不過败徊，氫并沒有我們想象的那么“干凈”帚呼，它曾經(jīng)讓美軍造價為3600萬美金油輪以一個月140艘的速度沉沒，讓加州海灣大橋差點報廢侣豌，并且阻止氫能源汽車成為主流皮向。
為了馴服這個頑皮的元素，甚至還出現(xiàn)了一個專門學(xué)科分支幼浩。今天晚惊，我們就來了解一下這個奇異元素的你不知道的另一面朱泞。
僅存的四艘自由輪之一的 SS John W. Brown 號 圖片來源：wikipedia
二戰(zhàn)時，為了運輸士兵和物資宛蒲，美軍建造了數(shù)千艘油輪——自由輪(Liberty Ships)。不過莉孽，自由輪很快成了災(zāi)難片現(xiàn)場恼稠。
在2710艘自由輪中，近1500艘出現(xiàn)了嚴(yán)重的裂縫火晕。在嚴(yán)寒而又波濤洶涌的海面上来锥，一些自由輪甚至斷成了兩節(jié)。其中最出名的就是就是 S.S. Schenectady 號油輪液珠。
裂成兩半的自由輪 S.S. Schenectady 號 圖片來源：wikipedia
1943年1月16日的晚上腥例，俄勒岡州Swan Island造船廠發(fā)出巨響，尚未交付的 S.S. Schenectady 裂成了兩半酝润。
因為這是該造船廠造的第一艘船燎竖，所以引起了恐慌。實際上在那年3月要销，另一艘自由輪 the Esso Manhattan 號在進(jìn)入紐約灣的時候也裂開了构回。
自由輪以一個月140艘的速度沉沒。自由輪在當(dāng)時的造價是每艘約200萬美金疏咐，相當(dāng)于現(xiàn)在的3600萬美金纤掸。這種沉船速度里為美軍帶來了巨大的損失。問題究竟出在哪兒了呢?
裂開的自由輪 圖片來源：tf.uni-kiel.de
戰(zhàn)爭時期沒有人知道答案浑塞，不過大家還是找到了解決方法借跪，那就是打補丁。美國造船廠在裂縫處用鋼板打補丁酌壕，防止輪船進(jìn)一步開裂掏愁。這個方法還挺有效，因此后來這些防開裂鋼板就叫做止裂鉚縫(crack arrestor)仅孩。
在這個措施全面實施后托猩，一個月里就只有20艘自由輪沉沒，數(shù)量速降到了之前的七分之一责名。
二戰(zhàn)后溶迹，美國海軍研究實驗室的物理學(xué)家喬治·蘭金·歐文(George Irwin)利用自由輪的數(shù)據(jù)進(jìn)行了研究，終于找到了讓輪船開裂沉沒的兇手——氫液炼。
原來在20世紀(jì)初剩织，一些新的焊接技術(shù)被發(fā)明了出來，比如手工電弧焊(SMAW)和焊條焊接枕络。電焊時硬拴，電弧或乙炔燃燒的熱量會熔化金屬番产，讓兩塊金屬焊接在一起。
在電焊技術(shù)出現(xiàn)前魁济，拼接輪船的金屬板用的是鉚接技術(shù)逞翰。鉚接技術(shù)有不少缺點，比如需要受過專門訓(xùn)練的技工孙已，這讓鉚接工的成本占到輪船組裝人力成本的三分之一之巨吝都。此外，鉚接時需要把幾塊金屬板交疊淋袖，這不但會增加船體的重量鸿市，還會增加成本。
船體鉚接 圖片來源：boat-building.org
由于缺乏熟練的鉚接工即碗，美國聯(lián)邦海事委員要求美國的造船廠用焊接替代鉚接焰情。這樣一來，輪船的交貨速度迅速提高了剥懒。在1930-1937年間内舟，美國的造船廠才制造了71艘船。但是用上電焊技術(shù)后蕊肥，在1939-1945年間美國造船廠造了5777艘船谒获。
制造一艘自由輪只需要5天。在1941-1945年間壁却，美國的18個造船廠就用焊接技術(shù)為美軍制造了2710艘自由輪批狱。
但是，當(dāng)時的人們不知道的是展东，焊接時會產(chǎn)生單原子氫(H)赔硫，而單原子氫會鉆入金屬中形成氫氣(H2)。
氫氣在金屬晶粒附近聚集起來盐肃，破壞金屬的結(jié)構(gòu)估浴，讓金屬脹氣變脆。有時氫氣在金屬內(nèi)能累積成18.7兆帕锚倦，也就是地表氣壓187倍的高壓酒管。這個現(xiàn)象被命名為氫脆(hydrogen embrittlement)。
此外在高溫下任咨，被鋼鐵吸收的氫原子還可能和鋼材中的碳原子形成甲烷氣體(CH4)拌艳，使鋼材脫碳變脆，這被稱為氫腐蝕(hydrogen attack)簇友。
在使用的過程中橙樟，發(fā)生氫脆和氫腐蝕的焊接部位很容易開裂。油輪運輸?shù)闹匚锖秃＠说呐拇驎铀倭押鄣臄U張肠豺。更可怕的是沸稻，已經(jīng)發(fā)生氫脆的金屬表面看起來和普通金屬沒有什么不同扁钥，不會引起制造和使用者的警覺，這就增加了氫脆的危險性所饺。
氫脆的金屬(左)和普通金屬(右)的對比捐煤，從外觀看不出有什么差異。
氫脆的現(xiàn)象最早是在1875年由 W. H. Johnson 發(fā)現(xiàn)的壁顶。不過珠洗，在自由輪大量出事前，大家還不知道氫有這么強的破壞力若专。在把裂開的自由輪歸因于氫脆后，歐文開創(chuàng)了斷裂力學(xué)和材料強度的學(xué)科分支蝴猪，建筑業(yè)和制造業(yè)也終于開始重視這種邪門的元素了调衰。
需要指出的是，直到現(xiàn)在自阱，研究者還沒有完全搞清楚氫脆的原理嚎莉，也無法預(yù)測材料在何時何處會出現(xiàn)氫脆，因此最好的方法還是預(yù)防沛豌。
剛才說到趋箩，電焊尤其容易釋放氫原子，這是因為電弧和焊條表面的纖維素涂層或空氣中的水蒸汽接觸加派，會產(chǎn)生單原子氫〗腥罚現(xiàn)在出現(xiàn)了一種叫做低氫焊條的材料，它可以減少單氫原子的產(chǎn)生叁渣，適用于焊接高強度的鋼材玲装。
當(dāng)然，有時氫是在制造過程中擴散到金屬里的溯侦。電鍍和清洗的過程也可能會產(chǎn)生單原子氫墅糯，這些單原子氫就有可能污染金屬。
比如况魔，為了防腐蝕况逼，一些螺栓常會做一層鍍鎘。在鍍鎘的時候就有可能產(chǎn)生單原子氫奢赡。因為鍍鎘的問題了槽，美國空軍設(shè)立了低氫脆性鍍鎘的標(biāo)準(zhǔn)，要求承包商遵照執(zhí)行旷酗。為了去除氫揉罗，螺栓的供應(yīng)商通常在鍍鎘后對螺栓進(jìn)行退火等熱處理工藝，讓氫氣從螺栓中逸出星嗜。
鍍鎘可以防腐蝕 圖片來源：milinc
在氫的真面目被揭發(fā)后掷情，現(xiàn)在氫脆引發(fā)的大災(zāi)難比較少見软吐，但也并未徹底消失。
2014-2015年間吟税，倫敦金融區(qū)的利德賀大樓的好幾個螺栓因為氫脆壞掉了凹耙。
舊金山-奧克蘭海灣大橋 圖片來源：wikipedia
2013年，美國的舊金山-奧克蘭海灣大橋為即將到來的通車進(jìn)行測試肠仪。這座大橋是加州歷史上最昂貴的公共建筑肖抱，也是被吉尼斯世界紀(jì)錄收錄的最寬的橋。
不過异旧，在通車前的測試中工程師發(fā)現(xiàn)了問題：負(fù)責(zé)把橋面架設(shè)在水泥柱上的保險螺栓在測試運行2周后就出現(xiàn)了裂痕意述，讓舊金山-奧克蘭海灣大橋險些變成美式斷橋。
在測試中吮蛹，96個保險螺栓里30個壞掉了荤崇。后來發(fā)現(xiàn)，這就是氫脆引起的潮针。更換螺栓花費了加利福尼亞州運輸部2500萬美金术荤，是預(yù)估的5倍，引發(fā)輿論嘩然每篷。
發(fā)生氫脆的保險螺栓橫斷面
氫的討厭性質(zhì)也成了氫能源廣泛使用的最大阻礙之一瓣戚。
氫氣(H2)雖然不能被金屬直接吸收，但在某些條件下(如高壓)搁蛤，金屬表面的氫氣分子會拆解成兩個單原子氫挥痊，然后被金屬吸收，引發(fā)氫脆挑画。換言之轩从，用金屬材料長期儲存高壓氫氣就相當(dāng)于養(yǎng)了個不定時炸彈。
1988年猎肄，法國里昂附近圣豐 (Saint-Fons)的一個3千升的金屬氫氣罐發(fā)生爆炸融沟，方圓500米內(nèi)的財物都受到波及。這個氫氣罐最早在1939年投入使用欠住，后來的檢測表明爆炸就是氫脆引起的浮烫。
氫能源汽車豐田Mirai的氫罐 圖片來源：wikipedia
雖然氫氣的燃燒產(chǎn)物只有水，但氫帶來的這些麻煩使能夠安全壓縮氫氣燃料的商業(yè)技術(shù)難產(chǎn)揉民，這就導(dǎo)致氫氣運輸管網(wǎng)成本居高不下杆荐，氫能源汽車也沒有成為主流。
真沒想到你是這樣的氫啊鼎嫉。
來氫一個么么噠诉濒，然后鋼裂了。
