菜刀易断？金属学知识带你找出幕后黑手
2022/8/4 17:00:00 中国科普博览

    

     菜刀，作为厨房必不可少的工具，坚韧是对它最基本的要求，如果发生断裂，大家可能第一时间会觉得，这菜刀质量有问题，肯定偷工减料了。

    

     图片来源：veer

     但其实，菜刀易断可能跟使用的材料关系不大，而是和菜刀的种类有关。今天我们就从金属材料和金属加工的角度来看看菜刀断裂这件事情背后的客观原因，也希望这篇文章能为大家提供一些选购和保养菜刀的相关知识。

     Part.1

     通体不锈钢菜刀其实并非一体

     近年来，一体式不锈钢刀具(以下简称通体不锈钢刀具或一体式刀具)非常流行。所谓的一体式就是刀身和刀柄从外观上来看是一个整体，即通体均由不锈钢构成。它的好处非常明显，美观和卫生就是这类刀具最大的卖点。全身通体不锈钢不仅能凸显出银白色的金属光泽，还不会发生在木制刀柄乃至刀柄和刀身接缝处的细菌滋生问题。然而，这类刀具其实存在一个通病，就是出现刀身从刀柄处整体断裂的概率远高于一般的分体式刀具，这是为什么呢？

    

    图片来源：中国新闻网其实，一体式刀具看起来是一个整体，但却是刀身和刀柄焊接在一起后形成的。很多人可能会有疑问，为什么不能用模锻的方法让刀具一次成型呢？比如把菜刀的料胚放在模具里，来一个冲压不就能一体成型了吗？这个问题非常有深度，而且实际上分体式的刀具(需要安装木质刀柄)很多都是这么制造出来的。但必须得说一体式刀具可能不得不采取分开制造再焊接的方法。这么说的主要原因有下面三个：第一，刀身用钢和刀柄用钢虽然可能都是不锈钢，但具体的牌号一般不尽相同。刀身作为刀的核心，自然需要用综合性能优秀的高级材料，而刀柄作为附属构造，只要一定条件下不发生锈蚀就能满足需求，所以从成本角度来说完全没必要统一两者的材质。

    

    图片来源：veer而且，很多刀身采用了所谓的三合钢，即两面不锈钢中间夹普通钢，这种材质能够保证菜刀拥有最好的综合机械性能。现代化的菜刀工厂都是直接以钢板的形式购入刀身材料，无需传统锻刀工艺的千锤百炼。为了保证大规模流水线生产的效率，刀身和刀柄不得不分开制造。第二，相对于铜铝等容易加工的有色金属，钢材的热加工温度更高，加工硬化也更显著，说白了就是所耗费的能量以及对设备的要求要高得多，所以菜刀并不太适合用模锻或者冲压的方式一体成型。当然，单独的刀身或者刀柄还是会分别经过一系列机械加工过程，例如刀身可能会经过冲压裁切和轻微轧制，刀柄则可能会利用冲压乃至数控切削来获得所需的形状。第三，将刀身和刀柄连接在一起的焊接工艺叫做热熔接，已经是非常成熟的工艺技术。而且现实中即便焊缝出现断裂，也很少造成严重安全隐患，毕竟菜刀和飞机对突发断裂的安全容许度完全不是一个数量级，因此很多厂家都不愿在这上面花费不必要的成本。现实中的刀身刀柄接缝有时是直线(和刀柄中心线垂直)，有时是斜线。在热熔接后还要进行外观的抛光加工，因此焊缝往往非常不明显。

     Part.2

     菜刀断裂的罪魁祸首：焊接后的残余热应力

     经过了上面的说明，相信大家能够理解这类菜刀必须对刀身和刀柄进行焊接的必要性。焊接部分相对于整体结构而言，普遍是最为脆弱的环节，这和我们的生活常识完全一致。不光是焊接，像粘接、烧结、电子钎焊等连接接头，一般都是外力作用下最先发生断裂的部分。从这一角度来说，需要经过焊接的一体式菜刀，天生具有结构上的缺陷。因此从保护产品以及避免危险的角度来说，应尽量防止菜刀掉落以及其他会产生较大冲击力的情况，以免造成菜刀冲击断裂的情况出现。不过，有的朋友可能会提出疑问了——很多菜刀的断裂位置，显然不是焊缝位置，而是在距离焊缝有一定的距离的地方断掉了，这是不是说明，上面的解释全都站不住脚呢？

    

    图片来源：veer先别慌，我们先来看看焊接工序是如何操作的。当焊接工序进行之前，实际上刀身已经完成了关键的热处理工艺，具有了良好的综合性能，既强又韧，这样的钢板如果从侧面施加不大的冲击力，几乎不可能发生破坏性的断裂。比如我们拿着一块菜刀用钢板，从侧面拍击坚硬的岩石，只要不是产品中存在大型的夹杂或者气孔，几乎不可能发生断裂。而夹杂或气孔之类的初级缺陷，在钢板经过合适的制造过程后应能得到完全的消除。而焊接时，由于钢铁材料熔点很高，需要采用集中加热的办法让两个焊接面附近达到很高的温度，出现明显的局部软化。之所以只加热局部，有两个原因：第一，刀身整体已经完成了热处理，如果重新加热，只会让热处理产生的强韧化效果部分或者完全消失。第二，加热整体不仅没有必要，还会消耗大量能源，一般来说工厂会用氩弧焊、局部感应、激光、电子束等各种方式对焊缝进行精确加热。同时，实际中还会用压力让两个接合面更加靠近以促进焊缝的致密化。在焊接完成并进行机械抛光后，从外观来看焊缝已经非常不明显了，而且从测试强度来说，焊缝并没有我们想象的那么弱。但是，生活中为什么又有很多刀身断裂的情况发生呢？实际上，除了焊缝本身的脆弱性，焊接过程中产生的热应力才是大部分“惨案”背后的元凶。

     Part.3

     为什么无法根除残余热应力的影响？

     热应力是材料内部的一种内在力，在经受过加热或者冷却的材料中，热应力就很容易产生。它的存在有时候是有利的，甚至是故意施加的，比如钢化玻璃的生产。但大部分情况下，热应力对于材料的稳定性是有害的，需要予以控制和消除。热应力的产生其实是物质热胀冷缩的必然结果，加热后的冷却过程中，加热区域附近的钢材组织必然会出现部分变形趋势大于其它部分变形趋势的现象。而菜刀又是一个外观统一且形状确定的刚体，因此材料内部就会出现局部的内应力。也就是说，这时的材料处于内在不稳定的状态，用大白话讲就是“憋着劲儿”。这股劲儿会在整个生命周期内伴随着刀具，所以我们的菜刀不光有粗犷的外在，还有狂野的内心。不要小看这些残存的应力，它们会导致材料内部出现微细的裂纹，如果恰好遇到合适的外力，细微的裂纹就可能瞬间整体扩展为毁灭性的断裂。虽然在焊接完成后，还会对应力进行一定程度的去除，例如在较低温度下再次长时间加热，让内部趋于应力平衡。但过度的处理却可能损伤材料整体的力学性能，让好不容易获得的强韧度下降。所以完全消除焊接带来的热应力实际上是不可能的。在我们日常生活中，钢化玻璃的突然爆炸就是内应力的结果，而我们目前的钢化玻璃生产工艺无论如何也无法完全避免此类事故的发生(实际上，钢化玻璃在出厂前会经历各种严苛的测试，以便让存在隐患的产品在测试过程中就发生碎裂)。

    

    破碎的钢化玻璃图片来源：veer同理，通体不锈钢菜刀也无法完全避免刀身的突然断裂。至于断裂的位置，一般出现在热应力最大的焊缝处，当然也可能出现在焊缝周围，这取决于微裂纹发生的位置以及扩展的方向等。当然，这并不是说一体式菜刀肯定会断裂，而是说相对于传统结构的菜刀(它们的刀身和刀柄中的钢是同时成型的一块材料)，经过焊接的一体式菜刀在概率上更容易发生刀身的整体断裂。总而言之，对于制造刀具的企业来说，需要尽可能提高焊接强度，同时完善焊接工艺，从而避免过度的残留热应力。

     参考文献:

     1.オールステンレス包丁の折損問題https://modama.net/knife/tips23.html

     出品：科普中国

     作者：张昊(材料学博士)

     监制：中国科普博览

     编辑：王婷婷

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