小侯飞氘，御氘术九级 阅读原文 我们说一种金属比较脆，其实是说它通过变形吸收能量的能力差，很容易断裂。 在金属的冶炼加工期间，若是不慎加入过多的杂质，或是热处理工艺不当，都容易使金属脆化。不过这种炼废了的金属丢了就行，危害并不算大。 最可怕的，是那种出厂时很坚韧的金属，却在使用过程中受环境影响而变脆，导致突然断裂的情况。 这种脆性断裂无明显征兆，很难预料，因此往往会引起灾难性的后果。 氢脆，便是这种受环境影响而脆化的典型。 氢脆导致的断裂事故 关于氢脆： 一方面，作为宇宙中丰度最高的元素，氢（H）可以说是无处不在。 另一方面，作为周期表上最小的元素，H 可以轻易的渗进各种密不透风的金属，影响金属的力学性能。 1875 年，Johnson 发现酸洗后的钢铁会变脆，开启了研究氢脆的序幕。但可惜的是，一百多年过去了，人类还是没有完全揭开氢脆的神秘面纱。 作为众多氢脆研究人员之一，只叹这个问题确实复杂，展开来讲可以写上好几本书。不过我对氢脆的认识也达不到出书的高度，因此这里只是简单科普一下我所熟悉的几个氢脆原理。 导致氢脆的常见原因： 对金属来说，氢是外来元素，属于「插班生」。 氢这个插班生是没有座位的，只能挤在间隙处，称为「间隙原子」: 图片摘自：https://www.guokr.com/article/441914/（手绘：户一凡） 没有人喜欢拥挤，因此，氢倾向于待在空位、孔洞、晶界位错等晶体缺陷附近，被它们较为宽松的原子堆积方式吸引。 在金属的冶炼加工过程中，会不可避免的产生这些晶体缺陷，这往往是引发氢脆的罪魁祸首。 例如，两堆排列方向不一样的金属原子碰到一起，会形成一种叫做「晶界」的界面。晶界处金属原子的堆积比较松散，空间比较大。这让氢很喜欢呆在晶界上，从而弱化晶界两侧的金属原子结合力，使得金属特别容易沿着晶界开裂。 另外，材料受到拉力时，拉力往往会集中缺口 / 裂纹附近。 由于氢喜欢呆在拉应力区域，氢会聚集在裂纹附近，使得裂纹的扩展更加容易，从而引发断裂： 氢在金属裂纹 / 缺口的拉应力处聚集，导致裂纹加速扩展 裂纹贯穿材料导致断裂 另外，在微观上规则排列的金属原子，很难进行大块原子的整体变形。 金属的变形，往往需要借助一种叫「位错（dislocation）」的晶体缺陷，通过局部滑动来一步步完成整体变形： 金属通过位错的局部滑动，一步步完成整体变形 插个题外话，降温会让位错更难滑动，也是让部分金属脆化的一种方式，见我以前的回答：在极度寒冷的环境中，铁制品会不会真的像电影中那样和玻璃一样脆？ 位错附近也有张应力场，因此也会吸引氢。这时位错想要滑动，就需要拖拽着氢一起运动，这会降低位错滑动能力，从而降低金属变形能力。 那么，当你给金属施加拉力时，金属不能通过变形来释放掉这些力，力便容易集中在一处，导致裂纹萌生并扩展，从而使得金属断裂。 氢在位错的拉应力区域聚集，甚至形成金属氢化物 另外，大量的氢聚集在拉应力区，甚至会形成金属氢化物。 镁、钛、锆、钒等金属与氢较为亲和，这些氢化物能够在金属中大量形成，容易导致应力集中，让裂纹从这些氢化物处萌生。 氢在金属锆中形成片层状的金属氢化物 而在铁、钨、铝等对氢较为排斥的金属中，这些氢化物只能在位错、裂纹的张应力区域短暂的形成。 这些氢化物并不稳定，进一步聚集后，会将金属原子挤开，从而形成氢泡和裂纹： 氢在金属中聚集，从而形成氢泡和裂纹 这些氢泡 / 裂纹内部析出氢气，积累起高达上万个大气压的气压。甚至导致在没有外力的情况下，金属也会断裂、鼓胀： 无外加应力情况下，氢导致金属内产生裂纹、气泡 在不同的金属、不同的环境中，氢脆可能由以上的一种或几种原因导致。 目前我们对氢脆的理解仍然有限，只希望在有生之年，我们能完全揭开氢脆的神秘面纱，不再让更多的人丧生于氢脆事故之中。 阅读原文
