Hvorfor barbering gør selv de skarpeste barbermaskiner sløve

Barbermaskiner, skalpeller, og knive er normalt fremstillet af rustfrit stål, slebet til en knivskarp kant og belagt med endnu hårdere materialer såsom diamantlignende kulstof. Imidlertid, knive kræver regelmæssig slibning, mens barbermaskiner rutinemæssigt udskiftes efter at have skåret materialer langt blødere end selve knivene.

Nu har ingeniører ved MIT studeret den simple handling at barbere sig tæt på, observere, hvordan et barberblad kan blive beskadiget, når det skærer menneskehår – et materiale, der er 50 gange blødere end selve bladet. De fandt ud af, at hårbarbering deformerer et blad på en måde, der er mere kompleks end blot at slide kanten over tid. Faktisk, et enkelt hårstrå kan få kanten af ​​en klinge til at flise under særlige forhold. Når først der dannes et sprække, bladet er sårbart over for yderligere skår. Efterhånden som flere revner akkumuleres omkring den første chip, barbermaskinens kant kan hurtigt sløve.

Bladets mikroskopiske struktur spiller en nøglerolle, holdet fandt. Bladet er mere tilbøjeligt til at flise, hvis stålets mikrostruktur ikke er ensartet. Klingens tilnærmelsesvinkel til en hårstrå og tilstedeværelsen af ​​defekter i stålets mikroskopiske struktur spiller også en rolle i at initiere revner.

Holdets resultater kan også give fingerpeg om, hvordan man bevarer en knivs skarphed. For eksempel, i at skære grøntsager, en kok kunne overveje at skære lige ned, snarere end på skrå. Og ved at designe længerevarende, mere spånbestandige klinger, producenter kan overveje at lave knive af mere homogene materialer.

"Vores hovedmål var at forstå et problem, som mere eller mindre alle er klar over:hvorfor klinger bliver ubrugelige, når de interagerer med meget blødere materiale, " siger C. Cem Tasan, Thomas B. King lektor i metallurgi ved MIT. "Vi fandt hovedingredienserne i fiasko, hvilket gjorde det muligt for os at bestemme en ny behandlingsvej for at lave blade, der kan holde længere."

Tasan og hans kolleger har offentliggjort deres resultater i tidsskriftet Videnskab . Hans medforfattere er Gianluca Roscioli, hovedforfatter og MIT kandidatstuderende, og Seyedeh Mohadeseh Taheri Mousavi, MIT postdoc.

Et mysterium om metallurgi

Tasans gruppe i MIT's Department of Materials Science and Engineering udforsker mikrostrukturen af ​​metaller for at designe nye materialer med enestående skadesbestandighed.

"Vi er metallurger og ønsker at lære, hvad der styrer deformation af metaller, så vi kan lave bedre metaller, " siger Tasan. "I dette tilfælde, det var spændende, at hvis du skærer noget meget blødt, som menneskehår, med noget meget hårdt, som stål, det hårde materiale ville fejle."

For at identificere de mekanismer, hvorved barberblade fejler, når man barberer menneskehår, Roscioli udførte først nogle indledende eksperimenter, bruge engangsbarbermaskiner til at barbere sit eget ansigtshår. Efter hver barbering, han tog billeder af barberknivens kant med et scanningselektronmikroskop (SEM) for at spore, hvordan bladet blev slidt ned over tid.

Overraskende nok, eksperimenterne viste meget lidt slid, eller afrunding af den skarpe kant over tid. I stedet, han bemærkede, at der dannedes spåner langs visse områder af barberknivens kant.

"Dette skabte endnu et mysterium:Vi så skår, men så ikke spåner overalt, kun visse steder, "Siger Tasan." Og vi ville forstå, under hvilke forhold finder denne flisning sted, og hvad er ingredienserne til fiasko?"

En chip af den nye klinge

For at besvare dette spørgsmål, Roscioli byggede en lille, mikromekaniske apparater til at udføre mere kontrollerede barberingseksperimenter. Apparatet består af en bevægelig scene, med to klemmer på hver side, den ene til at holde et barberblad og den anden til at forankre hårstrå. Han brugte knive fra kommercielle barbermaskiner, som han satte i forskellige vinkler og skæredybder for at efterligne barberingen.

Apparatet er designet til at passe ind i et scanningselektronmikroskop, hvor Roscioli var i stand til at tage billeder i høj opløsning af både håret og bladet, mens han udførte flere skæreeksperimenter. Han brugte sit eget hår, samt hårprøvet fra flere af hans laboratoriekammerater, samlet set repræsenterer en bred vifte af hårdiametre.

Uanset hårets tykkelse, Roscioli observerede den samme mekanisme, hvormed hår beskadigede et blad. Ligesom i hans indledende barberingseksperimenter, Roscioli fandt ud af, at hår fik bladets kant til at flise, men kun på bestemte steder.

Da han analyserede SEM-billederne og -filmene taget under skæreeksperimenterne, han fandt ud af, at der ikke forekom chips, da håret blev klippet vinkelret på bladet. Når håret var frit til at bøje, imidlertid, Der var større sandsynlighed for, at der opstod chips. Disse chips dannes oftest på steder, hvor bladets kant mødte siderne af hårstråene.

For at se, hvilke forhold der sandsynligvis forårsagede, at disse chips dannedes, holdet kørte beregningssimuleringer, hvor de modellerede en stålklinge, der skærer gennem et enkelt hår. Da de simulerede hver hårbarbering, de ændrede visse betingelser, såsom skærevinklen, retningen af ​​kraften, der anvendes ved skæring, og vigtigst af alt, sammensætningen af ​​bladets stål.

De fandt ud af, at simuleringerne forudsagde fejl under tre forhold:når bladet nærmede sig håret i en vinkel, når bladets stål var heterogent i sammensætning, og når kanten af ​​en hårstrå mødte bladet på et svagt punkt i dets heterogene struktur.

Tasan siger, at disse forhold illustrerer en mekanisme kendt som stressintensivering, hvor effekten af ​​en spænding påført et materiale forstærkes, hvis materialets struktur har mikrorevner. Når der først dannes en mikrorevne, materialets heterogene struktur gjorde det muligt for disse revner let at vokse til spåner.

"Vores simuleringer forklarer, hvordan heterogenitet i et materiale kan øge belastningen på det materiale, så en revne kan vokse, selvom stressen påføres af et blødt materiale som hår, " siger Tasan.

Forskerne har indgivet et foreløbigt patent på en proces til at manipulere stål til en mere homogen form, for at gøre længerevarende, mere spånsikre klinger.

"Den grundlæggende idé er at reducere denne heterogenitet, mens vi holder den høje hårdhed, " siger Roscioli. "Vi har lært, hvordan man laver bedre knive, og nu vil vi gøre det. "