鋼鐵為什麼要淬火處理（揭開寶刀削鐵如泥的秘密）

2023-04-28 07:38:38

來源：刀劍情報局 作者青銅

武俠世界，英雄出手，疾如電，快如風，手起刀落，剎那間取人性命。以前的寶刀真能削鐵如泥嗎？是如何做到的？我們來進入刀劍的內部，看看它的微觀世界裡究竟藏著哪些秘密！

馬氏體和奧氏體，是鋼鐵內部的兩種晶體結構。把（中高碳）鋼加熱到一定的溫度，迅速冷卻（淬火），一般得到的就是馬氏體。馬氏體的內部結構穩定，製作成的刀劍更堅硬也更鋒利。

馬氏體轉變的速度極快，淬火的瞬間，體積膨脹，鋼鐵內部會形成很大的內應力。所以淬火之後要及時回火，防止因為應力而開裂。由於淬火過程難以控制，很多淬火工藝通過淬火後獲得過量的馬氏體，然後通過回火去減少馬氏體含量，直到獲得合適的性能。馬氏體具有高強度、高硬度，但是韌性很差，其特點是硬而脆。所以要想提高淬火鋼的塑性和韌性，必須用提高回火溫度的方法，犧牲部分強度而換取韌性。

奧氏體是碳在γ-Fe（溫度在910℃-1390℃之間的純鐵）中的無磁性固溶體，是鋼鐵的一種層片狀的顯微組織。奧氏體的晶體結構為面心立方結構(fcc)。

奧氏體的塑性好，強度較低，具有一定韌性，易於加工塑性成形。因此，鋼錠，鋼坯，鋼材一般被加熱到1100˚C以上奧氏體化，然後進行鍛軋，塑性加工成材或加工成零部件。

奧氏體不具有鐵磁性，因此奧氏體鋼可以作為無磁性鋼。然而特殊成分的Fe-Ni軟磁合金，也具有奧氏體組織，卻具有鐵磁性。

奧氏體導熱性差，所以，厚鋼件在熱處理過程中應當緩慢冷卻和加熱，以減少溫差熱應力，避免開裂。

摺疊鍛打是一種人工錘鍛的方法，常見的主要有：團打、流水、旋焊、馬牙等，鍛打出的刀劍表面往往會呈現出花紋，這是摺疊鍛打的層理的外露。

用摺疊鍛打的方法製造刀劍，一方面是為了將鋼鐵中的雜質鍛出，以提高刀劍的品質；一方面可以將幾種軟硬不同的鋼材鍛打到一起，使製成的刀劍同時具備硬度和韌性。後來隨著技術的進步，人們逐漸掌握了採用不同的鍛制方法，獲得不同花紋的技術，從而使花紋鋼製刃術又得到了發展和完善。

淬火，是將鋼加熱到臨界溫度以上溫度，保溫一段時間使之全部或部分奧氏體化後，再以大於臨界冷卻速度的冷速，快速冷卻以進行馬氏體轉變的金屬熱處理工藝。常用的淬冷介質有鹽水、水、礦物油、空氣等。

淬火的目的是使過冷奧氏體進行馬氏體或貝氏體轉變，得到馬氏體或貝氏體組織，然後配合以不同溫度的回火，以大幅提高鋼的剛性、硬度、耐磨性、疲勞強度以及韌性等。淬火還可以改善某些特殊鋼的材料性能或化學性能，如提高不鏽鋼的耐蝕性，增加磁鋼的永磁性等。

在討論鋼之前，我們還需要先說說純鐵（Fe），純鐵在912℃以下，呈體心立方晶格，叫作α-Fe，在912~1394℃之間，為面心立方晶格，叫作γ-Fe；在1394℃以上，熔點1535℃以下，又成了體心立方晶格，叫作δ-Fe。什麼叫立方結構？形象來說，就好比是鐵原子排列成三維的方陣，那叫簡立方，如果每4個相鄰的鐵原子形成的正方形中間都再放一個鐵原子，那就叫面心立方；如果每8個相鄰的鐵原子的中間都再放一個鐵原子，就叫體心立方。

這種圖只是表示相對位置，實際上原子之間不會離這麼遠，稍微寫實一點的是這樣的：

面心立方的鐵原子堆積，實際的原子也不會正好是球體，只能說大致如此

鋼的本質，是鐵和碳和合金，碳原子比鐵原子要小得多，碳原子會儘量待在鐵原子的間隙當中，面心立方晶格的間隙比較大，可以容得下碳原子，碳原子存在於鐵原子的間隙中，就形成一種叫作「奧氏體」的結構。

1538℃以上為液態

1538℃ — 1394℃ 體心立方晶格 δ—Fe鐵

1394℃ — 912℃ 面心立方晶格 γ—Fe鐵

912℃以下至低溫 體心立方晶格 α—Fe鐵

在刀具鋼中，可以分為碳鋼和不鏽鋼兩大類。碳鋼比不鏽鋼便宜得多，但碳鋼在鋒利度上，要勝過不鏽鋼，其他如強度、韌性等，只要熱處理做得好，碳鋼也不差。碳鋼的惟一缺點就是會生鏽。

現代的碳鋼，實際上也含有少量的合金元素。即使日本武士刀這種純淬的傳統工藝，是最純粹的碳鋼，也難保裡面完全沒有別的元素。但我們認識鋼材，還需要從「純碳鋼」開始。

鋼的本質，是鐵和碳和合金，碳原子比鐵原子要小得多，碳原子會儘量待在鐵原子的間隙當中，面心立方晶格的間隙比較大，可以容得下碳原子，碳原子存在於鐵原子的間隙中，就形成一種叫作「奧氏體」的結構。奧氏體的特點是塑性非常好，因此要對鋼材進行鍛造，首先都要把它加熱到形成奧氏體的溫度。

而體心立方晶格，間隙半徑比較小，不能容下碳原子，只有在結構中有缺陷中可以使碳原子存在。如果碳的含量很少，可以全部存在於鐵的晶格缺陷當中，這種結構叫作鐵素體，性質和純鐵差不多，硬度、強度都比較低。

如果碳的含量比較多，多餘的碳就會擴散出鐵的晶格，形成Fe3C(碳化鐵)的結構，這種結構稱為滲碳體，比較複雜：

滲碳體結構，這圖容易看得暈，可以忽略，我們知道是碳擴散形成的另一種結構,並且很硬就可以了。

印度古代所產的烏茲鋼，即「鑄造型天然結晶平面大馬士革鋼」。其獨特的花紋，雖然具體的成因還不明確，但在一點上研究者早已形成共識，就是烏茲鋼花紋是由大量的成排分布的滲碳體顆粒構成的。烏茲鋼所做的刀劍整體硬度並不高，但具有很高的微觀硬度，這使它具有非常好的切割性能。

印度塔瓦 烏茲鋼 其花紋的白色部分即為滲碳體顆粒所形成。

波斯卡德短刀 烏茲鋼

極為名貴的一種烏茲鋼花紋——雙天梯與玫瑰

在碳含量為0.77%時，如果奧氏體緩慢冷卻，就形成一種鐵素體與滲碳體片層相間的組織，稱為珠光體，因為在顯微鏡下觀察有珍珠一樣的光澤而得名。珠光體強度高、韌性好、硬度適中。

鐵碳相圖

這就是鐵碳合金的相圖，橫軸為含碳量，縱軸為溫度，在這張圖上，什麼含碳量的鋼材在什麼溫度下的形態都一目了然。我們只了解左下方就夠了，因為右邊碳含量在2.11以上的已經不是鋼了，而屬於鑄鐵；而最上方的L相是液態，都和我們這些玩刀的沒什麼關係。

此圖中的S點，叫作共析點，表示含碳量0.77%，這個含碳量的鋼叫共析鋼，含碳量小於0.77%的叫亞共析鋼，大於0.77%的叫過共析鋼。刀具鋼一般都是過共析鋼。因此，我們真正需要重點關注的只是紅圈裡面的部分：

A：奧氏體，F：鐵素體，P：珠光體，Fe3C:滲碳體

在727℃，奧氏體開始向珠光體轉變。S點的上方，A就表示奧氏體，下方的P表示珠光體。在GPQ區域內，是鐵素體F區，GPS是奧氏全和鐵素體的混合區，QPS線的下方，是珠光體和鐵素體的混合區。也就是說，如果含碳量小於0.77%的鋼從奧氏體開始冷卻，會先部分形成鐵素體，然後到727℃，奧氏體再轉化為珠光體，形成珠光體和鐵素體的混合物，含碳量越低，鐵素體的比例就越高。

SE線右下方的區域，是奧氏體和滲碳體的混合物，到727℃以下，則形成珠光體和滲碳體的混合物，含碳量越高，滲碳體的比例就越高。

這個鐵碳相圖，也只不過是幫我們了解一點最基礎的知識。對於刀具鋼的熱處理來說，它用處不大。因為我們淬火，主要是為了得到馬氏體，而這張圖裡邊，根本沒有馬氏體。因為相圖中鋼的各種狀態都是平衡態，而馬氏體是非平衡態。我們從鐵碳相圖上能得到的有用信息，也就是形成奧氏體的溫度，因為淬火的前提是先把鋼加熱成奧氏體。

在平衡狀態奧氏體向珠光體轉變的過程中，鐵原子重新排列，碳原子要擴散、改變位置。但如果快速冷卻，讓碳原子來不及擴散，新的鐵晶格空隙又容不下碳原子，形成一種過飽和固溶體，它的晶格已經不再是體心立方，而是發生了畸形變化，就是馬氏體，硬度很高，打個不太恰當的比喻，有時地鐵裡特別擠的時候，每個人的姿態都發生畸形變化，這時外面的人也最難再擠進來，如果當成微觀結構看，就是這個人群的「硬度」很高。我們刀具鋼的淬火，目的就是得到更多的馬氏體。

在加熱到形成奧氏體的階段，溫度的掌握非常重要，在實際當中，要求溫度比奧氏體轉化溫度高出30~50℃，這是為了使其成分更為均勻。但也不能高出太多，否則會使奧氏體晶粒長大，淬火後的馬氏體脆性增大、裂紋增多。因此，對於碳鋼來講，淬火溫度一般就是在770℃左右。

如果其中加入了合金元素，由於合金元素在奧氏體中擴散比較慢，需要加熱到更高的溫度，一般都要加熱到1000℃以上，好在，大多數合金元素，除了錳以外，又有阻止奧氏體晶粒變大的作用。尤其以鈦、釩的作用最為顯著。

要了解馬氏體的轉變規律，我們需要引出真正的重點——C曲線圖。

C曲線不是特別好懂，但局座建議在這裡您要打起點精神來把它看懂，因為這個東西確實很重要。

1095碳鋼的C曲線

此圖的標準名稱應該是TTT曲線，因為曲線的形狀像是字母「C」，因此又稱為C曲線。它的橫軸是時間（秒），它是以指數為標尺的，如果按正常比例的話，那就太長了，根本畫不下。

它的縱軸是溫度。這個溫度的意思，是把它瞬時降到某一個溫度，然後觀察鋼的成分隨時間的變化情況。圖的上方有一條As線，這就是奧氏體的轉變溫度，溫高如果高於As，無論時間多久，奧氏體都仍然是奧氏體，不會發生轉變。

在As線的下方，有兩條C形曲線，左邊那一條代表轉變開始時間，右邊代表轉變結束的時間。比如我們把一塊鋼材從奧氏體降到650℃，那麼它大概在第3秒開始轉變，到第30秒，轉化成珠光體。但也不會完全轉化，總會有些奧氏體留下來，這叫殘餘奧氏體。溫度再低一些的，還會形成貝氏體，這個和我們關係不大，就不管他了。

C曲線的下邊有一條Ms的水平線，大概對應的溫度是210℃，到這個溫度以下，才能有馬氏體形成，溫度越低，馬氏體形成的越多。我們可以看到下邊還有兩個溫度，際為M50、M90，分別指馬氏體形成到50%和90%的溫度。再往下，還會有一條Mz線，是馬氏體結束轉變的溫度，一般都在0℃以下。因此，用液氮做深冷處理，可以使馬氏體最大限度地形成。

但在實際當中，降溫不可能瞬時完成，總是需要一個過程，關鍵就是降溫的過程中，奧氏體不能轉變為珠光體。在這個降溫的過程中，C曲線最左側，俗稱「鼻尖」的部位，是危險區域，因為這個「鼻溫」下，奧氏體最容易轉化為珠光體，一旦轉化為珠光體，就不能再變為馬氏體，淬火即告失敗。這就好比說，你將來想要成為一名模特，那就要在成長過程中時刻注意，不要讓自己先變成一個胖子。最好的辦法就是長快點，身高長得快，也就來不及變胖。

我們看1095碳鋼C曲線的鼻尖，對應的時間約是1秒，對應溫度約為550℃，也就是說，我們的冷卻速度，必需保證在1秒鐘之內，降溫到550℃以下，否則就會有珠光體形成。這就是淬火的最關鍵所在。

既然如此，是不是降溫越快越好呢？那也不一定，降溫速度快，風險也隨之增加，比如可能出現開裂，也同樣會導致淬火失敗。日本武士刀由於是用水淬火，風險還是比較大的，一旦淬火失敗，就前功盡棄，這也是日本武士刀非常貴的原因。因此，好的淬火方式是既要保證繞開C曲線的鼻尖，又要儘可能地慢一點。

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

1095是一種非常優質的碳鋼，ABS的鍛造大師多喜歡採用。它的不幸是價錢便宜，因而經常被一些非常低檔的刀所採用，影響了它的名聲。

美軍ONTARIO 安大略 M9軍刺刃，刃材質1095

美國TOPS遊騎雙刃格鬥刀，刃材質1095

1084：碳鋼同樣是做刀常用的鋼材，它的含碳量是0.84%，含錳0.75%，硬度HRC45~66；

我們可以看到1084碳鋼C曲線的「鼻溫」更低一些，和1095碳鋼的C曲線相比，形狀沒有區別，但稍稍偏左一點。這就意味著它的淬水需要冷卻得更快。

美國ABS總裁、AKI成員哈維·迪安的博伊 1084碳鋼

除了碳的含量之外，合金元素對C曲線的影響更大。合金元素可以分為不形成碳化物的和形成碳化物的兩類。不形成碳化物的元素，是鎳、矽、鋁、錳（錳的含量不超過3%就不會形成碳化物），它們都可以使C曲線右移。

而形成碳化物的元素，有鉻、鉬、釩、鎢，它們不但使C曲線右移，還會使C曲線的形狀發生改變，比如鉻會使C曲線變成上下兩個「C」形。同時這幾種元素還可以使C曲線的「鼻溫」上升，「鼻溫」上升的結果，就是只需要下降較小的溫差，就可以繞過C曲線的鼻尖，和C曲線右移的較果是一樣的，都是提高了鋼的「淬透性」，也就是允許淬火時冷卻的速度慢一些，減小淬火失敗的風險。淬透性好，就相當於把模特的標準放寬了，本來腰圍必須兩尺以下，現在三尺也可以了。

此為L6工具鋼的C曲線，它的合金元素還不太多，但C曲線的鼻尖已經右移到了10秒的位置

這裡邊只有鈷是個例外，它會使C曲線左移。和別人唱反調，使本來降低的淬火難度又提高了。但鈷、鎢都能提高刀的紅硬性。現在刀具鋼中加鈷的不多。常見的只有VG-10（1.5%）、N690（1.5%）、S125V（2.5%）。

52100鋼：碳0.98~1.1%；錳0.25~0.45%;鉻1.3~1.6%;矽0.15~0.3%，

硬度HRC58~62；

和1095相比，52100主要就是增加了1.5%左右的鉻，這使它的淬透性更強。同時的結果就是它的硬度範圍窄了很多。

ABS大師 J·尼爾森做的廚刀 52100碳鋼

冷卻的速度，一般都是能過不同的淬火介質實現的。常用的有水淬、油淬、風淬，水淬的冷卻速度最快，油淬慢一些，不同的油速度也不同，輕質油相對更快，水或油的溫度對冷卻速度也有影響。風淬就是在空氣中冷卻，這種最慢，如果用風扇吹，則會快一些，古代波斯刀匠淬火時是持加熱的刀騎快馬疾馳，算是一種最特別的風淬了。

一般來講，1084這樣較純的碳鋼應該水淬，合金鋼可以油淬甚至風淬，可以風淬的鋼又稱為風鋼或高速鋼。

但1095的含碳量較高，C曲線也相對比較偏右，也有人用油淬火。

總而言之，馬氏體形成全靠碳，碳是鋼的硬度的來源。

碳含量和硬度的關係，左側為維氏硬度，右側為洛氏硬度。

上圖是不同人所做的不同含碳量的鋼的淬火後的硬度。總的來說，在共析點（0.77%）以下，硬度隨含碳量上升而提高。達到共析點以後，不同人的熱處理方式不同，效果也就不同了。

既然碳含量到0.77%，硬度就到頂了，為什麼我們用的很多刀具鋼材含碳量都高於0.77%呢？這是因為，我們所測的洛氏硬度，是整體上的硬度。而含碳量高於0.77%的鋼，多餘的碳還是會形成滲碳體，也就是碳化鐵的顆粒。滲碳體的硬度，還要明顯高於馬氏體。滲碳體的硬度是微觀局部硬度，一般的硬度測量方法測不出來，它可以增強鋼的耐磨性，耐磨性好，做成刀的刃保持性就好。鋒利度可以保持更長的時間。但一般高碳鋼所形成的滲碳體，不會出現烏茲鋼那樣的花紋。

而加了合金元素以後又會形成合金元素的碳化物顆粒，它們比構成滲碳體的碳化鐵更硬。不同的合金元素形成碳化物的硬度也不同。比較順序為：

錳 < 鐵 < 鉻 < 釩 < 鉬 < 鎢 < 鈮

其顆粒硬度越高，鋼的耐磨性就越強。這裡邊錳是個例外，刀具鋼中，錳的含量很少超過1%。

但由於碳化鉻的晶粒比碳化鐵大，在刃口容易脫落，這使不鏽鋼達不到碳鋼那樣的極致鋒利度。通過局部熱處理，碳鋼中的馬氏體可以提供足夠的硬度和強度，珠光體可以提供足夠的韌性。至於生鏽的問題，可以通過表面氧化、塗層的方式解決。當然表面的抗氧化層如何保證不脫落，也需要很高的技術保障。

在刀具鋼來說，一般只分為碳鋼和不鏽鋼兩大類。不鏽鋼都是加了13%以上的鉻元素，因此鉻是不鏽鋼耐腐蝕作用的決定性元素，其他的都只是起輔助作用。沒有哪種不鏽鋼是不加鉻的。它的原理是加了鉻以後，鋼表面的氧化物會形成一層緻密的保護膜，阻止它進一步氧化，從而起到防鏽的效果。

初級刀迷往往有一個誤區，就是以鋼材的價格來判斷刀的價值，這種方法非常片面。不鏽鋼肯定比碳鋼貴，但在三十年前的美國，有一種觀點很流行，就是說碳鋼刀才真的牛，不鏽鋼都弱爆了。這個當然也比較片面，主要是因為那時候的不鏽鋼都不是為了做刀生產的，自然效果不佳。現在，有不少專門為做刀的不鏽鋼，效果好了很多。但即便在今天，碳鋼仍然可以通過高超的熱處理技術挑戰任何不鏽鋼的極限。

不鏽鋼的最大劣勢，就是不能像日本武士刀那樣做局部熱處理，因為它的C曲線右移太多，不鏽鋼要形成珠光體，需要幾分鐘，這樣無論你怎麼覆土，冷卻速度也下降不了那麼多，得到的仍然全是馬氏體。現在是鐵了心要讓你當模特，腰圍不超過6尺不許拒絕。因此，不鏽鋼如果和成功局部熱處理的碳鋼相比，一般是比不過的。它無法達到那種剛柔相濟的效果。

裡克·巴瑞特的折刀 1095高碳鋼局部熱處理。

即便不考慮局部熱處理，鉻對鋼的韌性也存在負面影響。至於說增加了硬度和強度，也只是相對於熱處理不好的碳鋼而言。實際上1095、1084碳鋼的硬度可達HRC66，而不鏽鋼的硬度一般最多也就是HRC62。

可以這麼說，碳鋼刀的價值主要在技術，不鏽鋼呢，一半在技術，一半在鋼材。因此，現在的量產刀，絕大多數都是不鏽鋼的，因為產量大，沒有條件做那麼精細的熱處理，用不鏽鋼至少可以保障一個基本的質量水平。而手工刀，不鏽鋼和碳鋼各佔半壁江山。手工刀用不鏽鋼的，多是追求完工度、藝術性。碳鋼的手工刀，主要是ABS這種鍛造工藝的崇尚者，因為不鏽鋼不適合鍛造。而在一部分不鏽鋼刀匠看來，有些熱衷鍛造的人只不過是在裝13。現代條件下，鍛造的確並不能使鋼材的性能有什麼提升，但鍛造有一個優勢就是可以鍛出獨特的大馬士革花紋。大馬士革鋼從理論上講，可以兼具兩種或三種鋼的性能優勢，但現在的大馬士革鋼主要還是為了好看。

ABS大師J 尼爾森做的博伊 採用1095、5100、15N20三種鋼材鍛造大馬士革鋼

ABS大師羅恩·牛頓的短劍 1095、15N20鍛造大馬士革鋼

ABS大師羅恩·牛頓的短劍 15N20、15N20、1084 鍛造大馬士革鋼

不鏽鋼的真正好處，其實也就兩點，一是耐腐蝕，二是淬火技術容易掌握。還有一個是耐磨，如果是做機器零件，那麼耐磨性要重要得多，這直接決定它的使用壽命。但對做刀，這個要分兩方面說，耐磨對刃保持性有利，缺點是研磨比較費勁。但刃保持性並不完全取決於耐磨性，和淬火、刃口研磨的精度都有關係；而研磨費勁倒也不是大問題，選擇更好的磨石就行，比如金剛砂磨石。當然，耐磨性好，刀就不容易「變舊」，但這個指標，對實用性關係不大。而有些刀上配件，如襯鎖折刀的內襯簧片，每次開關都有磨損，所用材料對耐磨性要求也很高。