热处理设备的结构(揭秘刀剑淬火，钢铁内部微观世界里的变化)

本文作者：尚开红，匠人工坊燕风茶刀创始人，更多内容请搜索“匠人工坊”。

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武侠世界，英雄出手，疾如电，快如风，手起刀落，刹那间取人性命。以前的宝刀真能削铁如泥吗？是如何做到的？我们来进入刀剑的内部，看看它的微观世界里究竟藏着哪些秘密！

影响刀剑性能的一对孪生兄弟，“马氏体”和“奥氏体”

马氏体和奥氏体，是钢铁内部的两种晶体结构。把（中高碳）钢加热到一定的温度，迅速冷却（淬火），一般得到的就是马氏体。马氏体的内部结构稳定，制作成的刀剑更坚硬也更锋利。

马氏体转变的速度极快，淬火的瞬间，体积膨胀，钢铁内部会形成很大的内应力。所以淬火之后要及时回火，防止因为应力而开裂。由于淬火过程难以控制，很多淬火工艺通过淬火后获得过量的马氏体，然后通过回火去减少马氏体含量，直到获得合适的性能。

马氏体具有高强度、高硬度，但是韧性很差，其特点是硬而脆。所以要想提高淬火钢的塑性和韧性，必须用提高回火温度的方法，牺牲部分强度而换取韧性。

奥氏体是碳在γ-Fe（温度在910℃-1390℃之间的纯铁）中的无磁性固溶体，是钢铁的一种层片状的显微组织。奥氏体的晶体结构为面心立方结构(fcc)。

奥氏体的塑性好，强度较低，具有一定韧性，易于加工塑性成形。因此，钢锭，钢坯，钢材一般被加热到1100˚C以上奥氏体化，然后进行锻轧，塑性加工成材或加工成零部件。

奥氏体不具有铁磁性，因此奥氏体钢可以作为无磁性钢。然而特殊成分的Fe-Ni软磁合金，也具有奥氏体组织，却具有铁磁性。

奥氏体导热性差，所以，厚钢件在热处理过程中应当缓慢冷却和加热，以减少温差热应力，避免开裂。

宝刀为什么要经过折叠锻打？意义何在？

折叠锻打是一种人工锤锻的方法，常见的主要有：团打、流水、旋焊、马牙等，锻打出的刀剑表面往往会呈现出花纹，这是折叠锻打的层理的外露。

用折叠锻打的方法制造刀剑，一方面是为了将钢铁中的杂质锻出，以提高刀剑的品质；一方面可以将几种软硬不同的钢材锻打到一起，使制成的刀剑同时具备硬度和韧性。后来随着技术的进步，人们逐渐掌握了采用不同的锻制方法，获得不同花纹的技术，从而使花纹钢制刃术又得到了发展和完善。

坩埚炼钢法

坩埚钢，是用坩埚炼钢法冶炼出来的钢材，坩埚炼钢法是指在石墨黏土坩埚中熔化金属料成为钢水的方法。坩埚法是人类历史上第一种生产液态钢的方法。但是生产量极小，成本高。19世纪末电弧炉炼钢(法)发明后，逐渐取代了它的位置。

1742年英国人洪兹曼(B.Huntsman)将渗碳铁料切成小块置于封闭的黏土坩埚中，在坩埚外面加热，铁料继续吸收石墨中的碳而熔化成为高碳钢水，浇铸成小锭后锻打成所需的形状。

经正常铸造的钢锭很硬，经锤打后也不会有凹痕，故需用特别含有铁锉屑或粉末状铁矿石之粘土混合物覆盖，使钢锭表面脱碳。此过程亦可称为退火和球状处理，钢条变得有可展性和有韧性。

渗碳体或碳化晶体非常坚硬，抗酸性强，被抛光后会呈现出白色或银色。与此形成对比的珠光体由粘结金属组成，经腐蚀成黑色。

重新认识淬火

淬火，是将钢加热到临界温度以上温度，保温一段时间使之全部或部分奥氏体化后，再以大于临界冷却速度的冷速，快速冷却以进行马氏体转变的金属热处理工艺。常用的淬冷介质有盐水、水、矿物油、空气等。

淬火的目的是使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变，得到马氏体或贝氏体组织，然后配合以不同温度的回火，以大幅提高钢的刚性、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等。

淬火还可以改善某些特殊钢的材料性能或化学性能，如提高不锈钢的耐蚀性，增加磁钢的永磁性等。

淬火之后的回火

回火，是将淬火后的钢材重新加热到低于下临界温度Ac1(加热时珠光体向奥氏体转变的开始温度)的适当温度，保温一段时间后在空气或水、油等介质中冷却的金属热处理工艺。淬火后的工件应及时回火，通过淬火和回火的相配合，才可以获得所需的力学性能。

回火可以减小或消除淬火钢件中的内应力，或者降低其硬度和强度，以提高其延性或韧性，防止钢材变形甚至开裂。还可以提高组织稳定性，保证钢材在以后的使用过程中不再发生变形，使工件几何尺寸和性能保持稳定。