你究竟需要一把怎样的菜刀
天冷了，你打算给全家熬一锅鸡汤。手起刀落，鸡头落地，可你的刀，竟然崩了。
这是怎么一回事？你的菜刀真的弱到连一只鸡都搞不定吗？市面上菜刀百百种，如何选出一把好用的刀？
对菜刀来说，硬度是最重要的属性。
硬的东西能在软的东西上留下划痕，用这种最朴素的对比我们得到了「莫氏硬度」，钢铁的硬度大概在 5 级磷灰石和 6 级正长石之间。
但这样的比较实在粗暴。
硬度的本质是受力后变形的难易程度，那么，测量变形的大小就能衡量出金属材料的硬度，这样的测试叫做压入硬度，常用的指标有布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。
根据下面这份国标，我们以洛氏硬度为例。
首先，制造变形。
将一个表面抛光的金刚石圆锥或小球以一个较小的力 F0 压入样本表面，此时我们得到压入深度 h0。接着在 8 秒内试验力增大，此时我们又得到一个压入深度 h1。最后试验力还原到 F0，样本表面回弹至 h2。
将 h2 减去 h0，我们就能得到在试验力 F0 下压痕残留的深度，从而通过下面这道公式求得洛氏硬度 HRC。
菜刀常用钢材的硬度范围大约是 40 HRC~60 HRC，较高的硬度意味着可以长期保持锋利的刀尖，不必频繁磨刀。
但你打算买刀时却发现，很少有商家会直接标注硬度数值，那该如何知道它究竟硬不硬呢？
你在购买页面里看到的 30Cr13、70Cr17 是钢材的牌号，简洁地表明了钢材的成分，前面的数字表示碳含量，后面的数字表示铬含量，铬元素的加入提供一定的防锈能力。
70Cr17 则说明这是一种以 0.7% 左右的碳元素和 17% 左右的铬元素为主要合金元素的合金钢材，最大硬度约为 54 HRC。
那么，碳含量是如何决定它的硬度呢？为了回答这个问题，我们需要了解金相。
微观世界里，钢铁中铁原子的排列随温度变化而改变。低于 912 ℃ 时，铁原子会排列成体心立方，称为 α-Fe；而在 912~1394 ℃ 时，铁原子排列成面心立方，称为 γ-Fe。
这两种晶体的铁原子间都有一些间隙，可以容纳碳原子。前者最多只能溶解 0.0218% 的碳，后者最多可以溶解 2.11% 的碳。
把 γ-Fe 降温到 α-Fe，同时把超过 0.0218% 的碳释放出来。这时候，根据不同的降温速度，金相显微镜下呈现出不同的结果：
随着炉子一起完全缓慢降温，碳完全以碳化铁的形式在外围析出，得到的主要是碳化铁和 α-Fe 相间排列的珠光体。
而迅速扔进水或者油里，以每秒 500 ℃ 的速度快速降温，碳来不及在外围析出，只能留在本来容纳不下它的 α-Fe 中，形成马氏体。
这些挤在 α-Fe 中的碳，会在内部形成很大的压力。挤进的碳越多，内部压力越大，对外就表现出越高的硬度。
之后需要再次加热保温来缓解快速冷却造成的变形和脆性，硬度会稍有降低。经过清洁、开刃，就可以长期使用了。这就是淬火和回火，钢铁菜刀都是这样的马氏体钢菜刀，碳含量越高，硬度越高。
然而实际使用中，高硬度的菜刀并不适合切坚硬的食材，用来切骨头的菜刀的硬度通常小于 50 HRC。
这是因为大力劈砍时，硬度越高的菜刀就越容易直接损坏刀刃，冲击韧性试验可以具体衡量这种脆性。
让一块摆锤从高处落下，把实验样本一次砸断，从 h1 下落的摆锤会继续滑行上升到 h2。gH1-gH2，就是这块样本在变形、断裂过程中吸收的能量；能量越少，冲击韧性越低，钢材越脆。
根据测试结果，硬度大于 56 HRC 的 90Cr18 钢材的冲击韧性只有 40 HRC 的 30Cr13 钢材的十分之一。
所以如果你经常需要处理骨头，最好考虑另外再买一把砍骨刀。砍骨刀会选用硬度低一些的钢材，有较高的冲击韧性，刃口更厚，不容易损坏，但需要经常磨刀。而高硬度的切片刀方便把蔬菜和无骨的肉快速切片。
不过，硬度和冲击韧性并非不能完全兼容。
一种方法是把冲击韧性高、硬度低的钢材包在冲击韧性低、硬度高的钢材两侧，让整把刀不易折断，但需要避免造成大缺口，否则无法通过磨刀重新建立刃口。
另一种是选用综合性能更好的合金材料。在 50Cr15 中再加入 0.5% 的钼和 0.1% 的钒，让马氏体的转变更完全、结构更细密，以及提升回火的减脆效果，最终让硬度、冲击韧性和耐磨性同步提升。
而当你真正领悟了做刀的精髓，不管是糖果纸片，还是沙子鸡蛋，都能做出一把像模像样的菜刀。
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封面图素材来源：
Lukas. Pexels
参考资料：
[1] IronAlfa&IronGamma. (2011). WikiMedia Commons.
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:IronAlfa%26IronGamma.svg
[2] Heat Treatment Microstructure Pictures, Department of Material Science and Engineering, U. Washington. (2009)
http://courses.washington.edu/mse170/labs/Heat_Treatment_Rolandi/HeatTreatment_micrographs.shtml
[3] Microstructural Path Analysis of Martensite Dimensions in FeNiC and FeC Alloys, José et.al. (2015)
SciELO Analytics
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