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“微不足道”的氢元素,竟能拦腰折断二战时的运输舰!

(2016-12-23 18:57:56)
标签:

杂谈

​【作者:讓纸_弹飛 、编辑:明天】

宇宙中最“微不足道”的元素,能造成多大的损失?对加州纳税人而言,这个数字是,2500万美元。

旧金山-奥克兰海湾大桥的东桥新桥,是加利福尼亚历史上耗资规模最大的市政工程,也是吉尼斯世界纪录中最宽的大桥。然而,一个宇宙中最“微不足道”的元素,让大桥的造价徒升2500万美元,而且差点毁了这个庞然大物。这“微不足道”的元素,就是,氢。

氢元素在地球上无处不在,是构成生命最为重要的元素之一。说它最“微不足道”,是因为氢原子是元素周期表中质量最轻、体积最小的原子,很容易钻进其他材料当中。这就像,一个袋子里即使已经装满了土豆,还是很容易再倒进去许多大米一样。钻进其他材料当中的氢会影响这些材料的性能。比如,当金属或合金材料处于氢浓度较高的环境中时,氢原子就会钻进这些材料,对它们造成不可逆转的氢损伤。即便是在氢浓度较低的环境当中,氢原子的“入侵”也会使金属材料变脆,造成一种叫做“氢脆”的现象。前面提到的大桥事件就是氢脆干的好事。历史上类似的事件还很多:直升机发生机毁人亡、油气田发生井喷、正常行驶中汽车传动轴的突然断裂,以及,二战时的自由号货船,停靠在港湾里就“莫名”被拦腰斩断……

图1 拦腰折断的自由号(图片来源:Neil Boenzi, The New York Times)

氢脆可以使材料的塑性严重降低,同时即意味着会导致材料的脆性急剧增加。说得再直白一些,就是让材料变得很脆。而脆的材料有着巨大的安全隐患。因为这种材料会在几乎不发生任何形变的情况下产生瞬时的、毫无预兆的突然断裂。人们很难对这种突然断裂进行预防,因此很容易造成重大安全事故。正是由于氢脆巨大的安全风险,科学家们花费了大量的精力对这种现象进行了各方面的相关研究。

氢脆现象是怎么产生的呢?

也许你还能记得,金属是由原子直接构成的。同时,金属通常又都是晶体。这意味着,构成金属的原子不是一盘散沙,它们更像是课堂里整整齐齐排排坐的小朋友,都规规矩矩的。但是,在现实的晶体中,并非所有原子都能像课堂上的小朋友那样,踏实安分地待在自己的位置上。总有些“不守纪律”的原子,会破坏“晶体班级”规律整齐的课堂秩序,在晶体中形成缺陷,他们与氢脆现象都有密切关系。点缺陷和位错是其中的两种最基本的缺陷。

捣蛋鬼1号:点缺陷

特点:不是缺席,就是插班

图2 理想晶体原子排列(手绘:户一凡)

点缺陷有两种:一种是空位,另一种是间隙原子。顾名思义,空位就是金属原子的“缺席”,就像课堂里空出了一个座位;而间隙原子就是有外来原子“插班”,课堂挤进了一名新同学。不论哪种情况,原本整齐的课堂秩序都被破坏了。对晶体来说,就意味着晶体的性质发生了变化。

图3a 点缺陷:空位(手绘:户一凡)

图3b 点缺陷:间隙原子(手绘:户一凡)

捣蛋鬼2号:位错

特点:群魔乱舞

位错,是晶体中的另一种缺陷,类似于头发丝,是一种一维的缺陷。位错是金属晶体中最重要的一种缺陷,直接影响着晶体的各种性能,尤其是力学性能。位错的尺寸非常小,直径不到一纳米,长度可达几十个微米(1微米=1000纳米,1毫米=1000微米)。一纳米约等于头发直径的十万分之一,肉眼根本看不见,必须利用电子显微镜在几万倍的放大倍数下才能看到它的身影。但是金属材料中的位错却非常的多——如果把一立方厘米的金属中所有的位错接在一起,总长度可以和地球的直径相当。在外力作用下,这些位错可以运动,相互交割,纠缠,简直就像群魔乱舞。正是这些位错的运动赋予了金属材料良好的变形能力,反之,如果一种材料中的位错既少又不易运动,这种材料就很难发生变形。比如陶瓷,一摔即碎。

图4 位错(手绘:户一凡)

然而,位错的运动并不是一帆风顺的。材料中存在其它类型的缺陷,他们也会扰乱金属中的原子排列秩序,让位错运动的“路途”变得崎岖坎坷:时而需要穿过泥潭,时而需要翻越高山。比如点缺陷就会阻碍位错的运动。简单来讲,如果有大个儿的原子(比如碳或者氮)钻进材料中,他们形成的点缺陷可以像钉子一样将位错牢牢地“钉扎住”,就像吉他上的琴弦被牢牢地固定在琴面上一样。位错要运动就需要更大的力摆脱钉扎,材料变形更难了,于是给人的感觉是变得更脆,前面提到的突然断裂的风险也就提高了。

图5 钻进金属的大原子会钉住位错,限制它的运动(手绘:户一凡)

但是,科学家一直认为氢脆不是氢原子“钉住”位错造成的。因为氢原子实在太小了。小巧灵活的身体使氢原子能“自由”地在金属原子之间“流动”。换句话说,氢原子在金属中形成的点缺陷没法有效地“钉”住位错的运动。相反,甚至有学者认为“小巧灵活”的氢原子可以像润滑剂一样帮助位错越过前方的障碍,让位错的运动更加顺利。

图6 氢原子让位错的运动更加顺畅(手绘:户一凡)

直到最近,由西安交通大学材料学院微纳中心解德刚等人发表在《自然-通讯》上的一项工作颠覆了人们的认知。这项工作表明,至少在金属铝中,充氢并没有对位错起“润滑”作用,反而是强烈的“钉扎”作用。这不是和前面氢原子无法钉扎位错的结论矛盾了吗?你可能猜到了,这应该是一种间接的影响:氢原子和金属中的空位“抱成团”,一起阻碍了位错的运动。这种“抱成团”的复合结构可以产生比大个儿原子更强烈的钉扎作用,从而让材料变得更脆,更容易发生突然断裂。这种氢原子和空位的抱团是材料科学中的一种典型的“1 1>2”的现象。

图7 “抱团”的氢原子和空位牢牢地限制了位错的运动(手绘:户一凡)

除了氢脆,氢鼓泡也是材料杀手

除了氢脆,微纳中心研究团队还发现,钻进金属铝中的氢原子会让金属表面产生很多纳米级的小凹坑,这些凹坑为氢原子的继续聚集提供了便利。随着凹坑不断变大,氢原子越聚越多,就会把附着在金属铝表面的氧化膜“顶”起来,从而使材料表面出现鼓泡现象。这些“氢鼓泡”会加速飞机发动机涡轮叶片的腐蚀和失效,也会使航天器太阳帆板的反光能力大打折扣,影响飞行器的正常工作。

图8 铝表面的“氢鼓泡”现象(手绘:户一凡)

无论是被氢脆“折断”的大桥和战舰,还是被“氢鼓泡”损坏的飞机和航天器,都意味着巨大的人员和财产损失。氢,这种宇宙中最“微不足道”的元素,可以是洁净环保的理想燃料,也可以是百害而无一利的“材料杀手”。而科学研究,则是人们在矛盾中追求真相、平衡利害的捷径。这也是科学研究迷人魅力的一面吧。


来源:果壳
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