就算是坚硬如钢的“猛男”，内心深处也会有一个柔软的角落

原创 普普 趣科普

中国原始社会末期，人类已经不满足于用石块、竹木和骨头等原料制造的器物。

以金属铜为原材料的武器开始慢慢出现，而在之后漫长的冷兵器时代，一代又一代的“打铁”猛男们对原材料和工艺进行了优化，打造了历尽千年后依旧泛着冷光的锋利刀具。

如今，切割工艺已经有了翻天覆地的变化，应用场景也扩展到制造业、医药、食品和家居用品等领域。虽然不同领域对材料的要求各不相同，但总的来说，需要满足两个基本目标：耐磨性和硬度。

为此，一般具有锋利边缘的物品（如菜刀）会在其表面加上各种涂层增加耐磨性。

而硬度一般由钢材的结构所决定，以目前使用广泛的马氏体微结构不锈钢为例，这种钢材包括原奥氏体晶界、板条、板条束、渗碳体等层级，并且具有高度分布不均匀的位错密度。

虽然这些术语看起来让人一脸懵逼，不过大家只需要知道，所有这些结构特征能让马氏体钢材变得更硬，但这种层级分布也带来了一个问题：钢材内部的微观力学分布不均。

而这会让看起来坚硬无比的钢材处理柔软的材料时，出现破损。

最典型的例子莫过于刮胡刀，男士使用刮胡刀一直是一个玄学问题，因为不管如何爱护，没多久后还是会感觉刀片变钝了。

很长一段时间以来，研究人员认为变钝的主要原因是由于刮胡刀在每次使用后，都会有不同程度的磨损，使刀片变得更加圆滑。

可问题是，从硬度对比上，钢的硬度是胡须的50倍，毕竟“吹毛可断”并不是说说而已，因此很多人并不能认可这种说法。

直到麻省理工学院Cemal Cem Tasan教授课题组通过扫描电镜观察了刮胡刀切断胡须的过程，从微观上探索了金属结构，结果发现：刀片变钝源于胡须和钢材之间更为复杂的相互作用。

为了确定刮胡刀变钝的具体机理，课题组成员Gianluca Roscioli慷慨贡献了自己的胡须。他首先进行了一些初步试验，使用市面上的一次性剃须刀剃掉自己面部的胡须，每次刮胡后，再使用电镜扫描刮胡刀边缘的图像，以此来追踪刀片随时间的磨损情况。

而出人意料的是，实验结果表明磨损很少，不过，他注意到剃须刀某些区域产生了明显的碎屑。

但这又带来了新的疑问，为什么碎屑只在一些特定区域内出现，而不是整个刀片边缘都有呢？

为了回答这个问题，Roscioli又设计了一个可控的小型机械装置，来模拟使用刮胡刀剃胡须的场景，并从实验室收集了各种不同的胡须样本用于实验。

接下来Roscioli拍摄了在多次切割后胡须和刀片的电镜图像，结果不论头发的长短粗细，他都观察到了相同的机制，即胡须把刀片崩出了几个小缺口。

不过在他分析实验中的图像后，还是发现有一种情况下刀片毫发无伤，就是当刀片与胡须呈垂直方向时。

但是，当胡须自由弯曲出现一定角度时，观察到了更多的刀片碎屑，而这种情况也更贴近于生活场景。

因此该团队又进行了计算机仿真模拟，通过改变单一变量来判断是何种原因让刀片出现了缺口。

模拟结果给出了三个答案：一个是当刀片从非垂直角度切割时；另外不同的钢材成分也会对刀片效果造成影响；以及刀片异质结构的薄弱点恰好遇上了胡须。

前两个很好理解，而第三个其实就像每个猛男心中都有一个“柔软角落”，钢材的表面也软硬兼具。并且人的胡须也并非圆滑的圆柱形，在胡须的外层有一圈包裹的硬角质层。

当刀片薄弱部分一头撞上后，被切开的角质层就像一个撬杠，会对刀片施加一个变形力，导致刀片出现微裂纹。

“千里之堤毁于蚁穴”，同样的道理，裂纹的出现让施加在钢材上的应力影响变得更强，而钢材的异质结构使这些裂纹更易发展成为小碎片。

其实除了刮胡刀，日常生活中使用菜刀切割番茄、土豆等较软的食材也会出现类似的情况。而这项研究希望设计出更出色的抗破坏性新材料，在减少钢材的异质性的同时，还能保持高水准的硬度。

李金许, 大村孝仁, 津崎兼彰. 微结构对中碳马氏体钢纳米硬度分布的影响[J]. 中国科学E辑:工程科学 材料科学, 2005, 11(11):9-18.

佚名. 钢中马氏体的形态、性质及其应用[J]. 江苏机械, 1976(02):5-35.

https://news.mit.edu/2020/why-shaving-dulls-razors-0806

图片来源于：Google、bing图片

更新时间：每周一、三、五

我们旨在分享优质文章、原创作品，与您共同学习成长

本文如有侵权欢迎原作者及时与我们取得联系，署名或删除

如对本文有所意见或发现错误欢迎指正

原标题：《就算是坚硬如钢的“猛男”，内心深处也会有一个柔软的角落》

阅读原文