7-1 金屬材料之基本性質 7-2 鐵金屬（Iron 7-3 非鐵金屬 第七章 金屬材料 7-1 金屬材料之基本性質 7-2 鐵金屬（Iron 7-3 非鐵金屬

第七章 金屬材料 高密度、高抗拉強度、高抗壓強度 大塑性變形能力 在空氣中會氧化腐蝕 良好的熱傳與導電性

第七章 金屬材料 營建工程上應用廣泛 以鋼鐵材料為主： 鋼筋、鋼結構、預力鋼腱等。 其他非鐵金屬： 銅、鋁、鋅等則常以合金方式使用

7.1金屬材料之基本性質 一、比重 二、熱膨脹係數 三、熱傳導係數及電傳導係數 四、應力－應變關係 五、彈性模數 六、硬度（Hardness）

一、比重 營建材料的金屬，比重範圍從鋁之2.69到鉛之11.34。 合金之比重ρX ： 式中：ρa，ρb：a，b兩成分之比重

二、熱膨脹係數 熔點高的金屬有較小的熱膨脹係數 熱膨脹係數會隨溫度而改變，常取某一溫度範圍內的平均值表示之

三、熱傳導係數及電傳導係數 鋼的熱傳導係數約為370 w/m°k ，而混凝土約為1.0 w/m°k，木材只有0.144 w/m°k 熱傳導係數κ為定值；電傳導係數C與絕對溫度T成反比。 κ/C‧T值對任何金屬在所有溫度下都保持一定，稱之為Rorents定數。

四、應力－應變關係（圖7-1） 降伏強度：應變由線性轉為非線性 （塑性）之應力點 不明顯的鋼材採0.002應變點 應變硬化 極限強度

7.1 應力－應變關係 應變（mm/mm） 圖7-1 軟鋼之應力－應變圖

五、彈性模數 彈性模數（modulus of elasticity）或 楊氏模數（Young’s modulus）之定義為應力與應變之比：

五、彈性模數 彈性限度（elastic limit）指應變呈彈性時的最高應力。 金屬及許多陶土材料的E值都大於7×105 kgf/cm2，大多數塑膠的E值在7×103 kgf/cm2範圍內。（表7-1）

五、彈性模數

六、硬度（Hardness） 將硬質鋼球或鑽石錐之類的堅硬物質壓入材料，以其變形量表示硬度。 其他試驗方法： Brinell硬度、Rockwell硬度、Vickers硬度、Shore硬度及Energy硬度 除鑄鐵類脆性材料外，富於韌性材料的抗拉強度與硬度間呈比例關係。

7.2鐵金屬（Iron） 西元前200～300年，人類已廣泛使用鋼鐵材料。 可用鋼鐵製造鋼鈑、鋼棒、角鋼、寬翼鈑樑、大型結構體、螺桿、螺栓、軸承、建築結構和其他營建製品。 鋼鐵是用途最廣泛的營建材料之一。

7.2.1鐵之分類與製造 碳含量對鐵金屬性質有重要的影響，含量愈高其硬度愈大。 一般鐵的碳含量為0.025％以下，鋼為0.025～1.5％，鑄鐵為2.0％以上。

7.2.1鐵之分類與製造

7.2.2 熟鐵與鑄鐵 熟鐵（wrought iron），含碳量最少 鋼（steel） 鐵製品 鑄鐵（cast iron），含碳量最高 含碳量增加會使鐵的熔點降低。 鋼含碳量的上限為1.7％；結構鋼的含碳量一般低於0.25%。 鐵製品

一、熟鐵 熟鐵可視為一種低含碳量的鋼（含碳量小於0.1％），含有少量的爐石熔渣，通常小於3％。 熟鐵的機械性質幾乎與純鐵相同，同樣是軟而具有延性的金屬，但其延展性仍稍低於鋼。

熟鐵也可以像鋼一樣冷作、鍛造和焊接。 熟鐵容易模鑄且有較佳的抗鏽蝕性，常使用在製作鐵管、浪形鐵板、鐵架、鐵棒、鏈條及其他製品。

二、鑄鐵 鑄鐵由生鐵於熔鐵爐內再加熱並與其他成分融合製造而成。 鑄鐵分成灰鑄鐵及白鑄鐵兩種。 碳的含量與型式會影響鑄鐵的強度、硬度、脆性與勁度 灰鑄鐵含有使金屬變弱和軟化的游離碳，是使用最廣泛的鑄鐵。

7.2.3鋼 鋼是以鐵為主要成分的一種合金，碳則是鐵以外最重要的成分，其含量範圍介於0.01～1.5％。 在鋼中以碳為主要合金元素者稱為碳鋼，其性質只依碳的含量而改變。

7.2.3鋼 低碳鋼（碳含量0.03～0.30％） 中碳鋼（碳含量0.35～0.55％） 高碳鋼（碳含量0.60～1.5％） 碳鋼

一、低碳鋼（low-carbon steel） 7.2.3鋼 一、低碳鋼（low-carbon steel） 低碳鋼又稱為軟鋼（mild steel），其含碳量一般為0.15～0.20％。 軟鋼較軟而具有顯著的延性，因此容易成型。軟鋼十分適合應用於營建工程上，產量甚大。

二、中碳鋼（medium-carbon steel） 7.2.3鋼 二、中碳鋼（medium-carbon steel） 中碳鋼常使用於各種機器的零件，如齒輪、機軸、銷等，這些機器零件需作硬化處理，即熱處理，使能抵抗磨損，因此需含有0.35％以上的碳含量。 中碳鋼在營建上的主要用途是混凝土用的鋼筋。

三、高碳鋼（high-carbon steel） 7.2.3鋼 三、高碳鋼（high-carbon steel） 高碳鋼就是工具鋼，可製成鑿、鑽、衝孔器、衝墊（底模）、鋸片等。

7.2.3.1鋼之製造 鋼的製造可用多種爐體，如氧氣轉化爐、平爐、電弧爐等，而以轉化爐最為普遍。 各種煉鋼爐冶煉所得熔液，在導流引出之際，可同時添加不同的合金元素，以調整其性質。 加錳可提供強度及韌性；矽則提供強度及硬度。

7.2.3.1鋼之製造 加入鉻和鎳可以產製不銹鋼 鎳也可以提供金屬韌性 鉻鋼則可有利於抗磨耗及耐衝擊 鉬可以改善抗拉及硬度性質 含有銅、鉻、鎳及矽的鋼可改善其抗腐蝕性 加入銅可提升抗拉性及硬度，但會降低延性。

7.2.3.2鋼製品 由熔爐煉出熔融鋼液，利用熔融的鋼料可鑄成不同寬度、長度和厚度的半成品。 鋼半成品有： （圖7-3） 鋼塊（bloom） 鋼鈑（slab） 鋼胚（billet）

7.2.3.2鋼製品 圖7-3 鋼製品

7.2.3.2鋼製品 萬能軋機用以輾軋寬翼緣型鋼，寬翼緣型鋼及H型鋼一般都是熱軋產品。 結構型鋼及H型柱鋼通常由結構與型鋼之軋鋼機產製。 標準軋鋼機利用再加熱的鋼胚或鋼錠，經由棍軸輾軋製造成不同形狀的型鋼。 平筒棍軸用在平鈑產品 溝槽棍軸適用於結構型鋼、圓形及方型鋼

7.2.3.2鋼製品 鋼筋由鋼胚熱軋而成 在鋼筋加工廠中，加溫爐將鋼胚加熱至輾軋溫度，而棍軸則由水平及垂直方向施加壓力，以產製成捲的鋼筋。 鋼線及鋼棒可依類似方式在軋鋼廠製造生產。

7.2.4鋼之性質 鋼的性質主要依碳含量而變化 鋼隨著含碳量的增加，其硬度、強度及抗磨性對應增強，但是延性、韌性及耐衝擊性則隨之降低。（圖7-4）

7.2.4鋼之性質 圖7-4 鋼含碳量對其力學性質之影響

7.2.4鋼之性質 鋼的抗拉強度和降伏強度在含碳量約為1％時具有最大值。 高強度低合金結構鋼（ASTM A572）的含碳量為0.2％時，抗拉強度為4100 kgf/cm2；當含碳量增為0.26％時，抗拉強度提升至5500 kgf/cm2。

7.2.4鋼之性質 影響鋼材特性主要的三項因素：化學成分、熱處理和機械加工。 鋼中碳與合金元素的含量會影響其物理特性，如可焊接性和鏽蝕性，及力學性質，如降伏強度、抗拉強度和延性。

7.2.4鋼之性質-力學性質 鋼受拉下之典型應力－應變曲線如圖7-5 所有普通軟鋼而言彈性模數約等於2.03×106 kgf/cm2 對鋼材的高溫或低溫加工，都會影響其應力－應變性質。 熱加工是在溫度稍高於變態溫度（溫度介於500～1200℃範圍內)，這種加工可使組織細緻化，且促進氣泡溶化，形成均勻材質。

7.2.4鋼之性質-力學性質 圖7-5 鋼之典型應力－應變曲線

7.2.4鋼之性質-力學性質 冷加工指溫度在變態溫度以下的加工，會使材料組織成為纖維狀，可以提高抗拉強度、降伏強度及硬度，但會降低伸長率和延性。

7.2.4鋼之性質-力學性質 鋼材在拉伸試驗中無明顯降伏現象者，其降伏強度可由應變對應的應力或利用平移量（offset）決定之。 平移法如圖7-6，是由規定的應變點，如0.002，畫一條與應力－應變曲線的初始直線段平行的直線，該平行線與應力－應變曲線交點所對應的應力即為降伏強度。

7.2.4鋼之性質-力學性質 圖7-6 由應力－應變曲線決定降伏強度

7.2.4鋼之性質-力學性質 高溫作用會影響鋼的性質，如圖7-7，其降伏強度隨溫度升高而降低。 在高溫的情況下（超過500℃），暴露於高溫下的鋼材，會發生嚴重剝落、凹陷和表面腐蝕；鋼構件若是暴露於劇烈火場一定時間，將會減損其承載能力。

7.2.4鋼之性質-力學性質 溫度[℉（℃）] 圖7-7 溫度對鋼材降伏強度之影響

7.2.5結構型鋼 結構型鋼指由鋼胚或鋼錠輾軋而成具有翼緣的型鋼，有多種形狀和等級，如圖7-8。 所有型鋼中，以W型鋼（即寬翼型）最為廣用，主要作為樑或柱之構件。

7.2.5結構型鋼 圖7-8 熱軋型鋼斷面

7.2.5結構型鋼 I型（S型）鋼是翼緣內側表面有大約16.7°斜度的雙對稱型鋼，其翼鈑寬度比W型鋼者小。 C型鋼（槽鋼）的翼緣內側表面與I型鋼相同，有大約16.7°斜度。 L型鋼是等邊或不等邊的角鋼。

7.2.5結構型鋼 結構鋼型號統一用一個字母及兩個被乘號分隔的數字來表示。 例如W8×67，其中字母（W）是識別型式，第一個數字（8）是以英吋為單位的斷面標稱深度，而第二個數字（67）則是每呎長度的重量（lb/ft）。

7.2.6結構鋼之等級 結構鋼，包括熱軋結構型鋼、鋼鈑及鋼棒，以七種等級產製：A36、A529、A441、A572、A242、A588及A514。 A36級鋼稱為結構碳鋼，是建築及橋樑工程上使用最廣泛的鋼材。 A529級鋼材也稱為結構碳鋼，須具有42 ksi（2940 kgf/cm2）的最小降伏強度。

7.2.6結構鋼之等級 441及572級鋼稱為高強度低合金結構鋼。 A242及A588級鋼都是具有抗鏽蝕的高強度低合金結構鋼。

7.2.6結構鋼之等級 合金鋼（alloy steel）：合金含量超過某一限值的鋼材，其性質會依所加合金而大幅改變。 結構物使用高強度鋼： 可以縮小構件斷面尺寸，而獲致經濟效益，這種優點對於連續性和複合結構中的拉力構件及樑件更為有利。

7.2.7鋼筋 鋼筋混凝土：將鋼筋與混凝土聯合使用成為複合材料，使混凝土承受壓應力而鋼筋承受拉應力，如此即可使梁的承載能力增加數十倍。 在長跨距的樑件或柱件中，通常都會配置壓力鋼筋以縮減斷面增加使用空間。

7.2.7鋼筋 熱軋產製的鋼筋表面的粗糙度或變形處理（即竹節筋），可增強其與混凝土間的握裹力。

7.2.7.1鋼筋之種類 鋼筋混凝土結構上的鋼筋，以三種型式製造： 1) 光面鋼筋（plain bars） 2) 竹節鋼筋（deformed bars）－圖7-9 3) 鋼絲網（wire fabric）

7.2.7.1鋼筋之種類 圖7-9 竹節鋼筋

7.2.7.1鋼筋之種類 竹節鋼筋的標稱直徑：等同於與每單位長度（如公尺）竹節鋼筋重量相等的光面鋼筋直徑。 代表竹節鋼筋尺寸的號數，指鋼筋標稱直徑依1/8吋為單元所計算的倍數。例如：＃3（3號）鋼筋的標稱直徑為3/8吋。

7.2.7.1鋼筋之種類 預力混凝土用的鋼腱有三種形式： 鋼纜（wire strand） 鋼線（single wire） 高強度鋼棒（high-strength bar） 鋼纜通常為七股式，即一條鋼線為中心另由六條鋼線以螺旋式緊密環繞而成。

7.2.7.2鋼筋之等級與強度 鋼筋的強度在評量上是以降伏強度為準 在美國，竹節或光面鋼筋以降伏強度來分等級，有下列四級： 1. 40000 psi（300 MPa）； 40（300）級 2. 50000 psi（350 MPa）； 50（350）級 3. 60000 psi（400 MPa）； 60（400）級 4. 75000 psi（500 MPa）； 75（500）級

7.2.7.2鋼筋之等級與強度 美國材料試驗協會（ASTM）將鋼筋分成四種類型： 1) ASTM A615 竹節和光面胚鋼筋

7.2.7.2鋼筋之等級與強度 中國國家標準CNS560（A2006）將鋼筋分成六種： 熱軋光面鋼筋兩種（SR24、SR30）， 熱軋竹節鋼筋四種（SD24、SD28、 SD42、SD50）

7.2.7.3鋼筋之尺寸 竹節鋼筋的表面有各種不同的凸紋形狀，其斷面直徑無法正確求得，對其尺寸是以號數標稱而不用直徑表示。 號數的設定是以1/8吋的直徑表示為1號，每增加1/8吋增加1號，亦即5號鋼筋的直徑約為5/8吋。

7.2.7.3鋼筋之尺寸 工程實務的應用上，一般構件常用的鋼筋為2號到11號，其中只有2號筋製造光面鋼筋，其餘都是竹節筋。 在大型構件，如橋墩、大柱等，才會採用14號及18號兩種重型鋼筋。 CNS未以號數標稱，而以直徑mm表示，如D25。大致上D13等於4號，D25等於8號。

對於鋼筋品質的評量，主要可從強度（降伏強度和抗拉強度）及伸長率兩項考量。 7.2.7.4鋼筋之應力－應變曲線、彈性模數及伸長率 對於鋼筋品質的評量，主要可從強度（降伏強度和抗拉強度）及伸長率兩項考量。 所有鋼筋（預力鋼筋除外）的彈性模數（ES）都相等，可取為ES值為2.03×106kgf/cm2(29,000,000 psi)。

7.2.7.4鋼筋之應力－應變曲線、彈性模數及伸長率 圖7-11 鋼筋之典型應力－應變曲線

7.2.7.4鋼筋之應力－應變曲線、彈性模數及伸長率 應變硬化（strain-hardening）：低碳鋼降伏曲線，開始時為一陡直的直線，之後經過一段降伏平台，在圖7-11中的水平部分，其應變會繼續增加，但應力卻保持不變。當應力再增加時，其應變也隨之增加，此現象稱為應變硬化。

7.2.7.4鋼筋之應力－應變曲線、彈性模數及伸長率 圖7-12所示為預力鋼纜及高強度合金鋼棒的應力－應變曲線，預力鋼纜或鋼棒並無一定的降伏水平線，即在降伏時，其應力並非常數。 預力鋼纜或鋼棒的降伏點不定，所以鋼纜及鋼線的降伏點定在總應變的1.0％點上，而高強度預力鋼筋的降伏點則定在固定應變的0.2％點（即0.2% off-set）。 預力鋼筋在降伏後會較快達到抗拉極限強度。

7.2.7.4鋼筋之應力－應變曲線、彈性模數及伸長率 圖7-12 預力鋼筋之典型應力－應變曲線

比較圖7-11與圖7-12上的鋼筋伸長率，各級普通鋼筋的極限伸長率至少達10％，40級鋼筋更可達20％以上。 7.2.7.4鋼筋之應力－應變曲線、彈性模數及伸長率 比較圖7-11與圖7-12上的鋼筋伸長率，各級普通鋼筋的極限伸長率至少達10％，40級鋼筋更可達20％以上。 各種預力鋼筋的伸長率則都低於5％。

伸長率的測定，對普通鋼筋，CNS的lO依不同試片而異，如2號試片取lO＝8D，3號試片取lO＝4D。 7.2.7.4鋼筋之應力－應變曲線、彈性模數及伸長率 伸長率的測定，對普通鋼筋，CNS的lO依不同試片而異，如2號試片取lO＝8D，3號試片取lO＝4D。 ASTM則統一取lO＝8吋。

7.2.8鋼絲網（Welded wire fabric） 鋼絲網是特殊型態的鋼筋，由細鋼線（光面或竹節鋼線）縱橫垂直編織，經焊接而成。 鋼絲網可應用在版、舖面、和其他表面的薄層混凝土結構上，可控制因混凝土乾縮、溫度與濕度變化、以及軟弱地層沈陷引起之裂縫的發生。

7.3非鐵金屬 7.3.1銅及銅合金 銅（Copper）及銅合金的強度和硬度都不如鋼，因具有吸引人的顏色，以及良好的抗腐蝕性、延展性、熱傳導性和導電性，因而被應用到建築上。 長期暴露在大氣中的銅，會受空氣、氯化物、鹽酸等風化成一種很有特色的綠色，這種顏色往往是建築師所最期望的。

7.3.1銅及銅合金 銅在營建上常以片狀方式使用，如屋頂的止水板，屋面片或房屋內、外部的裝飾銅件。 止水板的實際工法如圖7-13所示。

7.3.1銅及銅合金 圖7-13 屋頂金屬片止水板工法

7.3.1銅及銅合金 銅通常以黃銅礦、硫銅礦、或孔雀石等礦石方式存在。 銅與鋅的合金，稱為黃銅（brasses），有金色及黃色兩種。 銅與鋅以外的金屬，如錫、錳、鋁等製成的合金稱為青銅（bronzes）。

7.3.2鋁及鋁合金 鋁（Aluminuni）的礦石主要為水礬土礦，又稱鐵鋁氧石，主成分為Al2O3‧2H2O 鋁及其合金的比重大約為鋼的三分之一，輕是鋁用在營建上最重要的優點。

7.3.2鋁及鋁合金 鋁有極佳的耐腐蝕性，鋁在空氣中會在其表面形成一層氧化物（礬土）薄膜，可防護其內部免於腐蝕。 鋁和鋼或銅一樣，可製成多種合金以改善其性質。 鋁仍有缺點，如熱脹係數約為鋼的兩倍，彈性模數只為鋼的三分之一。

7.3.2鋁及鋁合金 營建上常用的鋁合金有兩大類，一種是平面及瓦楞（波狀）鋁片，用在屋頂、批水及隔間上，都需要具有良好的延性和抗蝕性。另一種是特種型鋁，用在窗挺、飾條、槽鋁、角鋁、及H型梁等。（圖7-14）

7.3.2鋁及鋁合金 建築物門框或窗戶框架的型鋁，如圖7-15，通常都要經過陽極處理。

7.3.2鋁及鋁合金 圖7-14 擠型結構鋁

7.3.2鋁及鋁合金 圖7-15 擠型製成的框架及門

7.3.3鎳及鎳合金 鎳（Nickel）的礦石有矽鎳礦和含鎳黃鐵礦，可用反射爐高溫氧化成氧化鎳，再利用高溫電爐以碳還原以得鎳。 鎳的延性及展性與鐵相近，但在空氣及濕氣中比鐵安定，不容易氧化生鏽，也不會被鹼侵蝕。 鎳的合金重要的有：鎳鋼、鎳銅合金、鎳鉻合金、不銹鋼、鎳鉻鋼等。

7.3.4鋅、鉛及錫 鋅（Zinc）由閃鋅礦及菱鋅礦以蒸餾法或電解法煉製。 鋅的用途最多的是作為鍍鋅鋼的覆膜，用以保護鋼免於空氣腐蝕。 鍍鋅鋼片有多種，大致分成熱浸型及電鍍法鍍膜兩類。

7.3.4鋅、鉛及錫 鉛（Lead）有天然礦石，如方鉛礦（PbS）、白鉛礦（PbCO3）、硫酸鉛礦（PbSO4）等。 鉛是一種柔軟且富於展延性的金屬，其抗拉強度則甚小，只有約200 kgf/cm2。 鉛常使用於水管、瓦斯管、酸類之槽等。

7.3.4鋅、鉛及錫 錫（Tin）由天然錫石（SnO3），以還原法煉製。 錫具有良好的腐蝕抗性，幾乎不受氧、二氧化碳、有機酸等的侵蝕，可製造薄箔、馬口鐵等遮覆材料。