結構用鋼材之規格與性能介紹

陳正平  技師

一、     前言

房屋、橋梁、廠房等建築之結構採用鋼結構越來越多，且隨著高層結構的增加，及結構跨度越來越大，高性能鋼材已經成為鋼結構應用的趨勢。且國內亦可大量生產建築結構用 SM570系列、SN系列、LYS系列及橋梁結構用 SBHS 系列等高性能鋼材。除高性能鋼材外，鋼結構桿件須依賴銲接或栓接才能接合，銲接之高入熱量會影響接合品質，另外銲接技術、銲接程序、桿件組合順序、接合型式及採用之鋼材材質種類等。均會影響鋼結構建築物之結構安全性，因此銲接材料及高強度螺栓等接合材料，對於鋼結構工程的安全影響至鉅，本文介紹建築結構用鋼材選用之考量要點，提供工程師們依功能需求，選用適當鋼結構工程所需之結構用之鋼材，以健全國內鋼結構產業的結構安全健全發展。不當之處亦請工程先進不吝指正。

二、結構用鋼材的機械性質

結構用鋼材的最基本要求是機械性質，機械性質的要求主要是指強度、延性與韌性；以下就針對強度、延性與韌性之物理意義介紹：

(一)強度與延性

所謂強度是指鋼材單位面積所能承載的外力，此性質通常以拉伸試驗決定，對結構用鋼而言，經由拉伸試驗可得到3種鋼材的基本性質，分別為降伏強度（Yield Strength）、抗拉強度（Tensile Strength）與伸長率（Elongation），其意義說明如下：

1. 降伏強度

降伏強度係指材料受拉力後，剛產生永久變形（或稱塑性變形）而無法彈回原位時之強度，接近產生永久變形的最小強度。鋼材的降伏強度會因其內部組織差異而有不同的降伏方式，因此，依規範要求而有幾種不同的決定方法，取其降伏點（Yield point）；取其應變曲線0.2 % 偏移值 (Offset)，拉伸曲線若為連續式無明顯降伏點之應力應變曲線，則常以此方式決定降伏強度；取0.5 % 應變的應力值，美國石油協會(API)管線用鋼常以此方式決定降伏強度。

2. 抗拉強度

抗拉強度為材料受拉力產生永久變形，可以承受最大強度，也可以說是拉力試片截面積產生頸縮斷裂之前的最大強度。一般鋼板抗拉強度的決定是取拉伸試驗中，應力-應變曲線的最大應力值。一般而言，拉伸試驗中僅有一個最大應力值，因此，抗拉強度的量是最簡易明確而可被大家所接受的數值。

3. 延性

延性為材料受力後產生變形斷裂之前的變形比率，一般而言鋼板可以拉伸試驗中的伸長率或斷面收縮率來表示，其中伸長率最常被用到。伸長率之量測是在拉伸試驗之試片上，先預先標記的兩個標點，此兩標點間之距離稱作標距長度（Gage Length），試驗過程標距長度會伸長，伸長率 =（拉斷後標距長度－拉斷前原標距長度）÷拉斷前原標距長度×100%。

在鋼材的機械性質中，強度與延性二者常是對立的，即強度升高，則延性下降，且加工性劣化。在鋼板規格中，一般規定有必須達到的強度及伸長率，以求鋼材品質之穩定，確保結構物之安全。而鋼板厚度愈大，軋延次數較少，強度較不易保持，故規格上強度之規定常隨厚度而變，厚度愈大，強度略降，伸長率值則升高。經軋延過的鋼材必須特別注意的是其常存在有異方向性，例如經過控制軋延製程的鋼板，往往在平行於鋼板軋延的縱方向之延性優於垂直方向者，但此方向性對鋼板鋼材的強度影響不大。由於方向性對延性有不利影響，故在加工方面應儘量注意鋼板之方向性。

在結構用鋼板的強度要求上，近年來為了整體結構的強度均勻性與耐震性之考量，在鋼板材料標準中，常會要求YS(降伏強度)或TS(抗拉強度)的上下限與Y/T比（降伏強度與抗拉強度的比值），對於一般的鋼鐵材料而言，鋼板強度等級愈高，通常其Y/T比亦會隨之增加，不過隨著冶金技術改善與金相變化知識的累積，目前高強度鋼材的Y/T比，已經可以得到良好的控制。台灣和日本同樣位於地震帶，基於結構物的耐震性能考量，窄限強度(調降伏強度之上、下限的規定，以控制鋼材降伏強度的變異性)與低Y/T比之要求，是有其必要性。

(二) 韌性

在工程上，所謂「韌性」係指材料在塑性變形範圍內吸收能量的能力。若以應力－應變曲線（Stress－Strain Curve）來看，韌性可視為應力－應變曲線下之總面積，面積愈大者（結構用鋼）韌性愈佳，而總面積愈小者（高碳彈簧鋼）韌性愈差。

對於鋼板的機械性質而言，韌性被視為材料阻止裂縫延伸的能力。鋼材韌性之評估，當試棒尺寸愈接近實體（尺寸愈大），試驗結果愈能代表鋼材之實際表現，然而試片愈大，取樣、加工與試驗之料、工、時及設備購置維修成本均會大幅增加，因此，實體尺寸必須予以實務上之平衡考量。實務上，結構用鋼板一般多係採衝擊速度固定、試片尺寸較小（即標準試棒斷面尺寸為10mm×10mm）之沙丕衝擊試驗法（Charpy Impact Test），此方法是用擺鎚以自由落體方式順圓周迴轉落下擊斷指定溫度之試片時，試片吸收的能量值（焦耳數），或試片的韌斷比（為擊斷後試片斷面上的韌斷面積與脆斷面積之比率，Shear Ratio %）作為指標，來比較評判鋼材之韌性表現，其值愈大者代表韌性愈佳。

由於衝擊試之錘衝擊速度、鋼材試體尺寸及試驗溫度，均會影響衝擊試驗值。鋼鐵材料進行不同溫度的衝擊試驗時，常可發現在某個溫度以下，其衝擊值急遽下降，此溫度稱為鋼材的韌脆轉變溫度，此溫度對於鋼材的選用非常重要，必須考慮鋼材使用環境之最低溫，以選用適當韌性之鋼材。惟此溫度標準之選定不易，須先從無數測試資料中找出以某種方法決定之轉移溫度與結構物實際運作情況之相關性後，方能有效決定。

熱軋延鋼材之韌性存在明顯的異方向性，不但平行軋延之縱方向與垂直之橫方向有差異，厚度方向之韌性更是相差懸殊。鋼板的韌性主要是受晶粒大小所控制，對於傳統以提高碳含量或添加合金來達成強化的鋼材而言，強度與韌性的性質是對立的，亦即鋼材強度增加則韌性即會下降，不過自從控制軋延與熱機處理 (TMCP，Thermo Mechanical ControlProcess)製程發展出來之後，目前已經可以經由晶粒細化的方法，來達到提高強度而不損及韌性的目的。

三、鋼材加工性質

1.彎曲性

通常規格要求的彎曲半徑，多隨強度等級的增加而加大。

2.銲接性

銲接為鋼板常用的組合加工方式，惟評估鋼料銲接性的方法甚多，簡便的可用碳當量（Ceq(%) or CE(%)）或冷裂敏感性（Pcm(%)）偏高與否判定銲接性。配合採用低氫素系銲接材料作業，注意構件拘束力、最低入熱量、預熱溫度等銲接條件的控制，均可減少銲裂機會。碳當量小於0.40%時銲接性良好；0.40%至0.5%時銲接性尚可；大於0.5%時銲接性較差建議銲接前預熱

在厚度方向（Z方向）有層狀撕裂顧慮的銲接板件，可考慮同時採用Z方向有延性保證值之鋼板、規劃適當的預熱及後熱範圍與銲接順序等，均可有效避免産生層狀撕裂現象。

3.預熱溫度之決定

熱影響區的冷裂是低入熱量（10 ~ 20KJ/cm）銲接時經常面臨的問題，為防止冷裂的發生，銲前預熱是常用且有效的方法。預熱可降低銲後之冷卻速率，使熱影響區之硬度降低外，也可使銲道中的氫氣往大氣中擴散，進而減低冷裂敏感性。預熱溫度之高低取決於鋼材之硬化能（化學成份）、銲道氫含量（銲材種類）及接頭之拘束度（板厚）等因素。關於預熱溫度之決定甚為煩瑣，實務上可參照「鋼結構施工規範（TlSC0031-2022）」第4.2.4節( 預熱溫度與道間溫度) 表4·2-2（預檢定最低預熱溫度與最低道間溫度）之規定，及鋼結構協會「結構用鋼材之規格與性能手冊（TlSC0032-2025）」。組成接頭之母材，其預熱或道間溫度不同時，須選用較高者。所採用預熱溫度與道間溫度，母材溫度低於0℃時，母材必須先預熱到至少21℃，在銲接進行中時，溫度至少需保持在21℃以上。施工規範所規定之預熱温度為最低值，若低於規定值時，須依銲接方法、銲接材料、鋼材成分及厚度為基礎，建立最小預熱及道間溫度之「銲接程序規範書(Prequalified Welding Procedure Specification, Prequalified WPS)」。對工件受拘束程度大、鋼材易龜裂、周圍空氣溫度及濕度大等因素，可依邊界束制條件調整預熱範圍及溫度。

碳當量Ceq(%)數值與對應之銲接預熱溫度，建議Ceq ＜0.46％時不需預熱；0.46％≦ Ceq ＜ 0.52％時預熱至75℃至100℃；0.52％ ≦ Ceq ＜ 0.62％時預熱至100℃至150℃。

四、 鋼材性質之耐震性能

1.     降伏強度上、下限

降伏強度上、下限的規定可以控制鋼材降伏強度的變異性。鋼材降伏強度變異性過大時會導致如下的顧慮：（1）強柱弱梁的設計理念無法落實；（2）三維構架在非彈性階段可能產生額外的地震力偏心或扭矩；（3）容量設計的理念無法落實。 

2.     降伏比

鋼材之降伏比為實測降伏強度與實測抗拉強度之比值。鋼材降伏比較低可使梁柱接頭的塑性鉸區增長，增加塑性轉角容量，提升梁柱接頭之延展性及消能容量。日本JIS規定降伏比不得大於0.8、美國ASTM則規定不得大於0.85。另一個影響梁柱接頭延展性及消能容量的重要因素為梁柱接頭型式，美國對梁柱接頭型式有明確的規定（如切削式或補強式梁柱接頭），鋼材降伏比則採用比日本稍微寬鬆的規定，不得大於0.85。

3.     Charpy衝擊值

Charpy衝擊值越高表示產生相同斷裂面所需的能量越高，Charpy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Charpy衝擊值越小。一般應視結構體在使用情況下之最低溫度來規定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加提升，補償加載速率不同所造成的差異。以日本為例，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比攝氏10度高，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，顯示此一標準下之裂縫延伸或斷裂具有一定之韌性，惟是否符合耐震韌性之需求仍與所使用之結構系統有關。

一般情況為達到鋼材具韌性、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0℃情况下之衝擊值，須在27J(焦耳)(2.8kgf-m)以上。依筆者所辦理之鋼結構火害鑑定經驗中，經歷約600~700℃之火害後之SN 490B鋼材試體，其在0℃情况下之衝擊值幾乎完全不受火害之影響；而ASTM　A36鋼材則未能符合規定。

4.     厚度方向斷面縮率

厚度方向斷面縮率指的是拉伸試片在受力、產生頸縮、斷裂後，斷裂面的斷面積縮率。斷面縮率越高表示鋼材厚度方向的延展性或韌性越高。梁柱接頭區柱翼板與梁翼板交接處，柱翼板在厚度方向承受由梁塑性鉸區傳遞過來的應力，這應力可能超過梁翼板的降伏強度而進入應變硬化階段。此外柱構材還要承受本身的軸向力以及彎矩，因此柱翼板在與梁翼板的交接處有很嚴重的應力集中現象，其中又以柱翼板厚度方向的應力最大。為調節這種局部區域的應力集中現象並避免導致脆性斷裂或層狀撕裂，柱翼板厚度方向需要具有良好的延展性或韌性。

5.     碳當量

若要使用經濟而方便的銲接方法進行鋼結構的銲接，母材的碳當量必須受到限制。碳當量主要在反應鋼材銲接後的冷裂敏感性，母材碳當量過高容易在銲接後的熱影響區產生脆硬的麻田散鐵，麻田散鐵很容易補捉氫原子，加上殘留應力的牽引，氫原子聚集形成氫分子(氫氣)進而構成裂縫，造成銲接缺陷。此種裂縫一般在銲道溫度下降至室溫後才產生，因此稱為冷裂；又這種裂縫肇因於氫的聚集，因此又稱為氫裂，此種缺陷往往在銲後一段時間才產生，所以又稱為延遲破裂(delayed fracture)。

6.     磷(Phosphorus)

結構鋼中磷的含量一般均保持在0.03%以下為宜，若超過0.04%則必須特別處理。其量之多寡影響鋼材機械性質如下：

(1) 磷有極佳的肥粒鐵強化(Ferrite Strengthening)效應，使鋼材之硬度及強度增加。但在延展性及韌性方面却相對不利。

(2) 適量的磷(如0.1%)有助鋼材之切削性及抗蝕性及耐磨性(Wear Resistance)，但因其偏析傾向極大，不易以熱處理消除，且和氧之親和力較強，不利於鋼之銲接性。

7.     硫(Sulphur))

硫在鋼中為有害元素，在煉鋼過程中無法完全去除。硫在結構鋼中的含量一般均保持在0.035%以下為宜，若超過0.05%則必須特別處理。在高級結構鋼中含硫量之規定有低於0.008%以下者。其量之多寡影響鋼材機械性質如下：

(1) 硫在鋼中有利於切削性(Machinability) ，在快削鋼中常用到。

(2) 硫為容易偏析元素，含量太高對鋼材的韌性有不利的影響。硫一般多以MnS存在於鋼材中，其中MnS則屬有害之夾雜物，MnS在鋼板軋延過程當中，會延軋延方向伸長成長條狀，因此對於鋼板機械性質之影響會有方向性。一般而言，軋延後之鋼板，鋼板的橫向延展性(Transverse Ductility)，和衝擊值(Notched　Impact　Value)受MnS危害較大，因而降低；但對縱向機械性質(Longitudinal　Mechanical　Properties)的影響則較輕微。如果鋼材中硫含量太高，則會形成FeS，FeS是低熔點夾雜物，當鋼材溫度高於985℃時，此低熔點夾雜物先熔融而形成晶粒間液態薄膜，以致造成熱脆性(Hot Shortness)。

(3) 随著含硫量增加，鋼材的銲接性(Weldability)會随著下降。

五、結語

建築結構桿件鋼材之選用依結構物重要性、使用年限、鋼材耐震性能參數、結構系統、施工工法及銲接程序等因素，以及前述選用原則來決定構件之鋼材規格。鋼材之使用，可參考表1選用適當的鋼材。由於結構物對材料之需求因結構物之不同而異，設計者應依結構之特性，選用適合的建築結構用鋼材。

表1建築結構用鋼材選用參考表[TlSC0032-2025]

備註：

a.        「○」表示可使用,惟設計者應考量材料取得之容易性及經濟性等因素,選用適當規格；「Δ」表示在符合註(c)~(e)條件下可使用;可使用；「X」表示不適合使用；「‒」表示無此產品。

b.        CSC SM570M -C HW是中國鋼鐵公司因應台北101大樓所開發的鋼板規格，其規格詳3.5節。

c.        此鋼材規格中未包含厚度方向斷面縮減率之規定，若欲使用於銲接組合H型鋼柱且鋼板厚度大於25 mm時，設計圖說應指定鋼板須經超音波檢驗合格，以避免鋼板夾層之影響。

d.        此鋼材規格中未包含降伏強度上限及降伏比之規定，若欲使用於有耐震需求之構材，設計圖說應指定降伏強度範圍及降伏比之要求。

此鋼材規格中未包含軋延方向衝擊值之規定，若欲使用於有耐震需求之構材，設計圖說應指定衝擊值要求。