玻璃與玻璃態

熱回火(thermal tempering)

玻璃會破,是因為表面裂縫被張力拉開、在其中疾馳而過。熱回火反制這件事的方法,是給玻璃的表皮一道永久的擠壓,讓裂縫在任何張力抵達之前,必須先穿過一層內建的壓應力。實際上,表面被預先壓緊封住,就像一座靠自身承載的重量而彼此扣合的石拱。這與預力混凝土是同一個概念,只是借給了玻璃。

訣竅在於刻意讓表面與內部在不同時間凍結。把玻璃板均勻加熱到玻璃轉化溫度之上,再用冷空氣噴流猛吹兩面。表面先冷卻硬化、率先定型,此時內部仍熱而膨脹。當被困住的內部最終冷卻、想要收縮時,它已無法把早已剛硬的表皮往內拉,於是把表面拖進永久的壓應力,自己則安頓成平衡的張應力。典型的回火玻璃帶有約 100 至 150 MPa 的表面壓應力,而由於裂縫要等外加負載克服那道壓應力才能生長,這種玻璃測得的強度是同樣退火玻璃的四到五倍。

回火也改變了玻璃破壞的方式,這正是它被稱為安全玻璃的原因。所有那些儲存的彈性能,意味著裂縫一旦穿透壓應力層,整片玻璃會瞬間碎成一陣小而鈍角的方塊,而不是長而如匕首的碎片,對汽車側窗、淋浴門與玻璃桌來說安全得多。麻煩之處在於:一切都必須在回火之前完成——你不能切割、鑽孔或研磨回火玻璃,因為破壞壓應力表皮會釋放儲存的能量,整片就碎裂。一個著名的困擾案例是硫化鎳夾雜物,那是深藏於張應力區的微小瑕疵,可能在數年後觸發自發性碎裂。

汽車的側窗與後窗是回火的:發生撞擊時,它們會碎成數千顆卵石般的方塊,不會割傷你。擋風玻璃則不同,改用膠合的夾層,正是因為駕駛必須能透過「裂了但仍完整」的玻璃看路,而不是讓整片玻璃碎散掉。同樣的危險,兩種工程解法。

熱回火建起一層壓應力表皮,使玻璃更強,且在最終破壞時更安全。

回火玻璃只在對抗表面張力時更強;內部處於平衡的張應力,因此一道深瑕疵或抵達該區的邊緣缺口,會讓整片玻璃自毀。而且回火後絕不能再切割或鑽孔。

又称
toughened glassphysical tempering鋼化玻璃物理鋼化