日本刀不仅在外观上具有独特的艺术价值，其复杂的金属结构和锻造工艺也使得它成为金属学和材料科学领域关注的研究对象。尤其是在“甲伏”(Kobuse)技术的应用中，刀身的外层高碳钢与内核低碳钢的结合方式，给金属的晶粒分布和硬化区域带来了复杂的影响。如何通过先进的成像技术准确揭示这些微观特征，是这一研究领域亟待解决的关键问题。
日本原子能研究开发机构 J-PARC 中心Kenichi Oikawa教授的团队基于能量分辨中子成像技术（包括Bragg边缘成像和波长选择中子断层扫描），提出了一种新的分析方法，并应用于研究署名为“备州长船则光”的日本刀。 该方法通过对刀身进行三维扫描，详细分析了不同区域的微结构特征，包括刀刃的硬化区域、晶粒分布及其与锻造工艺的关系。研究结果不仅揭示了该刀采用“甲伏”技术的结构特征，还首次通过非破坏性成像技术，成功捕捉到刀尖区域的缺陷及其与锻造工艺的关联。这项工作展示了非破坏性分析技术在文化遗产保护和历史工艺研究中的巨大潜力。
这项研究作为迄今为止最具挑战性的日本刀非破坏性分析实例，成功展示了中子成像技术在传统工艺材料研究中的应用，特别是在揭示刀身内部复杂钢材结构方面的优势。该工作以《Energy-resolved neutron imaging study of a Japanese sword signed by Bishu Osafune Norimitsu》发表于国际期刊《Scientific Reports》上。
中子成像技术的应用与实验设计
过去，日本刀的金相学研究主要依赖破坏性方法，包括直接切割刀身以观察内部结构。然而，出于文化遗产保护的需要，近年来科学家开始采用非破坏性技术，如中子成像。中子具有较强的穿透能力，可用于分析金属的内部微结构而不破坏刀身。然而，目前利用的中子成像测量是在刀剑的多个位置进行的，整个刀剑的整体特征或特性变化未被揭示。这些信息对于考虑钢材特性和确认刀剑结构是非常有价值的。
在本文中，研究团队使用了J-PARC的RADEN系统，Bragg边缘透射成像(BET)和波长选择中子断层扫描技术，进行了多方面的数据采集。这些技术允许研究人员以高分辨率获取刀身内部微结构的二维和三维图像。波长分辨Bragg边缘透射成像技术通过记录中子在材料中通过不同晶体平面的衍射边缘，从而解析材料的晶体结构。该方法能够提供晶粒大小、取向和相分布的详细信息。波长选择中子断层扫描技术通过改变中子的波长选择范围，获得样品在不同深度和方向上的三维重构图像，能够非破坏性地显示内部缺陷和材料分层结构。实验中，样品刀被固定在旋转平台上，以实现全刀身范围内的断层扫描，同时记录了刀刃到刀身末端的晶粒大小、硬化区域和层状钢结构。
实验采用了多个不同的波长范围，以捕获刀身不同区域的微观特征。例如，短波长范围用于观察高密度区域，而长波长范围则用于放大低密度区域的对比度。通过这些实验方法，研究团队能够详细分析刀刃硬化区域的晶粒大小分布及其与锻造工艺的关系。
中子断层扫描结果
图1. 中子断层扫描的纵向与横向断层图像
图1展示了使用长波长中子断层扫描获得的纵向和横向断层图像。断层扫描显示刀身具有典型的“甲伏”结构：高碳钢外层包裹低碳钢内核。纵向断层图(图1(a))显示了刀身的整体截面，特别是刀刃区域的硬化分布情况，并在图中用黄色虚线标出了10个位置的横向断层图。横向断层图(图1(b))展示了不同区域的微结构。图像显示，刀尖区域1–1和1–2的黑色区域是由于锻造焊接失败而产生的空隙。这些空隙的形状和分布进一步支持了刀身采用“甲伏”技术的推断。这些缺陷可能是刀身在锻造过程中因焊接不良或冷却过程中的热应力而形成的。刀刃部分的亮色区域表示硬化形成的马氏体相。此外，从1–2到4–2，刀刃的外形不对称。横截面视图中的对比度(如3–1)表明刀身左侧可能经过了较为严重的重新磨锐，形状已与原刀身有所不同。横截面5–2展示了未硬化的部分，图像几乎没有对比度，除了最宽部分略微明亮，可能是由于伪影所致。图3–2到4–2横截面图中观察到的稍微明亮的薄层，与5–2中的伪影不同，表明这可能是由不同碳含量的分层钢结构所形成，但这一点尚未得到确认。
Bragg边缘透射成像分析结果
图2. (a) (110) 晶面间距 d 110 和 (b) 边缘展宽 w 110 。硬化区域在两个图中均清晰可见
晶面间距d110和边缘展宽w110(如图2(a)和2(b)所示)在刀刃区域增大，表明硬化相的形成，可能是由于淬火形成的板条马氏体相。马氏体相沿刀刃的波浪形分布。分析结果揭示“则光”刀具有深度硬化的特征。这种深硬化特征与古刀时期的设计明显不同，更接近于新刀时期的趋势，可能是因为该刀经历了“再刃”(Saiha)工艺。这种工艺通常用于修复因火灾或其他损坏导致的刀刃硬化失效，同时不改变刀身的内部结构。
图3. (a) 预测的原子数密度，(b) 晶粒大小，以及 (c) 优选取向的映射。可以看出刀体晶粒大小较大，优选取向程度相当强。
图3(a)展示了铁的投影原子密度，假设其晶体结构为体心立方(BCC)。获得的值与刀身的厚度成正比。图3(b)展示了“则光”刀的晶粒大小分布。通过Sabine函数获得的晶粒大小是通过在完美晶体块(即马赛克块)内的初级衰减效应(再衍射现象)进行评估的。钢的晶粒大小小于光学显微镜估计的晶粒大小，但与其成正比。图像显示，在日本刀中，低碳钢(铁素体)核心的晶粒比高碳钢(珠光体和铁素体)外层的晶粒要大，尽管由于某种缺陷导致晶粒总体尺寸较小。图3(b) 还揭示了在刀刃处细小晶粒(约0.5μm或更小)的分布，而在从刀身背脊到刀宽的约2/3处，晶粒大小为1–2μm。“则光”刀背部观察到的较大晶粒分布与之前对备前刀(Bizen’s old sword)的测量结果相一致。图3(c)展示了基于March–Dollase函数的参数r的图像，假设择优取向的向量为<320>。大多数区域的r值大于1，表明假定的铁素体/马氏体的优选取向向量与入射中子束方向垂直。但在刀背区域，r值超过2.5，表明该区域的择优取向(织构)演变较强。这种分布特征反映了锻造过程中钢材在不同区域所受的热处理和冷却条件的差异。研究团队还发现，晶粒大小与硬化区域的特征相一致，这表明硬化处理对刀刃晶粒微结构有显著影响。
研究结果表明，该刀由“甲伏”技术锻造而成，内部为低碳钢，外部为高碳钢。其内部结构在再硬化“再刃”过程中并未受到显著影响，这意味着其原始制作工艺的特征仍然清晰可见，为研究古刀的历史工艺学提供了宝贵的物理证据。
中子能够做什么？
中子成像技术在本文中的应用展示了它在文化遗产研究中的巨大潜力。中子成像技术能够非破坏性地揭示日本刀的内部结构，提供高分辨率的三维成像。通过使用能量分辨中子断层扫描(Neutron Tomography)和Bragg边缘成像(Bragg-edge imaging)，研究人员可以清晰地看到刀剑的内部层次和不同钢材的分布情况，而不需要破坏刀剑的物理完整性。除此而外，它还能够揭示出锻造过程中的重要特征，如钢材分层、硬化模式、缺陷及晶粒分布等，揭示刀剑的锻造工艺和历史使用情况。中子成像技术的这些能力使得它成为研究和保护珍贵历史文物的重要工具。
