La fragilización del metal líquido (también conocida como LME y fragilidad inducida por el metal líquido ) es un fenómeno de importancia práctica, en el que ciertos metales dúctiles experimentan una pérdida drástica de ductilidad a la tracción o sufren una 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. 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 grietas 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 del metal sólido . [6]
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 a 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 por fractura generalmente depende de la temperatura y se observa una “ductibilidad mínima” a medida que disminuye la temperatura de prueba. [2] Muchos pares metálicos también presentan 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 puede cambiar durante LME. En los metales sólidos, los metales líquidos que se vuelven quebradizos inducen velocidades de propagación de grietas muy altas, que varían desde unos pocos centímetros por segundo hasta varios metros por segundo. Un período de incubación y una etapa lenta de propagación de grietas precrítica generalmente preceden a la fractura final.
Se cree que existe especificidad en las combinaciones de metales sólidos y líquidos que experimentan LME. [7] Debe haber solubilidades mutuas limitadas para que el par metálico cause fragilidad. 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 previene el LME. La presencia de una capa de óxido sobre la superficie del metal sólido también impide un buen contacto entre los dos metales y detiene el 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 fragilidad y alterar la región de temperatura en 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 aluminio y aleaciones de acero .
La aleación del metal sólido altera su LME. Algunos elementos de aleación pueden aumentar la gravedad mientras que otros pueden prevenir el 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 al LME. Generalmente, los metales más duros se vuelven más quebradizos. El tamaño del grano influye mucho en el LME. Los sólidos con granos más grandes se vuelven más frágiles 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 del grano.
La energía interfacial entre los metales sólidos y líquidos y la energía de frontera 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 tasa de deformación, la tensión y el tiempo de exposición al metal líquido antes de la prueba afectan al LME. La temperatura produce una ductilidad mínima y un comportamiento de transición de dúctil a frágil en el metal sólido. El rango de temperatura del canal, así como la temperatura de transición, se modifican mediante la composición de los metales líquidos y sólidos, la estructura del metal sólido y otros parámetros experimentales. El límite inferior de la ductilidad coincide generalmente 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 ocurre por debajo de un nivel umbral de tensión.
Las pruebas generalmente implican muestras de tracción, pero también se realizan pruebas más sofisticadas utilizando muestras de mecánica de fractura. [8] [9] [10] [11]
Se han propuesto muchas teorías para LME. [3] Los principales se enumeran a continuación;
Todos estos modelos, con la excepción de Robertson, [2] [12] utilizan el concepto de reducción de la energía superficial del metal sólido inducida por adsorción como causa central de LME. Han logrado predecir muchas de las observaciones fenomenológicas. Sin embargo, la predicción cuantitativa de la LME sigue siendo difícil de alcanzar.
El metal líquido más común que causa fragilidad es el mercurio , ya que es un contaminante común en el procesamiento de hidrocarburos en yacimientos 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 y cobre DTD 5050B es especialmente susceptible. La aleación Al-Cu DTD 5020A es menos susceptible. El mercurio elemental derramado puede inmovilizarse y volverse relativamente inofensivo con el nitrato de plata . [21]
El 1 de enero de 2004, la planta procesadora de gas natural de Moomba, en el sur de Australia , operada por Santos, sufrió un gran incendio. La liberación de gas que provocó el incendio se produjo 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 metales líquidos en su laboratorio.