氫脆，材料科學(xué)繞不開的難題

什么是氫脆？

金屬之所以作為現(xiàn)代社會(huì)最重要的材料材料之一，因?yàn)槠溆杏袃蓚€(gè)重要的核心性能，較好的強(qiáng)度和塑性。強(qiáng)度指的是讓一定截面積金屬破壞（不可逆變形）所需力的大小，而塑性表示金屬在斷裂前能夠承受的變形量。強(qiáng)度大家都知道，代表材料能承受的最大靜載荷，其重要性眾所周知。其實(shí)在兩種材料強(qiáng)度相差不大的情況下，塑性往往表示材料抵抗沖擊的能力。非材料領(lǐng)域的人經(jīng)常會(huì)忽視塑性這個(gè)性能，但很多時(shí)候，塑性往往比強(qiáng)度更加重要。

舉個(gè)例子：家用的的陶瓷盤子一摔就碎，而金屬盤子基本不會(huì)摔碎，不是瓷盤因?yàn)閺?qiáng)度不夠，而是因?yàn)樗苄蕴睿a(chǎn)生一點(diǎn)點(diǎn)變形就斷了，不能有效的吸收沖擊，這種低塑性的特征也稱為脆性。但根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，將原本塑性很好的金屬暴露在富含氫的環(huán)境下，會(huì)使得金屬脆化，失去了原本良好的塑形性能后就造成金屬非正常破壞和失效，這種現(xiàn)象就叫氫脆。

氫脆的危害

早在1874年科學(xué)家Johnson就發(fā)現(xiàn)，原本要反復(fù)彎折幾次才能折斷的鐵材，在酸液中浸泡幾分鐘后，一次就折斷了。原因是酸液中的氫進(jìn)入鐵中，使得鐵材變脆。 不過Johnson也是生不逢時(shí)，他的論文在發(fā)表后的60多年內(nèi)都沒有受到多大的重視，直到有1943年，人家美國(guó)的自由輪號(hào)安安靜靜的停在港口內(nèi)，風(fēng)平浪靜也沒被攻擊，卻突然就斷成兩截了：這個(gè)事故促使政府調(diào)查斷裂的原因，一開始很多學(xué)者認(rèn)為斷裂來自冰冷的海水誘發(fā)的低溫冷脆。但后來也發(fā)現(xiàn)，由于焊接技術(shù)不成熟，鋼板焊縫中殘留有大量的氫，這些氫也是導(dǎo)致斷裂的罪魁禍?zhǔn)字弧＿€有第二次世界大戰(zhàn)初期，英國(guó)皇家空軍一架Spitpie戰(zhàn)斗機(jī)由于引擎主軸斷裂而墜落，機(jī)毀人亡。1975年美國(guó)芝加哥一家煉油廠，因一根15cm的不銹鋼管突然破裂，引起爆炸和火災(zāi)。美國(guó)"北極星"導(dǎo)彈因固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)殼破裂而不能發(fā)射，美空軍F-11戰(zhàn)斗機(jī)在空中突然墜毀等例子不勝枚舉。

究其原因是由于氫是宇宙中豐度最高的元素，金屬在服役中或多或少都會(huì)和氫接觸。但這也使得原本塑性非常好的金屬，可能用著用著就變脆了，從而在遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)載荷的情況下發(fā)生斷裂，并且斷裂前幾乎沒有征兆，十分難以預(yù)防，極易造成災(zāi)難性的事故。

氫脆研究和難題

現(xiàn)代科學(xué)家對(duì)氫脆的研究主要觀點(diǎn)有兩種，一種認(rèn)為氫脆是雜質(zhì)脆性，金屬在冶煉中混入了過多的雜質(zhì)（如氧、硫、磷等）就很容易變脆。氫也屬于雜質(zhì)元素，氫脆自然也屬于雜質(zhì)脆性之一。另外大部分研究者認(rèn)為造成氫脆的主要原因是外界的氫或溶于鋼中的雜質(zhì)氫，在金屬內(nèi)部聚合為氫分子，造成應(yīng)力集中，超過鋼的強(qiáng)度極限，在鋼內(nèi)部形成細(xì)小的裂紋，又稱白點(diǎn)，從而造成氫脆，而且氫脆一經(jīng)產(chǎn)生，就消除不了。

同時(shí)認(rèn)為氫脆的防治方面也面臨著很大的難題：因?yàn)闅錁O其特殊，它是元素周期表上最小的元素。氫就好比大象群中的螞蟻一樣，能夠輕易的穿過金屬間的縫隙，從而快速的移動(dòng)、擴(kuò)散。實(shí)驗(yàn)上想要對(duì)這類動(dòng)態(tài)問題進(jìn)行直接的原子級(jí)觀測(cè)是十分困難，相應(yīng)的研究數(shù)據(jù)屈指可數(shù)。因此，研究者不得不從斷裂后的結(jié)果出發(fā)，提出各種機(jī)制猜想來反推原因，也想出了很多防治氫脆的手段。但確實(shí)由于缺乏一錘定音的直接觀測(cè)手段，學(xué)術(shù)界對(duì)氫脆原理的爭(zhēng)議非常大。對(duì)氫脆現(xiàn)象全面、準(zhǔn)確的解釋和預(yù)測(cè)依然十分困難。