的一个关键的目标就是量化剑刃的质量，这是个非常困难的任务。
刀刃修整，大约1150年
过去的二十年间，几个不同的研究人员测试了我下面将要提到的这些刀剑。我试着使用这些在每个刀剑上都有多个测试点的试样。这将提供一个更好的视角来看古代刀剑的构成，因为在单一的地方做的测试将不能可靠的揭示刀剑的本质。此外，在它们各自的时代，这些刀剑看起来都是实战的武器。比较历史上总共生产的剑的数量，我们测试的剑的数目在统计学上来讲就是微不足道。因此，这些实验只能像将故事一样仅仅用来展示我们做工作的范围。收集到更多信息后，我们可以做更好的结论，但是此时我们只能从确凿的证据开始工作，这样好过那些被经常重复的所谓＂真实＂的故事，却找不到任何记录或证据。
从对于古代制造的刀剑的原品完成的测试硬度来看，我们可以得到一个确切的结论。那就是对于同样一把剑来说，硬度的变化相当大，不仅是从其表面的其内部，实际上整把剑的材料的硬度在很大范围内波动。举一个例子，一把打造于11到13世纪Hofjagd und Rustkammer的剑显示了硬度范围119到520VPH.4，其平均值是217VPH。此外，从该剑上取出四个试样进行测试。这些样品的测试含盖了整个剑的厚度，微硬度的变化范围是258VPH到329VPH，平均值是300VPH。如果我们用Rockwell系统来描述，我们看到的试样的硬度范围从20Rc到50Rc，其平均值在20Rc以下。 下图详细列出了几个古代刀剑的硬度范围，并且比较了现在复制品的硬度，通常由其制造商提供。请记住古代刀剑的数据范围包含了在剑上所有点上测得的数据，所以最高值或者最低值可能仅仅是剑身上的一个点，和剑边缘或者剑中心没有联系。古代刀剑硬度范围中加入了一个黑点表明测试者得到的边缘硬度的平均值。
图一 古代刀剑和现代复制品的硬度范围
总共有20把剑经过多点测试并被记录。还有几个被记录下来的刀剑但是没有给出每个剑上采样数目的说明或者剑上那些被镂空了的地方是否影响结果，我没有包括这些测试。我觉得选择一些在每个时代具有代表性的坚实的，制作精良的刀剑进行多次的测试可以给我们展示一个更好的结果。
这一批包含了从9世纪到16世纪的剑。虽然我意识到这个数目不够大，没有统计学上的意义，我还是把他们按时期分组，因为在这么长一个时间跨度很难比较工业技术。此外分别还有从17到18世纪的两把剑被单独测试，这些都不在我的考虑范围内，虽然我们应该注意他们的平均硬度（也是仅仅可以获得的数值）在441VPH（约45Rc）到472VPH（约47Rc）之间。
第9世纪到13世纪组
这个组有13把剑。这个组里面剑的硬度范围从93VPH（没有相应的Rc值）到650VPH（约58Rc）不等，这些剑上不同的区域都表现出一定的硬度范围。迹象表明几种不同的制剑方法，包括了夹心，纹路烧焊，叠打和特殊刃材。 热处理的证据表明大多数的剑都经过了不完全淬火，有程度不同上的成功，还有迹象表明几把剑还有淬火和回火的过程。有两把剑没有显示经过任何热处理。
14到16世纪组
这组编号共有7把剑，硬度从136VPH(>20Rc)到650VPH(约58Rc)。这些剑显示了叠打，坯锻，夹心以及渗碳的构造。
证据显示这组经历了不完全淬火和淬火/回火处理。
在一把刀剑上选择几个点来测试的重要性可以由下面这篇文章中的例子来说明：在David Edge和Dr Alan R Williams合著的“The Wallace Collection和其他地方的一些早期中世纪刀剑”中细节性展示了人们可以中世纪剑上看到的变化。
上图展示了人们发现的伦敦的The Wallace Collection收藏的一把很可能是12世纪的剑（公元457年）的边缘和中心的硬度的细节。在这把剑的刃和中心以每隔5厘米进行测试，最终结果是中心的平均值是211VPH，刃边缘的平均值是279VPH 。
剑刃的硬度是人们追求的也是评论最多的领域。如果我们选出那些在剑刃上特别经过测试的试样并且看看硬度范围，我们发现有九个这样的样本被列出来。每个剑刃上特定点上被细节记录的最高的数值从变化从200VPH（>20Rc）到540VPH(约52Rc)。七个试样是460VPH（约46Rc）以下，其余两个测试为520VPH（约50Rc）和540ＶＰＨ（约52Rc）。研究者列出了7个剑刃试样的平均硬度。上面两把的平均硬度分别是217VPH(>20Rc)和476VPH(约47Rc)。其他五把剑有一把在279VPH(约27Rc)，其他四把平均在133VPH到217VPH(全部大于20Rc)之间。
出现这样硬度范围的原因有两个：第一，刀剑的构建材料不同，碳的含量在刀剑上不同部分之间存在变化，第二，人们在剑刃上进行的热处理过程不同，例如不完全淬火与充分淬火和回火。由于在任何给定样本材料上的碳含量的变化限制了在淬火过程中可能获得的硬度，这是一个限制范围，并且关系到热处理是否成功。我们还必须牢记，每个剑刃的淬火过程都不同。这个过程中的元素，包括初始加热温度，淬火介质，淬火时间，冷却速度以及样品是否回火，都扮演了重要角色。
下面这张图显示了一些古代刀剑的样品与一些今天用在复制刀剑上的钢材的比较。碳的含量和硬度也同时显示。现代刀剑经历了标准的热处理并且以50Rc硬度为目标。
图二 碳含量和硬度的比较
上图清晰显示了现代钢材在制作品质一致的产品上显著的优势，比起古代刀剑制造者必须克服的生产刀剑时的困难。
另外一个对于硬度产生重大影响的重要因素是刀剑的制法。这组件显示了叠打，坯锻，夹心，纹路烧焊，渗碳铁以及特殊刃材的制法。因为钢料提供商提供材料和制造方法的差异，历史上制造刀剑的铁匠的一个独特的挑战就是如何在紧密地硬度范围内生产产品，像现在钢材那样。某些情况下，刀剑的制作显示了这种硬度范围不是铁匠的目的。因此，人们要问这个挑战是不是他们感兴趣实现的结果，我们需要更多的研究来支持我们回答这个的信心。
结论：过去的几十年里，关于中世纪刀剑的知识库在迅速增长，对其作为实用工具，我们有了很多的了解。这项研究的发展一直以来对于开拓我们的眼界，了解刀剑制造事实非常重要。我们这里回顾的例子表明，剑的硬度，一项对于现代制造者和消费者青睐的属性，并不总是受古代刀剑制造者重视。没有热处理的两个例子表明在剑需要多硬这个问题上人们的选择。它也启发了现代剑的用户看到一个事实，一块低于理想的硬度或者组成的材料也会被中世纪的制造者视为可以使用并且至少在某个范围之内能够被市场所接受。
一个16世纪的刀剑铁匠的店铺
在谈论这些话题的时候，信息的质量是非常重要的，因为我们没有大量的例子来支持我们的结论，进一步的讨论是必须的。上述的讨论已经公开发表并且顺利完成，经得起一定方式的审查和检验。历史上“最好”的刀剑可能比上述讨论的细节有不同的属性，但是一个人必须认识到生产刀剑是一个很大的行业并且质量水平有很多差异。在讨论今天的复制品应该精确的模仿些哪些东西时，应该从已知的开始，在考虑作出明确的结论之前先去查询和了解实在的数据。上述的证据并非排除在上述讨论中没有提到古剑，只是选取了一个有记录的实例看看能做些什么。但是有些特定被测试的剑仿佛是它们那个时代非常高质量的作品。这些刀剑样品显示了其实用的刀刃和通常宣称的“中世纪水平剑的平均水平”是不同的。它让我们开始考虑也许在观察剑的制造的时候，我们过于专注于某些数字。古代顾客和制造者认为重要的属性也许和我们现在的有所不同。
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发表于 2018-7-27 14:19
发表于 2018-7-27 16:53
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