材料强化的奇妙工艺：预力处理

我在哈佛念研究所的时候，有一位室友是在美国长大的***华裔，那时在MIT念博士，他的父亲则是GE喷射引擎（Jet Engine）部门的工程师。有次聊天问起他父亲手上的工作项目是什么，他说GE内部的数学模型发现，从1950年代设计的J79（国军在79年断交时第一次想买F16，美国建议用老式的J79发动机来降级，避免刺激中共，结果国军嫌它太老，就不了了之）到当代（1980年代末期）的F101和F110，所有的性能进步，似乎都来自于新材料，设计上的改动完全没有帮助（为了适应新材料所作的设计改动，算是材料的功劳），所以GE启动了一个研究计划，要分析到底真是如此，还是模型有问题，他的父亲就是研究小组的成员之一。

我后来没有机会追问，所以这个研究的最终结论为何，我也不知道。不过现代机械性能的进步，大半来自材料，是一个普遍的现象。而材料性能的进步，除了本身配方的演进之外，工艺上的处理也有很大的贡献。

在材料的强化处理中，最老的之一就是预力处理，而且应用相当广帆。不过随着工业和材料的不同，英文上的用词也不一样，例如Autofrettage或者Prestressed，所以一般人不会联想在一起。然而它们的物理原理，其实是共通的，所以我在这里一并讨论。

我所知道最早的预力处理，是所谓的Prince Rupert’s Drop（鲁伯特之泪）；它的制造很简单：把熔融的玻璃掉下一滴到水里冷却，就自然形成一颗玻璃泪珠。这在16世纪文艺复兴时期，很自然地被玻璃工匠偶然发现（据说最早发生在荷兰），到17世纪初期，传到Prussia，然后又被Prince Rupert带进英国。

Prince Rupert并不是卖首饰的，他是神圣罗马帝国的王子伯爵，对科学很有兴趣。Prince Rupert’s Drop的意义也不在于形状美丽，而在于它的奇异力学性质：虽然是用普通玻璃制成，却可以承受铁锤的猛力敲击而不碎，所以震惊了当时的英国科学界。17世纪的英国物理学家，基本上都研究过这个现象，但是因为研究机械预力必须以断裂力学（Fracture Mechanics）为基础，它的机制一直到1920年才被完全了解。

要用钝性压力打破Prince Rupert’s Drop，必须用上液压机

简单来说，玻璃是一种很硬但是很脆的材料，它的破坏过程虽然以纳秒（Nanosecond）计，但是仍然分好几个步骤，其中第一个步骤是冲击波在表面创造裂纹，其后裂纹才逐步传播扩散。

那么Prince Rupert’s Drop是如何阻止破坏呢？答案在于迅速冷却所产生的预力。淬火过程中，玻璃的表面很快冷却，于是先收缩随即固化，然而内部暂时还处在熔融膨胀的状态，所以固化的表面积是基于高温膨胀的体积而得的。等到内部也慢慢冷却，开始收缩之时，表面却早已固定了，于是内部和外部的分子与分子之间的间距都不等于室温下的常态，所产生的强大分子力就是所谓的预力。内部的分子要求表面再挤一挤，表面的分子却要求内部站宽一些。

换句话说，Prince Rupert’s Drop的表面层一直承受着来自于自身内部的紧缩压力。

当玻璃遭受钝性（这里的钝性假设在于破坏力只到达表面，如果破坏力能深入内部，例如子弹或者锥形锤，那么预力就没有保护作用）外力击打的时候，所谓的裂纹就是表面的分子被冲击波完全分开；但是Prince Rupert’s Drop的表面分子原本就很挤，任何裂纹的形成，都必须先克服来自内部的紧缩预力。这种分子力在微观下是非常强大的，结果是裂纹很难形成，那么自然就没有后续的传播扩散，玻璃也就完整无缺。

20世纪的科学家明白了这个原理之后，很快就有了工程上的应用，也就是所谓的强化玻璃（Strengthened Glass）。用快速冷却很难生产出所需的特定形状，所以工艺上转为化学方法，例如把制成的玻璃板泡在钾盐之中，让钾原子慢慢渗透进入玻璃表层，取代原有的钠原子。因为钾原子比钠原子大一点，所造成的表面层同样是很挤的，结果是同样的紧缩预力。汽车和飞机的挡风玻璃都是如此制成，然后再夹上柔性材料，避免在外力过大，玻璃碎裂之后，破片飞出伤人。电视和手机的玻璃面板，也同样是经过预力强化处理。康宁的Gorilla Glass（大猩猩玻璃），基本上就是精益求精的强化玻璃，在配方和生产工艺的细节上，经过多个世代的修改，但是其基本原理，还是如上所述。

在土木工程上，水泥同样有容易裂开的毛病，所以也就同样可以用预力来强化。例如水平方向的水泥结构，在承重之后会有向下弯曲的趋势，所以上半部被挤压，而下半部被拉伸；一般是在水泥结构的下半部加上钢筋来抗拒这个拉力，但是水泥本身基本没有抗拉的能力，结构稍微弯曲之后就会裂开。照理说，钢筋是有弹性的，承重离开之后会恢复原状；然而水泥的裂纹却不会消失，结果是雨水和氧气得以接触到内部的钢筋，使之开始生锈，长久下来，整个结构就会弱化、甚至坍塌。

解决的办法是把钢筋稍微拉长，利用它的收缩弹性来产生压缩水泥的预力，那么任何拉力就必须先克服这个预力，才能产生水泥的裂纹。这个方法叫做Prestressed Concrete（预应力混凝土），普遍使用在各种大型工程，尤其是桥梁上。实际应用上又分两种：先张法和后张法，其差别在于拉长钢筋是在水泥固化之前或之后来做的，物理原理则是完全同样的。

另一个预力强化的重要应用，在于炮管的制造。火药产生强大的膛压，如果炮身不够坚固，就会炸膛，而炸膛的过程，也是从内表层的裂纹开始。小型火器的身管口径小、曲率大，天生就比较不容易炸膛，再加上对价格比较敏感，所以可以不做预力强化处理。但是大口径火炮就不一样，尤其是19世纪末、20世纪初的海军炮，从6寸炮开始，如果不做好预力强化，对己方人员的危害就比对敌方还大。

最早的炮管预力强化技术比较原始粗暴，叫做Built-Up Gun（多层迭加炮？）。它先把炮管分成3-5层（最内层叫做Lining，最外层叫做Jacket，中间的叫做Tube，由内而外分成A、B、C，B Tube又可以是Hoop或Wire，详见下文），分别制造，这其中外层的内径总是比内一层的外径稍微小一点（而且其实不是完全均匀的，除了Lining的内径之外，都是炮口端口径略小；这是为了避免内管跟着炮弹一起发射出去）。然后从最内层开始，先把外管加热到400°C左右（这里的考虑重点是要有足够的受热膨胀，但是又远低于熔点，不影响钢材的力学性质），因为膨胀使内径暂时略大于内管的外径，因此可以套在一起，再让它们一起冷却，然后再加下一层外管，周而复始。因为外层希望内层紧缩些，因而产生的预力同样可以起防止裂纹之效。

在1892年，英国海军采用了新一代的发射药，叫做Cordite，其能量密度有很大的飞跃，所以对炮管的抗压能力也有了更高一级的要求。当时的炼钢技术，不足以产生足够强度的钢管，即使用了既有的多层设计，炮管仍然无法承受那么高的膛压。于是英国人把B Tube改为用承受着拉力的钢丝缠绕而成；钢丝因为晶体结构方向和缠绕时的高拉力，可以产生更大的紧缩预力。当时日本海军对英国人亦步亦趋，所以也引进了这门特别技术。其他的海军，包括德、法、美、俄等等，则选择对传统的钢套技术做继续改进，例如把B Tube分成若干段，以方便做额外的强化处理，这些段落叫做Hoop，他们的海军炮就叫做Hoop Gun，而英日用的钢丝叫做Wire，所以他们的炮叫做Wire-Wound Gun。

上图是美国海军16寸50倍径Mark 7舰炮（用在Iowa级战列舰上，是美国最后的大口径舰炮）的身管部件，由上到下分别是Lining、A Tube、构成B Tube的Hoops和Jacket

到了1920年代，一方面由于炼钢技术的进步，另一方面因为前面提到的对断裂力学和预力理论的突破，Hoop Gun的抗压能力达到了Wire-Wound Gun的同一级别。这里的技术细节在于Hoop和A Tube都可以先做Autofrettage（身管自紧，详见下文）处理，而其在应用上的后果是性能进步了，价钱却保持在显着低于钢丝的等级。英国海军那时很缺钱，所以只好从善如流，花了几年额外的时间来重新开发Hoop Gun。而英日之间的关系已经没有3、40年前那么好了，所以日本人没有拿到新的技术，只能继续发展他们的Wire-Wound Gun，一直到大和级的18寸主炮，仍然用的是钢丝预力技术。

在国外的军迷圈子里，有一个传说，说钢丝炮虽然抗压能力强，但是轴向的强度弱（因为一圈钢丝和另一圈钢丝之间，显然是没有任何强度可言的），所以用久了之后，炮身会因为重力而弯曲，射击精度也不佳。我找不到任何实证，所以这有可能是当时Hoop Gun拥护者脑补出来的Urban Myth（现代传说）；Hoop Gun真正的优势，应该还是价钱。

二战后，航母取代了战列舰在舰队中的核心地位，大口径海军炮的发展也就因而结束。现代最先进的身管火炮是中口径炮，例如155毫米榴弹炮和120/125毫米坦克炮。这些口径不须要用到多层结构，前面提到的身管自紧技术已经足够了。所谓的身管自紧，是先把炮管适当加热，然后从管内施加高压；因为这个压力受钢材层层阻挡，越往外越弱，所以可以控制为只超出内层材料的弹性极限、产生压缩形变（所以内径会增加，一般在6%以下）。一旦压力被解除，结果同样是内层的原子挤在一起，承受预力，可以抵抗裂纹的产生。

最早这个身管自紧技术用的是液压油来产生高压，后来进步为改用口径超出炮管原内径的固态硬杆强行穿过；共军似乎是在80年代才从西方引进这项硬杆自紧技术，然后消化吸收改进；俄国因为没有引进新军工技术的机会，在这方面可能已经落后于中方。