stringtranslate.com

Охрупчивание жидкого металла

Охрупчивание жидкого металла (также известное как LME и охрупчивание, вызванное жидким металлом ) — это 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, для того, чтобы вызвать охрупчивание , необходимо растягивающее напряжение , либо приложенное извне, либо присутствующее внутри . Были отмечены исключения из этого правила, как в случае алюминия в присутствии жидкого галлия . [1] Это явление изучалось с начала 20-го века. Многие из его феноменологических характеристик известны, и было предложено несколько механизмов для его объяснения. [2] [3] Практическое значение охрупчивания жидкого металла раскрывается наблюдением, что некоторые стали испытывают потерю пластичности и растрескивание во время горячего цинкования или во время последующего изготовления. [4] Растрескивание может происходить катастрофически, и были измерены очень высокие скорости роста трещин. [5]

Подобные эффекты охрупчивания металла можно наблюдать даже в твердом состоянии, когда один из металлов приближается к точке плавления; например, детали, покрытые кадмием , работающие при высокой температуре. Это явление известно как охрупчивание твердого металла . [6]

Характеристики

Механическое поведение

Охрупчивание жидкого металла характеризуется снижением пороговой интенсивности напряжения, истинного напряжения разрушения или деформации до разрушения при испытании в присутствии жидких металлов по сравнению с полученными при испытаниях на воздухе/вакууме . Уменьшение деформации разрушения обычно зависит от температуры, и при снижении температуры испытания наблюдается «пластичный провал». [2] Поведение перехода от пластичности к хрупкости также демонстрируют многие пары металлов. Форма упругой области кривой напряжение-деформация не изменяется, но пластическая область может изменяться во время LME. Очень высокие скорости распространения трещин, варьирующиеся от нескольких сантиметров в секунду до нескольких метров в секунду, индуцируются в твердых металлах охрупчивающими жидкими металлами. Инкубационный период и медленная докритическая стадия распространения трещины обычно предшествуют окончательному разрушению.

Химия металлов

Считается, что существует специфика в комбинациях твердого тела и жидкого металла, испытывающих LME. [7] Для пары металлов, вызывающей охрупчивание , должны быть ограничены взаимные растворимости . Избыточная растворимость затрудняет распространение острых трещин, но никакое условие растворимости не препятствует смачиванию твердых поверхностей жидким металлом и не предотвращает LME. Наличие оксидного слоя на поверхности твердого металла также препятствует хорошему контакту между двумя металлами и останавливает LME. Химический состав твердого и жидкого металлов влияет на степень охрупчивания. Добавление третьих элементов к жидкому металлу может увеличить или уменьшить охрупчивание и изменить температурный диапазон, в котором наблюдается охрупчивание. Комбинации металлов, которые образуют интерметаллические соединения, не вызывают LME. Существует большое разнообразие пар LME. [3] Наиболее технологически важными являются LME алюминиевых и стальных сплавов.

Металлургия

Легирование твердого металла изменяет его LME. Некоторые легирующие элементы могут увеличивать его жесткость, в то время как другие могут предотвращать LME. Известно, что действие легирующего элемента заключается в сегрегации по границам зерен твердого металла и изменении свойств границ зерен. Соответственно, максимальный LME наблюдается в случаях, когда легирующие элементы насыщают границы зерен твердого металла. [2] Твердость и деформационное поведение твердого металла влияют на его восприимчивость к LME. Как правило, более твердые металлы сильнее охрупчиваются. Размер зерна сильно влияет на LME. Твердые тела с более крупными зернами сильнее охрупчиваются, а напряжение разрушения изменяется обратно пропорционально квадратному корню из диаметра зерна. Кроме того, температура перехода из хрупкого состояния в пластичное увеличивается с увеличением размера зерна.

Физико-химические свойства

Интерфейсная энергия между твердым и жидким металлами и энергия границ зерен твердого металла сильно влияют на LME. Эти энергии зависят от химического состава пары металлов. [2]

Параметры теста

Внешние параметры, такие как температура, скорость деформации, напряжение и время воздействия жидкого металла перед испытанием, влияют на LME. Температура создает провал пластичности и переход от пластичного состояния к хрупкому в твердом металле. Температурный диапазон провала, а также температура перехода изменяются в зависимости от состава жидкого и твердого 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 LME . Увеличение скорости деформации увеличивает верхнюю предельную температуру, а также скорость распространения трещин. В большинстве металлических пар LME не происходит ниже порогового уровня напряжения.

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

Механизмы

Было предложено много теорий относительно LME. [3] Основные из них перечислены ниже;

Все эти модели, за исключением модели Робертсона [2] [12], используют концепцию адсорбционно-индуцированного снижения поверхностной энергии твердого металла как центральной причины LME. Им удалось предсказать многие феноменологические наблюдения. Однако количественное предсказание LME все еще неуловимо.

Ртутное охрупчивание

Наиболее распространенным жидким металлом, вызывающим охрупчивание, является ртуть , поскольку она является распространенным загрязнителем при переработке углеводородов в нефтяных резервуарах . [19] Охрупчивающее действие ртути впервые было обнаружено Плинием Старшим около 78 г. н. э. [20] Разливы ртути представляют особенно значительную опасность для самолетов. Сплав алюминия, цинка, магния и меди DTD 5050B особенно восприимчив. Сплав Al-Cu DTD 5020A менее восприимчив. Разлитую элементарную ртуть можно иммобилизовать и сделать относительно безвредной с помощью нитрата серебра . [21]

1 января 2004 года на заводе по переработке природного газа в Мумбе (Южная Австралия), которым управляла компания Santos, произошел крупный пожар. Выброс газа, приведший к пожару, был вызван отказом входного сопла теплообменника (холодильного ящика) на заводе по рекуперации жидкостей. Отказ входного сопла был вызван охрупчиванием жидкого металла алюминиевого холодильного ящика линии B элементарной ртутью. [22]

Массовая культура

Хрупкость жидкого металла играет центральную роль в романе Джозефа Файндера «Инстинкт убийцы» .

В фильме «Город героев 6» Хани Лемон, озвученная Дженезис Родригес , использует в своей лаборатории жидкометаллическую хрупкость.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Хантингтон, АК (1914). «Обсуждение отчета в Комитете премии Бейлби». Журнал Института металлов . 11 (1). Лондон, Великобритания: Институт металлов : 108.
  2. ^ abcde Joseph, B.; Picat, M. & Barbier, F. (1999). «Охрупчивание жидких металлов: современная оценка». European Physical Journal Applied Physics . 5 (1): 19–31. Bibcode : 1999EPJAP...5...19J. doi : 10.1051/epjap:1999108.
  3. ^ abc Kolman, DG (2003). "Environmentally Induced Cracking, Liquid Metal Hardbittlement". В Cramer, Stephen D. & Covino, Bernard S. Jr. (ред.). ASM Handbook, том 13A, Corrosion: Fundamentals, Testing and Protection . Materials Park, OH: ASM International . стр. 381–392. ISBN 978-0-87170-705-5.
  4. ^ Камдар, МХ (1983). «Охрупчивание жидких металлов». Трактат по материаловедению и технологии . Том 25. Academic Press . С. 361–459.
  5. ^ Колман, Д. Г. и Чаваррия, Р. (2002). «Охрупчивание жидким металлом компактных образцов растяжения из алюминия 7075 и стали 4340 галлием». Журнал испытаний и оценки . 30 (5): 452–456. doi :10.1520/JTE12336J.
  6. ^ Колман, Д.Г. (2003), стр. 393-397.
  7. ^ Тематический доклад SC/T/04/02: Растрескивание оцинкованных стальных конструкций с помощью жидкого металла (Отчет). Постоянный комитет по безопасности конструкций. Июнь 2004 г.
  8. ^ Камдар, МХ (1984). Камдар, МХ (ред.). «Охрупчивание жидкими и твердыми металлами». Труды симпозиума . Уоррендейл, Пенсильвания: Металлургическое общество AIME: 149.
  9. ^ Бенсон, БА и Хогланд, РГ (1989). «Поведение роста трещин в высокопрочном алюминиевом сплаве во время LME галлием». Scripta Metallurgica . 23 (11): 1943. doi :10.1016/0036-9748(89)90487-0.
  10. ^ Каргол, JA и Олбрайт, DL (май 1975 г.). «Метод механики разрушения для определения сопротивления распространению трещин охрупченных алюминиевых бикристаллов». Журнал испытаний и оценки . 3 (3): 173. doi :10.1520/JTE10649J.
  11. ^ Колман, Д. Г. и Чаваррия, Р. (март 2004 г.). «Охрупчивание жидкометаллической нержавеющей стали типа 316L галлием по данным упругопластической механики разрушения». Коррозия . 60 (3): 254–261. doi :10.5006/1.3287729.
  12. ^ ab Robertson, WM (ноябрь 1966 г.). «Распространение трещины, заполненной жидким металлом». Труды Металлургического общества AIME . 236 (11): 1478.
  13. ^ Гликман, Э. Э. и Горюнов, Ю. В. (июль 1978 г.). «Механизм охрупчивания жидкими металлами и другие проявления эффекта Ребиндера в металлических системах». Советское материаловедение . 14 (4): 355–364. doi :10.1007/BF01154710.
  14. ^ Столофф, Н. С. и Джонстон, Т. Л. (1963). «Распространение трещин в среде жидкого металла». Acta Metallurgica . 11 (4): 251–256. doi :10.1016/0001-6160(63)90180-9.
  15. ^ Westwood, ARC & Kamdar, MH (1963). «Охрупчивание жидких металлов, в частности, монокристаллов цинка ртутью». Philosophical Magazine . 8 (89): 787–804. Bibcode : 1963PMag....8..787W. doi : 10.1080/14786436308213836.
  16. ^ Гордон, Пол и Ан, Генри Х. (март 1982 г.). «Механизмы зарождения и распространения трещин при охрупчивании металлов, вызванном металлом». Metall Mater Trans A. 13 ( 3): 457–472. Bibcode : 1982MTA....13..457G. doi : 10.1007/BF02643354.
  17. ^ Линч, СП (1988). «Растрескивание, вызванное воздействием окружающей среды: обзор доказательств процесса локализованного скольжения, вызванного адсорбцией». Acta Metallurgica . 36 (10): 2639–2661. doi :10.1016/0001-6160(88)90113-7.
  18. ^ Попович, В. В. и Дмуховская, И. Г. (1987). «Охрупчивание металлов и сплавов при их деформировании в контакте с легкоплавкими сплавами (Обзор зарубежной литературы)». Советское материаловедение . 23 (6): 535–544. doi :10.1007/BF01151882.
  19. ^ Кейс, Рэймундо; Макинтайр, Дейл Р. (14 марта 2010 г.). Ртутное жидкометаллическое охрупчивание сплавов для добычи и переработки нефти и газа.
  20. ↑ C. Plinius Secundus (1964) [78 г. н. э.]. Naturalis Historia [ История мира, или Естественная история ] (на латыни). Перевод Филемона Холланда. McGraw Hill.
  21. ^ Allsopp, HJ (31 января 1977 г.). Химическая обработка ртути, случайно пролитой в самолете (отчет). Royal Aircraft Establishment . Архивировано из оригинала 27 сентября 2007 г. – через DTIC .
  22. ^ "Moomba Plant Update". Сантос (пресс-релиз). Аделаида, Южная Австралия. 5 марта 2004 г. Архивировано из оригинала 16 февраля 2013 г. Получено 18 января 2013 г.Alt URL: Santos (5 марта 2004 г.). "Moomba Plant Update" (пресс-релиз). Архивировано из оригинала 24 апреля 2016 г. Получено 18 января 2013 г. – через SEC.