为什么刮胡子即使是最锋利的剃须刀也会变得迟钝？

剃须刀、手术刀和刀子通常由不锈钢制成，磨成剃刀般锋利的边缘，并涂上更坚硬的材料，如类钻石的碳。然而，刀子需要定期磨利，而剃须刀在切割比刀片本身柔软得多的材料后，通常会被更换。

现在，麻省理工学院的工程师们研究了近距离剃须的简单动作，观察剃须刀片在剪断人类头发时会如何受损--一种比剃须刀片本身柔软50倍的材料。他们发现，剃发使刀片变形的方式比简单地随着时间的推移磨损刀片要复杂得多。事实上，在特定条件下，一缕头发就可能导致刀片边缘碎裂。一旦形成初始裂纹，刀片很容易进一步碎裂。随着初始切屑周围积累更多的裂纹，剃须刀的边缘可能会很快变钝。

研究小组发现，刀片的微观结构起着关键作用。如果钢的组织不均匀，叶片更容易碎裂。刀片接近一缕头发的角度和钢的微观结构中存在的缺陷也是引发裂纹的原因之一。

研究小组的发现也可能为如何保持刀片的锋利程度提供线索。例如，在切蔬菜时，厨师可能会考虑直切，而不是斜切。在设计更耐用、更耐切屑的刀片时，制造商可能会考虑用更同质的材料制造刀具。

麻省理工学院托马斯·B·金冶金副教授C.Cem Tasan说：“我们的主要目标是理解一个或多或少每个人都知道的问题：为什么刀片在与更软的材料相互作用时会变得无用。”我们找到了失败的主要因素，这使我们能够确定一条新的加工路径，以制造寿命更长的叶片。

塔桑和他的同事们今天在“科学”杂志上发表了他们的研究结果。他的合著者是第一作者、麻省理工学院研究生Gianluca Roscioli和麻省理工学院博士后Seyedeh Mohadeseh Taheri Mousavi。

麻省理工学院材料科学与工程系的Tasan团队探索金属的微观结构，以便设计出具有非凡抗损伤能力的新材料。

塔桑说：“我们是冶金学家，想知道是什么控制了金属的变形，这样我们就能制造出更好的金属。”“在这种情况下，耐人寻味的是，如果你切割一些非常软的东西，比如人的头发，用一些非常硬的东西，比如钢，硬的材料就会失效。”

为了确定剃人头发时剃须刀片失效的机制，Roscioli首先进行了一些初步实验，使用一次性剃须刀刮自己的面部毛发。每次刮完胡子后，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的推移磨损的。

扫描电子显微镜下的原位毛发切割实验，显示了切屑过程。提供者：詹卢卡·罗西奥利(Gianluca Roscioli)。

令人惊讶的是，这些实验显示，随着时间的推移，磨损量很小，或者说是从锋利的边缘变圆。相反，他注意到沿着剃须刀边缘的特定区域形成了碎屑。

Tasan说：“这创造了另一个谜团：我们看到了碎屑，但没有看到到处都是碎屑，只在某些地方看到了碎屑。”“我们想知道，这种碎屑是在什么条件下发生的，失败的原因是什么？”

为了回答这个问题，Roscioli建造了一个小型微型机械设备来进行更可控的剃须实验。该装置由一个可移动的工作台组成，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。他使用商用剃须刀的刀片，将刀片设置在不同的角度和切割深度，以模仿剃须的行为。

该设备的设计适合于安装在扫描电子显微镜内，在进行多次切割实验时，Roscioli能够在扫描电子显微镜上拍摄头发和刀片的高分辨率图像。他使用自己的头发，以及从他的几个实验室采集的头发样本，总体上代表了广泛的头发直径。

现场进行了单发切割实验，以测量剃须过程中刀片边缘产生的载荷。

不考虑头发的厚度，Roscioli观察到头发损坏叶片的相同机制。就像在他最初的剃须实验中一样，Roscioli发现头发导致刀片的边缘碎裂，但只在某些地方。

当他分析在切割实验中拍摄的SEM图像和电影时，他发现当头发垂直于刀片切割时，没有出现碎屑。然而，当头发可以自由弯曲时，更有可能出现碎屑。这些碎屑通常形成在刀片边缘与发束两侧交汇的地方。

为了了解哪些条件可能导致这些碎屑的形成，研究小组进行了计算模拟，在模拟中，他们模拟了切割一根头发的钢刀片。当他们模拟每一次剃发时，他们改变了某些条件，比如切割角度，切割时施加的力的方向，最重要的是，刀片的钢的成分。

他们发现，模拟在三种情况下预测了失败：当刀片以一定角度接近头发时，当刀片的钢成分不均匀时，以及当发束的边缘与刀片在其不均匀结构中的薄弱环节相遇时。

塔桑说，这些情况说明了一种被称为应力强化的机制，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的影响就会增强。一旦最初的微裂纹形成，材料的异质结构使这些裂纹很容易生长成碎片。

Tasan说：“我们的模拟解释了材料中的异质性是如何增加该材料上的应力的，因此即使应力是由像头发这样的柔软材料施加的，裂纹也会扩展。”

研究人员已经为一种工艺申请了临时专利，该工艺将钢加工成更均匀的形式，以制造更持久、更耐切屑的叶片。

“基本的想法是减少这种异质性，同时我们保持高硬度，”Roscioli说。“我们已经学会了如何制造更好的叶片，现在我们想做这件事。”