导读：用于锋利边缘或工具的钢通常具有马氏体组织、高碳化物含量和各种涂层，以显示高硬度和耐磨性。然而，在切割胡须、奶酪或土豆等较软的材料时，它们就几乎无法使用了。尽管这是一种日常观察，但由于相互作用材料的结构复杂性和它们共同变形的复杂边界条件，潜在的物理微观机制尚不清楚。为了揭开这种复杂性。我们进行了中断测试和原位电子显微镜实验与两个微观机械测试设置。结果表明，板条马氏体结构的空间变化是导致明显磨损前出现混合模式Il-ll裂纹的关键因素。人类已经对材料和工艺进行了优化，以生产出几千年的锋利边缘，这些材料将用作器皿、剑、刀片和其他工具。如今，切割工艺通常用于各种行业，包括医药，制造业，食品加工和家用电器。尽管每种应用都有特定的工程要求，但总体材料设计目标通常是相同的：实现高清晰度和硬度。例如，用于直剃刀刀片的典型金属材料是富含碳化物的板条马氏体不锈钢，珩磨成楔形几何形状以17°的角度和40 nm的尖端半径获得所需的锐度（图1A）。该材料涂覆有甚至较硬的材料，例如类金刚石碳和最后的聚四氟乙烯层以减少摩擦。即使那样，如剃刀使用者通常所经历的那样，硬板条马氏体钢在剪掉头发时逐渐失去其功能，这种材料的柔软度超过一个数量级（图1A中的硬度）。这种材料的性能下降在其他厨房刀具的切割操作是共同的，为了解决这一问题，麻省理工学院（MIT）Cemal Cem Tasan教授课题组利用扫描电子显微镜表征了刮胡刀切断胡须的过程，还进行了计算模拟，发现刮胡刀的刀刃材质（组成在微观上是否均匀）、刀刃切割胡须时的角度（是否垂直）以及切割时刀刃与胡须的相对位置（刀刃易损坏的点是否遇到胡须边缘），对刀刃的使用寿命具有重要的影响。相关论文以题为“How hair deforms steel”发表在国际顶刊《Science》上。论文链接：https://science.sciencemag.org/content/369/6504/689为了研究刮胡刀逐渐变钝的机理，本文第一作者Gianluca Roscioli贡献出了自己脸上的胡须，他用市售刮胡刀刮胡子，尽管在理发过程中确实会出现磨损，但由于两个原因，失效机制更为复杂。首先，这两种相互作用的材料具有各向异性和依赖于尺寸的分层微观结构(图1A)。板条马氏体钢具有层序:前奥氏体、包、块、亚块和板条边界(图1A)和高密度不均匀分布的位错。在淬火过程中，固溶中会捕获间隙碳，但回火或自回火会导致碳修饰位错或析出为碳化物。所有这些结构特征使亚铁马氏体具有高硬度，但微观力学响应不均匀。同样，人的胡须是非圆截面的高度各向异性复合材料，平均直径在80 ~ 200 um之间。外层为约170-MPa的硬角质层，形成壳状结构，细胞排列如屋顶瓦(图1A)。中间的皮层比头发柔软三倍，由沿头发方向拉长的多层原纤维组成。髓质是中空的内层，对切割响应的力学贡献很小。因为胡须是吸湿的，在有水分存在的情况下，它的细胞结构会改变以适应水分子，从而降低弹性模量和屈服强度。刀片和头发都是各向异性的，并表现出依赖于尺寸的机械行为。这产生了一个依赖于应力状态和促成变形的体积的机械响应。其次，即使在一次切割操作中，它们的共变形边界条件也会动态变化(图1B)。在剃须期间，每一根头发可以被表示为一个灵活的悬臂，在末端准固定的皮肤和完全自由的另一端。在这种情况下，当刀片接近胡须时，头发可以自由弯曲，并在切割过程中穿透胡须，从而影响变形模式(图1B)。胡须主要经历l模式打开。根据毛是否弯曲(图1B)，应力(i)施加在裂纹的两个表面(直压痕，y= 0)或(i)仅施加在两个表面中的一个。这导致了纯模式ll应力在前一种情况下叶片或混合模式Il-Il应力在后一种情况。切割问题的几何性进一步要求，在切割的不同阶段，两种材料的不同体积相互作用，导致变形过程。
图1 剃须过程的材料和力学。（A）胡须和马氏体钢刀片都具有复杂的层次结构。前者是层状各向异性材料。同时，后者具有精细的板条马氏体结构（EBSD-反极图图），具有不均匀分布的碳化物（插图中以蓝色突出显示）。如刻度所示，这两种材料的硬度差异很大（〜50倍）。（B）在理发期间刀片上的应力状态取决于力角γ，使得在纯平面内剪切和平面外剪切之间的任何构造都是可能的。（C）叶片从未使用状态（C-1）到尖锐边缘的初始裂纹成核，局部弯曲（C-2）到最终的延性破坏（C-3）的变形顺序。
图2 两组原位SEM理发实验。（A到C）胡须切割实验，以确定潜在的损坏机制。（A）和（B）显示了用于现场切割多根胡须的实验装置的光学和SEM图像；同时，（C）通过一系列图像（从电影S2着色）提供了一个代表性的结果示例，其中一根头发在刀片中产生两个碎片。刀片上的珩磨痕迹的波纹是成像伪影，这是由于刀片在成像期间沿垂直方向前进。（D至F）单发原位SEM切割力测量。（D）和（E）显示了实验装置的光学和SEM图像；同时，（E）通过一系列与负载-位移图中突出显示的点相对应的实验图像提供了代表性的结果。
图3 切口在剃须过程中会产生临界应力，并且能量释放速率取决于材料的异质性和作用力角。（A）仿真模型，用于确定随着临界应力的增大，缺口的位置与头发所施加的力的角度有关。从左侧开始的前四个凹口与头发接触，第五个凹口与头发边缘接触（（B）中的棕色虚线），其他凹口不与头发接触。（B）冯·米塞斯（Von Mises）沿刀片中平面的应力分布是由于笔直的凹痕（顶部）和方向为35°（底部）的力引起的。（C）使用（A）中报告的颜色代码和标记形状，在选定槽口的尖端处的米塞斯应力演化图作为力角γ的函数。UTS，极限拉伸强度。（D）分析模型的结果（插图中的模型）是一种薄的，双材料的，半无限厚的板，板的厚度恒定，并且在界面处有侧向凹口。E，杨氏模量。（E到H）模型（E）和结果（F到H）的有限元模拟，以确定能量释放速率与材料（Mat）异质性和力角γ的关系，该应力从缺口处随着临界应力增强而扩展（在附近）沿着不同的可能的裂纹扩展角度θ）。在（D）和（F至H）中，灰色和红色曲线分别代表均质和非均质材料。C，符合标准（模量为170 GPa）; F，力；S，刚性（模量为200 GPa）。
图4 剃须时板条马氏体失效的关键因素。从左至右显示了影响剃刀刀片崩裂的三个因素：（i）毛发入射角，（ii）微观结构中以及沿锋利边缘的凹凸处存在异质性，以及（iii）凹凸与边缘之间的相对位置剪到一半时的头发。失败概率取决于是否同时满足这些条件。通过我们的实验，分析和数值结果，我们已经表明，理发会导致板条马氏体钢中的损伤形核，生长和聚结（以碎屑的形式），并且由于磨损效应，这些发生在其他建议的失效模式之前或脆性硬涂层。这种失效过程需要同时存在：（i）足够水平的胡须弯曲以产生具有相当大的III型分量的应力；（ii）叶片边缘上的加工引起的粗糙，其两侧的微观结构成分具有足够不同的特性；（iii）放置胡须，使最外圆周点与凹凸不平处对齐（产生最大的应力增强），并与包含较柔顺成分的一侧接触（图4）。因为只有在极少数情况下才能同时满足这些条件，所以胡须引起的碎屑并不常见，典型的商用刀片只有多次使用后才会失效。多个标准的存在还证明了为何独立的验尸或原位分析无法揭示这种复杂断裂过程的全部性质。本文来自材料学网微信公众号，欢迎友好转载，转载请联系后台，未经许可，谢绝转载公众号时间轴改版，很多读者反馈没有看到更新的文章，据最新规则，建议：将“材料学网”公众号设为星标，或多次进公众号，阅读3-5篇文章，成为“常读”用户，就能及时收到了。