環(huán)球熱訊:菜刀易斷？金屬學知識帶你找出幕后黑手

菜刀，作為廚房必不可少的工具，堅韌是對它最基本的要求，如果發(fā)生斷裂，大家可能第一時間會覺得，這菜刀質量有問題，肯定偷工減料了。

(資料圖)

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但其實，菜刀易斷可能跟使用的材料關系不大，而是和菜刀的種類有關。今天我們就從金屬材料和金屬加工的角度來看看菜刀斷裂這件事情背后的客觀原因，也希望這篇文章能為大家提供一些選購和保養(yǎng)菜刀的相關知識。

Part.1

通體不銹鋼菜刀其實并非一體

近年來，一體式不銹鋼刀具（以下簡稱通體不銹鋼刀具或一體式刀具）非常流行。所謂的一體式就是刀身和刀柄從外觀上來看是一個整體，即通體均由不銹鋼構成。

它的好處非常明顯，美觀和衛(wèi)生就是這類刀具最大的賣點。全身通體不銹鋼不僅能凸顯出銀白色的金屬光澤，還不會發(fā)生在木制刀柄乃至刀柄和刀身接縫處的細菌滋生問題。

然而，這類刀具其實存在一個通病，就是出現(xiàn)刀身從刀柄處整體斷裂的概率遠高于一般的分體式刀具，這是為什么呢？

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其實，一體式刀具看起來是一個整體，但卻是刀身和刀柄焊接在一起后形成的。

很多人可能會有疑問，為什么不能用模鍛的方法讓刀具一次成型呢？比如把菜刀的料胚放在模具里，來一個沖壓不就能一體成型了嗎？

這個問題非常有深度，而且實際上分體式的刀具（需要安裝木質刀柄）很多都是這么制造出來的。但必須得說一體式刀具可能不得不采取分開制造再焊接的方法。這么說的主要原因有下面三個：

第一，刀身用鋼和刀柄用鋼雖然可能都是不銹鋼，但具體的牌號一般不盡相同。刀身作為刀的核心，自然需要用綜合性能優(yōu)秀的高級材料，而刀柄作為附屬構造，只要一定條件下不發(fā)生銹蝕就能滿足需求，所以從成本角度來說完全沒必要統(tǒng)一兩者的材質。

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而且，很多刀身采用了所謂的三合鋼，即兩面不銹鋼中間夾普通鋼，這種材質能夠保證菜刀擁有最好的綜合機械性能?，F(xiàn)代化的菜刀工廠都是直接以鋼板的形式購入刀身材料，無需傳統(tǒng)鍛刀工藝的千錘百煉。為了保證大規(guī)模流水線生產的效率，刀身和刀柄不得不分開制造。

第二，相對于銅鋁等容易加工的有色金屬，鋼材的熱加工溫度更高，加工硬化也更顯著，說白了就是所耗費的能量以及對設備的要求要高得多，所以菜刀并不太適合用模鍛或者沖壓的方式一體成型。

當然，單獨的刀身或者刀柄還是會分別經過一系列機械加工過程，例如刀身可能會經過沖壓裁切和輕微軋制，刀柄則可能會利用沖壓乃至數(shù)控切削來獲得所需的形狀。

第三，將刀身和刀柄連接在一起的焊接工藝叫做熱熔接，已經是非常成熟的工藝技術。而且現(xiàn)實中即便焊縫出現(xiàn)斷裂，也很少造成嚴重安全隱患，畢竟菜刀和飛機對突發(fā)斷裂的安全容許度完全不是一個數(shù)量級，因此很多廠家都不愿在這上面花費不必要的成本。

現(xiàn)實中的刀身刀柄接縫有時是直線（和刀柄中心線垂直），有時是斜線。在熱熔接后還要進行外觀的拋光加工，因此焊縫往往非常不明顯。

Part.2

菜刀斷裂的罪魁禍首：焊接后的殘余熱應力

經過了上面的說明，相信大家能夠理解這類菜刀必須對刀身和刀柄進行焊接的必要性。焊接部分相對于整體結構而言，普遍是最為脆弱的環(huán)節(jié)，這和我們的生活常識完全一致。

不光是焊接，像粘接、燒結、電子釬焊等連接接頭，一般都是外力作用下最先發(fā)生斷裂的部分。從這一角度來說，需要經過焊接的一體式菜刀，天生具有結構上的缺陷。

因此從保護產品以及避免危險的角度來說，應盡量防止菜刀掉落以及其他會產生較大沖擊力的情況，以免造成菜刀沖擊斷裂的情況出現(xiàn)。

不過，有的朋友可能會提出疑問了——很多菜刀的斷裂位置，顯然不是焊縫位置，而是在距離焊縫有一定的距離的地方斷掉了，這是不是說明，上面的解釋全都站不住腳呢？

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先別慌，我們先來看看焊接工序是如何操作的。當焊接工序進行之前，實際上刀身已經完成了關鍵的熱處理工藝，具有了良好的綜合性能，既強又韌，這樣的鋼板如果從側面施加不大的沖擊力，幾乎不可能發(fā)生破壞性的斷裂。

比如我們拿著一塊菜刀用鋼板，從側面拍擊堅硬的巖石，只要不是產品中存在大型的夾雜或者氣孔，幾乎不可能發(fā)生斷裂。而夾雜或氣孔之類的初級缺陷，在鋼板經過合適的制造過程后應能得到完全的消除。

而焊接時，由于鋼鐵材料熔點很高，需要采用集中加熱的辦法讓兩個焊接面附近達到很高的溫度，出現(xiàn)明顯的局部軟化。

之所以只加熱局部，有兩個原因：

第一，刀身整體已經完成了熱處理，如果重新加熱，只會讓熱處理產生的強韌化效果部分或者完全消失。

第二，加熱整體不僅沒有必要，還會消耗大量能源，一般來說工廠會用氬弧焊、局部感應、激光、電子束等各種方式對焊縫進行精確加熱。同時，實際中還會用壓力讓兩個接合面更加靠近以促進焊縫的致密化。

在焊接完成并進行機械拋光后，從外觀來看焊縫已經非常不明顯了，而且從測試強度來說，焊縫并沒有我們想象的那么弱。

但是，生活中為什么又有很多刀身斷裂的情況發(fā)生呢？實際上，除了焊縫本身的脆弱性，焊接過程中產生的熱應力才是大部分“慘案”背后的元兇。

Part.3

為什么無法根除殘余熱應力的影響？

**熱應力是材料內部的一種內在力，在經受過加熱或者冷卻的材料中，熱應力就很容易產生。**它的存在有時候是有利的，甚至是故意施加的，比如鋼化玻璃的生產。但大部分情況下，熱應力對于材料的穩(wěn)定性是有害的，需要予以控制和消除。

熱應力的產生其實是物質熱脹冷縮的必然結果，加熱后的冷卻過程中，加熱區(qū)域附近的鋼材組織必然會出現(xiàn)部分變形趨勢大于其它部分變形趨勢的現(xiàn)象。

而菜刀又是一個外觀統(tǒng)一且形狀確定的剛體，因此材料內部就會出現(xiàn)局部的內應力。

也就是說，這時的材料處于內在不穩(wěn)定的狀態(tài)，用大白話講就是“憋著勁兒”。這股勁兒會在整個生命周期內伴隨著刀具，所以我們的菜刀不光有粗獷的外在，還有狂野的內心。

不要小看這些殘存的應力，它們會導致材料內部出現(xiàn)微細的裂紋，如果恰好遇到合適的外力，細微的裂紋就可能瞬間整體擴展為毀滅性的斷裂。

雖然在焊接完成后，還會對應力進行一定程度的去除，例如在較低溫度下再次長時間加熱，讓內部趨于應力平衡。

但過度的處理卻可能損傷材料整體的力學性能，讓好不容易獲得的強韌度下降。所以完全消除焊接帶來的熱應力實際上是不可能的。

在我們日常生活中，鋼化玻璃的突然爆炸就是內應力的結果，而我們目前的鋼化玻璃生產工藝無論如何也無法完全避免此類事故的發(fā)生（實際上，鋼化玻璃在出廠前會經歷各種嚴苛的測試，以便讓存在隱患的產品在測試過程中就發(fā)生碎裂）。

破碎的鋼化玻璃

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同理，通體不銹鋼菜刀也無法完全避免刀身的突然斷裂。至于斷裂的位置，一般出現(xiàn)在熱應力最大的焊縫處，當然也可能出現(xiàn)在焊縫周圍，這取決于微裂紋發(fā)生的位置以及擴展的方向等。

當然，這并不是說一體式菜刀肯定會斷裂，而是說相對于傳統(tǒng)結構的菜刀（它們的刀身和刀柄中的鋼是同時成型的一塊材料），經過焊接的一體式菜刀在概率上更容易發(fā)生刀身的整體斷裂。

總而言之，對于制造刀具的企業(yè)來說，需要盡可能提高焊接強度，同時完善焊接工藝，從而避免過度的殘留熱應力。

參考文獻:

1.オールステンレス包丁の折損問題https://modama.net/knife/tips23.html

出品：科普中國

作者：張昊（材料學博士）監(jiān)制：中國科普博覽編輯：王婷婷

文章僅代表作者觀點，不代表中國科普博覽立場

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標簽： 鋼化玻璃 綜合性能 焊接工序