Rakhyvlar, skalpeller, och knivar är vanligtvis gjorda av rostfritt stål, slipad till en knivskarp kant och belagd med ännu hårdare material som diamantliknande kol. Dock, knivar kräver regelbunden slipning, medan rakhyvlar rutinmässigt byts ut efter att ha klippt material som är mycket mjukare än själva bladen.

Nu har ingenjörer vid MIT studerat den enkla handlingen att raka på nära håll, observerar hur ett rakblad kan skadas när det klipper av människohår – ett material som är 50 gånger mjukare än själva bladet. De fann att hårrakning deformerar ett blad på ett sätt som är mer komplext än att bara slita ner kanten med tiden. Faktiskt, ett enda hårstrå kan få kanten på ett blad att flisa under specifika förhållanden. När en första spricka bildas, bladet är känsligt för ytterligare flisning. När fler sprickor samlas runt det första chipet, rakhyvelns kant kan snabbt mattas.

Bladets mikroskopiska struktur spelar en nyckelroll, laget hittade. Bladet är mer benäget att flisa om stålets mikrostruktur inte är enhetlig. Bladets närmande vinkel mot ett hårstrå och förekomsten av defekter i stålets mikroskopiska struktur spelar också en roll för att initiera sprickor.

Teamets resultat kan också ge ledtrådar om hur man bevarar ett blads skärpa. Till exempel, i att skära grönsaker, en kock kan överväga att skära ner, snarare än i vinkel. Och när det gäller att designa mer långvariga, mer spånbeständiga blad, Tillverkare kan överväga att tillverka knivar av mer homogena material.

"Vårt huvudmål var att förstå ett problem som mer eller mindre alla är medvetna om:varför blad blir oanvändbara när de interagerar med mycket mjukare material, " säger C. Cem Tasan, Thomas B. King docent i metallurgi vid MIT. "Vi hittade huvudingredienserna för misslyckande, vilket gjorde det möjligt för oss att bestämma en ny processväg för att göra blad som kan hålla längre."

Tasan och hans kollegor har publicerat sina resultat i tidskriften Vetenskap . Hans medförfattare är Gianluca Roscioli, huvudförfattare och MIT doktorand, och Seyedeh Mohadeseh Taheri Mousavi, MIT postdoc.

Ett metallurgimysterium

Tasans grupp vid MIT:s institution för materialvetenskap och teknik utforskar metallers mikrostruktur för att designa nya material med exceptionell skadebeständighet.

"Vi är metallurger och vill lära oss vad som styr deformationen av metaller, så att vi kan göra bättre metaller, " säger Tasan. "I det här fallet, det var spännande att om du skär något mycket mjukt, som människohår, med något väldigt hårt, som stål, det hårda materialet skulle misslyckas."

För att identifiera de mekanismer med vilka rakbladen misslyckas när man rakar människohår, Roscioli utförde först några preliminära experiment, använda engångsrakhyvlar för att raka sitt eget ansiktshår. Efter varje rakning, han tog bilder av rakhyvelns kant med ett svepelektronmikroskop (SEM) för att spåra hur bladet försvann över tiden.

Förvånande, experimenten visade mycket lite slitage, eller avrundning av den skarpa kanten med tiden. Istället, han märkte att flis bildades längs vissa delar av rakhyvelns kant.

"Detta skapade ett annat mysterium:vi såg flisning, men såg inte flisning överallt, endast på vissa platser, " säger Tasan. "Och vi ville förstå, under vilka förhållanden sker denna flisning, och vad är ingredienserna för misslyckande?"

Ett spån av det nya bladet

För att svara på denna fråga, Roscioli byggde en liten, mikromekaniska apparater för att utföra mer kontrollerade rakningsexperiment. Apparaten består av ett rörligt bord, med två klämmor på vardera sidan, en för att hålla ett rakblad och den andra för att förankra hårstrån. Han använde knivblad från kommersiella rakhyvlar, som han satte i olika vinklar och skärdjup för att efterlikna rakningen.

Apparaten är utformad för att passa in i ett svepelektronmikroskop, där Roscioli kunde ta högupplösta bilder av både håret och bladet när han utförde flera skärexperiment. Han använde sitt eget hår, samt hår som tagits från flera av hans labbkamrater, överlag representerar ett brett spektrum av hårdiametrar.

Oavsett hårets tjocklek, Roscioli observerade samma mekanism genom vilken hår skadade ett blad. Precis som i sina första rakningsexperiment, Roscioli fann att hår fick bladets egg att flisa, men bara på vissa ställen.

När han analyserade SEM-bilderna och filmerna som togs under skärningsexperimenten, han fann att det inte uppstod några nagg när håret klipptes vinkelrätt mot bladet. När håret var fritt att böja sig, dock, Det var mer sannolikt att chips uppstod. Dessa flisar bildas oftast på ställen där bladkanten mötte sidorna av hårstråna.

För att se vilka förhållanden som troligen orsakade att dessa marker bildades, teamet körde beräkningssimuleringar där de modellerade ett stålblad som skär genom ett enda hårstrå. När de simulerade varje hårrakning, de ändrade vissa villkor, såsom skärvinkeln, riktningen för kraften som appliceras vid skärning, och viktigast av allt, sammansättningen av bladets stål.

De fann att simuleringarna förutspådde fel under tre förhållanden:när bladet närmade sig håret i en vinkel, när bladets stål var heterogent till sin sammansättning, och när kanten på ett hårstrå mötte bladet vid en svag punkt i dess heterogena struktur.

Tasan säger att dessa tillstånd illustrerar en mekanism som kallas stressintensifiering, där effekten av en spänning som appliceras på ett material förstärks om materialets struktur har mikrosprickor. När en första mikrospricka bildas, materialets heterogena struktur gjorde det möjligt för dessa sprickor att lätt växa till flis.

"Våra simuleringar förklarar hur heterogenitet i ett material kan öka spänningen på det materialet, så att en spricka kan växa, även om stressen utövas av ett mjukt material som hår, " säger Tasan.

Forskarna har lämnat in ett provisoriskt patent på en process för att manipulera stål till en mer homogen form, för att göra mer hållbara, mer spånbeständiga blad.

"Grundtanken är att minska denna heterogenitet, medan vi behåller den höga hårdheten, " säger Roscioli. "Vi har lärt oss hur man gör bättre blad, och nu vill vi göra det."