Pernahkah Anda bertanya-tanya bagaimana benda-benda tertentu yang mengelilingi kita setiap hari bekerja. Bagaimana lemari es mendinginkan makanan, bagaimana microwave mengembalikannya ke kehangatan sebelumnya, bagaimana Wi-Fi bekerja, mengapa jendela tidak membiarkan hujan turun, dll. Bagi beberapa orang, pertanyaan seperti itu mungkin tampak sedikit kekanak-kanakan, naif, dan bahkan sedikit tidak berguna. Itu berhasil dan hanya itu, tetapi bagaimana itu tidak masalah lagi. Namun demikian, para ilmuwan dari MIT (Massachusetts Institute of Technology, USA) memutuskan untuk menjawab salah satu pertanyaan ini, yaitu - mengapa pisau cukur baja menjadi kusam setelah bercukur? Proses mekanis apa yang terjadi selama pencukuran, bagaimana rambut manusia, yang 50 kali lebih lembut dari baja, dapat merusaknya, dan apa aplikasi praktis dari penelitian ini? Kami akan menemukan jawaban atas pertanyaan yang tidak biasa ini dalam laporan para ilmuwan. Pergilah.
Dasar penelitian
Selama bertahun-tahun evolusi dan perkembangan komponen sosial spesies kita, kita telah berhasil menciptakan berbagai macam benda tajam dari berbagai bahan. Sayangnya, tujuan kebanyakan dari mereka adalah untuk memberikan kerusakan pada musuh: pedang, belati, panah, dll. Tetapi ada juga banyak "penyihir" pasifis: pisau cukur, gunting, pisau, arit, sabit, dll.
Selama berabad-abad, orang telah menciptakan paduan dan teknik baru yang bertujuan untuk meningkatkan derajat dan memperpanjang umur panjang ketajaman objek di atas. Proses memotong sesuatu ada di banyak industri: obat-obatan, peralatan rumah tangga, industri makanan, dll. Setiap kasing memiliki karakteristiknya sendiri, tetapi prinsipnya, oleh karena itu, dan persyaratan untuk bilahnya tetap sama - ketajaman dan kekerasan (daya tahan).
Misalnya, bahan logam tipikal yang digunakan untuk pisau cukur adalah pelat baja tahan karat martensitik * karbida tinggi yang diasah ke geometri baji 17 ° dengan jari-jari 40 nm untuk mendapatkan ketajaman yang diinginkan ( 1A ).
Martensit * adalah komponen struktural utama baja yang diperkeras, yang merupakan larutan padat karbon dalam besi α dengan konsentrasi yang sama dengan austenit awal (modifikasi besi dan paduannya yang berpusat pada permukaan). Martensit adalah mikrostruktur jenis acicular (lamellar) dan lath (packet).
Gambar # 1
Di atas bahan ini, karbon seperti berlian yang bahkan lebih keras sering digunakan, dan di atas yang terakhir lapisan polytetrafluoroethylene diterapkan untuk mengurangi gesekan.
Meskipun memiliki struktur yang rumit, pisau cukur masih menjadi kusam seiring waktu, bersentuhan dengan bahan ～ 50 kali lebih lembut - rambut (skala kekerasan 1A ). Pisau cukur tidak unik dalam masalah ini, karena aplikasi lain untuk mata pisau dengan satu atau lain hal juga telah mengalami penurunan ketajaman dari waktu ke waktu. Misalnya, pisau dapur menjadi tumpul meskipun hanya digunakan untuk mengiris keju atau kentang.
Namun, ada perbedaan besar antara pisau dapur dan pisau cukur. Ya, tumpul terjadi di sana dan di sana, tetapi pada pisau cukur mekanisme menumpulkan itu sendiri jauh lebih rumit.
Pertama, dua bahan yang berinteraksi memiliki mikrostruktur hierarkis dengan karakteristik mekanis anisotropik dan bergantung pada ukuran. Baja martensitik reng memiliki hierarki austenit primer, paket, blok, subblok, dan batas reng, serta kepadatan tinggi dislokasi yang terdistribusi secara tidak homogen. Karbon perantara terperangkap dalam larutan padat selama quenching, tetapi temper atau tempering otomatis * dapat menyebabkan karbon melapisi dislokasi atau mengendap sebagai karbida
Tempering * - proses perlakuan panas dari paduan atau logam yang dikeraskan menjadi martensit, elemen utamanya adalah dekomposisi martensit, poligonisasi dan rekristalisasi.Semua fitur struktural ini menyediakan martensit dengan kekerasan tinggi, tetapi respons mikromekanis tidak seragam.
Rambut di satu bagian.
Demikian pula, rambut manusia merupakan komposit yang sangat anisotropik dengan penampang non-lingkaran dan diameter rata-rata 80 hingga 200 mikron. Lapisan terluar rambut adalah kutikula keras (~ 170 MPa), yang membentuk selubung sel yang tersusun seperti genteng. Lapisan tengah (korteks) tiga kali lebih lembut dan terdiri dari hierarki fibril yang direntangkan di sepanjang arah rambut. Di bagian tengah rambut terdapat medula - lapisan dalam berlubang yang memiliki kontribusi mekanis yang cukup kecil terhadap kemampuan memotong pisau cukur. Karena rambut bersifat higroskopis, dengan adanya kelembapan, struktur selulernya berubah untuk mengakomodasi molekul air, mengurangi modulus elastisitas dan titik luluh.
Baik bilah dan rambutnya anisotropik dan menunjukkan sifat mekanis yang berbeda bergantung pada ukurannya. Ini menghasilkan respons mekanis yang bergantung pada keadaan tegangan dan volume yang berkontribusi pada deformasi.
Faktor penting lainnya adalah fakta bahwa kondisi batas untuk deformasi sendi rambut dan silet dapat berubah secara harfiah selama satu kali operasi pencukuran ( 1B ).
Seperti yang dijelaskan oleh para ilmuwan, selama mencukur, setiap rambut individu dapat direpresentasikan sebagai penopang fleksibel, semu di satu ujung mengarah ke kulit dan benar-benar bebas di ujung lainnya. Dalam konfigurasi ini, rambut dapat menekuk dengan bebas saat bilah mendekati dan menembus selama pemotongan, yang memengaruhi mode deformasi.
Rambut terutama mengalami mekanika fraktur dari tipe I padat (bukaan - tegangan tarik dalam kaitannya dengan bidang retak). Bergantung pada apakah rambut melengkung atau tidak, tekanan diterapkan pada kedua permukaan retakan (lekukan lurus, g = 0 °), atau hanya pada salah satu dari dua permukaan. Hal ini menyebabkan munculnya kehancuran murni tipe II dalam kasus pertama atau kehancuran campuran tipe II dan III dalam kasus kedua.
Mekanika fraktur padatan dibagi menjadi tiga jenis utama menurut metode penerapan gaya yang mendorong perambatan retak:
- Tipe I (bukaan) - tegangan tarik dalam kaitannya dengan bidang retak;
- Tipe II (slip) - tegangan geser yang bekerja sejajar dengan bidang retak dan tegak lurus dengan bagian depan retak;
- III () — , .
Seperti yang dapat kita lihat, ada banyak aspek kompleks di balik pencukuran konvensional yang memerlukan pertimbangan mendetail untuk pemahaman yang lebih baik, seperti yang diklaim oleh para ilmuwan sendiri.
Untuk itu mereka melakukan penelitian ini, dimana objek penelitiannya adalah pisau yang terbuat dari bahan stainless steel martensit. Pemindaian mikroskop elektron (SEM / SEM) dan difraksi hamburan balik elektron (EBSD) menunjukkan matriks lath martensite ( 1A ) dengan karbida terdistribusi tidak seragam (sisipan pada 1A ). Nilai kekerasan juga diukur dalam jarak 70 μm dari ujung (nilai rata-rata adalah 8,7 ± 0,7 GPa). Variabilitas indikator ini disebabkan oleh adanya karbida, austenit tertahan, dan heterogenitas substruktur martensit.
Untuk mengukur evolusi keausan pisau dalam kondisi pencukuran kehidupan nyata, uji coba langkah demi langkah dari kartrid pisau cukur sekali pakai (contoh 1 pada gambar di bawah) dilakukan, melacak area yang berbeda dengan SEM setelah berbagai tahap penggunaan (video # 1).
Uji keausan bertahap (setelah 1, 5, dan 10 kali pencukuran).
Selanjutnya, penentuan kuantitatif tingkat rata-rata keausan blade di sepanjang tepi tajam dilakukan dengan menggunakan analisis citra. Tingkat keausan rendah: 12 Nm 3 / Nm setelah 5 pencukuran dan 13 Nm 3 / Nm setelah 10 pencukuran. Namun, tes ini menunjukkan adanya chipping di sepanjang tepi tajam ( 1C ). Meskipun silet tajam dan rata pada tingkat makro, pisau cukur "lebih kasar" pada skala mikro, bahkan saat tidak digunakan ( 1C-1 ). Dari ketidakteraturan selama pencukuran inilah microcracks berasal ( 1C-2 ). Dari semua tonjolan, meskipun mungkin bukan yang terbesar, hanya sebagian kecil yang membentuk retakan.
Microcracks ini awalnya merambat tegak lurus ke tepi ( 1C-2 ) dan kemudian membelok ke arahnya, membentuk geometri pembelahan akhir ( 1C-3 ).
Jejak deformasi ( 1C-2 ) menunjukkan bahwa bagian tepi tajam milik belahan yang dihasilkan membungkuk keluar dari bidang ketika arah microcrack berubah. Adanya lubang pada permukaan rekahan yang dihasilkan menunjukkan bahwa struktur martensit menunjukkan deformasi plastis sebelum terjadi rekahan. Sebaliknya, lapisan keras menunjukkan fitur rekahan yang rapuh sebagai akibat dari pembengkokan substrat.
Untuk lebih memahami perkembangan proses ini sebelum mengaktifkan jenis fraktur lainnya (kelelahan, korosi dan keausan), 25 tes SEM dilakukan dalam tahap microdeformation menggunakan klip yang dapat menahan pisau di satu sisi dan satu atau beberapa rambut di sisi lain (gambar # 2 dan video nomor 2).
Gambar No. 2
Eksperimen mencukur rambut individu menggunakan SEM.
Membuat bilah lebih realistis dengan memiringkan bilah 21 ° ke arah pencukuran ( 2B ) menghasilkan komponen gaya yang tidak sama dan pada gilirannya terjadi deformasi plastis dan kepingan pada beberapa kasus ( 2C ).
Pengujian menggunakan rambut dengan diameter berbeda memungkinkan kami untuk menyimpulkan bahwa ukuran belahan tidak bergantung pada diameter rambut, atau pada jumlah rambut yang dipotong berturut-turut, atau pada sudut potong.
Bagian yang sama dari tepi tajam dapat memotong beberapa helai rambut pada sudut yang berbeda g ( 1B ) tanpa menyebabkan deformasi yang terlihat sampai mata pisau tiba-tiba mulai patah (video di bawah).
Percobaan mencukur banyak rambut menggunakan SEM.
Juga ditemukan bahwa chipping paling sering terjadi di tepi rambut. Misalnya, sehelai rambut dapat membuat dua belahan pada bilah, masing-masing dimulai pada salah satu ujung rambut ( 2C ).
Selain itu, chip biasanya melampaui daerah yang sangat cacat ~ 5 μm di dekat ujung mata pisau ( 1C ). Oleh karena itu, fenomena yang diamati tidak terkait dengan efek yang ditimbulkan oleh mengasah.
Perbandingan gambar SEM dari dua varian percobaan (selangkah demi selangkah dengan melembabkan rambut dan permanen dengan rambut kering) menunjukkan mekanisme penghancuran yang identik pada kedua kasus (kecuali untuk peningkatan intensitas kerusakan pada kasus pertama).
Selanjutnya, pemodelan tiga dimensi dengan metode elemen hingga digunakan untuk menentukan peran penyimpangan dan arah beban yang diterapkan pada deformasi dan chipping ( 3A - 3C ).
Gambar # 3
Baja martensitik dimodelkan sebagai bahan elastoplastik isotropik homogen dengan kekuatan luluh ~ 1690 MPa. Depresi (slot / takik / takik) dengan ukuran yang ditentukan oleh analisis SEM (misalnya, 1C-1 ) ditambahkan ke dalamnya . Hal ini memungkinkan untuk mereproduksi keadaan ekstrim ketidakrataan di sepanjang tepi yang tajam dan untuk mensimulasikan tegangan potong pada blade sebagai adhesi permukaan yang terdistribusi secara seragam (50 MPa) yang bekerja hanya pada satu sisi ( 3A ).
Simulasi pertama difokuskan untuk menemukan alur dengan intensitas tegangan tertinggi versus arah tegangan yang diberikan.
Seperti yang terlihat pada 3B , lekukan langsung pada rambut (tegangan permukaan 0 °) menyebabkan peningkatan tekanan pada lekukan yang bersentuhan dengan rambut, tetapi nilai ini tidak cukup tinggi untuk mendorong deformasi plastis. Sebaliknya, mencukur rambut pada suatu sudut menciptakan nilai tegangan yang lebih tinggi di wilayah mata pisau yang bersentuhan dengan rambut, dengan tekanan maksimum pada lekukan yang menyentuh tepi rambut.
Analisis tegangan sebagai fungsi sudut adhesi permukaan ( 3C ) menunjukkan:
- , ( 8.5°);
- , , ;
- , , ;
- , .
Hasil simulasi ini sesuai sepenuhnya dengan eksperimen, memastikan keakuratannya. Namun, masih ada ketidaksesuaian: microcracks dan chip dalam percobaan diamati pada sudut yang lebih rendah dari pada simulasi.
Untuk memperjelas perbedaan ini, para ilmuwan berhipotesis sebuah proses yang menghubungkan heterogenitas struktur martensitik bilah pisau dengan peningkatan kepekaan terhadap microcracks ( 3D - 3H ). Model ini diadaptasi untuk menghitung laju pelepasan energi dari retakan lateral antar lapisan dalam pelat bimaterial semi-tak hingga dengan ketebalan konstan untuk rekahan campuran (tipe II + tipe III), dengan retakan berpotensi merambat di sepanjang antarmuka antara dua material ( 3D). Selanjutnya, tegangan 50 MPa diterapkan, secara paralel mengubah arah beban antara mode murni II dan mode murni III. Dalam hal ini, bahan dianggap dengan rasio Poisson yang sama (0,3), tetapi modulus Young berbeda.
Hasilnya, ditemukan bahwa pelepasan energi meningkat dengan transisi dari mode II ke mode III. Mengubah modulus Young dari dua material sambil mempertahankan konstanta nilai rata-ratanya menyebabkan pergeseran vertikal pada kurva laju pelepasan energi. Hal ini menunjukkan bahwa untuk dua bahan yang berbeda, kemungkinan perambatan retak akan jauh lebih tinggi daripada bahan homogen dengan sifat serupa.
Selanjutnya, para ilmuwan melakukan serangkaian pemodelan parametrik tiga dimensi untuk menganalisis laju pelepasan energi di bagian atas ceruk tunggal pada bilah, dengan mempertimbangkan geometri bilah (peningkatan ketebalan di depan ceruk itu sendiri) dan dengan arah perambatan retak yang berbeda ( 3E - 3H ). Satu atau dua bahan berbeda digunakan di sisi berlawanan dari alur.
Pengukuran gaya yang dibutuhkan untuk memotong sehelai rambut.
Laju pelepasan energi untuk retakan yang merambat sepanjang arah aslinya (q = 0 °) meningkat dengan meningkatnya komponen tegangan mode III ( 3F ). Laju pelepasan energi juga tergantung pada arah perambatan retak ( 3G ). Arah kritis yang sesuai dengan laju pelepasan energi maksimum bergantung pada arah beban dan pada kombinasi bahan ( 3H ).
Ketika beban diterapkan ke material lunak yang berdekatan dengan material keras (C dan S dalam diagram, masing-masing) dengan depresi antar lapisan, retakan lebih mungkin untuk merambat daripada di konfigurasi sebaliknya. Sudut kritis perambatan retak pada situasi ini juga akan semakin kecil ( 3G ).
Selain itu, microcracks yang berasal dari tepi tajam merambat pada sudut yang berkaitan dengan sumbu blade (sumbu z pada 3E ), menyimpang ke arah wilayah aplikasi beban.
Jalur perambatan ini ditentukan oleh komponen gaya asimetris, yang berkontribusi pada pembengkokan retakan dari bidang aslinya, dan geometri bilah, yang ketebalannya meningkat sepanjang sumbu bilah.
Distribusi tekanan pada pisau pada sudut pencukuran yang berbeda.
Jika kita mengasumsikan bahwa energi permukaan material adalah konstan, maka kehilangan energi akibat perambatan retak sepanjang sumbu ini akan lebih besar daripada ketika retakan menjalar ke arah ketebalan yang konstan (atau kurang meningkat). Jika propagasi terus berlanjut di sepanjang sumbu ini, ini akan menyebabkan area propagasi per satuan panjang yang luas. Untuk alasan yang sama, retakan akhirnya berbalik ke arah ujung tajam pisau, membentuk sebuah chip.
Untuk mengkonfirmasi efek mekanistik dari heterogenitas mikrostruktur yang diprediksi oleh hasil analitis dan numerik, percobaan mencukur rambut dilakukan. Dalam percobaan ini, mikroskop pemindaian dan sinar ion terfokus memungkinkan tampilan rinci dari mikrostruktur selama deformasi. Pisau yang digunakan dalam percobaan sebagian digiling, yang menciptakan kontras antara matriks martensit dan karbida, yang memungkinkan untuk mengungkap mekanisme kerusakan (gambar di bawah).
Mikroskopi pisau semi-gilingan.
Eksperimen telah menunjukkan bahwa microcracks biasanya berasal dari antarmuka antara martensit dan karbida, yang berbatasan dengan ketidakteraturan (kiri ke B) dan ketika rambut bersentuhan dengan komponen pisau yang lebih lentur. Retakan mikro kemudian merambat pada suatu sudut, menyebabkan dekohesi pada beberapa antarmuka matriks karbida atau retak karbida (kanan ke B), serta mikroplastisitas di daerah martensitik di antara keduanya.
Totalitas dari hasil pemodelan, perhitungan dan percobaan menunjukkan bahwa pencukuran dapat menyebabkan inisiasi kerusakan, pertumbuhan dan penggabungannya * (dalam bentuk keping) pada baja martensitik reng. Juga menjadi jelas bahwa chip muncul lebih awal daripada jenis kerusakan lainnya.
Coalescence * - fusi partikel pada permukaan benda (dalam hal ini) atau di dalam media bergerak (gas, cairan).
Gambar # 4
Proses ini membutuhkan kombinasi beberapa faktor untuk implementasinya (gambar di atas):
- tingkat penekukan rambut yang cukup untuk menciptakan tekanan dengan komponen penting tipe-III;
- disebabkan oleh ketidakrataan pemrosesan pada bagian tepi mata pisau dengan komponen mikrostruktur dengan sifat yang agak berbeda pada setiap sisinya;
- rambut diposisikan sedemikian rupa sehingga titik ekstrem sejajar dengan ketidakrataan di atas (untuk memaksimalkan ketegangan) dan bersentuhan dengan sisi yang mengandung komponen yang lebih lentur.
Mengingat kondisi seperti itu sangat jarang terjadi pada waktu yang bersamaan, jelaslah mengapa pisau cukur konvensional menjadi tidak cocok untuk mencukur tidak langsung (setelah penggunaan pertama), tetapi setelah beberapa kali siklus pencukuran.
Untuk pengenalan yang lebih mendetail tentang nuansa penelitian ini, saya sarankan Anda melihat ke dalam laporan para ilmuwan dan bahan tambahan padanya.
Epilog
Fakta bahwa pisau cukur menjadi tumpul setelah beberapa kali pencukuran diketahui dan dipahami dengan baik. Namun, dalam penelitian ini, para ilmuwan memutuskan untuk mempertimbangkan secara detail proses terkecil yang terjadi selama penggunaan silet. Pekerjaan ini tidak banyak tentang pisau cukur tetapi tentang paduan dan bahan lain yang digunakan dalam industri berbeda untuk memotong sesuatu. Untuk mengetahui penyebab kerusakan material, Anda bisa mencari cara untuk menghindarinya.
Para ilmuwan mencatat bahwa bilah lebih rentan terhadap chipping jika mikrostruktur baja tidak seragam. Secara alami, sudut di mana bilah menyentuh rambut, serta cacat pada mikrostruktur bilah, juga memainkan peran penting dalam pembentukan retakan.
Anehnya, keausan sebenarnya pada silet baja tidak meningkat banyak selama percobaan. Bilahnya tetap tajam untuk waktu yang lama, tetapi ada serpihan yang terbentuk di tepinya, yang mengganggu "kinerja" pisau cukur. Dalam hal ini, keripik hanya terbentuk di tempat-tempat tertentu, yaitu. dalam kondisi tertentu: ketika bilah bersentuhan dengan rambut pada suatu sudut, ketika baja bilah tidak seragam dalam komposisi, dan ketika rambut bersentuhan dengan bilah di tempat di mana heterogenitasnya lebih tinggi.
Kesimpulan utamanya cukup sederhana - pisau cukur menjadi tumpul karena heterogenitas komposisinya. Rambut jauh lebih lembut daripada baja, tetapi baja yang digunakan pada bilahnya adalah sejenis material komposit, yang sangat mengurangi kekuatan dan ketahanannya terhadap kerusakan. Dengan mengurangi heterogenitas material, sifat mekaniknya dapat ditingkatkan secara signifikan.
Di masa depan, para ilmuwan bermaksud untuk melanjutkan penelitian mereka, serta memulai yang baru, di mana mereka akan mencari "resep" baru untuk baja untuk pisau, yang selanjutnya akan jauh lebih tahan lama, lebih tajam dan lebih kuat dari yang ada saat ini.
Terima kasih atas perhatiannya, tetap penasaran dan semoga minggu kerja Anda bagus, guys. :)
Sedikit iklan
Terima kasih untuk tetap bersama kami. Apakah Anda menyukai artikel kami? Ingin melihat konten yang lebih menarik? Dukung kami dengan memesan atau merekomendasikan kepada teman, cloud VPS untuk pengembang mulai $ 4,99 , analog unik dari server level awal yang kami ciptakan untuk Anda: The Whole Truth About VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps dari $ 19 atau bagaimana membagi server dengan benar? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).
Apakah Dell R730xd 2x lebih murah di pusat data Equinix Tier IV di Amsterdam? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda!Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - Dari $ 99! Baca tentang Bagaimana membangun infrastruktur bldg. sekelas dengan server Dell R730xd E5-2650 v4 dengan biaya € 9000 untuk satu sen?