玉鋼碳含量分析與真鋼和皮鋼的分類：鋼鐵選擇的科學

為什麼玉鋼不均勻？

Tatara 製鐵生產的玉鋼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，根據爐內溫度分佈、鐵砂投入時機和木炭的類型和數量，會產生碳含量不同的鐵塊。玉鋼的碳含量分佈在約 0.6 至 1.5% 的範圍內，這個範圍對日本刀工來說意味著「差異化用途的材料」。

高碳玉鋼（1.0 至 1.5%）具有硬脆的性質，適合作為用於刀刃部分的 kawagane（皮鐵）的材料。低碳玉鋼（碳含量約 0.2 至 0.5%）具有韌性且彈性高，用於形成刀刃中心的 shingane（芯鐵）。請注意，0.6 至 0.9% 是中高碳範圍，與 kawagane 的碳範圍重疊，不用於 shingane。適當分類和組合這兩種類型構成了生產既具有銳利性又具有抗折性的日本刀的基礎。

這種碳含量分佈支撐了日本刀的獨特創作過程：分類來自單一冶煉爐的玉鋼，而不是人為混合鐵和鋼。日本刀工辨別面前玉鋼的性質，並找到每個部分最合適的用途——可以說是區分材料所具有的性質差異的工作，而不是創建新材料。

區分碳含量 — 傳統技術

日本刀工具有通過視覺、聲音和觸覺區分碳含量的經驗知識，不使用科學分析儀器。當查看破碎玉鋼的橫截面時，高碳片顯示精細而明亮的橫截面，而低碳片具有粗糙而黑暗的晶粒。敲擊時的聲音也不同；高碳產生硬金屬環音，而低碳產生沉悶的聲音。此外，碳含量也可以從加熱時火花的圖案估計（火花測試）。高碳鋼散發出強烈的火花，而低碳鋼產生溫和的火花。

這些感官判斷通過數十年的經驗培養，並通過口頭指導和實踐從師傅傳給學徒。近年來，一些日本刀工開始使用金屬分析設備（如熒光 X 射線分析）來定量確認碳含量，但主要用作對傳統經驗知識的補充。

如果碳含量判斷錯誤，用韌性玉鋼製造 kawagane 將無法達到預期的硬度，或相反，用過硬玉鋼製造 shingane 將導致刀刃韌性不足。為了避免這種失敗，在開始製作單把刀之前，日本刀工投入時間仔細分類手邊的玉鋼。這個判斷的準確性顯著影響成品刀的質量。

選擇的實踐 — 破碎和分類

玉鋼的選擇始於用金屬錘破碎玉鋼塊。破碎允許觀察橫截面，破碎的方式本身提供了關於碳含量的線索。高碳玉鋼乾淨地破碎，而低碳玉鋼是韌性的，難以破碎。破碎玉鋼的碎片按重量和大小分類，分類為「用於 shingane」或「用於 kawagane」，並堆疊準備進行 tsumiwakashi（層狀退火）。

製造單把刀所需的玉鋼量達到成品重量的數倍。這是因為雜質在鍛造過程中被移除並作為鱗片（氧化鐵）脫落。最終使用的量通常是初始量的三分之一或更少是常見的。

分類的 shingane 和 kawagane 玉鋼通常不單獨用作一個塊，而是多個具有相似性質的片段組合和堆疊。因為單個玉鋼片傾向於保留不均勻的碳含量，組合具有相似性質的碎片是在鍛接後將基鋼帶得更接近均勻性的技術。

Tsumiwakashi 和 shingane 與 kawagane 的鍛接

分類的 shingane 和 kawagane 各自在爐內加熱，重複折疊和鍛造（orikaeshi tanren）驅逐內部雜質並均衡碳。有一個原則是 shingane 進行較少的折疊鍛造（避免失去過多碳），而 kawagane 進行更多（徹底去除雜質並提高刀刃純度）。關於折疊和鍛造的完整過程，請參考 From Tamahagane to Japanese Sword — The Complete Process of Folding Forging and Its Scientific Meaning。

最後，通過選擇諸如「kohubuse」（用 kawagane 包裹 shingane）或「hon-sanmai」（真正的三層）的結構進行鍛接。這個階段的判斷——如何比例組合兩種鐵——是日本刀工哲學和技術的核心，是確定成品刀基鋼的晶粒圖案、hamon 和韌性的最重要選擇。

kohubuse 和 hon-sanmai 等結構差異不僅出現在成品刀的橫截面結構中，也出現在磨刀時顯現的基鋼的晶粒圖案中。即使從相同的玉鋼開始，分類和鍛接的組合也為每把刀創造獨特的晶粒圖案。這種個人變化也是日本刀與大量生產的工業產品相區別的原因之一。

與現代材料科學的對話

從現代材料科學的角度來看，日本刀中對應於 kawagane 的部分接近共晶至過共晶鋼，碳含量 0.7 至 1.0%，通過淬火形成馬氏體結構以獲得高硬度。相比之下，shingane 對應於亞共晶鋼，通過鐵素體-珠光體混合結構確保韌性。

日本刀工幾個世紀以來作為經驗知識積累的分類技術與現代鋼結構理論顯著一致，工作的精度使現代研究人員讚歎。在傳統和科學的交匯處在於日本刀技術的本質。

即使從欣賞和收集日本刀的角度來看，shingane 和 kawagane 的分類與鍛接是決定基鋼外觀和 hamon 的關鍵過程。理解材料選擇的背景成為更深入欣賞每把刀特性的線索。

關於分類 shingane 和 kawagane 的常見問題

• 所有玉鋼都用於刀刃嗎？：不是。如上所述，高碳玉鋼用作刀刃的 kawagane，而低碳玉鋼用作刀芯的 shingane。即使是相同的玉鋼，根據位置也有不同的角色。
• 選擇標準因日本刀工而異嗎？：選擇的基本框架——kawagane 用高碳，shingane 用低碳——是共同的，但具體判斷如細致程度和組合比例根據學派和每位日本刀工的經驗和哲學而異。
• 在現代，shingane 和 kawagane 仍然從玉鋼中選擇嗎？：現代日本刀工也使用由 tatara 製鐵生產的玉鋼，並進行類似的分類和折疊鍛造。