氫脆，材料科學繞不開的難題

什么是氫脆？

金屬之所以作為現(xiàn)代社會最重要的材料材料之一，因為其有有兩個重要的核心性能，較好的強度和塑性。強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。其實在兩種材料強度相差不大的情況下，塑性往往表示材料抵抗沖擊的能力。非材料領域的人經(jīng)常會忽視塑性這個性能，但很多時候，塑性往往比強度更加重要。

舉個例子：家用的的陶瓷盤子一摔就碎，而金屬盤子基本不會摔碎，不是瓷盤因為強度不夠，而是因為塑性太差，產(chǎn)生一點點變形就斷了，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年科學家Johnson就發(fā)現(xiàn)，原本要反復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入鐵中，使得鐵材變脆。 不過Johnson也是生不逢時，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，人家美國的自由輪號安安靜靜的停在港口內(nèi)，風平浪靜也沒被攻擊，卻突然就斷成兩截了：這個事故促使政府調(diào)查斷裂的原因，一開始很多學者認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，這些氫也是導致斷裂的罪魁禍首之一。還有第二次世界大戰(zhàn)初期，英國皇家空軍一架Spitpie戰(zhàn)斗機由于引擎主軸斷裂而墜落，機毀人亡。1975年美國芝加哥一家煉油廠，因一根15cm的不銹鋼管突然破裂，引起爆炸和火災。美國"北極星"導彈因固體燃料發(fā)動機機殼破裂而不能發(fā)射，美空軍F-11戰(zhàn)斗機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，從而在遠低于設計載荷的情況下發(fā)生斷裂，并且斷裂前幾乎沒有征兆，十分難以預防，極易造成災難性的事故。

氫脆研究和難題

現(xiàn)代科學家對氫脆的研究主要觀點有兩種，一種認為氫脆是雜質(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，造成應力集中，超過鋼的強度極限，在鋼內(nèi)部形成細小的裂紋，又稱白點，從而造成氫脆，而且氫脆一經(jīng)產(chǎn)生，就消除不了。

同時認為氫脆的防治方面也面臨著很大的難題：因為氫極其特殊，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、擴散。實驗上想要對這類動態(tài)問題進行直接的原子級觀測是十分困難，相應的研究數(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)，提出各種機制猜想來反推原因，也想出了很多防治氫脆的手段。但確實由于缺乏一錘定音的直接觀測手段，學術(shù)界對氫脆原理的爭議非常大。對氫脆現(xiàn)象全面、準確的解釋和預測依然十分困難。