No sé si alguna vez se lo han preguntado, pero no deja de ser curioso que los cuchillos y otros objetos cortantes metálicos se vayan desbastando con el tiempo. A fin de cuentas, se usan, generalmente, para cortar cosas mucho más blandas como pan, carne, etc. Y sin embargo, pasado el tiempo, todos pierden el filo. ¿Cómo sucede?
Unos investigadores acaban de publicar un artículo donde ofrecen algunas pistas.
Comienzan la introducción del artículo comentando la importancia, antes y ahora, de las herramientas cortantes para la humanidad, y como se necesitan dos características de una herramienta cortante: filo y dureza.
El ejemplo que ponen como uso común, porque luego lo emplearán en sus experimentos, es el de el acero empleado en las cuchillas de afeitar. Es un acero martensítico(1) afilado con ángulos de 17º y con un radio de la punta de 40 nanómetros, es decir 40×10⁻⁹ metros. Luego, se recubre primero con materiales aún más duros, como carbono con forma de diamante y otra capa de material deslizante, teflón(2), final.
Y aún así, como todas las personas que usan estas cuchillas saben, el pelo es capaz de desbastar su filo al cabo de unos pocos usos. Y eso a pesar de que el pelo es más de diez veces más blando que el material de la cuchilla, como la figura de abajo indica.
Como cualquier cuchillo vuelve a cortar al afilarlo de nuevo, es aceptado comúnmente que el mecanismo principal que hace que se desbaste el filo es un mecanismo de desgaste. Pero el artículo indica que los primeros desgastes sufridos por la cuchilla no pueden ser debidos sólo a desgaste, por varias razones.
Primero, porque la estructura de tanto el pelo como la cuchilla son muy diferentes. Concretamente, el pelo o cualquier otro elemento general que quiera cortar el cuchillo, es una estructura homogénea con una capa externa más dura. Sin embargo, la estructura de la cuchilla es mucho más diversa, teniendo formas distintas según la escala espacial que ese emplee. Por lo tanto, dado que los modelos habituales de desgaste suelen despreciar las microestructuras internas, no pueden dar cuenta de los desgastes iniciales de las cuchillas u otros objetos cortantes.
Por otra parte, dado que las condiciones de contorno del corte varían de manera muy dinámica mientras se produce éste, hay que tenerlas en cuenta si queremos estudiar este fenómeno. De hecho, como indica la figura siguiente, hay un mínimo de tres configuraciones: cuando el pelo se corta completamente recto, cuando debido al ángulo de entrada la cuchilla interacciona con el pelo con los dos lados y por último, cuando el pelo está muy doblado.
Con todas estas dificultades, los investigadores decidieron realizar experimentos sistemáticos para tratar de entender mejor el proceso de desbastado.
Comenzaron por caracterizar las microestructuras de hojas de afeitar comerciales, lo que les permitió observar que el filo de la cuchilla no es nada liso, ni siquiera sin cortar nada, sino que tiene pequeñas indentaciones e irregularidades.
Luego diseñaron un montaje experimental que le permitió cortar de manera sistemática pelo, la figura siguiente, de forma que después de cortar un número de veces pelo, pudieran examinar la hoja y ver que había pasado.
De hecho, observaron que las irregularidades iniciales en el filo eran lugares donde luego se iban eliminando partes de la cuchilla, como se vé en la figura siguiente:
De todas maneras, dado que en su montaje experimental podían cambiar el ángulo, comprobaron que si la cuchilla entraba con un ángulo ortogonal al pelo, la cuchilla ni se deformaba ni presentaba las indentaciones que se ven en la figura anterior. Para poder ver estos problemas, tuvieron que inclinar la cuchilla hasta que tuviera un ángulo de 21º con la horizontal. En esta posición, parte de la fuerza que realiza la cuchilla está fuera del plano principal del movimiento, lo que conlleva deformaciones plásticas de la misma, y en último término, la rotura del filo ya vista.
De hecho, observaron que esta ruptura del filo tiene lugar generalmente en los lados del pelo, y que es independiente de factores como el ángulo relativo entre el pelo y la cuchilla o el diámetro del pelo.
Posteriormente, realizaron simulaciones con programas de elementos finitos(2) para tratar de entender mejor sus resultados experimentales.
Con ellos, pudieron confirmar que la región donde se producían las deformaciones mecánicas era la frontera del pelo y que se empezaban a producir para ángulos mayores de 8,5º de inclinación entre la cuchilla y la dirección ortogonal al pelo.
Por otra parte, para ángulos más pequeños también se producían roturas del filo, que no se podían explicar con este modelo, donde la inclinación del ángulo de entrada de la cuchilla era fundamental para producir la fuerza que generaba la deformación. Cuando los ángulos son muy pequeños, se observó que la aparición de tensiones que conducían a la rotura del filo era debido a las diferencias de composición entre los diversos granos del acero, que respondían de manera distinta a la tensión producida por el corte del pelo, lo que generaba estas tensiones entre los granos capaces de romper el filo.
Como resumen de los elementos que hacen falta para que el filo de la cuchilla se desbaste antes de que aparezcan los problemas de desgaste, los investigadores encontraron que tiene que darse tres condiciones simultáneamente, explicitadas en el dibujo posterior:
- una cantidad de pelo que se doble tan grande como para generar fuerzas con componentes no ortogonales grandes,
- que el proceso de creación de la cuchilla sea tal que induzca irregularidades en el filo con granos de diversas composiciones,
- que la posición del pelo sea tal que el lado del mismo se encuentre una de estas irregularidades, y además de forma que el material más blando esté en el lado correcto del filo.
Obviamente, que se cumplan estas tres condiciones a la vez es difícil, por eso las cuchillas aguantan varios usos antes de desbastar su filo. La cuestión es que, como comentan acertadamente en el artículo, el hecho de que la rotura inicial de pequeños fragmentos de la cuchilla se produzca por la aparición simultánea de varios criterios dificulta mucho el análisis a posteriori de las razones de la rotura del filo.
Finalizan el artículo comentando que la práctica habitual de la metalurgia es utilizar la ley de Archard(3), donde hay una correlación lineal entre la dureza y la resistencia al desgaste. Dados sus resultados, afirman que probablemente sea una buena idea tratar de homogeneizar el metal empleado y reducir el tamaño de las irregularidades que producen los procesos de fabricación para aumentar la resistencia al desgaste, además de emplear materiales cada vez más duros.
El artículo original se publicó en la revista Science, vol. 369: How hair deforms steel.
(1) En inglés se dice «martensitic», y es una forma de endurecer el acero mediante el aumento de su contenido en carbono y enfriamiento rápido. La wikipedia en inglés tiene un artículo muy decente sobre el proceso: Wiki-Martensite.
(2) El método de elementos finitos es un algoritmo para resolver con ordenador ecuaciones muy complicadas de resolver analíticamente que se basa en dividir el sistema en una multitud de pequeños subsistemas que se resuelven iterativamente. La wikipedia tiene un artículo en español bastante interesante: Wiki-Elementos finitos.
(3) La ley que correlaciona dureza con desgaste, el artículo de la wikipedia es corto, pero suficiente para hacerse una idea: Wiki – Ecuación de Archard.