摘 要

本实验研究的是大马士革钢厨刀生产过程中出现的失效问题。在大马士革钢厨刀生产的过程中，出现的问题主要有表面出现腐蚀坑和磨制后没有水波纹以及磨制后出现两面花纹不对称，出现偏心。实验主要采用金相组织观察以及测试硬度的方法来研究厨刀失效的原因。实验结果表明出现腐蚀坑的原因是大马士革钢夹层材料的耐蚀性不够和夹层结合力度不够，应该换用其它材料以解决问题。磨制后表面没有水波纹是因为大马士革钢夹层材料过厚，解决方法是改进压花、磨削工艺，增大抛磨磨削量，以获得更多纹路。 而出现磨制后偏心与材料本身无关，应该是磨制工艺的问题，解决方案是改善磨制工艺，少量偏心可用手动修磨挽救。

关键字：大马士革钢；失效分析；金相组织观察

Abstract

The experiment is to study the failures of Damascus steel kitchen knife appearing in the production process. The failures mainly include corrosion pit on the surface and no pattern on the surface after grinding and asymmetrical patterns on two sides after grinding. The hardness test and optical metallography will be used in the experiment. The experimental results show that the reason of corrosion pit on surface is that the corrosion resistance of Damascus steel interlayer material is not enough and other materials should be used to solve the problem . There is no pattern on the surface after grinding because the material of Damascus steel interlayer is too thick. The solution is to improve the embossing grinding process and increase the amount of polishing to obtain more pattern. The eccentricity after grinding has nothing to do with the material itself. It should be a problem of the grinding process. The solution is to improve the grinding process, a small amount of eccentricity can be saved by manual grinding.

Key Words: Damascus steel；failure analysis；optical metallography

目 录

第1章 绪论 1

1.1 厨刀简介 1

1.2 大马士革钢 1

1.2.1 大马士革钢简介 1

1.2.2 大马士革钢的生产工艺 2

1.2.3 VG-10 3

1.2.4 大马士革钢的优点 4

1.3 失效分析 5

1.3.1 失效分析的定义 5

1.3.2 失效分析的分类 5

1.3.3 失效分析的作用 5

1.3.4 失效分析的方法 6

1.4 本课题的研究目的及研究内容 6

1.4.1 研究目的及意义 6

1.4.2 研究方案 6

第2章 AUS-10与VG-10的比较 8

2.1 实验目的 8

2.2 实验过程 8

2.2.1 样品制备 8

2.2.2金相组织观察 9

2.2.3 硬度测试 9

2.3 结果分析与讨论 10

2.4 结论 12

第3章 表面出现腐蚀坑 13

3.1 实验目的 13

3.2 实验过程 13

3.2.1样品制备 13

3.3.2 金相组织观察 13

3.3 结果分析与讨论 13

3.4 结论 15

第4章 厨刀表面无水波纹 16

4.1 实验目的 16

4.2 实验过程 16

4.2.1 样品制备 16

4.2.2 金相组织观察 16

4.3 结果分析与讨论 17

4.4 结论 18

第5章 磨制偏心 19

5.1 实验目的 19

5.2 实验过程 19

5.2.1 样品制备 19

5.2.2 金相组织观察 19

5.2.3硬度测试 20

5.3 结果分析与讨论 20

5.4 结论 24

第6章 结论 25

参考文献 26

致谢 28

第1章 绪论

1.1 厨刀简介

厨刀是人们生活中处理食材不可缺少的工具,由于需求量很大，所以其中的利润很可观。普通厨刀的价格一般在几十块到一百多块不等，虽然需求量大，但是由于其价格低廉，所以其利润有限。而在高端厨刀中的大马士革钢厨刀，是厨刀中的精品，与普通厨刀相比，有着更高的强度、耐腐蚀性，使用寿命更长，而且其表面有大量的水波纹,比普通厨刀更加美观。所以大马士革钢厨刀的价格较普通厨刀价格要高上许多，由几百到上千不等，其中的高端品牌日本贝印公司的旬刀更是可以买到好几千元一把，可见大马士革钢厨刀的市场利润是非常巨大的。

在巨大利益的诱惑下，我国也有许多刀具生产企业开始生产大马士革钢厨刀。开始时，厂家生产的大马士革钢厨刀所用钢芯材料为日本武生特殊钢材株式会社生产的VG-10钢,该种钢材在韧性、耐腐蚀性和可加工性方面的性能非常优秀，是日本刀具的常用材料。为了提高在大马士革钢厨刀市场的竞争力，国产大马士革钢厨刀在价格上要比国外企业生产的要低廉，这影响到了国外企业大马士革钢厨刀的销售。日本贝印公司因此向武生特殊钢材株式会社投诉了中国厂商，使得武生钢厂不再向中国厂家供应VG-10钢。为了继续生产大马士革钢厨刀，国内厂家决定试用爱知钢厂生产的AUS-10钢代替VG-10钢作为钢芯材料或者使用国产大马士革钢生产大马士革钢厨刀。本实验研究的就是能否使用AUS-10钢代替VG-10钢作为钢芯材料或者使用国产大马士革钢来生产大马士革钢厨刀，以及生产出来的厨刀的失效分析。

1.2 大马士革钢

1.2.1 大马士革钢简介

大马士革钢是一种富有传奇色彩的钢材，在中世纪的时候，十字军用这种钢材制作的刀剑，在战场上所向披靡。这种刀剑表面有特殊的花纹，而且较之普通的刀剑具有更高的韧性和耐腐蚀性能，在战争中经过多次拼杀却能不卷刃或断裂，这在当时来说是非常不可思议的。由于大马士革钢的刀剑在战争中巨大威力，当时的制造者对于其制造工艺都守口如瓶，以致后来这些工艺都失传了。到了本世纪70年代，才有冶金学家通过现代金属理论揭开了大马士革钢的秘密。现代大马士革钢是一种复合钢材,一般是采用互补的钢材一起锻造而成，这样由软硬钢材一起锻造而成的大马士革钢不仅有较强的硬度，同时还具备良好的韧性，做到了普通钢材不能兼顾的性能。

1.2.2 大马士革钢的生产工艺

大马士革钢是一种复合钢材，由夹层材料和钢芯两部分组成。其生产过程是将夹层材料和钢芯材料进行磨削，使得表面平整，再通过点焊将两部分焊接在一起。之后通过热轧，让夹层材料和钢芯材料通过扩散融合成一个整体，再进行退火处理。再进行酸洗和喷丸处理后，进行冷轧、退火，之后酸洗和喷丸。其具体过程如下图所示：

图1.1 大马士革钢生产工艺

制造工艺中，磨削可以让钢板表面平整，使得夹层材料和钢芯可以更好的结合在一起，而点焊可以让两者固定在一起，热轧可以使两者产生扩散，退火处理可以释放钢材内的应力，增加其延展性和韧性。酸洗可以去掉钢材表面的氧化皮和锈蚀物，起到洁净的作用。而喷丸处理可以使钢材表层发生塑性变形，形成一定厚度的强化层，强化层内存在较强的残余应力，当钢材承受载荷时，可以抵消一部分的应力，从而提高了钢材的疲劳强度，是提高其使用寿命的有效方法。

1.2.3 VG-10

VG-10钢诞生于日本越前地区，是世界闻名的优质钢材，可以用做大马士革钢的钢芯。VG-10是一种采用高纯度原料，在其中加入C（碳）、Cr(铬)、Mo（钼）、V（钒）、Co（钴）等元素制造而成的高碳不锈钢。VG-10的韧性与耐蚀性能都十分优秀，可加工性能好, 常常应用于日制的优质刀具上面。VG-10的合金元素含量如下表所示：

表1.1 VG-10合金元素成分表

在原料中加入不同的元素，可以给钢材提升不同的性能。加入碳元素可以增加钢材的强度，但是含碳量一旦超过1.5%，钢材就会变脆。加入铬元素可以提高钢材的淬透性，还能固溶强化基体，细化组织，提高钢材的抗氧化能力增强钢材的抗腐蚀性能，当铬含量达到13%以上的时候，钢材的耐腐蚀性就能会显著增加。而且铬可以与铁形成连续固溶体，与碳反应生成多种碳化物，提高了钢材的耐磨性能。钼元素在钢中主要以碳化物的形式存在，弥散分布在基体中，可以强化基体，提高钢材的硬度。钼元素还可以起到细化晶粒，提高淬透性和热强性能，消除钢材的热脆性的作用，使得钢材能在高温下保持足够的强度和抗蠕变性能。钒元素是钢材中强碳化合物的形成元素，可以在晶内和晶界上形成细小、均匀、高弥散化分布的碳化物，这会降低原子的扩散速度，阻碍碳化物的形成与生长，从而提高钢材的强度与抗蠕变性能。钒与碳形成的碳化物还可以提高钢材在高温高压下的抗氢腐蚀能力。钴是一种稀有的贵重金属，钴元素的加入可以提高钢材的韧性与耐磨性能。

VG-10之所以在各方面的性能都如此优异，除了与它的成分有关之外，也与其热处理工艺有关。VG-10的热处理工艺如下表所示：

表1.2 VG-10热处理工艺表

VG-10具有良好的延展性，可加工性，可成型性能，抗腐蚀性以及耐磨性能，是一种非常适用于大马士革钢钢芯的钢铁材料。

1.2.4 大马士革钢的优点

大马士革钢是一种由不同种类金属材料粘合在一起，达到完全扩散或者部分扩散的复合金属材料。与普通钢材相比，大马士革钢在各方面的性能都更加优异。

（1）韧性

由于其结构是软钢包覆着坚硬的钢芯，所以使得大马士革钢既有足够的硬度同时又兼顾了韧性，使其既不容易被压弯，也难以折断。

（2）易于加工

由于大马士革钢的包芯结构，使得其易于进行磨削、锻造、抛光等工作。又因为其表面是软钢，虽然钢铁在热处理后会变得坚硬，但是软钢不会失去其柔软的特性，这使得钻孔和焊接都变得容易。

（3）耐腐蚀性

适当的夹层材料和钢芯材料组合可以产生电位差，从而增强大马士革钢的耐腐蚀性。

（4）水波纹

由于大马士革钢的夹层结构，在经过压花和磨削后，其表面会出现水波纹。在使用该种钢材制作厨刀时，水波纹具有很强的装饰性，同时由于厨刀表面存在水波纹，在切割食材的时候，食材与厨刀的表面之间存在着空隙，这样可以使食材可以顺利地从厨刀表面掉落而不会粘在其表面。

（5）节约成本

由于大马士革钢是夹层结构，只用在钢芯部分适用高成本的优异钢材，所以其成本就下降了许多，是典型的好钢用在刀刃上的例子。

1.3 失效分析

1.3.1 失效分析的定义

构件失去了其应有的功能称之为失效，而根据失效形式和现象，通过分析、验证和模拟构件失效时工作的情况，对构件在使用过程中发生各种形式的失效现象的特征及规律进行研究分析，找出构件失效的原因以及防止构件失效的措施的过程就叫做失效分析。

1.3.2 失效分析的分类

失效分析按照分析方法来分类可分为有损分析，无损分析，物理分析，化学分析等。而按照分析的目的来划分，失效分析则可以分为下列这几种：

（1）狭义上的失效分析：只分析产品失效的主要原因；

（2）广义上的失效分析：不仅要找出产品的失效原因，还要提出解决失效问题的措施

（3）新品研制阶段的失效分析：对失效的研制产品进行失效分析

（4）产品试用阶段的失效分析：对失效的试用品进行失效分析。

（5）定型产品使用阶段的失效分析：对失效的定型产品进行失效分析。

（6）修理品使用阶段的失效分析：对失效的修理品进行失效分析

1.3.3 失效分析的作用

（1）在生产线上，失效分析可以找出产品失效的原因，解决生产过程产品失效的问题，减少企业的经济损失。

（2）在设施建造方面，失效分析可以模拟设施的工作环境，综合各种环境因素，分析设施的建造是否安全，估算使用寿命，可以避免由于建筑设施的失效造成的生命财产损失。

（3）在事故发生后，可以通过失效分析寻找事故发生的原因，为事故责任认定、保险业务、裁定事故赔偿责任以及刑事案件侦破等提供有力的科学依据。

1.3.4 失效分析的方法

（1）对失效构件进行结构分析，分析其载荷大小与方向；

（2）用肉眼观察失效构件，尝试能否判断出失效类型；

（3） 使用显微镜对失效构件的微观形貌进行观察，进一步分析其失效类型；

（4）使用光谱仪、能谱仪等仪器对失效构件进行成分分析；

（5）使用拉伸试验机、弯曲试验机、冲击试验机对构件的力学性能进行测试；

（6）如有必要，可以模拟构件工作环境，进行模拟试验。

1.4 本课题的研究目的及研究内容

1.4.1 研究目的及意义

本课题研究的是能否使用AUS-10钢代替VG-10钢作为钢芯材料制作大马士革厨刀，以及在大马士革厨刀生产过程中出现的几个失效问题。目的是找出失效原因所在以及提出解决失效问题的可行方法。研究意义在于可以解决我国大马士革钢厨刀原材料的来源问题，加深对大马士革钢的了解，也有助于国产大马士革钢的研究与生产。

1.4.2 研究方案

（1）样品制备

分别从厂家提供的VG-10大马士革厨刀、AUS-10大马士革厨刀、出现腐蚀坑的AUS-10大马士革厨刀、出现无水波纹的AUS-10大马士革厨刀、出现磨制偏心的国产大马士革厨刀上进行切割取样，之后对切割下来大小合适的样品进行镶嵌，用砂纸将试样表面磨到光滑平整且没有划痕，再用抛光机进行抛光，之后将磨面放入腐蚀液中腐蚀合适的时间，取出后用吹分机吹干即可。

（2）金相组织观察

用光学显微镜对制好的样品进行金相组织观察，并将金相组织图像拍下保存，必要时还要测量相关数据。

（3）硬度测试

对用VG-10大马士革厨刀、AUS-10大马士革厨刀以及出现偏心的国产大马士革厨刀所制的试样进行硬度测试，并记录数据。

第2章 AUS-10与VG-10的比较

2.1 实验目的

由于国内厂商没有了VG-10钢的供货，厂商决定试用AUS-10钢代替VG-10钢作为钢芯材料制作大马士革厨刀，为了验证这个方案的可行性，对AUS-10钢和VG-10钢的金相组织与硬度进行对比试验。

2.2 实验过程

实验材料：厂商提供的AUS-10大马士革厨刀、VG-10大马士革钢厨刀 金相砂纸一套 粗砂纸一张 FeCl₃腐蚀剂

实验设备：igiege-1型金相切割机一台 XQ-1型金相试样镶嵌机一台 PG-2D型抛光机一台 吹风机一台 金相显微镜一台 上海伦捷HV-1000显微硬度计一台

2.2.1 样品制备

（1）切割：使用切割机将AUS-10大马士革厨刀和VG-10大马士革厨刀切割出一块大小合适的试样。

（2）镶嵌：以试样的纵向截面为研究对象，使用金相试样镶嵌机对试样进行镶嵌。

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