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漫话碳钢及碳钢刀具（二）
在上文我们一起探讨了碳钢的制造和热处理等一系列的问题，现在我们将一起探讨金属材料的力学性能以及严格定义的各种指标，ABS 及其他著名刀匠为什么喜欢用碳钢制作刀具等等一系列的问题。通过这些指标，我们将真正了解制刀材质的特性，了解到底达到了哪些指标，才是真正的一把好刀的质材。
任何机械零件或工具，在使用过程中，往往要受到各种形式外力的作用。如起重机上的钢索，受到悬吊物拉力的作用；柴油机上的连杆，在传递动力时，不仅受到拉力的作用，而且还受到冲击力的作用；轴类零件要受到弯矩、扭力的作用等等。这就要求金属材料必须具有一种承受机械荷而不超过许可变形或不破坏的能力。这种能力就是材料的力学性能。金属材料的力学性能是指材料在外力的作用下抵抗变形和破坏的能力，它是金属材料的主要性能之一，也是工程技术人员正确选用材料的重要依据。金属材料的力学性能是通过实验测定的。金属表现来的诸如弹性、强度、硬度、塑性和韧性等特征就是用来衡量金属材料材料在外力作用下表现出力学性能的指标。
（图）
弹性和刚性
在图中，当加载应力不超过σe，卸载后试样能恢复原状，即不产生永久变形，材料的这种性能称为弹性。σe为不产生永久变形的最大应力，称为弹性极限。
图中oe是直线，表示应力与应变成正比，此阶段服从虎克定律，oe的斜率为试样材料的弹性模量E，即E=σ/ε弹性模量E是衡量材料产生弹性变形难易程度的指标。E越大，则使其产生一定弹性变形的应力也愈大。因此，工程上把它叫做材料的刚度。刚度表征材料弹性变形抗力的大小。弹性模量E主要决定于材料的本身，是金属材料最稳定的性能之一，合金化、热处理、冷热加工对它的影响很小。在室温下，钢的弹性模量E大都在190～220GPa之间。弹性模量随温度的升高而逐渐降低。
强度
强度是指金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。强度指标一般用单位面积所承受的载荷即力表示，符号为σ，单位为MPa。
工程中常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。屈服强度是指金属材料在外力作用下，产生屈服现象时的应力，或开始出现塑性变形时的最低应力值，用σs表示。抗拉强度是指金属材料在拉力的作用下，被拉断前所能承受的最大应力值，用σb表示。
对于大多数机械零件，工作时不允许产生塑性变形，所以屈服强度是零件强度设计的依据；对于因断裂而失效的零件，而用抗拉强度作为其强度设计的依据。
屈服极限 如图1，1.1所示，在s点（屈服点）出现一水平线段，这表明拉力虽然不再增加，但变形仍在进行，此时若卸载，试样的变形不能全部消失，将保留一部分残余的变形。
这种不能恢复的残余变形，叫做塑性变形。σs表示材料在外力的作用下开始产生塑性变形的最低应力，称为屈服极限。
有些材料的拉伸曲线上没有明显的屈服点s，难以确定开始塑性变形的最低应力值，此时规定试样产生0.2％残余变形时的应力值，为该材料的条件屈服极限，以σ0.2表示。
构件在工作中一般不允许发生塑性变形。所以屈服极限σ是设计时的主要参数，是材料力学性能的—个重要指标。
强度极限 强度极限为试样被拉断前的最大承载能力，如图1.1.1所示的σb值，σb也是设计和选材的主要参数之σs／σb叫屈强比，屈强比愈小，构件的使用可靠性愈高。屈强比太小，则材料强度的有效利用率太低。 合金化、热处理、冷热加工对材料的σs、σb影响很大。
塑性
在外力的作用下，材料发生不能恢复的变形称为塑性变形，产生塑性变形而不断裂的性能称为塑性。塑性大小用伸长率δ和断面收缩率ψ来表塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力。
工程中常用的塑性指标有伸长率和断面收缩率。伸长率指试样拉断后的伸长量与原来长度之比的百分率，用符号δ表示。断面收缩率指试样拉断后，断面缩小的面积与原来截面积之比，用y表示。
伸长率和断面收缩率越大，其塑性越好；反之，塑性越差。良好的塑性是金属材料进行压力加工的必要条件，也是保证机械零件工作安全，不发生突然脆断的必要条件。
硬度
硬度是指材料表面抵抗比它更硬的物体压入的能力。
硬度是材料的重要力学性能指标。一般材料的硬度越高，其耐磨性越好。材料的强度越高，塑性变形抗力越大，硬度值也越高。一般分三种表述方式：
一、布氏硬度
用一定直径的钢球或硬质合金球，以相应的试验力压入试件表面，经规定保持时间后，卸除试验力，测量试样表面的压痕直径，之后将测得参数代入计算公式，即可得布氏硬度值：HB＝F/S（N/mm2），F－所加压力，S－压痕表面积，可通过钢球直径和压痕直径计算。
布氏硬度特点优点：测量数值稳定，准确，一般不标单位缺点：操作慢，不适用批量生产和太薄、太硬（＞450HB）的材料、布氏硬度的应用范围：铸铁，有色金属，退火、正火、调质处理钢，原材料，毛坯、布氏硬度的表示方法：HBS：淬火钢球，HBW：硬质合金球如200 HBW10/1000/30表示用直径10mm的硬质合金压头在1000kgf（9807kN）作用下保持30s（持续时间10~15s时，可以不标注洛氏硬度当HB>450或者试样过小时，不能采用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计量。
二、洛氏硬度
洛氏硬度是以顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为Φ1.588㎜的淬火钢球作压头，以规定的试验力使其压入试样表面。试验时，先加初试验力，然后加主试验力。压入试样表面之后卸除主试验力，在保留初试验力的情况下，根据试样表面压痕深度，确定被测金属材料的洛氏硬度值。
在规定条件下，将压头（金刚石圆锥、钢球或硬质合金球）分2个步骤压入试样表面。卸除主试验力后，在初试验力下测量压痕残余深度h。以压痕残余深度ｈ代表硬度的高低。洛氏硬度试验原理如图所示。
洛氏硬度的三种标尺中，以HRC应用最多，一般经淬火处理的钢或工具都采用HRC测量。在中等硬度情况下，洛氏硬度HRC与布氏硬度HBS之间关系约为1：10，如40HRC 相当于400HBS 。如50HRC，表示用HRC标尺测定的洛氏硬度值为50。硬度值应在有效测量范围内（HRC为20－70）为有效洛氏硬度值由h的大小确定，压入深度h越大，硬度越低；反之，则硬度越高。一般说来，按照人们习惯上的概念，数值越大，硬度越高。因此采用一个常数c减去h来表示硬度的高低。并用每0.002㎜的压痕深度为一个硬度单位。由此获得的硬度值称为洛氏硬度值，用符号HR表示、洛氏硬度特点优点：操作简便，压痕小，可用于成品和薄形件缺点：测量数值分散，不如布氏硬度测量准确。
三、维氏硬度（HV）
测量方法和布氏硬度相似。以120kg以内的载荷和顶角为136°的金刚石方形锥压入器压入材料表面，用材料压痕凹坑的表面积除以载荷值，即为维氏硬度值（HV）。
硬度试验是机械性能试验中最简单易行的一种试验方法。为了能用硬度试验代替某些机械性能试验，生产上需要一个比较准确的硬度和强度的换算关系。
实践证明，金属材料的各种硬度值之间，硬度值与强度值之间具有近似的相应关系。因为硬度值是由起始塑性变形抗力和继续塑性变形抗力决定的，材料的强度越高，塑性变形抗力越高，硬度值也就越高。
冲击韧性
一、概念：
冲击载荷作用下，金属材料抵抗破坏的能力，其值以冲击韧度αku表示，αku越大，材料的韧性越好，在受到冲击时越不易断裂。
二、冲击韧度概念：冲击韧度反应了材料抵抗冲击载荷的能力。
指标：冲击韧度αku=Aku/S （J/cm2）Aku——冲击功，摆锤冲断试样所失去的能量，即对试样断裂所作的功，S—— 试样缺口处截面积
疲劳强度
一、交变应力：大小、方向随时间周期性变化的应力称为交变应力。
二、疲劳现象：材料在交变载荷长期作用下，无明显塑性变形就断裂。
三、疲劳极限：材料经无限多次应力循环而不断裂的最大应力，它表示材料抵抗疲劳断裂的能力。当循环的应力是对称循环交变应力时，疲劳强度用σ-1表示。
（以上的很多材料，来自教科书以及网络，根据手头现有材料整理，因来源纷杂，不一一列举，在此感谢原作者。）
通过以上的介绍，我们知道，一把好刀的质材要求弹性、强度、硬度、塑性和韧性等特征，而碳钢的弹性、韧性、及疲劳强度的指标，是很多所谓的高级钢材，所无法比拟的，看看便宜的1095经过简单的处理，就可以成为优质弹簧钢，而绿扁帽在测试中很快的挂掉，也就不奇怪了。一块普通的碳钢，在中国日本及ABS大师的手中，通过复杂精湛的加工工艺，所制成的刀具，展现出惊人的结果，也就不奇怪了。我们论坛的很多刀匠，对碳钢制作的刀，也非常有心得，所制成的刀具，性能非常出色。在很多方面，由碳钢制作的刀具，性能远远超过了很多所谓的高级钢。碳钢还有一个神奇之处，就是在不同的刀匠手中，可以呈现不同的特点，会表现出刀匠鲜明的个人特色，这是其他的高级钢材，难以比拟的，虽然碳钢问世多年，但碳钢本身所具备的潜能，远远的没有被完全的挖掘出来，这点也正是让各位制刀大师，最为着迷的地方。现代研究证明，通过正确的锻造热处理，碳钢可以形成纳米线和纳米管，可赋予碳钢不可思议的性能。我想这就是很多高端刀具制造商，选择碳钢作为制造高级刀具的内在原因。碳钢的真正面目，被掩盖在那张黑乎乎锈迹斑斑的表面之下，会有一天，我们会对碳钢有一个重新认识，重新评价。
现代人用刀，一方面是生产生活的工具，对于刀友来说，更多的是一种欣赏、把玩的玩意，但刀在冷兵器时代，刀是保卫国家、保卫部族、保卫自己生命，取得必要的生产生活资料，收割敌人生命的重要工具。每一个玩刀的刀友都知道，不要用两把刀互砍，世界上没有削铁如泥的宝刀，这种互砍的结果，只能让你手中的刀，受到损害。但在冷兵器的交战过程中，不管是进攻方的劈、砍、刺、划、割，还是防守一方的格、挡、压、拨、撩，都是刀与刀的直接接触，很多时候，是刀刃对刀背，或者是用刀的侧面，承受对方兵刃强大的冲击力，这不仅对刀的硬度，而且对刀的强度、弹性、韧性和疲劳强度，提出了极高的要求，中国、美国、日本的制刀大师，用碳钢制刀，绝对不是仅仅是为了满足小众的猎奇心理，而是按照冷兵器实战的要求，结合现代工艺，打造的杀人利器，虽然这种冷兵器的格斗，随着现代兵器的发展，已经基本没有实战意义，但这种内在的精神，随着制刀大师所制作的刀具，无声的传承下来。
至于军方的很多公司，比如说安大略，卡巴等公司，选择碳钢作为军方用刀，除了碳钢在金属材料的力学性能出色表现以外，更多的是从价格考虑，如果都用s35作为军方用刀材料，美国就算是财大气粗，恐怕也不乐意这样做，文人政府对军方物资的采购标准，从来都是便宜够用即可，而碳钢的价格低廉，性能出色，适合各种恶劣环境的使用，韧性出色，虽然容易生锈，但容易打理，不费力气就可以重新打磨的很锋利，再加上超级耐用，可粗暴使用，大家可以看看安大略-飞行员救生刀测试视频就可以知道，这把粗糙的毫无美感的刀，是多么抗造。
说了这么多碳钢的事情，在这里简单的谈一下不锈钢，随着科技的进步，不锈钢出了很多出色的材料，各项指标都很不错，特别是在小型刀、折刀、和厨刀方面，有着碳钢不可比拟的优势，这不仅仅是科技的进步，也是人们对刀具使用简单卫生的需要。比如说德国就对刀具有严格的要求，凡是医疗食品行业的刀具，必须用不锈钢制成，可见没有最好的刀具材料，只有适合的材料。
遥想当年，我们的前辈，挥舞着用碳钢制成的刀具和各类兵器，纵马奔驰在荒原大漠，浴血奋战在村头田边，保卫着自己的妻儿父母，捍卫着自己的家园不受外敌的侵犯；如今的我们，只能在夜深人静无人之时，默默的拿出各种刀具，拔出刀鞘，在心中体验我们前辈的金戈铁马，发出一声无声的叹息，随着刀具上生出斑斑锈迹，我们在不知不觉当中，岁月飞驰 慢慢老去......
（全文完）
以上的很多材料，来自教科书以及网络，根据手头现有材料整理，因来源纷杂，不一一列举，在此感谢原作者。再次感谢！ |
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发表于 2012-6-2 16:15
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