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7-1 金屬材料之基本性質 7-2 鐵金屬(Iron 7-3 非鐵金屬

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1 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

2 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

3 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

4 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)

5 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

6 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

7 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。

8 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

9 7.1 應力-應變關係 應變(mm/mm) 圖7-1 軟鋼之應力-應變圖

10 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:

11 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)

12 五、彈性模數

13 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。

14 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。

15 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。

16 7.2.1鐵之分類與製造

17 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

18 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。

19 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。

20 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。

21 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。

22 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

23 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。

24 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。

25 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。

26 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。

27 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。

28 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)

29 鋼製品 圖7-3 鋼製品

30 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

31 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。

32 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)

33 7.2.4鋼之性質 圖7-4 鋼含碳量對其力學性質之影響

34 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。

35 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。

36 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。

37 7.2.4鋼之性質-力學性質 圖7-5 鋼之典型應力-應變曲線

38 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。

39 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。

40 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

41 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。

42 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

43 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。

44 7.2.5結構型鋼 圖7-8 熱軋型鋼斷面

45 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。

46 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)。

47 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。

48 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。

49 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。

50 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。

51 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。

52 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)

53 鋼筋之種類 圖7-9 竹節鋼筋

54 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。

55 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。

56 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:
psi(300 MPa); 40(300)級 psi(350 MPa); 50(350)級 psi(400 MPa); 60(400)級 psi(500 MPa); 75(500)級

57 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

58 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)

59 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。

60 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。

61 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。
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)。

62 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

63 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。

64 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。

65 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

66 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。
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%。

67 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。
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。

68 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。

69 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。

70 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。

71 7.3.1銅及銅合金 圖7-13 屋頂金屬片止水板工法

72 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)。

73 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。

74 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。

75 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)

76 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。

77 7.3.2鋁及鋁合金 圖7-14 擠型結構鋁

78 7.3.2鋁及鋁合金 圖7-15 擠型製成的框架及門

79 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。

80 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。

81 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。

82 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。


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