Fragilización por Metales Líquidos | Causas, Prevención e Impacto

Fragilización por metales líquidos: aprende sus causas, cómo prevenirlo y su impacto en materiales y estructuras. Entiende este fenómeno en el campo de la física.

Fragilización por Metales Líquidos: Causas, Prevención e Impacto

La fragilización por metales líquidos (LME por sus siglas en inglés) es un fenómeno en el que ciertos metales, cuando están en contacto con un metal líquido a elevadas temperaturas, sufren una reducción significativa de su ductilidad y resistencia. Este problema puede causar fallos estructurales graves en componentes metálicos utilizados en diversas industrias, desde la automotriz hasta la aeroespacial.

Causas de la Fragilización por Metales Líquidos

La LME ocurre cuando un metal sólido está en contacto con un metal líquido que puede penetrar en sus granos cristalinos. Algunos de los mecanismos clave y factores que contribuyen a este fenómeno incluyen:

Difusión Intergranular: El metal líquido penetra en las fronteras de grano del metal sólido. Este proceso puede ser facilitado por la tensión superficial y la afinidad química entre los metales. La difusión intergranular reduce la cohesión entre los granos, provocando una disminución de la resistencia.

Reactividad Química: La afinidad química entre el metal líquido y el sólido juega un papel crucial. Por ejemplo, el zinc (Zn) puede fragilizar al acero si el acero está recubierto con zinc a altas temperaturas, como en el proceso de galvanizado.

Factores Temporales y de Temperatura: El contacto prolongado y las altas temperaturas aceleran la difusión del metal líquido en las fronteras de grano del sólido, intensificando los efectos de la fragilización.

Tensiones Mecánicas: Las tensiones internas o aplicadas pueden aumentar la susceptibilidad del material a la LME, ya que pueden abrir y facilitar las rutas de penetración del metal líquido en las fronteras de grano.

Teorías Utilizadas para Explicar la LME

Existen varias teorías que intentan explicar los mecanismos detrás de la LME. Las más aceptadas son:

Teoría de la Difusión: Esta teoría postula que la LME ocurre debido a la difusión del metal líquido a lo largo de las fronteras de grano del metal sólido. La ecuación de difusión de Fick se usa para modelar este proceso:

\[ J = -D \frac{\partial C}{\partial x} \]

donde:

• \( J \) es el flujo de difusión,
• \( D \) es el coeficiente de difusión, y
• \( \frac{\partial C}{\partial x} \) es el gradiente de concentración.

Teoría de la Humectación: Esta teoría sugiere que la LME ocurre cuando el metal líquido humedece suficientemente las fronteras de grano del metal sólido, reduciendo la cohesión granular. La energía de superficie y la tensión superficial juegan roles cruciales en este proceso.

Teoría de la Capilaridad: Esta teoría está basada en el principio de que el efecto capilar facilita la penetración del metal líquido en las microfisuras del metal sólido, exacerbando la fragilización. La ecuación modificada de Jurin se usa para describir este fenómeno:

\[ h = \frac{2 \gamma \cos \theta}{\rho g r} \]

donde:

• \( h \) es la altura capilar,
• \( \gamma \) es la tensión superficial del metal líquido,
• \( \theta \) es el ángulo de contacto,
• \( \rho \) es la densidad del líquido,
• \( g \) es la aceleración debida a la gravedad, y
• \( r \) es el radio del capilar.

Fórmulas y Modelos de LME

El estudio de la LME también involucra varios modelos matemáticos y fórmulas que ayudan a predecir y analizar este fenómeno. Algunos de estos modelos son:

Modelo de Griffith: Este modelo se usa para describir la propagación de grietas en materiales frágiles. La ecuación de energía de Griffith se puede aplicar para entender cómo una grieta nucleada puede propagarse debido a la penetración de un metal líquido:

\[ \gamma_s = \frac{K_{Ic}^2}{\pi E} \]

donde:

• \( \gamma_s \) es la energía superficial del material,
• \( K_{Ic} \) es la tenacidad a la fractura, y
• \( E \) es el módulo de Young del material.

Modelo de Arrhenius: Este modelo se utiliza para describir la tasa de difusión que es altamente dependiente de la temperatura:

\[ D = D_0 e^{-\frac{Q}{RT}} \]

donde:

• \( D \) es el coeficiente de difusión,
• \( D_0 \) es el coeficiente de difusión preexponencial,
• \( Q \) es la energía de activación,
• \( R \) es la constante de los gases, y
• \( T \) es la temperatura absoluta.