前沿科技解读丨金属脆性——潜伏在材料深处的幽灵
金属脆性
作为一种用量最多、用途最广的结构材料，金属在人类文明的发展史上扮演着里程碑似的角色。针对不同种类金属的冶炼和加工技术，其发展的程度往往代表了这个时代科学技术和生产力发展的最高水平。通常情况下，金属具有优良的延展性，在受到一定程度的机械加工或者外加载荷时，亦不会发生脆性断裂。例如金可以被拉长成仅有一个原子直径的细丝，或者压延成仅有一个原子厚度的金箔。然而，金属的脆性，特别是由于渗入其结构中的其他元素而引起的脆性，却往往造成加载后的突然断裂，造成灾难性的后果。这一类金属脆性，一般根据混杂在金属中的其他元素进行命名。在这篇文章中，我们将会介绍相当常见的氢脆现象，也会谈到并不广为人知的氦脆、汞脆甚至镓脆。
▲日本金泽市的工匠加工出的金箔，薄如蝉翼
幕后元凶——氢脆
春秋时代末期，中国的大部分地区已经开始使用铁器。由于铁在地壳中属于丰度最高的元素之一，铁的材料成本远低于铜和锡，因而很快得到了广泛应用。生铁的硬度高脆性大并且几乎没有延展性，因此人类随即改进了生铁的生产工艺并设法降低其中的含碳量以制备出综合性能更为优越的钢。实际上在人类未完全掌握钢铁材料的奥秘之前，就一直在有意无意中用调整铁中含碳量以及热处理工艺的方式来控制钢铁制品的力学性能。
▲硬度高，延展性差的生铁，拉断后的断面表现出完全的脆性断裂
到了20世纪上半叶，人类已经在相当程度上掌握了钢铁材料的成分调控、合金化以及热处理工艺，目前的教科书知识在彼时就早已确立了。第二次世界大战中，几大参战国更是将各自后方工厂的钢铁产能调动到了极限，陆海空各大战场无一不是钢铁雄师的浴火奔流。战时开足马力生产的飞机舰船，寿命其实异常短暂，出厂以后通常刚到前线就被击毁击伤，可以说寿终正寝对于这些战争机器来说是痴心妄想。受这种用后即废的功利性思维以及十万火急的战场形势所迫，自以为已经完全驾驭了钢铁材料的人类，激进的采用了若干未经实践锤炼的新工艺以期加速生产，最终招致了多起涉及钢铁材料的灾难性失效事件。
二战中，为了补充遭到纳粹潜水艇袭扰而损失的运输船队，美国大量建造了名为自由轮（liberty ship）的标准化货轮。这种货轮采用了当时相当先进的模块化设计，并且大量用焊接代替铆接，因而能够实现快速组装，极大的缓解了英美在大西洋上的后勤运输危机。在1941年到1945年的五年间，美国生产了2710艘自由轮，这也一度成为战时美国强悍工业能力的象征。然而，该型货轮却频繁遭遇局部断裂乃至解体沉没的严重事故，最终有10艘以上的自由轮因此类事故退出战场。
1943年1月16日，由纽约小城Schenectady命名的斯克内克塔迪号在波特兰港停泊时毫无预兆的从左右舷中间处断裂成两段，留下一块完整的船底钢板。虽然并非类似事故的第一起，但是由于发生在众目睽睽之下的大城市港口，且轰鸣声远达一英里之外而成为最有名的一起。发生在自由轮上的一系列断裂事故暗示人类仍然远未掌握钢铁材料的全部奥秘，痛定思痛的工程师和科学家们经过漫长的调查，终于将钢材的脆性破坏认定为幕后元凶，这其中，氢脆负有相当重大的责任。
▲斯克内克塔迪号在波特兰港的断裂事故现场
众所周知，氢元素是元素周期表中排名第一的元素，组成最为简单，原子体积最小，性质极其活泼。这些特性使得氢元素很容易在钢铁冶炼，焊接过程中被混入钢材内部。特别是在湿度较大的环境中实施焊接时，很容易产生水汽被高温分解，反应生成的氢原子混入焊缝内部的后果。自由轮的一系列事故，不合格的焊接工艺应是首要元凶。这些氢原子在钢材内部可能重新结合成氢分子，也可能与钢材中原有的元素结合，生成含氢化合物，体积大大增加，并最终导致钢材内部出现气泡乃至裂纹。这些材料内部的薄弱环节，极易在外力作用下产生破坏性的裂纹扩展，最终引发灾难性的宏观断裂。
▲氢脆发生的示意图和产生氢脆裂纹的螺母
现在，人类对氢脆可能发生的场合已有了相当丰富的经验，且可以用多种方法来避免氢脆危害的发生。对氢脆深层次机理的研究仍在继续，不同的看法和观点仍未能取得一致。不过，对于氢脆危害的认识早已深入每一位钢铁行业从业者的意识，一系列氢脆引发的大型灾难带给人类的启示当如警钟一般常鸣于耳畔。
材料学领域的前沿科技——氦脆
氦，元素周期表上排名仅次于氢的2号元素，在空气中的含量仅约占百万分之五，属于名副其实的稀有气体，在日常生活中所能接触到的场合恐怕只有气球小贩的摊位了。氦的性质稳定数量稀少，难以与其他元素化合，在正常情况下是几乎不可能引发材料脆性的。然而，在某些氦可能会大量生成的特定场合，氦脆却可能成为普遍的现象，关于氦脆的研究也因此而变得富有意义。那么到底是什么样的场合能够大量产生空气中含量仅为百万分之五的氦呢？答案就是原子反应堆中。无论是已经相对成熟的裂变堆，还是正在研发中的聚变堆，氦都可以被大量生成。裂变反应堆内部核反应所产生的中子与结构材料发生的(n,α)嬗变反应可以产生氦原子。聚变堆内壁材料表面受到来自等离子体α粒子（氦原子核）的轰击可能会导致氦的生成和积累。作为核聚变原料之一的氚，也可能因发生氚衰变而在储氚容器内壁产生氦原子。
▲左：几种常见的聚变反应，其中三种都能生成氦。右：大量氦泡
氦的满壳层原子结构决定了其具有化学惰性，因而氦不能与金属发生反应而溶于金属基体。氦在金属中的最终存在形态将会是氦原子聚集形成的氦泡，存在场所将会是金属内部的空位、位错以及晶界等微观缺陷处。氦泡的存在将导致材料的宏观物理性能与力学性能降低，如强度和延展性降低、低温辐照硬化等等，最终影响材料的服役寿命。氦脆的相关研究，可能并不为普通民众所知晓，但却是材料领域目前的前沿课题之一。由于核聚变被普遍认为是解决人类能源困境的终南之路，相关的材料解决方案得到广泛的研究和关注也就不足为奇了。
液态金属引发的脆性——汞脆和镓脆
正如氢脆和氦脆都可以被归结为气体引发的脆性，汞脆和镓脆，也可以被归为同一个类型——液态金属引发的脆性。汞，也就是常说的水银，常温下以液体形态存在。镓的熔点为30℃左右，在室温稍高的夏季也会呈现液态。
相信很多人都曾经留意到过，乘坐客机时很多航空公司都会要求旅客禁止携带水银温度计进入客舱，甚至托运都会受到限制。诚然，大部分人都能想到这一规定的部分原因，比如水银有剧毒，如果在封闭的客舱空间内飞散会对旅客身体健康造成极大损害。又如机舱内部环境复杂，水银一旦飞散将会难以收集。不过，大部分人可能不知道，水银对于铝有非常强烈的腐蚀作用，而铝合金正是现代航空器中最为广泛采用的结构材料之一。
虽然机舱内部基本都是塑料或者纤维等等高分子材料所构成，泄露后的水银仍有可能渗进内饰面板的交界处，并最终侵入外侧的铝合金基体。我们都知道铝合金是一种相当耐腐蚀的材料，铝表面在空气中可以形成一层致密的氧化膜，这层氧化膜可以隔绝氧气以及水分，从而阻挡进一步的腐蚀。然而，水银可以轻易的破坏该层氧化膜，并且渗入铝合金晶粒的交界处，这将极大的降低铝合金的断裂强度。好比本来难以撕开的塑料袋封口，如果用剪刀剪出一个小开口，就可以被轻松撕破一样，金属材料表面的些许破坏就可能引发整体结构的突然断裂，这对于安全需求第一位的民用航空而言是绝对不能接受的。
除了用作飞机的结构材料，还有一个对安全性要求极高又大量采用铝合金的场合，这就是用来运输液化天然气（Liquid Natural Gas）的LNG船。LNG船可以称的上是造船工业皇冠上的明珠，目前只有美国、中国、日本、韩国和欧洲的少数几个国家的13家船厂能够建造。由于液化天然气在运输过程中需要冷却到零下160余度，这给运输容器的内壁材料提出了极高的要求，不光低温下要保证足够的强度，还要有较高的耐腐蚀性，从运输成本考虑又希望船体本身尽量减重。铝合金可以完美地契合以上需求，因而成为了目前主流的LNG船罐体材料，在其它的石油工业相关产品，如油气的提炼、运输管道中也有广泛应用。
问题和困难总是超出最初的设想，人们发现石油以及天然气中存在着一定量的水银，这些从含量而言微乎其微的水银，可能给石油工业中广泛采用的铝合金材料的安全与寿命造成相当大的威胁。2004年，位于阿尔及利亚Skikda的一家LNG灌装码头发生了水银含量过高引发铝合金罐体脆性断裂的灾难性事故，瞬间泄露的天然气发生了猛烈爆炸，造成了27人死亡，72人受伤的严重后果。此事故发生后，全球石化行业对油气中存在的微量水银越来越加以重视，常态化的监测和去除正在成为标准生产流程中的一环。
▲左：被水银腐蚀后的铝制易拉罐。右：Skikda爆炸事故现场
镓脆与汞脆十分类似，而且不光普通人接触镓的场合非常少，对于镓脆的研究也可以说是凤毛麟角。日本明治大学的几位科学家曾经研究过液态镓对金属银强度的影响。结果发现液态镓可以渗入银的晶粒之间，并将金属银的强度降低到原来的四分之一。
▲左：液态金属引发的脆性断裂。右：液态金属渗入固态金属晶间的过程
由杂质元素引发的金属脆性断裂的发生通常毫无征兆，人类在付出了惨痛的代价之后，才开始逐渐认识这些异种物质间微妙而复杂的相互作用。这些混杂在金属内部的异种元素，纵使含量极低，却往往有如幽灵一般潜伏在材料深处，成为整个体系中最为薄弱的阿喀琉斯之踵。金属脆性的存在提醒我们，在自然界面前人类应保留谦卑的姿态和永志探索的雄心。
本文来源：今日科协