材料強(qiáng)化的奇妙工藝：預(yù)力處理

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。