結構用鋼材基本特性介紹

陳正平技師

前言

房屋、橋梁、廠房等建築之結構採用鋼結構的優點很多，但鋼結構桿件須依賴銲接才能接合，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。

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，一般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與量測方法說明如下。

(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來加以量測。對結構用鋼而言，經由拉伸試驗可得到3個鋼材的基本性質，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，近似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，如圖1所示，一是取降伏點（Yield point）；二是取應變曲線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；三是取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，工程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，在鋼板規範中，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，窄限強度與低Y/T比之要求，是有其必要性。

圖1 鋼材拉伸應力－應變曲線示意圖

(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。若以圖2之應力－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。

圖2  高、低韌性材料之應力－應變曲線之比較 

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。

由於試錘衝擊速度，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，強度與韌性是對立，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。

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（Pc.）偏高與否判定。而注意低氫系銲接作業、拘束力、最低入熱量、預熱溫度等銲接條件的控制，可減少銲裂機會。

在厚度方向（Z方向）有層狀撕裂顧慮的銲接板，可考慮採用Z方向有延性保證值之鋼板。

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」第4.2.4節( 預熱溫度與道間溫度)之規定。預熱溫度與道間溫度須符合表1之規定。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。表1之值為最低值，若低於表1之值時，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，但其銲接程序規範書(Prequalified Welding Procedure Specification, Prequalified WPS)必須依規範4.3節(規範書及資格檢定)進行檢定。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。

表1  預檢定預熱及道間溫度2 *

結語

 鋼材種類影響鋼結構之韌性行為及梁-柱接頭之銲接品質甚巨，進而會影響結構物之耐震性能及結構安全性。因此充分了解鋼材基本特性是選用適當鋼材之唯一準則。 

【參考資料】

[1]中華民國鋼結構協會，結構用鋼材之規格與性能手冊。

[2]營建署，結構施工規範。