马氏体不锈钢厨用刀具冲击测试方法研究

钟 梅，张 帆，梁卓宁

（广东省阳江市质量计量监督检测所，广东 阳江 529500）

0 引言

冲击强度常用来评价材料抵抗冲击的能力或判断材料的脆性或韧性程度。菜刀抗冲击能力（模拟拍打食材）的检验方法，在国家标准《厨用刀具》（GB/T 40356—2021）[1]的制定过程中进行了研究。然而所研究的几种方法均没有获得大多数制造企业的共同支持。因未能协商一致，所以在2021 年公布的标准中没有写入抗冲击检验的相关条款。本文希望为解决这个问题提供一种检验方法。

1 三点弯曲法方案

所谓的抗冲击能力，实际上是一种强度的体现。而强度检验的最简单方法是三点弯曲实验[2]，网上也有菜刀三点弯曲实验相关的视频。但三点弯曲实验是否适合于菜刀呢？首先，菜刀的左右两面不是平行平面，甚至于不是标准的平面，刀柄更是复杂曲面。试验方案要实现标准化，需实现下方两点的有效支承。例如，用耐压材料在玻璃平板上浇筑支承体。而上方压点也不理想，或者选择刀口型，或选择浇筑支承体。这样的方案很难在多方协商中达成一致。三点弯曲试验法难以标准化如图1 所示。

2 悬臂静压方案

第二种方法悬臂静压法如图2 所示。将刀柄用方管套住，浇筑填充物，刀柄形状可实现标准化，这样刀体呈悬臂支撑[3]。在刀体的指定部位，施加压力，或悬挂法码[4]。这种方法优点是比较容易标准化。缺点：①听不到声音，因为当刀体有裂纹时，不再会发出清脆的声音，而这种裂纹在没有完全断开时，常被忽略。②不能实现疲劳测试。有问题的刀往往不是一使用就断开，还会有一个在使用过程中的裂纹渐进扩展的过程。

3 冲击方案

首先，不管刀的大小轻重，用于拍姜、蒜等食材时抵抗力由食材的强度决定。假如我们无法教育消费者如何分类使用菜刀，那么所有的菜刀都应该设计成能抵抗侧向冲击的力。基于相对运动的原理，将刀具固定夹持，模拟食材冲击刀具也可接受。参考悬臂梁冲击试验方法[5]，尝试将菜刀悬臂夹持。但本试验与悬臂梁冲击试验方法不同的是，冲击结果不是断后吸收功，而是检验能否冲断样品。如果用摆臂冲击方式，摆臂在长期的刚性撞击下易出现疲劳等机械故障。因此我们选择用模拟食材坠落来模拟实际工况中的冲击。

3.1 夹持工装

为了模拟人手的柔性握持效果，基于人体工程学参数，采用40mm×40mm×3mm 的方管，锯切成80mm 每段。套在刀柄上，在管与刀柄的空隙中填充热融胶，并保证方管的平面与刀面平行，刀柄的轴线与方管的轴线一致。手柄的标准化柔性握持如图3 所示。

图3 手柄的标准化柔性握持

用特制台虎钳夹持方案（图4）。为了防止实验过程中方管发生松动从而减缓冲击，台虎钳应垂直安放使钳口上下夹持。为保证支承的稳定性，台虎钳自身质量应不低10kg。台虎钳应能在基座上自由移动，以便找正冲击位置。台虎钳应能紧固在机座上。考虑到人类使用习惯，左右手持刀的情况都存在，台虎钳应具备双向的夹持功能。

图4 特制台虎钳夹持方案

3.2 落体参数

根据实际测算，较轻的刀具拍打的速度可以达到4m/s。较重的刀具在3m/s 的速度时也能实现拍打效果。因此重刀更容易通过该项测试。为了加快实验进程我们把模拟物自由落体的高度定为1.0m，这样速度约为4.43m/s。

3.3 模拟物选择

通常使用菜刀拍打的食材有鱼、肉、生姜、大蒜、黄瓜等，也有拍坚果的。这就出现两种模拟物：①如肉类的柔性模拟物。②拍坚果时需要刚性模拟物。柔性模拟物可以选择聚氨酯橡胶球或棍，而刚性模拟物选择钢球为好。柔性模拟物因难以获得弹性模量稳定的标准物质，其弹性模量易随温度和使用次数变化，不利于标准化。所以放弃柔性模拟物仅选钢球一种模拟物是较好的方案。

采用钢球破坏性较强，能够加速显现实验结果。钢球规格选取ϕ50mm，质量约510g（材质GCr15，硬度62HRC）。钢球还有直径ϕ45mm、370g；ϕ55mm、680g；ϕ60mm、880g；ϕ63.5mm、1000g 的可供选择，但过重的冲击不仅不利筛查出问题。反而会令试验不通过率超过10%。而实际上存在问题的产品批次是非常少的，因此理想的质量应该是通过率接近100%才合理。我们选了5 款比较薄的切片刀进行测试，结果发现ϕ63.5mm、1000g 钢球50 次冲击几乎能破坏全部样品。这说明其破坏力超过了正常合格产品的承受范围。而ϕ50mm、510g 钢球5 款样品全部都能承受冲击50 次冲击而不破坏。因此选择ϕ50mm、510g 钢球作为食材模拟物较能反映真实情况。

由于菜刀的款式很多，厚薄各异，是否厚重的刀就应该用更大的球？这有一定道理，但实际上正常的工艺，是不会出现拍断刀的。而如果工艺出了问题，即便稍厚一些也不会因此逃过冲击实验的筛查。因此本文认为没有必要选择更多规格的钢球。

3.4 冲击次数

从几个确定无疑的断刀案例中发现，刀型和断裂部位都具有高度的一致性。刀型都是采用焊接结构。断裂部位均在焊接影响区，裂纹走向与焊缝一致。这说明存在设计和工艺的原因，一旦出现问题就会在同批次中批量重复出现。我们认为本实验方法主要目的是筛查出存在质量问题的批次。根据失效理论的浴盆曲线，会断的刀大概率会在使用初期发现断裂，多存在疲劳强度低的情况。因此，冲击实验应进行多次。

我们从生产厂家获得热处理及存在其他各种工艺问题的样品进行测试。用ϕ50mm、510g 钢球能冲断部分样品，这也说明钢球规格和选择是合理的。而且凡发生断裂的样品都没有超过20 次冲击。一些较薄的刀虽然不发生断裂，但会发生永久的弯曲变形。焊接刀柄切片刀经20 次冲击后的背面照片，此刀出现永久性的变形，如图5 所示。建议通过性试验，冲击次数以20 次为宜。建议冲击实验仅做单面（随机选择）。

图5 冲击试验中出现永久弯曲变形的样品

3.5 冲击落点

根据用刀习惯统计，拍刀的着力点多在刀面的中心附近。因此冲击落点以刀面的几何中心为宜。但确定几何中心是一个数学难题，本文给出一个近似解决方案。取刀面两对角线的中点连线，将此连接线段的中点作为冲击落点。冲击落点确定方案如图6 所示。

图6 冲击落点确定方案

3.6 激光瞄准

本试验引入两个相垂直的激光标线装置，将两装置形成的激光切面对准钢球的下落轨迹，即可在刀面上描出十字准线。只要把画好冲击落点的样品对准十字线，就能准确击中。激光瞄准如图7 所示。

图7 激光瞄准

3.7 判定方法

在确定以上参数以后，我们从超市选购了各种刀柄切片刀30 把（其中焊接刀柄20 把）进行破坏性测试。钢球的质量为510g，直径ϕ50mm，高度1000mm，冲击次数50 次。测试后，没有一把发生断裂，有四把弯曲变形。

冲击试验的目的是发现安全隐患，有4 把刀是试验不通过的典型案例（图8）。如果样品在20 次冲击中出这样的断裂，方可判定为不合格。若仅发生弯曲变形应被视为合格。需要说明的是，图8 中左下方木柄是为展示内部结构和断裂部位人为剖开的，冲击试验仅会造成金属部分断裂，不会破坏木柄。

图8 不通过测试的案例

由于菜刀的款式很多，外型各异，有各种花式的刀柄设计。因此在实验过程中，会出现其他形式的破坏，如刀柄的塑料部分裂纹、铆钉松脱、刀体与刀柄发生位移、刀箍等到配件松动脱落等。只要没有出现金属刀体开裂，其他形式的破坏均不妨碍样品通过冲击测试。

4 结语

使用钢球跌落方法进行不锈钢厨用刀具抗冲击检验方法，设备投入小，检验成本低，操作简便，易于标准化。作为未来修订厨用刀具标准的备选方案有一定参考价值。企业也可将此法用于内部品质管控，更好把关菜刀质量。