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The Science of Japanese Swords

Japanese swords are made from a composite of different types of steel. Softer low-carbon steel is used for the core of the blade (shingane), while harder high-carbon steel is used for the outer layer (kawagane). The material for each section is hand-chosen from pieces of tamahagane, which can only be produced via tatara smelting.

This combination of metals gives Japanese swords exceptional sharpness and pliability. The outer kawagane is hard enough to hold a razor edge, but the inner shingane is flexible enough to withstand the impact of a blow. A sword made entirely of high-carbon steel would be brittle and prone to breaking, and one made entirely of low-carbon steel would be blunt and easily bent.

As shown in the chart at the bottom left of the panel, the arrangement of low-carbon and high-carbon steels creates varying levels of hardness in different parts of the blade. The hardness (vertical axis) decreases as the distance from the edge of the blade (horizontal axis) increases, meaning that the hardest steel is found at the blade’s cutting edge. In this particular test, the blade was roughly four times harder at its edge than at its core.

This difference can also be seen in the microscopic images displayed on the panel. The starkest contrast is between a cross section of the core (top left) and the surface of the blade near the edge (bottom right). The structure of the low-carbon ferrite core looks sparse compared to the dense, high-carbon martensite edge.

日本刀鍛造的科學

鍛造日本刀需要用到不同種類的鋼材，較軟的低碳鋼用於製作刀刃的內芯，稱「心鐵」；較硬的高碳鋼則用於打造外層，稱「皮金」。每個部位使用的物料都是從「玉鋼」中手工精挑細選而來，而這種鋼材只能透過吹踏韝工藝（韝，音同「備」，即古代的鼓風機）冶煉得到。

如果全部使用高碳鋼鍛造，那造出的日本刀難免脆弱易折，全部使用低碳鋼則必然鈍而易彎，不同金屬物料的組合，才能同時賦予日本刀卓越的鋒利度與柔韌性。外層的皮金堅硬，可保持刀刃的鋒利，內芯的心鐵則必須具備優秀韌性，才能在劈砍時獲得足夠的減震性。

正如展示板左下方的圖表所示，透過調整低碳鋼與高碳鋼的配置，能使刀身各部位的硬度不同。離刃口的距離（橫軸）越遠，硬度（縱軸）越低，換言之，便是鋒刃處硬度最高。在這次測試中，刀刃的硬度大約是刀芯的4倍。

從展示板的顯微鏡圖像上也能看出這種差異，對比最明顯的是刀芯的斷面（左上）與刃口的表面（右下），和刀刃處緻密的高碳馬氏體相比，刀芯處的低碳鐵氧體結構顯得更加疏鬆。

日本刀锻造的科学

锻造日本刀需要用到不同类型的钢材。较软的低碳钢用于制作刀刃的内芯，称“心铁”；较硬的高碳钢则用于打造外层，称“皮金”。每个部位使用的材料都是从“玉钢”中手工精挑细选而来，而这种钢材只能通过吹踏鞴工艺（鞴，音同“备”，即古代的鼓风机）冶炼得到。

锻造日本刀，如果全部使用高碳钢难免脆弱易折，全部使用低碳钢则必然钝而易弯。正是不同金属材料的组合，赋予了日本刀卓越的锋利度与柔韧性。外层的皮金必须坚硬，这样才能保持刀刃的锋利，但同时内芯的心铁只有具备优秀的韧性，在劈砍时才能获得足够的减震性。

正如展板左下方的图表所示，通过调整低碳钢与高碳钢的配置，能让刀身各部位具备不同的硬度。离刃口的距离（横轴）越远，硬度（纵轴）越低，换言之，便是锋刃处硬度最高。在这次测试中，刀刃的硬度大约是刀芯的4倍。

从展板的显微镜图像上也能看出这种差异。对比最明显的是刀芯的断面（左上）与刃口的表面（右下），与刀刃处致密的高碳马氏体相比，刀芯处的低碳铁氧体结构显得更加疏松。

일본도의 과학

일본도는 다양한 강철을 조합해서 제작됩니다. 칼몸(도신)의 심(신가네)에는 탄소 함유량이 적어 부드러운 강철(저탄소강)을 사용하며, 바깥(가와가네)에는 탄소 함유량이 많아 단단한 강철(고탄소강)을 사용합니다. 각 부분의 소재는 다타라 제철에서만 제조할 수 있는 옥강(玉鋼, 다마하가네)부터 수작업으로 선정합니다.

이러한 금속 조합을 통해 일본도의 뛰어난 절삭력과 유연함을 만들어 내고 있습니다. 바깥쪽의 강철은 매우 단단해 날카로운 절삭력을 유지하며, 안쪽의 강철은 매우 유연하여 타격으로 인한 충격을 견뎌냅니다. 고탄소강으로만 만든 칼은 부러지기 쉬운 반면, 저탄소강으로만 만든 칼은 무디고 잘 휘어집니다.

패널의 왼쪽 아래 그래프에서 볼 수 있는 것처럼, 저탄소강과 고탄소강의 배치에 따라 칼날 각 부분의 경도가 달라집니다. 경도(세로축)는 하사키(베는 부분, 가로축)에서 멀어질수록 작아지는데, 날 부분에 가장 단단한 강철을 사용했다는 것을 알 수 있습니다. 본 테스트에서 하사키의 경도는 칼몸의 심에 비해 약 4배였습니다.

이 같은 차이는 패널에 표시된 현미경 이미지에서도 확인할 수 있습니다. 가장 대조적인 부분은 칼몸의 심 단면(왼쪽 위)과 하사키 주변의 표면(오른쪽 아래)입니다. 칼몸의 심 부분은 구조가 듬성듬성한 것에 비해 하사키 부분은 밀도가 높은 것을 알 수 있습니다. 칼몸의 심을 구성하는 것은 탄소량이 적은 조직 ‘페라이트(부드러운 강철)’이고, 하사키를 구성하는 것은 탄소량이 많은 조직 ‘마텐자이트(단단한 강철)’입니다.