刀与钢蛋鸡故事5节谈

court0

5节连载。

（此故事为译文，原文不详，因为封面封底封一封二封三和封四丢失，看不到作者和出版社，另外并查了其它一些资料，汇成此贴。）

前言：一些常见事
节1：一个钢锭的故事：应力和应变，弯曲与破碎
节2：塑性形变和晶体金属
节3：变相怪杰——钢
节4：（暂时保密）
节5：（暂时保密）



                                              前言:一些常见事

        一支钝刀在厨房里基本无用，此时你宁愿用手去撕开一个西红柿或一条面包。要将刀子磨利也并非总是轻而易举，因为不同刀子的出锋能力不一样。众所周知，许许多多的刀子天生就无能，但也有那么一些刀却几乎难以用钝。尽管都是钢做的，它们之间却必定存在某些不同。

        一直从冷兵造剑年代延续至如今的科技时代，刀，一直都是制钢者最伟大的试钢手段之一。一把好刀必须整体刚强却坚韧，其刃口又必须硬而不脆。想为钢刀赋予这些属性，就要求材料成分和处理工艺两个方面的上乘控制水平。因此，要去理解一把刀，就必须理解它的钢。

        一些常见疑问：为什么有些刀比别的刀更软或更有弹性？为什么有些刀比别的刀更抗锈？为什么一把刀在适度压弯后会恢复原状，而过度压弯后则永久变形？为什么有些刀在断裂前会先弯曲一阵，而另一些则直接碎开？

        一个常见实验：将钢制回形针的曲尾小心掰直，此时会感到这钢丝挺坚韧的；接着反复地把它弯曲和掰直，此时会明显地感觉到它的折弯位置变硬了；最终钢丝会在反复弯折的部位碎断成两截。“碎断”本是石头那些硬物的典型特征，莫非在实验中钢丝回形针的尾端变得比未经反复弯折之前更硬了？如果是，那么钢材中发生了什么变化从而导致了这种现象的发生呢？




                                         节1：应力与应变，弯曲和破碎

      刀具是用于将物体切开的简单工具。它们的根本用处在于楔入，通过机械优势把各个小的前向力量转化为巨大的横断力量。在切胡萝卜下压刀刃时，刃口渗进萝卜而刀身的两个斜面则对萝卜的两个断面施加了巨大的侧向推力。在均衡施力过程中，刃口不断渗入，左右两边的刀面同时加速了切口两侧萝卜的分离，最终干脆地将胡萝卜“楔”成两截。

      然而，虽说“切割”这一机械动作很简单，刀的物质结构却没这么简单。刀子之所以能够切开胡萝卜，其秘密存在于刀身性质里面。由于这把刀几乎肯定是钢做的，所以这把刀如何工作的故事其实就是钢如何工作的故事。

      钢并非一种特定的单体材料，但它总体来说是一种铁基金属。“钢”这类金属形形色色各不相同，因为它们的内在化学成分和处理手段各不相同。钢的品种如此多样，以致没有办法在一个简单的定义中将其囊括进去，但钢材基本上是由不超过2.06%重量的碳和铁及其它元素混在一起的化合体。如果某种类似的化合体中存在着超过这个重量比的碳，人们通常称之为铸铁。在炼钢史上，铸铁由于比绝大多数钢含更多的碳和更少的铁，炼出这样的“钢”那会是非常不幸的事件。

      在区分钢与铸铁时，碳含量的不同非常重要，因为碳含量直接影响碳铁化合物这类金属的硬度、脆度和其它特性。硬度是一种材料抵抗穿透、抗变形、抗磨损、抗破耗的综合度量。脆度是一种材料被迫变形时的破碎趋势度量。一把好刀的刀身应该硬而不脆，比如说，向下压它的刀刃去切一根巨大的萝卜时几乎不会有任何扭曲，但用它的刃口去启开一只铁皮罐头却不会崩口。

      如何控制钢材的硬度、脆度以及其它方面的特性，却是一项足以囊括炼钢中所有方面的复杂任务。这些特性甚至可以在单块钢里面发生变动，例如某把好刀的刃口其实应该比这把刀其它部位的钢更硬。为了理解如何控制这些特性，我们可以首先观察一下钢材对外力的反应，并检查一下形成钢材性质的微观基本结构。此过种中我们所认识到的不仅适用于钢材，而且适用于其它很多材料。

      当你在一个固体上均衡施加压力（力的大小需要在材料的弹性限度以内），此固体的变形与你的施力成正比。这种关系其实就是胡克定理，弹簧称及其刻度最直观地反映了这条定理。如果这个固体是一只置放于地板上的钢锭，你踩在它上面，它会产生与你体重成比例的轻微变形。通过度量这块钢锭在你体重压力下的变形程度，你将能够对这块钢产生进一步认识，即它是怎么回事。

      但钢锭的变形也与它的三维有关。它的底部表面积越大，你的体重就被分散得越开，钢锭的压缩变形程度就越小。由于我们更想认识钢，而不是钢锭，因此，可以把体重除以钢锭底部表面积以得出钢承受的压强。应力即是此钢锭每单位面积所受的力，应力即是钢被挤压程度的度量。

      另一方面，变形程度也与钢锭的高度有关。由于每1厘米钢都会有相同比例的压缩，因此，一个更高的钢锭被同等体重压短看起来会比矮锭的压短更明显。依然，我们更感兴趣的是钢，而不是钢锭，所以把钢锭的高度变化除以它的原始高度可以得出钢的应变。应变即是此钢锭每单位高度的改变值，应变即是钢对挤压的反应程度度量。

      胡克定理对于钢材应力和应变的相关性有一个公式：应变值=应力÷杨氏系数（公式1），杨氏系数是衡量钢材有多么难以被压缩的一类度量值。应变只是一个非矢量的数值，而应力和杨氏系数都是压强值，它们的量纲都是帕斯卡（Pa）。

      杨氏系数与同分子内的原子间相互作用有关，后者的存在是材料聚成一团的原因。固体中的原子之间同时存在相互吸引和相互排斥的力量，只有在原子间的距离适度时，引力和斥力才会达到平衡。如果人为地将这些原子相互挤近或拉远，这种平衡就被打破了，它们会产生出与人为力量相反的作用力。钢材的原子间相互作用越强，杨氏系数值越大，材料能够被挤压的程度就越小。

      因为钢中原子间相互作用主要来源于铁原子之间，因此钢的杨氏系数与铁的杨氏系数大致相当，数值大约等于195G帕（1G帕=1000兆帕，1兆帕=1000千帕），即195亿帕。这个天文数值意味着钢极难被压缩。把一辆城市公交车压到标准的1立方米钢块上时，钢块的压缩高度小于1微米，在这种情况下标准的1立方米铅块被压缩程度是钢的14倍，而钨被压缩的程度只约为钢的一半。

      在考虑钢材的（内向施力）挤压问题上，我们已经有了公式1，而这个公式也适用于（弹性限度以内）的外向均衡施力情形，即向里挤和向外拉钢材，都可以使用公式1。杨氏系数通常用于度量外拉应力，很少用在挤压应力的度量上，因为挤压会导致一小层材料扭曲，而拉伸则不会，其值是真值。

      然而压缩和拉伸并不是一个钢锭所面临的全部应力。如果你把钢锭的底部向左推，把它的顶部向右推，此时钢锭面对的应力为剪切应力。这种应力使钢锭弯曲，并在金属内部形成剪切应变。剪切应变即是由于剪切应力使钢中形成弯曲角度。只要施力在材料的弹性限度以内，剪切应变与剪切应力是成比例关系的，剪切应变 = 剪切应力 ÷ 剪切系数（公式2），其中剪切系数是表示某种金属有多么难以被弯曲的度量。

      作为重要参数，应力和应变有助于给某种钢材定性。刀具测试的一个重要项目就是看它对应力的反应。而由于所有钢材的杨氏系数是相同的，所有钢材的剪切系数也是相同的，在弹性限度以内的施力很难区分出不同刀具的应力反应。钢材间的真正不同，只会出现在应力巨大且公式1和公式2失效的情况下。只有这种情况下，钢材才开始变得弯曲和破碎，此时好刀才会脱颖而出并表现出与劣刀完全不同的状态。

      本节故事结束前，测试一下你对应力故事的理解：——下面哪种情况的应力更大：一块砖支起100KG重的柱子，两块砖并排平铺支起200公斤重的柱子？

      下一节的故事是关于塑性形变和晶体金属，与本节分不开，共同为主题服务。

[ 本帖最后由 court0 于 2007-8-24 18:59 编辑 ]

zhouzhoubzt

技术帖，顶~！！

鲁迅

我很期待COURT0版主的中国升级版的驴人看刀。
很多数据和计算我虽然看不懂，但我会认真分析力争让自己明白少许。
我玩刀其实就是瞎玩，没有深入的研究，很多事很多理论都只是听说而已。
我想这便是我的傻逼之处。

有些时候以为自己积分高了，名声大了，于是自称老鸟，然却相差甚远。
我想人在任何时候都是可以骄傲的，但倘使骄傲的时候保持着一份谨慎与认真，便是足够。

ben_jiangsu

专业，顶！还有鸡的故事？

buck882

C版在钢材方面的知识绝对让我佩服.8号同学,别不服气哦

court0

节1的故事通过近乎最笨的办法论证了“需路遥才知马力，唯粗用方识真刀”的道理。

节2的故事是关于塑性形变与晶体材料内容的，有肋于从根本上理解刀。

节3的故事，现在依然暂时保密，如果回复的数量太少，或许就表明刀友对此没什么阅读兴趣，那么我也就应该识趣些了。

进入故事了。


                                               节2：塑性形变与晶体材料



      弹簧具有某个弹性限度，过了这个度，胡克定理即失效，弹簧将永久弯曲变形。适度的均衡施力下，弹簧变形后会恢复原状，而限度之外的猛力则导致弹簧发生永久性形变，这个道理对于钢块来说也是一样的。只要承受的应力在限度之内，钢会发生弹性形变，即它在适度受力下只会暂时扭曲，卸力后则恢复原状。然而，当施加的应力巨大且超过限度，钢将会发生塑性形变，此时它内部的原子将重新排列，外形即发生了永久变形。

      在面临塑性形变时，钢与钢之间的差异相当巨大。在所承受的应力从小变大的过程中，所有钢材的反应都会由弹性形变转向塑性形变。某种钢在发生塑性形变之前能忍受的最大应力即为它的屈服强度，这是衡量该种钢材承载能力的一个重要指标。差的钢很容易就被不大的应力屈服了从而发生塑性形变，而强的钢除了在巨大的应力下会屈服，一般情况下是只会发生弹性形变的。

      为了搞清楚一把刀子如何发生钢材的塑性形变，有必要检视钢材的微结构。但由于钢的结构相当复杂且多样，不如先从最简单的纯铁开始。像许多别的金属一样，铁是晶体金属，或说固态晶体金属。从外表看起来，铁也许没有那些漂亮的自然晶体材料的典型多平面特征，但铁原子的确是规则有序排列的。在室温下，铁会形成许多铁素体晶体。铁素体是一种铁磁材料，其中的铁原子排列呈现出正方体晶格形态，如图1所示，铁素体的晶格正方体其原子组合依循2乘2乘2的方式，正方体的每个面都有4个原子，即单晶格的总原子为8粒。

      看晶格示意图1可知，各层原子之间是一道道平滑的表面。当纯铁受到一定程度的剪切应力时，晶格间会发生一种“平滑”现象：各层原子会在层面上横向交错滑动。“平滑”是使材料产生塑性形变最常见的一种机制。当挤压、拉伸或弯曲一块纯铁并使它屈服时，那么很可能其内部的原子层之间产生了“平滑”。当各原子层横向交错发生平滑，晶体的形状也就改变了，这如同一摞堆码整齐的贺卡被人向一侧推了一下顶部，此时某些原子（层）被推离了它的原来位置，即便所施加的剪切应力被卸掉，这块纯铁也无法自行恢复它本来的形状了。

      “平滑”现象在纯铁这种材料上很容易发生，因为将其固成一团的内部力量缺乏明确的方向性。其金属聚合力的形成，来源于无数原子间对电子的共享。这种共享降低了电子的动能和势能，并且形成了原子之间的相互依着。由于这种金属聚合机制对其原子相对位置缺乏相当的敏感，纯铁晶体对于抵抗“平滑”也就显得相当无力了。

      但还有别的因素影响着“平滑”在何种情形下发生。这些因素之所以存在，是因为真实世界里的金属不可能有完全晶体的。大自然喜欢随时随地的随机性，事实上，就算世上最纯的晶体，也必定存在某些结构上的“错误”。如前所述的典型的铁晶体，一样也是充满着不完整性的。

      铁晶体中有一个常见的缺陷：原子从铁块的一端向另一端延伸的过程中，一层原子突然在某个晶体中断层，而理论上这层原子应该完整地平铺延伸到铁块的另一头。如图2所示：在通过某些晶体时，原子发生了断层，图中左侧更暗的阴影原子层表示这层原子在通过某些晶体时突然发生了断层，而右侧对应的各原子层只能拉伸错位与最近的左侧其它原子层串起，此种情形下，正中间的“平滑面”位置最容易发生原子层平滑（热能也可以使原子断层现象发生在许多材料上，即加热可以进一步软化材料）。在完美晶体中，平滑现象会使各层的原子同时滑动。但不完美晶体中的原子断层则破坏了晶体的一致性，并使得这个断层的原子比其它层原子要滑动得慢一些，它变得不是整层同时滑动，而是在这个断层中的原子一次只滑动一排。存在原子断层情况的晶体通常表现出更低的屈服强度，尤其是“平滑面”的原子层垂直通过断层端时。


      原子断层作为一种晶体缺陷弱化了铁的强度，但也有些缺陷反而可以增加铁的强度，这类缺陷可以阻碍“平滑”现象出现。其中之一是铁的多晶结构，铁不是一个单晶体，它通常由许多个晶体相互以随机角度组合而成。这许多的微晶被称为晶粒，晶粒间的分界原子层被称为晶界。

      晶粒和晶界增加了铁的强度。在每个晶粒中，平滑现象只会在特定原子层沿特定方向发生。由于每个晶粒取向都是随机的，因此所有晶粒无法统一沿某一个方向平滑，这使得铁在应力下变屈服前的忍受程度加强了。这便意味着，拥有许多细小晶粒的铁，在屈服强度上，要大于只拥有一些大晶粒的铁。

      晶粒的尺寸和形状取决于铁受到何种加工和处理。由于晶界原子不进入它们所连接的各个微晶之中，它们具有相当高的势能并且围绕着每个晶粒的表面形成了一种张力。只要表面存在额外的势能，表面张力就会存在，这种张力会尽可能的把晶粒表面积压小。就像肥皂泡的表面张力会尽量把它的表面积压小一样，晶粒的表面张力也会自发地压缩铁的晶界表面积（如图3）。但铁受到加热时，铁原子只能重新排列。退火铁——高温加热后经长时间缓慢降温的铁——可以让它里面的小晶粒熔汇成大晶粒。退火是将铁、钢以及其它金属软化的首要方法。与退火时的小晶体汇成大晶体相反，低温下使铁发生塑性形变则要破碎它的晶体，此时，铁就变硬了。象大多数金属一样，铁可以通过重击、翻卷、折叠、扭曲等手段使之硬化。熟铁是铁硬化的一个很好例子，它作为一种硬化技术已经被使用了一千多年。

      但退火和硬化处理对材料的影响却不止于屈服强度方面。将铁硬化后，它可能在应力下变得过于强硬了，以至于受力直接碎裂。这种灾难被称为金属脆裂，因为材料在碎裂之前没产生屈服。脆裂发生在过硬的金属中，其内在机制是各原子层在应力下完全分离，而非横向交错平滑。铁部件的过度工作，也会遭受金属疲劳的折磨，从而产生由外向内的裂隙和最终完全碎开。

      退火铁则在它破碎之前发生屈服。事实上，退火铁的延展性好，这意味着它可以在塑性形变之前被拉伸好一段。退火铁真正破碎的主要原因在于它被拉伸时有一部份变得越来越细变成材料的连接瓶颈，拉伸会硬化这一连接瓶颈，拉伸应力最终会把该处的原子层扯裂。由于退火铁在破碎前发生屈服，所以这类碎裂被称为塑性断裂。铁在发生塑性断裂之前能承受的最大应力即是它的抗拉强度。

      塑性形变和延展性对于一把刀非常有用。当刀承受的应力过大并超出刀身的弹性限度，这种情况下我们宁愿刀子变弯而不是碎断。金属的延展性随温度的升高而增加，因为热能帮助晶体产生原子断层以及其它材料缺点从而使各层原子之间的“平滑”现象更易发生。在低温金属中，对应的材料缺陷很稳定，这使得“平滑”现象减少。由于延展性下降，低温铁比高温铁更容易发生脆裂。

      而且，塑性形变需要能量。当你推一把铁刀，它会在你施加推力的方向上弯曲，你其实是在对刀做功，而刀身吸收了相应的能量。金属材料发生塑性形变前要吸收能量的性质被称为韧性。韧性对车体、剑、装甲以及所有在撞击时应当吸收能力并产生形变的物体都极端重要。如果撞击时，它们不屈服，而是碎裂，那么它们就是废物。玻璃车窗和玻璃眼镜片都是很危险的事物，因为它们缺乏塑性形变的性质。相反，塑料窗户和树脂镜片就安全的得，因为它们能够形变和吸收能量，并且不会碎裂。

      这里加两个关于低温金属脆裂的有趣例子。

      例1，1912年4月14日泰坦尼克号触冰沉海，人们通常认为它的沉没是由于撞击时冰山把船壳撕开了一个大洞造成的。但最进的失事探查结果表明，真正的原凶很可能是材料脆裂：船以41公里的时速撞到冰山，船壳本应凹陷，但发现的撞击残痕却是钢板碎片。

      例2，1919年1月15日，纯化蒸馏公司位于波斯顿北端的30米高的糖罐发生了爆炸，里面淌出的220万加仑糖蜜破坏了附近好几个街区，杀死了21个人和几十匹马儿。中午发生的这场灾难最初被归咎于爆炸，但随后的官方调查发现大糖罐的钢脆裂在4°C的冬季气温下才是真正的原因所在。纯化蒸馏公司，作为美国工业酒精公司的子公司，为其造成的损害赔付了100万美元偿金，有讽刺意味的事情在于，这次事件发生在美国宪法第18次修正案批准的前一天（该修正案禁止销售酒精饮料）。

      故事结束前，来个理解测试，关于柔软和强度的：退火纯铜非常的软，成年人用双手即可掰弯一条粗铜棒。但是，古代铜匠却能把纯铜锤打成有用的工具和武器。是什么赋予了这类工具和武器一定的强度？

court0

胖大厨

好帖!C版辛苦，谢先
学习中，期待下文！

鲁迅

原帖由 胖大厨 于 2007-8-21 08:03 发表
好帖!C版辛苦，谢先
学习中，期待下文！

你看一百遍也学不会。你就一粗人。

糯米团团

本节故事结束前，测试一下你对应力故事的理解：——下面哪种情况的应力更大：一块砖支起100KG重的柱子，两块砖并排平铺支起200公斤重的柱子？
应变只是一个非矢量的数值，而应力和杨氏系数都是压强值，它们的量纲都是帕斯卡,压强是单位面积承受的压力比。所以，两种情况的应力是一样的。

故事结束前，来个理解测试，关于柔软和强度的：退火纯铜非常的软，成年人用双手即可掰弯一条粗铜棒。但是，古代铜匠却能把纯铜锤打成有用的工具和武器。是什么赋予了这类工具和武器一定的强度？

退火纯铜内部只拥有一些大晶粒，在屈服强度上，它会小于退火前拥有许多小晶粒的铜。所以在代铜匠才能把纯铜打成有用的工具和武器。
我不知道该如何组织语言更好的回答这个问题。

第二节结尾处的小故事让我很想知道，低温状态下是因为低温将大晶粒分解为小晶粒（应该是不可能的）还是将大晶粒平滑？？从而不能忍受超过较小值的应力而脆裂？？那我们常说的低温处理是怎么一回事？

万分希望C版接着写剩下的几节。

liebealt

原帖由 糯米团团 于 2007-8-21 10:32 发表
本节故事结束前，测试一下你对应力故事的理解：——下面哪种情况的应力更大：一块砖支起100KG重的柱子，两块砖并排平铺支起200公斤重的柱子？
应变只是一个非矢量的数值，而应力和杨氏系数都是压强值，它们的量纲 ...

其实应变/应力都是二阶张量，而并非数值。

低温处理的一种可能情况是发生了残余奥氏体->马氏体相变而得到强化，其他的小弟就不清楚了

兵不血刃

又见知识帖，顶了先！！！

残贱

一直不能看到热处理高温急冷的详细技术分析，还望楼主赐教。

court0

回10楼兄弟：

  塑性形变和延展性对于一把刀非常有用。当刀承受的应力过大并超出刀身的弹性限度，这种情况下我们宁愿刀子变弯而不是碎断。金属的延展性随温度的升高而增加，因为热能帮助晶体产生原子断层以及其它材料缺点从而使各层原子之间的“平滑”现象更易发生。在低温金属中，对应的材料缺陷很稳定，这使得“平滑”现象减少。由于延展性下降，低温铁比高温铁更容易发生脆裂。


回13楼兄弟：

不要着急。

浪鬼

这是个很专业的深度帖  虽然看起来有些费力  ：）

双重骗术

技术贴
看了一遍以后感觉自己应该补课了
希望看到后面的内容
想知道
以前的钢铁产地不同，质量会有很大差异，是纯度不同，或者是结构不同，还是成分的问题？

court0

回双骗兄：钢材质量的差异，主要体现在钢材的应有特性方面，而决定钢材特性发挥的因素，主要有两个方面：化学成分、处理工艺。阅读节3的故事应该会有帮助。

court0

节2用了最简单的铁晶体来描述一些现象和归纳一些概念，主要在于讲述能屈能伸对一把好刀的重要性，本节故事则主要集中在怎么做到这一点。下面转入故事正题。


                                              节3：变相怪杰——钢


      铁中加碳即成钢，钢是一种合金或者金属混合物。钢的韧性和硬度远超纯铁。在铁中不同的加碳量则会形成不同类型的钢，而且，对钢的处理机制不同——包括机械处理和热（量）处理——也会非常显著地改变钢的特性。

      最先被加入铁的一小部份碳会溶解在铁里面，碳与铁形成了一种“固体溶解”（即固溶体）。这听起来挺怪异的：固体也能把东西溶解？但自然规律中并没有限定溶剂必须是液态。事实上，只要能量和熵（随机地）达到某个要求，使得一种物质分解成原子、分子、离子并完全渗透到另一种物质的原子、分子、离子之间，此时溶解就发生了。无论在固态或液态，铁确实能够溶解一小部分碳。
       
      发生溶解后，铁仍然保留着它的铁素体晶体，而被溶解的碳则将被重新排列原子——无数的碳原子会自发随机地钻到铁原子之间的缝隙里。常温铁的溶碳重量比为0.01%，即100克铁素体可以在室温下溶解0.01克碳，此时它会变得比纯铁更硬。在微观上，碳原子把它们“所占据的”铁素体晶体拉得变形了，这导致了铁的原子层之间不再像纯铁那样容易发生“平滑”现象。由于溶解后的碳降低了铁原子的层间平滑性，所以钢的屈服强度比纯铁提高了。

      只有碳、氢、氮等（原子）个头足够小的物质才适合呆在铁原子之间，从而能够形成钢的间隙溶解硬化机制。

      然而，还存在许多其它物质，它们的原子能够侵入铁素体晶体内部并置换铁原子，通过这类机制也可以达到硬化铁和钢的目的。这类原子也会扭曲晶体，阻碍铁原子的层间平滑，从而提高钢的屈服强度。磷、硅、锰、铬、镍等原子经常被加入钢中，以形成钢的置换溶解硬化机制。

      室温下，碳含量超过0.01%后，碳就不再以溶解的方式留存在铁素体中了。此时，一种新材料诞生在钢材中，它有两个正名：碳化铁、渗碳体（如图1、图2和图3所示），其分子式为Fe3C；渗碳体是一种极硬和极脆的晶体材料，有时也被冠以“雪明碳铁”的别名。细小的渗碳体晶粒散布在铁素体内，阻碍着铁原子的层间平滑，提高了钢的屈服强度，这便形成了钢的弥散硬化机制。







      铁素体晶粒和渗碳体晶粒在钢中的排列分布，综合地取决于两个因素：一是钢中的碳含量，一是钢所受到的机械和热量处理。加热到高温的钢，经过长时间缓慢冷却后，此时的钢就是珠光体。珠光体由渗碳体和铁素体以一层一层的交错形态构成（如图4所示：珠光体错层结构照片），通常珠光体的碳含量大约为0.8%。通过高温加热并经过长时间缓慢降温冷却后，如果钢的碳含量低于0.8%，它则形成了富余的铁素体，此时珠光体上会点缀着这些铁素体（如图5所示：嵌有铁素体（白色团块）的珠光体照片）；如果此时钢的碳含量高于0.8%，它则形成了富余的渗碳体，此时珠光体上会点缀着这些渗碳体（如图6所示：嵌有渗碳体的珠光体照片）。







      无论多么好的一把刀，它最终都要以钢材的特性为依准，而钢材特性的发挥绝对不能缺少复杂的热处理，否则钢材将无以示其悍，宝刀也不能显其威。在加热和冷却过程中，钢的微结构会发生显著的变化。在723 °C以上，固态铁中的铁原子会形成许许多多奥氏（晶）体。奥氏体是一种无磁材料，在此种晶体的单个晶格中，铁原子的排列方式是“2乘2乘2再加1”的正方体结构，所加的1，指的是这第9个铁原子位于晶格正方体的中央，它的直径与其它8个原子的直径都是贯通的，而且它与这8个外围原子各个相切（如图7所示：奥氏体的面心立方结构示意图）。图8则是用电脑还原的半个奥氏体的晶格结构图。





      相比铁素体，奥氏体能够溶解更多的碳，它在723 °C可以溶解0.8%的碳，在1148 °C可以溶解2.06%的碳，2.06%则达到了“钢”这种材料的溶碳上限。把钢缓慢加热到723 °C，它的铁素体、珠光体、渗碳体全部都将转化为奥氏体，该种结构性的转变被称为固态相变。如果反过来，把钢缓慢地降温冷却，与上面所述的相反固态相变也会发生，此时奥氏体将转化为铁素体、珠光体、渗碳体。

      但这个冷却要是快速进行的话，那么相变结果的影响就将表现得更为显著。

      如果奥氏体的温度一下子降至600到650 °C并保持温度，它会转变成精细珠光体——此时珠光体结构表现为各片层都极细极薄（包含索氏体和屈氏体）。为了形成珠光体，碳原子必须在整块铁中跑动扩散。当温度较低时（从临界温度A1至650°C之间），碳原子缺乏足够的能量进行长途跋涉并均匀分布，因此就只能在某处不断积累和加厚，形成了粗珠光体。粗珠光体的片层较厚，用显微镜放大4百倍即可辨识其中平行的宽条铁素体和细条渗碳体，而精细珠光体的片层非常薄，其中索氏体的片层需要放大1千倍才能辨清，而屈氏体更是要放大1万倍方可把组成它的铁素体和渗碳体交错层看得清爽。由于精细珠光体中铁原子的层间交错滑移（即上文所指的“平滑”或“平滑移动”）比粗珠光体中的铁原子层间滑移要困难，因此，精细珠光体的屈服强度更高。

      奥氏体被突然降至260到400°C并保持温度段时，它将不会形成珠光体。此时碳原子扩散得太慢，能跑动的距离太短，形成的材料则是细小的节状渗碳体。这些一节一节的渗碳体会随机排列在铁素体层片之间，并形成自己的一层，这种材料被称为贝氏体（如图9所示）。贝氏体钢比精细珠光体钢的屈服强度又要高一点。




      奥氏体被骤然降温至200°C略低时，一种全新的材料就出现了。在200°C时，热能太少以至于碳原子在铁中不再发生扩散，此时渗碳体、珠光体、贝氏体都无法生成。取而代之的，奥氏体试图转回铁素体状态，但却没办法除去它里面已经溶解和吸收的碳。在这种情况下，马氏体就来到了世上。马氏体一经出现，它的形态就表现成扭曲了的铁素体，而且都朝着一个方向扭（图10给出了马氏体与奥氏体的结构对比示意图）。



      由于真正的铁素体其溶碳比不可能超过0.01%，所以马氏体本质上就是过量溶碳的铁素体。在常温下，一种溶剂如果含有的溶解物超过了溶解平衡的数值，那么我们称此种情况为“过饱和”状态。过饱和下的溶解物迟早要从溶剂中析出，但在析出之前，溶解物可能会在溶剂中呆上一段时间。马氏体是碳溶解在铁素体中的过饱和固溶体，常温情况下，碳要想从中析出，则可能要花费亿年至百亿年时间。由于马氏体非常反对铁原子的层间滑移，所以整块的马氏体钢会表现得极硬，并且屈服强度极高。然而，正是由于其坚决反抗塑性形变的性质，马氏体也就会导致钢材在应力下的脆裂（图11：马氏体的微裂照片）。



      显然，对奥氏体的速冷却或淬火可以比慢冷却生成更硬的材料。而且，奥氏体冷却速度越快、冷却温度越低的话，钢就会变得越硬。不幸的事情在于，炽红的碳钢必须放在水里才能快速冷却，进而产生马氏体。在经受这种粗糙的处理过程时，钢会收缩，而且会把自己困在内应力的陷阱中，这两者都会削弱金属的性能。为了释放内应力，淬火后的钢通常需要回火——重新把它加热到适当的温度以使之自行化解掉一部分内应力。回火处理的温度越高、时间越长，应力被释放得越多，但钢也会变得越软。

      将碳钢放到水里淬火时，场面会比较戏剧化，炽热的钢在水波翻滚和蒸汽腾腾中尖叫，煞是热闹，然而结果却是，它仅会在表面相当薄的一层得到足够快的冷却和硬化。

      为了不费力地得到马氏体，并减慢硬化所需的降温速度，钢通常需要与其它元素形成合金来达到这方个目的。合金钢的硬化更加简单和彻底，其油冷式或空冷式的淬火场面也相对安静，淬火后的合金钢更适合制刀和做工具。有些合金钢的硬化也可以采用析出硬化的方式来做，这个过程有时也被称为偏析。在合金钢降温过程中，析出硬化使各种混合物的细小晶粒从作为溶剂的钢材中析出，并提高钢材的强度。钛的碳化物、铌的碳化物、钒的碳化物、钼的碳化物，等等，经常出没于需要析出硬化的合金钢之中。

      刀匠的技能之一是能够选择合适的钢、合适的热处理工艺，以确保制作出的钢刀在刀身和刃口上要发挥出钢材的最佳性能。对刃口的关注是热处理中最关键的事情，一把刀的内应力过大虽然可以使刃口很硬但却容易导致它的脆裂，而这把刀如果回火温度过高虽然能够避免易脆却又造成了刃口锋利保持性太差。

      在一把好刀上，刃口应当比刀身更硬，通过对刃口的化学成分或者热处理手段进行调整，可以达到这个要求。喷灯或激光束经常被用来对刃口重新加热，有时则会配合刃口渗碳，目的均是有重点的加硬刃口。从微观上讲，一把好刀会拥有精细珠光体和贝氏体刀身以及它们以生具来的强大韧性，同时这把刀又会具备精确回火过的马氏体刀刃以及它带来的相当硬度的刃口（图12：强健的回火马氏体照片）。偶尔也有些好刀会在它们的刀身残留下经受过严格而特殊处理的色泽和表面。




      在宏观上可以举一个非常类似的例子。钢与砼的混合构件支撑起了无数的高楼大厦，钢与砼这两种材料在关键特性上是互补共存关系。钢拥有巨大的抗拉强度，但容易被压弯；砼可以承受极大的压力，却很容易被拉裂。通过将它们结合一体，构架成一种复合材料钢筋砼，这种复合材料就有可能把钢的抗拉性和混凝土的抗压性同时发挥出来。浇铸钢筋砼构件时，在砼变干的过程中一直保持钢被拉伸的状态，这样做出来的预应力钢筋砼构件可以更好地发挥出复合材料的性能。在对好刀的使用理解上，也可与预应力钢筋砼进行类比。大力劈砍时，刀刃吸收的能量绝大多数会立即被刀身吸收，因为刀身韧性很好，它支撑和保护着刃口，而坚硬的刃口则有利于保持其锋利性和整刀的切割效率。

      本节故事结束前，照例来一个阅读理解：热钻头。
      优质钻头通常由一类被称为工具钢的高碳钢充当制造原料，工具钢的含碳量一般在0.8%到1.1%之间。每个钻头都要先修出形再经过热处理，以使其有能力在绝大多数金属上钻孔，包括能够在较软的钢材上钻孔。在钻钢的时候，人们通常要往钻头上滴一些切割润滑油，以减少钻头与钢的磨擦力从而避免钻头发生过热现象。如果这时候钻头过热，那么会发生什么？

小拧刀

一直对楼主相当的敬仰，楼主的学识如此渊博，我们真是可望而不可及了~

多次拜读，尽管好多太高深看不懂，但至少能做到常读常新，每次必有收获。

人在旅途

很好的文章