玻璃刀为什么可以割玻璃？

在我们日常生活中，玻璃常常给人一种坚硬又脆弱的双重印象。它既可以制成厚重的窗户玻璃，也能被不小心的一摔砸成碎片。然而神奇的是，一把小小的玻璃刀却能在这块坚硬的材料上划出一道精确的裂痕，使整块玻璃顺着这道线“整齐”断开。那么，玻璃刀究竟是怎么做到的呢？

（图片来源：网络）

切割玻璃，其实不是“切”

我们通常对“刀”的理解，往往是用来切削物体，比如厨房里用刀切菜、木工用锯切木头。但玻璃刀的工作方式却大不相同。玻璃并不像金属或木材那样能被逐渐削掉一部分，因为它是一种典型的非晶态材料，即其内部原子排列无序，类似液体快速冷却时冻结下来的状态。这样的结构让玻璃缺乏韧性和延展性，在受到外力时很容易形成裂纹。

几种物体中原子分布示意图（图片来源：[1]）

玻璃刀的真正作用，是在玻璃表面制造一条极细小的裂纹。这个裂纹虽然肉眼可能不容易看清，但它是整个玻璃断裂的起点。玻璃对裂纹的容忍度非常低，一旦表面有了结构缺陷，裂纹就会沿着这个路径迅速扩展，最终使玻璃在外力作用下沿着划线整齐断裂。可以说，玻璃刀不是在割玻璃，而是在诱导玻璃“自我崩裂”。

为什么玻璃刀能划出裂纹？

玻璃虽然硬，但却很脆。要想在玻璃上制造出有效裂纹，首先需要一个比玻璃还要坚硬的材料。传统玻璃刀的刀头通常由碳化钨或金刚石制成，这些材料在“莫氏硬度”上远超普通玻璃。金刚石的莫氏硬度是10，而玻璃通常在5.5到6之间。只有足够硬的刀头，才能在玻璃表面压出细小裂纹，触发其结构失稳。

玻璃刀刀头特写（图片来源：网络）

玻璃刀的刀头大多数是一个微型滚轮，通常直径不到几毫米。当使用者用手持玻璃刀在玻璃表面划线时，刀轮会集中很小的接触面积，施加很大的单位压力，从而在玻璃表面“压入”一条细微的裂纹。这个过程并不会真正地将玻璃切开，而只是破坏其表面的连续性，使其从物理结构上产生弱点。

微裂纹的传播是玻璃被割开的关键

玻璃之所以能沿着划线整齐断裂，关键在于其裂纹传播的特性。玻璃是一种高度脆性的材料，一旦表面存在一个裂纹，在外力作用下，裂纹会迅速扩展到整个材料内部。这种裂纹扩展是不可逆的，而且通常以极快的速度进行，从而实现“整齐”的断裂效果。

007电影Skyfall中用玻璃刀切割玻璃的一幕（图片来源：[2]）

实际上，裂纹的传播并不是随机的。它会沿着最容易扩展的方向，也就是应力最集中的路径前进。而这正是玻璃刀划线所在的地方。划痕本身就是一个人为制造的“缺陷”，当对玻璃施加轻微的掰力或震动时，这个裂缝就会像拉链一样迅速扩展。与金属断裂时的拉丝或撕裂不同，玻璃断裂往往非常“干净利落”，仿佛被精密机器割开一样整齐。

为什么玻璃刀划出的断面这么平整？

很多人会惊讶地发现，用玻璃刀割开的玻璃，断面出奇地平滑，甚至有些如镜面般光亮。这正是玻璃材料的特性之一。由于玻璃在断裂时不会产生塑性变形，也就是没有“变弯变形再断”的过程，裂纹的扩展是直接、迅速、以极小能量损耗的形式进行的。因此它的断面几乎没有粗糙边缘，像是天然“自我劈开”的结果。

玻璃刀划出的平整断面（图片来源：网络）

不过，这种整齐的断裂只适用于普通退火玻璃。对于一些特殊玻璃，如钢化玻璃，其内部已经预应力化，即玻璃内部储存了不均匀的压缩与拉伸应力。在这种状态下，一旦受到裂纹扰动，不会出现受控裂开，而是整体爆裂成细小碎片。所以钢化玻璃是无法用玻璃刀割开的，只能通过高压水刀、激光或数控设备进行切割加工。

使用玻璃刀的技巧与原理

在实际操作中，玻璃刀的使用看似简单，其实也有不少讲究。划线时要保持稳定的手势，一笔划完，切忌反复多次走刀。划痕应细而连续，发出轻微而均匀的“嘶嘶”声是质量良好的标志。之后只需对玻璃施加适当外力，裂纹就会迅速沿着划痕方向扩展完成切割。为保证断面整齐，操作时常配合使用开缝钳、玻璃钳等专业工具。

玻璃刀的使用方法（图片来源：[4]）

因此，可以说，玻璃刀能够用来割玻璃，利用的更多是对材料脆性结构的深刻理解！

参考文献

[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]汪卫华.非晶态物质的本质和特性[J].物理学进展,2013,33(05):177-351.

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来源：力学科普

编辑：丁香叶子

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