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氫脆現象的發生原因?

18世紀初,法國軍隊遇到了一樁傷透腦筋的怪事:一門嶄新的大炮用不了多久就得報廢。有的甚至在發射時炮筒就炸裂開來,造成炮毀人亡的慘劇。當然,這種怪事還出現在許多國家。

不過,更麻煩的事還在後頭:人們無法找出其中的原因。專家們被請來了,他們成百次地研究大炮的製造、材料,核對各種資料,改進設計,但仍然無濟於事。

事情被拖到19世紀中葉。一個名叫聖·克·德維爾的工程師被專門請到法國大炮製造廠“攻關”。經過多年研究之後,他和助手卡葉塔在1863年宣佈了一個驚人的訊息:氫是毀壞大炮的罪魁禍首!

他們的研究表明,在炮筒周圍存在氫或含氫氣體時,火藥爆炸時產生的高溫高壓,就會把氫擠進鋼材,與鋼中的碳作用,生成甲烷(化學式Ch2)氣體,這些氣體在炮筒鋼材中形成細小的孔洞或裂縫,這就降低了炮筒的機械強度。當再次發炮時,這種現象會加重,於是炮筒就在反覆發炮時炸裂而報廢。此外,氫是具有最小體積的原子,在發炮時高溫高壓的作用下,部分氫原子還會進入鋼材。這種原子狀態的氫具有很高的活性,它會隨意在鋼材中移動,使前述孔洞或裂縫“雪上加霜”。為了證實這一點,他們把氫密封在一個鋼製容器內加熱,裡面的氫居然能穿過容器壁逃逸出來。又經過對被炸壞的炮筒的物理、化學分析,上述結論被完全證實。

世界各國的科學家反覆驗證了他們的上述研究,確認了他們研究的正確性。於是把這種因氫引起金屬發脆的現象稱為“氫脆”。

後來人們發現,不但大炮會發生氫脆,其他許多東西也會發生氫脆。

經過1904~1909年德國化學家哈柏(1868~1934)對合成氨工藝條件的試驗和理論研究,以及博施(1874~1940)和他的合作者經過兩萬多次試驗,找到了較好的催化劑——含少量氧化鋁的鐵催化劑,合成氨工業得以發展。但仍然遇到了氫脆問題——承受高溫高壓的主要裝置——合成塔,用不了多久就得更換。原來,生產氨的原料之一氫氣就在塔內與氮氣反應,當然會危及塔的安全。直到1913年解決了氫對碳鋼的“腐蝕”之後,第一座日產30噸的合成氨工廠才在這一年建成投產。

約1937年,英國皇家空軍的一架戰鬥機不知何故,因發動機主軸斷裂而失事。專家經過詳細研究後發現,這也是氫脆引起的。

1978年5月,美國一架DC-10型巨型客機載著270多名乘客和機組人員,從芝加哥機場起飛。不到1分鐘,發動機上的一隻螺栓斷裂,飛機墜地焚燬,人員無一倖存,釀成航空史上罕見的慘劇。經研究發現,在那批螺栓表面都鍍了一層鎘,目的是防鏽。殊不知在鍍鎘時螺栓鋼材已從電解液中分解出來的物質中吸收了大量的氫,最終因氫脆而斷裂。

此外,美國一家發電廠的一臺汽輪機主軸,也因氫脆在執行不到三個月就斷裂了。

當然,氫並不都是從外界滲入鋼材內部的。在鋼鐵的冶煉過程中,要加上各種輔助材料,例如石灰、螢石等,作爐襯的耐火材料等等,它們都可使鋼水中混入氫。因此,鋼材中的氫脆是一個普遍現象。

隨著對氫脆現象的深入研究,人們還發現銅也會發生氫脆。

引起嚴重關注的氫脆現已基本克服。人們大致採取了以下四條措施:一是用先進的真空冶煉和澆鑄,使氫氣從鋼水中溢位,以減少鋼中的含氫量。二是在鋼水中加入鈷、鉻、鎳等,阻止碳與氫在鋼中形成甲烷;三是用退火的方法,把鋼中的氫“驅逐出境”;四是在鋼製構件表面塗專門防鋼氫化的防腐劑,防止氫這一“入侵之敵”。

事物總是一分為二的。氫脆有時也有益處,我們還可將它派上用場哩!

人們以前製造銅粉的方法是:用機械的方法將銅塊製成銅屑,再把銅碾成銅粉。但由於銅的可塑性很好,所以得到的往往不是銅粉,而是銅箔。於是人們利用銅的氫脆性,發明了一種新的製造銅粉的方法。這種方法的大致工藝如下:把銅絲放在氫氣流中加熱1至2小時,其溫度約500℃~600℃,這銅絲冷卻後就具有氫脆性了。再將它放入球磨機中研磨幾個小時,就製成了顆粒極小的銅粉。這種方法已用在生產中。

看來,“大自然把人們困在黑暗之中”的企圖又一次失敗了,人們又一次避害趨利取得了成功。

分類: 歷史
時間: 2021-10-10

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