強化玻璃的鍋蓋和餐具，為什麼會突然碎成一地？
― 玻璃裡面，一直有一個被拉緊的「內芯」
強化玻璃比一般玻璃堅固好幾倍。然而，有時明明什麼都沒做，它卻會「砰」的一聲，整片碎成細小的顆粒。它堅固的祕密，也就是「體內累積的力量」，同時也決定了它碎裂時的猛烈程度。
晚餐後，你在廚房把玻璃鍋蓋放回架上的那一瞬間。或者是半夜沒有人碰過的浴室。突然傳來一聲巨響，玻璃已經變成滿布的裂紋。
低頭一看，散落在地上的不是尖銳的碎片，而是邊角圓圓、像冰糖一樣的小顆粒。
「明明沒有撞到，為什麼會碎？」「為什麼不是碎一部分，而是全部一次碎光？」這兩個疑問，其實有同一個答案。
突然碎裂的原因，只有兩個
強化玻璃是趁玻璃還很熱時，把表面急速冷卻製成的。這樣一來，表面會在被強力壓縮的狀態下凝固，一般的刮痕就不容易讓它破裂。
為了與表面的壓縮力取得平衡，玻璃的內芯始終處於被拉伸的狀態。一旦刮痕或異物傷到這個內芯，累積的力量就會一口氣釋放出來。
也就是說，強化玻璃是一塊把力量封在體內、安靜站著的板子。我們依序來看。
強化玻璃的內部是什麼樣子？
一般認為，強化玻璃是把玻璃加熱到600℃左右，再向表面吹空氣急速冷卻而製成的。表面先凝固，之後內芯才慢慢冷卻收縮。收縮的內芯會把已經凝固的表面往內拉。
於是，表面在被壓縮的狀態下，內芯在被拉伸的狀態下一起固定下來。玻璃是很耐壓、卻不耐拉的材料。破裂總是從表面的小刮痕被拉開、張開口子的地方開始。只要事先把表面壓縮起來，那道刮痕就不容易張開。
請看圖1。左邊是厚度4毫米的強化玻璃剖面，右邊是其中力量的分布。被壓縮的層，在正面和背面各只佔厚度的約兩成。用滑桿把表面的刮痕加深，一旦超過某個深度，刮痕的尖端就會進入「被拉緊的內芯」。
為什麼不是碎「一部分」，而是碎「全部」？
一般玻璃就算破了，因為沒有累積力量，裂紋只會跑幾條就停住。強化玻璃的內芯則是整片板子都一直處於被拉緊的狀態。只要裂紋在內芯開始延伸，所到之處的拉力都會把裂縫撐得更開。裂紋一邊分岔，一邊幾乎在一瞬間傳到板子的邊緣。
請看圖2。左邊的一般玻璃會碎成大而尖銳的碎片，右邊的強化玻璃則碎成小顆粒。會變成顆粒，是因為累積的力量都用在不斷細密分岔的裂紋上。為了讓人不容易被劃得很深，標準規定在一定範圍內必須碎成一定數量以上的顆粒。
什麼都沒做卻破了，為什麼？
「明明沒有撞到卻碎了」的情況，一般認為多半是過去留下的刮痕所致。用金屬鍋鏟或水槽的邊角碰到而產生的小缺口，有時已經深入到內芯附近。玻璃刮痕的尖端有個特性：會因空氣中的濕氣而慢慢加深。於是幾天後、幾個月後，它就可能超過極限而破裂。
另一個已知的罕見原因，是混在玻璃裡的極小顆粒「硫化鎳」。這種顆粒在製成後，會花很長的時間改變結晶形態，並稍微膨脹。若是在內芯中膨脹，裂紋就會從那裡開始跑。建築用的窗玻璃，有時會先在約290℃加熱數小時，在工廠就把含有這種顆粒的板子先弄破。
耐熱玻璃是用溫度改變時幾乎不會伸縮的成分製成的玻璃。強化玻璃則是成分普通，但把力量封在體內而變得堅固的玻璃。看一下鍋蓋或杯子上的標示，就知道是哪一種。強化玻璃對急遽的溫度變化也不容易破裂，但它還有另一面：怕缺角和深刮痕。
那麼，該怎麼辦？
- 有缺角的就不要用即使是邊緣的小缺口，也可能已經深入到內芯附近。發現了就換新的。
- 不要撞到硬物注意別讓邊緣撞到金屬鍋鏟、水槽邊角或瓦斯爐的爐架。
- 破了先退開，保護好雙腳顆粒會飛得很遠。穿上鞋子、戴上手套再收拾，細小的顆粒用吸塵器或膠帶黏起來。
強化玻璃的顆粒雖然邊角圓滑，但也混有尖銳的顆粒。請不要湊近去看。如果覺得進了眼睛，不要揉，用清水沖洗，並立刻就醫看眼科。出血不止等嚴重受傷時，請毫不猶豫撥打119。
總結
強化玻璃是靠著把表面壓縮、內芯拉伸後再固定下來，才變得堅固。保護層只有厚度的約兩成。一旦刮痕或異物傷到更深處的內芯，封在體內的力量就會一口氣釋放，整片板子碎成顆粒。
堅固的真面目，是封起來的力量。
所以碎的時候，就是一次全碎。
溫差讓石頭和冰塊破裂的原理，在冷凍庫的冰塊為什麼會啪啪作響地裂開和灶裡的石頭為什麼會裂開飛出中有介紹。大自然讓裂縫「繞遠路」而變堅固的巧思，則在貝殼內側為什麼不容易破中有介紹。
- 在晴天，戴上偏光太陽眼鏡（抑制反光的那種），看看汽車的後車窗玻璃。
- 慢慢歪一歪頭，或改變觀看的角度，就會隱約浮現出水珠或條紋般的花紋。這是冷卻時吹空氣留下的痕跡，也就是玻璃內部力量分布被看見了。
- 看看家裡玻璃鍋蓋和餐具上的標示，確認是「強化玻璃」還是「耐熱玻璃」。邊緣有沒有缺角，也請用眼睛檢查，不要用手指去摸。
※ 能不能看到花紋，會因天空的亮度和光的方向而不同。駕駛中的人請不要看。
想知道更多的人 ― 術語・算式・與教科書的連結明確標示從國中理化到大學專業課程，各屬於哪個程度的內容
- 國中國中理化會學到的範圍
- 高中高中「物理」會學到的範圍
- 高中＋高中的進階內容，或教科書專欄的內容
- 大學高中不會學、大學專業課程（材料力學・破壞力學・玻璃工程）的內容
- 研究連大學也不當作「定論」來教，目前研究者正在探討的話題
國中術語：這個現象是有名字的
- 風冷強化（物理強化）：對加熱的玻璃吹空氣急速冷卻，在表面被壓縮的狀態下固定的方法。
- 壓縮應力與拉伸應力：物體內部，想把它壓縮的力，和想把它拉開的力。兩者都以單位面積的大小來表示。
- 自然破損：沒有明顯外力作用，強化玻璃卻自己破裂。一般認為原因是過去的刮痕或硫化鎳顆粒。
國中高中用算式確認：保護層有幾毫米？內芯被拉得多緊？
強化玻璃中的力，基本上視為沿深度呈拋物線形分布。從這個形狀，可以得出保護層的深度和拉伸內芯的力的大小。
| 用符號寫 | σ(x) ＝ σs × ( 1 − 6 × x × ( 1 − x ) )、 x ＝ z ÷ t |
| 用文字寫 | 深度 z 處的壓力 ＝ 表面壓力 × （1 − 6 × 深度比例 × 剩餘比例）。由此得出：內芯的拉力 ＝ 表面壓力 ÷ 2，保護層 ＝ 厚度 × 約0.21 |
| 這個式子從哪裡來 | 沒有外力作用的板子，內部壓力與拉力的總和為零（力的平衡）。滿足這個條件、最簡單的形式，就是正反面對稱的拋物線 |
| 符號 | 意義與單位 |
| σs | 表面壓縮力的大小（MPa＝每平方毫米的牛頓） |
| t | 玻璃的厚度（mm） |
| z | 距表面的深度（mm） |
| x | 深度比例（z ÷ t，0到1） |
| 鍋蓋等強化玻璃的厚度 | 4 mm |
| 表面的壓力（視為風冷強化的參考值） | 約100 MPa |
| 力的方向反轉處的深度比例（1 − 6 × x × (1 − x) ＝ 0 的解） | 約0.21 |
| 1平方公分的面積 | 100 平方毫米 |
| 保護層的深度 | 0.21 × 4 ＝ 0.84 mm |
| 拉伸內芯的力 | 100 ÷ 2 ＝ 50 MPa |
| 換算成每平方公分 | 50 × 100 ＝ 5000 N |
| 換算成重量（1公斤重 ＝ 9.8 N） | 5000 ÷ 9.8 ≒ 510 kg |
在4毫米的厚度中，保護層正反面各只有0.84毫米。更深處的內芯，一直被拉著，力道相當於每平方公分吊著約500公斤的重量。不到1毫米深的缺口之所以會牽連到「全部」，原因就在這個數字。
高中高中＋力的平衡，與硫化鎳的膨脹
高中用物理的「力的平衡」來想，板子裡的壓力和拉力互相抵消。所以從外表看，強化玻璃是一塊什麼事都沒發生的安靜板子。當裂紋進入內芯、平衡被打破時，累積的彈性能量就會被用來擴大裂紋。
高中＋硫化鎳是在高溫下穩定的結晶形態，被急速冷卻封進玻璃裡。之後在室溫下，花幾個月到幾年的時間，轉變成低溫下穩定的形態（相變）。一般認為這個變化會使體積膨脹數%，若顆粒位於內芯中，就會把周圍的玻璃撐裂。
大學殘留應力與破壞力學
封在玻璃內的力稱為「殘留應力」。裂紋開始的條件由「破壞力學」處理，利用格里菲斯理論和應力強度因子，從刮痕深度與力的大小判斷會不會破。因濕氣使刮痕慢慢加深的現象，稱為「應力腐蝕破裂（延遲破壞）」。內部的力分布，可以用偏光的「光彈性」測量，在不破壞的情況下調查。
📖 算式的推導，以及更進階的內容：強化玻璃（維基百科） ／ 破壞力學（維基百科） ／ 光彈性（維基百科）
研究還不是很清楚的事
- 能不能在出貨前，把危險的顆粒全部找出來？ 硫化鎳顆粒非常小，要用光學檢查可靠地找出來，相關研究仍在持續。
- 能不能從累積的力準確預測顆粒的大小？ 已知力越大顆粒越細，但裂紋分岔的詳細機制，目前仍在探討。
- 濕氣使刮痕加深的細節機制。 水分子切斷玻璃原子鍵結的過程，包括溫度與成分造成的差異，研究仍在進行。
也就是說，這篇文章的內容也只是「目前所知範圍內的說明」。拋物線分布在實際產品中，形狀和大小也有一定的幅度。
與教科書的連結（依程度分類）
| 程度 | 科目・單元 | 在這篇文章的哪裡 |
|---|---|---|
| 國中 | 理化「力的作用」「壓力」 | 以單位面積來思考壓力與拉力 |
| 高中 | 物理「力的平衡」「彈力」 | 壓力與拉力的總和為零 |
| 高中＋ | 化學「結晶的結構」 | 硫化鎳的相變與膨脹 |
| 大學 | 材料力學・破壞力學・玻璃工程 | 殘留應力、應力強度因子、延遲破壞 |
| 研究 | 材料的破壞及其預測 | 異物的檢測、碎片大小的預測 |
| ― | 與生活的連結 | 不使用有缺角的鍋蓋和餐具、破裂時的清理方式 |
- 維基百科「強化ガラス」（強化玻璃）
- 日本產業規格 JIS R 3206「強化ガラス」（強化玻璃）
- 歐洲標準 EN 14179「建築用玻璃―熱浸處理強化鈉鈣矽酸鹽安全玻璃」
- 作花済夫（Sakka Sumio）『ガラス科学の基礎と応用』（玻璃科學的基礎與應用），內田老鶴圃
- Varshneya, A. K., Fundamentals of Inorganic Glasses, Academic Press
※本文是為一般讀者所寫的科學解說。文中的數值是為了理解原理的參考值、概略值。產品的使用請依照各製造商的說明書，受傷時請遵從醫療機構、消防單位等的指示。