让巨轮断裂、大桥损毁，宇宙第一元素竟这么邪门

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咱们在小学时就晓得，原子是原素周期表里最重的原素，它也是银河系中最早问世、最少的原素，数量占比达到91.2%。

氢的性质爽朗，熔化后形成水，因此氢可再生能源也是倍受期盼的清洁可再生能源。

但是，氢并没有他们想像的那么整洁，它曾经让盟军开发成本为3600亿美金货船以三个月140艘的速度倾覆，让加利福尼亚州金门桥险些拆解，并且制止氢可再生能源汽车成为非主流。

为的是捉住那个调皮的原素，即使还再次出现了一个专门针对学科专业组成部分。

今天，他们就来了解一下那个幽灵原素的你不晓得的一面。

仅剩的三艘民主自由轮之一的 SS John W. Brown 号 相片作者：wikipedia

第二次世界大战时，为的是货物运输战俘和军用物资，盟军修建了数十艘货船——民主自由轮（Liberty Ships）。但是，民主自由轮很快成了科幻电影当晚。

在2710艘民主自由轮中，近1500艘再次出现了严重的裂纹。在寒冷而又波涛的陆地上，一些民主自由轮即使撞碎了三节。其中最有名的是是 S.S. Schenectady 号货船。

碎裂两片的民主自由轮 S.S. Schenectady 号 相片作者：wikipedia

1943年1月16日的早上，密苏里州Swan Island船厂发出声响，仍未交货的 S.S. Schenectady 碎裂了两片。

因为这是该船厂造的首艘船，所以引起了忧虑。实际上在八岁时3月，另两艘民主自由轮 the Esso Manhattan 号在进入芝加哥湾的时候也碎裂了。

民主自由轮以三个月140艘的速度倾覆。民主自由轮在当时的开发成本是每艘约200亿美金，相当于现在的3600亿美金。这种沉船速度里为盟军带来了巨大的损失。问题究竟出在哪儿了呢？

碎裂的民主自由轮 相片作者：tf.uni-kiel.de

战争时期没有人晓得答案，但是大家还是找到了解决方法，那是打补丁。美国船厂在裂纹处用钢板打补丁，防止轮船进一步开裂。那个方法还挺有效，因此后来这些防开裂钢板就叫做止裂铆缝（crack arrestor）。

在那个措施全面实施后，三个月里就只有20艘民主自由轮倾覆，数量速降到了之前的七分之一。

第二次世界大战后，美国海军研究实验室的物理学家乔治·兰金·欧文（George Irwin）利用民主自由轮的数据进行了研究，终于找到了让轮船开裂倾覆的凶手——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，电弧或乙炔熔化的热量会熔化金属，让两块金属焊接在一起。

在电焊技术再次出现前，拼接轮船的金属板用的是铆接技术。铆接技术有不少缺点，比如需要受过专门针对训练的技工，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 相片作者：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年间美国船厂造了5777艘船。

制造两艘民主自由轮只需要5天。在1941-1945年间，美国的18个船厂就用焊接技术为盟军制造了2710艘民主自由轮。

但是，当时的人们不晓得的是，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成18.7兆帕，也是地表气压187倍的高压。那个现象被命名为氢脆（hydrogen embrittlement）。

此外在高温下，被钢铁吸收的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。货船货物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。但是，在民主自由轮大量出事前，大家还不晓得氢有这么强的破坏力。在把碎裂的民主自由轮归因于氢脆后，欧文开创了脱落力学和材料强度的学科专业组成部分，建筑业和制造业也终于开始重视这种凡塘的原素了。

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再次出现氢脆，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。现在再次出现了一种叫做低氢焊条的材料，它可以减少单原子的产生，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，为的是防腐蚀，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。为的是去除氢，螺栓的供应商通常在镀镉后对螺栓进行烘焙（如在24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 相片作者：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-奥克兰金门桥 相片作者：wikipedia

2013年，美国的旧金山-奥克兰金门桥为即将到来的通车进行测试。这座桥是加利福尼亚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。

但是，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周后就再次出现了裂痕，让旧金山-奥克兰金门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，这是氢脆引起的。更换螺栓花费了加利福尼亚州货物运输部2500亿美金，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可再生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。那个氢气罐最早在1939年投入使用，后来的检测表明爆炸是氢脆引起的。

氢可再生能源汽车丰田Mirai的氢罐 相片作者：wikipedia

虽然氢气的熔化产物只有水，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，这就导致氢气货物运输管网成本居高不下，氢可再生能源汽车也没有成为非主流。

真没想到你是这样的氢啊。

来氢一个么么哒，然后钢裂了。

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撰文 | 七君

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