牛津大學的一個研究小組通過找出導致氫脆的機理制造出了不會氫脆的新牌號鋼。

    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，牛津大學研究人員正在進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度的新型金屬。

    鋼材素以高強度著稱，并得到了廣泛應用：比如汽車底盤，支撐建筑用的鋼筋混凝土托梁，噴氣飛機的內(nèi)部零件，世界最大吊橋的鋼索。雖然高強鋼在技術(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用。

    “有多種新材料可以應用于多個領(lǐng)域——如建筑，航天，汽車等，”牛津大學工程科學部的教授阿蘭？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世紀之交發(fā)現(xiàn)，是指當某種金屬，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)境中強度會下降10個等級，這意味著最大許用應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。”這是就是牛津大學研究人員同劍橋大學，倫敦皇家學院，倫敦國王學院，謝菲爾德大學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。

    為促進研究，研究人員組建了一個能夠從原子層面認知金屬的團隊。因此，團隊包括牛津大學材料部、工程科學部的科學家，分別研究金屬原子原理和建立材料的大規(guī)模力學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，也有負責設(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。第一個學說認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。第二個學說認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圖的原因，他們可以以這個為藍圖為依據(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步。“肯定會遇到諸多挑戰(zhàn)，”考克斯說，“但是我們認為我們還是能使一切正常進行。”

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責任編輯：王元

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