据 MIT News Office今日报道,剃刀,手术刀和刀通常由不锈钢制成,磨成锋利的边缘,并涂有甚至更坚硬的材料,如类金刚石碳。但是,刀具需要定期打磨,而在切削远比刀片本身柔软的材料后,应定期更换剃刀。
现在,麻省理工学院的工程师已经研究了剃须紧密的简单行为,观察剃须刀在剪发时如何损坏剃须刀,这种材料比剃须刀本身的柔软度高50倍。他们发现,剃发使刀片变形的方式比随着时间的推移简单磨损边缘更复杂。实际上,在特定条件下,单根头发会导致刀片边缘碎裂。一旦形成初始裂纹,刀片就容易进一步碎裂。随着越来越多的裂纹堆积在初始切屑周围,剃须刀的边缘会很快变钝。
研究小组发现,刀片的微观结构起着关键作用。如果钢的微观结构不均匀,则叶片更容易碎裂。刀片与一束头发的接近角度以及钢的微观结构中存在缺陷也起着引发裂纹的作用。
研究小组的发现也可能提供有关如何保持刀片锋利度的线索。例如,在切蔬菜时,厨师可能会考虑将其切成直角而不是一定角度。而且在设计更耐用,更耐碎屑的刀片时,制造商可能会考虑使用更均匀的材料制成刀具。
麻省理工学院的托马斯·B·金冶金学副教授C. Cem Tasan说:“我们的主要目标是了解一个或多或少每个人都知道的问题:为什么叶片在与更柔软的材料相互作用时变得无用”。 “我们发现了故障的主要因素,这使我们能够确定一条新的加工路径,以使刀片的使用寿命更长。”塔桑和他的同事们今天在《科学》杂志上发表了他们的研究结果。他的合著者是麻省理工学院的主要作者和研究生Gianluca Roscioli,以及麻省理工学院的博士后Seyedeh Mohadeseh Taheri Mousavi。
冶金之谜
麻省理工学院材料科学与工程系的Tasan研究小组探索了金属的微观结构,以便设计出具有出色抗破坏性的新材料。
塔桑说:“我们是冶金学家,想了解决定金属变形的因素,以便制造出更好的金属。” “在这种情况下,如果您用人发剪掉很柔软的东西,例如用钢剪掉很硬的东西,那么硬质材料就会失效,这很有趣。”
为了确定剃须刀剃胡须时刀片失效的机理,Roscioli首先进行了一些初步实验,使用一次性剃须刀剃除自己的面部毛发。每次刮胡后,他用扫描电子显微镜(SEM)拍摄刮胡刀边缘的图像,以追踪刀片随时间的磨损情况。
在扫描电子显微镜中进行的原位剪发实验,显示了切片过程。图片来源:Gianluca Roscioli
令人惊讶的是,实验表明磨损很少,或者随着时间的推移,圆角逐渐变圆。相反,他注意到剃须刀边缘某些区域形成了切屑。
塔桑说:“这又开了一个谜:我们看到了碎裂,但并没有看到到处都是碎裂,只是在某些地方。” “而且我们想了解,这种破裂在什么条件下发生,故障的成分是什么?”
新刀片上的芯片
为了回答这个问题,罗斯乔利制造了一个小型的微机械装置来进行更多受控的剃刮实验。该设备由一个可移动的平台组成,该平台在两侧具有两个夹子,一个用于固定剃须刀,另一个用于固定头发。他使用了商用剃须刀上的刀片,将其设置在不同的角度和切入深度,以模仿剃须动作。该设备被设计为可安装在扫描电子显微镜内部,在此过程中,Roscioli能够在进行多次切割实验时拍摄到头发和刀片的高分辨率图像。他使用了自己的头发,以及从多个实验室采样的头发,总体上代表了各种直径的头发。
进行了原位单发切割实验,以测量剃须期间刀片边缘产生的负载。图片来源:Gianluca Roscioli
无论头发的粗细如何,罗斯乔利(Roscioli)观察到相同的机制也可以使头发损坏刀片。就像在他最初的剃刮实验中一样,罗斯乔利发现头发会导致刀片的边缘碎裂,但仅限于某些部位。
当他分析在切割实验中拍摄的SEM图像和电影时,他发现在垂直于刀片切割头发时未出现切屑。但是,当头发自由弯曲时,更容易出现碎屑。这些碎屑最常见于叶片边缘与发束侧面相接的地方。
为了了解可能导致这些切屑形成的条件,该团队进行了计算仿真,在其中,他们模拟了一根单根刀片切割的钢刀片。在模拟每次剃发时,他们会改变某些条件,例如切割角度,切割时施加的力的方向,最重要的是,刀片钢的成分。
他们发现,这种模拟可以预测在以下三种情况下的失效:当刀片以一定角度接近头发时,刀片的钢成分不同时,以及发束的边缘在刀片异质结构的薄弱点与刀片相遇时。
塔桑说,这些情况说明了一种称为应力增强的机制,其中,如果材料的结构存在微裂纹,则施加在材料上的应力的影响就会增强。最初的微裂纹形成后,材料的异质结构使这些裂纹易于生长成碎片。
塔桑说:“我们的模拟解释了材料中的异质性如何增加该材料上的应力,从而使裂纹也可以扩展,即使应力是由柔软的材料(如头发)施加的。”
研究人员已经申请了一项将钢加工成更均匀形式的工艺的临时专利,以制造更耐用,更耐碎屑的刀片。
Roscioli说:“基本思想是减少这种不均匀性,同时我们保持高硬度。” “我们已经学会了如何制作更好的刀片,现在我们想要这样做。”

头像

By szf