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(%)
鋼種記號	碳(C )	矽(Si)	錳(Mn)	磷(P)	硫(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