氢对很多金属和合金材料的力学性能有破坏作用，主要包括硬化、脆化以及对内部结构的损害。1875年首先报道了氢对铁力学性能的影响，此后在一系列结构材料金属，如铝、钛、锆等金属中都观察到了氢对于材料力学性能的损害。由于氢的广泛存在，金属和合金材料在冶炼、铸造成型以及服役过程中与氢接触的机会很多，因此研究氢对材料力学性能破坏的机理，寻找降低这种破坏的途径对提高材料的安全性和可靠性具有普遍的意义，特别是对于直接和氢接触的材料，如氢气存储罐和输送管道、酸液存储罐以及核聚变反应器材料等。如果不能很好解决因氢带来的材料可靠性和安全性问题，将很大程度上限制氢能的广泛应用。

氢对材料力学性能破坏的机理很多，按照是否出现由氢导致的新物相可以分为两大类：第一类机理中，材料结构的破坏源自于与氢相关的新物相，例如氢气气泡、氢化物以及水、甲烷等氢气与材料中某些成分发生反应后的产物；第二类机理中没有明显的第二相出现，称之为氢脆效应，机理较为复杂^[36]。

在材料内部形成氢气气泡是常见的一类氢导致的材料结构破坏机理。这中破坏始于金属材料的体相吸收了氢原子，这些活性的氢原子在材料内部晶粒之间的界面处比较容易析出，从而在这些位置形成H₂分子，产生气泡。如果这种H₂气泡产生是由于材料表面与H₂接触，那么内部气泡的压力不会超过材料表面H₂的压力，但如果H₂气泡的形成来源于其他形式的氢，例如与酸性气体或溶液接触，以及在电镀过程中氢原子的渗入，则H₂气泡的压力会很大。

氢会在金属或合金材料的铸造、焊接、成型等工艺中进入熔融态的金属或合金，例如通过与空气中的水蒸气反应。当材料固化后，氢在材料中的溶解度迅速下降，氢气会在材料内部的微小空隙中析出。当这些空隙中的H₂压力上升到一定值时会使空隙膨胀，特别是在一些尖锐缝隙处受到的膨胀应力更大，从而导致裂缝的延展，如果材料此时受到外部应力，这种破坏会更严重。当材料内部空隙中存在氢气压力，同时又受到外部应力时产生的断裂面的表面通常为光亮的近圆形，中心部分呈深色（拉升断裂的部分），这种结构称为“鱼眼”。鱼眼结构会成为材料内部应力集中的区域，从而容易导致金属材料的疲劳。在加工过程中避免金属与湿气的接触是防止形成鱼眼的关键，还可以通过加热材料至略高于室温使氢气从材料中逸出。与鱼眼结构形成机制类似的一种断裂结构是片状断裂，这种断层是一种二维结构，是在金属锻造或轧制过程中由于存在内部的氢气气泡而造成的。除上述两种二维的断裂结构外，还存在一种多条断裂线沿三维不同方向伸展的断裂结构，称为碎裂性断裂。以上这些断裂均来自于材料中溶解氢在材料内部缝隙的析出。(www.daowen.com)

金属材料中的氢会与材料中的某些微量成分或杂质发生化学反应而破坏材料结构。常见的是氢会与钢铁中的碳反应生成甲烷，或是在某些铜合金中还原Cu₂O而生成水。生成物甲烷或水在金属材料中溶解度很低，会在晶粒间的缝隙积聚，使空隙扩大。这种机理较容易理解，同时可以通过化学平衡的原理预测各种材料安全使用的温度和氢气压力范围。如果合金中含有容易形成氢化物的成分，例如Zr、Ti、Nb等过渡金属以及碱金属和碱土金属，当其中氢的含量超过溶解度时会产生氢化物物相，氢化物通常密度较低，且比较脆，会使合金的延展性大大下降。在没有外应力时氢化物相的取向是随机的，存在外应力时氢化物片层排列倾向于垂直于应力方向。氢化物相在外应力下的重新取向在用作核反应堆的Zr合金结构材料中是一个重要的问题。

与上述几种机理不同，氢脆（Hydrogen Embrittlement）效应中不涉及明显的化学反应或是气泡、氢化物等第二相（虽然很多文献中将氢化物的生成也归因于氢脆，但是氢化物机理也涉及新相的生成，结论比较明确），因此对氢脆还没有一个单一的机理能解释所有的现象。比较主流的观点有两个，一是氢增强的结合破坏（Hydrogen Enhanced Decohesion，HEDE）；另一种是氢增强的局部塑性（Hydrogen Enhanced Localized Plasticity，HELP）。这一机理认为在应力较高的区域氢在材料中的溶解度会增强，当进入晶格的氢原子量增多时会使金属原子之间的结合力下降。上述假设的主要证据来源于在某些不能形成氢化物的体系中氢脆现象的发生并未伴随着很大的局部形变，此外还有热力学上的考虑，但是至今还没有获得直接的实验观察证据。目前最新的一个模型是HELP，与HEDE类似，这一模型基于氢会在应力场较强的区域（如裂缝的尖端）富集，这些富集的氢原子能降低在外应力下位错发生移动的能垒，从而能在这些局部的区域造成微小的断裂，大量的这些微小断裂会导致宏观材料延展性的下降。在实验中确实观察到了在Fe、Ni等氢脆断裂面附近存在大量微小的塑性形变，并通过放射线同位素T的标记表明氢同位素富集在断裂面的附近。

值得注意的是，所有的氢致材料结构损坏都存在一个氢在材料中扩散的过程，上述的几种机理中都涉及氢进入特定的位置（晶粒界面、材料内部的微缝等），此外实验中观察到的延展性在某一温度下存在最小值、材料发生破坏之前存在一个临界氢浓度以及形变存在诱导期都表明氢在材料中的转移是氢致材料结构破坏的重要环节，因此对氢致材料结构损坏的考察必须与氢在材料内部的输运过程，特别是在应力场下的输运行为结合起来研究。