鋼鐵

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一、鋼鐵

鐵礦是世上產量最多的金屬礦石，其產品鋼鐵亦是今日社會使用量最大的金屬材料。鋼、鐵、鋼鐵，日常大家常分不清有何不同；譬如角鋼，角鐵。鐵線，鋼線。鐵枝(閩南語)，鋼筋。甚至連名叫唐榮鐵工廠的亦儘做些鋼構工作，叫鋼叫鐵似乎不必在意。其實鐵之產製就是將鐵礦(氧化鐵)還原為鐵，這其中是將鐵礦石加焦炭及石灰石，置於高爐中冶煉出生鐵(Pig Iron)，可用於鐵鑄件或鋼之原料。若將生鐵加以氧化，大量除去雜質即為熟鐵(Wrought Iron)，富延性，早期曾廣為使用，今日除作為錨鍊外鮮有使用，故稱鍊鐵。若將生鐵置於熔鐵爐中調質熔煉即得鑄鐵(Cast Iron)，其成本低廉，堅硬耐磨易加工，不易腐蝕，廣用於各種鑄件如溝蓋、人孔蓋、止滑條、柵欄、排水管等(請注意有些人認為鑄鋼強度大該用鑄鋼，這可不一定，應該適材適用，何況鑄鐵粒子粗不打滑又更耐鏽蝕，合適又便宜)。若將生鐵置於轉爐吹煉，調控其含碳量而成為鋼(Steel)，鋼的抗拉強度、硬度等隨含碳量之增加而增加，但其延展性反而減少。若在鋼料中加入一些像鉻、鎳等特殊元素，又可改變鋼的強度及特性而成為特種鋼，如高強度鋼及合金鋼、不鏽鋼等具特殊用途之鋼料。簡言之是鋼是鐵最大的分野在含碳量，一般來說含碳量在2%以下是鋼(自低碳鋼之0.08%至高碳鋼之2%)，含碳量在2%至4%者為鐵，鐵之重量為7.25噸/立米，鋼之重量為7.85噸/立米。

有話說〝百煉成鋼〞，感謝冶金界的努力；透過退火、淬火、回火、酸洗、調質、熱軋、冷軋、鍛造、抽拉等等煉製技術，生產出許許多多不同的鋼料。但一般用於土建構造的鋼料，最主要的為碳鋼及高強度低合金鋼。最常用的結構碳鋼如美規ASTM的A36(字首A為鐵金屬，字首B為非鐵金屬，A36是結構鋼，恰好其降伏強度為36 Ksi)、我國CNS的SS400(SS代表結構鋼，400代表抗拉強度400Mpa，此表示法同日本所用。中國大陸卻另有一套規定，如碳鋼以鋼類、爐種、脫氧程度之代號表示；如AY3為甲類、氧氣轉爐、3號鎮靜鋼)，此鋼材容易取得，工易性好。最常用的高強度低合金鋼如ASTM A572、A709、A588等，後兩種多用於橋梁，它兼具耐候性。

鋼的最大特性是強度大，拉伸性能高，韌性足，但亦要注意其脆裂性及疲勞強度問題。鋼作為建材簡言之有如下之優點：高強度、均一性、高彈性、耐久性、延展性、工易性、預製性、可塑性、回收性。其最大缺點為易鏽蝕、不耐火、易挫屈。

為應市場之需求，鋼鐵廠生產了各種各樣的鋼材產品，筆者為各位整理出一張常見主要鋼材表，列出主要型鋼之名稱、形狀及圖面表示方式供參考。現今燒焊很普遍，工字鋼可切成T型鋼，槽鋼或角鋼可焊成方鋼管，鋼板可組焊成管柱、箱型梁等各種形狀，真是隨心所欲無所不能了。

二、一些問題

選材：鋼材有千百種，挑選合宜的材料為首要考量，合宜當然要符合安全性及經濟性；安全必須恰如其份，過與不及都不好，適度的拿捏要靠經驗，經驗不夠者往往會造成浪費或延誤。選材用料要考量市場的供應，常用或有現貨的規格品當然比較便宜，特製品、進口貨當然貴而且花時間。同時亦要注意選材不可太雜，單純化對備料及製作反而是更經濟的，當然亦要考量到工程規模及市場環境了；總之要多問，多比較，不可馬虎。

圖樣：鋼構的特點之一是在工廠製作，正規的做法須有設計圖及施工圖(含組裝與材料表)，不可為省錢而忽視施工圖，有良好的施工圖才會做到物盡其用、施工順暢。材料的表示、施作的符號(如焊接)須按規矩不可亂用(台灣由於早先背景的不同，光鋼筋的表示方式就有三種，有時看到一圖三制，真會讓人抓狂)，應依常見主要鋼材表所示及相關規定辨理為宜。

釘栓：釘栓與焊接現今同為鋼構主要的接合方式，釘栓中的螺絲、螺栓、錨栓有人常弄混了或未正確使用。螺絲除用於木構造外，輕量鋼構常採用自攻螺絲，自己攻牙非常便捷。螺栓最為常用，有普通螺栓(M.B.即機製螺栓，常用A307鋼材)及強力螺栓(H.S.B.)，強力螺栓比普通螺栓貴很多，市面上有美規的A325、A490或日規的F8T、F10T，均有摩阻型接合及承壓型接合兩種，要注意用對種類及場合以免浪費。錨栓用於基礎，接合上下構用。通常用A36鋼材，要注意選用市場上有的尺寸規格，橋梁用錨栓較考究有特製產品。設計時用於短期應力之容許張力得提高1/3，但剪力不予提高。

不鏽鋼：台灣濕熱的環境鋼鐵很容易生鏽，自從能自產不鏽鋼後，不鏽鋼的應用日見普遍。其實不鏽鋼並非絕不生鏽，只是一種很耐銹蝕的合金鋼而己(腐蝕率小於0.01mm/年才是完全耐蝕)。早期不鏽鋼代號沿用日規SUS XXX (S為鋼鐵類US為不鏽)，今己通用美國鋼鐵學會AISI XXX代號。國內用於土建工程的不鏽鋼主要有兩大類；一為沃斯田鐵系，即AISI300系列，延性佳，易焊。廣用於建築裝潢，最常用的有304及316。316耐蝕性較強，宜於廁所、高鹽分的海邊採用，但價錢高出近倍。另一類為具磁性的肥粒鐵及麻田散鐵系，即AISI 400系列，耐蝕，韌性強廣用於刀叉及廚具等，如410及430。一般鋼材之焊接規範常用AWS D1.1，有人不鏽鋼亦用此規範那是不對的，該用AWS D1.6才對。室內用不鏽鋼表面處理，可有亮面、霧面及線紋面等方式。另有一種雙相不鏽鋼抗蝕性更好但更貴了。近年又開發了低降伏比鋼、狹降伏強度變異鋼、低降伏強度鋼等耐震鋼板，如中鋼的LYS100為極佳之制震鋼材。研究者甚至已研發出奈米鋼、奈米合金鋼等更強韌更耐蝕的鋼種。

塗裝：日前電視曾報導北市鋼橋鏽蝕問題，使筆者想起國外橋梁設有維修走道等設施，以利平日之維修保養。前己提及鋼鐵最怕鏽蝕，一旦生鏽就會逐漸腐爛而失去機能。因此防蝕塗裝是鋼構的一項重要工作，以延長壽齡。最常用的塗裝是油漆，再來是鍍鋅或塗以其他耐蝕被覆，或作電氣防蝕，或者乾脆改採耐蝕鋼材，目前輕量型鋼材都己有鍍鋅處理至為方便。塗裝工作一定要先做好表面處理才不會事倍功半。從前曾廣為使用的白鐵皮屋(牆)面，現今己代之有很多更好的薄鋼板建材；如鋁鋅、鉻鋅、鈦鋅等合金被覆鋼板，而且色彩豐富，甚至有包覆鋅、鈦等金屬或塗佈耐米材料，當然這必須準備大把銀子的了。

三、結語

近年來政府為落實生活環境永續發展的精神，更致力於推廣鋼構與綠建築。鋼構造污染少，資源回收性比RC好，在強調優質生活環境及環保優先的社會，強韌的鋼鐵更是適合多颱風地震的台灣。採用鋼構造可有效減輕建物自重，增加使用空間，減少基礎費用。又由於鋼材的均一性及可預製性，品質固定，工期縮短。更由於工藝的精進與電腦的使用，使鋼構的應用更可信賴，不過設計者切不可忽略構材之選擇及細節之重視。

材料科技日新月異，鋼鐵產品推陳出新，土木人對鋼鐵除要有基本的認識外，亦要不斷地吸收新知，請教各項實務專業，才能永續發展，自強不息。