第二章 理論與文獻回顧
2.6 熱裂縫
2.6.2 熱裂縫產生之原因與改善方式
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
-42-
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
-43-
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
-44-
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 energyγ
SS: Grain boundary energyθ
: Angle between faces of grain of second phase-45-
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。