让巨轮断裂、大桥损毁，宇宙第一元素竟这么邪门
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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。
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。
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？
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。
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。
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）。
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）。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
来源：把科学带回家
编辑：前进四
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