牛津大學(xué)的一個研究小組通過找出導(dǎo)致氫脆的機(jī)理制造出了不會氫脆的新牌號鋼。
 

氫脆現(xiàn)象
 

   100年前，工程師就知道氫會使金屬脆化，但是他們卻不能阻止這一現(xiàn)象發(fā)生。如今，牛津大學(xué)研究人員正在進(jìn)行一項大型合作項目，以開發(fā)出能夠在氫存在的情況下仍保持強(qiáng)度的新型金屬。

   鋼材素以高強(qiáng)度著稱，并得到了廣泛應(yīng)用：比如汽車底盤，支撐建筑用的鋼筋混凝土托梁，噴氣飛機(jī)的內(nèi)部零件，世界最大吊橋的鋼索。雖然高強(qiáng)鋼在技術(shù)理論上允許工程師減少材料用量—并使制造出既輕便又牢固的結(jié)構(gòu)成為可能—但是有個問題卻阻礙了一些材料的廣泛應(yīng)用。

    “有多種新材料可以應(yīng)用于多個領(lǐng)域——如建筑，航天，汽車等，”牛津大學(xué)工程科學(xué)部的教授阿蘭？考克斯稱。“但是有些材料卻沒有公司愿意使用，因為它們對氫脆十分敏感。”氫脆于20世紀(jì)之交發(fā)現(xiàn)，是指當(dāng)某種金屬，尤其是不銹鋼，但是其他金屬，如鋯或鈦置于氫氣中時，其強(qiáng)度明顯下降的現(xiàn)象。

   考克斯教授指出有的鋼材在氫氣環(huán)境中強(qiáng)度會下降10個等級，這意味著最大許用應(yīng)力的十分之一就能使鋼材失效。如果工程師能夠找到克服這種缺陷的方法，他們就能更加自如地使用某些金屬——特別是鋼材，還有用于航天的鈦和用于核動力桿鞘套的鋯。

   “看來這是個必須要解決的問題，”考克斯教授說。“但是產(chǎn)生氫脆的原因卻眾說紛紜，雖然做了大量實驗，使用了無盡的理論模型，還是不能給出真正的解決方法。”這是就是牛津大學(xué)研究人員同劍橋大學(xué)，倫敦皇家學(xué)院，倫敦國王學(xué)院，謝菲爾德大學(xué)開展這個大型合作項目的原因——共同查明氫脆原因并開發(fā)出能夠克服這一缺陷的金屬。

    為促進(jìn)研究，研究人員組建了一個能夠從原子層面認(rèn)知金屬的團(tuán)隊。因此，團(tuán)隊包括牛津大學(xué)材料部、工程科學(xué)部的科學(xué)家，分別研究金屬原子原理和建立材料的大規(guī)模力學(xué)模型和氫原子穿過金屬結(jié)構(gòu)的模型。除英國外，還有專門建立其他方面模型的小組，也有負(fù)責(zé)設(shè)計、制造和檢測新材料的小組。

   項目啟動的一年內(nèi)，牛津小組一直致力于研究氫原子是如何引發(fā)氫脆的。廣義地說，有兩派完整的思想。第一個學(xué)說認(rèn)為氫原子在金屬晶體結(jié)構(gòu)中的小型缺陷——位錯周圍聚集，從而影響了金屬的塑性變形。第二個學(xué)說認(rèn)為氫原子在金屬晶體的晶粒邊界聚集，使晶粒分開更容易。“我們認(rèn)為是兩種原因的共同作用，”考克斯教授說。“但是通過建立不同規(guī)模的模型，我們希望立刻找到所有原因。”

    與此同時，牛津的工程師正在尋找使鋼材在氫存在的條件下維持強(qiáng)度的新方法。“過去，為了阻止金屬吸入氫原子，人們會在金屬表面鍍上一層膜，”考克斯教授指出。“但是如果鍍層出現(xiàn)裂紋，金屬就會暴露出來。并且，由于氫原子尺寸較小，能夠在任何金屬中擴(kuò)散，鍍層只能起到延緩氫脆的作用。”

    因此，該小組正在研發(fā)一系列能夠在氫原子進(jìn)入金屬之初就將其困住的結(jié)構(gòu)。“你可以將這種結(jié)構(gòu)想象成鋼材內(nèi)部能夠消除氫原子的海綿，這樣就不會對材料性能造成危害了，”考克斯教授解釋說。目前該小組正在研究怎樣使碳化物——一種碳和金屬的化合物——置于金屬微觀結(jié)構(gòu)內(nèi)部，從而達(dá)到這一目的，因為氫原子會在碳化物及鐵晶粒邊界聚沉。該小組希望氫原子聚沉至邊界時能夠被束縛。

    當(dāng)然，在這個技術(shù)能夠讓想使用這種材料的工程師冷靜下來之前，還有很多問題需要回答。其中一個就是被束縛的氫原子會產(chǎn)生何種影響：它可能會對材料性能產(chǎn)生意外影響。這就是謝菲爾德和劍橋等其他合作方將牛津的研究做為藍(lán)圖的原因，他們可以以這個為藍(lán)圖為依據(jù)設(shè)計和制造出新牌號的鋼，然后在實驗室做試驗。

    考慮到這個小組的研究僅開始了一年多，并且他們試圖解決的是困擾人們多年的問題，所以可能到現(xiàn)在沒有取得特別重大的進(jìn)步。“肯定會遇到諸多挑戰(zhàn)，”考克斯說，“但是我們認(rèn)為我們還是能使一切正常進(jìn)行。”

 

責(zé)任編輯：班英飛

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