撰文 七君
咱们在中学时就知道 ， 氢原子是元素周期表里最轻的元素 ， 它也是宇宙中最早诞生、最多的元素 ， 数量占比达到91.2% 。 氢的性质活泼 ， 燃烧后形成水 ， 因此氢能源也是备受期待的清洁能源 。
不过 ， 氢并没有我们想象的那么“干净” ， 它曾经让美军造价为3600万美金油轮以一个月140艘的速度沉没 ， 让加州海湾大桥差点报废 ， 并且阻止氢能源汽车成为主流 。
为了驯服这个顽皮的元素 ， 甚至还出现了一个专门学科分支 。 今天 ， 我们就来了解一下这个奇异元素的你不知道的另一面 。
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仅存的四艘自由轮之一的 SS John W. Brown 号 图片来源：wikipedia
二战时 ， 为了运输士兵和物资 ， 美军建造了数千艘油轮——自由轮（Liberty Ships） 。 不过 ， 自由轮很快成了灾难片现场 。
在2710艘自由轮中 ， 近1500艘出现了严重的裂缝 。 在严寒而又波涛汹涌的海面上 ， 一些自由轮甚至断成了两节 。 其中最出名的就是就是 S.S. Schenectady 号油轮 。
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裂成两半的自由轮 S.S. Schenectady 号 图片来源：wikipedia
1943年1月16日的晚上 ， 俄勒冈州Swan Island造船厂发出巨响 ， 尚未交付的 S.S. Schenectady 裂成了两半 。
因为这是该造船厂造的第一艘船 ， 所以引起了恐慌 。 实际上在那年3月 ， 另一艘自由轮 the Esso Manhattan 号在进入纽约湾的时候也裂开了 。
自由轮以一个月140艘的速度沉没 。 自由轮在当时的造价是每艘约200万美金 ， 相当于现在的3600万美金 。 这种沉船速度为美军带来了巨大的损失 。 问题究竟出在哪儿了呢？
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裂开的自由轮 图片来源：tf.uni-kiel.de
战争时期没有人知道答案 ， 不过大家还是找到了解决方法 ， 那就是打补丁 。 美国造船厂在裂缝处用钢板打补丁 ， 防止轮船进一步开裂 。 这个方法还挺有效 ， 因此后来这些防开裂钢板就叫做止裂铆缝（crack arrestor） 。
在这个措施全面实施后 ， 一个月里就只有20艘自由轮沉没 ， 数量速降到了之前的七分之一 。
二战后 ， 美国海军研究实验室的物理学家乔治·兰金·欧文（George Irwin）利用自由轮的数据进行了研究 ， 终于找到了让轮船开裂沉没的凶手——氢 。
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原来在20世纪初 ， 一些新的焊接技术被发明了出来 ， 比如手工电弧焊（SMAW）和焊条焊接 。 电焊时 ， 电弧或乙炔燃烧的热量会熔化金属 ， 让两块金属焊接在一起 。
在电焊技术出现前 ， 拼接轮船的金属板用的是铆接技术 。 铆接技术有不少缺点 ， 比如需要受过专门训练的技工 ， 这让铆接工的成本占到轮船组装人力成本的三分之一之巨 。 此外 ， 铆接时需要把几块金属板交叠 ， 这不但会增加船体的重量 ， 还会增加成本 。
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船体铆接 图片来源：boat-building.org
由于缺乏熟练的铆接工 ， 美国联邦海事委员要求美国的造船厂用焊接替代铆接 。 这样一来 ， 轮船的交货速度迅速提高了 。 在1930-1937年间 ， 美国的造船厂才制造了71艘船 。 但是用上电焊技术后 ， 在1939-1945年间美国造船厂造了5777艘船 。
制造一艘自由轮只需要5天 。 在1941-1945年间 ， 美国的18个造船厂就用焊接技术为美军制造了2710艘自由轮 。
但是 ， 当时的人们不知道的是 ， 焊接时会产生单原子氢（H） ， 而单原子氢会钻入金属中形成氢气（H2） 。
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氢气在金属晶粒附近聚集起来 ， 破坏金属的结构 ， 让金属胀气变脆 。 有时氢气在金属内能累积到18.7兆帕 ， 也就是地表气压187倍的高压 。 这个现象被命名为氢脆（hydrogen embrittlement） 。
此外在高温下 ， 被钢铁吸收的氢原子还可能和钢材中的碳原子形成甲烷气体（CH4） ， 使钢材脱碳变脆 ， 这被称为氢腐蚀（hydrogen attack） 。
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在使用的过程中 ， 发生氢脆和氢腐蚀的焊接部位很容易开裂 。 油轮运输的重物和海浪的拍打会加速裂痕的扩张 。 更可怕的是 ， 已经发生氢脆的金属表面看起来和普通金属没有什么不同 ， 不会引起制造和使用者的警觉 ， 这就增加了氢脆的危险性 。
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氢脆的金属（左）和普通金属（右）的对比 ， 从外观看不出有什么差异 。
氢脆的现象最早是在1875年由 W. H. Johnson 发现的 。 不过 ， 在自由轮大量出事前 ， 大家还不知道氢有这么强的破坏力 。 在把裂开的自由轮归因于氢脆后 ， 欧文开创了断裂力学和材料强度的学科分支 ， 建筑业和制造业也终于开始重视这种邪门的元素了 。
需要指出的是 ， 直到现在 ， 研究者还没有完全搞清楚氢脆的原理 ， 也无法预测材料在何时何处会出现氢脆 ， 因此最好的方法还是预防 。
刚才说到 ， 电焊尤其容易释放氢原子 ， 这是因为电弧和焊条表面的纤维素涂层或空气中的水蒸汽接触 ， 会产生单原子氢 。 现在出现了一种叫做低氢焊条的材料 ， 它可以减少单氢原子的产生 ， 适用于焊接高强度的钢材 。
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当然 ， 有时氢是在制造过程中扩散到金属里的 。 电镀和清洗的过程也可能会产生单原子氢 ， 这些单原子氢就有可能污染金属 。
比如 ， 为了防腐蚀 ， 一些螺栓常会做一层镀镉 。 在镀镉的时候就有可能产生单原子氢 。 因为镀镉的问题 ， 美国空军设立了低氢脆性镀镉的标准 ， 要求承包商遵照执行 。 为了去除氢 ， 螺栓的供应商通常在镀镉后对螺栓进行烘焙（如在200摄氏度的环境中烤数小时） ， 让氢气从螺栓中逸出 。
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镀镉可以防腐蚀 图片来源：milinc
在氢的真面目被揭发后 ， 现在氢脆引发的大灾难比较少见 ， 但也并未彻底消失 。
2014-2015年间 ， 伦敦金融区的利德贺大楼的好几个螺栓因为氢脆坏掉了 。
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旧金山-奥克兰海湾大桥 图片来源：wikipedia
2013年 ， 美国的旧金山-奥克兰海湾大桥为即将到来的通车进行测试 。 这座大桥是加州历史上最昂贵的公共建筑 ， 也是被吉尼斯世界纪录收录的最宽的桥 。
不过 ， 在通车前的测试中工程师发现了问题：负责把桥面架设在水泥柱上的保险螺栓在测试运行2周后就出现了裂痕 ， 让旧金山-奥克兰海湾大桥险些变成美式断桥 。
在测试中 ， 96个保险螺栓里30个坏掉了 。 后来发现 ， 这就是氢脆引起的 。 更换螺栓花费了加利福尼亚州运输部2500万美金 ， 是预估的5倍 ， 引发舆论哗然 。
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发生氢脆的保险螺栓横断面
氢的讨厌性质也成了氢能源广泛使用的最大阻碍之一 。
氢气（H2）虽然不能被金属直接吸收 ， 但在某些条件下（如高压） ， 金属表面的氢气分子会拆解成两个单原子氢 ， 然后被金属吸收 ， 引发氢脆 。 换言之 ， 用金属材料长期储存高压氢气就相当于养了个不定时炸弹 。
1988年 ， 法国里昂附近圣丰 (Saint-Fons)的一个3千升的金属氢气罐发生爆炸 ， 方圆500米内的财物都受到波及 。 这个氢气罐最早在1939年投入使用 ， 后来的检测表明爆炸就是氢脆引起的 。
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氢能源汽车丰田Mirai的氢罐 图片来源：wikipedia
虽然氢气的燃烧产物只有水 ， 但氢带来的这些麻烦使能够安全压缩氢气燃料的商业技术难产 ， 这就导致氢气运输管网成本居高不下 ， 氢能源汽车也没有成为主流 。
真没想到你是这样的氢啊 。
无标注图片来源网络 。
参考资料储存于石墨：
https://shimo.im/docs/vxHkRyrYqPrwyHXw/
来源：把科学带回家
【氢脆现象|让巨轮断裂、大桥损毁，宇宙第一元素竟这么邪门】编辑：前进四
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