Tamahagane、Shingane和Kawagane分類鋼的碳含量分析：鋼鐵選材的科學

為什麼Tamahagane不均勻？

由tatara冶煉生產的tamahagane在根本上不同於均勻的工業產品。在三天三夜的冶煉過程中，爐內的溫度分佈、鐵砂輸入的時機，以及木炭的類型和數量在不同區域造成碳含量不同的鐵塊。Tamahagane的碳含量分佈在約0.6–1.5%的範圍內，這種變化對劍工來說意味著「可選材料」。

高碳tamahagane（1.0–1.5%）展現硬脆特性，適合用作刀刃邊緣的kawagane材料。低碳tamahagane（0.6–0.9%）堅韌且具有高回復力，用於形成刀身核心的shingane。製造既能保證切割能力又能抵抗破損的日本刀的基礎在於正確地分類和組合這兩種類型。

區分碳含量—傳統技術

劍工具有通過視覺、聲音和觸感辨別碳含量的經驗知識，而無需依賴科學分析儀器。觀察破裂tamahagane的橫截面時，高碳材料呈現細膩明亮的表面，而低碳材料呈現粗粒和暗淡的外觀。敲擊時的聲音也不同—高碳產生堅硬的金屬聲，而低碳產生沉悶的聲音。此外，碳含量可以通過加熱時火花的飛散方式估計（火花測試）。高碳鋼散發出劇烈的火花，而低碳鋼產生溫和的火花。

這些感官判斷是通過數十年的經驗培養的，並通過口頭教導和實踐從師傅傳承到學徒。近年來，一些劍工開始使用金屬分析儀器（例如螢光X射線分析）來定量驗證碳含量，但這些通常主要用作傳統經驗知識的補充。

實踐中的選材—斷裂和分類

Tamahagane的選材始於用錘子敲打tamahagane塊。斷裂允許觀察橫截面，同時斷裂的方式本身提供了碳含量的線索。高碳tamahagane清潔銳利地斷裂，而低碳材料堅韌且不易斷裂。破裂的tamahagane碎片按重量和尺寸分類為「shingane」和「kawagane」類別，然後堆放準備「tsumiawakashi」（火焰焊接）。

製造單把刀所需的tamahagane量達到成品刀重量的幾倍。這是因為在鍛造過程中雜質被去除並作為鐵垢（氧化鐵）損失。最終使用量降至原始量不到三分之一是常見的。

Tsumiawakashi和Shingane與Kawagane的鍛造焊接

分類後的shingane和kawagane各自在爐內加熱，並進行重複的折疊鍛造（orikaeshi tanren）以排出內部雜質並使碳含量均勻化。有一個原則是shingane折疊次數較少（以避免失去太多碳），而kawagane折疊次數更多（以徹底去除雜質並增加刀刃的純度）。

最後，選擇諸如「koubuse」（用kawagane包裹shingane）或「honsammai」（真正的三層）等結構並進行鍛造焊接。在此階段的判斷—兩種鋼的組合比例—代表劍工的哲學和技術核心，成為決定jihada紋理、hamon刀刃紋和成品刀的回復力的最關鍵選擇。

與現代材料科學的對話

從現代材料科學的角度來看，日本刀對應kawagane的部分接近含有0.7–1.0%碳的共析體至過共析體鋼，高硬度通過淬火過程中馬氏體微觀結構的形成而實現。相反，shingane對應於次共析體鋼，通過混合的鐵素體-珠光體微觀結構實現韌性。

劍工在幾個世紀中積累的經驗選材技術與現代鋼鐵微觀結構理論相符得驚人，這些知識的精確性令現代研究人員驚嘆。在傳統與科學的交匯點處於日本刀技術的精髓。