Haben Sie sich jemals gefragt, wie bestimmte Objekte, die uns jeden Tag umgeben, funktionieren? Wie der Kühlschrank Lebensmittel abkühlt, wie die Mikrowelle sie wieder in ihre frühere Wärme zurückbringt, wie Wi-Fi funktioniert, warum die Fenster keinen Regentropfen zulassen usw. Für manche mögen solche Fragen ein wenig kindisch, naiv und sogar etwas nutzlos erscheinen. Es funktioniert und das war's, aber wie es spielt, spielt keine Rolle mehr. Dennoch haben Wissenschaftler des MIT (Massachusetts Institute of Technology, USA) beschlossen, eine dieser Fragen zu beantworten: Warum werden Stahlrasierer nach der Rasur stumpf? Welche mechanischen Prozesse treten beim Rasieren auf, wie beschädigt menschliches Haar, das 50-mal weicher als Stahl ist, es und was ist die praktische Anwendung dieser Forschung? Antworten auf diese ungewöhnlichen Fragen finden wir im Bericht von Wissenschaftlern. Gehen.
Forschungsgrundlage
Im Laufe der Jahre der Evolution und Entwicklung der sozialen Komponente unserer Spezies ist es uns gelungen, aus einer Vielzahl von Materialien eine Vielzahl scharfer Objekte herzustellen. Leider besteht der Zweck der meisten von ihnen darin, dem Feind Schaden zuzufügen: Schwerter, Dolche, Pfeilspitzen usw. Es gibt aber auch viele pazifistische "Hexen": Rasierer, Scheren, Messer, Sicheln, Sensen usw.
Im Laufe der Jahrhunderte haben Menschen neue Legierungen und Techniken entwickelt, um den Grad zu erhöhen und die Langlebigkeit der Schärfe der oben genannten Objekte zu verlängern. Der Prozess des Schneidens von etwas ist in vielen Branchen vorhanden: Medizin, Haushaltsgeräte, Lebensmittelindustrie usw. Jeder der Fälle hat seine eigenen Eigenschaften, aber das Prinzip und die Anforderungen an die Klingen bleiben gleich - Schärfe und Härte (Haltbarkeit).
Ein typisches Metallmaterial, das für Rasierklingen verwendet wird, ist beispielsweise eine martensitische * Edelstahlplatte mit hohem Karbidgehalt, die auf eine 17 ° -Keilgeometrie mit einem Radius von 40 nm geschliffen wurde, um die gewünschte Schärfe ( 1A ) zu erhalten.
Martensit * ist die Hauptstrukturkomponente von gehärtetem Stahl, einer geordneten übersättigten festen Lösung von Kohlenstoff in α-Eisen mit der gleichen Konzentration wie der ursprüngliche Austenit (flächenzentrierte Hochtemperaturmodifikation von Eisen und seinen Legierungen). Martensit ist eine Mikrostruktur vom Typ nadelförmig (lamellar) und lattenförmig (paketartig).
Bild Nr. 1
Auf diesem Material wird oft noch härter verwendet - diamantartiger Kohlenstoff, und auf letzterem wird eine Schicht aus Polytetrafluorethylen aufgetragen, um die Reibung zu verringern.
Trotz dieser komplexen Struktur sind Rasierer im Laufe der Zeit immer noch stumpf und berühren sich mit einem Material, das 50-mal weicher ist - Haar (Härteskala um 1A ). Rasierer sind in dieser Ausgabe nicht einzigartig, da bei anderen Anwendungen für Klingen der einen oder anderen Art die Schärfe mit der Zeit ebenfalls abgenommen hat. Zum Beispiel wird ein Küchenmesser langweilig, selbst wenn es ausschließlich zum Schneiden von Käse oder Kartoffeln verwendet wird.
Es gibt jedoch einen großen Unterschied zwischen Küchenmessern und Rasierapparaten. Ja, Stumpfheit tritt sowohl dort als auch dort auf, aber bei Rasierapparaten ist der Abstumpfungsmechanismus selbst viel komplizierter.
Erstens weisen die beiden wechselwirkenden Materialien hierarchische Mikrostrukturen mit anisotropen und größenabhängigen mechanischen Eigenschaften auf. Die martensitischen Lattenstähle weisen eine Hierarchie von Primäraustenit, Paketen, Blöcken, Unterblöcken und Lattengrenzen sowie eine hohe Dichte inhomogen verteilter Versetzungen auf. Zwischenkohlenstoff wird während des Abschreckens in fester Lösung eingeschlossen, aber das Tempern oder automatische Tempern * kann dazu führen, dass Kohlenstoff Versetzungen beschichtet oder als Karbide ausfällt
Anlassen * - der Prozess der Wärmebehandlung einer auf Martensit gehärteten Legierung oder eines Metalls, dessen Hauptelemente die Zersetzung von Martensit, die Polygonisierung und die Rekristallisation sind.Alle diese Strukturmerkmale liefern Martensit mit hoher Härte, aber ungleichmäßiger mikromechanischer Reaktion.
Haare in einem Abschnitt.
Ebenso ist menschliches Haar ein stark anisotropes Komposit mit einem nicht kreisförmigen Querschnitt und einem durchschnittlichen Durchmesser von 80 bis 200 Mikrometer. Die äußere Schicht des Haares ist eine harte Nagelhaut (~ 170 MPa), die eine Hülle aus Zellen bildet, die wie Dachziegel angeordnet sind. Die mittlere Schicht (Kortex) ist dreimal weicher und besteht aus einer Hierarchie von Fibrillen, die sich entlang der Haarrichtung erstrecken. In der Mitte des Haares befindet sich eine Medula - eine hohle innere Schicht, die einen relativ geringen mechanischen Beitrag zur Schneidfähigkeit eines Rasierers leistet. Da das Haar in Gegenwart von Feuchtigkeit hygroskopisch ist, ändert sich seine Zellstruktur, um Wassermoleküle aufzunehmen, wodurch sowohl der Elastizitätsmodul als auch die Streckgrenze verringert werden.
Sowohl die Klinge als auch das Haar sind anisotrop und weisen je nach Größe unterschiedliche mechanische Eigenschaften auf. Dies erzeugt eine mechanische Reaktion, die vom Spannungszustand und vom Volumen abhängt, das zur Verformung beiträgt.
Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Tatsache, dass sich die Randbedingungen für die Gelenkverformung des Haares und der Rasierklinge während eines Rasiervorgangs buchstäblich ändern können ( 1B ).
Wie die Wissenschaftler erklären, kann während der Rasur jedes einzelne Haar als flexibler Ausleger dargestellt werden, der an einem Ende quasi zur Haut hin fixiert und am anderen völlig frei ist. In dieser Konfiguration kann sich das Haar frei biegen, wenn sich die Klinge ihr nähert und beim Schneiden in sie eindringt, was den Verformungsmodus beeinflusst.
Das Haar unterliegt überwiegend der Bruchmechanik eines Feststoffs vom Typ I (Öffnungszugspannung in Bezug auf die Rissebene). Je nachdem, ob sich das Haar biegt oder nicht, wird entweder auf beide Oberflächen des Risses (gerade Vertiefung, g = 0 °) oder nur auf eine der beiden Oberflächen eine Spannung ausgeübt. Dies führt im ersten Fall zum Auftreten einer reinen Zerstörung von Typ II oder im zweiten Fall zu einer gemischten Zerstörung von Typ II und III.
Die Bruchmechanik von Festkörpern wird gemäß der Methode der Anwendung der Kraft, die die Rissausbreitung fördert, in drei Haupttypen unterteilt:
- Typ I (Öffnung) - Zugspannung in Bezug auf die Rissebene;
- Typ II (Schlupf) - Scherspannung, die parallel zur Rissebene und senkrecht zur Rissfront wirkt;
- III () — , .
Wie wir sehen können, gibt es viele komplexe Aspekte hinter der konventionellen Rasur, die zum besseren Verständnis detailliert betrachtet werden müssen, wie Wissenschaftler selbst behaupten.
Zu diesem Zweck führten sie diese Studie durch, bei der es sich bei dem Untersuchungsgegenstand um Klingen aus martensitischem Edelstahl handelte. Rasterelektronenmikroskop (SEM / SEM) und Elektronenrückstreuungsbeugungsanalyse (EBSD) zeigten ihre Latten-Martensit-Matrix ( 1A ) mit ungleichmäßig verteilten Carbiden (Einschub bei 1A ). Die Härtewerte wurden ebenfalls innerhalb von 70 & mgr; m von der Spitze gemessen (der Durchschnittswert betrug 8,7 ± 0,7 GPa). Die Variabilität dieses Indikators wird durch das Vorhandensein von Carbiden, Restaustenit und Heterogenität der Martensit-Substruktur verursacht.
Um die Entwicklung des Klingenverschleißes unter realen Rasierbedingungen zu messen, wurde ein schrittweiser Test von Einweg-Rasierpatronen (Probe 1 im Bild unten) durchgeführt, bei dem verschiedene Bereiche nach verschiedenen Verwendungsstufen mit einem REM verfolgt wurden (Video 1).
Phasenverschleißtests (nach 1, 5 und 10 Rasuren).
Als nächstes wurde eine quantitative Bestimmung der durchschnittlichen Klingenverschleißrate entlang der scharfen Kante unter Verwendung einer Bildanalyse durchgeführt. Die Verschleißrate war niedrig: 12 Nm 3 / Nm nach 5 Rasuren und 13 Nm 3 / Nm nach 10 Rasuren. Diese Tests zeigten jedoch das Auftreten von Spänen entlang der scharfen Kante ( 1C ). Obwohl Rasierklingen auf Makroebene scharf und flach sind, sind sie auf der Mikroskala "rauer", selbst wenn sie nicht verwendet werden ( 1C-1 ). Aus diesen Unregelmäßigkeiten während der Rasur entstehen Mikrorisse ( 1C-2 ). Von allen Vorsprüngen bildet es zwar nicht einmal den größten, aber nur ein kleiner Teil bildet Risse.
Diese Mikrorisse breiten sich zunächst senkrecht zur Kante aus ( 1C-2 ) und biegen dann in ihre Richtung ab, wodurch die endgültige Spaltgeometrie ( 1C-3 ) gebildet wird.
Verformungsspuren ( 1C-2 ) zeigen, dass sich der Teil der scharfen Kante, der zur erzeugten Spaltung gehört, aus der Ebene herausbiegt, wenn sich die Richtung des Mikrorisses ändert. Das Vorhandensein von Vertiefungen in der resultierenden Bruchfläche zeigt an, dass die Martensitstruktur vor dem Bruch eine plastische Verformung zeigt. Im Gegensatz dazu zeigten harte Beschichtungen infolge des Biegens des Substrats Sprödbruchmerkmale.
Um die Entwicklung dieses Prozesses vor der Aktivierung anderer Arten von Brüchen (Ermüdung, Korrosion und Verschleiß) besser zu verstehen, wurden in der Mikrodeformationsphase 25 SEM-Tests mit Clips durchgeführt, die eine Klinge auf der einen Seite und einzelne oder mehrere Haare auf der anderen Seite halten können (Bild 2 und Video Nummer 2).
Bild Nr. 2
Experimentieren Sie mit Rasieren einzelner Haare.
Die Realisierung der Klinge durch Kippen der Klinge um 21 ° in die Rasierrichtung ( 2B ) führte in mehreren Fällen zu einer ungleichen Kraftkomponente und in mehreren Fällen zu plastischer Verformung und Abplatzung ( 2C ).
Tests mit Haaren mit unterschiedlichen Durchmessern ließen den Schluss zu, dass die Größe der Spaltung weder vom Durchmesser des Haares noch von der Anzahl der nacheinander geschnittenen Haare oder vom Schnittwinkel abhängt.
Der gleiche Teil der scharfen Kante kann mehrere Haare in verschiedenen Winkeln g ( 1B ) schneiden, ohne sichtbare Verformungen zu verursachen, bis die Klinge plötzlich zu brechen beginnt (Video unten).
Experimentieren Sie mit REM beim Rasieren mehrerer Haare.
Es wurde auch festgestellt, dass Abplatzungen am häufigsten entlang der Haarränder auftreten. Beispielsweise kann ein einzelnes Haar zwei Risse auf einer Klinge erzeugen, von denen jeder an einem Ende des Haares beginnt ( 2C ).
Darüber hinaus erstrecken sich Chips normalerweise über den stark deformierten Bereich von ~ 5 μm nahe der Spitze der Klinge ( 1C ) hinaus. Daher hängt das beobachtete Phänomen nicht mit den durch das Honen verursachten Effekten zusammen.
Der Vergleich von REM-Bildern aus zwei Versuchsvarianten (Schritt für Schritt mit Befeuchtung des Haares und permanent mit trockenem Haar) zeigt in beiden Fällen einen identischen Zerstörungsmechanismus (mit Ausnahme einer Zunahme der Zerstörungsintensität im ersten Fall).
Ferner wurde eine dreidimensionale Modellierung nach der Finite-Elemente-Methode verwendet, um die Rolle von Unregelmäßigkeiten und die Richtung der auf Verformung und Abplatzen ausgeübten Last ( 3A - 3C ) zu bestimmen .
Bild 3
Martensitischer Stahl wurde als homogenes isotropes elastoplastisches Material mit einer Streckgrenze von ~ 1690 MPa modelliert. Es wurden Vertiefungen (Schlitze / Kerben / Kerben) mit einer durch SEM-Analyse bestimmten Größe (zum Beispiel 1C-1 ) hinzugefügt . Dies ermöglichte es, den extremen Zustand der Unebenheit entlang der scharfen Kante zu reproduzieren und die Schneidspannung auf die Klinge als gleichmäßig verteilte Oberflächenhaftung (50 MPa) zu simulieren, die nur auf einer Seite wirkt ( 3A ).
Die erste Simulation konzentrierte sich auf die Lokalisierung der Rille mit der höchsten Spannungsintensität gegenüber der Richtung der angelegten Spannung.
Wie in 3B zu sehen ist , bewirkt eine direkte Einkerbung des Haares (0 ° Oberflächenspannung) eine Zunahme der Spannungen an den Einkerbungen in Kontakt mit dem Haar, aber diese Werte sind nicht hoch genug, um eine plastische Verformung zu fördern. Im Gegensatz dazu erzeugt das Schrägen des Haares in einem Winkel höhere Spannungswerte im Bereich der Klinge, die mit dem Haar in Kontakt steht, mit maximaler Spannung in der Vertiefung, die die Haarkante berührt.
Die Analyse der Spannungen als Funktion des Adhäsionswinkels an der Oberfläche ( 3C ) zeigte:
- , ( 8.5°);
- , , ;
- , , ;
- , .
Diese Simulationsergebnisse stimmen vollständig mit den Experimenten überein und bestätigen ihre Genauigkeit. Es gab jedoch immer noch Diskrepanzen: Mikrorisse und Chips wurden in den Experimenten in einem geringeren Winkel als in der Simulation beobachtet.
Um diesen Unterschied zu verdeutlichen, stellten die Wissenschaftler einen Prozess auf, der die Heterogenität der martensitischen Lattenstruktur der Klinge mit einer Erhöhung der Empfindlichkeit gegenüber Mikrorissen ( 3D - 3H ) verbindet. Das Modell wurde angepasst, um die Energiefreisetzungsrate eines Zwischenschicht-Seitenrisses in einer dünnen, semi-infiniten Bimaterialplatte mit konstanter Dicke für gemischte Brüche (Typ II + Typ III) zu berechnen, wobei sich der Riss möglicherweise entlang der Grenzfläche zwischen den beiden Materialien ausbreitet ( 3D)). Ferner wurde eine Spannung von 50 MPa angelegt, wobei parallel die Richtung der Last zwischen dem reinen Modus II und dem reinen Modus III geändert wurde. In diesem Fall wurden Materialien mit dem gleichen Poisson-Verhältnis (0,3), aber unterschiedlichen Youngschen Modulen betrachtet.
Als Ergebnis wurde festgestellt, dass die Energiefreisetzung mit dem Übergang von Modus II zu Modus III zunimmt. Das Ändern des Elastizitätsmoduls der beiden Materialien unter Beibehaltung ihrer Mittelwertkonstanten führt zu einer vertikalen Verschiebung der Energiefreisetzungsratenkurve. Dies legt nahe, dass bei zwei unterschiedlichen Materialien die Wahrscheinlichkeit einer Rissausbreitung viel höher ist als bei einem homogenen Material mit ähnlichen Eigenschaften.
Als nächstes führten die Wissenschaftler eine weitere Reihe dreidimensionaler parametrischer Modelle durch, um die Geschwindigkeit der Energiefreisetzung an der Oberseite einer einzelnen Aussparung in der Schaufel unter Berücksichtigung der Geometrie der Schaufel (eine Zunahme der Dicke vor der Aussparung selbst) und mit unterschiedlichen Richtungen der Rissausbreitung ( 3E - 3H ) zu analysieren . Ein oder zwei verschiedene Materialien wurden auf gegenüberliegenden Seiten der Nut verwendet.
Messung der Kraft, die zum Schneiden eines einzelnen Haares erforderlich ist.
Die Energiefreisetzungsrate für einen Riss, der sich entlang seiner ursprünglichen Richtung ausbreitet (q = 0 °), nimmt zu, wenn die Spannungskomponente von Modus III ( 3F ) zunimmt . Die Geschwindigkeit der Energiefreisetzung hängt auch von der Richtung der Rissausbreitung ( 3G ) ab. Die kritische Richtung, die der maximalen Energiefreisetzungsrate entspricht, hängt sowohl von der Richtung der Last als auch von der Materialkombination ( 3H ) ab.
Wenn eine Last auf ein weiches Material neben einem harten Material (C bzw. S im Diagramm) mit einer Zwischenschichtvertiefung aufgebracht wird, breitet sich der Riss eher aus als in der entgegengesetzten Konfiguration. Der kritische Winkel der Rissausbreitung in dieser Situation ist ebenfalls kleiner ( 3G ).
Außerdem breiten sich Mikrorisse, die von einer scharfen Kante ausgehen, in einem Winkel relativ zur Schaufelachse (z-Achse bei 3E ) aus und weichen in Richtung des Lastanwendungsbereichs ab.
Dieser Ausbreitungsweg wird durch die asymmetrische Komponente der Kraft, die zur Biegung des Risses von seiner ursprünglichen Ebene beiträgt, und die Geometrie der Klinge bestimmt, deren Dicke entlang der Achse der Klinge zunimmt.
Spannungsverteilung in der Klinge bei verschiedenen Rasierwinkeln.
Wenn wir annehmen, dass die Oberflächenenergie des Materials konstant ist, sind die Energieverluste aufgrund der Rissausbreitung entlang dieser Achse größer als wenn sich der Riss in Richtung konstanter (oder weniger zunehmender) Dicke ausbreitet. Wenn sich die Ausbreitung entlang dieser Achse fortsetzt, führt dies zu einer großen Ausbreitungsfläche pro Längeneinheit. Aus dem gleichen Grund dreht sich der Riss schließlich zurück zur scharfen Kante der Klinge und bildet einen Chip.
Um die mechanistischen Effekte der mikrostrukturellen Heterogenität zu bestätigen, die durch analytische und numerische Ergebnisse vorhergesagt wurden, wurden Haarrasurversuche durchgeführt. In diesen Experimenten ermöglichten ein Rastermikroskop und ein fokussierter Ionenstrahl eine detaillierte Ansicht der Mikrostruktur während der Verformung. Die im Experiment verwendeten Schaufeln wurden teilweise gefräst, wodurch ein Kontrast zwischen der Martensitmatrix und den Carbiden erzeugt wurde, wodurch die Schadensmechanismen sichtbar wurden (Bilder unten).
Mikroskopie einer halbgefrästen Klinge.
Experimente haben gezeigt, dass Mikrorisse normalerweise an den Grenzflächen zwischen Martensit und Karbid entstanden sind, die an Unregelmäßigkeiten (links von B) grenzen und wenn das Haar mit der formbareren Klingenkomponente in Kontakt war. Die Mikrorisse breiten sich dann in einem Winkel aus und verursachen eine Dekohäsion an mehreren Carbid-Matrix-Grenzflächen oder eine Rissbildung des Carbids (rechts von B) sowie Mikroplastizität in den martensitischen Bereichen zwischen ihnen.
Die Gesamtheit der Ergebnisse von Modellierungen, Berechnungen und Experimenten legt nahe, dass beim Rasieren Schäden, deren Wachstum und Koaleszenz * (in Form von Spänen) in martensitischem Lattenstahl auftreten können. Es wurde auch klar, dass Chips früher auftreten als andere Arten von Schäden.
Koaleszenz * - Verschmelzung von Partikeln auf der Oberfläche eines Körpers (in diesem Fall) oder in einem sich bewegenden Medium (Gas, Flüssigkeit).
Bild 4
Dieser Prozess erfordert eine Kombination mehrerer Faktoren für seine Implementierung (Bild oben):
- ein ausreichendes Maß an Biegung des Haares, um Spannungen mit einer signifikanten Komponente des III-Typs zu erzeugen;
- verursacht durch die Verarbeitung von Unebenheiten am Rand der Klinge mit mikrostrukturellen Komponenten mit ziemlich unterschiedlichen Eigenschaften auf jeder Seite;
- Das Haar ist so positioniert, dass der Extrempunkt mit der obigen Unebenheit ausgerichtet ist (um die Spannung zu maximieren) und mit der Seite in Kontakt steht, die die geschmeidigere Komponente enthält.
In Anbetracht der Tatsache, dass solche Zustände gleichzeitig äußerst selten sind, wird deutlich, warum herkömmliche Rasierer nicht sofort (nach dem ersten Gebrauch), sondern nach einer Reihe von Rasierzyklen für die Rasur ungeeignet werden.
Um die Nuancen der Studie genauer kennenzulernen, empfehle ich Ihnen, den Bericht von Wissenschaftlern und zusätzliche Materialien zu lesen.
Epilog
Die Tatsache, dass Rasierer nach einer bestimmten Anzahl von Rasuren langweilig werden, ist bekannt und bekannt. In dieser Arbeit beschlossen die Wissenschaftler jedoch, die kleinsten Prozesse, die beim Tragen der Rasierklingen auftreten, im Detail zu betrachten. In dieser Arbeit geht es nicht so sehr um Rasierer, sondern um Legierungen und andere Materialien, die in verschiedenen Branchen zum Schneiden von Gegenständen verwendet werden. Um zu wissen, was das Material beschädigt, können Sie einen Weg finden, dies zu vermeiden.
Die Wissenschaftler stellten fest, dass Klingen anfälliger für Abplatzungen sind, wenn die Mikrostruktur des Stahls nicht gleichmäßig ist. Natürlich spielen auch der Winkel, in dem die Klingen die Haare berühren, sowie Defekte in der Mikrostruktur der Klingen eine wichtige Rolle bei der Bildung von Rissen.
Seltsamerweise nahm der tatsächliche Verschleiß der Rasierklingen aus Stahl während der Experimente nicht stark zu. Die Klingen blieben lange Zeit scharf, aber an ihren Kanten bildeten sich Späne, die die "Leistung" der Rasierer störten. In diesem Fall wurden Chips nur an bestimmten Stellen gebildet, d.h. unter bestimmten Bedingungen: wenn die Klinge in einem Winkel mit dem Haar in Kontakt war, wenn der Stahl der Klinge nicht gleichmäßig zusammengesetzt war und wenn das Haar an einer Stelle mit der Klinge in Kontakt war, an der seine Heterogenität höher war.
Die Hauptschlussfolgerung ist recht einfach: Rasierer werden aufgrund der Heterogenität ihrer Zusammensetzung langweilig. Das Haar ist viel weicher als Stahl, aber der in den Klingen verwendete Stahl ist eine Art Verbundmaterial, das seine Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Beschädigungen erheblich verringert. Wenn Sie die Heterogenität des Materials verringern, können Sie seine mechanischen Eigenschaften erheblich verbessern.
In Zukunft wollen die Wissenschaftler ihre Forschung fortsetzen und ein neues beginnen, in dem sie nach neuen "Rezepten" für Stahl für Klingen suchen, die anschließend viel haltbarer, schärfer und stärker als die derzeitigen sein werden.
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig und haben Sie eine gute Arbeitswoche, Jungs. :) :)
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