日本刀不僅在外觀上具有獨特的藝術價值，其復雜的金屬結構和鍛造工藝也使得它成為金屬學和材料科學領域關注的研究對象。尤其是在“甲伏”(Kobuse)技術的應用中，刀身的外層高碳鋼與內核低碳鋼的結合方式，給金屬的晶粒分布和硬化區(qū)域帶來了復雜的影響。如何通過先進的成像技術準確揭示這些微觀特征，是這一研究領域亟待解決的關鍵問題。

日本原子能研究開發(fā)機構 J-PARC 中心Kenichi Oikawa教授的團隊基于能量分辨中子成像技術（包括Bragg邊緣成像和波長選擇中子斷層掃描），提出了一種新的分析方法，并應用于研究署名為“備州長船則光”的日本刀。 該方法通過對刀身進行三維掃描，詳細分析了不同區(qū)域的微結構特征，包括刀刃的硬化區(qū)域、晶粒分布及其與鍛造工藝的關系。研究結果不僅揭示了該刀采用“甲伏”技術的結構特征，還首次通過非破壞性成像技術，成功捕捉到刀尖區(qū)域的缺陷及其與鍛造工藝的關聯(lián)。這項工作展示了非破壞性分析技術在文化遺產保護和歷史工藝研究中的巨大潛力。

這項研究作為迄今為止最具挑戰(zhàn)性的日本刀非破壞性分析實例，成功展示了中子成像技術在傳統(tǒng)工藝材料研究中的應用，特別是在揭示刀身內部復雜鋼材結構方面的優(yōu)勢。該工作以《Energy-resolved neutron imaging study of a Japanese sword signed by Bishu Osafune Norimitsu》發(fā)表于國際期刊《Scientific Reports》上。

中子成像技術的應用與實驗設計

過去，日本刀的金相學研究主要依賴破壞性方法，包括直接切割刀身以觀察內部結構。然而，出于文化遺產保護的需要，近年來科學家開始采用非破壞性技術，如中子成像。中子具有較強的穿透能力，可用于分析金屬的內部微結構而不破壞刀身。然而，目前利用的中子成像測量是在刀劍的多個位置進行的，整個刀劍的整體特征或特性變化未被揭示。這些信息對于考慮鋼材特性和確認刀劍結構是非常有價值的。

在本文中，研究團隊使用了J-PARC的RADEN系統(tǒng)，Bragg邊緣透射成像(BET)和波長選擇中子斷層掃描技術，進行了多方面的數(shù)據(jù)采集。這些技術允許研究人員以高分辨率獲取刀身內部微結構的二維和三維圖像。波長分辨Bragg邊緣透射成像技術通過記錄中子在材料中通過不同晶體平面的衍射邊緣，從而解析材料的晶體結構。該方法能夠提供晶粒大小、取向和相分布的詳細信息。波長選擇中子斷層掃描技術通過改變中子的波長選擇范圍，獲得樣品在不同深度和方向上的三維重構圖像，能夠非破壞性地顯示內部缺陷和材料分層結構。實驗中，樣品刀被固定在旋轉平臺上，以實現(xiàn)全刀身范圍內的斷層掃描，同時記錄了刀刃到刀身末端的晶粒大小、硬化區(qū)域和層狀鋼結構。

實驗采用了多個不同的波長范圍，以捕獲刀身不同區(qū)域的微觀特征。例如，短波長范圍用于觀察高密度區(qū)域，而長波長范圍則用于放大低密度區(qū)域的對比度。通過這些實驗方法，研究團隊能夠詳細分析刀刃硬化區(qū)域的晶粒大小分布及其與鍛造工藝的關系。

中子斷層掃描結果

圖1. 中子斷層掃描的縱向與橫向斷層圖像

圖1展示了使用長波長中子斷層掃描獲得的縱向和橫向斷層圖像。斷層掃描顯示刀身具有典型的“甲伏”結構：高碳鋼外層包裹低碳鋼內核。縱向斷層圖(圖1(a))顯示了刀身的整體截面，特別是刀刃區(qū)域的硬化分布情況，并在圖中用黃色虛線標出了10個位置的橫向斷層圖。橫向斷層圖(圖1(b))展示了不同區(qū)域的微結構。圖像顯示，刀尖區(qū)域1–1和1–2的黑色區(qū)域是由于鍛造焊接失敗而產生的空隙。這些空隙的形狀和分布進一步支持了刀身采用“甲伏”技術的推斷。這些缺陷可能是刀身在鍛造過程中因焊接不良或冷卻過程中的熱應力而形成的。刀刃部分的亮色區(qū)域表示硬化形成的馬氏體相。此外，從1–2到4–2，刀刃的外形不對稱。橫截面視圖中的對比度(如3–1)表明刀身左側可能經(jīng)過了較為嚴重的重新磨銳，形狀已與原刀身有所不同。橫截面5–2展示了未硬化的部分，圖像幾乎沒有對比度，除了最寬部分略微明亮，可能是由于偽影所致。圖3–2到4–2橫截面圖中觀察到的稍微明亮的薄層，與5–2中的偽影不同，表明這可能是由不同碳含量的分層鋼結構所形成，但這一點尚未得到確認。

Bragg邊緣透射成像分析結果

圖2. (a) (110) 晶面間距 d 110 和 (b) 邊緣展寬 w 110 。硬化區(qū)域在兩個圖中均清晰可見

晶面間距d110和邊緣展寬w110(如圖2(a)和2(b)所示)在刀刃區(qū)域增大，表明硬化相的形成，可能是由于淬火形成的板條馬氏體相。馬氏體相沿刀刃的波浪形分布。分析結果揭示“則光”刀具有深度硬化的特征。這種深硬化特征與古刀時期的設計明顯不同，更接近于新刀時期的趨勢，可能是因為該刀經(jīng)歷了“再刃”(Saiha)工藝。這種工藝通常用于修復因火災或其他損壞導致的刀刃硬化失效，同時不改變刀身的內部結構。

圖3. (a) 預測的原子數(shù)密度，(b) 晶粒大小，以及 (c) 優(yōu)選取向的映射。可以看出刀體晶粒大小較大，優(yōu)選取向程度相當強。

圖3(a)展示了鐵的投影原子密度，假設其晶體結構為體心立方(BCC)。獲得的值與刀身的厚度成正比。圖3(b)展示了“則光”刀的晶粒大小分布。通過Sabine函數(shù)獲得的晶粒大小是通過在完美晶體塊(即馬賽克塊)內的初級衰減效應(再衍射現(xiàn)象)進行評估的。鋼的晶粒大小小于光學顯微鏡估計的晶粒大小，但與其成正比。圖像顯示，在日本刀中，低碳鋼(鐵素體)核心的晶粒比高碳鋼(珠光體和鐵素體)外層的晶粒要大，盡管由于某種缺陷導致晶粒總體尺寸較小。圖3(b) 還揭示了在刀刃處細小晶粒(約0.5μm或更小)的分布，而在從刀身背脊到刀寬的約2/3處，晶粒大小為1–2μm。“則光”刀背部觀察到的較大晶粒分布與之前對備前刀(Bizen’s old sword)的測量結果相一致。圖3(c)展示了基于March–Dollase函數(shù)的參數(shù)r的圖像，假設擇優(yōu)取向的向量為<320>。大多數(shù)區(qū)域的r值大于1，表明假定的鐵素體/馬氏體的優(yōu)選取向向量與入射中子束方向垂直。但在刀背區(qū)域，r值超過2.5，表明該區(qū)域的擇優(yōu)取向(織構)演變較強。這種分布特征反映了鍛造過程中鋼材在不同區(qū)域所受的熱處理和冷卻條件的差異。研究團隊還發(fā)現(xiàn)，晶粒大小與硬化區(qū)域的特征相一致，這表明硬化處理對刀刃晶粒微結構有顯著影響。

研究結果表明，該刀由“甲伏”技術鍛造而成，內部為低碳鋼，外部為高碳鋼。其內部結構在再硬化“再刃”過程中并未受到顯著影響，這意味著其原始制作工藝的特征仍然清晰可見，為研究古刀的歷史工藝學提供了寶貴的物理證據(jù)。

中子能夠做什么？

中子成像技術在本文中的應用展示了它在文化遺產研究中的巨大潛力。中子成像技術能夠非破壞性地揭示日本刀的內部結構，提供高分辨率的三維成像。通過使用能量分辨中子斷層掃描(Neutron Tomography)和Bragg邊緣成像(Bragg-edge imaging)，研究人員可以清晰地看到刀劍的內部層次和不同鋼材的分布情況，而不需要破壞刀劍的物理完整性。除此而外，它還能夠揭示出鍛造過程中的重要特征，如鋼材分層、硬化模式、缺陷及晶粒分布等，揭示刀劍的鍛造工藝和歷史使用情況。中子成像技術的這些能力使得它成為研究和保護珍貴歷史文物的重要工具。