日本武士刀的技术秘密

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核心提示：日本武士刀是历史上最著名的武器之一，为近身战斗而设计，尤以致命的利刃闻名。传奇的武士刀背后到底有什么技术秘密？
图：炼玉钢：传统武士刀用最纯粹的钢材做成，日本人称之为玉钢(tamahagane)。为炼制玉钢，冶金师把约25吨含铁的河沙和木炭一起装进土陶熔炉，连续冶炼3天3夜。木炭既是燃料也是炼制钢材的重要原料。当熔炉内部温度达到约1400℃，铁矿沙和少量木炭结合生成约两吨玉钢。最高品质的玉钢的价格是用现代工艺炼制的普通钢铁的50倍。
图：熔解碳：玉钢永远不允许达到熔化状态。这是为了保证恰当分量的碳与钢材结合。玉钢中各个部分的碳含量并不均匀，(在0.5%至1.5%之间)。武士刀制造者采用两种玉钢。碳含量高的玉钢硬度高，可制作锋利的刀刃；碳含量低的玉钢韧性强，可吸收冲击力。单用其中一种材料做成的刀要么容易折断，要么不够硬。玉钢出炉后，冶金师将原钢摔成碎片。通过易碎程度判断其中碳的含量。
图：去杂质：质量上层的玉钢被送给铁匠，通过反复捶打，让铁和碳更紧密地结合。同时去除杂质。这个过程费时且单调乏味，但至关重要，因为钢材中的杂质会影响刀的质量。当杂质排除后，经验老到的铁匠可以通过玉钢的弹性判断其碳含量。
图：铸刀：排除杂质后，铸刀师把玉钢加热，将碳含量高的部分捶打成长长的U形。然后将碳含量低的玉钢捶打成长条，镶嵌进U形中央。现在，特性各异的金属都部署在了最恰当的位置上。硬度大的包裹在外面，确保能够制成锋利的刀刃，核心的韧性金属则能承受更大的冲击力。正是这两种特性的结合使武士刀成为世界上最著名的武器。
图：上涂料：现在刀身已经完成，但铸刀者的工作还未完成。在最后一道锻造工序前，还要给刀涂上一层粘土和木炭粉末混合的秘密材料。这样做可以隔离部分刀刃，让一部分比另一部分冷却更快，并在刀上留独特花纹。然后铸刀师把刀放回火中，加热到约800℃。
图：曲线形成：接下来，铸刀师将火红的刀放入水槽，迅速冷却。这个过程叫淬火。由于刀背和中心部分含碳元素少，收缩程度较大。而刀锋部分含碳元素多，收缩较小。这种收缩速度和程度的差异创造出弯曲的形状。淬火是生死攸关的步骤，有1/3的刀在这一步功败垂成。
图：打磨：最后一步是打磨。这个过程需要多达两个星期。打磨师采用的磨刀石价格不菲，一套可能要上千美元。打磨的时候从最粗糙的石头换到最细致的石头，这个工作不但需要耐心和技巧，还很容易受伤。一把武士刀需要许多人合作完成,售价可高达到数十万美元。
日本武士刀是历史上最著名的武器之一，为近身战斗而设计，尤以致命的利刃闻名。传奇的武士刀背后到底有什么技术秘密？
白天，田中只是人群中一张普通面孔。她在一家中型电子公司担任前台接待。田中还有一个身份，一名武士。武士是中世纪日本的贵族战士，类似欧洲的骑士。从12世纪开始，在之后的600年里，日本被地方军阀所统治。武士既是军人，又是贵族，有时还是雇佣军。他们有自己的信念和原则，他们使用的刀是当时最致命的战斗武器，能够一刀把一个人切成两半。
今天的武士用竹子和稻草捆测验武器的锋利。切割这些东西已经不易，然而最难对付的还是人的骨头。武士刀真的如传说中一样神奇，它是否能经得起时间的考验？
麦克?诺提斯是一位刀剑专家，利哈伊大学教授。利哈伊大学的材料工程学久负盛名，与曾经辉煌的美国钢铁业颇有渊源。诺提斯拿起一把日本刀说，“只看这把刀的表面，看到的是流畅美丽的线条。通过现代工具，我们可以看到古代匠人的制造工艺和技术秘密。”
这把美丽得像工艺品的武器显示了高超的金属冶炼技巧，可以追溯到1000多年前。通过电子显微镜可以看到刀刃部分包括不同类型的钢，它们成就了刀的锋利和独特设计。
有两种刀刃武器。一种的功能是穿刺，比如重剑，另一种是武士刀，用于砍切。日本刀的独特之处在于，工匠能够在恰当的地方使用恰当的材料，以达到整体的最佳和谐。
所有金属都给人坚固的印象，但事实上，坚固的金属必须具备重要特性。控制这些特性需要专业知识。在不懂得这科学原理的情况下，古代日本工匠如何能够达到这样精湛的工艺？
在日本西南部一个叫岛根的村庄依然在生产铸刀所用的钢材。像过去几个世纪一样，制作刀的原钢在土陶熔炉里炼成。当地人称这些熔炉为tatara。木原彰是世界上所剩无几的tatara炼钢大师。他可以三天三夜不睡觉地守着炼钢炉。
造刀的特殊钢材叫玉钢，用岛根当地河里采集的铁矿沙和木炭炼制而成。传统日本熔炉用粘土制成，旁边有一排孔。通过风箱把空气灌入炉中，可让火焰温度达到接近1400℃。在这一阶段，炼钢和烹调不无相似之处。
材料科学家理查德?文西说，“钢的主要元素是铁，添加少许碳，赋予铁本身所缺乏的强度。”同样的，佐料不同，做出的菜也不同。
今天，铁加碳的配方早已不是什么秘密。难的是“煮”的过程。在炼钢的时候，木原彰一直守在熔炉旁，寸步不离。他说，“熔炉就像一个人，我们可以把铁和木炭当作她的食物，经过消化后成为优质玉钢。”
在熔炉内，铁和碳慢慢形成比例适当的混合物。在炉子下方有一个近10英尺深的舱室，两旁有通风渠道。来自地面的湿气会导致温度下降，破坏钢铁，如果这样，一切将必须从头来过。
在炉子中央温度最高的地方，铁和碳结合，这个过程涉及原子结构变化。在自然状态下，铁原子按特殊几何结构结合在一起。加热后，结构发生变化。事实上，在高温时，铁原子之间的空隙变大。此时迅速冷却收缩，碳原子被困在铁原子之间。
铁原子之间的空隙对于碳原子而言非常狭小，它们好像是硬挤进去的，从而形成硬度很大的钢材。正是通过操纵这一加热和冷却过程，控制钢的成分，让古代冶金家得以改变金属的自然属性。
金属是基本元素，它们由单一原子构成。元素周期表上的多数元素其实是金属，虽然我们通常不会意识到这一点。在普通人的印象中，金属是固体；闪闪发光；具有良好的导电、导热性。最重要的是，它们有优良的伸展性，可以加工成各种形状，换句话说，它们的机械属性很容易被控制。于是，通过调整其化学构成，加点什么，减点儿什么，就能随心所欲得到理想的效果。因为这种万金油一样的特性，金属堪称现代社会的支柱。
在传统的炼钢过程中，金属矿石并未完全达到液体状态，所以炼成的玉钢并非均匀的铁和碳的混合物。某些部分碳成分较多，某些部分较少。这些差异将在刀的制作过程中起到重要作用。
更多的碳意味着钢硬度越大，可以制成锋利的刃，但太多的碳又会使钢过脆易折。在工程学上，金属有一个不折断的硬度极限。可以通过摆锤试验测试这个极限。即用摆锤打击金属样本。硬度高的金属不易弯曲，更容易断裂。能抵抗摆锤的冲击力，断裂之前先会弯折，这样的金属可称为韧性金属。
利哈伊大学的ATLSS中心是美国最大金属测试中心之一。文西说，“每建造一座大楼，所用的金属材料必须经过检验。测试属性包括硬度和韧性。”建造摩天大楼和桥梁的钢条被运到这里接受各种检查。包括地震模拟实验，重压(比如重型卡车)实验等等。在ATLSS的后院有一个“墓地”，是那些未能经过测试的材料的安息之所。
和金属打交道的工作相当危险。在炼钢炉附近通常设有神坛，供奉据说能够保证冶金者安全的神祗。诺提斯说，这些复杂的仪式不仅为了安全，也是一种质量控制手段。“他们用宗教仪式确保重复每一个正确步骤，得到质量一致的产品。在现代社会，我们依赖科学，质量控制。古代日本的刀剑铸造者则依靠宗教仪式。”
因为赋予了信仰的意义，所以执行起来特别小心谨慎。同时也解释了武士刀在日本文化中为什么具有如此重要的意义。日本人相信刀是武士的灵魂。而在日本，任何自然的物体都可以有神性，包括瀑布、树木或山峰。以此类推，让他们把武士刀奉若神明也并不困难。毕竟这是用虔诚的心制作出的美丽而厉害的武器。