簡介機械構造用碳鋼料

鋼鐵材料依加工方式,大略一般分為鑄造(castings)、鍛造(forgings)、軋延(rolled)及機械用的熱處理(heat treatment)等四種,其材質要求精準度,依序以熱處理之要求程度最高[1~4]。土木建築結構用的鋼料,以軋延鋼料為主;機械零件等,則以熱處理鋼或稱調質鋼為多。但土建用料,偶而仍會以機械等級之「機械構造用碳鋼料」(CNS 3828)來做使用[4]。

鋼鐵材料之熱處理,有以下的幾種方式:最傳統的鋼料生產方式,只是將鋼材在高溫成塑性狀態下,作軋延的動作,然後置於空氣中冷卻;如果要更佳的性質,再將鋼材進加熱爐,升溫至800℃左右,然後置於空氣中使其降溫,這動作稱為正常化處理(Normalizing);如果故意將鋼料升溫後,以緩慢的速度冷卻,可得材料柔軟的性質,稱之為退火(Annealing);升溫後立即以水或油,迅速冷卻的就是淬火處理了,將鋼鐵材料加熱至約900℃,然後迅速冷卻,這程序稱為淬火(Quenching);淬火後為改善太過強硬的性質,有時會再加熱至450℃~650℃後緩冷,稱之回火處理(Tempering),以改善其機械性質[5];至於在高溫下,將碳或氮氣滲入表面,使表面變硬的方式,則稱為滲碳或滲氮的表面處理。

「CNS3828機械構造用碳鋼料」,對於鋼種的表示方式,是以碳含量的中間值來表示的,其內容與JIS G4051[6]是一樣的。舉例如S35C,代表碳含量在0.32%~0.38%的鋼種(表1),只以碳含量來表示,應該是由於完全淬火的鋼材,其淬火硬度基本上只由其含碳量決定,與其他合金元素無關[6]。美國SAE或ASTM A29,則以四位數例如1035來表示;其中,前面兩個數字代表種類,10代表碳鋼;後面與CNS一樣,代表含碳量。歐規或ISO 683-1[8],則以C35表示之。

但是使用這種鋼料時,請注意中國國家標準CNS或美規,均未規定機械性質。因為就如JIS認為,這規範是用來規範一個材料,而這材料一般後續均會做熱處理的動作,而加工後的完成品,其物理性質受到加工方法的影響很大,這與設備以及技術有關,因此認為規定其強度,反而容易造成誤解的問題。至於若需規定鋼材強度,請參考歐規或ISO 683-1的規定[8]。ISO683-1的化學成分與強度規定,略如表2所示,由表2可知:其強度依其熱處理情形,分為正常化與淬火的強度而有不同。另外,厚度也會影響熱處理的成效,厚度或鋼棒的直徑越粗大,其強度也會降低。

在土木建築裡使用機械構造用碳鋼料,最廣泛的當屬鋼筋續接器了。鋼筋續接器採用適當直徑的鋼棒,經車削與熱處理加工後,再以摩擦銲接與鋼筋做連接。可是以強度來說,應該採用何種等級的材料呢?根據CNS 560[9]的規定,SD 420W的鋼筋其降伏強度在420~540N/mm2之間,而抗拉強度只規定須在550N/mm2以上。但,由於另外有拉降比的規定,也就是Fu/Fy需在1.25倍以上,因此保守起見,要考慮的鋼筋抗拉強度應為1.25×540=675 N/mm2以上。由於一般續接器的公頭與鋼筋粗細相同,因此參考表2,採用淬火處理時續接器,至少要採用S55C以上的鋼棒來製作;正常化處理的鋼棒不宜使用,或者考慮需使用直徑較鋼筋為大之鋼棒,來降低對材質之需求;否則,當鋼筋強度在接近標準上限時,就很有可能會發生如照片所示,在續接器破壞的情形。

雖然土木建築工程採用機械構造用碳鋼鋼料的情形不多,但在設計上採用該種材料時,務須註明其強度需求,以避免施工時無所依循的困擾。

參考文獻

﹝1﹞「一般用途之碳鋼鍛鋼鋼件」,CNS 2673。

﹝2﹞「碳鋼鑄鋼件」,CNS 2906,2017。

﹝3﹞「一般結構用軋鋼料」,CNS 2473,2014。

﹝4﹞「機械構造用碳鋼鋼料」,CNS 3828,2014。

﹝5﹞「鋼結構施工」,第二章,劉澤山,107年。

﹝6﹞「機械構造用炭素鋼鋼材」,JIS G 4051,2005。

﹝7﹞「機械構造用鋼的選擇及其熱處理」,山本勝太郎;吳裕慶譯。

﹝8﹞「HEAT-TREATABLE STEELS, ALLOY STEELS AND FREE-CUTTING STEELS -- PART 1: NON-ALLOY STEELS FOR
QUENCHING AND TEMPERING」ISO 683-1,2016.

﹝9﹞「鋼筋混凝土用鋼筋」,CNS 560,2018。

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照片1 續接器拉力試驗破壞

 

表1 CNS 3828機械構造用碳鋼鋼料的化學成分[5]

鋼種記號

化學成分(%)

(C )

(Si)

(Mn)

(P)

(S)

S10C

0.08~0.13

0.15~0.35

0.30~0.60

<0.030

<0.030

S12C

0.10~0.15

S15C

0.13~0.18

S17C

0.15~0.20

S20C

0.18~0.23

S22C

0.20~0.25

S25C

0.22~0.28

S28C

0.25~0.31

0.30~0.90

S30C

0.27~0.33

S33C

0.30~0.36

S35C

0.32~0.38

S38C

0.35~0.41

S40C

0.37~0.43

S43C

0.40~0.46

S45C

0.42~0.48

S48C

0.45~0.51

S50C

0.47~0.53

S53C

0.50~0.56

S55C

0.52~0.58

S58C

0.55~0.61

 

表2 ISO 683-1的相關性質(Table 9 &10摘錄)[8]

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