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应力状态|弄伤全网最帅小张的钢化玻璃，怎么就自爆了？

出品：科普中国
制作：张昊 （大阪大学）
监制：中国科学院计算机网络信息中心
昨天的微博热搜 ， 一直被小张占据着 ， 并一直处于“沸”的状态 。
应力状态|弄伤全网最帅小张的钢化玻璃，怎么就自爆了？
△来源：微博热榜
小张是谁？究竟发生了什么事？能引发全网关注 。
原来这是1818黄金眼发布的一个新闻：宁波小伙小张近日在洗澡时 ， 租住公寓的浴室钢化玻璃门突然破裂 ， 导致小张手部受伤 。 因为无法与物业就赔偿方案达成一致 ， 他联系了媒体曝光此事 。
一个普通的民事纠纷 ， 没想到却演变成了全网第一的热点事件 ， 甚至占据热搜头名几乎一整天 。 很多人对小张空降热搜榜首的原因感到不解 ， 看到评论才明白 ， 最重要的原因可能和小张的长相有关 。 毕竟 ， 评论里整齐划一地都在夸小张帅 。
越来越多吃瓜群众的涌入导致小张事件的热度持续上升 ， 甚至到了下午 ， 话题“小张这么帅怎么可以受伤”都冲上了热搜前五 。
帅与不帅跟每个人的审美情趣有关 ， 我们不做过多评价 ， 不过钢化玻璃倒是值得好好地说道说道 。
钢化玻璃与普通玻璃相比 ， 为什么有更高强度？又为什么会突然发生破碎？钢化玻璃和防弹玻璃是一回事吗？钢化玻璃又有哪些奇特的性质？
借着小张事件的东风 ， 我等吃瓜群众在欣赏小张俊美的容颜之外 ， 也该顺便学点与玻璃有关的生活常识 。
更高强度的钢化玻璃是如何生产出来的？
本质上来说 ， 钢化玻璃和普通玻璃的材质是类似的 ， 没有特殊之处 。 让钢化玻璃产生强化效应的是它独特的制作工艺 。
正常的平板玻璃的制作过程是：原料经过高温熔融 ， 形成均匀无气泡的玻璃液；当玻璃液冷却到可以进行机械加工的温度范围内时 ， 对其进行压延 ， 形成平板形态；冷却下来的玻璃内部应力极大 ， 需要再进行退火 ， 即在一个较低的温度下再加热一段时间并缓慢冷却 ， 以此降低内部应力 ， 稳定内部结构 。
应力状态|弄伤全网最帅小张的钢化玻璃，怎么就自爆了？
△玻璃工厂照片 来源：维基百科
而钢化玻璃则要在上述工艺最后再补上一个强化的步骤 ， 具体来说就是 ， 在得到确定尺寸的普通玻璃后 ， 将其加热到650℃到700℃左右的玻璃软化点附近 ， 然后在玻璃两侧同时用高压气流吹气 ， 使之急速冷却 。 此时玻璃表面将率先降温收缩 ， 在两侧表层内形成具有很高内部压应力的结构 。 之后冷却的中心部则将随之具有很高的内部拉应力 。 最终 ， 玻璃两侧将形成各自约为1/6玻璃厚的压应力层 。
那么为什么是两侧受压 ， 中心受拉 ， 而并非反过来呢？这主要是因为玻璃两侧遇冷收缩时 ， 任何一个身处表层的位置都将受到来自四面八方的挤压 ， 因此表层中会形成压应力层；而中心处因为冷却较慢 ， 来不及收缩 ， 因此形成拉应力层 。
我们可以把应力理解为是材料内部具有的“内在”力 ， 较高的应力意味着材料内部存储着额外的能量 ， 因此会形成“不安分”的因素 。 例如夏天西瓜丰收时 ， 有些熟透的西瓜稍微遇到一点外力就会自己爆开 ， 这就是西瓜内部存在应力的表现 。
那为什么应力反而是玻璃得以强化的关键呢？
玻璃这种材料 ， 有一个非常显著的性质 ， 那就是怕拉不怕压 。 对于外界的压力负荷有很强的抵抗作用 ， 但承受拉力负荷的能力却要低得多 。 假如我们把一片平板玻璃用四周的框架支起来 ， 就像玻璃屋顶或者玻璃廊桥的桥面一样 。 我们会发现玻璃受到荷重影响时 ， 上方仍然处在受压的状态 ， 但下方其实是受拉的状态 。 当载荷逐渐增加 ， 玻璃挠曲程度加深 ， 下方受到的拉应力也越来越大 。 最后 ， 玻璃的下方 ， 即未受载荷的那一面将先发生破坏 。
钢化玻璃双侧表面的压应力区域很好地抵消了载荷影响 ， 玻璃弱侧（不受载荷的一侧）的拉应力不会增加到普通玻璃相同的程度 ， 也就没有那么容易发生断裂 。 一般来说 ， 经过强化处理的玻璃强度可以提高到原来的3到5倍以上 。
应力状态|弄伤全网最帅小张的钢化玻璃，怎么就自爆了？
△玻璃受压挠曲示意图 来源：参考文献3
钢化玻璃真的会爆炸吗？
钢化玻璃虽然强度高 ， 但是它绝对不是坚不可摧的 。 而且钢化玻璃一旦发生破坏 ， 就会迅速崩解 ， 碎成渣渣 。 我们上面已经说过 ， 钢化玻璃其实是一种内部存在着很大应力的材料 ， 正常情况下压应力和拉应力得以平衡 ， 玻璃自然也能维持完好的外在状态 。 不过这种平衡一旦被打破 ， 巨大的内应力就将瞬间释放 ， 从最先发生破坏的薄弱点传递到整块玻璃 ， 使其迅速碎裂 。
最先发生的薄弱点有很多种 ， 比如玻璃安装、移动过程中的磕碰会让边缘乃至表面的压应力层受损 ， 形成裂口 。 如果裂口足够深 ， 抵达或者接近拉应力层 ， 内部平衡的破坏会让钢化玻璃马上破碎 。 因此钢化玻璃的移动和施工过程要非常小心 ， 避免任何瑕疵的发生 。 因为即便是非常浅的表面裂口 ， 也会成为未来发生断裂的薄弱环节 。


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