01、人類的頭發(fā)比鋼鐵柔軟50倍，為什么它可以破壞剃刀的刀刃？
剃須刀、手術刀、刀具通常由不銹鋼、打磨鋒利的邊緣和類金剛石碳這類更堅硬的涂層材料組成。盡管如此，世上沒有一把刀不配一塊磨刀石，沒有一把剃須刀片能陪伴一個男人一生。
麻省理工學院的Cemal Cem Tasan團隊研究了一個簡單的剃須行為，觀察剃須刀片在刮比刀片本身柔軟50倍的毛發(fā)時是如何受損的。他們發(fā)現(xiàn)在剃毛發(fā)的時候刀刃會發(fā)生變形而不是簡單的磨損刀片邊緣。在特定情況下，一縷頭發(fā)就能導致刀片產(chǎn)生缺口。一旦初始裂紋形成，刀片很容易進一步磨損。隨著越來越多的裂紋在初始裂紋周圍累積，剃須刀的邊緣會很快變鈍。相關論文以“How hair deforms steel”為題，發(fā)表在《Science》上。
02、使用菜刀用哪個角度？
刀片的微觀結構在其中起著關鍵作用。初始裂縫更容易發(fā)生在微觀結構不均一的刀片上。同時，刀片接近頭發(fā)的角度，以及鋼的微觀結構中存在的缺陷都在初始裂紋產(chǎn)生的過程中扮演重要角色。
因此，在切蔬菜時，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。
我們的主要目標是了解一個幾乎人人都知道的問題：為什么刀片在與更柔軟的材料相互作用時變得無力？麻省理工學院的Tasan副教授表示，發(fā)現(xiàn)導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的加工途徑。
03、一個冶金秘密
Tasan的團隊在麻省理工學院的材料科學與工程系探索金屬的微觀結構，以設計具有特殊耐損傷性的新材料。
Tasan說：“我們是冶金學家，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，如果你用非常堅硬的東西，比如鋼，去剪一些非常柔軟的東西，那么堅硬的材料就會失效?！?/p>
為了確定剃刀刀片在刮毛發(fā)時失效的機理，Gianluca Roscioli首先進行了一些初步實驗，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)生了另一個謎團：我們只能在特定的區(qū)域看到缺口。在什么情況下會產(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)的切割實驗，確定刀片邊緣產(chǎn)生的負載
為了回答這個問題，Gianluca Roscioli制造了一個微型機械裝置進行更多的控制剃須實驗。該裝置由一個可移動的平臺組成，平臺兩側各有兩個夾子，一個用來夾剃須刀片，另一個用來固定頭發(fā)。他使用商用馬氏體不銹鋼刀片，并將刀片設置成不同的角度和切割深度，以模仿剃須的動作。頭發(fā)樣品包括他自己的以及從幾個實驗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。
實驗發(fā)現(xiàn)，不管頭發(fā)有多厚，頭發(fā)損壞刀片的機制相同。當頭發(fā)垂直于刀片切割時，不會產(chǎn)生缺口。而當頭發(fā)自由彎曲時，缺口更容易出現(xiàn)。而這些缺口最常見的形成地是刀片的邊緣和頭發(fā)的側面。
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為了確定這些缺口的形成條件，研究小組利用計算機模擬了鋼刀片切割一根頭發(fā)的過程。在模擬刮胡子的過程中，他們改變了切割角度、切割時施加力的方向，以及最重要的，刀片的鋼成分，并預測了三種刀片失效的情況：
（1）刀片以一個角度接近頭發(fā)；
（2）刀片的鋼成分是異質的；
（3）發(fā)絲的邊緣碰到刀片的異質結構的弱點。
這是一種應力強化的機制，在這種機制中，如果材料的結構有微裂紋，施加到材料上的應力效果就會增強。一旦微裂紋形成，材料的非均勻結構使這些裂紋很容易長成缺口。
05、蘊藏著制造好鋼的秘密！
Tasan說：“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力而使裂縫擴大的，即使應力是由像頭發(fā)這樣的柔軟材料施加的?！?/p>
研究人員已經(jīng)申請了一項臨時專利，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減少這種異質性。
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