導讀：儘管剃鬚刀刀片的硬度是毛髮硬度的50倍，在長期使用後刀片也會變鈍。傳統的觀點認為，刀片塗層的磨損變圓和脆裂是造成這一現象的原因。來自麻省理工學院的研究者們揭示了一種不同的機制：刀片變鈍是面外彎曲、微觀結構不均勻性和粗糙的刀片邊緣（刀片邊緣的微觀缺口）共同作用的結果。如果三種因素疊加，還有可能產生斷裂。
刀具工具鋼通常具有馬氏體組織，同時，其碳化物含量較高並覆有各種塗層，因此展現出相對較好的硬度和耐磨性。但是，在切割毛髮，奶酪或土豆等較為柔軟的材料時，這類鋼有時卻很難用。在日常生活中這是常見的現象，但是人們對於潛在的微觀機理卻知之甚少。這些材料的結構較為複雜，相互作用的邊界條件也難以定義，給研究帶來了一定的難度。為了解決這一問題，研究人員採用兩套微觀力學實驗設備，進行了間歇實驗和原位電子顯微鏡切割實驗，通過實驗分析和數值模擬揭示了這一現象的關鍵原因：板條馬氏體結構的空間變化引起了II型、III型混合開裂，隨後產生了明顯的磨損。相關論文以題為“How hair deforms steel”發表在國際頂刊《Science》上。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1126/science.aba9490
在長久的歷史中，人類不斷對材料和工藝進行優化，以生產出鋒利的刀刃，用在餐具，武器，刀片和其他工具上。如今，切割過程無處不在，被廣泛用於醫療業，製造業，食品加工業和家用電器行業。儘管每種應用都有特定的工藝要求，但材料設計的總體目標通常是相同的：鋒利和高硬度。例如，用於剃鬚刀刀片的典型金屬材料是富含碳化物的板條馬氏體不鏽鋼，加工時將其打磨成17°傾角，40 nm尖端半徑的楔形，以保證刀具的鋒利。同時，該材料覆有更硬的塗層，例如類金剛石碳；同時還會塗上聚四氟乙烯層以減少摩擦。和刀具相比，毛髮的硬度相差超過一個數量級（圖1A）。但儘管如此，剃鬚刀的使用者仍會發現，板條馬氏體鋼在剔除毛髮時會逐漸失去其鋒利的特點。這種刀具性能的退化在其他的切割過程中也廣泛存在，提高了刀具的使用成本和環境成本。
在剃鬚過程中，磨損確有發生，但是研究表明失效機制實際更加複雜。首先，這兩種相互作用的材料具有多層微觀結構，展現出各向異性和與尺寸相關的力學響應（圖1A）。板條馬氏體鋼的微觀結構顯示，在原奧氏體內，有不同形狀的板條群和高密度、不均勻分佈的位錯。由於自回火現象，條狀馬氏體形成之後，碳原子仍有一定擴散能力，在位錯線上偏聚，析出碳化物粒子。
這些結構特徵使得馬氏體鋼具有較高的硬度，但其微觀力學響應卻隨之變得更加複雜。與之相似的是，人的頭髮是一種高度各向異性的複合材料。它具有非圓形的橫截面，平均直徑在80到200μm之間。這種複合材料的外層是硬質表皮，中間層則是沿毛髮方向拉長的纖維，比硬質表皮柔軟了三倍。中空的內層為髓質結構，對切削幾乎沒有力學響應。毛髮具有吸溼性，在存在水分的情況下，其細胞結構會發生變化，以容納水分子，進而降低了彈性模量和屈服強度。刀片和毛髮都是各向異性的，力學性能也均與尺寸相關，因而它們的力學響應也都取決於應力狀態和受力體積。 圖1 材料特徵和剃鬚過程力學分析
為了測量實際剃鬚條件下刀片的磨損，研究人員對一次性剃刀進行了間歇實驗，並在使用的各個階段，利用SEM對刀片的不同區域進行了分析。
圖2 兩組SEM原位剃鬚試驗
為了更好地瞭解在其他失效模式（疲勞，腐蝕和磨損）發生之前，刀具退化的發展情況，研究人員使用微觀力學實驗設備進行了25次原位SEM測試。
圖3 該過程的有限元模擬和相關分析
與此同時，研究人員還採用三維參數化有限元模擬，確定了粗糙度和受力方向對這一過程的影響。
圖4 影響這一過程的關鍵因素
本文認為，實驗分析和數值模擬的結果表明，剃鬚過程引起了板條馬氏體鋼中的損傷形核，擴展和聚結，並且這些行為發生在其他失效模式之前（磨損，塗層脆裂）。這一研究將幫助設計者改進設計方法，實現材料的增壽並避免過多的消耗，同時也將為其他研究提供新的啟發。（文：嶽夏）
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