馬氏體不銹鋼廚用刀具沖擊測(cè)試方法研究

鐘 梅，張 帆，梁卓寧

（廣東省陽(yáng)江市質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)所，廣東 陽(yáng)江 529500）

0 引言

沖擊強(qiáng)度常用來(lái)評(píng)價(jià)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(yàn)方法，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《廚用刀具》（GB/T 40356—2021）[1]的制定過(guò)程中進(jìn)行了研究。然而所研究的幾種方法均沒(méi)有獲得大多數(shù)制造企業(yè)的共同支持。因未能協(xié)商一致，所以在2021 年公布的標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有寫(xiě)入抗沖擊檢驗(yàn)的相關(guān)條款。本文希望為解決這個(gè)問(wèn)題提供一種檢驗(yàn)方法。

1 三點(diǎn)彎曲法方案

所謂的抗沖擊能力，實(shí)際上是一種強(qiáng)度的體現(xiàn)。而強(qiáng)度檢驗(yàn)的最簡(jiǎn)單方法是三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)[2]，網(wǎng)上也有菜刀三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)相關(guān)的視頻。但三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)的平面，刀柄更是復(fù)雜曲面。試驗(yàn)方案要實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，需實(shí)現(xiàn)下方兩點(diǎn)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(diǎn)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(xié)商中達(dá)成一致。三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)法難以標(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)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(yōu)點(diǎn)是比較容易標(biāo)準(zhǔn)化。缺點(diǎn)：①聽(tīng)不到聲音，因?yàn)楫?dāng)?shù)扼w有裂紋時(shí)，不再會(huì)發(fā)出清脆的聲音，而這種裂紋在沒(méi)有完全斷開(kāi)時(shí)，常被忽略。②不能實(shí)現(xiàn)疲勞測(cè)試。有問(wèn)題的刀往往不是一使用就斷開(kāi)，還會(huì)有一個(gè)在使用過(guò)程中的裂紋漸進(jìn)擴(kuò)展的過(guò)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(shí)抵抗力由食材的強(qiáng)度決定。假如我們無(wú)法教育消費(fèi)者如何分類(lèi)使用菜刀，那么所有的菜刀都應(yīng)該設(shè)計(jì)成能抵抗側(cè)向沖擊的力。基于相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(yàn)方法[5]，嘗試將菜刀懸臂夾持。但本試驗(yàn)與懸臂梁沖擊試驗(yàn)方法不同的是，沖擊結(jié)果不是斷后吸收功，而是檢驗(yàn)?zāi)芊駴_斷樣品。如果用擺臂沖擊方式，擺臂在長(zhǎng)期的剛性撞擊下易出現(xiàn)疲勞等機(jī)械故障。因此我們選擇用模擬食材墜落來(lái)模擬實(shí)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(xué)參數(shù)，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(biāo)準(zhǔn)化柔性握持如圖3 所示。

圖3 手柄的標(biāo)準(zhǔn)化柔性握持

用特制臺(tái)虎鉗夾持方案（圖4）。為了防止實(shí)驗(yàn)過(guò)程中方管發(fā)生松動(dòng)從而減緩沖擊，臺(tái)虎鉗應(yīng)垂直安放使鉗口上下夾持。為保證支承的穩(wěn)定性，臺(tái)虎鉗自身質(zhì)量應(yīng)不低10kg。臺(tái)虎鉗應(yīng)能在基座上自由移動(dòng)，以便找正沖擊位置。臺(tái)虎鉗應(yīng)能緊固在機(jī)座上。考慮到人類(lèi)使用習(xí)慣，左右手持刀的情況都存在，臺(tái)虎鉗應(yīng)具備雙向的夾持功能。

圖4 特制臺(tái)虎鉗夾持方案

3.2 落體參數(shù)

根據(jù)實(shí)際測(cè)算，較輕的刀具拍打的速度可以達(dá)到4m/s。較重的刀具在3m/s 的速度時(shí)也能實(shí)現(xiàn)拍打效果。因此重刀更容易通過(guò)該項(xiàng)測(cè)試。為了加快實(shí)驗(yàn)進(jìn)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(yú)、肉、生姜、大蒜、黃瓜等，也有拍堅(jiān)果的。這就出現(xiàn)兩種模擬物：①如肉類(lèi)的柔性模擬物。②拍堅(jiān)果時(shí)需要?jiǎng)傂阅M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?yàn)楹谩Ｈ嵝阅M物因難以獲得彈性模量穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，其彈性模量易隨溫度和使用次數(shù)變化，不利于標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)，能夠加速顯現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。鋼球規(guī)格選取?50mm，質(zhì)量約510g（材質(zhì)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(guò)重的沖擊不僅不利篩查出問(wèn)題。反而會(huì)令試驗(yàn)不通過(guò)率超過(guò)10%。而實(shí)際上存在問(wèn)題的產(chǎn)品批次是非常少的，因此理想的質(zhì)量應(yīng)該是通過(guò)率接近100%才合理。我們選了5 款比較薄的切片刀進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)?63.5mm、1000g 鋼球50 次沖擊幾乎能破壞全部樣品。這說(shuō)明其破壞力超過(guò)了正常合格產(chǎn)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(shí)情況。

由于菜刀的款式很多，厚薄各異，是否厚重的刀就應(yīng)該用更大的球？這有一定道理，但實(shí)際上正常的工藝，是不會(huì)出現(xiàn)拍斷刀的。而如果工藝出了問(wèn)題，即便稍厚一些也不會(huì)因此逃過(guò)沖擊實(shí)驗(yàn)的篩查。因此本文認(rèn)為沒(méi)有必要選擇更多規(guī)格的鋼球。

3.4 沖擊次數(shù)

從幾個(gè)確定無(wú)疑的斷刀案例中發(fā)現(xiàn)，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(jié)構(gòu)。斷裂部位均在焊接影響區(qū)，裂紋走向與焊縫一致。這說(shuō)明存在設(shè)計(jì)和工藝的原因，一旦出現(xiàn)問(wèn)題就會(huì)在同批次中批量重復(fù)出現(xiàn)。我們認(rèn)為本實(shí)驗(yàn)方法主要目的是篩查出存在質(zhì)量問(wèn)題的批次。根據(jù)失效理論的浴盆曲線，會(huì)斷的刀大概率會(huì)在使用初期發(fā)現(xiàn)斷裂，多存在疲勞強(qiáng)度低的情況。因此，沖擊實(shí)驗(yàn)應(yīng)進(jìn)行多次。

我們從生產(chǎn)廠家獲得熱處理及存在其他各種工藝問(wèn)題的樣品進(jìn)行測(cè)試。用?50mm、510g 鋼球能沖斷部分樣品，這也說(shuō)明鋼球規(guī)格和選擇是合理的。而且凡發(fā)生斷裂的樣品都沒(méi)有超過(guò)20 次沖擊。一些較薄的刀雖然不發(fā)生斷裂，但會(huì)發(fā)生永久的彎曲變形。焊接刀柄切片刀經(jīng)20 次沖擊后的背面照片，此刀出現(xiàn)永久性的變形，如圖5 所示。建議通過(guò)性試驗(yàn)，沖擊次數(shù)以20 次為宜。建議沖擊實(shí)驗(yàn)僅做單面（隨機(jī)選擇）。

圖5 沖擊試驗(yàn)中出現(xiàn)永久彎曲變形的樣品

3.5 沖擊落點(diǎn)

根據(jù)用刀習(xí)慣統(tǒng)計(jì)，拍刀的著力點(diǎn)多在刀面的中心附近。因此沖擊落點(diǎn)以刀面的幾何中心為宜。但確定幾何中心是一個(gè)數(shù)學(xué)難題，本文給出一個(gè)近似解決方案。取刀面兩對(duì)角線的中點(diǎn)連線，將此連接線段的中點(diǎn)作為沖擊落點(diǎn)。沖擊落點(diǎn)確定方案如圖6 所示。

圖6 沖擊落點(diǎn)確定方案

3.6 激光瞄準(zhǔn)

本試驗(yàn)引入兩個(gè)相垂直的激光標(biāo)線裝置，將兩裝置形成的激光切面對(duì)準(zhǔn)鋼球的下落軌跡，即可在刀面上描出十字準(zhǔn)線。只要把畫(huà)好沖擊落點(diǎn)的樣品對(duì)準(zhǔn)十字線，就能準(zhǔn)確擊中。激光瞄準(zhǔn)如圖7 所示。

圖7 激光瞄準(zhǔn)

3.7 判定方法

在確定以上參數(shù)以后，我們從超市選購(gòu)了各種刀柄切片刀30 把（其中焊接刀柄20 把）進(jìn)行破壞性測(cè)試。鋼球的質(zhì)量為510g，直徑?50mm，高度1000mm，沖擊次數(shù)50 次。測(cè)試后，沒(méi)有一把發(fā)生斷裂，有四把彎曲變形。

沖擊試驗(yàn)的目的是發(fā)現(xiàn)安全隱患，有4 把刀是試驗(yàn)不通過(guò)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(fā)生彎曲變形應(yīng)被視為合格。需要說(shuō)明的是，圖8 中左下方木柄是為展示內(nèi)部結(jié)構(gòu)和斷裂部位人為剖開(kāi)的，沖擊試驗(yàn)僅會(huì)造成金屬部分?jǐn)嗔眩粫?huì)破壞木柄。

圖8 不通過(guò)測(cè)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(shè)計(jì)。因此在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)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(fā)生位移、刀箍等到配件松動(dòng)脫落等。只要沒(méi)有出現(xiàn)金屬刀體開(kāi)裂，其他形式的破壞均不妨礙樣品通過(guò)沖擊測(cè)試。

4 結(jié)語(yǔ)

使用鋼球跌落方法進(jìn)行不銹鋼廚用刀具抗沖擊檢驗(yàn)方法，設(shè)備投入小，檢驗(yàn)成本低，操作簡(jiǎn)便，易于標(biāo)準(zhǔn)化。作為未來(lái)修訂廚用刀具標(biāo)準(zhǔn)的備選方案有一定參考價(jià)值。企業(yè)也可將此法用于內(nèi)部品質(zhì)管控，更好把關(guān)菜刀質(zhì)量。