延性降低熱裂

延性降低熱裂主要發生於單一銲道的銲道金屬、或是單一銲道、

多重銲道、修補銲道的熱影響區，如圖2-24^[70]。此種裂縫發生於整體 固態線溫度下，因為在這種溫度時，金屬的延性較差。

圖 2-24 多重銲造成延性降低示意圖

延性降低熱裂所造成的裂縫是以沿晶方式破裂，而沒有前述之偏 析熱裂所擁有的晶界液態薄膜，延性降低熱裂與偏析熱裂可藉由圖 2-25^[70]做為區別之分，以T_S(固相線溫度)為界，在TS之上屬於凝固脆 性溫度區(Solidification brittleness temperature, BTR)，在此溫 度區所產

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生的熱裂縫屬於偏析熱裂，材料有較大的脆性溫度範圍，則發生凝固 裂縫的機率就愈高，因此一般以BTR的大小來評估凝固熱裂的敏感 性 ； 在 T_S及 Tm/2(Tm ： 材料 之 融 點 ) 之 間 屬 延 性降 低 溫 度 區 (Ductility-dip temperature range, DTR)，在此溫 度區所產生之熱裂縫屬 於延性降低熱裂縫。此種裂縫雖然發生於固相線溫度之下，但仍是以 沿晶方式破裂。

圖 2-25 延性降低熱裂與偏析熱裂之區分 2.6.2 熱裂縫產生之原因與改善方式

銲接熱裂縫主要可分為發生在銲接金屬和熱影響區兩種，而凝固 熱裂經常生於鑄造組織中，亦可在銲接之銲道發現^[72]。凝固熱裂通常 為沿晶裂縫。在凝固之最後階段，由於外加之負荷或銲接過程產生之 應力超過凝固材料之強度時，則產生裂縫。

2.6.2.1 銲接金屬凝固熱裂縫理論

凝固熱裂發生於銲道凝固過程接近完成時，又稱銲道熱裂(Weld metal hot cracking)。其發生的原因可歸納為：(a)在高溫下的凝固過程 中，材料的延性大幅降低；(b)在凝固過程中承受應力或應變的作用，

-41- theory)、液體填充裂縫理論(Liquid filled crack theory)，晶界滑移理論 (Grain boundary sliding theory)及臨界速率理論(Critical speed theory) 等。但最合理也為多數人接受的是綜合理論^[73]，基本上修正和擴充收 縮 - 脆 化 理 論^[74,75](Shrinkage-brittless theory) 與 應 變 理 論^[76](Strain theory) 並加入二面角(Dihedral angle)的影響因素而成，此由 Borland 在 1960 年代發展出的理論，將凝固過程分為四個階段，為瞭解凝固 熱裂縫理論形成，分別以收縮-脆化理論、應變理論、綜合理論為例，

進行下列敘述:

1. 收縮-脆化理論(Shrinkage-brittless theory)

在合金凝固的過程中， 在固相線附近有一材料弱化的溫度區，如 圖 2-26^[71,74,75]所示，圖中斜線範圍內即為脆化區(Brittle range)所 在，線段 ac 表示在凝固過程中，初晶開始互相接觸的溫 度，稱為

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圖 2-26 收縮-脆化理論之脆化範圍^[71,74,75]

2. 應變理論(Strain theory)

在凝固過程中各階段耐荷重破 裂的變形能力。當樹枝狀晶開始成長 的階段，材 料的強度，即其耐荷重的能力幾乎為零，但是至破裂為 止的變形能力最佳。其中，液膜存在的階段荷重能力最弱，且變形 能力也最差。因此，在凝固收縮的過程中，由於樹枝狀晶間的液膜 無法承受凝固時的收縮應 力，於是破裂都集中在此階段發生，且粒 界間薄膜存在的時間越久，越容 易發生破裂。例如在含有低熔點偏 析物的情況下這類的情況會變的更嚴重。

3. 綜合理論(Generalize theory)

Borland 在 1960 年提出綜合理論^[73](Generalized theory)來解釋凝固 過程中液相之金屬溶液與固相的固化晶粒之量與分佈對熱裂敏感 性的影響，Boland 將凝固熱裂之過程分為四個階段，如圖 2-27 所 示。

階段 1: 初期樹狀晶結構形成(Primary dendrite formation)凝固初始

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期，樹枝狀結構成核生長形成，大部份仍為熔融之液態可自由 地分佈在熔融金屬液中，不會造成收縮應力。

階段2:樹狀晶結構連結(Dendrite interlocking)，樹 狀晶凝聚生成，凝固 時開始出現收縮應力，但因殘留之液體仍可在樹狀晶間自由流 動，因此在收縮應 力作用下產生裂痕，在此階段，金屬液仍能 加以填充，而使其痊癒(Healed)。

階段3:晶界成長(Grain boundary development)，在此階段固態晶體陸續 形成樹狀晶緊密交錯(Interlocked)並發展成長出來，而形成半 連續網狀(Semi continuous network)固相結構，因而嚴格地限制 住殘留液相金屬的流動，若在此時受到超過臨界應變(Critical strain)的作用，如內部的冷凝收縮或外部的拘束力等，而產生 裂縫。因殘留液相金屬較少及受到拘束而無回補能力，故此裂 縫無法癒合。此階段稱為臨界凝固範圍(Critical solidification range,CSR)，是自連結溫度開始到完全凝固之溫度範圍。

階段4:完全凝固(Complete solidification)，剩餘之液態金屬完全凝固，

裂縫不會產生。

在第三階段臨界凝固範圍(Critical solidification range, CSR)是自 連結溫度開始到完全凝固之溫度範圍。存在一串連續的液態膜，膜間 被狹窄之已凝固固體連橋(Solid bridges)所分隔，這些窄橋必須承受冷 卻收縮之絕大部份應力，因此容易被破壞，相反的，固體連橋越多，

即代表液態金屬薄膜愈不連續，愈不易破壞及產生熱裂縫。而此階段 亦被稱為臨界凝固範圍，其凝固裂縫形成如圖 2-27 所示。若此臨界 凝固範圍愈大，則代表熱 裂敏感性(Hot cracking susceptibility)愈高，

亦即銲接金屬愈容易產生熱裂。而 Matsuda 在 1990 根據 Borland 理 論第三階段加以細分為裂紋增長開始及已增長結束而存在的裂紋，如

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圖 2-26。

圖2-26 熱裂縫綜合理論示意圖^[76]

圖 2-27 凝固熱裂縫示意圖^[76]

由此可知，固體 連橋之多寡與金屬液態薄膜的形式為熱裂發生的 主要因素。 金屬液態薄膜的分佈，主要是受到相界能(Interphase energy, γSL) 與晶界能(Grain boundary energy, γSS)之比值τ 所支配。其中τ 與 兩面角(Dihedral angle, θ) 的關係式如下所示：

cos 2 2

1 γ θ

τ = γ =

SS

SL ……… 公式 2-1

γ

SL: Interphase energy

γ

SS: Grain boundary energy

θ

: Angle between faces of grain of second phase

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由式(1)可知，當τ=0.5 時，θ=0∘，表示金屬液態薄膜完全覆蓋 整個晶界面，在此情況下銲接 金屬最易產生熱裂縫。而隨著τ 值的增 加，θ 值也會隨之增加，使得 金屬液態薄膜覆蓋的晶界面區域會越來 越少，甚至可能只侷限於晶 粒的某一角落(θ＞90∘)，故τ 值越大的銲 接金屬，越不會發生熱裂，圖2-28 為上述公式之示意說明^[71]。

圖2-28 τ 與θ 之關係及兩面角與晶界液態薄膜分佈之關係^[71]

裂縫敏感組織是銲道在快速凝固過程中，合金或雜質元素偏析所 造成。通常溶質元素會偏析至最後凝固的地方，也就是晶界。這些溶 質元素會壓低殘留金屬液體的凝固溫度，造成固、液共存的溫度範圍 比平衡凝固時大得多，因而提高材料的裂縫敏感性。

2.6.2.2 銲道金屬凝固熱裂影響因素

在銲道金屬熱裂縫產生方面，主要有下列因素與其密切關係:

1. 機械因素(Mechanical factors)^[77]:包括接頭設計(Joint design)、材料厚 度、銲道大小及形狀(Bead size and shape)與夾持(Fixturing)等，且鋁 合金具有高的熱膨脹係數及高的凝固體積收縮率，故有較高之熱裂 敏感性。

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2. 熱效應(Thermal effect):包括熱輸入與冷卻速率(Cooling rate)。

3. 冶金因素(Metallurgical factors)^[7378]:包括晶粒大小、偏析(Segregation) 與成份，可再以下列因素探討:

i. 凝固溫度範圍和低熔點偏析物或共晶相：由 Al-Si 合金熱裂發 現，影響鋁合金凝固熱裂的主要原因是由最高的凝聚溫度和固相 線之間溫度範圍決定之，如圖 2-29 所示。在液相線和最高的凝聚 溫度(Highest temperature of coherence)之間的結晶數量很少，熱裂 不致產生。但當溫度低於最高的凝聚溫度時，樹枝狀結晶交錯成 長，因此在凝固後若出現較大的收縮應力時，會產生熱裂。合金 中添加較多之合金元素會使凝固溫度範圍變寬。純鋁並不會產生 固化熱裂，因為它在晶界並沒有低熔點之共晶相產生造成凝固熱 裂。高合金含量或高共晶成份之鋁合金，因具有較多之共晶液態 相液體能夠回填初始裂縫之癒合，因此具有較低之熱裂敏感性凝 固溫度範圍^[79]。若合金組成介於純鋁與高合金含量兩者之間，共 晶液態相可以形成沿晶連續薄膜，則容易產生凝固熱裂。

圖 2-29 Al-Si 合金最高凝聚溫度相圖^[79]

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母材熱影響區裂縫源自於液化理論(Liquation theory)及析出理論

[80]。液化理論基本上係熱影響區之粗晶帶粒界中的低熔點化合物或共 晶的生成、成份偏析等受到銲接輸入熱量影響，於晶粒間產生部分熔 融之液態薄膜，並於冷卻過程中受到收縮應力而開口所產生的龜裂，

即是所謂的「液化裂縫」，如圖 2-30 所示者即是液化龜裂(Liquation crack)與低延性龜裂發生機構示意圖^[83]。其來源有

(1) 晶界的液化^[81]；

(2) 低熔點之偏析物(如含 Si, P, S 的偏析物)^[82]; (3) 從熔融金屬池中吸收；

(4) 夾渣(Inclusions)的液化。

液化裂縫是發生在熱影響區緊鄰銲道熔融區的邊界，此邊界區 域又稱為部分熔化區(Partially melted zone, PMZ)。此液化裂縫是由於

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在銲接過程，在此 PMZ 的區域內所經歷的熱循環峰值溫度較高，造 成在晶界處之低熔點共晶相或偏析組成物產生過熱而重新熔解液 化，形成沿晶液體薄膜(Liquid film)，在承受超過臨界的應力或應變 時，便造成沿晶裂縫的產生。因此，熱影響區熱裂縫生成之位置與多 寡和液態膜量、存在的時間與承受的應變關係很大。

液化裂縫和凝固裂縫發生的原因，都是液體薄膜(Liquid film)存 在於固體晶界，因此熱影響區熱裂之原理與銲道熱裂之原理相似，主 要的原因都是晶界液化再加上應力之作用而導致熱裂。但兩種最大的 差異在於液體薄膜的來源不同及微結構的不同。凝固裂縫的晶界液體 薄膜起源於凝固過程中溶質元素偏析至最後凝固的晶界間液體，造成 液體薄膜的凝固溫度遠低於固體晶粒。而液化裂縫的液體薄膜則來自 於銲接升溫的過程中。對微結構而言，凝固裂縫是從完全液體凝固而 產生，類似鑄造組織的熱裂，而液化裂縫則是 PMZ 晶界局部熔解而 產生。

圖 2- 30 液化裂縫與低延性裂縫示意圖^[83]

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再以析出物析出理論，來說明液化熱裂，如圖 2-31^[43]說明之。

在銲接過程，某一溫度條件下晶粒周緣的析出物往晶界聚集，晶粒周 緣處形成一窄且強度低的析出物缺乏區(Precipitate depleted zone)，由 於強度低無法承受因溫度下降所產生之收縮應力，因而產生裂縫。 化(Constitutional liquation)。

對鋁合金而言，液化熱裂較容易發生在含高合金成份的熱處理型

2.6.2.4 多邊形化理論(Polygonization theory)

此理論可同時解釋銲接金屬和熱影響區的熱裂縫。在稍低於實際 固化溫度時，由冷卻所引起應力，造成差排和空位的大量移動，而形

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成多邊化晶界，這些晶界與具有高偏析濃度地區之交叉點，極易形成 裂縫。本理論中所陳述的觀點與前面兩種理論在基本上有很大差異，

成多邊化晶界，這些晶界與具有高偏析濃度地區之交叉點，極易形成 裂縫。本理論中所陳述的觀點與前面兩種理論在基本上有很大差異，

在文檔中 航太用高強度鋁合金銲接熱裂性與異質銲接銲後熱處理之研究 (頁 59-0)