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冷却过程中,铜的收缩率大于铸铁。冷却后,铜层对铁芯产生强大的箍紧力,提高了铁芯在承受膛压时的抗拉强度。
另一方面:由于铜层提供了良好的韧性和应力缓冲作用,铁芯的厚度可以大幅减薄(减少40%),同时复合结构的整体抗压强度反而提升五成。
这使得火炮在保持甚至超越威力的前提下,重量减轻三成,机动性显著提高。
而且采用铁芯铜壁工艺制造的火炮,相比全铜炮可节省约70%的铜料,且管壁较薄、重量较轻,铸造花费也相应减少。
此法通过复合结构实现了性能和成本的最优解,在17世纪上半叶处于全球领先地位。
例如崇祯十五年使用此法铸造的“定辽大将军”铜炮,全长3.8米,内径10厘米,采用该工艺后耐用性比纯铁炮提高5倍,早于美国南北战争时期的罗德曼法200余年,
为了这个目标,孙元化几乎住在了火器厂。他与工匠们同吃同住,在炽热的熔炉旁挥汗如雨,在冰冷的铁模前反复调试。
失败了一次又一次,图纸堆满了案头,废品堆成了小山。他那身官袍,便是无数次亲临一线、与工匠们并肩奋战的见证,早已不复当初的整洁。
“孙主事,”一位头发花白、经验最丰富的铸炮老师傅走上前,声音带着一丝沙哑的激动,
“四门炮都已检查完毕,铁模严丝合缝,铜壁浇铸均匀,无砂眼、无气孔!铁胎铜壁结合处也打磨光滑,堪称……堪称完美!”
老师傅的手微微颤抖,他干了一辈子铸炮,从未见过如此精良的炮身。
孙元化伸出手,粗糙的手指缓缓抚过炮身那独特的、由内而外透出的金属质感。内层是深沉坚硬的铸铁,外层则是相对温润的铜,两者在高温下熔铸结合,浑然一体。
“孙主事,您看这结合处……”老工匠头儿老张凑过来,指着炮身中段一处接口,声音带着一丝忐忑,
“按您说的法子,铁芯刚铸好,还烫得吓人,咱就赶紧浇铜……这铜汁子跟铁芯子,真能‘咬’得这么死?”
孙元化用力按了按那结合部,感受着其下传来的坚实触感,脸上露出一丝笃定的笑容:“张师傅,放心!这法子,妙就妙在一个‘趁热’和一个‘咬合’!”
他指着旁边一块冷却的边角料断面,对围拢过来的工匠们解释道:
“各位师傅请看此断口:内里铸铁为芯,性刚,承力之骨也;外层裹铜,性柔,纳力之皮也!”
他拿起一块小铁片,用力掰了掰,铁片纹丝不动,却发出脆响:“寻常铁炮,便如这纯铁,硬则硬矣,却少了些回劲。
若炮膛内药发之猛力骤集,便如以石击卵,稍有些微砂眼、应力,便要崩裂——此乃往日炸膛之根由!”
又取过那薄铜片,以指弯折数次,铜片弯而不断:“铜则不然,其性柔而有韧性。咱这铁芯铜体炮,妙就妙在‘刚柔相济’!”
他指向炮身,语气愈发笃定:“药发之时,膛内雷霆之力,首冲铜层。这铜皮先受其力,柔化之,再散于全炮。
如此一来,铁芯所受之力便缓了几分,且匀了几分,不致于一处受力过巨而崩裂。”
“更有一层,”他加重了语气,“铜善导热。炮内药火之烈,可借铜层速散,不使积于一处而烧炙铁芯。铁芯不受骤热,铜皮缓其猛力,这炮身自然稳如泰山!”
一番话,以工匠们熟稔的“骨”“皮”“刚柔”作比,却又句句落在器物特性与受力之理上,既通俗晓畅,又透着股子格物致知的道理。
张老头恍然大悟,拍着大腿:“原来如此!妙!妙啊!主事!您这法子,神了!简直是鲁班爷再世!”
旁边另一位负责材料的工匠也忍不住插话,脸上带着精明的笑容:“主事,还有这用料,省大发了!铜多金贵啊!咱这铁芯铜体的法子,比造纯铜炮,足足省下四成的铜料!”
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