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(shuō)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(lèi)不銹鋼具有較高的含碳量，且隨著碳含量增加，材料的強(qiáng)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(duì)較差^[2-3]。廚用刀具生產(chǎn)工藝一般為：鋼板→沖壓開(kāi)刀胚→熱處理→焊接刀柄（針對(duì)金屬刀柄）/注塑刀柄→焊路退火（針對(duì)金屬刀柄）→拋光→開(kāi)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(guò)試驗(yàn)與有限元模擬方式驗(yàn)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(jì)、直讀光譜儀等設(shè)備對(duì)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(jìn)行分析。最后進(jìn)行分析與討論。

    2 菜刀失效試驗(yàn)研究與模擬驗(yàn)證

    2.1 菜刀基本信息

    研究對(duì)象為同款網(wǎng)紅菜刀，購(gòu)買(mǎi)于京東自營(yíng)旗艦店，具體的幾何與材料信息分別見(jiàn)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(xì)節(jié)

    2.2試驗(yàn)研究

    為印證拍大蒜能使完好菜刀直接斷裂，采用試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。首先進(jìn)行拍大蒜試驗(yàn)，在多次拍擊大蒜之后未見(jiàn)刀具損傷情況。考慮到大蒜相對(duì)較軟，產(chǎn)生破壞力較小，改用拍生姜再次進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)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(yàn)

    為獲取相關(guān)力學(xué)參數(shù)便于后續(xù)有限元模擬驗(yàn)證，對(duì)大蒜進(jìn)行破壞實(shí)驗(yàn)，隨機(jī)選取兩頭大蒜，并將蒜瓣按從小到大的順序進(jìn)行排列，蒜瓣細(xì)節(jié)與破碎實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖3所示。大蒜破環(huán)實(shí)驗(yàn)在萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，按照大蒜形貌變化可以將破壞過(guò)程分為三個(gè)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(gè)整體；

    （2）第二階段為壓扁階段，此階段開(kāi)始前蒜瓣凸起部分已被壓扁，整個(gè)蒜瓣在外力作用下不斷壓扁，此時(shí)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(shí)卸載蒜瓣與其搗碎后的形貌類(lèi)似。

        圖3大蒜破壞實(shí)驗(yàn)

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

    （1）第一段，載荷與位移呈線(xiàn)性正相關(guān)，對(duì)應(yīng)大蒜破壞過(guò)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(dòng)，對(duì)應(yīng)大蒜破壞過(guò)程的第二階段；

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

    綜上所述結(jié)合實(shí)際拍蒜過(guò)程，第二階段結(jié)果最為接近實(shí)際情況，故以此段的載荷作為拍蒜所需最小外力，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4(b)所示?？梢园l(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(shí)驗(yàn)結(jié)果

    2.3有限元模擬驗(yàn)證

    在上一小節(jié)中通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)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(yàn)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(jìn)行運(yùn)算。計(jì)算結(jié)果如圖5所示，刀具所受最大應(yīng)力為130MPa，遠(yuǎn)小于材料的強(qiáng)度極限，且刀具未見(jiàn)損傷。值得注意的是實(shí)際拍蒜的沖擊速度和沖擊物體強(qiáng)度小于模擬情況，實(shí)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(guò)第二節(jié)的實(shí)驗(yàn)研究和模擬驗(yàn)證表明，想讓菜刀通過(guò)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(méi)有明顯的塑性變形特征，接近斷口中間區(qū)域可見(jiàn)多條弧線(xiàn)（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(niǎo)、C、D區(qū)為裂紋擴(kuò)展區(qū)域，擴(kuò)展方向如圖中藍(lán)色虛線(xiàn)所指方向，最后擴(kuò)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(duì)斷口進(jìn)行適當(dāng)清洗后用掃描電鏡（SEM）對(duì)A、B、C、D四個(gè)區(qū)的微觀形貌進(jìn)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(jiàn)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(yàn)

    4.1 化學(xué)成分分析

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

    4.2 力學(xué)性能分析

    利用顯微維氏硬度計(jì)，首先對(duì)菜刀表面各部位的硬度進(jìn)行測(cè)量。以刀尖處為原點(diǎn)，縱向或橫向每隔15mm測(cè)量一個(gè)點(diǎn)，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(jì)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(jìn)一步通過(guò)硬度統(tǒng)計(jì)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(guò)大和過(guò)小的硬度較少，符合正態(tài)分布。

          圖8 菜刀表面硬度測(cè)量結(jié)果

    然后對(duì)菜刀芯部進(jìn)行顯微硬度梯度試驗(yàn)，測(cè)量結(jié)果如圖9所示，可見(jiàn)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(lái)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(cè)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(jiàn)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(jiàn)帶狀偏析且斷口沿帶狀偏析方向擴(kuò)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(yàn)研究、有限元模擬驗(yàn)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(duì)菜刀拍蒜可行性進(jìn)行探究，得到如下結(jié)論：

    1.從實(shí)驗(yàn)與模擬上分析：通過(guò)試驗(yàn)研究與有限元模擬驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)刀具（購(gòu)得的）的化學(xué)成分、硬度等相關(guān)參數(shù)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(shí)際拍蒜需要的外力并不低，約為0.08~0.3kN，對(duì)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(cè)量結(jié)果顯示，刀具標(biāo)注材料符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)且有害元素含量遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)，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(qiáng)度，但組織存在偏析情況且晶界上聚集有大量碳化物，對(duì)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(guò)沖擊（模擬拍蒜過(guò)程）形成的斷口，從宏觀上看，斷口無(wú)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(lái)看材料具有相對(duì)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?yàn)椋涸谑褂们暗毒咭呀?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(guò)上述分析可見(jiàn)，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。

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