牛津大学的一个研究小组通过找出导致氢脆的机理制造出了不会氢脆的新牌号钢。
 

氢脆现象
 

   100年前，工程师就知道氢会使金属脆化，但是他们却不能阻止这一现象发生。如今，牛津大学研究人员正在进行一项大型合作项目，以开发出能够在氢存在的情况下仍保持强度的新型金属。

   钢材素以高强度著称，并得到了广泛应用：比如汽车底盘，支撑建筑用的钢筋混凝土托梁，喷气飞机的内部零件，世界最大吊桥的钢索。虽然高强钢在技术理论上允许工程师减少材料用量—并使制造出既轻便又牢固的结构成为可能—但是有个问题却阻碍了一些材料的广泛应用。

    “有多种新材料可以应用于多个领域——如建筑，航天，汽车等，”牛津大学工程科学部的教授阿兰？考克斯称。“但是有些材料却没有公司愿意使用，因为它们对氢脆十分敏感。”氢脆于20世纪之交发现，是指当某种金属，尤其是不锈钢，但是其他金属，如锆或钛置于氢气中时，其强度明显下降的现象。

   考克斯教授指出有的钢材在氢气环境中强度会下降10个等级，这意味着最大许用应力的十分之一就能使钢材失效。如果工程师能够找到克服这种缺陷的方法，他们就能更加自如地使用某些金属——特别是钢材，还有用于航天的钛和用于核动力杆鞘套的锆。

   “看来这是个必须要解决的问题，”考克斯教授说。“但是产生氢脆的原因却众说纷纭，虽然做了大量实验，使用了无尽的理论模型，还是不能给出真正的解决方法。”这是就是牛津大学研究人员同剑桥大学，伦敦皇家学院，伦敦国王学院，谢菲尔德大学开展这个大型合作项目的原因——共同查明氢脆原因并开发出能够克服这一缺陷的金属。

    为促进研究，研究人员组建了一个能够从原子层面认知金属的团队。因此，团队包括牛津大学材料部、工程科学部的科学家，分别研究金属原子原理和建立材料的大规模力学模型和氢原子穿过金属结构的模型。除英国外，还有专门建立其他方面模型的小组，也有负责设计、制造和检测新材料的小组。

   项目启动的一年内，牛津小组一直致力于研究氢原子是如何引发氢脆的。广义地说，有两派完整的思想。第一个学说认为氢原子在金属晶体结构中的小型缺陷——位错周围聚集，从而影响了金属的塑性变形。第二个学说认为氢原子在金属晶体的晶粒边界聚集，使晶粒分开更容易。“我们认为是两种原因的共同作用，”考克斯教授说。“但是通过建立不同规模的模型，我们希望立刻找到所有原因。”

    与此同时，牛津的工程师正在寻找使钢材在氢存在的条件下维持强度的新方法。“过去，为了阻止金属吸入氢原子，人们会在金属表面镀上一层膜，”考克斯教授指出。“但是如果镀层出现裂纹，金属就会暴露出来。并且，由于氢原子尺寸较小，能够在任何金属中扩散，镀层只能起到延缓氢脆的作用。”

    因此，该小组正在研发一系列能够在氢原子进入金属之初就将其困住的结构。“你可以将这种结构想象成钢材内部能够消除氢原子的海绵，这样就不会对材料性能造成危害了，”考克斯教授解释说。目前该小组正在研究怎样使碳化物——一种碳和金属的化合物——置于金属微观结构内部，从而达到这一目的，因为氢原子会在碳化物及铁晶粒边界聚沉。该小组希望氢原子聚沉至边界时能够被束缚。

    当然，在这个技术能够让想使用这种材料的工程师冷静下来之前，还有很多问题需要回答。其中一个就是被束缚的氢原子会产生何种影响：它可能会对材料性能产生意外影响。这就是谢菲尔德和剑桥等其他合作方将牛津的研究做为蓝图的原因，他们可以以这个为蓝图为依据设计和制造出新牌号的钢，然后在实验室做试验。

    考虑到这个小组的研究仅开始了一年多，并且他们试图解决的是困扰人们多年的问题，所以可能到现在没有取得特别重大的进步。“肯定会遇到诸多挑战，”考克斯说，“但是我们认为我们还是能使一切正常进行。”

 

责任编辑：班英飞

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