刮胡刀片很快变钝？MIT最新研究揭秘原因，更耐用刀片或将问世

互推小编 2024-04-17

我们生活中最常见的剃须刀、菜刀和小刀通常由不锈钢制成，磨成锋利的刃口，并涂上更硬的材料，如类金刚石碳。然而，菜刀需要定期磨，才能保证其锋利程度，而男士常用的剃须刀，刀片在剃过几次胡须之后，通常就需要被更换。

人类的毛发远不如刀片材质坚硬，但 “对抗之下”，刀片很快就变钝了，这是为什么呢？日前，麻省理工学院（MIT）的工程师们近距离研究了剃须的过程，观察了剃须刀刀片在切割人的毛发时是如何受损的，研究发表在《科学》杂志上。

人类毛发比刀片本身柔软至少 50 倍，但是研究人员发现，剃须过程使刀片损坏的方式比单纯的磨损边缘更为复杂。事实上，在特定的条件下，一根毛发就会导致刀片的刃口边缘碎裂，而一旦初始裂纹形成，裂口很容易进一步剥落，随着更多裂口聚集在刀刃上，剃须刀很快就会变钝。

图｜刀片切割毛发的细微过程（来源：MIT）

刀片的微观结构起着关键作用。如果钢的微观结构不均匀，则刀片更容易碎裂，刀片与头发的接近角度，也在引发裂纹方面起到了关键作用。

这种发现可能为如何保持刀刃的锋利性提供线索。例如，在切蔬菜时，厨师可能会考虑直接切下来，而不是斜切。在设计更耐用、更耐切削的刀片时，制造商可能会考虑用更同质的新材料制造刀具。

“我们的目标是深入了解一个生活中最常见的问题：为什么当刀片与更软的材料相互作用时，刀片会变得‘不堪一击’。” 这项研究的领导者，MIT 的冶金学副教授塞姆 · 塔桑（C.Cem Tasan）说。“这使我们能够确定一种新的加工路径，从而制造出寿命更长的刀片。”

图｜微观视角下，毛发与刀片的结构对比（来源：Science）

如上图所示，人类毛发和马氏体钢刀片都具有复杂的层次结构，前者是层状各向异性结构，后者具有精细的马氏体结构，具有较高的强度和硬度，切割毛发时刀片上的应力状态取决于受力角度，比如平滑的、斜切的、都会导致刀刃不同的受力情况。

塔桑说：“我们是冶金学家，想知道是什么导致了金属的变形损坏，这样我们就能制造出更好的金属。”

为了确定剃须刀刀片在剃毛发时发生破损的机理，研究人员首先进行了一些初步实验，用一次性剃须刀剃自己的面部毛发。每次刮完胡子后，都用扫描电子显微镜（SEM）拍下剃须刀边缘的图像，以跟踪刀片随着时间推移的磨损情况。

令人惊讶的是，实验结果显示，随着时间的推移，锋利的边缘几乎没有磨损或磨圆，相反，他注意到在剃须刀刀刃的某些区域形成了碎片。

塔桑说：“这造成了另一个谜团：我们看到了碎片，但没有看到碎片到处都是，只是在某些地方。”“我们想知道，在什么条件下会发生这种破损？”

为了回答这个问题，研究人员建造了一个小型的微型机械装置，来进行更多的可控剃须实验。这个装置由一个可移动的平台组成，两边各有两个夹子，一个用来固定剃须刀刀片，另一个用来固定毛发，使用的是市面上常见的剃须刀刀片，将刀片设置在不同的角度和切割深度，以模仿剃须的动作。

图｜测量剃须期间刀片边缘产生的负载（来源：MIT）

这台仪器被设计成可以在扫描电子显微镜观察下进行，在多次切割实验中，能够拍摄到头发和刀片的超高分辨率图像，不同人的毛发样本，总体上代表了各种各样的头发直径。

不管毛发的直径如何，研究人员都观察到刀片损坏的相同机制。切割实验中拍摄的扫描电镜图像和胶片显示，当毛发垂直于刀片被剃时，很少出现刃口破碎，然而当毛发可以自由弯曲时，刃口损坏更容易发生。

为了弄清是什么条件导致了这些刀刃缺口的形成，研究小组进行了计算机模拟，模拟一个钢刀片切割一根头发的过程，并改变某些切割条件，比如角度、切割时施加的力的方向，最重要的发现是，刀片钢的成分也是深层原因。

当刀片以一定角度接近毛发，尤其是当刀片的钢成分不均匀的情况下，毛发的作用力与刀片在其非均匀结构的薄弱点相遇时，很容易造成刃口破损。

图｜切割不同毛发的刀刃受损情况观察（来源：MIT）

这些情况说明了一种被称为应力强化的机制，即如果刀片材料的结构本身就有微裂纹，施加在材料上的应力效应会增强这种情况，且一旦初始微裂纹形成，材料的非均匀结构使这些裂纹很容易扩展成更多缺口。

塔桑表示：“我们的模拟解释了一种材料的不均匀性是如何增加材料上的应力，从而使刀刃裂纹得以扩展，即使这种应力是由像头发这样的软材料造成的。” 研究团队已经申请临时专利，这项技术可以将钢材加工成更均匀的结构，例如通过创建其他纳米结构合金进一步细化马氏体钢结构，从而制造出更耐用、更耐切削的刀片。

“基本的想法是减少刀片的异质性和不均匀性，同时保持高硬度，我们已经学会了如何制造更好的刀片，现在我们想继续推进这件事。” 塔桑说道。

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