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剃须刀|头发这么柔软，为何会使剃须刀变钝？

剃须刀|头发这么柔软，为何会使剃须刀变钝？
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比钢铁柔软五十倍的头发可以破坏剃刀的刀刃？
剃须刀、手术刀、刀具通常由不锈钢、打磨锋利的边缘和类金刚石碳这类更坚硬的涂层材料组成 。 尽管如此 ， 世上没有一把刀不配一块磨刀石 ， 没有一把剃须刀片能陪伴一个男人一生 。
麻省理工学院的Cemal Cem Tasan团队研究了一个简单的剃须行为 ， 观察剃须刀片在刮比刀片本身柔软50倍的毛发时是如何受损的 。 他们发现在剃毛发的时候刀刃会发生变形而不是简单的磨损刀片边缘 。 在特定情况下 ， 一缕头发就能导致刀片产生缺口 。 一旦初始裂纹形成 ， 刀片很容易进一步磨损 。 随着越来越多的裂纹在初始裂纹周围累积 ， 剃须刀的边缘会很快变钝 。 相关论文以“How hair deforms steel”为题 ， 发表在《Science》上 。
用菜刀该用哪个角度？
刀片的微观结构在其中起着关键作用 。 初始裂缝更容易发生在微观结构不均一的刀片上 。 同时 ， 刀片接近头发的角度 ， 以及钢的微观结构中存在的缺陷都在初始裂纹产生的过程中扮演重要角色 。
因此 ， 在切蔬菜时 ， 厨师可以采用垂直切而不是斜切的方式保持厨刀的锋利；制造商可以考虑用更均匀的材料制造更持久的刀具 。
剃须刀|头发这么柔软，为何会使剃须刀变钝？
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我们的主要目标是了解一个几乎人人都知道的问题：为什么刀片在与更柔软的材料相互作用时变得无力？麻省理工学院的Tasan副教授表示 ， 发现导致刀片失效的主要因素 ， 能够让我们确定一种新的使叶片的寿命更长的加工途径 。
一个冶金秘密
Tasan的团队在麻省理工学院的材料科学与工程系探索金属的微观结构 ， 以设计具有特殊耐损伤性的新材料 。
Tasan说：“我们是冶金学家 ， 想知道是什么支配着金属的变形 ， 这样才能制造出更好的金属 。 有趣的是 ， 如果你用非常坚硬的东西 ， 比如钢 ， 去剪一些非常柔软的东西 ， 那么坚硬的材料就会失效 。 ”
为了确定剃刀刀片在刮毛发时失效的机理 ， Gianluca Roscioli首先进行了一些初步实验 ， 使用一次性剃须刀刮除他自己的面部毛发 。 每次刮胡子后 ， 他都会用扫描电子显微镜(SEM)拍摄剃须刀边缘的图像 ， 以追踪刀片是如何随着时间磨损的 。
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令人惊讶的是 ， 刀刃边缘很少有磨损或削圆 。 相反 ， 沿着剃须刀边缘的某些区域形成了缺口 。
这就产生了另一个谜团：我们只能在特定的区域看到缺口 。 在什么情况下会产生这种缺口 ， 以及缺口产生的原因是什么?”
原位单根头发的切割实验
为了回答这个问题 ， Gianluca Roscioli制造了一个微型机械装置进行更多的控制剃须实验 。 该装置由一个可移动的平台组成 ， 平台两侧各有两个夹子 ， 一个用来夹剃须刀片 ， 另一个用来固定头发 。 他使用商用马氏体不锈钢刀片 ， 并将刀片设置成不同的角度和切割深度 ， 以模仿剃须的动作 。 头发样品包括他自己的以及从几个实验伙伴那里取样的头发 ， 总体上代表了各种各样的头发直径 。
实验发现 ， 不管头发有多厚 ， 头发损坏刀片的机制相同 。 当头发垂直于刀片切割时 ， 不会产生缺口 。 而当头发自由弯曲时 ， 缺口更容易出现 。 而这些缺口最常见的形成地是刀片的边缘和头发的侧面 。
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原位单发切割实验 ， 以测量剃须期间刀片边缘产生的负载 。 图片来源：  Gianluca Roscioli
为了确定这些缺口的形成条件 ， 研究小组利用计算机模拟了钢刀片切割一根头发的过程 。 在模拟刮胡子的过程中 ， 他们改变了切割角度、切割时施加力的方向 ， 以及最重要的 ， 刀片的钢成分 ， 并预测了三种刀片失效的情况：（1）刀片以一个角度接近头发；（2）刀片的钢成分是异质的；（3）发丝的边缘碰到刀片的异质结构的弱点 。
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这是一种应力强化的机制 ， 在这种机制中 ， 如果材料的结构有微裂纹 ， 施加到材料上的应力效果就会增强 。 一旦微裂纹形成 ， 材料的非均匀结构使这些裂纹很容易长成缺口 。
【剃须刀|头发这么柔软，为何会使剃须刀变钝？】制造好钢的秘密
Tasan说：“我们的模拟解释了材料的不均匀性是如何增加材料上的应力而使裂缝扩大的 ， 即使应力是由像头发这样的柔软材料施加的 。 ”
研究人员已经申请了一项临时专利 ， 将钢加工成更均匀的形状 ， 从而制造出更持久、更耐磨的刀片 。 基本想法是在保持高硬度的同时减少这种异质性 。


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