Охрупчивание жидким металлом - Liquid metal embrittlement

Охрупчивание жидким металлом ( LME ), также известное как охрупчивание , вызванное жидким металлом , представляет собой явление практического значения, когда некоторые пластичные металлы испытывают резкую потерю пластичности при растяжении или подвергаются хрупкому разрушению при воздействии определенных жидких металлов. Обычно для того, чтобы вызвать охрупчивание , необходимо растягивающее напряжение , приложенное извне или внутренне . Были замечены исключения из этого правила, например, в случае алюминия в присутствии жидкого галлия . Это явление изучается с начала 20 века. Известны многие его феноменологические характеристики и предложено несколько механизмов для его объяснения. Практическое значение охрупчивания жидким металлом подтверждается наблюдением, что некоторые стали испытывают потери пластичности и растрескивание во время горячего цинкования или во время последующего производства. Растрескивание может происходить катастрофически, и были измерены очень высокие скорости роста трещин.

Подобные эффекты охрупчивания металлов могут наблюдаться даже в твердом состоянии, когда один из металлов приближается к его температуре плавления; например, детали с кадмиевым покрытием, работающие при высоких температурах. Это явление известно как охрупчивание твердого металла .

Характеристики

Механическое поведение

Охрупчивание жидким металлом характеризуется снижением пороговой интенсивности напряжения, истинного напряжения разрушения или деформации разрушения при испытании в присутствии жидких металлов по сравнению с полученным при испытаниях в воздухе / вакууме . Снижение деформации разрушения, как правило, зависит от температуры, и при понижении температуры испытания наблюдается «впадина пластичности». Переход из пластичного в хрупкое состояние также наблюдается у многих металлических пар. Форма упругой области кривой напряжения-деформации не изменяется, но пластическая область может изменяться во время LME. Очень высокая скорость распространения трещин, варьирующаяся от нескольких сантиметров в секунду до нескольких метров в секунду, вызывается в твердых металлах охрупчивающими жидкими металлами. Инкубационный период и стадия медленного докритического распространения трещины обычно предшествуют окончательному разрушению.

Химия металлов

Считается, что существует специфичность комбинаций твердых и жидких металлов, испытываемых LME. Должна быть ограниченная взаимная растворимость пары металлов, чтобы вызвать охрупчивание. Избыточная растворимость затрудняет резкое распространение трещин, но никакое условие растворимости не предотвращает смачивание твердых поверхностей жидким металлом и предотвращает LME. Наличие оксидного слоя на твердой металлической поверхности также препятствует хорошему контакту между двумя металлами и останавливает LME. Химический состав твердых и жидких металлов влияет на степень охрупчивания. Добавление третьих элементов к жидкому металлу может увеличивать или уменьшать охрупчивание и изменять температурный диапазон, в котором наблюдается охрупчивание. Комбинации металлов, образующие интерметаллические соединения, не вызывают LME. Есть большое разнообразие пар на LME. Наиболее технологически важными являются LME алюминиевых и стальных сплавов.

Металлургия

Легирование твердого металла изменяет его LME. Некоторые легирующие элементы могут повысить жесткость, в то время как другие могут препятствовать LME. Действие легирующего элемента, как известно, заключается в сегрегации границ зерен твердого металла и изменении свойств границ зерен. Соответственно, максимальная LME наблюдается в тех случаях, когда легирующие элементы насыщают границы зерен твердого металла. Твердость и деформационное поведение твердого металла влияют на его восприимчивость к LME. Как правило, более твердые металлы имеют большую хрупкость. Размер зерна сильно влияет на LME. Твердые тела с более крупными зернами более сильно охрупчиваются, и напряжение разрушения изменяется обратно пропорционально квадратному корню из диаметра зерна. Также повышается температура перехода от хрупкого к пластичному состоянию за счет увеличения размера зерна.

Физико-химические свойства

Межфазная энергия между твердым и жидким металлами и энергия границ зерен твердого металла сильно влияют на LME. Эти энергии зависят от химического состава пары металлов.

Параметры испытаний

Внешние параметры, такие как температура, скорость деформации, напряжение и время воздействия жидкого металла перед испытанием, влияют на LME. Температура приводит к снижению пластичности и переходу от пластичного к хрупкому твердому металлу. Температурный диапазон желоба, а также температура перехода изменяются в зависимости от состава жидких и твердых металлов, структуры твердого металла и других экспериментальных параметров. Нижний предел желоба пластичности обычно совпадает с точкой плавления жидкого металла. Верхний предел зависит от скорости деформации. Температура также влияет на кинетику LME. Увеличение скорости деформации увеличивает верхний предел температуры, а также скорость распространения трещины. В большинстве металлических пар LME не возникает ниже порогового уровня напряжения.

Испытания обычно включают образцы на растяжение, но также выполняются более сложные испытания с использованием образцов механики разрушения.

Механизмы

Для LME было предложено множество теорий. Основные из них перечислены ниже;

  • Модель растворения-диффузии Робертсона и Гликмана гласит, что поглощение жидкого металла твердым металлом вызывает растворение и внутреннюю диффузию. Под напряжением эти процессы приводят к зарождению и распространению трещин .
  • Теория хрупкого разрушения Столоффа и Джонсона, Вествуда и Камдара предположила, что адсорбция атомов жидкого металла на вершине трещины ослабляет межатомные связи и способствует распространению трещины.
  • Гордон постулировал модель, основанную на диффузионном проникновении атомов жидкого металла для зарождения трещин, которые под напряжением растут и вызывают разрушение.
  • Модель пластичного разрушения Линча и Поповича предсказала, что адсорбция жидкого металла приводит к ослаблению атомных связей и зарождению дислокаций, которые движутся под действием напряжения, накапливаются и деформируют твердое тело. Растворение также способствует зарождению пустот, которые растут под действием напряжения и вызывают пластическое разрушение.

Все эти модели, за исключением Робертсона, используют концепцию снижения поверхностной энергии твердого металла, вызванного адсорбцией, в качестве центральной причины LME. Им удалось предсказать многие феноменологические наблюдения. Однако количественный прогноз по LME по-прежнему затруднен.

Охрупчивание ртутью

Наиболее распространенный жидкий металл, вызывающий охрупчивание, - это ртуть . Ошеломляющие эффекты ртути были впервые признаны Плинием Старшим примерно в 78 году нашей эры. Особую опасность для самолетов представляют разливы ртути. Особенно чувствителен сплав алюминия-цинка-магния-меди DTD 5050B. Сплав Al-Cu DTD 5020A менее восприимчив. Пролитая элементарная ртуть может быть иммобилизована и относительно безвредна с помощью нитрата серебра . [1]

1 января 2004 г. на заводе по переработке природного газа в Мумбе (Южная Австралия) , принадлежащем компании Santos, произошел крупный пожар. Выделение газа, которое привело к возгоранию, вызвано выходом из строя входного патрубка теплообменника (холодильной камеры) в установке утилизации жидкостей. Выход из строя входного сопла произошел из-за охрупчивания жидким металлом алюминиевой холодильной камеры линии B элементарной ртутью.

Популярная культура

Охрупчивание жидким металлом играет центральную роль в романе Джозефа Файндера « Инстинкт убийцы » .

В фильме « Большой герой 6» Хани Лемон, озвученная Генезисом Родригес , использует в своей лаборатории хрупкость жидким металлом.

Смотрите также

Ссылки