結構鋼材衝擊試驗意義及試驗溫度之探討

陳正平　技師

鋼材雖具有高強度與甚佳之延展性，但仍無法避免應力集中所產生的疲勞裂縫，及阻止裂縫急速延伸的能力。為確保鋼材之韌性及抗疲勞性，並提高阻止裂縫急速延伸的能力，除從接頭及附加構件之接合細部設計上，須避免應力集中及降低載重所產生的最大及最小應力的差值(或應力幅stress range)外，鋼材之衝擊韌性(charpy　V-notch簡稱CVN)吸收能量值一般須達27J(焦耳)(2.8kgf-m)以上，才能有效阻止裂縫的急速延伸。衝擊值越高表示產生相同斷裂面所需的能量越高，衝擊值越高就越不容易產生不穩定的裂縫成長(或稱脆性斷裂)，因此對銲接瑕疵的容忍度也較高。Charpy衝擊值受測試時的溫度及加載速率(loading rate)的影響很大，測試時的溫度越低、加載速率越高，試驗所得之Charpy衝擊值越小〔衝擊試驗儀器見圖一(a)所示〕，衝擊試驗之試體為取長度55mm、高度與寬度各10mm之正方形斷面之長條狀標準試體(若由於材料本身因素，無法取得標準試片時，可採用7.5mmx5mm或2.5mm之小試片)，並於衝擊方向接觸部位之背面中央切削成V形或U形凹口形試片(開槽尺寸見圖三)，再用標準擊鎚以單擺自由落體模式由試體開槽面之背側將試體擊斷，再量測鎚球回升之高度來計算衝擊能量E(J｛kgf．m｝。計算式如下：

E = M(cosβ－cosα)－L

=W．r (cosβ－cosα)－L

式中，M：擊鎚旋轉軸之力矩(N．m｛kgf．m｝)；W：擊鎚質量之負載(N｛kgf｝；r：擊鎚旋轉軸中心至重心之距離(m)；α：擊鎚之衝擊角度；β：擊鎚擊斷試片後之揚升角度；L：擊鎚擺動中損失之能量(J｛kgf．m｝。

如果擊鎚回升到接近原來的高度，代表材料較脆性；如果擊鎚高度降低，則代表鋼材吸收了部份能量。其高差即為所吸收的能量〔鋼材衝擊試驗力學模式示意圖見圖二所示〕。衝擊試驗所吸收的能量愈大，則鋼材的韌性愈佳。〔試體試驗前見圖一(b)，試驗後見圖一(c)〕。選用結構鋼材時，一般應視結構體在使用情況下之最低溫度來決定Charpy衝擊試驗的溫度，但是Charpy衝擊試驗的加載速率遠高於結構體受力時之加載速率，因此Charpy衝擊試驗的溫度可以稍高於使用情況下之最低溫度，以補償加載速率不同所造成的差異。以日本JIS標準為例，日本的最低氣溫低於攝氏零度不少，但是日本規範卻規定鋼材Charpy衝擊試驗的測試溫度為攝氏零度。國內絕大部分的結構物使用的最低溫度約在攝氏10度，因此Charpy衝擊試驗的溫度可以採用比攝氏10度為高，但是目前中國國家標準(CNS)直接引用日本的規定，並未針對國內的實際情況調整，故偏保守。

(a)衝擊試驗儀器	(b)試體(試驗前) (c)試體(試驗後)
圖一　衝擊試驗儀器及試體

圖二　鋼材衝擊試驗力學模式示意圖〔8〕

圖三　衝擊試驗試體

一般情況為達到鋼材具較佳之韌性、抗疲勞性，以及阻止裂縫急速延伸的能力，鋼材在試驗溫度為0oC情况下之衝擊值，須在27J(焦耳)(2.8kgf-m)以上。中國國家標準CNS 13812　G3262-2003「建築結構用鋼」之SN B／C級鋼材、CNS 2947　G3057「銲接結構用鋼」之SM B／C級鋼材、及CNS 4269　G3099-02「耐候性銲接結構用鋼」之SM B／C級鋼材等均具有較嚴格之衝擊靭性規定。

【參考資料】

〔1〕「鋼鐵材料選用手冊」張錫綸，科技圖書股份有限份有限公司。

〔2〕「結構用鋼材之規格與性能手冊」中華民國鋼結構協會。

〔3〕「建築結構用鋼之特性及選用」陳茂松

〔4〕〝鋼結構設計手冊極限設計法〞陳正誠、陳正平，中華民國結構工程協會，民國92年10月。

〔5〕〝鋼結構設計手冊容許應力設計法〞陳正誠、陳正平，中華民國結構工程協會，民國92年2月。

〔6〕中國國家標準　CNS 13812　G3262-2003「建築結構用鋼」。

〔7〕日本規格協會　JIS　G3136–1994「建築結構用鋼」。

〔8〕〝鋼結構橋梁之品質檢驗〞陳純森，鋼結構會刋，中華民國鋼結構協會。

〔9〕中國國家標準　CNS 3033　G2022「金屬材料衝擊試驗試片」。

〔10〕中國國家標準　CNS 3034　G2023「金屬材料衝擊試驗法」。