摔不坏的盘子是什么材质(氢脆，材料科学绕不开的难题)

Posted 2023-05-27

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摔不坏的盘子是什么材质(氢脆，材料科学绕不开的难题)

什么是氢脆

金属之所以作为现代社会最重要的材料材料之一，因为其有有两个重要的核心性能，较好的强度和塑性。强度指的是让一定截面积金属破坏（不可逆变形）所需力的大小，而塑性表示金属在断裂前能够承受的变形量。强度大家都知道，代表材料能承受的最大静载荷，其重要性众所周知。其实在两种材料强度相差不大的情况下，塑性往往表示材料抵抗冲击的能力。非材料领域的人经常会忽视塑性这个性能，但很多时候，塑性往往比强度更加重要。

举个例子：家用的的陶瓷盘子一摔就碎，而金属盘子基本不会摔碎，不是瓷盘因为强度不够，而是因为塑性太差，产生一点点变形就断了，不能有效的吸收冲击，这种低塑性的特征也称为脆性。但根据研究发现，将原本塑性很好的金属暴露在富含氢的环境下，会使得金属脆化，失去了原本良好的塑形性能后就造成金属非正常破坏和失效，这种现象就叫氢脆。

氢脆的危害

早在1874年科学家Johnson就发现，原本要反复弯折几次才能折断的铁材，在酸液中浸泡几分钟后，一次就折断了。原因是酸液中的氢进入铁中，使得铁材变脆。不过Johnson也是生不逢时，他的论文在发表后的60多年内都没有受到多大的重视，直到有1943年，人家美国的自由轮号安安静静的停在港口内，风平浪静也没被攻击，却突然就断成两截了：这个事故促使政府调查断裂的原因，一开始很多学者认为断裂来自冰冷的海水诱发的低温冷脆。但后来也发现，由于焊接技术不成熟，钢板焊缝中残留有大量的氢，这些氢也是导致断裂的罪魁祸首之一。还有第二次世界大战初期，英国皇家空军一架Spitpie战斗机由于引擎主轴断裂而坠落，机毁人亡。1975年美国芝加哥一家炼油厂，因一根15cm的不锈钢管突然破裂，引起爆炸和火灾。美国"北极星"导弹因固体燃料发动机机壳破裂而不能发射，美空军F-11战斗机在空中突然坠毁等例子不胜枚举。

究其原因是由于氢是宇宙中丰度最高的元素，金属在服役中或多或少都会和氢接触。但这也使得原本塑性非常好的金属，可能用着用着就变脆了，从而在远低于设计载荷的情况下发生断裂，并且断裂前几乎没有征兆，十分难以预防，极易造成灾难性的事故。

氢脆研究和难题

现代科学家对氢脆的研究主要观点有两种，一种认为氢脆是杂质脆性，金属在冶炼中混入了过多的杂质（如氧、硫、磷等）就很容易变脆。氢也属于杂质元素，氢脆自然也属于杂质脆性之一。另外大部分研究者认为造成氢脆的主要原因是外界的氢或溶于钢中的杂质氢，在金属内部聚合为氢分子，造成应力集中，超过钢的强度极限，在钢内部形成细小的裂纹，又称白点，从而造成氢脆，而且氢脆一经产生，就消除不了。

同时认为氢脆的防治方面也面临着很大的难题：因为氢极其特殊，它是元素周期表上最小的元素。氢就好比大象群中的蚂蚁一样，能够轻易的穿过金属间的缝隙，从而快速的移动、扩散。实验上想要对这类动态问题进行直接的原子级观测是十分困难，相应的研究数据屈指可数。因此，研究者不得不从断裂后的结果出发，提出各种机制猜想来反推原因，也想出了很多防治氢脆的手段。但确实由于缺乏一锤定音的直接观测手段，学术界对氢脆原理的争议非常大。对氢脆现象全面、准确的解释和预测依然十分困难。