La fragilización por metal líquido ( LME ), también conocida como fragilización inducida por metal líquido , es un fenómeno de importancia práctica, en el que ciertos metales dúctiles experimentan una pérdida drástica en la ductilidad a la tracción o sufren una fractura frágil cuando se exponen a metales líquidos específicos. Generalmente, se necesita una tensión de tracción , ya sea aplicada externamente o presente internamente, para inducir la fragilidad . Se han observado excepciones a esta regla, como en el caso del aluminio en presencia de galio líquido . [1]Este fenómeno se ha estudiado desde principios del siglo XX. Se conocen muchas de sus características fenomenológicas y se han propuesto varios mecanismos para explicarlo. [2] [3] La importancia práctica de la fragilización del metal líquido se revela por la observación de que varios aceros experimentan pérdidas de ductilidad y agrietamiento durante el galvanizado en caliente o durante la fabricación posterior. [4] El agrietamiento puede ocurrir catastróficamente y se han medido tasas de crecimiento de grietas muy altas. [5]
Se pueden observar efectos similares de fragilización del metal incluso en estado sólido, cuando uno de los metales se acerca a su punto de fusión; por ejemplo, piezas recubiertas de cadmio que funcionan a alta temperatura. Este fenómeno se conoce como fragilización de metales sólidos . [6]
Caracteristicas
Comportamiento mecanico
La fragilización del metal líquido se caracteriza por la reducción de la intensidad de la tensión umbral, la tensión de fractura verdadera o la deformación por fractura cuando se prueba en presencia de metales líquidos en comparación con la obtenida en pruebas de aire / vacío . La reducción de la deformación por fractura depende generalmente de la temperatura y se observa un "valle de ductilidad" a medida que disminuye la temperatura de prueba. [2] Muchos pares de metales también exhiben un comportamiento de transición de dúctil a frágil. La forma de la región elástica de la curva tensión-deformación no se altera, pero la región plástica se puede cambiar durante el LME. Las tasas de propagación de grietas muy altas, que varían desde unos pocos centímetros por segundo hasta varios metros por segundo, son inducidas en metales sólidos por los metales líquidos fragilizantes. Un período de incubación y una etapa de propagación de grietas precrítica lenta generalmente preceden a la fractura final.
Química de metales
Se cree que existe especificidad en las combinaciones de metales sólido-líquido que experimentan LME. [7] Debe haber solubilidades mutuas limitadas para que el par de metales cause fragilización. El exceso de solubilidad dificulta la propagación de grietas agudas, pero ninguna condición de solubilidad evita que el metal líquido humedezca las superficies sólidas y evita el LME. La presencia de una capa de óxido en la superficie sólida del metal también evita un buen contacto entre los dos metales y detiene la LME. Las composiciones químicas de los metales sólidos y líquidos afectan la gravedad de la fragilización. La adición de terceros elementos al metal líquido puede aumentar o disminuir la fragilización y altera la región de temperatura sobre la que se observa la fragilidad. Las combinaciones de metales que forman compuestos intermetálicos no causan LME. Existe una amplia variedad de parejas LME. [3] Los más importantes desde el punto de vista tecnológico son los LME de las aleaciones de aluminio y acero .
Metalurgia
La aleación del metal sólido altera su LME. Algunos elementos de aleación pueden aumentar la gravedad, mientras que otros pueden prevenir la LME. Se sabe que la acción del elemento de aleación es la segregación de los límites de grano del metal sólido y la alteración de las propiedades de los límites de grano. En consecuencia, el LME máximo se observa en los casos en que los elementos de adición de aleación han saturado los límites de grano del metal sólido. [2] La dureza y el comportamiento de deformación del metal sólido afectan su susceptibilidad a LME. Por lo general, los metales más duros tienen una fragilidad más severa. El tamaño del grano influye mucho en el LME. Los sólidos con granos más grandes son más quebradizos y la tensión de fractura varía inversamente con la raíz cuadrada del diámetro del grano. Además, la temperatura de transición de frágil a dúctil aumenta al aumentar el tamaño de grano.
Propiedades fisicoquímicas
La energía interfacial entre los metales sólidos y líquidos y la energía límite de grano del metal sólido influyen en gran medida en el LME. Estas energías dependen de las composiciones químicas del par de metales. [2]
Parámetros de prueba
Los parámetros externos como la temperatura, la velocidad de deformación, la tensión y el tiempo de exposición al metal líquido antes de la prueba afectan al LME. La temperatura produce un canal de ductilidad y un comportamiento de transición de dúctil a frágil en el metal sólido. El rango de temperatura de la cubeta, así como la temperatura de transición, se ven alterados por la composición de los metales líquidos y sólidos, la estructura del metal sólido y otros parámetros experimentales. El límite inferior del canal de ductilidad generalmente coincide con el punto de fusión del metal líquido. El límite superior es sensible a la velocidad de deformación. La temperatura también afecta la cinética de LME. Un aumento en la tasa de deformación aumenta la temperatura límite superior así como la tasa de propagación de grietas. En la mayoría de los pares de metales, la LME no se produce por debajo de un nivel de tensión umbral.
Las pruebas generalmente involucran muestras de tracción, pero también se realizan pruebas más sofisticadas utilizando muestras de mecánica de fractura. [8] [9] [10] [11]
Mecanismos
Se han propuesto muchas teorías para LME. [3] Los principales se enumeran a continuación;
- El modelo de disolución-difusión de Robertson [12] y Glickman [13] dice que la absorción del metal líquido sobre el metal sólido induce la disolución y la difusión hacia el interior. Bajo estrés, estos procesos conducen a la nucleación y propagación de grietas .
- La teoría de la fractura frágil de Stoloff y Johnson, [14] Westwood y Kamdar [15] propusieron que la adsorción de los átomos de metal líquido en la punta de la grieta debilita los enlaces interatómicos y propaga la grieta.
- Gordon [16] postuló un modelo basado en la difusión-penetración de átomos de metal líquido para nuclear las grietas que, bajo tensión, crecen hasta causar fallas.
- El modelo de falla dúctil de Lynch [17] y Popovich [18] predijo que la adsorción del metal líquido conduce al debilitamiento de los enlaces atómicos y la nucleación de dislocaciones que se mueven bajo tensión, se acumulan y endurecen el sólido por trabajo. Además, la disolución ayuda a la nucleación de huecos que crecen bajo tensión y causan fallas dúctiles.
Todos estos modelos, con la excepción de Robertson, [2] [12] utilizan el concepto de una disminución de la energía superficial inducida por adsorción del metal sólido como la causa central de LME. Han logrado predecir muchas de las observaciones fenomenológicas. Sin embargo, la predicción cuantitativa de LME todavía es difícil de alcanzar.
Fragilización por mercurio
El metal líquido más común que causa fragilización es el mercurio . Los efectos debilitantes del mercurio fueron reconocidos por primera vez por Plinio el Viejo alrededor del año 78 d.C. [19] Los derrames de mercurio presentan un peligro especialmente significativo para los aviones. La aleación de aluminio-zinc-magnesio-cobre DTD 5050B es especialmente susceptible. La aleación de Al-Cu DTD 5020A es menos susceptible. El mercurio elemental derramado puede inmovilizarse y volverse relativamente inofensivo con nitrato de plata . [1]
El 1 de enero de 2004, la planta de procesamiento de gas natural de Moomba, Australia del Sur , operada por Santos sufrió un gran incendio. El escape de gas que provocó el incendio fue causado por la falla de una boquilla de entrada del intercambiador de calor (caja fría) en la planta de recuperación de líquidos. La falla de la boquilla de entrada se debió a la fragilización del metal líquido de la caja fría de aluminio del tren B por mercurio elemental. [20]
Cultura popular
La fragilización del metal líquido juega un papel central en la novela Killer Instinct de Joseph Finder .
En la película Big Hero 6 , Honey Lemon, con la voz de Genesis Rodríguez , usa fragilización de metal líquido en su laboratorio.
Ver también
- La fragilidad
- Fragilidad por hidrógeno
Referencias
- ^ J. Huntington, Inst. Metales , 11 (1914), 108
- ^ a b c d e B. Joseph, M. Picat y F. Barbier, Eur. Phys. J. AP , 5 (1999), 19
- ^ a b c D.G. Kolman, "Agrietamiento inducido por el medio ambiente, fragilización del metal líquido" en "Manual de ASM, volumen 13A, Corrosión: fundamentos, pruebas y protección", ASM International, Materials Park, OH, págs. 381-392 (2003).
- ^ MH Kamdar, Tratado sobre ciencia y tecnología de materiales, Academic Press, vol. 25 (1983), 361
- ^ DG Kolman y R. Chavarria, Revista de pruebas y evaluación , 30 , (2002) 452.
- ^ DG Kolman, "Agrietamiento inducido por el medio ambiente, fragilización de metales sólidos" en "Manual de ASM, volumen 13A, Corrosión: fundamentos, pruebas y protección", ASM International, Materials Park, OH, págs. 393-397 (2003).
- ^ Agrietamiento asistido por metal líquido en trabajos de acero galvanizado, documento temático, SC / T / 04/02, Comité Permanente de Seguridad Estructural, Londres, Reino Unido, junio de 2004, sitio web: www.scoss.org.uk
- ^ Kamdar, MH, Fragilidad por metales líquidos y sólidos: Actas del simposio, MH Kamdar, Ed., Sociedad metalúrgica de AIME, Warrendale, PA, 1984, p. 149.
- ^ Benson, BA y Hoagland, RG, Scripta Metallurgica , 23 (1989) 1943.
- ^ Kargol, JA y Albright, DL, Journal of Testing and Evaluation , 3 (1975) 173.
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- ^ a b W. M. Robertson, Trans. Reunió. Soc. AIME , 236 (1966), 1478
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- ^ ARC Westwood y MH Kamdar, Phil. revista , 8 (1963), 787
- ^ P. Gordon y HH Ann, Met. Trad., A 13 (1982), 457
- ^ SP Lynch, Acta se reunió. , 36 (1988), 2639
- ^ VV Popovich y IG Dmukhovskaya, Sov. Mater. Sci. , (1987), 535
- ↑ Plinius Secundus, C. (1964) [78 d. C.]. Naturalis Historia [ La Historia del Mundo o La Historia Natural ] (en latín). Traducido por Philemon Holland. McGrawhill.
- ^ "Actualización de la planta de Moomba" (Comunicado de prensa). Adelaida, Australia del Sur: Santos . 2004-03-05. Archivado desde el original el 16 de febrero de 2013 . Consultado el 18 de enero de 2013 . URL alternativa