1 引言

    菜刀作为厨房必备工具，主要用于切菜、剁肉、斩骨等食材处理工作。近日，客服关于菜刀不能拍蒜的说法冲上热搜。日常使用的菜刀到底能不能用于拍蒜，引起了广泛热议。

    目前常用的厨用刀具材料为马氏体不锈钢，定位高端的刀具材料以高碳马氏体不锈钢为主^[1]。该类不锈钢具有较高的含碳量，且随着碳含量增加，材料的强度、硬度、切削性能和耐磨性能将显著提高，但耐腐蚀性和韧性相对较差^[2-3]。厨用刀具生产工艺一般为：钢板→冲压开刀胚→热处理→焊接刀柄（针对金属刀柄）/注塑刀柄→焊路退火（针对金属刀柄）→抛光→开刀刃→包装→质检，其中焊路退火是为了消除焊接应力，保证刀柄与刀身焊接处质量。

    为深入探究菜刀是否能用于拍蒜，本文首先通过试验与有限元模拟方式验证菜刀断裂原因。然后利用扫描电镜（SEM）、光学显微镜、显微维氏硬度计、直读光谱仪等设备对同款菜刀的断口形貌、显微组织、力学性能、化学成分等进行分析。最后进行分析与讨论。

    2 菜刀失效试验研究与模拟验证

    2.1 菜刀基本信息

    研究对象为同款网红菜刀，购买于京东自营旗舰店，具体的几何与材料信息分别见图1、表1。菜刀整体尺寸为305mm×80mm，刀尖角为90°，质量为0.54kg。刀具主体材料为50Cr15MoV，刀柄材料为430+ABS塑料，刀面与刀柄之间存在明显的焊接痕迹。

图1菜刀尺寸与细节

    2.2试验研究

    为印证拍大蒜能使完好菜刀直接断裂，采用试验进行验证。首先进行拍大蒜试验，在多次拍击大蒜之后未见刀具损伤情况。考虑到大蒜相对较软，产生破坏力较小，改用拍生姜再次进行试验，试验过程如图2所示，刀具依旧未出现裂纹和断裂的情况。

  图2 拍生姜试验

    为获取相关力学参数便于后续有限元模拟验证，对大蒜进行破坏实验，随机选取两头大蒜，并将蒜瓣按从小到大的顺序进行排列，蒜瓣细节与破碎实验过程如图3所示。大蒜破环实验在万能拉伸试验机上进行，按照大蒜形貌变化可以将破坏过程分为三个阶段：

    （1）第一阶段为破损阶段，此阶段中蒜瓣出现一定的形变，凸起的一端被缓慢压塌，蒜瓣依旧为一个整体；

    （2）第二阶段为压扁阶段，此阶段开始前蒜瓣凸起部分已被压扁，整个蒜瓣在外力作用下不断压扁，此时卸载蒜瓣与其经拍打后呈现的形貌相近即蒜瓣分成几块；

    （3）第三阶段为压扁阶段，此阶段蒜瓣纵向形变量很小，大量汁水涌出，此时卸载蒜瓣与其捣碎后的形貌类似。

        图3大蒜破坏实验

    通过传感器获取的实验结果如图4所示。其中图4(a)为大蒜压溃过程的载荷位移曲线，由于尺寸相近的蒜瓣的载荷位移曲线相似，故选取了具有代表性的曲线呈现于图中进行比较。结合实验视频，通过分析可以发现载荷位移曲线同样可以分为三段，并均对应有相应的大蒜破坏过程：

    （1）第一段，载荷与位移呈线性正相关，对应大蒜破坏过程的第一阶段；

    （2）第二段，随着位移的增加，载荷变化不大，存在小范围的波动，对应大蒜破坏过程的第二阶段；

    （3）第三段，随着位移的增加，载荷迅速增大，对应大蒜破坏过程的第三阶段。

    综上所述结合实际拍蒜过程，第二阶段结果最为接近实际情况，故以此段的载荷作为拍蒜所需最小外力，统计结果如图4(b)所示。可以发现拍扁不同的蒜瓣所需外力在0.08~0.3kN之间，且蒜瓣越大所需外力越大。

          图4大蒜破坏实验结果

    2.3有限元模拟验证

    在上一小节中通过多次实验后菜刀并未出现任何损伤痕迹，可能是由于力度、冲击速度不足等原因造成的，为此利用有限元模拟加以验证。使用有限元软件为ABAQUS，菜刀初始速度设定为5m/s，冲击物体由较硬的铝代替大蒜，设定好材料参数，划分好网格，提交Job进行运算。计算结果如图5所示，刀具所受最大应力为130MPa，远小于材料的强度极限，且刀具未见损伤。值得注意的是实际拍蒜的冲击速度和冲击物体强度小于模拟情况，实际所受应力应该更小。

          图5有限元模拟结果

    3 断口分析

    3.1 宏观断口

    通过第二节的实验研究和模拟验证表明，想让菜刀通过拍打大蒜的方式使其断裂，有一定的难度。为了研究拍蒜后即冲击载荷下菜刀断裂的断口形貌，人为制造缺口，并在相应冲击载荷下将其断裂。如图6所示为断口的宏观形貌，断口整体平齐、颜色一致，没有明显的塑性变形特征，接近断口中间区域可见多条弧线（放射条纹）并最终汇聚于一处。根据形貌特征不同，将断口分为A、B、C、D区，沿放射条纹聚集方向即可确定A区为断口源区，而B、C、D区为裂纹扩展区域，扩展方向如图中蓝色虚线所指方向，最后扩展到边缘发生最终断裂。A区下侧为人为制造的缺口。

          图6宏观断口

    3.2 微观断口

    对断口进行适当清洗后用扫描电镜（SEM）对A、B、C、D四个区的微观形貌进行观察，结果如图7所示。A区（断口源区）并未发现原始缺陷，可见断口微观形貌主要韧窝。B区断口微观形貌主要为韧窝并伴有少量解理。C和D区断口微观形貌相近，主要为韧窝，韧窝较浅。

    图7微观断口

    4 理化检验

    4.1 化学成分分析

    使用直读光谱仪对菜刀化学成分进行分析（主要针对失效的刀面材料），结果如表2所示，材料成分符合国标GB/T 4237-2015中对50Cr15MoV钢的要求。此外，有害元素S、P的含量远小于规定值。

    4.2 力学性能分析

    利用显微维氏硬度计，首先对菜刀表面各部位的硬度进行测量。以刀尖处为原点，纵向或横向每隔15mm测量一个点，最终形成如图8(a)中的菜刀表面硬度云图以及图8(b)的硬度统计结果。从菜刀表面硬度云图中可以发现整体表面硬度较为均匀，数值在620~680HV1之间，转化为洛氏硬度约为56.3~59.2 HRC，而刀刃和刀背处稍微偏高。进一步通过硬度统计结果分布可以看出刀具表面硬度主要集中在645HV1左右，而过大和过小的硬度较少，符合正态分布。

          图8 菜刀表面硬度测量结果

    然后对菜刀芯部进行显微硬度梯度试验，测量结果如图9所示，可见芯部硬度随着距表面距离的改变起伏不大，其值在620~640HV0.3之间，转化为洛氏硬度约为56.3~57.3HRC。

    综合菜刀表面、芯部硬度以及刀面材料来看，刀面应为一体成型且采用同一热处理方式。

          图9菜刀芯部梯度硬度测量结果

    4.3 金相分析

    在失效件断口上截取金相试样，经磨制、抛光，并经氯化高铁盐酸水溶液（FeCl₃:HCl:H₂O=5g:50ml:100ml）浸蚀后，在光学显微镜上观察，断口附近金相组织如图10(a)所示。断口源区附近抛光态组织未见明显原始裂纹、孔隙、夹杂等冶金缺陷。腐蚀后断口源区显微组织可见带状偏析且断口沿带状偏析方向扩展。刀具的显微组织如图10(b)所示，组织为回火马氏体、残余奥氏体和颗粒状碳化物^[5]，在1000倍下可以明显观察到碳化物聚集在晶界上。

    图10金相显微组织

    5 结果与讨论

    本文采用试验研究、有限元模拟验证、化学成分分析、金相分析、力学性能分析、扫描电镜分析等方法，对菜刀拍蒜可行性进行探究，得到如下结论：

    1.从实验与模拟上分析：通过试验研究与有限元模拟验证，发现刀具（购得的）的化学成分、硬度等相关参数符合国家标准的情况下，刀具由于拍蒜冲击力作用发生断裂的可能性很低。此外，实际拍蒜需要的外力并不低，约为0.08~0.3kN，对刀具性能还是有一定要求的。

    2.从化学成分上分析：直读光谱仪测量结果显示，刀具标注材料符合国家标准且有害元素含量远低于标准，刀具断裂的可能性很低^[6]。

    3.从力学性能上分析：刀具表面硬度在56.3~59.2 HRC之间，刀具芯部硬度在56.4~57.5HRC，整体硬度较高且较为均匀，材料存在一定的脆性。

    4.从金相组织分析：刀面组织为回火马氏体、残余奥氏体和颗粒状碳化物，晶粒很小具有较高的强度，但组织存在偏析情况且晶界上聚集有大量碳化物，对晶界有弱化作用^[7]。

    5.从断口上分析：刀具先由人为制造缺陷后，再经过冲击（模拟拍蒜过程）形成的断口，从宏观上看，断口无明显塑性变形，但从微观上看，断口区均为韧窝^[8]，且整体深度较浅。结合断口宏观和微观形貌来看材料具有相对较好的塑性。

    综合上述情况判断网红菜刀在拍蒜后断裂的原因为：在使用前刀具已经存在缺陷，后在冲击载荷作用下直接断裂。值得注意的是，通过上述分析可见，正常情况下菜刀由于拍蒜断裂的可行性不大，只有存在缺陷的情况下才有可能断裂。

    参考文献

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    [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.

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    [8]钟群鹏,赵子华.断口学[M].北京:高等教育出版社,2006.

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