玻璃刀為什么可以割玻璃？

在我們?nèi)粘Ｉ钪校ＡС３＝o人一種堅(jiān)硬又脆弱的雙重印象。它既可以制成厚重的窗戶玻璃，也能被不小心的一摔砸成碎片。然而神奇的是，一把小小的玻璃刀卻能在這塊堅(jiān)硬的材料上劃出一道精確的裂痕，使整塊玻璃順著這道線“整齊”斷開。那么，玻璃刀究竟是怎么做到的呢？

（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）

切割玻璃，其實(shí)不是“切”

我們通常對“刀”的理解，往往是用來切削物體，比如廚房里用刀切菜、木工用鋸切木頭。但玻璃刀的工作方式卻大不相同。玻璃并不像金屬或木材那樣能被逐漸削掉一部分，因?yàn)樗且环N典型的非晶態(tài)材料，即其內(nèi)部原子排列無序，類似液體快速冷卻時(shí)凍結(jié)下來的狀態(tài)。這樣的結(jié)構(gòu)讓玻璃缺乏韌性和延展性，在受到外力時(shí)很容易形成裂紋。

幾種物體中原子分布示意圖（圖片來源：[1]）

玻璃刀的真正作用，是在玻璃表面制造一條極細(xì)小的裂紋。這個(gè)裂紋雖然肉眼可能不容易看清，但它是整個(gè)玻璃斷裂的起點(diǎn)。玻璃對裂紋的容忍度非常低，一旦表面有了結(jié)構(gòu)缺陷，裂紋就會(huì)沿著這個(gè)路徑迅速擴(kuò)展，最終使玻璃在外力作用下沿著劃線整齊斷裂。可以說，玻璃刀不是在割玻璃，而是在誘導(dǎo)玻璃“自我崩裂”。

為什么玻璃刀能劃出裂紋？

玻璃雖然硬，但卻很脆。要想在玻璃上制造出有效裂紋，首先需要一個(gè)比玻璃還要堅(jiān)硬的材料。傳統(tǒng)玻璃刀的刀頭通常由碳化鎢或金剛石制成，這些材料在“莫氏硬度”上遠(yuǎn)超普通玻璃。金剛石的莫氏硬度是10，而玻璃通常在5.5到6之間。只有足夠硬的刀頭，才能在玻璃表面壓出細(xì)小裂紋，觸發(fā)其結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

玻璃刀刀頭特寫（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）

玻璃刀的刀頭大多數(shù)是一個(gè)微型滾輪，通常直徑不到幾毫米。當(dāng)使用者用手持玻璃刀在玻璃表面劃線時(shí)，刀輪會(huì)集中很小的接觸面積，施加很大的單位壓力，從而在玻璃表面“壓入”一條細(xì)微的裂紋。這個(gè)過程并不會(huì)真正地將玻璃切開，而只是破壞其表面的連續(xù)性，使其從物理結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生弱點(diǎn)。

微裂紋的傳播是玻璃被割開的關(guān)鍵

玻璃之所以能沿著劃線整齊斷裂，關(guān)鍵在于其裂紋傳播的特性。玻璃是一種高度脆性的材料，一旦表面存在一個(gè)裂紋，在外力作用下，裂紋會(huì)迅速擴(kuò)展到整個(gè)材料內(nèi)部。這種裂紋擴(kuò)展是不可逆的，而且通常以極快的速度進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)“整齊”的斷裂效果。

007電影Skyfall中用玻璃刀切割玻璃的一幕（圖片來源：[2]）

實(shí)際上，裂紋的傳播并不是隨機(jī)的。它會(huì)沿著最容易擴(kuò)展的方向，也就是應(yīng)力最集中的路徑前進(jìn)。而這正是玻璃刀劃線所在的地方。劃痕本身就是一個(gè)人為制造的“缺陷”，當(dāng)對玻璃施加輕微的掰力或震動(dòng)時(shí)，這個(gè)裂縫就會(huì)像拉鏈一樣迅速擴(kuò)展。與金屬斷裂時(shí)的拉絲或撕裂不同，玻璃斷裂往往非常“干凈利落”，仿佛被精密機(jī)器割開一樣整齊。

為什么玻璃刀劃出的斷面這么平整？

很多人會(huì)驚訝地發(fā)現(xiàn)，用玻璃刀割開的玻璃，斷面出奇地平滑，甚至有些如鏡面般光亮。這正是玻璃材料的特性之一。由于玻璃在斷裂時(shí)不會(huì)產(chǎn)生塑性變形，也就是沒有“變彎變形再斷”的過程，裂紋的擴(kuò)展是直接、迅速、以極小能量損耗的形式進(jìn)行的。因此它的斷面幾乎沒有粗糙邊緣，像是天然“自我劈開”的結(jié)果。

玻璃刀劃出的平整斷面（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）

不過，這種整齊的斷裂只適用于普通退火玻璃。對于一些特殊玻璃，如鋼化玻璃，其內(nèi)部已經(jīng)預(yù)應(yīng)力化，即玻璃內(nèi)部儲(chǔ)存了不均勻的壓縮與拉伸應(yīng)力。在這種狀態(tài)下，一旦受到裂紋擾動(dòng)，不會(huì)出現(xiàn)受控裂開，而是整體爆裂成細(xì)小碎片。所以鋼化玻璃是無法用玻璃刀割開的，只能通過高壓水刀、激光或數(shù)控設(shè)備進(jìn)行切割加工。

使用玻璃刀的技巧與原理

在實(shí)際操作中，玻璃刀的使用看似簡單，其實(shí)也有不少講究。劃線時(shí)要保持穩(wěn)定的手勢，一筆劃完，切忌反復(fù)多次走刀。劃痕應(yīng)細(xì)而連續(xù)，發(fā)出輕微而均勻的“嘶嘶”聲是質(zhì)量良好的標(biāo)志。之后只需對玻璃施加適當(dāng)外力，裂紋就會(huì)迅速沿著劃痕方向擴(kuò)展完成切割。為保證斷面整齊，操作時(shí)常配合使用開縫鉗、玻璃鉗等專業(yè)工具。

玻璃刀的使用方法（圖片來源：[4]）

因此，可以說，玻璃刀能夠用來割玻璃，利用的更多是對材料脆性結(jié)構(gòu)的深刻理解！

參考文獻(xiàn)

[1]https://mp.weixin.qq.com/s/eZ3tHbdW_UC5H04ohCKuLw

[2]https://mp.weixin.qq.com/s/sOR6JQomxPaAT820rAUh3A

[3]https://mp.weixin.qq.com/s/pu9eiUZ6j1zqx_vwWEW5aQ

[4]https://mp.weixin.qq.com/s/mkT-TGBOZ0M6J87ks6WhVg

[5]汪衛(wèi)華.非晶態(tài)物質(zhì)的本質(zhì)和特性[J].物理學(xué)進(jìn)展,2013,33(05):177-351.

圖片源自于網(wǎng)絡(luò)，僅供科普參考

來源：力學(xué)科普

編輯：丁香葉子

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