我們生活中最常見的剃須刀、菜刀和小刀通常由不銹鋼制成，磨成鋒利的刃口，并涂上更硬的材料，如類金剛石碳。然而，菜刀需要定期磨，才能保證其鋒利程度，而男士常用的剃須刀，刀片在剃過幾次胡須之后，通常就需要被更換。

人類的毛發遠不如刀片材質堅硬，但 “對抗之下”，刀片很快就變鈍了，這是為什么呢？日前，麻省理工學院（MIT）的工程師們近距離研究了剃須的過程，觀察了剃須刀刀片在切割人的毛發時是如何受損的，研究發表在《科學》雜志上。

人類毛發比刀片本身柔軟至少 50 倍，但是研究人員發現，剃須過程使刀片損壞的方式比單純的磨損邊緣更為復雜。事實上，在特定的條件下，一根毛發就會導致刀片的刃口邊緣碎裂，而一旦初始裂紋形成，裂口很容易進一步剝落，隨著更多裂口聚集在刀刃上，剃須刀很快就會變鈍。

刀片的微觀結構起著關鍵作用。如果鋼的微觀結構不均勻，則刀片更容易碎裂，刀片與頭發的接近角度，也在引發裂紋方面起到了關鍵作用。

這種發現可能為如何保持刀刃的鋒利性提供線索。例如，在切蔬菜時，廚師可能會考慮直接切下來，而不是斜切。在設計更耐用、更耐切削的刀片時，制造商可能會考慮用更同質的新材料制造刀具。

“我們的目標是深入了解一個生活中最常見的問題：為什么當刀片與更軟的材料相互作用時，刀片會變得‘不堪一擊’。” 這項研究的領導者，MIT 的冶金學副教授塞姆 · 塔桑（C.Cem Tasan）說。“這使我們能夠確定一種新的加工路徑，從而制造出壽命更長的刀片。”

如上圖所示，人類毛發和馬氏體鋼刀片都具有復雜的層次結構，前者是層狀各向異性結構，后者具有精細的馬氏體結構，具有較高的強度和硬度，切割毛發時刀片上的應力狀態取決于受力角度，比如平滑的、斜切的、都會導致刀刃不同的受力情況。

塔桑說：“我們是冶金學家，想知道是什么導致了金屬的變形損壞，這樣我們就能制造出更好的金屬。”

為了確定剃須刀刀片在剃毛發時發生破損的機理，研究人員首先進行了一些初步實驗，用一次性剃須刀剃自己的面部毛發。每次刮完胡子后，都用掃描電子顯微鏡（SEM）拍下剃須刀邊緣的圖像，以跟蹤刀片隨著時間推移的磨損情況。

令人驚訝的是，實驗結果顯示，隨著時間的推移，鋒利的邊緣幾乎沒有磨損或磨圓，相反，他注意到在剃須刀刀刃的某些區域形成了碎片。

塔桑說：“這造成了另一個謎團：我們看到了碎片，但沒有看到碎片到處都是，只是在某些地方。”“我們想知道，在什么條件下會發生這種破損？”

為了回答這個問題，研究人員建造了一個小型的微型機械裝置，來進行更多的可控剃須實驗。這個裝置由一個可移動的平臺組成，兩邊各有兩個夾子，一個用來固定剃須刀刀片，另一個用來固定毛發，使用的是市面上常見的剃須刀刀片，將刀片設置在不同的角度和切割深度，以模仿剃須的動作。

這臺儀器被設計成可以在掃描電子顯微鏡觀察下進行，在多次切割實驗中，能夠拍攝到頭發和刀片的超高分辨率圖像，不同人的毛發樣本，總體上代表了各種各樣的頭發直徑。

不管毛發的直徑如何，研究人員都觀察到刀片損壞的相同機制。切割實驗中拍攝的掃描電鏡圖像和膠片顯示，當毛發垂直于刀片被剃時，很少出現刃口破碎，然而當毛發可以自由彎曲時，刃口損壞更容易發生。

為了弄清是什么條件導致了這些刀刃缺口的形成，研究小組進行了計算機模擬，模擬一個鋼刀片切割一根頭發的過程，并改變某些切割條件，比如角度、切割時施加的力的方向，最重要的發現是，刀片鋼的成分也是深層原因。

當刀片以一定角度接近毛發，尤其是當刀片的鋼成分不均勻的情況下，毛發的作用力與刀片在其非均勻結構的薄弱點相遇時，很容易造成刃口破損。

不同毛發的刀刃受損情況觀察（來源：MIT）這些情況說明了一種被稱為應力強化的機制，即如果刀片材料的結構本身就有微裂紋，施加在材料上的應力效應會增強這種情況，且一旦初始微裂紋形成，材料的非均勻結構使這些裂紋很容易擴展成更多缺口。

塔桑表示：“我們的模擬解釋了一種材料的不均勻性是如何增加材料上的應力，從而使刀刃裂紋得以擴展，即使這種應力是由像頭發這樣的軟材料造成的。” 研究團隊已經申請臨時專利，這項技術可以將鋼材加工成更均勻的結構，例如通過創建其他納米結構合金進一步細化馬氏體鋼結構，從而制造出更耐用、更耐切削的刀片。

“基本的想法是減少刀片的異質性和不均勻性，同時保持高硬度，我們已經學會了如何制造更好的刀片，現在我們想繼續推進這件事。” 塔桑說道。