Охрупчивание жидкого металла

Охрупчивание жидким металлом (также известное как LME и охрупчивание, вызванное жидким металлом ) представляет собой явление, имеющее практическое значение, когда некоторые пластичные металлы испытывают резкую потерю пластичности при растяжении или подвергаются хрупкому разрушению при воздействии определенных жидких металлов. Как правило, растягивающее напряжение , необходимо для того, чтобы вызвать охрупчивание , приложенное снаружи или внутри . Исключения из этого правила наблюдались, как в случае с алюминием в присутствии жидкого галлия . ^[1] Это явление изучается с начала 20 века. Многие из его феноменологических характеристик известны, и для их объяснения предложено несколько механизмов. ^[2]^[3] Практическое значение охрупчивания жидкого металла проявляется в том наблюдении, что некоторые стали испытывают потерю пластичности и растрескиваются во время горячего цинкования или во время последующего изготовления. ^[4] Растрескивание может произойти катастрофически, и были измерены очень высокие скорости роста трещин. ^[5]

Подобные эффекты охрупчивания металлов можно наблюдать даже в твердом состоянии, когда один из металлов приближается к температуре плавления; например, детали с кадмиевым покрытием, работающие при высоких температурах. Это явление известно как охрупчивание твердого металла . ^[6]

Характеристики

Механическое поведение

Жидкометаллическое охрупчивание характеризуется снижением интенсивности порогового напряжения, истинного напряжения разрушения или деформации разрушения при испытаниях в присутствии жидких металлов по сравнению с полученным при испытаниях на воздухе/вакууме . Снижение деформации разрушения обычно зависит от температуры, и при снижении температуры испытания наблюдается «впадина пластичности». ^[2] Многие пары металлов также демонстрируют переходное поведение от пластичного к хрупкому. Форма упругой области кривой растяжения не изменяется, но пластическая область может изменяться в ходе ЛМЭ. Очень высокие скорости распространения трещин, варьирующиеся от нескольких сантиметров в секунду до нескольких метров в секунду, вызываются в твердых металлах охрупчиванием жидких металлов. Окончательному разрушению обычно предшествует инкубационный период и медленная докритическая стадия распространения трещины.

Химия металлов

Считается, что существует специфичность в сочетаниях твердых и жидких металлов, испытывающих LME. ^[7] должна быть ограничена, Взаимная растворимость пар металлов чтобы вызвать охрупчивание. Избыточная растворимость затрудняет распространение резких трещин, но отсутствие условий растворимости предотвращает смачивание твердых поверхностей жидким металлом и предотвращает ЖМЭ. Наличие оксидного слоя на твердой поверхности металла также препятствует хорошему контакту между двумя металлами и останавливает ЖМЭ. Химический состав твердых и жидких металлов влияет на выраженность охрупчивания. Добавление третьих элементов в жидкий металл может увеличить или уменьшить охрупчивание и изменить температурный диапазон, в котором наблюдается охрупчивание. Комбинации металлов, образующие интерметаллические соединения, не вызывают ЖМЭ. Существует большое разнообразие пар LME. ^[3] Наиболее технологически важными являются ЛБМ алюминия и стальных сплавов.

Металлургия

Легирование твердого металла изменяет его LME. Некоторые легирующие элементы могут увеличить жесткость, тогда как другие могут предотвратить LME. Известно, что действием легирующего элемента является сегрегация границ зерен твердого металла и изменение свойств границ зерен. Соответственно, максимальный LME наблюдается в тех случаях, когда примеси сплава насыщают границы зерен твердого металла. ^[2] Твердость и деформационное поведение твердого металла влияют на его восприимчивость к LME. Как правило, более твердые металлы становятся более хрупкими. 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. Кроме того, температура перехода из хрупкого состояния в пластичное повышается за счет увеличения размера зерна.

Физико-химические свойства

Межфазная энергия между твердыми и жидкими металлами и энергия границ зерен твердого металла сильно влияют на LME. Эти энергии зависят от химического состава пары металлов. ^[2]

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 переходному поведению от пластичного к хрупкому в твердом металле. Температурный диапазон впадины, а также температура перехода изменяются в зависимости от состава жидких и твердых металлов, структуры твердого металла и других экспериментальных параметров. Нижний предел провала пластичности обычно совпадает с температурой плавления жидкого металла. Верхний предел чувствителен к скорости деформации. Температура также влияет на кинетику ЛМЭ.Увеличение скорости деформации увеличивает верхнюю предельную температуру, а также скорость распространения трещины. В большинстве пар металлов LME не возникает ниже порогового уровня напряжения.

Испытания обычно включают образцы на растяжение, но также проводятся более сложные испытания с использованием образцов механики разрушения. ^[8]^[9]^[10]^[11]

Механизмы

Для LME было предложено множество теорий. ^[3] Основные из них перечислены ниже;

Модель растворения-диффузии Робертсона. ^[12] и Гликман ^[13] говорит, что поглощение жидкого металла твердым металлом вызывает растворение и внутреннюю диффузию. Под напряжением эти процессы приводят к зарождению и распространению трещин.
Теория хрупкого разрушения Столова и Джонсона. ^[14] Вествуд и Камдар ^[15] предположил, что адсорбция атомов жидкого металла на вершине трещины ослабляет межатомные связи и способствует распространению трещины.
Гордон ^[16] постулировал модель, основанную на диффузионном проникновении атомов жидкого металла с образованием трещин, которые под действием напряжения растут и вызывают разрушение.
Модель пластичного разрушения Линча ^[17] и Попович ^[18] предсказал, что адсорбция жидкого металла приводит к ослаблению атомных связей и зарождению дислокаций, которые под напряжением перемещаются, накапливаются и упрочняют твердое тело. Кроме того, растворение способствует образованию пустот, которые растут под напряжением и вызывают пластическое разрушение.

Все эти модели, за исключением Робертсона, ^[2]^[12] использовать концепцию снижения поверхностной энергии твердого металла, вызванного адсорбцией, как основной причины LME. Им удалось предсказать многие феноменологические наблюдения. Однако количественное предсказание LME все еще остается невозможным.

Ртутное охрупчивание

Наиболее распространенным жидким металлом, вызывающим охрупчивание, является ртуть , поскольку она является распространенным загрязнителем при переработке углеводородов в нефтяных пластах . ^[19] Охрупчивающее воздействие ртути было впервые признано Плинием Старшим около 78 года нашей эры. ^[20] Особенно значительную опасность для самолетов представляют разливы ртути. Особенно восприимчив алюминиево-цинко-магниево-медный сплав DTD 5050B. Сплав Al-Cu DTD 5020A менее восприимчив. Пролитую элементарную ртуть можно иммобилизовать и сделать относительно безвредной с помощью нитрата серебра . ^[21]

1 января 2004 года на в Мумбе, Южная Австралия , заводе по переработке природного газа которым управляет компания Santos, произошел крупный пожар. Выброс газа, приведший к пожару, был вызван выходом из строя входного патрубка теплообменника (холодной камеры) на установке регенерации жидкостей. Выход из строя входного сопла произошел из-за охрупчивания жидкого металла алюминиевого холодного бокса поезда Б элементарной ртутью. ^[22]

См. также

Ссылки

^ Хантингтон, АК (1914). «Обсуждение отчета комитету по премии Бейлби» . Журнал Института металлов . 11 (1). Лондон, Великобритания: Институт металлов : 108.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Джозеф, Б.; Пикат М. и Барбье Ф. (1999). «Охрупчивание жидкого металла: современная оценка». Европейский физический журнал «Прикладная физика» . 5 (1): 19–31. Бибкод : 1999EPJAP...5...19J . дои : 10.1051/epjap:1999108 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Колман, Д.Г. (2003). «Растрескивание, вызванное воздействием окружающей среды, охрупчивание жидкого металла». В Крамере, Стивене Д. и Ковино, Бернарде С.младшем (ред.). Справочник ASM, том 13A, Коррозия: основы, испытания и защита . Парк материалов, Огайо: ASM International . стр. 381–392. ISBN 978-0-87170-705-5 .
^ Камдар, Миннесота (1983). «Охрупчивание жидкого металла». Трактат по материаловедению и технологии . Том. 25. Академическая пресса . стр. 361–459.
^ Колман Д.Г. и Чаваррия Р. (2002). «Жидкометаллическое охрупчивание компактных образцов алюминия 7075 и стали 4340 под действием галлия». Журнал тестирования и оценки . 30 (5): 452–456. дои : 10.1520/JTE12336J .
^ Коулман, DG (2003), стр. 393-397.
^ Тематический документ SC/T/04/02: Растрескивание оцинкованной стали под действием жидкого металла (Отчет). Постоянный комитет по структурной безопасности. Июнь 2004 года.
^ Камдар, МЗ (1984). Камдар, М.Х. (ред.). «Охрупчивание жидкими и твердыми металлами». Материалы симпозиума . Уоррендейл, Пенсильвания: Металлургическое общество AIME: 149.
^ Бенсон, Б.А. и Хоугланд, Р.Г. (1989). «Поведение роста трещин высокопрочного алюминиевого сплава при LME галлием». Скрипта Металлургика . 23 (11): 1943. doi : 10.1016/0036-9748(89)90487-0 .
^ Каргол, Дж. А. и Олбрайт, Д. Л. (май 1975 г.). «Метод механики разрушения для определения стойкости к распространению трещин в охрупченных бикристаллах алюминия». Журнал тестирования и оценки . 3 (3): 173. дои : 10.1520/JTE10649J .
^ Колман Д.Г. и Чаваррия Р. (март 2004 г.). «Жидкометаллическое охрупчивание нержавеющей стали типа 316L галлием, измеренное методом упругопластического разрушения». Коррозия . 60 (3): 254–261. дои : 10.5006/1.3287729 .
^ Jump up to: ^а ^б Робертсон, WM (ноябрь 1966 г.). «Распространение трещины, заполненной жидким металлом». Труды Металлургического общества АИМЭ . 236 (11): 1478.
^ Гликман, Э.Э. & Горюнов Ю.В. (июль 1978 г.). «Механизм охрупчивания жидкими металлами и другие проявления эффекта Ребиндера в металлических системах». Советское материаловедение . 14 (4): 355–364. дои : 10.1007/BF01154710 .
^ Столофф, Н.С. и Джонстон, ТЛ (1963). «Распространение трещин в среде жидкого металла». Акта Металлургика . 11 (4): 251–256. дои : 10.1016/0001-6160(63)90180-9 .
^ Вествуд, АРК и Камдар, Миннесота (1963). «Об охрупчивании жидких металлов, особенно монокристаллов цинка, ртутью». Философский журнал . 8 (89): 787–804. Бибкод : 1963PMag....8..787W . дои : 10.1080/14786436308213836 .
^ Гордон, Пол и Ан, Генри Х. (март 1982 г.). «Механизмы зарождения и распространения трещин при металлоиндуцированном охрупчивании металлов». Металл Матер Транс А. 13 (3): 457–472. Бибкод : 1982MTA....13..457G . дои : 10.1007/BF02643354 .
^ Линч, СП (1988). «Крекинг под воздействием окружающей среды: обзор доказательств процесса локализованного скольжения, вызванного адсорбцией». Акта Металлургика . 36 (10): 2639–2661. дои : 10.1016/0001-6160(88)90113-7 .
^ Попович В.В., Дмуховская И.Г. (1987). «Охрупчивание металлов и сплавов, деформируемых при контакте с легкоплавкими сплавами (Обзор зарубежной литературы)». Советское материаловедение . 23 (6): 535–544. дои : 10.1007/BF01151882 .
^ Кейс, Раймундо; Макинтайр, Дейл Р. (14 марта 2010 г.). Ртутное охрупчивание сплавов жидкими металлами для добычи и переработки нефти и газа .
^ К. Плиний Секунд (1964) [78 г. н.э.]. Naturalis Historia [ Всемирная история, или Естественная история ] (на латыни). Перевод Филимона Холланда. МакГроу Хилл.
^ Олсопп, HJ (31 января 1977 г.). Химическая обработка ртути, случайно разлитой в самолете (отчет). Королевское авиационное предприятие . Архивировано из оригинала 27 сентября 2007 года — через DTIC .
^ «Обновление о растении Мумба» . Сантос (Пресс-релиз). Аделаида, Южная Австралия. 5 марта 2004 г. Архивировано из оригинала 16 февраля 2013 г. Проверено 18 января 2013 г. Альтернативный URL-адрес: Сантос (5 марта 2004 г.). «Обновление о растении Мумба» (пресс-релиз). Архивировано из оригинала 24 апреля 2016 года . Проверено 18 января 2013 г. - через SEC.

[Huntington-1] Хантингтон, АК (1914). «Обсуждение отчета комитету по премии Бейлби» . Журнал Института металлов . 11 (1). Лондон, Великобритания: Институт металлов : 108.

[Joseph-2] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Джозеф, Б.; Пикат М. и Барбье Ф. (1999). «Охрупчивание жидкого металла: современная оценка». Европейский физический журнал «Прикладная физика» . 5 (1): 19–31. Бибкод : 1999EPJAP...5...19J . дои : 10.1051/epjap:1999108 .

[Kolman-3] Jump up to: ^а ^б ^с Колман, Д.Г. (2003). «Растрескивание, вызванное воздействием окружающей среды, охрупчивание жидкого металла». В Крамере, Стивене Д. и Ковино, Бернарде С.младшем (ред.). Справочник ASM, том 13A, Коррозия: основы, испытания и защита . Парк материалов, Огайо: ASM International . стр. 381–392. ISBN 978-0-87170-705-5 .

[Kamdar-4] Камдар, Миннесота (1983). «Охрупчивание жидкого металла». Трактат по материаловедению и технологии . Том. 25. Академическая пресса . стр. 361–459.

[Kolman3-5] Колман Д.Г. и Чаваррия Р. (2002). «Жидкометаллическое охрупчивание компактных образцов алюминия 7075 и стали 4340 под действием галлия». Журнал тестирования и оценки . 30 (5): 452–456. дои : 10.1520/JTE12336J .

[Kolman2-6] Коулман, DG (2003), стр. 393-397.

[Liquid-7] Тематический документ SC/T/04/02: Растрескивание оцинкованной стали под действием жидкого металла (Отчет). Постоянный комитет по структурной безопасности. Июнь 2004 года.

[Kamdar2-8] Камдар, МЗ (1984). Камдар, М.Х. (ред.). «Охрупчивание жидкими и твердыми металлами». Материалы симпозиума . Уоррендейл, Пенсильвания: Металлургическое общество AIME: 149.

[Benson-9] Бенсон, Б.А. и Хоугланд, Р.Г. (1989). «Поведение роста трещин высокопрочного алюминиевого сплава при LME галлием». Скрипта Металлургика . 23 (11): 1943. doi : 10.1016/0036-9748(89)90487-0 .

[Kargol-10] Каргол, Дж. А. и Олбрайт, Д. Л. (май 1975 г.). «Метод механики разрушения для определения стойкости к распространению трещин в охрупченных бикристаллах алюминия». Журнал тестирования и оценки . 3 (3): 173. дои : 10.1520/JTE10649J .

[Kolman4-11] Колман Д.Г. и Чаваррия Р. (март 2004 г.). «Жидкометаллическое охрупчивание нержавеющей стали типа 316L галлием, измеренное методом упругопластического разрушения». Коррозия . 60 (3): 254–261. дои : 10.5006/1.3287729 .

[Robertson-12] Jump up to: ^а ^б Робертсон, WM (ноябрь 1966 г.). «Распространение трещины, заполненной жидким металлом». Труды Металлургического общества АИМЭ . 236 (11): 1478.

[Glikman-13] Гликман, Э.Э. & Горюнов Ю.В. (июль 1978 г.). «Механизм охрупчивания жидкими металлами и другие проявления эффекта Ребиндера в металлических системах». Советское материаловедение . 14 (4): 355–364. дои : 10.1007/BF01154710 .

[Stoloff-14] Столофф, Н.С. и Джонстон, ТЛ (1963). «Распространение трещин в среде жидкого металла». Акта Металлургика . 11 (4): 251–256. дои : 10.1016/0001-6160(63)90180-9 .

[Westwood-15] Вествуд, АРК и Камдар, Миннесота (1963). «Об охрупчивании жидких металлов, особенно монокристаллов цинка, ртутью». Философский журнал . 8 (89): 787–804. Бибкод : 1963PMag....8..787W . дои : 10.1080/14786436308213836 .

[Gordon-16] Гордон, Пол и Ан, Генри Х. (март 1982 г.). «Механизмы зарождения и распространения трещин при металлоиндуцированном охрупчивании металлов». Металл Матер Транс А. 13 (3): 457–472. Бибкод : 1982MTA....13..457G . дои : 10.1007/BF02643354 .

[Lynch-17] Линч, СП (1988). «Крекинг под воздействием окружающей среды: обзор доказательств процесса локализованного скольжения, вызванного адсорбцией». Акта Металлургика . 36 (10): 2639–2661. дои : 10.1016/0001-6160(88)90113-7 .

[Popovich-18] Попович В.В., Дмуховская И.Г. (1987). «Охрупчивание металлов и сплавов, деформируемых при контакте с легкоплавкими сплавами (Обзор зарубежной литературы)». Советское материаловедение . 23 (6): 535–544. дои : 10.1007/BF01151882 .

[19] Кейс, Раймундо; Макинтайр, Дейл Р. (14 марта 2010 г.). Ртутное охрупчивание сплавов жидкими металлами для добычи и переработки нефти и газа .

[20] К. Плиний Секунд (1964) [78 г. н.э.]. Naturalis Historia [ Всемирная история, или Естественная история ] (на латыни). Перевод Филимона Холланда. МакГроу Хилл.

[21] Олсопп, HJ (31 января 1977 г.). Химическая обработка ртути, случайно разлитой в самолете (отчет). Королевское авиационное предприятие . Архивировано из оригинала 27 сентября 2007 года — через DTIC .

[22] «Обновление о растении Мумба» . Сантос (Пресс-релиз). Аделаида, Южная Австралия. 5 марта 2004 г. Архивировано из оригинала 16 февраля 2013 г. Проверено 18 января 2013 г. Альтернативный URL-адрес: Сантос (5 марта 2004 г.). «Обновление о растении Мумба» (пресс-релиз). Архивировано из оригинала 24 апреля 2016 года . Проверено 18 января 2013 г. - через SEC.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]