La fragilización por metal líquido (también conocida como LME y fragilización inducida por metal líquido ) es un fenómeno de importancia práctica, donde ciertos metales dúctiles experimentan una pérdida drástica de ductilidad a la tracción o sufren fractura frágil cuando se exponen a metales líquidos específicos. Generalmente, se necesita tensión de tracción , ya sea aplicada externamente o presente internamente, para inducir la fragilización . Se han observado excepciones a esta regla, como en el caso del aluminio en presencia de galio líquido . [1] Este fenómeno ha sido estudiado desde principios del siglo XX. Muchas de sus características fenomenológicas son conocidas y se han propuesto varios mecanismos para explicarlo. [2] [3] La importancia práctica de la fragilización por metal líquido se revela por la observación de que varios aceros experimentan pérdidas de ductilidad y agrietamiento durante la galvanización por inmersión 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 de metales incluso en estado sólido, cuando uno de los metales se acerca a su punto de fusión; por ejemplo, piezas revestidas de cadmio que funcionan a alta temperatura. Este fenómeno se conoce como fragilización de metales sólidos . [6]
La fragilización del metal líquido se caracteriza por la reducción de la intensidad de la tensión umbral, la tensión de fractura real o la deformación hasta la fractura cuando se prueba en presencia de metales líquidos en comparación con la obtenida en pruebas de aire/vacío . La reducción de la deformación hasta la fractura depende generalmente de la temperatura y se observa una “canalización de ductilidad” a medida que disminuye la temperatura de prueba. [2] Muchas parejas de metales también exhiben un comportamiento de transición de dúctil a frágil. La forma de la región elástica de la curva de tensión-deformación no se altera, pero la región plástica puede cambiar durante la LME. Los metales líquidos fragilizantes inducen velocidades de propagación de grietas muy altas, que varían de unos pocos centímetros por segundo a varios metros por segundo, en metales sólidos. Un período de incubación y una etapa de propagación de grietas precrítica lenta generalmente preceden a la fractura final.
Se cree que existe una especificidad en las combinaciones de metales sólidos-líquidos que experimentan LME. [7] Debe haber solubilidades mutuas limitadas para que la pareja 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 la LME. La presencia de una capa de óxido en la superficie del metal sólido 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 alterar la región de temperatura sobre la cual se observa la fragilización. Las combinaciones de metales que forman compuestos intermetálicos no causan LME. Existe una amplia variedad de parejas de LME. [3] Las más importantes tecnológicamente son las LME de las aleaciones de aluminio y acero .
La aleación del metal sólido altera su LME. Algunos elementos de aleación pueden aumentar la severidad mientras que otros pueden prevenir LME. Se sabe que la acción del elemento de aleación es la segregación a los límites de grano del metal sólido y la alteración de las propiedades del límite de grano. En consecuencia, se observa máxima LME en casos donde 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. Generalmente, los metales más duros son más severamente fragilizados. El tamaño de grano influye en gran medida en LME. Los sólidos con granos más grandes son más severamente fragilizados y la tensión de fractura varía inversamente con la raíz cuadrada del diámetro del grano. También la temperatura de transición frágil a dúctil aumenta al aumentar el tamaño de grano.
La energía interfacial entre los metales sólidos y líquidos y la energía del 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]
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 valle de ductilidad y un comportamiento de transición de dúctil a frágil en el metal sólido. El rango de temperatura del valle, así como la temperatura de transición, se modifican por la composición de los metales líquido y sólido, la estructura del metal sólido y otros parámetros experimentales. El límite inferior del valle 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 del LME. Un aumento en la velocidad de deformación aumenta la temperatura límite superior, así como la velocidad de propagación de grietas. En la mayoría de las parejas de metales, el LME no se produce por debajo de un nivel de tensión umbral.
Las pruebas generalmente implican muestras de tracción, pero también se realizan pruebas más sofisticadas utilizando muestras de mecánica de fracturas. [8] [9] [10] [11]
Se han propuesto muchas teorías para el LME. [3] Las principales se enumeran a continuación:
Todos estos modelos, con excepción de Robertson [2] [12], utilizan el concepto de una disminución de la energía superficial del metal sólido inducida por la adsorción como causa central de la formación de masas de gran tamaño. Han logrado predecir muchas de las observaciones fenomenológicas. Sin embargo, la predicción cuantitativa de la formación de masas de gran tamaño sigue siendo difícil de alcanzar.
El metal líquido más común que causa fragilización es el mercurio , ya que es un contaminante común en el procesamiento de hidrocarburos en depósitos de petróleo . [19] Los efectos fragilizantes del mercurio fueron reconocidos por primera vez por Plinio el Viejo alrededor del año 78 d. C. [20] 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 . [21]
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. La liberación de gas que provocó el incendio fue causada 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. [22]
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 Rodriguez , utiliza fragilización de metal líquido en su laboratorio.