我在哈佛念研究所的時(shí)候,有一位室友是在美國長大的***華裔,那時(shí)在MIT念博士,他的父親則是GE噴射引擎(Jet Engine)部門的工程師。有次聊天問起他父親手上的工作項(xiàng)目是什么,他說GE內(nèi)部的數(shù)學(xué)模型發(fā)現(xiàn),從1950年代設(shè)計(jì)的J79(國軍在79年斷交時(shí)第一次想買F16,美國建議用老式的J79發(fā)動機(jī)來降級,避免刺激中共,結(jié)果國軍嫌它太老,就不了了之)到當(dāng)代(1980年代末期)的F101和F110,所有的性能進(jìn)步,似乎都來自于新材料,設(shè)計(jì)上的改動完全沒有幫助(為了適應(yīng)新材料所作的設(shè)計(jì)改動,算是材料的功勞),所以GE啟動了一個(gè)研究計(jì)劃,要分析到底真是如此,還是模型有問題,他的父親就是研究小組的成員之一。
我后來沒有機(jī)會追問,所以這個(gè)研究的最終結(jié)論為何,我也不知道。不過現(xiàn)代機(jī)械性能的進(jìn)步,大半來自材料,是一個(gè)普遍的現(xiàn)象。而材料性能的進(jìn)步,除了本身配方的演進(jìn)之外,工藝上的處理也有很大的貢獻(xiàn)。
在材料的強(qiáng)化處理中,最老的之一就是預(yù)力處理,而且應(yīng)用相當(dāng)廣帆。不過隨著工業(yè)和材料的不同,英文上的用詞也不一樣,例如Autofrettage或者Prestressed,所以一般人不會聯(lián)想在一起。然而它們的物理原理,其實(shí)是共通的,所以我在這里一并討論。
我所知道最早的預(yù)力處理,是所謂的Prince Rupert’s Drop(魯伯特之淚);它的制造很簡單:把熔融的玻璃掉下一滴到水里冷卻,就自然形成一顆玻璃淚珠。這在16世紀(jì)文藝復(fù)興時(shí)期,很自然地被玻璃工匠偶然發(fā)現(xiàn)(據(jù)說最早發(fā)生在荷蘭),到17世紀(jì)初期,傳到Prussia,然后又被Prince Rupert帶進(jìn)英國。
Prince Rupert并不是賣首飾的,他是神圣羅馬帝國的王子伯爵,對科學(xué)很有興趣。Prince Rupert’s Drop的意義也不在于形狀美麗,而在于它的奇異力學(xué)性質(zhì):雖然是用普通玻璃制成,卻可以承受鐵錘的猛力敲擊而不碎,所以震驚了當(dāng)時(shí)的英國科學(xué)界。17世紀(jì)的英國物理學(xué)家,基本上都研究過這個(gè)現(xiàn)象,但是因?yàn)檠芯繖C(jī)械預(yù)力必須以斷裂力學(xué)(Fracture Mechanics)為基礎(chǔ),它的機(jī)制一直到1920年才被完全了解。
要用鈍性壓力打破Prince Rupert’s Drop,必須用上液壓機(jī)
簡單來說,玻璃是一種很硬但是很脆的材料,它的破壞過程雖然以納秒(Nanosecond)計(jì),但是仍然分好幾個(gè)步驟,其中第一個(gè)步驟是沖擊波在表面創(chuàng)造裂紋,其后裂紋才逐步傳播擴(kuò)散。
那么Prince Rupert’s Drop是如何阻止破壞呢?答案在于迅速冷卻所產(chǎn)生的預(yù)力。淬火過程中,玻璃的表面很快冷卻,于是先收縮隨即固化,然而內(nèi)部暫時(shí)還處在熔融膨脹的狀態(tài),所以固化的表面積是基于高溫膨脹的體積而得的。等到內(nèi)部也慢慢冷卻,開始收縮之時(shí),表面卻早已固定了,于是內(nèi)部和外部的分子與分子之間的間距都不等于室溫下的常態(tài),所產(chǎn)生的強(qiáng)大分子力就是所謂的預(yù)力。內(nèi)部的分子要求表面再擠一擠,表面的分子卻要求內(nèi)部站寬一些。
換句話說,Prince Rupert’s Drop的表面層一直承受著來自于自身內(nèi)部的緊縮壓力。
當(dāng)玻璃遭受鈍性(這里的鈍性假設(shè)在于破壞力只到達(dá)表面,如果破壞力能深入內(nèi)部,例如子彈或者錐形錘,那么預(yù)力就沒有保護(hù)作用)外力擊打的時(shí)候,所謂的裂紋就是表面的分子被沖擊波完全分開;但是Prince Rupert’s Drop的表面分子原本就很擠,任何裂紋的形成,都必須先克服來自內(nèi)部的緊縮預(yù)力。這種分子力在微觀下是非常強(qiáng)大的,結(jié)果是裂紋很難形成,那么自然就沒有后續(xù)的傳播擴(kuò)散,玻璃也就完整無缺。
20世紀(jì)的科學(xué)家明白了這個(gè)原理之后,很快就有了工程上的應(yīng)用,也就是所謂的強(qiáng)化玻璃(Strengthened Glass)。用快速冷卻很難生產(chǎn)出所需的特定形狀,所以工藝上轉(zhuǎn)為化學(xué)方法,例如把制成的玻璃板泡在鉀鹽之中,讓鉀原子慢慢滲透進(jìn)入玻璃表層,取代原有的鈉原子。因?yàn)殁浽颖肉c原子大一點(diǎn),所造成的表面層同樣是很擠的,結(jié)果是同樣的緊縮預(yù)力。汽車和飛機(jī)的擋風(fēng)玻璃都是如此制成,然后再夾上柔性材料,避免在外力過大,玻璃碎裂之后,破片飛出傷人。電視和手機(jī)的玻璃面板,也同樣是經(jīng)過預(yù)力強(qiáng)化處理。康寧的Gorilla Glass(大猩猩玻璃),基本上就是精益求精的強(qiáng)化玻璃,在配方和生產(chǎn)工藝的細(xì)節(jié)上,經(jīng)過多個(gè)世代的修改,但是其基本原理,還是如上所述。
在土木工程上,水泥同樣有容易裂開的毛病,所以也就同樣可以用預(yù)力來強(qiáng)化。例如水平方向的水泥結(jié)構(gòu),在承重之后會有向下彎曲的趨勢,所以上半部被擠壓,而下半部被拉伸;一般是在水泥結(jié)構(gòu)的下半部加上鋼筋來抗拒這個(gè)拉力,但是水泥本身基本沒有抗拉的能力,結(jié)構(gòu)稍微彎曲之后就會裂開。照理說,鋼筋是有彈性的,承重離開之后會恢復(fù)原狀;然而水泥的裂紋卻不會消失,結(jié)果是雨水和氧氣得以接觸到內(nèi)部的鋼筋,使之開始生銹,長久下來,整個(gè)結(jié)構(gòu)就會弱化、甚至坍塌。
解決的辦法是把鋼筋稍微拉長,利用它的收縮彈性來產(chǎn)生壓縮水泥的預(yù)力,那么任何拉力就必須先克服這個(gè)預(yù)力,才能產(chǎn)生水泥的裂紋。這個(gè)方法叫做Prestressed Concrete(預(yù)應(yīng)力混凝土),普遍使用在各種大型工程,尤其是橋梁上。實(shí)際應(yīng)用上又分兩種:先張法和后張法,其差別在于拉長鋼筋是在水泥固化之前或之后來做的,物理原理則是完全同樣的。
另一個(gè)預(yù)力強(qiáng)化的重要應(yīng)用,在于炮管的制造?;鹚幃a(chǎn)生強(qiáng)大的膛壓,如果炮身不夠堅(jiān)固,就會炸膛,而炸膛的過程,也是從內(nèi)表層的裂紋開始。小型火器的身管口徑小、曲率大,天生就比較不容易炸膛,再加上對價(jià)格比較敏感,所以可以不做預(yù)力強(qiáng)化處理。但是大口徑火炮就不一樣,尤其是19世紀(jì)末、20世紀(jì)初的海軍炮,從6寸炮開始,如果不做好預(yù)力強(qiáng)化,對己方人員的危害就比對敵方還大。
最早的炮管預(yù)力強(qiáng)化技術(shù)比較原始粗暴,叫做Built-Up Gun(多層迭加炮?)。它先把炮管分成3-5層(最內(nèi)層叫做Lining,最外層叫做Jacket,中間的叫做Tube,由內(nèi)而外分成A、B、C,B Tube又可以是Hoop或Wire,詳見下文),分別制造,這其中外層的內(nèi)徑總是比內(nèi)一層的外徑稍微小一點(diǎn)(而且其實(shí)不是完全均勻的,除了Lining的內(nèi)徑之外,都是炮口端口徑略??;這是為了避免內(nèi)管跟著炮彈一起發(fā)射出去)。然后從最內(nèi)層開始,先把外管加熱到400°C左右(這里的考慮重點(diǎn)是要有足夠的受熱膨脹,但是又遠(yuǎn)低于熔點(diǎn),不影響鋼材的力學(xué)性質(zhì)),因?yàn)榕蛎浭箖?nèi)徑暫時(shí)略大于內(nèi)管的外徑,因此可以套在一起,再讓它們一起冷卻,然后再加下一層外管,周而復(fù)始。因?yàn)橥鈱酉M麅?nèi)層緊縮些,因而產(chǎn)生的預(yù)力同樣可以起防止裂紋之效。
在1892年,英國海軍采用了新一代的發(fā)射藥,叫做Cordite,其能量密度有很大的飛躍,所以對炮管的抗壓能力也有了更高一級的要求。當(dāng)時(shí)的煉鋼技術(shù),不足以產(chǎn)生足夠強(qiáng)度的鋼管,即使用了既有的多層設(shè)計(jì),炮管仍然無法承受那么高的膛壓。于是英國人把B Tube改為用承受著拉力的鋼絲纏繞而成;鋼絲因?yàn)榫w結(jié)構(gòu)方向和纏繞時(shí)的高拉力,可以產(chǎn)生更大的緊縮預(yù)力。當(dāng)時(shí)日本海軍對英國人亦步亦趨,所以也引進(jìn)了這門特別技術(shù)。其他的海軍,包括德、法、美、俄等等,則選擇對傳統(tǒng)的鋼套技術(shù)做繼續(xù)改進(jìn),例如把B Tube分成若干段,以方便做額外的強(qiáng)化處理,這些段落叫做Hoop,他們的海軍炮就叫做Hoop Gun,而英日用的鋼絲叫做Wire,所以他們的炮叫做Wire-Wound Gun。
上圖是美國海軍16寸50倍徑Mark 7艦炮(用在Iowa級戰(zhàn)列艦上,是美國最后的大口徑艦炮)的身管部件,由上到下分別是Lining、A Tube、構(gòu)成B Tube的Hoops和Jacket
到了1920年代,一方面由于煉鋼技術(shù)的進(jìn)步,另一方面因?yàn)榍懊嫣岬降膶嗔蚜W(xué)和預(yù)力理論的突破,Hoop Gun的抗壓能力達(dá)到了Wire-Wound Gun的同一級別。這里的技術(shù)細(xì)節(jié)在于Hoop和A Tube都可以先做Autofrettage(身管自緊,詳見下文)處理,而其在應(yīng)用上的后果是性能進(jìn)步了,價(jià)錢卻保持在顯著低于鋼絲的等級。英國海軍那時(shí)很缺錢,所以只好從善如流,花了幾年額外的時(shí)間來重新開發(fā)Hoop Gun。而英日之間的關(guān)系已經(jīng)沒有3、40年前那么好了,所以日本人沒有拿到新的技術(shù),只能繼續(xù)發(fā)展他們的Wire-Wound Gun,一直到大和級的18寸主炮,仍然用的是鋼絲預(yù)力技術(shù)。
在國外的軍迷圈子里,有一個(gè)傳說,說鋼絲炮雖然抗壓能力強(qiáng),但是軸向的強(qiáng)度弱(因?yàn)橐蝗︿摻z和另一圈鋼絲之間,顯然是沒有任何強(qiáng)度可言的),所以用久了之后,炮身會因?yàn)橹亓Χ鴱澢?,射擊精度也不佳。我找不到任何?shí)證,所以這有可能是當(dāng)時(shí)Hoop Gun擁護(hù)者腦補(bǔ)出來的Urban Myth(現(xiàn)代傳說);Hoop Gun真正的優(yōu)勢,應(yīng)該還是價(jià)錢。
二戰(zhàn)后,航母取代了戰(zhàn)列艦在艦隊(duì)中的核心地位,大口徑海軍炮的發(fā)展也就因而結(jié)束?,F(xiàn)代最先進(jìn)的身管火炮是中口徑炮,例如155毫米榴彈炮和120/125毫米坦克炮。這些口徑不須要用到多層結(jié)構(gòu),前面提到的身管自緊技術(shù)已經(jīng)足夠了。所謂的身管自緊,是先把炮管適當(dāng)加熱,然后從管內(nèi)施加高壓;因?yàn)檫@個(gè)壓力受鋼材層層阻擋,越往外越弱,所以可以控制為只超出內(nèi)層材料的彈性極限、產(chǎn)生壓縮形變(所以內(nèi)徑會增加,一般在6%以下)。一旦壓力被解除,結(jié)果同樣是內(nèi)層的原子擠在一起,承受預(yù)力,可以抵抗裂紋的產(chǎn)生。
最早這個(gè)身管自緊技術(shù)用的是液壓油來產(chǎn)生高壓,后來進(jìn)步為改用口徑超出炮管原內(nèi)徑的固態(tài)硬桿強(qiáng)行穿過;共軍似乎是在80年代才從西方引進(jìn)這項(xiàng)硬桿自緊技術(shù),然后消化吸收改進(jìn);俄國因?yàn)闆]有引進(jìn)新軍工技術(shù)的機(jī)會,在這方面可能已經(jīng)落后于中方。
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原文標(biāo)題:【科普】材料強(qiáng)化的奇妙工藝:預(yù)力處理
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