最近，某老字號(hào)品牌生產(chǎn)的菜刀在拍蒜的時(shí)候刀身突然發(fā)生了斷裂，而客服給出的答復(fù)是 " 我們的菜刀不能拍蒜 "，這多少有點(diǎn)超出我們的生活認(rèn)知。那么問(wèn)題來(lái)了，從科學(xué)的角度來(lái)看，什么樣的菜刀才能拍蒜而不斷呢？

準(zhǔn)確一點(diǎn)來(lái)講，" 拍而不斷 " 意味著我們要盡量避免菜刀在沖擊荷載時(shí)發(fā)生脆性斷裂，今天咱們就從材料科學(xué)與力學(xué)的角度來(lái)說(shuō)一說(shuō)材料的脆性斷裂這回事兒。

一把菜刀的硬度與韌性

市場(chǎng)上的刀具種類繁多，普通菜刀、水果刀、帶鋸條的鋸齒刀、剁骨刀等等，這些刀具的外觀、材料、用途、重量、長(zhǎng)短都各不相同。

不同刀具的相關(guān)資料

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一把好的菜刀，既要鋒利又得耐用，耐用在力學(xué)上解釋為材料需要有較高的硬度和足夠的韌性。

硬度高的菜刀能夠很好地抵抗刀和砧板給刀刃的沖擊力，不發(fā)生太大的變形和磨損，這樣刀刃就能夠保持原有的鋒利的形狀。越硬的菜刀，在相同的力的作用下，它刀刃發(fā)生的磨損和變形就小，也就是我們俗稱的 " 耐用 "。

有足夠的韌性意味著這把刀不可以太脆。脆性是指材料在外力作用下（如拉伸、沖擊等）僅產(chǎn)生很小的變形即斷裂破壞的性質(zhì)，平常人們說(shuō)的 " ‘啪嗒’一下就斷了 "，就指的是脆性斷裂。脆性與韌性相反，脆性斷裂直到斷裂前材料都只出現(xiàn)很小的彈性變形而幾乎不出現(xiàn)塑性變形。刀刃越薄，對(duì)刀片硬度和韌性的要求就越高。光有硬度不行，那樣開(kāi)出薄刃的話遇到硬度較高的物體就很容易崩口和卷刃。還需要有足夠的韌性，令刀口可以自我保護(hù)。

硬度和韌性能否兼顧？

不同的金屬材料彈性、脆性和韌性不一樣，它們斷裂時(shí)候產(chǎn)生的斷裂缺口也不一樣。脆性的金屬材料（如圖所示的鑄鐵）在斷裂時(shí)產(chǎn)生的塑性變形很少，斷口非常整齊干凈，不會(huì)發(fā)生斷口收縮的現(xiàn)象。

鑄鐵斷裂

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而塑性的金屬材料（如下圖所示的低碳鋼）在斷裂時(shí)斷口附近會(huì)發(fā)生明顯的收縮現(xiàn)象，材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)中稱之為" 頸縮 "，就像一個(gè)人的脖子一樣橫截面收縮，斷裂時(shí)斷口附近產(chǎn)生了比較大的塑性變形。

低碳鋼斷裂

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那么咱們來(lái)看看這次處于風(fēng)口浪尖的某品牌菜刀斷裂是屬于脆性斷裂還是屬于塑性斷裂呢？請(qǐng)看下圖：

某品牌菜刀的斷裂缺口圖

可以看到，在該品牌菜刀的斷裂缺口附近非常整齊干凈，并沒(méi)有出現(xiàn)比較大的塑性變形，根據(jù)新聞圖片中這一有限的條件，我們可以初步判斷出這次菜刀的斷裂是屬于脆性斷裂。

用菜刀來(lái)拍蒜，在菜刀和砧板上的蒜接觸接觸之前，菜刀有一個(gè)不可以忽略的速度（不然怎么能拍扁蒜呢？），菜刀上承受的荷載是在很短的時(shí)間內(nèi)以很大的速度作用在菜刀上的，這就屬于是我們力學(xué)上所說(shuō)的沖擊荷載（也是動(dòng)荷載的一種）。脆性材料抗動(dòng)荷載或沖擊的能力很差，因此可以推斷出這次的斷裂屬于是純純的脆性斷裂了。

可惜的是，材料的硬度和韌性往往是不能兼顧的，越硬的材料往往韌性比較弱，脆性比較大，那么如果想要一把刀兼顧材料的硬度和韌性，那么就需要對(duì)它進(jìn)行合理的力學(xué)設(shè)計(jì)。

比如在刀刃的部分需要硬起來(lái)，滿足平常切菜的需要，在刀身的部分就需要兼顧一定的塑性，來(lái)緩沖拍蒜時(shí)的沖擊力，讓刀身產(chǎn)生一定的彈塑性變形，來(lái)滿足刀身拍蒜不斷的剛需。如果過(guò)于追求硬度，犧牲刀具韌性，拍個(gè)蒜，刀的應(yīng)力沒(méi)抗住，就嘎嘣了。如果為了節(jié)省成本使用了比較廉價(jià)的鋼材，同時(shí)又將鋼材熱處理到一個(gè)過(guò)于高的硬度，那么刀的韌性會(huì)很差，造成過(guò)脆而發(fā)生脆性斷裂的問(wèn)題。

如何讓做到 " 好鋼用在刀刃上 "？

為了解決這個(gè)問(wèn)題，我國(guó)古代智慧的勞動(dòng)人民發(fā)明了夾鋼法、嵌鋼法和覆土燒刃等有意思的辦法。

夾鋼法指的是在兩側(cè)使用硬度較低、韌性好的鋼材；在中間刀刃部分使用硬度較高的鋼材。這樣可以保證刀刃有較高硬度的同時(shí)，刀身整體又有較高的韌性。這就是我們常說(shuō)的" 好鋼用在刀刃上 "。

嵌鋼和夾鋼原理差不多，以硬質(zhì)的高碳鋼為里，兩面夾軟鋼，只不過(guò)它高碳鋼的用料多嵌了一些，主體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度更高。

夾鋼與嵌鋼

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所謂" 覆土燒刃 "，就是以調(diào)配的泥土覆蓋刀身不需要高硬度的位置，然后將刀劍加熱至特定溫度，當(dāng)紅熱的刀身進(jìn)入水中后，赤裸的部分迅速冷卻，而有泥土覆蓋的部位溫度變化不會(huì)非常明顯，導(dǎo)致硬度與赤裸部位不同，從而達(dá)到剛?cè)岵?jì)的效果，在刀刃硬度高的情況下，依舊能保持刀身的良好韌性。

覆土燒刃

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現(xiàn)代制造菜刀的鋼材處理方法是淬火和回火，淬火是鋼熱處理工藝中應(yīng)用最為廣泛的工種工藝方法。這是指把鋼加熱到某一個(gè)臨界溫度以上，保溫一定時(shí)間，然后以大于臨界冷卻速度進(jìn)行冷卻的方法。影視劇中打鐵師傅們燒鋼材然后把燒的通紅的鋼放到水或油里的操作就是淬火，淬過(guò)火的鋼材，強(qiáng)度硬度耐磨性能都得到了很大提高。

但是也有一些副作用，淬火過(guò)后的鋼材的比較脆容易發(fā)生斷裂，所以需要配合回火來(lái)降低鋼材的脆性。將淬火后的鋼件在高于室溫而低于 710 ℃的某一適當(dāng)溫度進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的保溫，再進(jìn)行冷卻，回火可以消除淬火給鋼材帶來(lái)的內(nèi)應(yīng)力，提高一部分金屬的延展性和韌性，回火和淬火配合一起，就能夠很好的調(diào)控鋼材的力學(xué)性能了。

做一把好刀，從原子層面理解熱處理方法

為什么說(shuō)淬火可以提高金屬的強(qiáng)度和硬度呢？這就要從鋼材的元素組成和結(jié)構(gòu)來(lái)解釋。

日常菜刀的鋼材叫做馬氏體不銹鋼，組成鋼材的主要元素是鐵原子和碳原子。鐵原子在物質(zhì)中是有規(guī)律排列的，我們可以想象鐵原子是一個(gè)一個(gè)的小球，它們密集堆疊在一起形成一種最小的有規(guī)律的單元，堆疊出的這一最小單元類似一個(gè)立方體，在立方體的八個(gè)頂點(diǎn)上都有一個(gè)鐵原子，在立方體的正中心也有一個(gè)鐵原子，這種結(jié)構(gòu)稱為體心立方結(jié)構(gòu)（body centered cubic），我們把這種結(jié)構(gòu)的鐵稱為 鐵，也叫鐵素體。

室溫下，鐵原子就是以體心立方的結(jié)構(gòu)排列的，當(dāng)我們加溫到 912 ℃之后，鐵原子的晶體結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，從體心立方轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎?/strong>（face centered cubic），八個(gè)頂點(diǎn)上還是存在八個(gè)鐵原子，但是中心的鐵原子沒(méi)有了，轉(zhuǎn)變?yōu)榱鶄€(gè)面的面心存在鐵原子，我們把這種結(jié)構(gòu)的鐵叫做奧氏體。

體心立方與面心立方

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從元素周期表上可以知道，碳原子是一個(gè)比鐵原子小的原子，碳原子混入鐵原子里面的時(shí)候，它去了哪里呢？其實(shí)它就跑到了鐵原子小球的間隙里面。

鐵素體的間隙能夠最高能夠容納重量比為 0.028% 的碳，而加熱轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的間隙可以最高容納 2.11% 的碳，因此奧氏體的間隙會(huì)比鐵素體高很多。據(jù)查，那把拍蒜斷掉的菜刀使用的材料是 50Cr15MoV 不銹鋼，它包含了 0.5% 的碳，當(dāng)不銹鋼淬火快速冷卻的時(shí)候，間隙里的碳原子來(lái)不及跑出去與鐵形成化合物鐵三碳（Fe3C），被強(qiáng)行困在了這個(gè)結(jié)構(gòu)里。

這種結(jié)構(gòu)會(huì)造成怎樣的結(jié)果呢？

本來(lái)鐵素體中兩個(gè)鐵原子之間的距離是平衡距離，間隙中擠入了碳原子之后，鐵原子與鐵原子之間的距離增加了。我們可以想象兩個(gè)鐵原子之間好像有一個(gè)彈簧，當(dāng)彈簧被拉開(kāi)之后就會(huì)變硬變強(qiáng)，這種經(jīng)過(guò)淬火后的刀，硬度和強(qiáng)度都非常高，耐磨性能也非常好，因此比較適合做我們?nèi)粘Ｉ钪械牡牟说丁?/strong>

如果困住的碳原子太多，就像彈簧被撐開(kāi)之后到達(dá)了極限，韌性變差，就很容易斷掉，這時(shí)候就需要回火來(lái)使鋼材的柔韌性恢復(fù)一些，讓 " 彈簧 " 的柔韌性恢復(fù)一些。如果回火的溫度不夠，那么鋼材的韌性就得不到很好地恢復(fù)，如果溫度過(guò)高，碳原子跑出了間隙和鐵形成了化合物，也達(dá)不到我們想要的效果，因此菜刀不銹鋼材料的熱處理工藝，也是一門學(xué)問(wèn)。

面心立方與體心立方的金屬間隙

圖片來(lái)源：上海交通大學(xué)《材料科學(xué)基礎(chǔ)》

現(xiàn)在我們知道了，如果想要制作一把既耐用又能拍蒜不斷的好刀，需要同時(shí)利用力學(xué)原理與材料科學(xué)知識(shí)，對(duì)菜刀的力學(xué)性能進(jìn)行合理分配和應(yīng)用，同時(shí)在熱處理工藝時(shí)做好品控。

你學(xué)會(huì)（廢）了嗎？

（文章圖片源自網(wǎng)絡(luò)，僅供科普參考）