天冷了，你打算給全家熬一鍋雞湯。手起刀落，雞頭落地，可你的刀，竟然崩了。
這是怎麼一回事？你的菜刀真的弱到連一隻雞都搞不定嗎？市面上菜刀百百種，如何選出一把好用的刀？
對菜刀來說，硬度是最重要的屬性。
硬的東西能在軟的東西上留下劃痕，用這種最樸素的對比我們得到了「莫氏硬度」，鋼鐵的硬度大概在 5 級磷灰石和 6 級正長石之間。
但這樣的比較實在粗暴。
硬度的本質是受力後變形的難易程度，那麼，測量變形的大小就能衡量出金屬材料的硬度，這樣的測試叫做壓入硬度，常用的指標有布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等。
根據下面這份國標，我們以洛氏硬度為例。
首先，製造變形。
將一個表面拋光的金剛石圓錐或小球以一個較小的力 F0 壓入樣本表面，此時我們得到壓入深度 h0。接著在 8 秒內試驗力增大，此時我們又得到一個壓入深度 h1。最後試驗力還原到 F0，樣本表面回彈至 h2。
將 h2 減去 h0，我們就能得到在試驗力 F0 下壓痕殘留的深度，從而通過下面這道公式求得洛氏硬度 HRC。
菜刀常用鋼材的硬度範圍大約是 40 HRC~60 HRC，較高的硬度意味著可以長期保持鋒利的刀尖，不必頻繁磨刀。
但你打算買刀時卻發現，很少有商家會直接標註硬度數值，那該如何知道它究竟硬不硬呢？
你在購買頁面裡看到的 30Cr13、70Cr17 是鋼材的牌號，簡潔地表明了鋼材的成分，前面的數字表示碳含量，後面的數字表示鉻含量，鉻元素的加入提供一定的防鏽能力。
70Cr17 則說明這是一種以 0.7% 左右的碳元素和 17% 左右的鉻元素為主要合金元素的合金鋼材，最大硬度約為 54 HRC。
那麼，碳含量是如何決定它的硬度呢？為了回答這個問題，我們需要了解金相。
微觀世界裡，鋼鐵中鐵原子的排列隨溫度變化而改變。低於 912 ℃ 時，鐵原子會排列成體心立方，稱為 α-Fe；而在 912~1394 ℃ 時，鐵原子排列成面心立方，稱為 γ-Fe。
這兩種晶體的鐵原子間都有一些間隙，可以容納碳原子。前者最多只能溶解 0.0218% 的碳，後者最多可以溶解 2.11% 的碳。
把 γ-Fe 降溫到 α-Fe，同時把超過 0.0218% 的碳釋放出來。這時候，根據不同的降溫速度，金相顯微鏡下呈現出不同的結果：
隨著爐子一起完全緩慢降溫，碳完全以碳化鐵的形式在外圍析出，得到的主要是碳化鐵和 α-Fe 相間排列的珠光體。
而迅速扔進水或者油裡，以每秒 500 ℃ 的速度快速降溫，碳來不及在外圍析出，只能留在本來容納不下它的 α-Fe 中，形成馬氏體。
這些擠在 α-Fe 中的碳，會在內部形成很大的壓力。擠進的碳越多，內部壓力越大，對外就表現出越高的硬度。
之後需要再次加熱保溫來緩解快速冷卻造成的變形和脆性，硬度會稍有降低。經過清潔、開刃，就可以長期使用了。這就是淬火和回火，鋼鐵菜刀都是這樣的馬氏體鋼菜刀，碳含量越高，硬度越高。
然而實際使用中，高硬度的菜刀並不適合切堅硬的食材，用來切骨頭的菜刀的硬度通常小於 50 HRC。
這是因為大力劈砍時，硬度越高的菜刀就越容易直接損壞刀刃，衝擊韌性試驗可以具體衡量這種脆性。
讓一塊擺錘從高處落下，把實驗樣本一次砸斷，從 h1 下落的擺錘會繼續滑行上升到 h2。gH1-gH2，就是這塊樣本在變形、斷裂過程中吸收的能量；能量越少，衝擊韌性越低，鋼材越脆。
根據測試結果，硬度大於 56 HRC 的 90Cr18 鋼材的衝擊韌性只有 40 HRC 的 30Cr13 鋼材的十分之一。
所以如果你經常需要處理骨頭，最好考慮另外再買一把砍骨刀。砍骨刀會選用硬度低一些的鋼材，有較高的衝擊韌性，刃口更厚，不容易損壞，但需要經常磨刀。而高硬度的切片刀方便把蔬菜和無骨的肉快速切片。
不過，硬度和衝擊韌性並非不能完全兼容。
一種方法是把衝擊韌性高、硬度低的鋼材包在衝擊韌性低、硬度高的鋼材兩側，讓整把刀不易折斷，但需要避免造成大缺口，否則無法通過磨刀重新建立刃口。
另一種是選用綜合性能更好的合金材料。在 50Cr15 中再加入 0.5% 的鉬和 0.1% 的釩，讓馬氏體的轉變更完全、結構更細密，以及提升回火的減脆效果，最終讓硬度、衝擊韌性和耐磨性同步提升。
而當你真正領悟了做刀的精髓，不管是糖果紙片，還是沙子雞蛋，都能做出一把像模像樣的菜刀。
-
封面圖素材來源：
Lukas. Pexels
參考資料：
[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
-
在公眾號對話框回復「菜刀」，可獲取文章用到的兩份國標。
-
來給回形針投稿吧
各位讀者朋友，大家好！
如果你想要參與回形針的內容創作，且熟悉我們的選題風格、調性，善於用清晰、流暢的語言，解釋硬核、有趣的專業技術或行業知識，那麼歡迎給我們投稿原創且未發表過的作品！
目前我們接受的投稿類型主要是【圖文】，具體的形式、篇幅等可以參考我們在微信公眾號曾經發布過的圖文內容（如本期、菜市場等期推送）。
在投稿時，希望你能為自己的稿件配上適當的圖片（包括動圖）、視頻素材，並註明素材來源和參考文獻，幫助我們和觀眾更好地理解內容。
投稿一經採用，我們會署上作者的名字，在微信公眾號以圖文形式發布，並將為作者奉上稿酬。
你可以將圖文稿件直接發送至 paperclip@foxmail.com ，留下聯繫方式，並在郵件標題中註明【投稿】字樣，每一篇來稿我們都會看到。
感謝大家對回形針的喜愛和支持！