液態金屬脆化

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液態金屬脆化（英語：Liquid Metal Embrittlement，LME)，也稱為液態金屬誘發脆化，是某些延展性金屬在暴露於特定液態金屬時會造成拉伸延展性的急劇變化或發生脆性斷裂的現象。一般來說，需要外部施加或本身存在一拉伸應力才會誘發使其脆化。但也有例外情況，例如鋁與液態鎵同時存在的情況下。 [1]目前已知許多現象，並且已經提出了幾種可能的機制來解釋它。 [2] [3]液態金屬脆化也曾用來解釋在觀察到幾種鋼在熱浸鍍鋅或後續製造過程中會發生損失延展性和開裂。 [4]且開裂以及高裂紋增長率可能會導致毀滅性的災難。[5]

當其中一種金屬接近其熔點時，即使在固態下也可以觀察到類似的金屬脆化效應；例如在高溫下工作的鍍鎘部件。這種現象被稱為固體金屬脆化。 [6]

特徵

機理特性

液態金屬脆化的特徵在於，與在空氣/真空中獲得的相比，在存在液態金屬的情況下進行測試時，閾值應力強度、真實斷裂應力或斷裂應變降低空氣/真空測試。斷裂應變的降低通常與溫度有關，隨着測試溫度的降低，會觀察到「延展性谷」。 [2]許多金屬對也表現出韌性到脆性的轉變行為。應力-應變曲線的彈性區域的形狀沒有改變，但塑性區域可能在 液態金屬脆化 過程中發生變化。脆化的液態金屬在固態金屬中引起非常高的裂紋擴展速率，從每秒幾厘米到每秒幾米不等。最終斷裂之前，會經歷潛伏期和緩慢的臨界前裂紋擴展階段。

金屬化學

據傳，經歷液態金屬脆化的固-液金屬組合具有特殊性。 [7]金屬對引起脆化的相互溶解度應該有限。過高的溶解度並不會引起急性裂紋擴展，但沒有任何一個溶解度可以防止液態金屬潤濕固體表面並防止液態金屬脆化。固體金屬表面存在氧化層也會妨礙兩種金屬之間的良好接觸並阻止液態金屬脆化。固態和液態金屬的化學成分會影響脆化的嚴重程度。向液態金屬中添加第三種元素可能會增加或減少脆化並改變出現脆化的溫度區域。形成金屬間化合物的金屬組合不會引起液態金屬脆化。目前已有各種各樣的液態金屬脆化組合。 [3]技術上來說，最重要的是鋁和鋼合金的液態金屬脆化。

冶金學

固體金屬的合金會改變液態金屬脆化。一些合金元素可能會增加強度，而其他元素可能會阻止液態金屬脆化。已知合金的作用是偏析到固體金屬的晶粒邊界和改變晶界特性。因此，在合金添加元素已經飽和固體金屬的晶界的情況下，可以看到最強的液態金屬脆化。 [2]固體金屬的硬度和變形行為影響其對液態金屬脆化的敏感性。一般來說，較硬的金屬會更嚴重地脆化。晶粒大小對液態金屬脆化影響很大。晶粒越大的固體脆化越嚴重，斷裂應力與晶粒直徑的平方根成反比。脆性到韌性的轉變溫度也隨着晶粒尺寸的增加而增加。

物理化學性質

固體和液體金屬之間的界面能和固體金屬的晶界能對液態金屬脆化影響很大。這些能量取決於金屬組合的化學成分。 [2]

測試指標

溫度、應變率、應力和暴露於液態金屬的時間等外部參數皆會影響 液態金屬脆化。溫度會在固體金屬中產生延展性槽和延展性到脆性的轉變行為。槽的溫度範圍以及轉變溫度由液態和固態金屬的組成、固態金屬的結構和其他實驗參數改變。延展性槽的下限一般與液態金屬的熔點重合。上限對應變率敏感。溫度也影響 液態金屬脆化 的動力學。應變速率的增加，增加了上限溫度以及裂紋擴展速率。在大多數金屬耦合中，液態金屬脆化 不會在閾值應力水平以下發生。

測試通常涉及拉伸試樣，但也使用斷裂力學試樣進行更複雜的測試。[8][9][10][11]

機制

目前已經有許多論文為 液態金屬脆化 提出了許多理論。 [3]下面列出了主要幾種：

  • Robertson [12]和 Glickman [13]的溶解-擴散模型表明，液態金屬在固態金屬上的吸收會引起溶解和向內擴散。在壓力下，這些過程會導致裂紋的成核及擴展。
  • Stoloff 和 Johnson [14] Westwood 和 Kamdar [15]的脆性斷裂理論提出液態金屬原子在裂紋尖端的吸附削弱了原子間的鍵，合併擴展了裂紋。
  • Gordon [16]假設了一個模型，該模型基於液態金屬原子的擴散-滲透使裂紋成核，裂紋在應力作用下擴展並導致失效。
  • Lynch [17]和 Popovich [18]的延展性失效模型預測，液態金屬的吸附會導致原子鍵的弱化和錯位的成核，並在應力下移動、堆積和施力硬化固體。溶解有助於空隙的成核，空隙在應力下生長並導致延展性破壞。

所有模型，除了 Robertson [2] [12]，都利用固體金屬的吸附誘導表面能降低的概念作為液態金屬脆化的主要原因。他們成功地預測了許多觀察結果。然而液態金屬脆化的定量預測仍然難以捉摸。

汞脆

汞為最常見導致脆化的液態金屬。大約公元 78 年，水銀的脆化作用首先被老普林尼發現。 [19]汞泄漏對飛機來說尤其危險。鋁鋅鎂銅合金 DTD 5050B 對其特別容易受到影響。鋁銅合金 DTD 5020A 則不太敏感。溢出的汞則可以用硝酸銀惰化，使其相對無害。 [20]

2004 年 1 月 1 日，由桑托斯有限公司經營的南澳大利亞蒙巴天然氣加工廠發生大火。導致火災的氣體泄漏是由液體回收裝置中的熱交換器（冰箱）入口噴嘴故障引起的。入口噴嘴失效是由於元素汞使B列鋁製冷箱的液態金屬脆化。 [21]

流行文化

液態金屬脆化在Joseph Finder的小說《殺手本能》中扮演着核心角色。

在電影大英雄天團中，由Genesis Rodriguez配音的哈妮蕾夢在她的實驗室中使用液態金屬脆化技術。

參照

參考資料

  1. ^ J. Huntington, Inst. Metals, 11 (1914), 108
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 B. Joseph, M. Picat, and F. Barbier, Eur. Phys. J. AP, 5 (1999), 19
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 D.G. Kolman, "Environmentally Induced Cracking, Liquid Metal Embrittlement" in "ASM Handbook, Volume 13A, Corrosion: Fundamentals, Testing and Protection", ASM International, Materials Park, OH, pp. 381-392 (2003).
  4. ^ M. H. Kamdar, Treatise on Material Science and Technology, Academic Press, Vol. 25 (1983), 361
  5. ^ D.G. Kolman and R. Chavarria, Journal of Testing and Evaluation, 30, (2002) 452.
  6. ^ D.G. Kolman, "Environmentally Induced Cracking, Solid Metal Embrittlement" in "ASM Handbook, Volume 13A, Corrosion: Fundamentals, Testing and Protection", ASM International, Materials Park, OH, pp. 393-397 (2003).
  7. ^ Liquid metal assisted cracking of galvanized steel work, Topic Paper, SC / T / 04 / 02, Standing Committee on Structural Safety, London, U. K. June 2004, website: www.scoss.org.uk
  8. ^ Kamdar, M. H., Embrittlement by Liquid and Solid Metals: Proceedings of the Symposium, M. H. Kamdar, Ed., Metallurgical Society of AIME, Warrendale, PA, 1984, p. 149.
  9. ^ Benson, B. A. and Hoagland, R. G., Scripta Metallurgica, 23 (1989) 1943.
  10. ^ Kargol, J. A. and Albright, D. L., Journal of Testing and Evaluation, 3 (1975) 173.
  11. ^ D.G. Kolman and R. Chavarria, Corrosion, 60 (2004) 254.
  12. ^ 12.0 12.1 W. M. Robertson, Trans. Met. Soc. AIME, 236 (1966), 1478
  13. ^ E. E. Glickman and Y. V. Goryunov, Sov. Mater. Sci., (1978), 355
  14. ^ N. S. Stoloff and T. L. Johnston, Acta Met., 11 (1963), 251
  15. ^ A. R. C. Westwood and M. H. Kamdar, Phil. Mag., 8 (1963), 787
  16. ^ P. Gordon and H. H. Ann, Met. Trans., A 13 (1982), 457
  17. ^ S. P. Lynch, Acta Met., 36 (1988), 2639
  18. ^ V. V. Popovich, and I. G. Dmukhovskaya, Sov. Mater. Sci., (1987), 535
  19. ^ Plinius Secundus, C. Naturalis Historia [The History of the World, or The Natural History]. Translated by Philemon Holland. McGraw Hill. 1964 [78 AD] （Latin）. 
  20. ^ A Chemical Treatment for Mercury Accidentally Spilled in Aircraft.. web.archive.org. 2007-09-27 [2023-02-01]. （原始內容存檔於2007-09-27）. 
  21. ^ Moomba Plant Update (新聞稿). Adelaide, South Australia: Santos. 2004-03-05 [2023-02-01]. （原始內容存檔於2013-02-16）.  Alt URL （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
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