1 引言

    菜刀作為廚房必備工具，主要用于切菜、剁肉、斬骨等食材處理工作。近日，客服關(guān)于菜刀不能拍蒜的說法沖上熱搜。日常使用的菜刀到底能不能用于拍蒜，引起了廣泛熱議。

    目前常用的廚用刀具材料為馬氏體不銹鋼，定位高端的刀具材料以高碳馬氏體不銹鋼為主^[1]。該類不銹鋼具有較高的含碳量，且隨著碳含量增加，材料的強度、硬度、切削性能和耐磨性能將顯著提高，但耐腐蝕性和韌性相對較差^[2-3]。廚用刀具生產(chǎn)工藝一般為：鋼板→沖壓開刀胚→熱處理→焊接刀柄（針對金屬刀柄）/注塑刀柄→焊路退火（針對金屬刀柄）→拋光→開刀刃→包裝→質(zhì)檢，其中焊路退火是為了消除焊接應(yīng)力，保證刀柄與刀身焊接處質(zhì)量。

    為深入探究菜刀是否能用于拍蒜，本文首先通過試驗與有限元模擬方式驗證菜刀斷裂原因。然后利用掃描電鏡（SEM）、光學(xué)顯微鏡、顯微維氏硬度計、直讀光譜儀等設(shè)備對同款菜刀的斷口形貌、顯微組織、力學(xué)性能、化學(xué)成分等進行分析。最后進行分析與討論。

    2 菜刀失效試驗研究與模擬驗證

    2.1 菜刀基本信息

    研究對象為同款網(wǎng)紅菜刀，購買于京東自營旗艦店，具體的幾何與材料信息分別見圖1、表1。菜刀整體尺寸為305mm×80mm，刀尖角為90°，質(zhì)量為0.54kg。刀具主體材料為50Cr15MoV，刀柄材料為430+ABS塑料，刀面與刀柄之間存在明顯的焊接痕跡。

圖1菜刀尺寸與細節(jié)

    2.2試驗研究

    為印證拍大蒜能使完好菜刀直接斷裂，采用試驗進行驗證。首先進行拍大蒜試驗，在多次拍擊大蒜之后未見刀具損傷情況?？紤]到大蒜相對較軟，產(chǎn)生破壞力較小，改用拍生姜再次進行試驗，試驗過程如圖2所示，刀具依舊未出現(xiàn)裂紋和斷裂的情況。

  圖2 拍生姜試驗

    為獲取相關(guān)力學(xué)參數(shù)便于后續(xù)有限元模擬驗證，對大蒜進行破壞實驗，隨機選取兩頭大蒜，并將蒜瓣按從小到大的順序進行排列，蒜瓣細節(jié)與破碎實驗過程如圖3所示。大蒜破環(huán)實驗在萬能拉伸試驗機上進行，按照大蒜形貌變化可以將破壞過程分為三個階段：

    （1）第一階段為破損階段，此階段中蒜瓣出現(xiàn)一定的形變，凸起的一端被緩慢壓塌，蒜瓣依舊為一個整體；

    （2）第二階段為壓扁階段，此階段開始前蒜瓣凸起部分已被壓扁，整個蒜瓣在外力作用下不斷壓扁，此時卸載蒜瓣與其經(jīng)拍打后呈現(xiàn)的形貌相近即蒜瓣分成幾塊；

    （3）第三階段為壓扁階段，此階段蒜瓣縱向形變量很小，大量汁水涌出，此時卸載蒜瓣與其搗碎后的形貌類似。

        圖3大蒜破壞實驗

    通過傳感器獲取的實驗結(jié)果如圖4所示。其中圖4(a)為大蒜壓潰過程的載荷位移曲線，由于尺寸相近的蒜瓣的載荷位移曲線相似，故選取了具有代表性的曲線呈現(xiàn)于圖中進行比較。結(jié)合實驗視頻，通過分析可以發(fā)現(xiàn)載荷位移曲線同樣可以分為三段，并均對應(yīng)有相應(yīng)的大蒜破壞過程：

    （1）第一段，載荷與位移呈線性正相關(guān)，對應(yīng)大蒜破壞過程的第一階段；

    （2）第二段，隨著位移的增加，載荷變化不大，存在小范圍的波動，對應(yīng)大蒜破壞過程的第二階段；

    （3）第三段，隨著位移的增加，載荷迅速增大，對應(yīng)大蒜破壞過程的第三階段。

    綜上所述結(jié)合實際拍蒜過程，第二階段結(jié)果最為接近實際情況，故以此段的載荷作為拍蒜所需最小外力，統(tǒng)計結(jié)果如圖4(b)所示。可以發(fā)現(xiàn)拍扁不同的蒜瓣所需外力在0.08~0.3kN之間，且蒜瓣越大所需外力越大。

          圖4大蒜破壞實驗結(jié)果

    2.3有限元模擬驗證

    在上一小節(jié)中通過多次實驗后菜刀并未出現(xiàn)任何損傷痕跡，可能是由于力度、沖擊速度不足等原因造成的，為此利用有限元模擬加以驗證。使用有限元軟件為ABAQUS，菜刀初始速度設(shè)定為5m/s，沖擊物體由較硬的鋁代替大蒜，設(shè)定好材料參數(shù)，劃分好網(wǎng)格，提交Job進行運算。計算結(jié)果如圖5所示，刀具所受最大應(yīng)力為130MPa，遠小于材料的強度極限，且刀具未見損傷。值得注意的是實際拍蒜的沖擊速度和沖擊物體強度小于模擬情況，實際所受應(yīng)力應(yīng)該更小。

          圖5有限元模擬結(jié)果

    3 斷口分析

    3.1 宏觀斷口

    通過第二節(jié)的實驗研究和模擬驗證表明，想讓菜刀通過拍打大蒜的方式使其斷裂，有一定的難度。為了研究拍蒜后即沖擊載荷下菜刀斷裂的斷口形貌，人為制造缺口，并在相應(yīng)沖擊載荷下將其斷裂。如圖6所示為斷口的宏觀形貌，斷口整體平齊、顏色一致，沒有明顯的塑性變形特征，接近斷口中間區(qū)域可見多條弧線（放射條紋）并最終匯聚于一處。根據(jù)形貌特征不同，將斷口分為A、B、C、D區(qū)，沿放射條紋聚集方向即可確定A區(qū)為斷口源區(qū)，而B、C、D區(qū)為裂紋擴展區(qū)域，擴展方向如圖中藍色虛線所指方向，最后擴展到邊緣發(fā)生最終斷裂。A區(qū)下側(cè)為人為制造的缺口。

          圖6宏觀斷口

    3.2 微觀斷口

    對斷口進行適當(dāng)清洗后用掃描電鏡（SEM）對A、B、C、D四個區(qū)的微觀形貌進行觀察，結(jié)果如圖7所示。A區(qū)（斷口源區(qū)）并未發(fā)現(xiàn)原始缺陷，可見斷口微觀形貌主要韌窩。B區(qū)斷口微觀形貌主要為韌窩并伴有少量解理。C和D區(qū)斷口微觀形貌相近，主要為韌窩，韌窩較淺。

    圖7微觀斷口

    4 理化檢驗

    4.1 化學(xué)成分分析

    使用直讀光譜儀對菜刀化學(xué)成分進行分析（主要針對失效的刀面材料），結(jié)果如表2所示，材料成分符合國標GB/T 4237-2015中對50Cr15MoV鋼的要求。此外，有害元素S、P的含量遠小于規(guī)定值。

    4.2 力學(xué)性能分析

    利用顯微維氏硬度計，首先對菜刀表面各部位的硬度進行測量。以刀尖處為原點，縱向或橫向每隔15mm測量一個點，最終形成如圖8(a)中的菜刀表面硬度云圖以及圖8(b)的硬度統(tǒng)計結(jié)果。從菜刀表面硬度云圖中可以發(fā)現(xiàn)整體表面硬度較為均勻，數(shù)值在620~680HV1之間，轉(zhuǎn)化為洛氏硬度約為56.3~59.2 HRC，而刀刃和刀背處稍微偏高。進一步通過硬度統(tǒng)計結(jié)果分布可以看出刀具表面硬度主要集中在645HV1左右，而過大和過小的硬度較少，符合正態(tài)分布。

          圖8 菜刀表面硬度測量結(jié)果

    然后對菜刀芯部進行顯微硬度梯度試驗，測量結(jié)果如圖9所示，可見芯部硬度隨著距表面距離的改變起伏不大，其值在620~640HV0.3之間，轉(zhuǎn)化為洛氏硬度約為56.3~57.3HRC。

    綜合菜刀表面、芯部硬度以及刀面材料來看，刀面應(yīng)為一體成型且采用同一熱處理方式。

          圖9菜刀芯部梯度硬度測量結(jié)果

    4.3 金相分析

    在失效件斷口上截取金相試樣，經(jīng)磨制、拋光，并經(jīng)氯化高鐵鹽酸水溶液（FeCl₃:HCl:H₂O=5g:50ml:100ml）浸蝕后，在光學(xué)顯微鏡上觀察，斷口附近金相組織如圖10(a)所示。斷口源區(qū)附近拋光態(tài)組織未見明顯原始裂紋、孔隙、夾雜等冶金缺陷。腐蝕后斷口源區(qū)顯微組織可見帶狀偏析且斷口沿帶狀偏析方向擴展。刀具的顯微組織如圖10(b)所示，組織為回火馬氏體、殘余奧氏體和顆粒狀碳化物^[5]，在1000倍下可以明顯觀察到碳化物聚集在晶界上。

    圖10金相顯微組織

    5 結(jié)果與討論

    本文采用試驗研究、有限元模擬驗證、化學(xué)成分分析、金相分析、力學(xué)性能分析、掃描電鏡分析等方法，對菜刀拍蒜可行性進行探究，得到如下結(jié)論：

    1.從實驗與模擬上分析：通過試驗研究與有限元模擬驗證，發(fā)現(xiàn)刀具（購得的）的化學(xué)成分、硬度等相關(guān)參數(shù)符合國家標準的情況下，刀具由于拍蒜沖擊力作用發(fā)生斷裂的可能性很低。此外，實際拍蒜需要的外力并不低，約為0.08~0.3kN，對刀具性能還是有一定要求的。

    2.從化學(xué)成分上分析：直讀光譜儀測量結(jié)果顯示，刀具標注材料符合國家標準且有害元素含量遠低于標準，刀具斷裂的可能性很低^[6]。

    3.從力學(xué)性能上分析：刀具表面硬度在56.3~59.2 HRC之間，刀具芯部硬度在56.4~57.5HRC，整體硬度較高且較為均勻，材料存在一定的脆性。

    4.從金相組織分析：刀面組織為回火馬氏體、殘余奧氏體和顆粒狀碳化物，晶粒很小具有較高的強度，但組織存在偏析情況且晶界上聚集有大量碳化物，對晶界有弱化作用^[7]。

    5.從斷口上分析：刀具先由人為制造缺陷后，再經(jīng)過沖擊（模擬拍蒜過程）形成的斷口，從宏觀上看，斷口無明顯塑性變形，但從微觀上看，斷口區(qū)均為韌窩^[8]，且整體深度較淺。結(jié)合斷口宏觀和微觀形貌來看材料具有相對較好的塑性。

    綜合上述情況判斷網(wǎng)紅菜刀在拍蒜后斷裂的原因為：在使用前刀具已經(jīng)存在缺陷，后在沖擊載荷作用下直接斷裂。值得注意的是，通過上述分析可見，正常情況下菜刀由于拍蒜斷裂的可行性不大，只有存在缺陷的情況下才有可能斷裂。

    參考文獻

    [1]趙洪山,滕歡,楊玉丹,劉坤,朱嘉楠.國內(nèi)廚用刀具產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)狀與發(fā)展前景分析[J].上海金屬,2020,42(06):80-84.

    [2]Hui-Hu Lu et al. Improving the mechanical properties of the ASIS 430 stainless steels by using Q&P and Q&T processes[J]. Materials Letters, 2019, 240 : 275-278.

    [3]Leem Dong Seok et al. Amount of retained austenite at room temperature after reverse transformation of martensite to austenite in an Fe–13%Cr–7%Ni–3%Si martensitic stainless steel[J]. ScriptaMaterialia, 2001, 45(7) : 767-772.

    [4]全國鋼標準化技術(shù)委員會.不銹鋼熱扎鋼板和鋼帶:GB/T 4237—2015[S]. 北京：中國標準出版社，2015.

    [5]李炯輝,林德成.金屬材料金相圖譜（上冊）[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006.

    [6]袁周,李建三.家用不銹鋼刀具脆性斷裂失效分析[J].理化檢驗(物理分冊),2017,53(12):912-914.

    [7]于文濤.刀剪用高碳馬氏體不銹鋼8Cr13MoV中碳化物控制技術(shù)研究[D].北京科技大學(xué),2017.

    [8]鐘群鵬,趙子華.斷口學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2006.

        本文作者