剃った後、かみそりの刃が鈍くなるのはなぜですか？

毎日私たちを取り巻く特定のオブジェクトがどのように機能するのか疑問に思ったことはありませんか。冷蔵庫が食べ物を冷やす方法、マイクロ波が食べ物を元の暖かさに戻す方法、Wi-Fiの仕組み、窓が雨を降らせない理由など。一部の人にとって、これらの質問は少し子供っぽく、素朴で、少しでも役に立たないように見えるかもしれません。それは機能し、それだけですが、それがどのように問題になるかはもう問題ではありません。それにもかかわらず、MIT（マサチューセッツ工科大学、米国）の科学者は、これらの質問の1つに答えることを決定しました。シェービング中にどのような機械的プロセスが発生し、人間の髪は鋼の50倍柔らかく、どのように損傷しますか、そしてこの研究の実際の応用は何ですか？これらの珍しい質問に対する答えは、科学者の報告書にあります。行く。

研究の基礎

私たちの種の社会的要素の長年の進化と発展の間に、私たちはさまざまな材料から多種多様な鋭い物体を作り出すことに成功しました。残念ながら、それらのほとんどの目的は、敵にダメージを与えることです：剣、短剣、矢じりなど。しかし、かなりの数の平和主義者の「知恵」もあります：かみそり、はさみ、ナイフ、シックル、サイスなど。



何世紀にもわたって、人々は上記の物体の鋭さの程度を高め、寿命を延ばすことを目的とした新しい合金と技術を生み出してきました。何かを切るプロセスそのものが、医学、家庭用電化製品、食品産業など、多くの産業に存在します。それぞれのケースには独自の特性がありますが、原理、したがってブレードの要件は同じままです-シャープネスと硬度（耐久性）。



たとえば、かみそりの刃に使用される典型的な金属材料は、高炭水化物マルテンサイト*ステンレス鋼板で、17°のくさび形に研ぎ澄まされ、半径40 nmで、目的のシャープネス（1A）が得られます。

マルテンサイト*は硬化鋼の主要な構造成分であり、初期オーステナイトと同じ濃度のα-鉄中の炭素の規則正しい過飽和固体溶液です（鉄とその合金の高温面心改質）。マルテンサイトは、針状（ラメラ）およびラス（パケット）タイプの微細構造です。

画像＃1



この材料の上には、さらに硬いダイ​​ヤモンドのような炭素がよく使用され、後者の上には、摩擦を減らすためにポリテトラフルオロエチレンの層が適用されます。



そのような複雑な構造にもかかわらず、かみそりは、材料と接触すると、時間の経過とともに鈍くなります〜50倍柔らかい髪（硬度は1A）。かみそりは、ある性質または別の性質のブレードの他のアプリケーションでも時間の経過とともにシャープネスが低下するため、この問題では一意ではありません。たとえば、キッチンナイフは、チーズやポテトのスライス専用に使用しても鈍くなります。



ただし、キッチンナイフとかみそりには大きな違いがあります。はい、鈍さはあちこちで発生しますが、かみそりでは鈍化メカニズム自体がはるかに複雑です。



まず、2つの相互作用する材料は、異方性でサイズに依存する機械的特性を持つ階層的な微細構造を持っています。ラスマルテンサイト鋼は、一次オーステナイト、パケット、ブロック、サブブロック、ラス境界の階層と、高密度の不均一に分布した転位を持っています。中間炭素は急冷中に固液に閉じ込められますが、焼き戻しまたは自動焼き戻し*により、炭素が転位をコーティングしたり、炭化物として沈殿したりする可能性があります

テンパリング* -マルテンサイトに硬化した合金または金属の熱処理プロセス。その主な要素は、マルテンサイトの分解、多角化、および再結晶です。

これらの構造的特徴はすべて、マルテンサイトに高い硬度を提供しますが、マイクロメカニカル応答は不均一です。





セクションの髪。



同様に、人間の髪の毛は、断面が非円形で平均直径が80〜200ミクロンの異方性の高い複合材料です。髪の外層は硬いキューティクル（〜170 MPa）で、屋根のタイルのように配置された細胞の鞘を形成します。中間層（皮質）は3倍柔らかく、髪の方向に沿って伸びるフィブリルの階層で構成されています。髪の毛の真ん中には髄質があります-かみそりの切断能力への機械的な寄与がかなり小さい中空の内層です。毛髪は吸湿性であるため、水分が存在すると、その細胞構造が水分子を収容するように変化し、弾性係数と降伏点の両方が低下します。



ブレードとヘアはどちらも異方性であり、サイズに応じて異なる機械的特性を示します。これにより、応力状態と変形に寄与する体積に依存する機械的応答が生成されます。



もう1つの重要な要素は、髪とかみそりの刃の関節変形の境界条件が、1回のシェービング操作中に文字通り変化する可能性があるという事実です（1B）。



科学者が説明しているように、シェービング中、個々の髪は柔軟なカンチレバーとして表現され、一方の端が皮膚に向かって準固定され、もう一方の端が完全に自由になります。この構成では、ブレードがそれに近づき、切断中に髪を貫通するときに髪が自由に曲がり、変形モードに影響を与えます。



髪は主にタイプIの固体の破壊力学を受けます（開口部-亀裂面に関連する引張応力）。髪が曲がるかどうかに応じて、亀裂の両方の表面（まっすぐなくぼみ、g = 0°）に応力がかかるか、2つの表面の一方にのみ応力がかかります。これにより、最初のケースではタイプIIの純粋な破壊が発生し、2番目のケースではタイプIIとIIIの混合破壊が発生します。

固体の破壊力学は、亀裂の伝播を促進するために力が加えられる方法に応じて、3つの主要なタイプに分けられます。

• タイプI（開口部）-亀裂面に関連する引張応力。
• タイプII（スリップ）-亀裂面に平行に、亀裂前面に垂直に作用するせん断応力。
• III () — , .

ご覧のとおり、科学者自身が主張しているように、従来のシェービングの背後には多くの複雑な側面があり、理解を深めるために詳細な検討が必要です。



このために、彼らは研究の対象がマルテンサイトステンレス鋼で作られたブレードであるこの研究を実施した。走査型電子顕微鏡（SEM / SEM）および電子後方散乱回折（EBSD）分析により、不均一に分布した炭化物（1Aに挿入）を含むラスマルテンサイトマトリックス（1A）が明らかになりました。硬度値も先端から70μm以内で測定されました（平均値は8.7±0.7GPaでした）。この指標の変動は、炭化物の存在、保持されたオーステナイト、およびマルテンサイト下部構造の不均一性によって引き起こされます。



実際のシェービング条件でのブレード摩耗の進展を測定するために、使い捨てカミソリカートリッジ（下の画像のサンプル1）の段階的なテストを実行し、さまざまな使用段階の後にSEMでさまざまな領域を追跡しました（ビデオ＃1）。









段階的摩耗試験（1、5、および10回のシェービング後）。



次に、画像分析を使用して、鋭いエッジに沿ったブレード摩耗の平均速度の定量的決定を行った。摩耗率は低いものであった：12nMの³ 5つのシェービング後/ Nmと13nmの³ 10のシェービング後/ nmでした。ただし、これらのテストでは、鋭いエッジ（1C）に沿ったチップの出現が明らかになりました。かみそりの刃はマクロレベルでは鋭く平らですが、未使用の場合でも（1C-1）、ミクロスケールでは「粗い」です。マイクロクラックが発生するのは、シェービング中のこれらの不規則性からです（1C-2）。すべての突起の中で、それが最大ではないかもしれませんが、それらのごく一部だけが亀裂を形成します。



これらのマイクロクラックは、最初はエッジに垂直に伝播し（1C-2）、次にそれらの方向に偏向して、最終的な劈開形状（1C-3）を形成します。



変形の痕跡（1C-2）は、マイクロクラックの方向が変わると、生成された劈開に属する鋭いエッジの部分が平面から曲がることを示しています。得られた破面にピットが存在することは、マルテンサイト構造が破砕前に塑性変形を示すことを示しています。対照的に、ハードコーティングは、基板の曲げの結果として脆性破壊の特徴を示した。



他のタイプの破壊（疲労、腐食、摩耗）を活性化する前にこのプロセスの進展をよりよく理解するために、片側にブレードを、反対側に単一または複数の毛を保持できるクランプを使用して、微小変形段階で25のSEMテストを実行しました（画像＃2およびビデオ番号2）。





画像No.2





SEMを使用して個々の毛を剃る実験。



ブレードをシェービング方向に21°傾けてブレードをよりリアルにすると（2B）、力の成分が不均等になり、プラスチックの変形や欠けが発生する場合がありました（2C）。



異なる直径の毛を使用したテストにより、裂け目のサイズは毛の直径にも、連続して切断される毛の数にも、切断の角度にも依存しないと結論付けることができました。



鋭いエッジの同じ部分は、ブレードが突然壊れ始めるまで目に見える変形を引き起こすことなく、異なる角度g（1B）で複数の毛を切ることができます（下のビデオ）。





SEMを使用して複数の毛を剃る実験。



チッピングは髪の毛の端で最も頻繁に発生することもわかっています。たとえば、1つのヘアでブレードに2つのスプリットを作成できます。各スプリットは、ヘアの一方の端から始まります（2C）。



さらに、チップは通常、ブレードの先端近くの高度に変形した約5μmの領域（1C）を超えて伸びます。したがって、観察された現象は、ホーニングによる影響とは関係ありません。



実験の2つのバリエーション（髪に潤いを与えるステップバイステップと乾いた髪で永続的）からのSEM画像の比較は、両方のケースで同じ破壊メカニズムを示しています（最初のケースでの破壊の強度の増加を除く）。



さらに、有限要素法による三次元モデリングは凹凸や変形や欠けにかかる負荷（の方向の役割を決定するために使用した図3（a） - （c）を）。





画像＃3



マルテンサイト鋼は、降伏強度が約1690MPaの均質な等方性弾塑性材料としてモデル化されました。 SEM分析によって決定されたサイズ（たとえば、1C-1）のくぼみ（スロット/ノッチ/ノッチ）がそれに追加されました。これにより、鋭いエッジに沿った極端な凹凸状態を再現し、片側のみに作用する均一に分布した表面接着力（50 MPa）としてブレードの切削応力をシミュレートすることができました（3A）。



最初のシミュレーションは、加えられた応力の方向に対して最も高い応力強度を持つ溝を見つけることに焦点を合わせました。3Bに



見られるように、髪の直接のくぼみ（0°の表面張力）は、髪と接触しているくぼみの応力の増加を引き起こしますが、これらの値は塑性変形を促進するのに十分な高さではありません。対照的に、ある角度で髪を剃ると、髪と接触しているブレードの領域でより高い応力値が作成され、髪の端に接触するくぼみで最大の応力が発生します 表面への付着角度（3C）の関数としての応力の分析は以下を示した：

• , ( 8.5°);
• , , ;
• , , ;
• , .

これらのシミュレーション結果は実験と完全に一致しており、その正確性が確認されています。ただし、それでも不一致がありました。実験のマイクロクラックとチップは、シミュレーションよりも低い角度で観察されました。



この違いを明確にするために、科学者たちは、ブレードのラスマルテンサイト構造の不均一性とマイクロクラックに対する感度の増加（3D - 3H）を関連付けるプロセスを仮定しました。モデルは、混合破壊（タイプII +タイプIII）の一定の厚さの薄いバイマテリアル半無限プレートの層間横方向亀裂のエネルギー放出率を計算するように適合され、亀裂は2つの材料間の界面に沿って伝播する可能性があります（3D）。さらに、純粋モードIIと純粋モードIIIの間で負荷の方向を並行して変更しながら、50MPaの応力を加えました。この場合、材料は同じポアソン比（0.3）であるが、ヤング係数が異なると見なされました。



その結果、モードIIからモードIIIへの移行に伴い、エネルギーの放出が増加することがわかった。平均値を一定に保ちながら2つの材料のヤング率を変更すると、エネルギー放出率曲線が垂直方向にシフトします。これは、2つの異なる材料の場合、亀裂が伝播する可能性が、同様の特性を持つ均質な材料の場合よりもはるかに高いことを示しています。



次に、科学者は、ブレードの形状（くぼみ自体の前の厚さの増加）と亀裂伝播のさまざまな方向（3E - 3H）を考慮して、ブレードの単一のくぼみの上部でのエネルギー放出率を分析するために、別の一連の3次元パラメトリックモデリングを実施しました。溝の反対側には、1つまたは2つの異なる材料が使用されました。





一本の髪を切るのに必要な力の測定。



元の方向（q = 0°）に沿って伝播する亀裂のエネルギー放出率は、モードIII（3F）の応力成分が増加するにつれて増加します。エネルギー放出の速度は、亀裂の伝播方向（3G）にも依存します。最大エネルギー放出速度に対応する臨界方向は、負荷の方向と材料の組み合わせ（3H）の両方に依存します。



層間のくぼみのある硬い材料（図のCとS）に隣接する柔らかい材料に荷重を加えると、反対の構成よりも亀裂が伝播しやすくなります。この状況での亀裂伝播の臨界角度も小さくなります（3G）。



さらに、鋭いエッジで発生するマイクロクラックは、ブレード軸（3Eのz軸）に対してある角度で伝播し、荷重がかかる領域に向かってずれます。



この伝播経路は、元の平面からの亀裂の曲げに寄与する力の非対称成分と、ブレードの軸に沿って厚さが増加するブレードの形状によって決定されます。





さまざまなシェービング角度でのブレード内の応力の分布。



材料の表面エネルギーが一定であると仮定すると、この軸に沿った亀裂の伝播によるエネルギー損失は、亀裂が一定の（または増加が少ない）厚さの方向に伝播する場合よりも大きくなります。この軸に沿って伝播が続くと、単位長さあたりの伝播領域が大きくなります。同じ理由で、亀裂は最終的にブレードの鋭いエッジに向かって戻り、チップを形成します。



分析および数値結果によって予測された微細構造の不均一性の機構的効果を確認するために、ヘアシェービング実験を実施した。これらの実験では、走査型顕微鏡と集束イオンビームにより、変形中の微細構造の詳細を見ることができました。実験で使用したブレードは部分的にフライス加工されており、マルテンサイトマトリックスとカーバイドの間にコントラストが生じ、損傷のメカニズムが明らかになりました（下の写真）。





半粉砕ブレードの顕微鏡検査。



実験によると、マイクロクラックは通常、マルテンサイトとカーバイドの間の界面で発生し、不規則性（左からB）に隣接し、髪がブレードのより柔軟なコンポーネントと接触しているときに発生します。次に、微小亀裂はある角度で伝播し、いくつかの炭化物-マトリックス界面での脱凝集または炭化物の亀裂（Bの右側）、およびそれらの間のマルテンサイト領域での微小塑性を引き起こします。



モデリング、計算、実験の結果の全体は、シェービングがラスマルテンサイト鋼の損傷の開始、それらの成長および合体*（チップの形で）を引き起こす可能性があることを示唆しています。また、チップが他の種類の損傷よりも早く現れることも明らかになりました。

合体* -体の表面（この場合）または移動媒体（ガス、液体）内の粒子の融合。

画像＃4



このプロセスでは、実装のためにいくつかの要素の組み合わせが必要です（上の画像）。

• IIIタイプの重要な要素でストレスを生み出すのに十分なレベルの髪の曲がり。
• ブレードのエッジの凹凸を処理することによって引き起こされ、両側にかなり異なる特性を持つ微細構造コンポーネントがあります。
• 髪の毛は、（張力を最大にするために）極値が上記の凹凸と揃うように配置され、より柔軟なコンポーネントを含む側と接触します。

このような状態が同時に非常にまれであることを考慮すると、従来のカミソリがすぐに（最初の使用後）ではなく、数回のシェービングサイクルの後にシェービングに適さなくなる理由が明らかになります。



研究のニュアンスについてのより詳細な知識については、科学者の報告とそれに追加された資料を調べることをお勧めします。

エピローグ

一定数の剃毛後にかみそりが鈍くなるという事実はよく知られており、理解されています。ただし、この作業では、科学者はかみそりの刃の摩耗中に発生する最小のプロセスを詳細に検討することを決定しました。この作品は、かみそりではなく、さまざまな業界で何かを切るために使用される合金やその他の材料に関するものです。材料に損傷を与える原因を知るために、それを回避する方法を見つけることができます。



科学者たちは、鋼の微細構造が均一でない場合、ブレードが欠けやすくなると指摘しました。当然のことながら、ブレードが毛と接触する角度、およびブレードの微細構造の欠陥も、亀裂の形成に重要な役割を果たします。



不思議なことに、鋼のかみそりの刃の実際の摩耗は、実験中にあまり増加しませんでした。ブレードは長い間鋭いままでしたが、エッジに欠けが形成され、かみそりの「性能」が損なわれました。この場合、チップは特定の場所でのみ形成されました。特定の条件下：ブレードが斜めに髪に接触しているとき、ブレードの鋼の組成が均一でないとき、および髪がその不均一性がより高い場所でブレードに接触しているとき。



主な結論は非常に単純です-かみそりはそれらの組成の不均一性のために鈍くなります。髪の毛はスチールよりもはるかに柔らかいですが、ブレードに使用されているスチールは一種の複合材料であるため、強度と損傷に対する耐性が大幅に低下します。材料の不均一性を減らすと、その機械的特性を大幅に向上させることができます。



将来的には、科学者は研究を継続し、新しい研究を開始する予定です。そこでは、ブレード用の鋼の新しい「レシピ」を探します。これにより、現在のものよりもはるかに耐久性があり、鋭く、強力になります。



ご清聴ありがとうございました。好奇心を持ち、良い一週間をお過ごしください。:)

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