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、力學性能、化學成分等進行分析。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)

表1菜刀基本信息

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?？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 化學成分分析

使用直讀光譜儀對菜刀化學成分進行分析（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。

表2 50Cr15MoV菜刀化學成分分析結(jié)果