1 引言
菜刀作为厨房必备工具，主要用于切菜、剁肉、斩骨等食材处理工作。近日，客服关于菜刀不能拍蒜的说法冲上热搜。日常使用的菜刀到底能不能用于拍蒜，引起了广泛热议。
目前常用的厨用刀具材料为马氏体不锈钢，定位高端的刀具材料以高碳马氏体不锈钢为主[1]。该类不锈钢具有较高的含碳量，且随着碳含量增加，材料的强度、硬度、切削性能和耐磨性能将显著提高，但耐腐蚀性和韧性相对较差[2-3]。厨用刀具生产工艺一般为：钢板→冲压开刀胚→热处理→焊接刀柄（针对金属刀柄）/注塑刀柄→焊路退火（针对金属刀柄）→抛光→开刀刃→包装→质检，其中焊路退火是为了消除焊接应力，保证刀柄与刀身焊接处质量。
为深入探究菜刀是否能用于拍蒜，本文首先通过试验与有限元模拟方式验证菜刀断裂原因。然后利用扫描电镜（SEM）、光学显微镜、显微维氏硬度计、直读光谱仪等设备对同款菜刀的断口形貌、显微组织、力学性能、化学成分等进行分析。最后进行分析与讨论。
2 菜刀失效试验研究与模拟验证
2.1 菜刀基本信息
研究对象为同款网红菜刀，购买于京东自营旗舰店，具体的几何与材料信息分别见图1、表1。菜刀整体尺寸为305mm×80mm，刀尖角为90°，质量为0.54kg。刀具主体材料为50Cr15MoV，刀柄材料为430+ABS塑料，刀面与刀柄之间存在明显的焊接痕迹。
图1菜刀尺寸与细节
表1菜刀基本信息
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产品名称 |
产品货号 |
刀面材质 |
刀柄材质 |
毛重 |
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两用刀 |
D12007100 |
50Cr15MoV |
430+ABS塑料 |
0.54kg |
2.2试验研究
为印证拍大蒜能使完好菜刀直接断裂，采用试验进行验证。首先进行拍大蒜试验，在多次拍击大蒜之后未见刀具损伤情况。考虑到大蒜相对较软，产生破坏力较小，改用拍生姜再次进行试验，试验过程如图2所示，刀具依旧未出现裂纹和断裂的情况。
图2 拍生姜试验
为获取相关力学参数便于后续有限元模拟验证，对大蒜进行破坏实验，随机选取两头大蒜，并将蒜瓣按从小到大的顺序进行排列，蒜瓣细节与破碎实验过程如图3所示。大蒜破环实验在万能拉伸试验机上进行，按照大蒜形貌变化可以将破坏过程分为三个阶段：
（1）第一阶段为破损阶段，此阶段中蒜瓣出现一定的形变，凸起的一端被缓慢压塌，蒜瓣依旧为一个整体；
（2）第二阶段为压扁阶段，此阶段开始前蒜瓣凸起部分已被压扁，整个蒜瓣在外力作用下不断压扁，此时卸载蒜瓣与其经拍打后呈现的形貌相近即蒜瓣分成几块；
（3）第三阶段为压扁阶段，此阶段蒜瓣纵向形变量很小，大量汁水涌出，此时卸载蒜瓣与其捣碎后的形貌类似。
图3大蒜破坏实验
通过传感器获取的实验结果如图4所示。其中图4(a)为大蒜压溃过程的载荷位移曲线，由于尺寸相近的蒜瓣的载荷位移曲线相似，故选取了具有代表性的曲线呈现于图中进行比较。结合实验视频，通过分析可以发现载荷位移曲线同样可以分为三段，并均对应有相应的大蒜破坏过程：
（1）第一段，载荷与位移呈线性正相关，对应大蒜破坏过程的第一阶段；
（2）第二段，随着位移的增加，载荷变化不大，存在小范围的波动，对应大蒜破坏过程的第二阶段；
（3）第三段，随着位移的增加，载荷迅速增大，对应大蒜破坏过程的第三阶段。
综上所述结合实际拍蒜过程，第二阶段结果最为接近实际情况，故以此段的载荷作为拍蒜所需最小外力，统计结果如图4(b)所示。可以发现拍扁不同的蒜瓣所需外力在0.08~0.3kN之间，且蒜瓣越大所需外力越大。
图4大蒜破坏实验结果
2.3有限元模拟验证
在上一小节中通过多次实验后菜刀并未出现任何损伤痕迹，可能是由于力度、冲击速度不足等原因造成的，为此利用有限元模拟加以验证。使用有限元软件为ABAQUS，菜刀初始速度设定为5m/s，冲击物体由较硬的铝代替大蒜，设定好材料参数，划分好网格，提交Job进行运算。计算结果如图5所示，刀具所受最大应力为130MPa，远小于材料的强度极限，且刀具未见损伤。值得注意的是实际拍蒜的冲击速度和冲击物体强度小于模拟情况，实际所受应力应该更小。
图5有限元模拟结果
3 断口分析
3.1 宏观断口
通过第二节的实验研究和模拟验证表明，想让菜刀通过拍打大蒜的方式使其断裂，有一定的难度。为了研究拍蒜后即冲击载荷下菜刀断裂的断口形貌，人为制造缺口，并在相应冲击载荷下将其断裂。如图6所示为断口的宏观形貌，断口整体平齐、颜色一致，没有明显的塑性变形特征，接近断口中间区域可见多条弧线（放射条纹）并最终汇聚于一处。根据形貌特征不同，将断口分为A、B、C、D区，沿放射条纹聚集方向即可确定A区为断口源区，而B、C、D区为裂纹扩展区域，扩展方向如图中蓝色虚线所指方向，最后扩展到边缘发生最终断裂。A区下侧为人为制造的缺口。
图6宏观断口
3.2 微观断口
对断口进行适当清洗后用扫描电镜（SEM）对A、B、C、D四个区的微观形貌进行观察，结果如图7所示。A区（断口源区）并未发现原始缺陷，可见断口微观形貌主要韧窝。B区断口微观形貌主要为韧窝并伴有少量解理。C和D区断口微观形貌相近，主要为韧窝，韧窝较浅。
图7微观断口
4 理化检验
4.1 化学成分分析
使用直读光谱仪对菜刀化学成分进行分析（主要针对失效的刀面材料），结果如表2所示，材料成分符合国标GB/T 4237-2015中对50Cr15MoV钢的要求。此外，有害元素S、P的含量远小于规定值。
表2 50Cr15MoV菜刀化学成分分析结果
