如何做一把拍蒜而不断的菜刀？
2022/8/2 7:00:00 科学大院
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最近，某老字号品牌生产的菜刀在拍蒜的时候刀身突然发生了断裂，而客服给出的答复是“我们的菜刀不能拍蒜”，这多少有点超出我们的生活认知。那么问题来了，从科学的角度来看，什么样的菜刀才能拍蒜而不断呢？
准确一点来讲，“拍而不断”意味着我们要尽量避免菜刀在冲击荷载时发生脆性断裂，今天咱们就从材料科学与力学的角度来说一说材料的脆性断裂这回事儿。
一把菜刀的硬度与韧性
市场上的刀具种类繁多，普通菜刀、水果刀、带锯条的锯齿刀、剁骨刀等等，这些刀具的外观、材料、用途、重量、长短都各不相同。
不同刀具的相关资料
图片来源：参考文献[9]
图片来源：veer
一把好的菜刀，既要锋利又得耐用，耐用在力学上解释为材料需要有较高的硬度和足够的韧性。
硬度高的菜刀能够很好地抵抗刀和砧板给刀刃的冲击力，不发生太大的变形和磨损，这样刀刃就能够保持原有的锋利的形状。越硬的菜刀，在相同的力的作用下，它刀刃发生的磨损和变形就小，也就是我们俗称的“耐用“。
有足够的韧性意味着这把刀不可以太脆。脆性是指材料在外力作用下(如拉伸、冲击等)仅产生很小的变形即断裂破坏的性质，平常人们说的“ ‘啪嗒’一下就断了”，就指的是脆性断裂。脆性与韧性相反，脆性断裂直到断裂前材料都只出现很小的弹性变形而几乎不出现塑性变形。刀刃越薄，对刀片硬度和韧性的要求就越高。光有硬度不行，那样开出薄刃的话遇到硬度较高的物体就很容易崩口和卷刃。还需要有足够的韧性，令刀口可以自我保护。
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力学小知识——
弹性变形与塑性变形
弹性变形：物体受外力作用时，就会产生变形，如果将外力去除后，物体能够完全恢复它原来的形状和尺寸，这种变形称为弹性变形。
塑性变形：材料在外力作用下产生形变，而在外力去除后，弹性变形部分消失，不能恢复而保留下来的的那部分变形即为塑性变形 。
硬度和韧性能否兼顾？
不同的金属材料弹性、脆性和韧性不一样，它们断裂时候产生的断裂缺口也不一样。脆性的金属材料(如图所示的铸铁)在断裂时产生的塑性变形很少，断口非常整齐干净，不会发生断口收缩的现象。
铸铁断裂
图片来源：参考文献[5]
而塑性的金属材料(如下图所示的低碳钢)在断裂时断口附近会发生明显的收缩现象，材料力学实验中称之为“颈缩”，就像一个人的脖子一样横截面收缩，断裂时断口附近产生了比较大的塑性变形。
低碳钢断裂
图片来源：参考文献[11]
那么咱们来看看这次处于风口浪尖的某品牌菜刀断裂是属于脆性断裂还是属于塑性断裂呢？请看下图：
某品牌菜刀的断裂缺口图
图片来源：澎湃新闻
可以看到，在该品牌菜刀的断裂缺口附近非常整齐干净，并没有出现比较大的塑性变形，根据新闻图片中这一有限的条件，我们可以初步判断出这次菜刀的断裂是属于脆性断裂。
用菜刀来拍蒜，在菜刀和砧板上的蒜接触接触之前，菜刀有一个不可以忽略的速度(不然怎么能拍扁蒜呢？)，菜刀上承受的荷载是在很短的时间内以很大的速度作用在菜刀上的，这就属于是我们力学上所说的冲击荷载(也是动荷载的一种)。脆性材料抗动荷载或冲击的能力很差，因此可以推断出这次的断裂属于是纯纯的脆性断裂了。
可惜的是，材料的硬度和韧性往往是不能兼顾的，越硬的材料往往韧性比较弱，脆性比较大，那么如果想要一把刀兼顾材料的硬度和韧性，那么就需要对它进行合理的力学设计。
比如在刀刃的部分需要硬起来，满足平常切菜的需要，在刀身的部分就需要兼顾一定的塑性，来缓冲拍蒜时的冲击力，让刀身产生一定的弹塑性变形，来满足刀身拍蒜不断的刚需。如果过于追求硬度，牺牲刀具韧性，拍个蒜，刀的应力没抗住，就嘎嘣了。如果为了节省成本使用了比较廉价的钢材，同时又将钢材热处理到一个过于高的硬度，那么刀的韧性会很差，造成过脆而发生脆性断裂的问题。
如何让做到“好钢用在刀刃上”？
为了解决这个问题，我国古代智慧的劳动人民发明了夹钢法、嵌钢法和覆土烧刃等有意思的办法。
夹钢法指的是在两侧使用硬度较低、韧性好的钢材；在中间刀刃部分使用硬度较高的钢材。这样可以保证刀刃有较高硬度的同时，刀身整体又有较高的韧性。这就是我们常说的“好钢用在刀刃上”。
嵌钢和夹钢原理差不多，以硬质的高碳钢为里，两面夹软钢，只不过它高碳钢的用料多嵌了一些，主体结构的强度更高。
夹钢与嵌钢
图片来源：参考文献[12]
所谓“覆土烧刃”，就是以调配的泥土覆盖刀身不需要高硬度的位置，然后将刀剑加热至特定温度，当红热的刀身进入水中后，赤裸的部分迅速冷却，而有泥土覆盖的部位温度变化不会非常明显，导致硬度与赤裸部位不同，从而达到刚柔并济的效果，在刀刃硬度高的情况下，依旧能保持刀身的良好韧性。
覆土烧刃
图片来源：参考文献[4]
现代制造菜刀的钢材处理方法是淬火和回火，淬火是钢热处理工艺中应用最为广泛的工种工艺方法。这是指把钢加热到某一个临界温度以上，保温一定时间，然后以大于临界冷却速度进行冷却的方法。影视剧中打铁师傅们烧钢材然后把烧的通红的钢放到水或油里的操作就是淬火，淬过火的钢材，强度硬度耐磨性能都得到了很大提高。
但是也有一些副作用，淬火过后的钢材的比较脆容易发生断裂，所以需要配合回火来降低钢材的脆性。将淬火后的钢件在高于室温而低于710℃的某一适当温度进行长时间的保温，再进行冷却，回火可以消除淬火给钢材带来的内应力，提高一部分金属的延展性和韧性，回火和淬火配合一起，就能够很好的调控钢材的力学性能了。
淬火视频
做一把好刀，从原子层面理解热处理方法
为什么说淬火可以提高金属的强度和硬度呢？这就要从钢材的元素组成和结构来解释。
日常菜刀的钢材叫做马氏体不锈钢，组成钢材的主要元素是铁原子和碳原子。铁原子在物质中是有规律排列的，我们可以想象铁原子是一个一个的小球，它们密集堆叠在一起形成一种最小的有规律的单元，堆叠出的这一最小单元类似一个立方体，在立方体的八个顶点上都有一个铁原子，在立方体的正中心也有一个铁原子，这种结构称为体心立方结构(body centered cubic)，我们把这种结构的铁称为 铁，也叫铁素体。
室温下，铁原子就是以体心立方的结构排列的，当我们加温到912℃之后，铁原子的晶体结构会发生转变，从体心立方转变为面心立方(face centered cubic)，八个顶点上还是存在八个铁原子，但是中心的铁原子没有了，转变为六个面的面心存在铁原子，我们把这种结构的铁叫做奥氏体。
体心立方与面心立方
图片来源：参考文献[10]
从元素周期表上可以知道，碳原子是一个比铁原子小的原子，碳原子混入铁原子里面的时候，它去了哪里呢？其实它就跑到了铁原子小球的间隙里面。
铁素体的间隙能够最高能够容纳重量比为0.028%的碳，而加热转变为奥氏体的间隙可以最高容纳2.11%的碳，因此奥氏体的间隙会比铁素体高很多。据查，那把拍蒜断掉的菜刀使用的材料是50Cr15MoV不锈钢，它包含了0.5%的碳，当不锈钢淬火快速冷却的时候，间隙里的碳原子来不及跑出去与铁形成化合物铁三碳(Fe3C)，被强行困在了这个结构里。
这种结构会造成怎样的结果呢？
本来铁素体中两个铁原子之间的距离是平衡距离，间隙中挤入了碳原子之后，铁原子与铁原子之间的距离增加了。我们可以想象两个铁原子之间好像有一个弹簧，当弹簧被拉开之后就会变硬变强，这种经过淬火后的刀，硬度和强度都非常高，耐磨性能也非常好，因此比较适合做我们日常生活中的的菜刀。
如果困住的碳原子太多，就像弹簧被撑开之后到达了极限，韧性变差，就很容易断掉，这时候就需要回火来使钢材的柔韧性恢复一些，让“弹簧”的柔韧性恢复一些。如果回火的温度不够，那么钢材的韧性就得不到很好地恢复，如果温度过高，碳原子跑出了间隙和铁形成了化合物，也达不到我们想要的效果，因此菜刀不锈钢材料的热处理工艺，也是一门学问。
面心立方与体心立方的金属间隙
图片来源：上海交通大学《材料科学基础》
现在我们知道了，如果想要制作一把既耐用又能拍蒜不断的好刀，需要同时利用力学原理与材料科学知识，对菜刀的力学性能进行合理分配和应用，同时在热处理工艺时做好品控。
你学会(废)了吗？
(文章图片源自网络，仅供科普参考)
作者单位：中国科学院力学研究所
参考资料：
[1] 汪卫华.非晶态物质的本质和特性[J].物理学进展,2013,33(05):177-351.
[2] 杜恒峰. 菜刀拍蒜即断 张小泉如何守住中华老字号[N]. 每日经济新闻,2022-07-15(001).
[3] 姚枚,何裕宽,李道明.低碳钢缺口试样解理断裂条件的力学—金属学分析[J].钢铁,1984(12):10-18
[4] https://baijiahao.baidu.com/s?id=1738685386214157173
[5] https://www.bilibili.com/video/BV1Xd4y1Q7Zt?spm_id_from=333.999.0.0
[6] https://www.bilibili.com/video/BV1iB4y1v7bF
[7] https://baike.baidu.com/item/覆土烧刃/9868046?fr=aladdin
[8] https://www.bilibili.com/video/BV1HY4y177Gf
[9] https://baijiahao.baidu.com/s?id=1640392348071308989
10] https://www.zhihu.com/question/307637195/answer/1035712539
[11] https://www.zhihu.com/zvideo/1487162653999517697
[12] https://www.zhihu.com/question/306386353/answer/558403669
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