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MIT研究剃須刀刀片變鈍受損,有助于耐用刀片問世

如意 ? 來源:DeepTech深科技微信公眾號 ? 作者:DeepTech深科技微信 ? 2020-08-16 11:10 ? 次閱讀

我們生活中最常見的剃須刀、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,刀片在剃過幾次胡須之后,通常就需要被更換。

人類的毛發遠不如刀片材質堅硬,但 “對抗之下”,刀片很快就變鈍了,這是為什么呢?日前,麻省理工學院(MIT)的工程師們近距離研究了剃須的過程,觀察了剃須刀刀片在切割人的毛發時是如何受損的,研究發表在《科學》雜志上。

人類毛發比刀片本身柔軟至少 50 倍,但是研究人員發現,剃須過程使刀片損壞的方式比單純的磨損邊緣更為復雜。事實上,在特定的條件下,一根毛發就會導致刀片的刃口邊緣碎裂,而一旦初始裂紋形成,裂口很容易進一步剝落,隨著更多裂口聚集在刀刃上,剃須刀很快就會變鈍。

刀片的微觀結構起著關鍵作用。如果鋼的微觀結構不均勻,則刀片更容易碎裂,刀片與頭發的接近角度,也在引發裂紋方面起到了關鍵作用。

這種發現可能為如何保持刀刃的鋒利性提供線索。例如,在切蔬菜時,廚師可能會考慮直接切下來,而不是斜切。在設計更耐用、更耐切削的刀片時,制造商可能會考慮用更同質的新材料制造刀具。

“我們的目標是深入了解一個生活中最常見的問題:為什么當刀片與更軟的材料相互作用時,刀片會變得‘不堪一擊’?!?這項研究的領導者,MIT 的冶金學副教授塞姆 · 塔桑(C.Cem Tasan)說。“這使我們能夠確定一種新的加工路徑,從而制造出壽命更長的刀片。”

如上圖所示,人類毛發和馬氏體鋼刀片都具有復雜的層次結構,前者是層狀各向異性結構,后者具有精細的馬氏體結構,具有較高的強度和硬度,切割毛發時刀片上的應力狀態取決于受力角度,比如平滑的、斜切的、都會導致刀刃不同的受力情況。

塔桑說:“我們是冶金學家,想知道是什么導致了金屬的變形損壞,這樣我們就能制造出更好的金屬。”

為了確定剃須刀刀片在剃毛發時發生破損的機理,研究人員首先進行了一些初步實驗,用一次性剃須刀剃自己的面部毛發。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,以跟蹤刀片隨著時間推移的磨損情況。

令人驚訝的是,實驗結果顯示,隨著時間的推移,鋒利的邊緣幾乎沒有磨損或磨圓,相反,他注意到在剃須刀刀刃的某些區域形成了碎片。

塔桑說:“這造成了另一個謎團:我們看到了碎片,但沒有看到碎片到處都是,只是在某些地方。”“我們想知道,在什么條件下會發生這種破損?”

為了回答這個問題,研究人員建造了一個小型的微型機械裝置,來進行更多的可控剃須實驗。這個裝置由一個可移動的平臺組成,兩邊各有兩個夾子,一個用來固定剃須刀刀片,另一個用來固定毛發,使用的是市面上常見的剃須刀刀片,將刀片設置在不同的角度和切割深度,以模仿剃須的動作。

這臺儀器被設計成可以在掃描電子顯微鏡觀察下進行,在多次切割實驗中,能夠拍攝到頭發和刀片的超高分辨率圖像,不同人的毛發樣本,總體上代表了各種各樣的頭發直徑。

不管毛發的直徑如何,研究人員都觀察到刀片損壞的相同機制。切割實驗中拍攝的掃描電鏡圖像和膠片顯示,當毛發垂直于刀片被剃時,很少出現刃口破碎,然而當毛發可以自由彎曲時,刃口損壞更容易發生。

為了弄清是什么條件導致了這些刀刃缺口的形成,研究小組進行了計算機模擬,模擬一個鋼刀片切割一根頭發的過程,并改變某些切割條件,比如角度、切割時施加的力的方向,最重要的發現是,刀片鋼的成分也是深層原因。

當刀片以一定角度接近毛發,尤其是當刀片的鋼成分不均勻的情況下,毛發的作用力與刀片在其非均勻結構的薄弱點相遇時,很容易造成刃口破損。

不同毛發的刀刃受損情況觀察(來源:MIT)這些情況說明了一種被稱為應力強化的機制,即如果刀片材料的結構本身就有微裂紋,施加在材料上的應力效應會增強這種情況,且一旦初始微裂紋形成,材料的非均勻結構使這些裂紋很容易擴展成更多缺口。

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力,從而使刀刃裂紋得以擴展,即使這種應力是由像頭發這樣的軟材料造成的。” 研究團隊已經申請臨時專利,這項技術可以將鋼材加工成更均勻的結構,例如通過創建其他納米結構合金進一步細化馬氏體鋼結構,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性和不均勻性,同時保持高硬度,我們已經學會了如何制造更好的刀片,現在我們想繼續推進這件事。” 塔桑說道。

聲明:本文內容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網站授權轉載。文章觀點僅代表作者本人,不代表電子發燒友網立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用,如有內容侵權或者其他違規問題,請聯系本站處理。 舉報投訴
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