1875年，William H. Johnson记录了一个生产中反复出现的现象：铁丝经酸液除锈后更容易折断，放在温暖干燥处一段时间或温和加热，又能恢复韧性。表面处理、脆化和恢复在时间上相连，使氢对金属力学性能的影响成为可以追踪的实验问题。

今天所说的氢脆，指氢参与后，材料在特定组织和受力条件下提前开裂，常伴随延伸率、断裂韧性或疲劳寿命下降。氢可能在酸洗、电镀、腐蚀、焊接和服役期间进入金属。高强铝合金的充氢对照实验，将提前失效与晶界裂纹放在了同一组观察中。

图1. 7xxx系铝合金充氢前后的拉伸响应、沿晶裂纹及晶界邻近显微组织。DOI：10.1038/s41586-021-04343-z

在该7xxx系铝合金中，充氢后的拉伸曲线较早终止，裂纹沿多处晶界延伸。材料整体伸长率下降，不能据此认定每个晶粒内的塑性都同时消失；断裂位置受晶界、析出物和邻近无析出带共同影响。氢脆表现为失效条件的改变，并没有一种固定的断口形貌适用于所有金属。

Johnson看到的恢复现象还提示氢能随时间重新分布或逸出。不同合金中的氢迁移速度、可占据位置和裂纹路径相差很大；要解释同样充氢后为何有的样品先断，需要继续追踪氢进入晶格后的去向。

酸洗或腐蚀时，金属表面反应产生可吸附的氢；在含氢气体中，氢分子也须先经过表面解离，才能以间隙氢的形式进入晶格。浓度差、应力状态和温度影响其迁移。位错、空位、晶界与析出物提供不同的氢陷阱，使总含氢量与真正能继续移动的氢量不再相同。

1970年，Oriani用晶格氢与陷阱氢的交换描述钢中的扩散和俘获。可逆陷阱尚未填满时，部分氢先被局部储存，实测表观扩散系数因此与陷阱分布、占据状态相连。2024年，两种含不同碳化物的铁素体钢被用来比较充氢后的储存与释放。

图2. 含TiC或(Ti,Mo)C析出物的铁素体钢，在充氢及室温放置后获得的热脱附谱。DOI：10.1038/s41467-024-45017-4

含TiC与含(Ti,Mo)C的钢在相同条件下充氢，后者在室温放置1小时或24小时后仍保留更强的热脱附信号。原子探针进一步在含Mo碳化物内发现氘富集，支持碳化物内部俘氢的解释。热脱附记录的是升温过程中释放的氢，峰面积不能单独给出每个氢原子的空间位置。

2026年的马氏体钢实验用原位高能X射线衍射记录不同深度的晶格应变，再经密度泛函计算校准，推得随时间变化的氢吸收分布。富析出物与少析出物组织的渗入前沿不同。直接测得的是应变，推得的氢浓度依赖校准与力学假设，属于有效代理量。

陷阱能拖慢氢穿透，也可能把氢留在受力敏感的位置。析出物内部、晶界和裂尖的束缚能力及与裂纹的距离不同，效果便不同；可逆陷阱逐步填满后，后续氢还可能更快向深处移动。氢在晶界和位错附近富集后，还会进一步改变局部变形与界面结合。

1994年，Birnbaum和Sofronis把氢增强局部塑性（HELP）作为氢致断裂的一条机制来讨论。氢改变位错与周围障碍的相互作用，使部分条件下的滑移集中在狭窄区域。局部塑性增强与试样整体更早断裂可以同时发生；位错响应仍取决于氢浓度、应力和温度。

在纯α-Fe的拉伸应力松弛实验中，充氢至30 appm（原子百万分比）后，透射电镜记录到拖尾的位错偶极与小环状位错碎片；未充氢对照中没有同样的特征组合。位错留下的变形痕迹把氢与局部滑移路径联系起来。

图3. 充氢纯α-Fe在拉伸应力松弛后形成的拖尾位错偶极与环状位错碎片。DOI：10.1038/s41598-020-66965-z

这些电镜图记录的是变形后的结构，不能由一张静态图反算每根位错的瞬时速度。相应模型也显示，位错速度可能随氢量和应力升高或降低。滑移集中的区域会改变裂纹附近的应变分配，而晶界处的氢富集还可能改变界面本身的结合。

在前述7xxx系铝合金中，研究者用氘标记、低温制样和原子探针追踪氢的位置，发现晶界附近的氢与氘信号增多。氘标记帮助区分充入氢与仪器背景；晶界富集说明裂纹可能经过一个氢浓度高于基体的位置。

图4. 充氘7xxx系铝合金晶界与析出物附近的氢、氘原子探针分布及组成剖面。DOI：10.1038/s41586-021-04343-z

原子探针给出空间分布，并不直接测出晶界的断裂功。该论文另用原子尺度计算发现，氢与镁在所建模晶界共同偏聚时更有利于界面分离。局部塑性和界面结合减弱可以在同一材料中共同影响裂纹；同一研究还发现，部分第二相把氢强烈分配到颗粒内部，改变了基体与晶界附近可获得的氢。

其他合金的危险位置还会由新相决定。钛、锆等体系能够形成脆性氢化物；在受力区域析出的氢化物可以为裂纹提供扩展路径。此时除了氢含量，还需要记录氢化物的取向与分布。

降低风险需要同时处理入氢途径、可扩散氢、组织敏感位置和应力。酸洗、电镀与服役环境决定表面供氢，析出物和晶界决定进入后的分配，残余应力与外载决定裂纹何处先扩展。陷阱的位置和束缚强度与陷阱数量一样重要，单纯提高总俘氢量未必改善抗裂性能。

一项2025年的马氏体钢研究比较了未处理、加硼、低温回火以及两者结合的组织。加硼与低温回火共同处理的样品，在该电化学充氢条件下保持更高的剩余延性，测得的总氢量也低于未处理钢。作者同时考察了晶界元素偏聚、组织变化和淬火残余应力，因此这一结果属于特定钢种和工艺的对照。

图5. 未处理、加硼及低温回火马氏体钢的剩余延性和氢浓度随充氢时间变化。DOI：10.1038/s41467-025-67310-6

针对具体材料，可在相同加载程序下比较充氢与未充氢试样的伸长和断裂，再用热脱附与渗透实验分别记录氢的释放谱和穿透时间，用EBSD检查裂纹路径。原子探针定位局部氢时，未充氢对照和氘标记用于识别背景信号，低温制样和转移可减少氢逸出。

从酸洗铁丝的回温恢复，到今天的原位扩散图和晶界原子图，氢脆研究已经能分别追踪供氢、迁移、局部富集与断裂。具体材料的抗氢脆能力，最终由同一充氢和加载条件下的氢含量、变形行为与裂纹路径共同判断。