馬氏體不銹鋼廚用刀具沖擊測試方法研究

鐘 梅，張 帆，梁卓寧

（廣東省陽江市質量計量監督檢測所，廣東 陽江 529500）

0 引言

沖擊強度常用來評價材料抵抗沖擊的能力或判斷材料的脆性或韌性程度。菜刀抗沖擊能力（模擬拍打食材）的檢驗方法，在國家標準《廚用刀具》（GB/T 40356—2021）[1]的制定過程中進行了研究。然而所研究的幾種方法均沒有獲得大多數制造企業的共同支持。因未能協商一致，所以在2021 年公布的標準中沒有寫入抗沖擊檢驗的相關條款。本文希望為解決這個問題提供一種檢驗方法。

1 三點彎曲法方案

所謂的抗沖擊能力，實際上是一種強度的體現。而強度檢驗的最簡單方法是三點彎曲實驗[2]，網上也有菜刀三點彎曲實驗相關的視頻。但三點彎曲實驗是否適合于菜刀呢？首先，菜刀的左右兩面不是平行平面，甚至于不是標準的平面，刀柄更是復雜曲面。試驗方案要實現標準化，需實現下方兩點的有效支承。例如，用耐壓材料在玻璃平板上澆筑支承體。而上方壓點也不理想，或者選擇刀口型，或選擇澆筑支承體。這樣的方案很難在多方協商中達成一致。三點彎曲試驗法難以標準化如圖1 所示。

2 懸臂靜壓方案

第二種方法懸臂靜壓法如圖2 所示。將刀柄用方管套住，澆筑填充物，刀柄形狀可實現標準化，這樣刀體呈懸臂支撐[3]。在刀體的指定部位，施加壓力，或懸掛法碼[4]。這種方法優點是比較容易標準化。缺點：①聽不到聲音，因為當刀體有裂紋時，不再會發出清脆的聲音，而這種裂紋在沒有完全斷開時，常被忽略。②不能實現疲勞測試。有問題的刀往往不是一使用就斷開，還會有一個在使用過程中的裂紋漸進擴展的過程。

3 沖擊方案

首先，不管刀的大小輕重，用于拍姜、蒜等食材時抵抗力由食材的強度決定。假如我們無法教育消費者如何分類使用菜刀，那么所有的菜刀都應該設計成能抵抗側向沖擊的力。基于相對運動的原理，將刀具固定夾持，模擬食材沖擊刀具也可接受。參考懸臂梁沖擊試驗方法[5]，嘗試將菜刀懸臂夾持。但本試驗與懸臂梁沖擊試驗方法不同的是，沖擊結果不是斷后吸收功，而是檢驗能否沖斷樣品。如果用擺臂沖擊方式，擺臂在長期的剛性撞擊下易出現疲勞等機械故障。因此我們選擇用模擬食材墜落來模擬實際工況中的沖擊。

3.1 夾持工裝

為了模擬人手的柔性握持效果，基于人體工程學參數，采用40mm×40mm×3mm 的方管，鋸切成80mm 每段。套在刀柄上，在管與刀柄的空隙中填充熱融膠，并保證方管的平面與刀面平行，刀柄的軸線與方管的軸線一致。手柄的標準化柔性握持如圖3 所示。

圖3 手柄的標準化柔性握持

用特制臺虎鉗夾持方案（圖4）。為了防止實驗過程中方管發生松動從而減緩沖擊，臺虎鉗應垂直安放使鉗口上下夾持。為保證支承的穩定性，臺虎鉗自身質量應不低10kg。臺虎鉗應能在基座上自由移動，以便找正沖擊位置。臺虎鉗應能緊固在機座上。考慮到人類使用習慣，左右手持刀的情況都存在，臺虎鉗應具備雙向的夾持功能。

圖4 特制臺虎鉗夾持方案

3.2 落體參數

根據實際測算，較輕的刀具拍打的速度可以達到4m/s。較重的刀具在3m/s 的速度時也能實現拍打效果。因此重刀更容易通過該項測試。為了加快實驗進程我們把模擬物自由落體的高度定為1.0m，這樣速度約為4.43m/s。

3.3 模擬物選擇

通常使用菜刀拍打的食材有魚、肉、生姜、大蒜、黃瓜等，也有拍堅果的。這就出現兩種模擬物：①如肉類的柔性模擬物。②拍堅果時需要剛性模擬物。柔性模擬物可以選擇聚氨酯橡膠球或棍，而剛性模擬物選擇鋼球為好。柔性模擬物因難以獲得彈性模量穩定的標準物質，其彈性模量易隨溫度和使用次數變化，不利于標準化。所以放棄柔性模擬物僅選鋼球一種模擬物是較好的方案。

采用鋼球破壞性較強，能夠加速顯現實驗結果。鋼球規格選取?50mm，質量約510g（材質GCr15，硬度62HRC）。鋼球還有直徑?45mm、370g；?55mm、680g；?60mm、880g；?63.5mm、1000g 的可供選擇，但過重的沖擊不僅不利篩查出問題。反而會令試驗不通過率超過10%。而實際上存在問題的產品批次是非常少的，因此理想的質量應該是通過率接近100%才合理。我們選了5 款比較薄的切片刀進行測試，結果發現?63.5mm、1000g 鋼球50 次沖擊幾乎能破壞全部樣品。這說明其破壞力超過了正常合格產品的承受范圍。而?50mm、510g 鋼球5 款樣品全部都能承受沖擊50 次沖擊而不破壞。因此選擇?50mm、510g 鋼球作為食材模擬物較能反映真實情況。

由于菜刀的款式很多，厚薄各異，是否厚重的刀就應該用更大的球？這有一定道理，但實際上正常的工藝，是不會出現拍斷刀的。而如果工藝出了問題，即便稍厚一些也不會因此逃過沖擊實驗的篩查。因此本文認為沒有必要選擇更多規格的鋼球。

3.4 沖擊次數

從幾個確定無疑的斷刀案例中發現，刀型和斷裂部位都具有高度的一致性。刀型都是采用焊接結構。斷裂部位均在焊接影響區，裂紋走向與焊縫一致。這說明存在設計和工藝的原因，一旦出現問題就會在同批次中批量重復出現。我們認為本實驗方法主要目的是篩查出存在質量問題的批次。根據失效理論的浴盆曲線，會斷的刀大概率會在使用初期發現斷裂，多存在疲勞強度低的情況。因此，沖擊實驗應進行多次。

我們從生產廠家獲得熱處理及存在其他各種工藝問題的樣品進行測試。用?50mm、510g 鋼球能沖斷部分樣品，這也說明鋼球規格和選擇是合理的。而且凡發生斷裂的樣品都沒有超過20 次沖擊。一些較薄的刀雖然不發生斷裂，但會發生永久的彎曲變形。焊接刀柄切片刀經20 次沖擊后的背面照片，此刀出現永久性的變形，如圖5 所示。建議通過性試驗，沖擊次數以20 次為宜。建議沖擊實驗僅做單面（隨機選擇）。

圖5 沖擊試驗中出現永久彎曲變形的樣品

3.5 沖擊落點

根據用刀習慣統計，拍刀的著力點多在刀面的中心附近。因此沖擊落點以刀面的幾何中心為宜。但確定幾何中心是一個數學難題，本文給出一個近似解決方案。取刀面兩對角線的中點連線，將此連接線段的中點作為沖擊落點。沖擊落點確定方案如圖6 所示。

圖6 沖擊落點確定方案

3.6 激光瞄準

本試驗引入兩個相垂直的激光標線裝置，將兩裝置形成的激光切面對準鋼球的下落軌跡，即可在刀面上描出十字準線。只要把畫好沖擊落點的樣品對準十字線，就能準確擊中。激光瞄準如圖7 所示。

圖7 激光瞄準

3.7 判定方法

在確定以上參數以后，我們從超市選購了各種刀柄切片刀30 把（其中焊接刀柄20 把）進行破壞性測試。鋼球的質量為510g，直徑?50mm，高度1000mm，沖擊次數50 次。測試后，沒有一把發生斷裂，有四把彎曲變形。

沖擊試驗的目的是發現安全隱患，有4 把刀是試驗不通過的典型案例（圖8）。如果樣品在20 次沖擊中出這樣的斷裂，方可判定為不合格。若僅發生彎曲變形應被視為合格。需要說明的是，圖8 中左下方木柄是為展示內部結構和斷裂部位人為剖開的，沖擊試驗僅會造成金屬部分斷裂，不會破壞木柄。

圖8 不通過測試的案例

由于菜刀的款式很多，外型各異，有各種花式的刀柄設計。因此在實驗過程中，會出現其他形式的破壞，如刀柄的塑料部分裂紋、鉚釘松脫、刀體與刀柄發生位移、刀箍等到配件松動脫落等。只要沒有出現金屬刀體開裂，其他形式的破壞均不妨礙樣品通過沖擊測試。

4 結語

使用鋼球跌落方法進行不銹鋼廚用刀具抗沖擊檢驗方法，設備投入小，檢驗成本低，操作簡便，易于標準化。作為未來修訂廚用刀具標準的備選方案有一定參考價值。企業也可將此法用于內部品質管控，更好把關菜刀質量。