剃须刀片（刮胡刀片很快变钝）

剃刀片(剃刀片很快变钝)

我们生活中最常见的剃须刀、菜刀、刀具，通常都是由不锈钢制成，打磨成锋利的边缘，再涂上更硬的材料，比如类金刚石碳。但菜刀需要定期打磨才能保证锋利，而男性常用的剃须刀刀片，一般要刮几次胡子后才需要更换。

人的头发远没有刀刃材料坚硬，但是“对峙之下”，刀刃很快就变钝了。为什么？日前，来自麻省理工学院(MIT)的工程师们仔细研究了剃须过程，观察了剃须刀片在切割人类毛发时是如何受损的。这项研究发表在科学杂志上。

人类的头发比刀片本身至少柔软50倍，但研究人员发现，剃须过程中刀片受损的方式比简单地磨损刀刃更复杂。事实上，在一定条件下，一根头发会导致刀刃断裂，一旦形成初始裂纹，裂纹很容易进一步剥落。随着更多的裂纹聚集在刀片上，剃刀很快就会变钝。

图|用刀片剪头发的微妙过程(图片来源:麻省理工学院)

叶片的微观结构起着关键作用。如果钢的微观结构不均匀，刀片更容易断裂，刀片与头发之间的近角也对引发裂纹起关键作用。

这一发现可能为如何保持刀刃锋利提供线索。比如切菜的时候，厨师可能会考虑直接切，而不是斜着切。当设计更耐用和耐切割的刀片时，制造商可以考虑用更同质的新材料制造刀具。

“我们的目标是深入了解生活中最常见的问题之一:为什么刀片在与更软的材料相互作用时会变得‘脆弱’。”这项研究的领导者，麻省理工学院冶金学副教授C.Cem Tasan说。”这使我们能够确定新的加工路径，从而制造出具有更长寿命的刀片.”

图|从微观角度对比毛发和叶片的结构(来源:科学)

如上图所示，无论是人发还是马氏体钢刀片，都具有复杂的层次结构。前者是层状各向异性结构，而后者具有高强度和硬度的精细马氏体结构。剪头发时，刀片上的受力状态取决于受力角度，如顺剪和斜剪，会导致刀片的受力情况不同。

塔桑说，“我们是冶金学家，想知道是什么导致了金属的变形和损坏，这样我们才能制造更好的金属。”

为了确定剃须过程中剃刀刀片断裂的机理，研究人员首先进行了一些初步实验，用一次性剃刀剃掉他们的面部毛发。每次剃须后，通过扫描电子显微镜(SEM)拍摄剃刀边缘的图像，以跟踪刀片随时间的磨损。

令人惊讶的是，实验结果表明，随着时间的推移，锋利的边缘几乎没有磨损或变圆。相反，他注意到在刀片的一些区域形成了碎片。

塔桑说，“这创造了另一个谜团:我们看到了碎片，但我们并没有在所有地方看到碎片，只是在一些地方。””我们想知道，在什么条件下会发生破损？”

为了回答这个问题，研究人员建造了一个小型微型机械设备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片，另一个用来固定头发。它使用市面上常见的剃须刀刀片，将刀片设置成不同的角度和切割深度来模拟剃须。

图|测量剃须过程中刀刃产生的负荷(来源:麻省理工学院)

这台仪器是设计用来用扫描电子显微镜观察的。在许多切割实验中，它可以捕捉头发和刀片的超高分辨率图像。不同人的头发样本一般代表不同的头发直径。

无论头发的直径如何，研究人员都观察到了相同的刀片损坏机制。切割实验中拍摄的扫描电镜图像和胶片显示，当毛发垂直于刀片剃刮时，刀刃很少发生断裂，但当毛发可以自由弯曲时，更容易发生刀刃损伤。

为了找出是什么条件导致了这些刀片缝隙的形成，研究小组进行了计算机模拟，模拟了一把钢刀片切割一根头发的过程，改变了一些切割条件，比如切割时的角度和施力方向。最重要的发现是叶片钢的成分也是根本原因。

当刀片以一定的角度靠近毛发时，特别是当刀片的钢成分不均匀时，毛发的受力与刀片在其不均匀的结构中的薄弱点相遇，刀刃就容易损坏。

图|剪不同毛发的刀片损伤观察(来源:MIT)

这些情况说明了一种叫做应力强化的机制，即如果叶片材料本身的结构存在微裂纹，施加在材料上的应力效应会增强这种情况，而初始微裂纹一旦形成，材料的不均匀结构使得这些裂纹很容易扩展成更多的缝隙。

“我们的模拟解释了材料的不均匀性如何增加材料上的应力，以至于边缘裂纹可以扩展，即使应力是由头发这样的柔软材料引起的，”塔桑说，研究小组已经申请了临时专利。这种技术可以将钢加工成更均匀的结构，例如，通过创造其他纳米结构合金来进一步精炼马氏体钢结构，从而制造更耐用和耐切割的刀片。

“基本理念是在保持高硬度的同时，降低刀片的异质性和不均匀性。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项工作。”塔桑说。