¿Alguna vez te has preguntado cómo funcionan determinados objetos que nos rodean a diario? Cómo el frigorífico enfría los alimentos, cómo el microondas les devuelve su calor anterior, cómo funciona el Wi-Fi, por qué las ventanas no dejan caer la lluvia, etc. Para algunos, estas preguntas pueden parecer un poco infantiles, ingenuas e incluso un poco inútiles. Funciona y eso es todo, pero ya no importa cómo. No obstante, científicos del MIT (Instituto Tecnológico de Massachusetts, EE. UU.) Decidieron responder a una de estas preguntas, a saber: ¿por qué las navajas de acero se desafilan después del afeitado? ¿Qué procesos mecánicos ocurren durante el proceso de afeitado, cómo el cabello humano, al ser 50 veces más suave que el acero, lo daña y cuál es la aplicación práctica de esta investigación? Encontraremos respuestas a estas preguntas inusuales en el informe de los científicos. Vamos.
Base de investigación
A lo largo de los largos años de evolución y desarrollo del componente social de nuestra especie, hemos logrado crear una gran variedad de objetos afilados a partir de una variedad de materiales. Desafortunadamente, el propósito de la mayoría de ellos es infligir daño al enemigo: espadas, dagas, puntas de flecha, etc. Pero también hay bastantes "ingenios" pacifistas: navajas, tijeras, cuchillos, hoces, guadañas, etc.
A lo largo de los siglos, las personas han creado nuevas aleaciones y técnicas destinadas a aumentar el grado y prolongar la longevidad de la nitidez de los objetos descritos anteriormente. El proceso mismo de cortar algo está presente en muchas industrias: medicina, electrodomésticos, industria alimentaria, etc. Cada uno de los casos tiene sus propias características, pero el principio, por lo tanto, y los requisitos para las hojas siguen siendo los mismos: nitidez y dureza (durabilidad).
Por ejemplo, un material metálico típico utilizado para las hojas de afeitar es una placa de acero inoxidable martensítico * con alto contenido de carburo pulida a una geometría de cuña de 17 ° con un radio de 40 nm para obtener el afilado deseado ( 1A ).
La martensita * es el principal componente estructural del acero endurecido, que es una solución sólida sobresaturada ordenada de carbono en hierro α con la misma concentración que la austenita inicial (modificación del hierro y sus aleaciones centrada en la cara a alta temperatura). La martensita es una microestructura de tipo acicular (laminar) y listón (paquete).
Imagen # 1
Encima de este material a menudo se usa aún más duro, carbono similar al diamante, y encima de este último se aplica una capa de politetrafluoroetileno para reducir la fricción.
A pesar de una estructura tan compleja, las maquinillas de afeitar aún se desafilan con el tiempo y entran en contacto con un material 50 veces más suave: el cabello (escala de dureza 1A ). Las maquinillas de afeitar no son las únicas en este tema, ya que otras aplicaciones para hojas de una u otra naturaleza también experimentan una disminución de la nitidez con el tiempo. Por ejemplo, un cuchillo de cocina se desafila incluso cuando se usa exclusivamente para cortar queso o patatas.
Sin embargo, existe una gran diferencia entre los cuchillos de cocina y las navajas. Sí, la brusquedad se produce tanto allí como allí, pero en las navajas el mecanismo de desafilado en sí es mucho más complicado.
Primero, los dos materiales que interactúan tienen microestructuras jerárquicas con características mecánicas anisotrópicas y dependientes del tamaño. Los aceros martensíticos de listones tienen una jerarquía de austenita primaria, paquetes, bloques, subbloques y límites de listones, así como una alta densidad de dislocaciones distribuidas de manera no homogénea. El carbono intermedio queda atrapado en la solución sólida durante el temple, pero el revenido o el revenido automático * pueden provocar que el carbono cubra dislocaciones o precipite como carburos
Templado * : proceso de tratamiento térmico de una aleación o metal endurecido a martensita, cuyos elementos principales son la descomposición de martensita, poligonización y recristalización.Todas estas características estructurales proporcionan a la martensita una alta dureza, pero una respuesta micromecánica no uniforme.
Cabello en una sección.
Asimismo, el cabello humano es un compuesto altamente anisotrópico con una sección transversal no circular y un diámetro promedio de 80 a 200 micrones. La capa externa del cabello es una cutícula dura (~ 170 MPa), que forma una vaina de células dispuestas como tejas. La capa intermedia (corteza) es tres veces más suave y consta de una jerarquía de fibrillas que se extienden a lo largo de la dirección del cabello. En el centro mismo del cabello hay una médula, una capa interior hueca que tiene una contribución mecánica bastante pequeña a la capacidad de corte de una maquinilla de afeitar. Dado que el cabello es higroscópico, en presencia de humedad, su estructura celular cambia para adaptarse a las moléculas de agua, lo que reduce tanto el módulo de elasticidad como el límite elástico.
Tanto la hoja como el pelo son anisotrópicos y presentan diferentes propiedades mecánicas según el tamaño. Esto produce una respuesta mecánica que depende del estado de tensión y del volumen que contribuye a la deformación.
Otro factor importante es el hecho de que las condiciones límite para la deformación conjunta del cabello y la hoja de afeitar pueden cambiar literalmente durante una operación de afeitado ( 1B ).
Como explican los científicos, durante el afeitado, cada cabello individual se puede representar como un voladizo flexible, casi fijo en un extremo hacia la piel y completamente libre en el otro. En esta configuración, el cabello puede doblarse libremente a medida que la cuchilla se acerca y lo penetra durante el corte, lo que afecta el modo de deformación.
El cabello se somete principalmente a la mecánica de fractura de un sólido tipo I (apertura - tensión de tracción en relación con el plano de la fisura). Dependiendo de si el cabello se dobla o no, se aplica tensión en ambas superficies de la grieta (hendidura recta, g = 0 °) o solo en una de las dos superficies. Esto conduce a la aparición de una destrucción pura del tipo II en el primer caso, oa una destrucción mixta del tipo II y III en el segundo caso.
La mecánica de fractura de los sólidos se divide en tres tipos principales según el método de aplicación de la fuerza que promueve la propagación de la fisura:
- Tipo I (apertura) - tensión de tracción en relación con el plano de la fisura;
- Tipo II (deslizamiento): esfuerzo cortante que actúa paralelo al plano de la grieta y perpendicular al frente de la grieta;
- III () — , .
Como podemos ver, hay muchos aspectos complejos detrás del afeitado convencional que requieren una consideración detallada para una mejor comprensión, como afirman los propios científicos.
Para ello, realizaron este estudio, en el que el objeto de estudio fueron las palas fabricadas en acero inoxidable martensítico. El análisis de microscopio electrónico de barrido (SEM / SEM) y difracción por retrodispersión de electrones (EBSD) reveló su matriz de martensita de malla ( 1A ) con carburos distribuidos de manera no uniforme (recuadro en 1A ). Los valores de dureza también se midieron a 70 µm de la punta (el valor medio fue de 8,7 ± 0,7 GPa). La variabilidad de este indicador es causada por la presencia de carburos, austenita retenida y heterogeneidad de la subestructura de martensita.
Para medir la evolución del desgaste de la cuchilla en condiciones de afeitado de la vida real, se realizaron pruebas paso a paso de cartuchos de afeitar desechables (muestra 1 en la imagen a continuación), rastreando diferentes áreas con un SEM después de diferentes etapas de uso (video n. ° 1).
Pruebas de desgaste por fases (después de 1, 5 y 10 afeitados).
A continuación, se llevó a cabo una determinación cuantitativa de la tasa media de desgaste de la hoja a lo largo del borde afilado utilizando análisis de imágenes. La tasa de desgaste fue baja: 12 Nm 3 / Nm después de 5 afeitados y 13 Nm 3 / Nm después de 10 afeitados. Sin embargo, estas pruebas revelaron astillas a lo largo del borde afilado ( 1C ). Aunque las hojas de afeitar son afiladas y planas en el nivel macro, son "más ásperas" en la escala micro, incluso cuando no se utilizan ( 1C-1 ). Las microfisuras se originan precisamente a partir de estas irregularidades durante el afeitado ( 1C-2 ). De todas las protuberancias, aunque puede que ni siquiera sea la más grande de ellas, solo una pequeña parte de ellas forma grietas.
Estas microfisuras inicialmente se propagan perpendicularmente al borde ( 1C-2 ) y luego se desvían en su dirección, formando la geometría de escisión final ( 1C-3 ).
Los rastros de deformación ( 1C-2 ) muestran que la parte del borde afilado que pertenece a la hendidura generada se dobla fuera del plano cuando cambia la dirección de la microfisura. La presencia de picaduras en la superficie de fractura resultante indica que la estructura de martensita exhibe deformación plástica antes de la fractura. En contraste, los recubrimientos duros exhibieron características de fractura frágil como resultado de la flexión del sustrato.
Para comprender mejor el desarrollo de este proceso antes de activar otros tipos de fractura (fatiga, corrosión y desgaste), se realizaron 25 pruebas SEM en la etapa de microdeformación utilizando pinzas que pueden sujetar una cuchilla de un lado y uno o varios pelos del otro (imagen # 2 y video número 2).
Imagen No. 2
Experimente afeitando pelos individuales utilizando SEM.
Hacer la cuchilla más realista inclinando la cuchilla 21 ° en la dirección de afeitado ( 2B ) dio como resultado un componente de fuerza desigual y, a su vez, la deformación plástica y el astillado en varios casos ( 2C ).
Las pruebas realizadas con cabellos de distintos diámetros nos permitieron concluir que el tamaño del escote no depende del diámetro del cabello, ni del número de cabellos sucesivamente cortados, ni del ángulo de corte.
La misma parte del borde afilado puede cortar varios pelos en diferentes ángulos g ( 1B ) sin causar una deformación visible hasta que la hoja de repente comienza a romperse (video a continuación).
Experimente afeitando varios pelos con SEM.
También se ha descubierto que el astillado se produce con mayor frecuencia en los bordes del cabello. Por ejemplo, un solo cabello puede crear dos hendiduras en una cuchilla, cada una de las cuales comienza en un extremo del cabello ( 2C ).
Además, las virutas suelen extenderse más allá de la región de ~ 5 μm muy deformada cerca de la punta de la hoja ( 1C ). Por tanto, el fenómeno observado no está relacionado con los efectos provocados por el afilado.
La comparación de imágenes SEM de dos variantes de experimentos (paso a paso con hidratación del cabello y permanente con cabello seco) muestra un mecanismo de destrucción idéntico en ambos casos (excepto por un aumento en la intensidad de destrucción en el primer caso).
Además, se utilizó un modelado tridimensional por el método de elementos finitos para determinar el papel de las irregularidades y la dirección de la carga aplicada sobre la deformación y el astillado ( 3A - 3C ).
Imagen # 3 El
acero martensítico se modeló como un material elastoplástico isotrópico homogéneo con un límite elástico de ~ 1690 MPa. Se le agregaron depresiones (ranuras / muescas / muescas) con un tamaño determinado por análisis SEM (por ejemplo, 1C-1 ). Esto permitió reproducir el estado extremo de desnivel a lo largo del borde afilado y simular la tensión de corte en la hoja como una adherencia superficial distribuida uniformemente (50 MPa) que actúa en un solo lado ( 3A ).
La primera simulación se centró en localizar la ranura con la mayor intensidad de tensión frente a la dirección de la tensión aplicada.
Como se ve en 3B , la hendidura directa del cabello (tensión superficial de 0 °) provoca un aumento de las tensiones en las hendiduras en contacto con el cabello, pero estos valores no son lo suficientemente altos como para promover la deformación plástica. Por el contrario, afeitar el cabello en ángulo crea valores de estrés más altos en la región de la cuchilla en contacto con el cabello, con un estrés máximo en la depresión que toca el borde del cabello.
El análisis de tensiones en función del ángulo de adhesión ( 3C ) mostró:
- , ( 8.5°);
- , , ;
- , , ;
- , .
Estos resultados de la simulación están completamente de acuerdo con los experimentos, lo que confirma su precisión. Sin embargo, todavía había discrepancias: las microfisuras y astillas en los experimentos se observaron en un ángulo más bajo que en la simulación.
Para aclarar esta diferencia, los científicos plantearon la hipótesis de un proceso que vincula la heterogeneidad de la estructura martensítica del listón de la hoja con un aumento de la sensibilidad a las microfisuras ( 3D - 3H ). El modelo se adaptó para calcular la tasa de liberación de energía de una fisura lateral entre capas en una placa delgada bimaterial semi-infinita de espesor constante para fractura mixta (tipo II + tipo III), con la fisura propagándose potencialmente a lo largo de la interfaz entre los dos materiales ( 3D). Además, se aplicó una tensión de 50 MPa, cambiando en paralelo la dirección de la carga entre el modo puro II y el modo puro III. En este caso, se consideraron materiales con la misma razón de Poisson (0.3), pero con diferentes módulos de Young.
Como resultado, se encontró que la liberación de energía aumenta con la transición del modo II al modo III. Cambiar los módulos de Young de dos materiales mientras se mantienen sus constantes de valor medio provoca un cambio vertical en la curva de tasa de liberación de energía. Esto sugiere que para dos materiales diferentes, la probabilidad de propagación de grietas será mucho mayor que para un material homogéneo con propiedades similares.
A continuación, los científicos llevaron a cabo otra serie de modelado paramétrico tridimensional para analizar la tasa de liberación de energía en la parte superior de un solo hueco en la pala, teniendo en cuenta la geometría de la pala (un aumento de espesor frente al hueco en sí) y con diferentes direcciones de propagación de grietas ( 3E - 3H ). Se utilizaron uno o dos materiales diferentes en lados opuestos de la ranura.
Medida de la fuerza necesaria para cortar un solo cabello.
La tasa de liberación de energía para una grieta que se propaga a lo largo de su dirección original (q = 0 °) aumenta a medida que aumenta el componente de tensión del modo III ( 3F ). La tasa de liberación de energía también depende de la dirección de propagación de la grieta ( 3G ). La dirección crítica correspondiente a la tasa máxima de liberación de energía depende tanto de la dirección de la carga como de la combinación de materiales ( 3H ).
Cuando se aplica una carga a un material blando adyacente a un material duro (C y S en el diagrama, respectivamente) con una depresión entre capas, es más probable que la grieta se propague que en la configuración opuesta. El ángulo crítico de propagación de grietas en esta situación también será menor ( 3G ).
Además, las microfisuras que se originan en un borde afilado se propagan en un ángulo con respecto al eje de la pala (eje z en 3E ), desviándose hacia la región de aplicación de carga.
Esta trayectoria de propagación está determinada por la componente asimétrica de la fuerza, que contribuye a la flexión de la fisura desde su plano original, y la geometría de la pala, cuyo espesor aumenta a lo largo del eje de la pala.
Distribución de tensiones en la hoja en diferentes ángulos de afeitado.
Si asumimos que la energía superficial del material es constante, entonces las pérdidas de energía debidas a la propagación de la fisura a lo largo de este eje serán mayores que cuando la fisura se propaga en la dirección de espesor constante (o menos creciente). Si la propagación continúa a lo largo de este eje, dará lugar a una gran área de propagación por unidad de longitud. Por la misma razón, la grieta eventualmente volverá hacia el borde afilado de la hoja, creando una astilla.
Para confirmar los efectos mecanicistas de la heterogeneidad microestructural predichos por los resultados analíticos y numéricos, se realizaron experimentos de afeitado. En estos experimentos, un microscopio de barrido y un haz de iones enfocado permitieron una vista detallada de la microestructura durante la deformación. Las cuchillas utilizadas en el experimento se fresaron parcialmente, creando así un contraste entre la matriz de martensita y los carburos, lo que permite revelar los mecanismos de daño (imágenes a continuación).
Microscopía de una hoja semifresida.
Los experimentos han demostrado que las microfisuras generalmente se originan en las interfaces entre la martensita y el carburo, que bordean las irregularidades (izquierda a B) y cuando el cabello estaba en contacto con el componente de la hoja más maleable. A continuación, las microfisuras se propagan en ángulo, provocando la decohesión en varias interfaces de carburo-matriz o el agrietamiento del carburo (derecha a B), así como microplasticidad en las regiones martensíticas entre ellas.
La totalidad de los resultados del modelado, los cálculos y los experimentos sugiere que el afeitado puede provocar el inicio del daño, su crecimiento y coalescencia * (en forma de virutas) en el acero martensítico de listones. También quedó claro que las virutas aparecen antes que otros tipos de daños.
Coalescencia * : fusión de partículas en la superficie de un cuerpo (en este caso) o dentro de un medio en movimiento (gas, líquido).
Imagen # 4
Este proceso requiere una combinación de varios factores para su implementación (imagen de arriba):
- un nivel suficiente de flexión del cabello para crear tensiones con un componente significativo del tipo III;
- causada por irregularidades de procesamiento en el borde de la hoja con componentes microestructurales con propiedades bastante diferentes en cada lado;
- el cabello se coloca de manera que el punto extremo esté alineado con la irregularidad anterior (para maximizar la tensión) y esté en contacto con el lado que contiene el componente más flexible.
Si tenemos en cuenta que tales condiciones son extremadamente raras al mismo tiempo, queda claro por qué las maquinillas de afeitar comunes se vuelven inadecuadas para el afeitado no inmediatamente (después del primer uso), sino después de varios ciclos de afeitado.
Para un conocimiento más detallado de los matices del estudio, le recomiendo que consulte el informe de los científicos y materiales adicionales .
Epílogo
El hecho de que las maquinillas de afeitar se desafilen después de un cierto número de afeitados es bien conocido y entendido. Sin embargo, en este trabajo, los científicos decidieron considerar en detalle los procesos más pequeños que ocurren durante el desgaste de las hojas de afeitar. Este trabajo no se trata tanto de navajas como de aleaciones y otros materiales utilizados en diferentes industrias para cortar algo. Para saber qué causa el daño al material, puede encontrar una manera de evitarlo.
Los científicos notaron que las hojas son más propensas a astillarse si la microestructura del acero no es uniforme. Naturalmente, el ángulo en el que las hojas entran en contacto con los pelos, así como los defectos en la microestructura de las hojas, también juegan un papel importante en la formación de grietas.
Curiosamente, el desgaste real de las hojas de afeitar de acero no aumentó mucho durante los experimentos. Las hojas se mantuvieron afiladas durante mucho tiempo, pero se formaron astillas en sus bordes, lo que interrumpió el "rendimiento" de las maquinillas de afeitar. En este caso, los chips se formaron solo en ciertos lugares, es decir, bajo ciertas condiciones: cuando la hoja estaba en contacto con el cabello en un ángulo, cuando el acero de la hoja tenía una composición desigual y cuando el cabello estaba en contacto con la hoja en un lugar donde su desigualdad era mayor.
La conclusión principal es bastante simple: las maquinillas de afeitar se vuelven desafiladas debido a la heterogeneidad de su composición. El cabello es mucho más suave que el acero, pero el acero que se usa en las hojas es un tipo de material compuesto, que reduce en gran medida su fuerza y resistencia al daño. Si reduce la heterogeneidad del material, puede mejorar significativamente sus características mecánicas.
En el futuro, los científicos pretenden continuar su investigación, así como iniciar una nueva, en la que buscarán nuevas "recetas" de acero para hojas, que posteriormente serán mucho más duraderas, afiladas y resistentes que las actuales.
Gracias por su atención, tengan curiosidad y tengan una buena semana de trabajo, chicos. :)
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