皮鐵、心鐵的構造——日本刀同時兼備硬度與韌性的鍛造秘密

日本刀被稱為「不折、不彎、善斬」。硬鋼雖能磨出銳利的刃，卻容易折斷；軟鋼雖不易折斷，卻無法保持鋒利的刃口。解決這一矛盾的，正是以堅硬的皮鐵（kawagane）包覆柔軟的心鐵（shingane）的複合構造。本文將解說皮鐵與心鐵如何製作、如何組合，各流派的構造有何不同，以及在鑑賞與鑑定時這種構造如何呈現。

皮鐵與心鐵——分工合作

日本刀的刀身，是由含碳量不同的兩種以上的鋼組合而成。

含碳量越高，鋼就越堅硬，淬火後會轉變為麻田散體，這是一種堅硬的組織。反之，含碳量低的鋼不易淬火硬化，保有韌性。皮鐵負責刃與表面，心鐵負責芯材，憑藉這種分工，一把刀中硬度與韌性得以共存。關於鋼的組織，詳見肥粒體、波來體、麻田散體的說明。

素材從何而來——玉鋼與卸鐵

皮鐵與心鐵的原料，是踏鞴製鐵所製成的玉鋼。

1. 以木炭還原砂鐵，獲得玉鋼。玉鋼因部位不同，含碳量有所差異
2. 刀匠將玉鋼劈成小塊，以肉眼選別含碳量高與低的部分
3. 含碳量不足的鋼，透過卸鐵（oroshigane）工程加以調整
4. 將選別的鋼疊放，加熱熔合成一塊（積沸）
5. 反覆進行折返鍛鍊，在擠出雜質的同時使含碳量均一化

皮鐵的折返次數較多（十數次），心鐵則較少（數次）為一般做法。每折返一次，層數就加倍，皮鐵中可疊加數千至數萬層。此層狀構造以地鐵的肌理（板目、柾目等）形式呈現在表面。關於踏鞴製鐵與玉鋼，請參閱砂鐵的採集與製成玉鋼的過程；關於卸鐵，請參閱卸鐵與精鍊技術；折返鍛鍊的科學，請參閱折返鍛鍊的科學。

造込——皮鐵與心鐵的組合方式

皮鐵與心鐵如何組合，稱為「造込（tsukurikomi）」。此處所說的造込，與指斷面形狀的鎬造、平造等含義不同，是指鋼的組合方式。

甲伏做法是將皮鐵薄薄延伸後折成U字形，在其內側放入心鐵後鍛接。此後以火造（hizukuri）工程延伸成刀的形狀，即完成皮鐵覆蓋全體、心鐵收於芯中的構造。火造的工程詳見火造的工程。

淬火完成的「硬度與韌性」

複合構造發揮真正價值的時刻，是淬火的瞬間。

• 在刀身施置土，刃側塗薄，棟側塗厚
• 加熱至約800℃後入水，置土薄的刃側急速冷卻，轉變為麻田散體而硬化
• 置土厚的棟側以及本身含碳量低的心鐵不易淬火硬化，保持韌性
• 刃側組織膨脹，刀身向棟側彎曲成反。日本刀的反，也是這種構造差異所產生的現象

也就是說，皮鐵與心鐵含碳量的差異、置土厚度的差異、冷卻速度的差異相互疊加，實現了外硬內軟的性質。關於反產生的物理原理，請參閱反產生的物理原理；關於沸（nie）與匂（nioi）的形成，請參閱沸（nie）與匂（nioi）——生成刃文輝光的鋼之科學。

從現代材料工學看日本刀

皮鐵與心鐵的組合，與現代材料工學所稱的「複合材料設計」是相同的思維。

• 將堅硬的材料與富韌性的材料組合，引發出單一材料無法獲得的性質
• 與在表面配置硬度、內部配置韌性的「梯度功能材料」概念相通
• 層狀構造發揮阻止裂紋擴展的作用，提高對折斷的抵抗力

古來刀匠僅憑有限的玉鋼素材，單靠經驗與觀察就達到了這種設計，與現代工學理論不謀而合。但古刀中，也有未加入心鐵的無垢鍛刀，以及不符合現代分類的構造，因此需要注意「並非所有日本刀皆為甲伏」這一點。

流派之間的構造差異

稱為五箇傳的主要流派，在地鐵的鍛鍊方式及構造上各有不同的傾向。

• 備前傳：富韌性的地鐵與以匂為主的刃文。皮鐵的鍛鍊細緻，板目肌上出現映
• 相州傳：為耐受沸強的淬火，對地鐵的強度要求高。出現地景及金筋
• 山城傳：精緻明亮的地鐵。皮鐵的鍛鍊尤為細密
• 大和傳：多見柾目肌，寺院的鍛冶重視堅固性
• 美濃傳：以實用為主，有時出現稱為白氣（shirake）的地鐵狀態

各流派地鐵的差異，詳見五箇傳的地鐵比較論。

鑑定與鑑賞時構造如何呈現

皮鐵與心鐵的構造，也能從刀身表面讀取出來。

1. 地鐵的肌理：皮鐵折返鍛鍊所形成的層，以板目、柾目、杢目的形式呈現在表面。肌理的細緻程度，顯示皮鐵鍛鍊的用心程度
2. 心鐵露出：經年研磨使皮鐵變薄後，柔軟的心鐵會露出表面。這稱為「心鐵露出」，地鐵的一部分看起來模糊粗糙。這是判斷刀的健全性的重要線索
3. 磨上的影響：以磨上重新製作莖的刀，有時會露出原莖部分的構造
4. 刃文與地鐵的界線：淬火有效的皮鐵刃側與未淬火部分的界線即為刃文。刃文的明亮程度，反映皮鐵的含碳量與淬火的技巧高低

心鐵露出的刀再研磨的餘地較少，也影響鑑賞價值。購買或鑑定時，請確認地鐵是否有粗糙的部分。磨上的辨別方式詳見磨上的技術與鑑定；地鐵的形成機制詳見地鐵的形成機制。

總結

支撐日本刀性能的，是堅硬的皮鐵與柔軟的心鐵的分工合作。選別玉鋼，以折返鍛鍊疊加層數，以甲伏或本三枚等造込進行組合，再以置土與淬火固定硬度與韌性。這一連串的工程同時實現了「不折、不彎、善斬」。這種與現代複合材料設計相符的構造，也以地鐵的肌理及心鐵的露出形式呈現在刀身表面，成為鑑賞與鑑定的線索。關於複合構造的材料科學層面，亦可參閱皮鐵與心鐵的複合構造：日本刀不折且鋒利的材料科學理由。