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。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。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。
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。
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。
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。
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。