MIT研究剃須刀刀片變鈍受損，有助于耐用刀片問(wèn)世

我們生活中最常見(jiàn)的剃須刀、菜刀和小刀通常由不銹鋼制成，磨成鋒利的刃口，并涂上更硬的材料，如類金剛石碳。然而，菜刀需要定期磨，才能保證其鋒利程度，而男士常用的剃須刀，刀片在剃過(guò)幾次胡須之后，通常就需要被更換。

人類的毛發(fā)遠(yuǎn)不如刀片材質(zhì)堅(jiān)硬，但 “對(duì)抗之下”，刀片很快就變鈍了，這是為什么呢？日前，麻省理工學(xué)院（MIT）的工程師們近距離研究了剃須的過(guò)程，觀察了剃須刀刀片在切割人的毛發(fā)時(shí)是如何受損的，研究發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。

人類毛發(fā)比刀片本身柔軟至少 50 倍，但是研究人員發(fā)現(xiàn)，剃須過(guò)程使刀片損壞的方式比單純的磨損邊緣更為復(fù)雜。事實(shí)上，在特定的條件下，一根毛發(fā)就會(huì)導(dǎo)致刀片的刃口邊緣碎裂，而一旦初始裂紋形成，裂口很容易進(jìn)一步剝落，隨著更多裂口聚集在刀刃上，剃須刀很快就會(huì)變鈍。

刀片的微觀結(jié)構(gòu)起著關(guān)鍵作用。如果鋼的微觀結(jié)構(gòu)不均勻，則刀片更容易碎裂，刀片與頭發(fā)的接近角度，也在引發(fā)裂紋方面起到了關(guān)鍵作用。

這種發(fā)現(xiàn)可能為如何保持刀刃的鋒利性提供線索。例如，在切蔬菜時(shí)，廚師可能會(huì)考慮直接切下來(lái)，而不是斜切。在設(shè)計(jì)更耐用、更耐切削的刀片時(shí)，制造商可能會(huì)考慮用更同質(zhì)的新材料制造刀具。

“我們的目標(biāo)是深入了解一個(gè)生活中最常見(jiàn)的問(wèn)題：為什么當(dāng)?shù)镀c更軟的材料相互作用時(shí)，刀片會(huì)變得‘不堪一擊’?！?這項(xiàng)研究的領(lǐng)導(dǎo)者，MIT 的冶金學(xué)副教授塞姆 · 塔桑（C.Cem Tasan）說(shuō)?！斑@使我們能夠確定一種新的加工路徑，從而制造出壽命更長(zhǎng)的刀片。”

如上圖所示，人類毛發(fā)和馬氏體鋼刀片都具有復(fù)雜的層次結(jié)構(gòu)，前者是層狀各向異性結(jié)構(gòu)，后者具有精細(xì)的馬氏體結(jié)構(gòu)，具有較高的強(qiáng)度和硬度，切割毛發(fā)時(shí)刀片上的應(yīng)力狀態(tài)取決于受力角度，比如平滑的、斜切的、都會(huì)導(dǎo)致刀刃不同的受力情況。

塔桑說(shuō)：“我們是冶金學(xué)家，想知道是什么導(dǎo)致了金屬的變形損壞，這樣我們就能制造出更好的金屬?！?/p>

為了確定剃須刀刀片在剃毛發(fā)時(shí)發(fā)生破損的機(jī)理，研究人員首先進(jìn)行了一些初步實(shí)驗(yàn)，用一次性剃須刀剃自己的面部毛發(fā)。每次刮完胡子后，都用掃描電子顯微鏡（SEM）拍下剃須刀邊緣的圖像，以跟蹤刀片隨著時(shí)間推移的磨損情況。

令人驚訝的是，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著時(shí)間的推移，鋒利的邊緣幾乎沒(méi)有磨損或磨圓，相反，他注意到在剃須刀刀刃的某些區(qū)域形成了碎片。

塔桑說(shuō)：“這造成了另一個(gè)謎團(tuán)：我們看到了碎片，但沒(méi)有看到碎片到處都是，只是在某些地方?！薄拔覀兿胫溃谑裁礂l件下會(huì)發(fā)生這種破損？”

為了回答這個(gè)問(wèn)題，研究人員建造了一個(gè)小型的微型機(jī)械裝置，來(lái)進(jìn)行更多的可控剃須實(shí)驗(yàn)。這個(gè)裝置由一個(gè)可移動(dòng)的平臺(tái)組成，兩邊各有兩個(gè)夾子，一個(gè)用來(lái)固定剃須刀刀片，另一個(gè)用來(lái)固定毛發(fā)，使用的是市面上常見(jiàn)的剃須刀刀片，將刀片設(shè)置在不同的角度和切割深度，以模仿剃須的動(dòng)作。

這臺(tái)儀器被設(shè)計(jì)成可以在掃描電子顯微鏡觀察下進(jìn)行，在多次切割實(shí)驗(yàn)中，能夠拍攝到頭發(fā)和刀片的超高分辨率圖像，不同人的毛發(fā)樣本，總體上代表了各種各樣的頭發(fā)直徑。

不管毛發(fā)的直徑如何，研究人員都觀察到刀片損壞的相同機(jī)制。切割實(shí)驗(yàn)中拍攝的掃描電鏡圖像和膠片顯示，當(dāng)毛發(fā)垂直于刀片被剃時(shí)，很少出現(xiàn)刃口破碎，然而當(dāng)毛發(fā)可以自由彎曲時(shí)，刃口損壞更容易發(fā)生。

為了弄清是什么條件導(dǎo)致了這些刀刃缺口的形成，研究小組進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬，模擬一個(gè)鋼刀片切割一根頭發(fā)的過(guò)程，并改變某些切割條件，比如角度、切割時(shí)施加的力的方向，最重要的發(fā)現(xiàn)是，刀片鋼的成分也是深層原因。

當(dāng)?shù)镀砸欢ń嵌冉咏l(fā)，尤其是當(dāng)?shù)镀匿摮煞植痪鶆虻那闆r下，毛發(fā)的作用力與刀片在其非均勻結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)相遇時(shí)，很容易造成刃口破損。

不同毛發(fā)的刀刃受損情況觀察（來(lái)源：MIT）這些情況說(shuō)明了一種被稱為應(yīng)力強(qiáng)化的機(jī)制，即如果刀片材料的結(jié)構(gòu)本身就有微裂紋，施加在材料上的應(yīng)力效應(yīng)會(huì)增強(qiáng)這種情況，且一旦初始微裂紋形成，材料的非均勻結(jié)構(gòu)使這些裂紋很容易擴(kuò)展成更多缺口。

塔桑表示：“我們的模擬解釋了一種材料的不均勻性是如何增加材料上的應(yīng)力，從而使刀刃裂紋得以擴(kuò)展，即使這種應(yīng)力是由像頭發(fā)這樣的軟材料造成的?！?研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)申請(qǐng)臨時(shí)專利，這項(xiàng)技術(shù)可以將鋼材加工成更均勻的結(jié)構(gòu)，例如通過(guò)創(chuàng)建其他納米結(jié)構(gòu)合金進(jìn)一步細(xì)化馬氏體鋼結(jié)構(gòu)，從而制造出更耐用、更耐切削的刀片。

“基本的想法是減少刀片的異質(zhì)性和不均勻性，同時(shí)保持高硬度，我們已經(jīng)學(xué)會(huì)了如何制造更好的刀片，現(xiàn)在我們想繼續(xù)推進(jìn)這件事?！?塔桑說(shuō)道。