液体金属脆化

液体金属脆化（ LMEまたは液体金属誘起脆化とも呼ばれる）は、特定の延性 金属が特定の液体金属にさらされると 引張延性が著しく低下したり脆性破壊を起こしたりする実用上重要な現象である。一般に、脆化を誘発するには、外部から加えられた引張応力または内部に存在する引張応力が必要である。この規則の例外は、液体ガリウムの存在下でのアルミニウムの場合のように観察されている。^[1]この現象は 20 世紀初頭から研究されてきた。その現象的特徴の多くは知られており、それを説明するためにいくつかのメカニズムが提案されている。^{[2] [3]液体金属脆化の実用上の重要性は、いくつかの}鋼が溶融亜鉛めっき中またはその後の加工中に延性の低下と割れを経験するという観察によって明らかになっている。 ^[4]割れは壊滅的に発生する可能性があり、非常に高い割れ成長率が測定されている。^[5]

同様の金属脆化効果は固体状態でも観察され、金属の1つが融点に近づくと、例えば高温で動作するカドミウムコーティングされた部品などが観察されます。この現象は固体金属脆化として知られています。^[6]

液体金属脆化は、空気/真空試験で得られるものと比較して、液体金属の存在下で試験した場合の閾値応力強度、真破壊応力、または破壊ひずみの減少によって特徴付けられます。破壊ひずみの減少は一般に温度に依存し、試験温度が低下すると「延性谷」が観察されます。^[2]延性から脆性への遷移挙動は、多くの金属カップルでも示されます。応力-ひずみ曲線の弾性領域の形状は変化しませんが、塑性領域はLME中に変化する可能性があります。脆化する液体金属によって、固体金属に数センチメートル/秒から数メートル/秒まで変化する非常に高い亀裂伝播速度が誘発されます。通常、潜伏期間とゆっくりとした前臨界亀裂伝播段階が最終的な破壊に先行します。

LME を経験する固体と液体の金属の組み合わせには特異性があると考えられています。^{[7]脆化を引き起こすには、金属同士の相互}溶解度が限られている必要があります。溶解度が高すぎると鋭い亀裂の伝播が困難になりますが、溶解度がまったくない状態では固体表面が液体金属で濡れることがなくなり、LME が起こりません。固体金属表面に酸化物層が存在すると、2 つの金属間の良好な接触が妨げられ、LME が起こりません。固体金属と液体金属の化学組成は、脆化の程度に影響します。液体金属に第 3 の元素を追加すると、脆化が増減し、脆化が見られる温度領域が変わる可能性があります。金属間化合物を形成する金属の組み合わせは、LME を引き起こしません。LME カップルにはさまざまな種類があります。^[3]技術的に最も重要なのは、アルミニウム合金と鋼合金の LME です。

固体金属を合金化すると、その LME が変化します。合金元素の中には LME の深刻度を高めるものもあれば、LME を防ぐものもあります。合金元素の作用は、固体金属の粒界への偏析と粒界特性の変化であることが知られています。したがって、合金添加元素が固体金属の粒界を飽和させた場合に、最大の LME が見られます。^[2]固体金属の硬度と変形挙動は、LME に対する感受性に影響します。一般に、硬い金属ほど脆くなりやすいです。結晶粒径は LME に大きく影響します。粒子が大きい固体ほど脆くなりやすく、破壊応力は粒径の平方根に反比例して変化します。また、脆性から延性への遷移温度は、結晶粒径の増加によって上昇します。

固体金属と液体金属間の界面エネルギーと固体金属の粒界エネルギーはLMEに大きな影響を与えます。これらのエネルギーは金属カップルの化学組成に依存します。^[2]

温度、ひずみ速度、応力、試験前の液体金属への露出時間などの外部パラメータは、LME に影響します。温度は、固体金属に延性の谷と延性から脆性への遷移挙動を生み出します。谷の温度範囲と遷移温度は、液体金属と固体金属の組成、固体金属の構造、およびその他の実験パラメータによって変わります。延性の谷の下限は、通常、液体金属の融点と一致します。上限はひずみ速度に敏感です。温度は、 LME の動力学にも影響します。ひずみ速度が増加すると、上限温度と亀裂伝播速度が増加します。ほとんどの金属カップルでは、​​しきい値応力レベル以下では LME は発生しません。

試験には通常、引張試験片が使用されますが、破壊力学試験片を使用したより高度な試験も行われます。^{[8] [9] [10] [11]}

LMEについては多くの理論が提案されている。^[3]主なものは以下の通りである。

• ^{ロバートソン[12]}とグリクマン^[13]の溶解拡散モデルによれば、液体金属が固体金属に吸収されると溶解と内部拡散が誘発され、応力下ではこれらのプロセスが亀裂の核形成と伝播につながる。
• ^{ストロフとジョンソン[14]} 、ウェストウッドとカムダー^[15]の脆性破壊理論では、亀裂先端での液体金属原子の吸着が原子間結合を弱め、亀裂を伝播させると提唱されている。
• ゴードン^[16]は、液体金属原子の拡散浸透に基づいて、応力下で亀裂が成長して破壊を引き起こすというモデルを提唱した。
• ^{リンチ[17]}とポポビッチ^[18]の延性破壊モデルは、液体金属の吸着が原子結合の弱化と転位の核生成につながり、それが応力下で移動して蓄積し、固体を硬化させると予測した。また、溶解は応力下で成長し、延性破壊を引き起こす空隙の核生成を助けます。

ロバートソンを除くこれらのモデルはすべて^{[2] [12]、}固体金属の吸着誘起表面エネルギー低下の概念をLMEの中心的な原因として利用しており、多くの現象的観察を予測することに成功している。しかし、LMEの定量的な予測は依然として困難である。

脆化を引き起こす最も一般的な液体金属は水銀であり、石油貯留層における炭化水素の処理において一般的な汚染物質である。^[19]水銀の脆化効果は、紀元後78年頃に大プリニウスによって初めて認識された。 ^[20]水銀の流出は、特に航空機にとって重大な危険をもたらす。アルミニウム-亜鉛-マグネシウム-銅合金DTD 5050Bは特に影響を受けやすい。Al-Cu合金DTD 5020Aは影響を受けにくい。流出した元素水銀は、硝酸銀によって固定化され、比較的無害にすることができる。^[21]

2004年1月1日、サントスが運営する南オーストラリア州ムンバの天然ガス処理プラントで大規模な火災が発生した。火災の原因となったガス放出は、液体回収プラントの熱交換器（コールドボックス）入口ノズルの故障によって引き起こされた。入口ノズルの故障は、元素水銀によるトレインBのアルミニウムコールドボックスの液体金属脆化が原因であった。^[22]

ジョセフ・ファインダーの小説『キラー・インスティンクト』では、液体金属の脆化が中心的な役割を果たしている。

映画『ベイマックス』では、ジェネシス・ロドリゲスが声を担当したハニー・レモンが、研究室で液体金属脆化を利用しています。

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