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第174章材料

  科大物理院地下的加工车间里,空气显得有些沉闷。

  车间角落的一张铸铁工作台上,架着一台高精度的千分表。

  千分表的探头,正死死地抵在一个刚刚加工出来的合金底座的核心受力面上。

  这是一个堪称漂亮的工业艺术品。

  底座的表面被车床和铣床打磨得光可监人,每一个倒角的弧度,每一个螺丝孔的间距,都透着一股严丝合缝的机械美感。

  王大勇站在工作台前,双手撑着边缘,袖口挽到了手肘上面,小臂上沾着几块黑色的油污。

  他的头发有些乱,眼底下挂着两个明显的黑眼圈。

  他的视线死死地钉在千分表的表盘上。

  旁边,赵鹏和郑南也屏住呼吸,盯着那根细小的红色指针。

  车间墙壁上的中央空调出风口里,正往外吹着丝丝缕缕的暖风。

  随着暖风的吹拂,工作台周围的温度正在发生极其微小的变化。

  「动了。」

  郑南咽了一口唾沫,声音有些乾涩。

  千分表表盘里,那根原本指在零刻度线上的红色指针,像是被某种看不见的力量推了一下。

  它非常缓慢,却又无比坚决地,向右偏转了半个小格。

  紧接着,随着空调风向的扫动,温度稍微下降了一点点,那根指针又慢慢悠悠地向左退了回去,甚至退过了零点。

  就在这正负几个微米之间,指针就像是一个喝醉了酒的钟摆,毫无规律地来回游荡。

  精度又漂移了。

  赵鹏长长地叹了一口气,伸手揉了脸。

  「还是不行。」

  赵鹏转头看向王大勇。

  「大勇,这已经是你这个星期车出来的第三个底座了,精度还是卡在小数点後四位,到了第五位,它就是稳不住。」

  王大勇没有说话。

  他慢慢站直身子,走到工作台旁边的另一张桌子前。

  桌子上,摊开着一本厚厚的,书页已经被翻得有些起毛的《材料力学》。

  书本旁边,是厚厚一沓写满了各种微积分公式,应力张量矩阵和形变推导的草稿纸。

  这三个月来,为了刘教授交代的这个完美的应力分布底座,王大勇这个看到复杂数学就头疼的人,硬生生把自己逼成了一个半吊子的力学理论推导机器。

  他白天在车间里摸工具机,晚上回了宿舍,就点着台灯啃这本厚厚的教材。

  陈拙在算那些高深莫测的拓扑学,他在算最基础的金属屈服强度和热应力。

  他按照书上的公式,把这个底座的每一寸受力都算得清清楚楚。

  图纸画了一遍又一遍,应力集中的地方被他用最平滑的过渡曲线给散开了。

  他自认为,哪怕是科大教机械的老教授来评判,这个底座在结构上也绝对挑不出一丝毛病。

  可是,到了现实里,它就是不灵。

  王大勇伸出沾着油的手,拿起最上面的一张草稿纸。

  纸上是他昨天半夜算出来的热应力形变补偿公式,每一个数字他都核对过三遍。

  「是不是咱们的边界条件还是给的太理想化了?」

  郑南凑过来,看着草稿纸上的公式,试探性地分析。

  「毕竟现实里的受力情况要复杂得多,要不,咱们把泊松比的参数再稍微调整一下?或者用有限元分析软体重新跑一遍网格模型,看看是不是哪个转角的地方还有微小的应力集中没有释放掉?」

  王大勇看着手里的草稿纸。

  脑子里突然闪过陈拙在宿舍里那副轻松写意的样子。

  别人用脑子算出来的东西,到了现实里就能严丝合缝。

  他王大勇照着书本,一笔一划算出来的东西,到了现实里,就是一堆不听使唤的废铁。

  一种前所未有的憋屈感,从他的胸口直冲脑门。

  王大勇把那张草稿纸慢慢揉成了一团。

  他走到工作台前,看了一眼那台依然在左右摇摆的千分表,又看了一眼那本厚厚的《材料力学》。

  他突然伸出手,抓起那本书。

  王大勇凭藉着记忆,快速翻动着书页,最後停在了靠中间的一个章节上。

  章节的标题是:

  热应变与材料热膨胀。

  王大勇盯着书页上那个最基础的公式。

  变形量,等於热膨胀系数,乘以原始长度,再乘以温度差。

  就这麽简单的一个乘法公式。

  没有复杂的微积分,没有让人头晕目眩的张量矩阵。

  王大勇盯着那个希腊字母。

  书页上的黑体字写得很清楚。

  任何固体材料,在温度升高时,其内部分子或原子的热运动加剧,导致原子间的平均距离增大,从而表现为宏观体积的膨胀。

  这是材料的固有物理属性。

  王大勇的眼睛慢慢眯了起来。

  他脑子里那些乱七八糟的应力公式,几何倒角,结构优化,在这一刻,就像是被一阵大风刮得乾乾净净。

  「啪!」

  王大勇猛地合上了那本厚厚的《材料力学》,重重地拍在桌子上。

  声音在安静的车间里吓了赵鹏和郑南一跳。

  「大勇,你干嘛?算错哪儿了?」

  赵鹏赶紧问。

  王大勇转过身。

  他那张平时总是带着几分憨厚的脸上,此刻没有了自我怀疑,只有一种近乎野蛮的咬牙切齿。

  「不是算错了。」

  王大勇指着桌上那本《材料力学》,又指了指那张被他揉成一团的草稿纸。

  「是算有个屁用!」

  赵鹏和郑南都愣住了。

  王大勇大步走到工作台前,一把扯下那个架在合金底座上的千分表,随手扔在旁边。

  「师兄。」

  王大勇转过头,看着两个被他这架势镇住的博士生。

  他伸出手指,重重地敲在那块打磨得完美无瑕的合金底座上。

  「你们还在想是不是形状没设计好,是不是受力面没散开。」

  王大勇的声音在车间里回荡。

  「这根本就不是形状的事儿!书上写得明明白白,只要它是块普通的铁,普通的钢,屋里温度变个零点几度,它里面的原子就得往外乱挤!」

  他用手抓了一把空气,做了一个向外膨胀的动作。

  「微积分算得再漂亮,哪怕你算出花来,你能拦住这块铁它自己发热膨胀吗?

  」

  「不能!」

  王大勇斩钉截铁地自己给出了答案。

  「咱们把机械结构做到底了,连一根头发丝的力都分匀了,但这块材料的底子就这麽点出息,它就是个会喘气,会随温度胀缩的东西,机械结构管不住它原子的脾气。」

  王大勇看着那块底座。

  「这不是咱们的手艺不行,这是材料本身的问题。」

  车间里安静了下来。

  赵鹏和郑南对视了一眼。

  作为理论物理方向的博士生,他们当然知道热膨胀的原理。

  但平时他们更习惯於在电脑上用算法去补偿这些误差,很少会像王大勇这样,直接把理论撕开,回归到最原始的物理常识上。

  「你说的有道理。」

  赵鹏点了点头,眉头依然紧锁。

  「普通的金属材料确实有热膨胀极限,如果结构上已经无法再优化了,那就只能从材料本身想办法。」

  赵鹏看向王大勇。

  「如果要解决这个问题,得换材料,工业上做高精度测量设备的底座,通常会用一种叫殷钢的低膨胀合金,它里面掺了大量的镍,热膨胀系数是普通钢材的十分之一甚至更低。」

  「那就去买啊。」王大勇立刻接话。

  郑南在旁边苦笑了一声。

  「哪有那麽容易。」

  郑南拉过一把椅子坐下。

  「殷钢这种特种材料,市面上很少有现成的零售棒材或者板材,得去专门的特钢厂订做,先不说实验室的经费审批要走多久的流程,光是厂家的交期,最快也得半个月。」

  郑南指了指墙上的日历。

  「老师说了,下周一,风洞的核心部件就要上台测试,咱们根本等不起这半个月的时间。」

  没钱,没时间。

  理论的路走死了,高端材料又买不到。

  赵鹏烦躁地抓着头发,在工作台前面走来走去。

  「这也不行,那也不行,总不能把整个实验室装进恒温箱里去测吧?空调一开一停,这小数点後五位的精度根本保不住。」

  王大勇站在原地,低着头,看着自己的手。

  既然高端的材料买不到。

  既然物理规律规定了金属受热必须膨胀。

  那就顺着它的脾气来。

  大禹治水都知道,堵不如疏。

  金属要胀,就不让它胀?

  凭什麽?

  王大勇的脑子里,突然冒出了一个以前在村里看老修表匠修那种老式座钟时的画面。

  那种老座钟的钟摆,为了防止夏天热胀变长走得慢、冬天冷缩变短走得快,钟摆的杆子不是一根实心的木头或者铁条。

  它是由好几根不同金属材质的细杆,交错着拼接在一起的。

  有的往上长,有的往下长。

  王大勇猛地抬起头。

  他一句话都没说,直接转身,朝着车间最里面的那个杂物间走去。

  「大勇,你干嘛去?」赵鹏在後面喊了一声。

  王大勇没回话。

  杂物间里光线很暗,地上堆满了各种废旧的机械零件,断掉的车刀,以及学生们做实验剩下的边角料。

  王大勇踩着一堆废铁皮,在一堆杂乱无章的金属杆里翻找着。

  几分钟後,王大勇从里面拽出了两根满是灰尘的金属杆。

  一根是表面已经有些发暗的钢管。

  另一根是拿在手里明显轻很多的实心铝棒。

  王大勇用手随便擦了擦铝棒上的灰,借着门外的光看了一眼。

  「行,能用。」

  他拎着一根钢管和一根铝棒,大步流星地走回了工作台。

  赵鹏和郑南看着他手里这两根跟捡破烂捡来一样的金属杆,满脸茫然。

  「大勇,你拿这个干什麽?这破钢管连表面都没处理过,铝棒的刚性也太差了,根本做不了底座支撑啊。」

  赵鹏赶紧劝阻。

  王大勇把两根金属杆往工作台上一扔。

  发出当个一声脆响。

  「做不了支撑,就让它们干点别的事。」

  王大勇走到旁边的工具柜,一把拉开柜门,从里面拿出游标卡尺,钢板尺,还有几把不同型号的锉刀。

  他连那本《材料力学》都没翻。

  直接拿起一支黑色的记号笔,在钢管和铝棒上分别划了几道线。

  「师兄。」

  王大勇一边划线,一边头也不抬地说。

  「殷钢买不到,咱们就不买了,它铝和钢不是喜欢胀吗?今天我让它们在这儿胀个够。」

  赵鹏和郑南完全听不懂王大勇在说什麽。

  但接下来的几个小时里,他们见识到了什麽叫真正的,野兽般的机械加工直觉。

  王大勇没有打开任何CAD绘图软体。

  他甚至连一张草图都没有画。

  那些复杂的尺寸关系和配合公差,全都在他那个完全不懂微积分的大脑里,以最原始,最直观的三维立体方式飞速旋转,组合。

  车床的轰鸣声在车间里重新响起。

  王大勇熟练地把那根钢管卡在三爪卡盘里,拉下安全罩。

  车刀切削在钢管上,溅起一连串红色的火花,淡蓝色的切削液喷洒在刀刃上,瞬间化作白色的烟雾腾起,带来一股刺鼻的焦糊味。

  王大勇的眼神专注得可怕。

  他全凭手感转动着车床的进给手轮,切削的厚度、进刀的速度,完全依靠他听声音和看铁屑形状的本能。

  切削完钢管,他又换上了那根铝棒。

  铝的质地软,车削起来声音没那麽刺耳,但更容易粘刀。

  王大勇手上的动作轻快了许多,车出的铝屑像是一根根银白色的弹簧,顺着刀架掉落在收集槽里。

  整个下午,车间里没有人说话。

  只有工具机运转的轰鸣声,和金属被切削的蜂鸣。

  傍晚时分。

  工具机终於停了下来。

  王大勇用气枪吹乾净零件上的碎屑。

  摆在工作台上的,不再是一根钢管和一根铝棒。

  钢管被截成了一段特定的长度,中间被掏空,两端车出了精密的内螺纹。

  铝棒同样被截断,直径被车得刚好能塞进钢管内部,它的底部车出了外螺纹,顶部则加工成了一个带有一小截凸起的连接法兰。

  王大勇拿起这几个零件,走到旁边的电焊工作台前。

  他戴上那顶满是划痕的黑色电焊面罩。

  拿起焊枪。

  嗞啦~

  刺眼的弧光在车间角落里亮起。

  飞溅的焊渣落在地面的水泥板上,跳动着熄灭。

  他把铝棒插进钢管里,但在焊接的时候,他并没有把两端焊死。

  他做了一个让赵鹏和郑南完全看不懂的结构。

  他把钢管的底部,焊在了一个用来固定地面的基座上。

  然後,他把那根塞在里面的铝棒的顶部,和钢管的顶部死死地焊接在了一起。

  铝棒悬空在钢管内部。

  最後,他把真正用来支撑千分表和测试设备的承重法兰,焊在了内部那根铝棒悬空的底端。

  这是一个非常古怪,甚至有些丑陋的嵌套结构。

  它完全不符合教科书上那种追求一体成型、受力均匀的美学标准。

  它看起来就像是临时拼凑出来的废品。

  「搞定。」

  王大勇关掉焊机,摘下面罩,抹了一把额头上的汗。

  他用铁锤把焊缝表面的焊渣敲掉,露出里面虽然粗糙但结实的金属熔合面。

  赵鹏走上前,看着这个奇怪的金属疙瘩,眉头拧得更紧了。

  「大勇,你这焊的到底是什麽?承重面怎麽在内部悬空的铝棒下面?这结构完全不符合静力学常识啊。」

  王大勇没急着解释。

  他把这个刚刚焊好、还带着几分温热的嵌套底座,搬到了千分表的测试台上。

  用螺栓死死地固定住。

  然後,他把千分表的探头,重新抵在了铝棒底端那个承重法兰的侧面上。

  「试一试就知道了。」

  王大勇转头看着赵鹏。

  「师兄,把那边那个工业热风枪拿过来。」

  赵鹏愣了一下,看了一眼墙角那个用来做高温老化测试的工业热风枪。

  「用热风枪?那玩意儿吹出来的风好几百度,这可是精密测试,你这不是瞎胡闹吗?」

  「拿过来。」

  王大勇的声音不大,但透着一股不容置疑的自信。

  郑南咬了咬牙,走过去把热风枪插上电,拽着长长的电源线走了过来。

  「吹。」

  王大勇指着那个嵌套底座的外壳钢管。

  郑南看了一眼赵鹏,见赵鹏没反对,便按下了热风枪的开关。

  高温的热浪瞬间涌出。

  肉眼可见的空气扭曲在那个丑陋的底座周围产生。

  底座外层的钢管温度开始急剧上升,原本暗灰色的金属表面,甚至因为高温泛起了一丝微微的黄蓝色氧化层。

  赵鹏和郑南的目光,不约而同地死死盯住了千分表的表盘。

  在几百度的热风直吹下,热膨胀的效应会被放大无数倍。

  按照常理,哪怕是这块底座再结实,那根指针也早就应该直接打满表盘,偏转到不知道哪里去了。

  第一秒,指针微微颤动了一下。那是底座外壳刚刚受热时产生的表面应力释放。

  赵鹏的心提到了嗓子眼。

  第二秒。

  第三秒。

  时间一分一秒地过去。

  热风枪已经连续吹了整整一分钟。

  底座外面的钢管烫得根本无法用手触摸。

  但是。

  奇蹟发生了。

  千分表表盘里的那根红色指针。

  在最初的微微一颤之後,就像是被彻底焊死在表盘上一样。

  它稳稳地停留在零刻度线右侧的一个极微小的位置,死死地卡在小数点後五位的那个精度上。

  无论郑南怎麽变换热风枪的角度,无论周围的温度怎麽急剧上升。

  那根指针,纹丝不动。

  稳如泰山。

  车间里只剩下热风枪呼呼的轰鸣声。

  赵鹏慢慢地长大了嘴巴。

  郑南连拿着热风枪的手都僵住了,忘了关开关。

  「这————这怎麽可能?」

  赵鹏猛地往前走了一步,几乎要把脸贴到千分表的玻璃罩上了。

  他不敢相信自己的眼睛。

  他转过头,看着满头大汗、衣服上还带着电焊焦糊味的王大勇,声音都变调了。

  「你连微分方程都没列!你连热膨胀系数的补偿矩阵都没算!这两种金属的收缩比,你怎麽可能在手工切割下抵消得这麽完美?!」

  这就好比一个人不用瞄准镜,随手甩出一枪,刚好打中了八百米外的一只苍蝇。

  在学术派的眼里,这简直就是在践踏物理学的尊严。

  王大勇看着两个目瞪口呆的师兄。

  他走过去,伸手关掉了郑南手里的热风枪。

  车间里恢复了安静。

  王大勇拽过挂脖子上的毛巾,胡乱地擦了一把脸上的汗,咧开嘴,露出了一个灿烂且朴素的笑容。

  「列啥方程啊,师兄。」

  王大勇走到那个依然滚烫的底座前,伸出两只手,在半空中比划起来。

  「书上说了,铝胀得快,钢胀得慢。」

  王大勇指着外面那层钢管。

  「外头这根钢管,我把它底下焊死了,拿热风枪一吹,它受热膨胀,是不是得往上长?」

  赵鹏下意识地点了点头。

  「它往上长,就带着顶部焊在一起的铝棒,也跟着往上提。」

  王大勇的手做了一个向上提拉的动作。

  紧接着,他的另一只手指了指藏在里面的铝棒。

  「但是!」

  「铝棒在里头,它也受热了,铝的脾气比钢大,它膨胀得比钢快,它一膨胀,就要往下伸长。」

  王大勇把两只手放在胸前。

  右手代表向上的钢管拉力,左手代表向下的铝棒伸长力。

  两只手猛地握在一起,做了一个互相角力的动作。

  「我把截那段铝棒的时候,用尺子量过了,铝的膨胀系数差不多是钢的两倍,所以,我只要把里面铝棒的长度,截成外面钢管长度的一半。」

  王大勇看着赵鹏和郑南,用最简单的大白话,揭开了一个绝妙的机械物理机关。

  「外头钢管往上长了一毫米。里头铝棒刚好往下伸长了一毫米。」

  「一个往回拉,一个往外顶。」

  「只要这两种材料在里头互相掐架,互相抵消,内部的应力就自己闭环了。」

  王大勇指着铝棒底部那个连接千分表探头的法兰。

  「所以,不管它们俩在里头胀成什麽样,打得多热闹。这最下面真正承重的外框连接点,就被这两股力死死地锁住了。」

  「里头随便它们怎麽胀,外面连一微米都动不了!」

  王大勇的话音落下。

  赵鹏和郑南久久地站在原地,看着那个丑陋,粗糙,却足够靠谱的嵌套底座。

  以一种纯粹的,野蛮的,不讲道理的物理直觉。

  没有复杂的数学推导,没有昂贵的特种材料。

  王大勇用从废料堆里捡来的两根破管子,用最原始的切割和焊接,在现实的物理世界里,强行拼凑出了一个「完美」的不膨胀结构。

  赵鹏深吸了一口气。

  「大勇。」

  赵鹏的声音里带着由衷的惊叹。

  「你小子,不愧是少年班的啊,你们这脑子是怎麽长的?」

  王大勇憨憨地挠了挠头,有点不好意思。

  「啥咋长的,我就是看那些公式头疼,算不明白,算不明白,就只能上手干了。」

  他转过头,看着那个已经开始慢慢降温的底座。

  虽然今天他用两种材料掐架的土办法混了过去,解决了眼前的难题。

  但他第一次如此清晰地感觉到。

  机械结构的嵌套,终究是投机取巧。

  今天能用两根管子抵消热膨胀,那明天要是遇到几千度的高温呢?要是遇到几万吨的液压呢?

  那时候,靠几根管子互相掐架是没用的。

  真正能决定一件工业设备生死极限的,不是图纸画得多漂亮。

  而是这块金属本身。

  材料。

  王大勇看着那块底座,眼睛里闪烁起一种更加渴望的光芒。

  如果有一天,我能不去捡废料拼凑。

  如果有一天,我能亲手在炉子里,烧出一块天生就不会膨胀,不管怎麽震都断不了的铁,那该多牛逼啊。

  这个念头,在王大勇的脑子里,像一团火苗一样窜了起来。

  「走吧,师兄。」

  王大勇拍了拍手上的灰,看了一眼墙上的挂锺。

  「到饭点了,这底座放这儿晾一会儿,明天早上给刘老师看,咱们先去食堂占座,去晚了炖排骨就没了。

  两人忍不住对视一眼。

  「走!」

  赵鹏大手一挥。

  「今天这顿排骨,我请客!大勇,你随便吃!」

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