01、人類(lèi)的頭發(fā)比鋼鐵柔軟50倍，為什么它可以破壞剃刀的刀刃？
剃須刀、手術(shù)刀、刀具通常由不銹鋼、打磨鋒利的邊緣和類(lèi)金剛石碳這類(lèi)更堅(jiān)硬的涂層材料組成。盡管如此，世上沒(méi)有一把刀不配一塊磨刀石，沒(méi)有一把剃須刀片能陪伴一個(gè)男人一生。
麻省理工學(xué)院的Cemal Cem Tasan團(tuán)隊(duì)研究了一個(gè)簡(jiǎn)單的剃須行為，觀察剃須刀片在刮比刀片本身柔軟50倍的毛發(fā)時(shí)是如何受損的。他們發(fā)現(xiàn)在剃毛發(fā)的時(shí)候刀刃會(huì)發(fā)生變形而不是簡(jiǎn)單的磨損刀片邊緣。在特定情況下，一縷頭發(fā)就能導(dǎo)致刀片產(chǎn)生缺口。一旦初始裂紋形成，刀片很容易進(jìn)一步磨損。隨著越來(lái)越多的裂紋在初始裂紋周?chē)鄯e，剃須刀的邊緣會(huì)很快變鈍。相關(guān)論文以“How hair deforms steel”為題，發(fā)表在《Science》上。
02、使用菜刀用哪個(gè)角度？
刀片的微觀結(jié)構(gòu)在其中起著關(guān)鍵作用。初始裂縫更容易發(fā)生在微觀結(jié)構(gòu)不均一的刀片上。同時(shí)，刀片接近頭發(fā)的角度，以及鋼的微觀結(jié)構(gòu)中存在的缺陷都在初始裂紋產(chǎn)生的過(guò)程中扮演重要角色。
因此，在切蔬菜時(shí)，廚師可以采用垂直切而不是斜切的方式保持廚刀的鋒利；制造商可以考慮用更均勻的材料制造更持久的刀具。
我們的主要目標(biāo)是了解一個(gè)幾乎人人都知道的問(wèn)題：為什么刀片在與更柔軟的材料相互作用時(shí)變得無(wú)力？麻省理工學(xué)院的Tasan副教授表示，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致刀片失效的主要因素，能夠讓我們確定一種新的使葉片的壽命更長(zhǎng)的加工途徑。
03、一個(gè)冶金秘密
Tasan的團(tuán)隊(duì)在麻省理工學(xué)院的材料科學(xué)與工程系探索金屬的微觀結(jié)構(gòu)，以設(shè)計(jì)具有特殊耐損傷性的新材料。
Tasan說(shuō)：“我們是冶金學(xué)家，想知道是什么支配著金屬的變形，這樣才能制造出更好的金屬。有趣的是，如果你用非常堅(jiān)硬的東西，比如鋼，去剪一些非常柔軟的東西，那么堅(jiān)硬的材料就會(huì)失效。”
為了確定剃刀刀片在刮毛發(fā)時(shí)失效的機(jī)理，Gianluca Roscioli首先進(jìn)行了一些初步實(shí)驗(yàn)，使用一次性剃須刀刮除他自己的面部毛發(fā)。每次刮胡子后，他都會(huì)用掃描電子顯微鏡(SEM)拍攝剃須刀邊緣的圖像，以追蹤刀片是如何隨著時(shí)間磨損的。
令人驚訝的是，刀刃邊緣很少有磨損或削圓。相反，沿著剃須刀邊緣的某些區(qū)域形成了缺口。
這就產(chǎn)生了另一個(gè)謎團(tuán)：我們只能在特定的區(qū)域看到缺口。在什么情況下會(huì)產(chǎn)生這種缺口，以及缺口產(chǎn)生的原因是什么?”
04、原位單根頭發(fā)的切割實(shí)驗(yàn)，確定刀片邊緣產(chǎn)生的負(fù)載
為了回答這個(gè)問(wèn)題，Gianluca Roscioli制造了一個(gè)微型機(jī)械裝置進(jìn)行更多的控制剃須實(shí)驗(yàn)。該裝置由一個(gè)可移動(dòng)的平臺(tái)組成，平臺(tái)兩側(cè)各有兩個(gè)夾子，一個(gè)用來(lái)夾剃須刀片，另一個(gè)用來(lái)固定頭發(fā)。他使用商用馬氏體不銹鋼刀片，并將刀片設(shè)置成不同的角度和切割深度，以模仿剃須的動(dòng)作。頭發(fā)樣品包括他自己的以及從幾個(gè)實(shí)驗(yàn)伙伴那里取樣的頭發(fā)，總體上代表了各種各樣的頭發(fā)直徑。
實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不管頭發(fā)有多厚，頭發(fā)損壞刀片的機(jī)制相同。當(dāng)頭發(fā)垂直于刀片切割時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生缺口。而當(dāng)頭發(fā)自由彎曲時(shí)，缺口更容易出現(xiàn)。而這些缺口最常見(jiàn)的形成地是刀片的邊緣和頭發(fā)的側(cè)面。
?
為了確定這些缺口的形成條件，研究小組利用計(jì)算機(jī)模擬了鋼刀片切割一根頭發(fā)的過(guò)程。在模擬刮胡子的過(guò)程中，他們改變了切割角度、切割時(shí)施加力的方向，以及最重要的，刀片的鋼成分，并預(yù)測(cè)了三種刀片失效的情況：
（1）刀片以一個(gè)角度接近頭發(fā)；
（2）刀片的鋼成分是異質(zhì)的；
（3）發(fā)絲的邊緣碰到刀片的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的弱點(diǎn)。
這是一種應(yīng)力強(qiáng)化的機(jī)制，在這種機(jī)制中，如果材料的結(jié)構(gòu)有微裂紋，施加到材料上的應(yīng)力效果就會(huì)增強(qiáng)。一旦微裂紋形成，材料的非均勻結(jié)構(gòu)使這些裂紋很容易長(zhǎng)成缺口。
05、蘊(yùn)藏著制造好鋼的秘密！
Tasan說(shuō)：“我們的模擬解釋了材料的不均勻性是如何增加材料上的應(yīng)力而使裂縫擴(kuò)大的，即使應(yīng)力是由像頭發(fā)這樣的柔軟材料施加的?！?/p>
研究人員已經(jīng)申請(qǐng)了一項(xiàng)臨時(shí)專(zhuān)利，將鋼加工成更均勻的形狀，從而制造出更持久、更耐磨的刀片?；鞠敕ㄊ窃诒３指哂捕鹊耐瑫r(shí)減少這種異質(zhì)性。
原文鏈接：
