桥梁用钢的性质要求与发展现况
橋梁用鋼的性質要求與發展現況
2009-11-24 23:14:34 作者：okok来源：浏览次数：529 网友评论0 条橋梁用鋼的性質要求與發展現況
橋梁用鋼的性質要求與發展現況
【2008-07-01 / 黃慶淵張耀南王璽貴楊正生】
一、前言: 橋梁(樑)是人類建築史上最偉大的發明之一，也對今日的文明產生巨大的貢獻。從最早期人類以伐木跨越溪谷，到現在跨距動輒超越1000公尺橫越海峽的大橋已經於世界各地建造，藉由橋梁(樑)連結可縮短兩岸彼此之間往返的距離，是繁榮經濟的重要媒介。而且現今的橋梁更往往成為空間的藝術品，例如聞名遐邇的美國舊金山金門大橋、澳大利亞雪梨港橋、日本明石海峽大橋等等均成為當地重要之地標，因此21世紀的許多重要的橋梁不再只是兩岸交通的管道，而已經成為一個國家建築工藝與工程技術的重要展示，因此橋梁結構設計除了安全的考量外，必將更加重視建築藝術造型，重視橋梁美學和景觀設計，重視環境保護，達到工程技術與人文環境景觀的完美結合。為了建造合乎空間美學與符合環保概念的橋梁，鋼鐵是橋梁最適合的建築材料。近代嘗試以鋼鐵建造橋梁啟始於18世紀，當時所使用的材料是鑄鐵，初期所使用的鑄鐵強度不高而且質脆，因此經過多次嘗試一直無法建造成功。直到1779的英國，成功的以鑄鐵建造跨距30公尺的拱橋(Coalbrookdale Bridge)，雖然當時的鑄鐵性質和現代鋼材比較，簡直有天壤之別，然而透過良好的結構設計，仍然可以建造堅固的橋梁，時至今日，當初所建造的鑄鐵拱橋目前還在使用，顯示鋼鐵是建築橋梁的適當材料。隨著煉鋼技術的進展，19世紀中平爐煉鋼法問世，鋼材進入大量製造的階段，1874年美國建造世界第一座大跨距鋼橋(Eads bridge)，跨越Mississipi河，鋼取代了鑄鐵成為建造鋼鐵橋的主要材料。20世紀鋼的強度、韌性與可加工性均獲得大幅的改善，因此使用鋼鐵來建造橋梁越來越頻繁，而且橋梁的跨距越來越大。和其他建造橋梁的材料比較起來，鋼鐵橋梁具備大跨距、相對質量輕、建造快、與回收容易等優點，不過鋼橋的建造與維護費用較高，卻常成為鋼橋被使用的障礙。由於橋梁的建造大部分是屬於公共工程，因此建造費用常成為選擇橋之建築材料與形式的重要考量，然而若考量整個橋梁的Life Cycle Cost，經過良好設計的鋼鐵材料將是不二的選擇。建造橋梁的鋼材是屬於建築結構用鋼的一環，不過基於橋梁建築結構設計與使用環境特殊考量，現代橋梁用鋼的性質要求會比一般結構用鋼多，橋梁用鋼一般需具備強度、韌性、銲接性、耐疲勞性與耐候等性質要求。尤其橋梁的設計使用年限愈來愈長，歐美與日本對於橋梁的建造材料的選用，從過去的單純考慮建造成本，到近10年來轉向考量橋梁的Life Cycle Cost，使得橋梁用鋼除了往更高強度(60公斤以上)發展外，目前更進展到高功能橋梁用鋼(High Performance steels for Bridge Construction)的開發，鋼材除了強度等機械性質之要求外，另外提高銲接效率及耐候(海邊耐鹽害)性的考量更是目前發展之趨勢，因此本文將針對橋梁之設計需求與Life Cycle Cost之觀點，闡述國內外橋梁用鋼的最新發展。二、鋼板的生產: 1.鋼板的生產流程: 鋼板是建造鋼構橋梁的主要材料。一貫作業煉鋼廠中鋼板的生產的生產流程包括煉鐵、煉鋼與軋鋼三大部分，其中煉鐵是於高爐中在高溫的環境下，藉由焦碳將氧化鐵還原成鐵水。剛出爐鐵水中的碳、磷、矽、硫等雜質偏高，還無法直接使用。鐵水還需經煉鋼作業，於轉爐中吹送氧氣，將鐵水中的雜質藉由氧化反應去除。在煉鋼作業中除了去除不必要的雜質外，並且添加優化材質的合金元素於鋼液中，使其合金組成達到設計之要求，調配好成份的鋼液經由連鑄轉換成固態的鋼胚。連鑄後的鋼胚送到鋼板廠進行熱軋延，鋼板工場之生產流程即以連鑄後的扁鋼胚為原料，扁鋼胚經過加熱爐加熱到高溫，經後續軋延、冷卻、整平、剪(焰)切甚至熱處理等製程後成為鋼板成品(如圖1)。
圖1 鋼板的生產流程 2. 鋼板製程發展歷程鋼鐵材料由高溫冷卻至常溫具備相變化之特性，隨著冶金原理的研究進展，目前鋼廠的研究人員已經可以藉由合金組成的調配與製程參數的調整，控制鋼材於軋延與冷卻過程的相變化行為，而得到所需要的顯微組織，並且達到鋼材的性質要求。因此鋼材的性質是由成份以及其生產製程所決定，圖2為鋼板生產製程的發展以及各製程下所能生產產品強度等級之示意圖，圖3為各軋延製程之流程與顯微組織對應關係示意圖。由圖2中可看出大約每隔十年即有一種新的鋼板生產製程發展出來，使得所能生產產品的強度等級不斷提升，而過去鋼材所無法達到工程上的特殊性質需求，皆因新製程的開發而
可獲得滿足。圖2 鋼板生產製程的發展示意圖
圖3 鋼板各種軋延製程流程示意圖以下就針對各軋延製程之特性加以說明：(1) 一般軋延(Normal Rolling)：1960年代以前，沒有微合金添加(Micro alloying)的理念，亦無控制軋延(Controlled Rolling)的技術，鋼胚經熱軋延的作用，僅在於將所要求之尺寸形狀以高溫變形方式產製出來而已。由於此軋延過程並沒有溶入太多顯微組織控制概念，所以此方法產製之鋼板晶粒較粗大，如圖4所示，此時鋼板的強度主要是依賴碳含量貢獻，故碳當量(Ceq)非常高，如果以此方法製造SM490 其Ceq將高達約0.5%，在此時代的鋼板並不適於銲接作業。
圖4. 一般軋延鋼板金相組織(SS400) (2) 正常化處理：1960年以後有了正常化處理(Normalizing)，即鋼板經熱軋延後，再加熱至約900℃的低溫沃斯田鐵化溫度區域，停留一段時間，再空冷下來，可藉低溫沃斯田鐵細晶到肥粒鐵的相變化，以得到較細晶粒的肥粒鐵，因而提高強度，如圖5所示，鋼板的強度提升已可藉由晶粒細化取代對碳含量的依賴，因此一般鋼材的Ceq可以下降，若以此方法生產SM490，其Ceq 由過去的0.5%降到約0.42%水準，此時鋼結構才能由鉚接的時代過渡到銲接時代，不過此方法需藉助另外的熱處理，其製造比較麻煩。
圖5 正常化鋼板金相組織(EH36N) (3) 控制軋延：1970年代又發展了微合金添加（如Nb、V、Ti......等）及溫度控制軋延(TCR，Temperature Control Rolling)的技術，控制軋延主要冶金目的是於軋延過程就將組織晶粒細化，而不必再依賴後來的熱處理，要達到此目的除了需嚴格控制軋延的溫度及軋延量之外，也需要利用鈮、鈦等微合金元素的添加來抑制再結晶及相變化時晶粒成長。以控制軋延產製50kgf/mm2等級鋼板，其Ceq可降低到0.38%左右的水準，可改善鋼板的銲接性，對於一般高強度等級(50公斤以下)的鋼板，目前控制軋延仍是最常用的軋延方法之一。以控制軋延鋼板之顯微組織如圖6所示。
圖6 控制軋延鋼板金相組織(A588) (4) 熱機控制軋延：1980年代日本NKK開發了鋼板線上加速冷卻系統(On-Line Accelerated Cooling System-OLAC)，生產
50kgf/mm2等級鋼板，Ceq更可降低到0.3%左右的水準。此生產製程通稱TMCP ，TMCP是
Thermo-Mechanical-Control-Prcocess 的縮寫，中文可翻譯成熱機處理，望文生義可知其是一種結合了機械軋延與熱處理於一體的鋼板生產製程。由圖3可知TMCP製程的軋延部份是採用前述的控制軋延，而完
軋後則是採用噴水的方式來加快鋼板的冷卻速率，並在中間溫度停止冷卻。此製程利用強制冷卻方式控制
完軋後鋼板中顯微組織相變化行為，使肥粒鐵晶粒進一步細化，如圖7所示。本製程於中間溫度停止加速冷卻則可避免鋼材被淬硬而失去韌性。TMCP製程若配合適當的合金設計，也可以得到變韌鐵等等過去必須藉由熱處理才能得到的顯微組織。由於TMCP主要是以製程來控制鋼材的顯微組織，達到強化材料的目的，因此其可以減少合金添加與碳含量，並生產出具高強度、高韌性、高銲接性之鋼板，此製程是目前高
等級鋼板所最最常採用的製程。圖7 TMCP鋼板金相組織(EH36) 三、橋梁用鋼板的機械性質的基本要求從過去到現在橋梁結構用鋼的最基本要求是機械性質。一般橋梁用鋼的機械性質要求主要是指強度、延性與韌性。以下就針對強度、延性與韌性之物理意義與量測方法簡略說明: 1.強度與延性: 所謂強度是指鋼材單位面積所能承載的外力，此性質通常以拉伸試驗來加以量測。對結構用鋼而言，經由拉伸試驗可得到三個鋼材的基本性質:降伏強度(Yield Strength)、抗拉強度(Tensile Strength)與伸長率(Elongation)。一般結構用鋼常以強度等級來加以區分命名，ASTM規範中通常以降伏強度作為命名之依據，而JIS則常以抗拉強度作為依據，例如ASTM A709橋梁用鋼的規範中Grade 36與Grade50，其中的36與50所指的是降伏強度36Ksi與50Ksi。JIS的規範橋梁用鋼被含蓋於結構用鋼中，在G3106與G3136中SM或SN後所接的數字，是鋼材抗拉強度的最低要求，例如SN490中之490指的是抗拉強度490MPa(ASTM中常以Ksi做為強度單位，JIS則以SI的MPa做為單位)。一般鋼板抗拉強度的決定是取拉伸試驗中工程應力應變曲線的最大應力值，一般而言，拉伸試驗中僅只有一個最大應力值，因此抗拉強度的量取是最簡易而可被大家所接受。不過鋼材的降伏強度會因其內部組織差異而有不同的降伏方式，因此依規範要求而有幾種不同的決定方式，如圖8所示，一是取降伏點(Yield point)；二是取0.2%off set，拉伸曲線為連續式無明顯降伏點之應力應變曲線，則常以此方式決定降伏強度；三是取0.5%應變的應力值，API管線用鋼常以此方式決定降伏強度。
圖8 工程拉伸應力應變曲線示意圖在鋼材的機械性質中，延性是指鋼板受力到破斷時的變形能力，一般鋼板可以拉伸試驗中的伸長率或斷面收縮率來表示，其中伸長率最常被用到。一般而言，強度與延性二者常是對立的，即強度升高，則延性下降，且加工性劣化。在鋼板規格中，一般規定有必須達到的強度及伸長率，以求鋼材品質之穩定，確保結構物之安全。而鋼板厚度愈大，強度愈不易保持，故規格上強度之規定常隨厚度而變，厚度愈大，強度略降，伸長率值則升高。經軋延過的鋼材必須特別注意的是其常存在有異方向性，例如經過控制軋延製程的鋼板，往往在平行於鋼板軋延的縱方向之延性優於垂直方向者，但此方向性對鋼板鋼材的強度影響不大。由於方向性對延性有不利影響，故在加工方面應儘量注意鋼板之方向性。在結構用鋼板的強度要求上，近年來為了整體結構的強度均勻性與耐震性之考量，在鋼板規範中，常會要求YS或TS的上下限與Y/T比(降伏強度與抗拉強度的比值)，例如ASTM A709 Gr.50S 與JIS SN 材等，其中JIS的規範一般會比ASTM嚴格，如SN材Y/T比要求必須小於80%，而A709 Gr.50S要求須低於85%即可，對於一般的鋼鐵材料而言，鋼板強度等級愈高，通常其Y/T比亦會隨之增加，不過隨著冶金技術改善與相變化知識的累積，目前高強度鋼材的Y/T比已經可以得到良好的控制。台灣和日本同樣位於地震帶，為了結構的耐震性質考量，窄限強度與低Y/T比之要求，是有其必要性。2.韌性: 在工程上，所謂〝韌性〞係指材料在塑性變形範圍內吸收能量的能力。若以圖9之應力－應變曲線（Stress－Strain Curve）來看，韌性可視為應力－應變曲線下之總面積，面積愈大者(結構用鋼)韌性愈佳，而總面積愈小者(高碳彈簧鋼)
韌性愈差。
圖9 高、低韌性材料之應力－應變曲線之比較對於鋼板的機械性質而言，韌性被視為材料阻止裂縫前進的能力，此性質可以用Charpy衝擊試驗加以量測。在衝擊試驗中，可以用量測試棒斷裂的吸收能或破斷面的韌斷比來評估材料之韌性。由於一般的結構用鋼在晶格上為體心立方結構(body center cubic--bcc)，此晶格結構於低溫時的塑性變形能力不佳，因此鋼鐵材料進行不同溫度的衝擊試驗時，常可發現在某個溫度以下，其衝擊值急遽下降，此溫度稱為鋼材的韌脆轉變溫度，此溫度對於鋼材的選用非常重要，尤其是橋梁用途，往往須考慮架橋當地之最低溫，以選用適當韌性之鋼材。唯此溫度標準之選定不易，須先從無數測試資料中找出以某種方法決定之轉移溫度與結構物實際運作情況之相關性後，方能有效決定。實用上，目前規範多以在某一指定溫度下須達到某一衝擊能量方式制定，例如JIS中結構用鋼均以0℃或-5℃為測試溫度。鋼板的韌性主要是受晶粒大小所控制，對於傳統以提高碳含量或添加合金來達成強化的鋼材而言，強度與韌性是對立，即鋼材強度增加則韌性即會下降，不過自從控制軋延與TMCP製程發展出來之後，目前已經可以經由晶粒細化的方法，來達到提高強度而不損及韌性的目的，或甚至經過良好的冶金設計可以同時提高材料的強度與韌性，因此才可能達到JIS中的SM570的強度與韌性之要求均比SM520與SM400高。熱軋延鋼材之韌性存在明顯的異方向性，不但平行軋延之縱方向與垂直之橫方向有差異，厚度方向之韌性更是相差懸殊。在規範中結構用鋼材在衝擊試驗量測要求之規定亦有所不同，通常美國之ASTM規範皆不列入必做之材料試驗項目，必須由買方自行提出請求；而JIS、BS、DIN等規範，則對韌性要求殷切之鋼種直接規定需衝擊試驗保證，例如JIS中SM或SN材均明確要求提供Charpy衝擊值，因此於選定鋼材規格時宜多加注意。四、國內橋梁用鋼的使用與生產概況鋼結構橋梁一般為公共工程，因此對於其所使用的鋼板均會有所限定，早期的橋梁鋼構大部分使用ASTM A572鋼材，而目前國內的鋼結構橋梁所使用的鋼板，一般均以ASTM A709橋梁結構用鋼規範為要求之標準，而最常使用的橋梁用鋼是Grade 50，如表1
所示。表1 近年來國內著名橋梁用鋼等國
內現在所使用的A709鋼板主要來自中鋼，中鋼目前可提供兩個強度等級共三種橋梁用鋼，分別為Grade36、Grade50、與Grade50W Type A，其成份與機性性質範圍如表2所示，其中Grade50W Type A 是與A588 Grade A相同等級的抗大氣腐蝕之耐候鋼，此種鋼材主要是添加Ni,Cu與Cr，藉由鋼中的合金元素於鋼材形成緻密的氧化鏽層，防止鋼材於一般大氣中繼續深入鏽蝕，Grade50W目前中鋼的供料厚度是6~55mm，而Grade 50的供料厚度是6~90㎜，近幾年由於橋梁鋼構的需求旺盛，A709鋼板的產量均超過10萬噸。表2 中鋼可供應A709橋梁用鋼之成份與機械性質
五、高強度橋梁用鋼之發展高強度鋼板的使用可以增加橋梁的跨距，減少橋墩數目，因而可以減少橋梁建造時間與降低建造成本。因此為了降低橋梁的建造成本與能源的損耗，橋梁用鋼隨著橋梁設計與建造之需要，一直往高強度等級發展，如表3所示[1]，在美國以超高強度鋼建造的橋梁越來越多，因此於A709中HPS 70W與HPS100W亦納入規範中[2]，而A709中較低強度等級的Gr36之使用愈來愈少。表3 世界著名橋梁的跨距與用鋼等級[1]
在日本最常用的高強度橋梁用鋼等級是SM570與SN490，日本各大鋼廠亦均有生產此類鋼板，同時日本各大鋼廠業已經開發強度等級要求更高的SA440(HT590)的結構用鋼材[5-7]。目前世界上所使用最高強度等級的橋梁用鋼是
800MPa，其實600~800MPa等超高強度等級的鋼板早在1960年代被開發出來，並被使用於日本橋梁的建設[3]，不過當時的超高強度的鋼板大部分採用Q&T製程，因鋼板碳當量高，因此銲接時必須預熱到100~120℃以避免銲裂，此種超高強度鋼板的使用受到很大限制。1992年一種新的低預熱HT780被開發出來[4]，此種採用DQ製程低碳(0.09%)添加硼的超高強度鋼板，其Ceq=0.46與Pcm=0.21，可將銲接前預熱溫度降至50℃，此鋼種被應用於世界最大懸索橋—明石海峽大橋(Akashi Kaiko Bridge)的建造，使用最高厚度約40㎜。800MPa超高等級的橋梁用鋼雖然已經早被開發出來，然而基於橋梁的挫曲與疲勞壽命的考量，橋梁用的鋼板也不可以因使用超高強度等級而無限減薄，因此50與60公斤級的鋼板，應該就足以因應現在一般陸地上公路橋梁的設計需求。在1990年以後強度已不再是橋梁用鋼發展的唯一考量，隨著鋼鐵冶煉技術的進步，以及鋼板生產的TMCP技術的趨於成熟，新一代具備多功能性的優質橋梁用鋼在歐美與日本逐漸被開發出來，並且已大量的應用於鋼構橋梁的建設。六、高功能(High performance)橋梁用鋼的發展高功能橋梁用鋼的開發是啟始於1994年美國國會成立一個促進委員會，推動美國高速公路管理局(American Highway Administration)、AISI、與美國海軍( U.S.Navy Carderock Division of Naval Surface Warfare，主要是藉重其於高強度船用鋼板的開發經驗)三個機關合作開發新一代的高功能橋梁用鋼(HPS) [8]，本開發案的目的在開發可用於橋梁建設且其降伏強度高於一般橋梁用鋼的350MPa，此鋼材不但需具備高強度，而且其韌性、耐候性與銲接性都要優於傳統之橋梁用鋼，更重要的是價格要合理，此種鋼材的使用可減輕鋼構橋梁的重量，並且延長鋼構之使用年限。因此HPS70W被開發出來取代原來70W(傳統70W的銲接程序繁瑣)，而新一代的HPS100W也在2003年開始在內布拉斯加州(Nebraska)試用[9]，目前HPS在美國的使用愈來愈頻繁，已經有179座橋使用HPS[10]，而這類新型的鋼材也被納入A709的規範，據估算在美國HPS的使用可以節省18%的建造成本以及減少28%的用鋼量[9]。而日本在TMCP開發成熟後也陸續開發出各式的高功能橋梁用鋼。以下就針對近代的高功能橋梁用鋼的特性與發展加以說明: 1. 高功能橋梁用鋼成分與製程設計: 高功能橋梁用鋼為了韌性與銲接性的考量，均趨向於低碳與低磷硫的合金設計，例如美國HPS70W之碳含量低於0.11%[8-9]，而日本各大鋼廠之SM570或SA440的碳含量均低於0.1%[5,6.10-14]，日本之JFE更發展超低碳變韌鐵(Ultra-Low-Carbon-Bainitic, ULCB)之高強度結構用鋼，其碳含量僅0.02%，其成份如表4所示[12,15]，此鋼種於日本已經有使用於橋梁建設的實績
[14]。表4 JFE發展之ULCB SM570成份[15]
ULCB合金系統係利用Mn-Nb-B等合金添加提高變韌鐵硬化能，以使鋼材於TMCP製程中產生晶粒尺寸僅1~2μm的低碳變韌肥粒鐵(bainitic ferrite)，如圖10~11所示，由於變韌肥粒鐵的細小晶粒與其中的高差排密度，使鋼材可以達到高強度，又因碳含量超低，因此具有良好的韌性，同時Pcm僅0.18，因此具備免預熱銲接之特性，此種以低碳配合合金添加以相變化強化鋼材的合金設計理念，並且把Pcm控制在小於0.2以下，以免除銲接預熱降低鋼構橋梁造價，是目前結構用鋼發展的重要趨勢。
圖10 中鋼開發之ULCB HT590顯微組織
圖11 ULCB HT590顯微組織的SEM觀察在國內中鋼於民國80年起亦開始發展超低碳變韌鐵系的高強度結構用鋼，並且已經90年展開厚板(50mm)現場試製與銲接評估。於橋梁用結構用鋼的合金設計中，通常會搭配添加Ni-Cu-Cr，Ni,Cr,Cu除了可以增加強度外，其更是為了耐候性質所常添加之元素，美國的HPS70W 亦添加這些元素，因此HPS70W亦具備耐大氣腐蝕之性質，其代號中之”W”是代表weathering的意思。除了成份設計往低碳發展外，於製程上逐漸往TMCP取代Q&T製程發展，在過去50公斤以上的鋼材必須採用Q&T製程，如圖2所示，然而Q&T製程的鋼板長度受到限制，而且其合金設計的碳當量偏高，如圖12所示，因此使用受到限制，隨著TMCP製程的發展成熟，以及設備冷卻與製程控制能力的提升，例如JFE 的Super-OLAC的開發與應用，目前60公斤級(SM570,SA440)的鋼板已經可以用TMCP製程製造，中鋼亦可以TMCP製程生產80mm厚的SM570鋼板，而美國也發展TMCP製程產製50mm厚的HPS70W，以TMCP產製高功能橋梁結構用鋼是目前國內外先進鋼廠首要選擇，而TMCP製程也大幅提升鋼板在鋼
構橋梁應用的深廣度。圖12 不同製程之強度範圍與Pcm關係圖[15] 2. 高功能橋梁用鋼強度與韌性: 在A709的規範中已經有HPS100W 的性質要求，在美國也已經有試用的實蹟[9]，而HPS70W的使用更加廣範，目前美國亦已經有超過170座以上橋梁的使用記錄，而日本SM570與SA440的使用也愈來愈多，如前所論述使用強度高的鋼板，在安全設計的範圍內可以減少鋼材的使用量，增加跨距減少橋墩數縮短施工期，因此在不損及鋼材的其他性質下，為了因應大跨距橋梁建造的需求，高功能性橋梁用鋼往高強度發展亦是一個重要趨勢。隨著新的冶金觀念的建立與新製程的開發，現代的高功能橋梁用鋼不但強度增加，而且低溫韌性也相對提高，如圖13所示[8]，美國HPS70W的CHARPY韌性會比傳統的50W好，韌脆轉變溫度更低，鋼材要達成如此優良的性質表現均必須藉由鋼材顯微組織的細化。
圖13 HPS70W與傳統50W的CHARPY衝擊韌性3. 高功能橋梁用鋼的銲接性: 對於銲接性質要求，美國與日本有部分的差異，美國地區因習用熱軋型鋼，其鋼材的銲接性僅以滿足工地施工之低入熱量銲接為主，因此鋼材規範相對較鬆，但會要求較嚴格的細部設計與銲接施工規定；日本則為能採行較高效率的銲接施工，而使用較嚴格之鋼材規範。國內因所使用構材以組合型鋼（以鋼板切割銲接）為主，其銲接製作等則主要參考日本，如果設計時使用美規鋼板而細部要求採習用的日本寬鬆施工習慣，則會得到不安全的組合結果，因此於橋梁鋼
構的銲接程序製定時，必須特別注意鋼板的銲接性質。現代的高功能結構用鋼於成份上是採低Ceq或Pcm 的設計，因此於銲接後熱影響區產生裂縫的敏感度低，而且其預熱溫度較低，日本採用ULCB合金設計的橋梁用鋼，其預熱溫度20℃[15]，在一般的狀況下等於是免預熱。而針對銲接對於材質的影響而言，目前日本一直在推動的高效率銲接，常會應用到大入量的銲接，高入熱量(High Heat Input) 銲接將會對熱影響區機械性質產生較大的衝擊。對於高入熱量銲接而言，其熱影響區最常面臨材質上的問題有兩個:一是粗晶區的脆性問題，另一是部分變態區與回火區的軟化問題，以下就針對此兩個問題的形成原因加以說明: (1)粗晶區的脆化: 粗晶區的Tp>1400℃，在如此高的溫度下，原來材料中析出物大部分均已經固溶，加上高入熱量銲接的熱大量湧入，使得沃斯田鐵晶粒得以快速成長，與銲道熔融線(Fusion line)相臨的幾顆晶粒往往會成長到>300μm，而且在隨後的冷卻相變化過程中，由於沃斯田鐵粗晶的緣故，使用費德曼肥粒鐵或上變韌鐵很容易生成。先前沃斯田鐵粗化與生成費德曼肥粒鐵或上變韌鐵均是使材料脆化之不良組織，而且於高入量銲接的粗晶區常常同時出現此兩種組織，而使得粗晶區的衝擊韌性嚴重劣化，尤其對低溫韌性的影響更大。(2)部分變態區與回火區的軟化: 高入量銲接熱影響區中回火區反應，是類似一般的回火反應，因高入量銲接的熱量充裕，其於高溫停留的時間較久，因此常常會面臨過度回火所造成的軟化問題。而部分變態區中會有部分母材中的組織會先變態成沃斯田鐵，而且一般先變態成沃斯田鐵的組織大部分是原先母材中的強化相(碳含量較高)，而且在隨後的冷卻過程中，因為其冷卻速率慢，因此會生成大量的肥粒鐵。於母材中未變態回沃斯田鐵的組織則經歷高溫回火的處理。因此於部分變態區中肥粒鐵的量增加，而且往往會有粗晶肥粒鐵的生成，因此其常常亦會面臨軟化之問題。熱影響區中所所產生的軟化問題如果太嚴重，將會成為拉伸時的斷裂起始點，而使得機性無法符合要求。高入熱量銲接所產生的熱影響區的材質問題，粗晶區的脆化是最難解決，不過歷經多年的努力，粗晶區的問題目前已經可以藉由冶金方法加以改善。在改善熱影響區的脆化問題上，除了於冶煉時必須採用低磷低硫的控制，同時還必須添加合金元素，藉由其產生穩定的析出物，以便於銲接時阻止晶粒過度粗化。目前日本在高入熱量鋼板的設計上，其避免熱影響區晶粒粗化的方法，更已經發展出控制夾雜物尺寸的煉鋼方法，藉由Ca,Ti,稀土元素與O,S形成穩定之細小夾雜物阻止晶界移動[16,17]，這些夾雜物相當穩定，往往鋼材已經熔化其還未固熔，因此其對熱影響區晶粒細化的效果良好。不過在煉鋼過程中，這些夾雜物的控制相當困難，若控制不當將造成反效果，而使母材的韌性急速惡化，因此一般鋼廠均不採用此種晶粒細化的方法。而在大入熱量銲接鋼板最常用的晶粒細化方法是藉由Ti的添加，Ti與N結合形成TiN來拉曳晶界的移動。在高功能橋梁用鋼的發展上，藉由適當的冶金控制，日本各大鋼廠均已開發出可承受大入熱量銲接之SA440C[5,6,18]。除了鋼板本身的可銲性的改善外，目前新的銲接方法陸續被開發出來，例如SEGARC銲接或高熔填銲接等，這些新的方法除了提高銲接效率，並且可以降低銲接入熱量，因此可減輕銲接對鋼材性質的衝擊。 4. 高功能橋梁用鋼耐震性: 1994年北嶺地震後，美國因既有鋼材過高的變異性導致韌性設計結果變異偏高，建議以具有降伏強度範圍限制及降伏比要求（≦0.85）的ASTM A992熱軋型鋼規範取代傳統使用於耐震結構之A36及
A572(Grade 50)鋼材，而目前的A709中50S亦有相同之要求；1995年阪神地震後，日本亦認定JIS之SS及SM鋼材規範無法適用於所有建築耐震構材，而由通產省公告取消SS及SM材適用範圍中的〝建築〞項目，並於鋼構規範中規定耐震構件須使用新推出之JIS G3136 SN系列材，SN材YS與TS有上下限之要求，而Y/T比要求<80%。整體而言，為了整體結構物之安全起見，鋼材之窄限強度與降伏比要求將是未來之發展趨勢。5. 高功能橋梁用鋼耐候性: 耐候鋼的研發起源於歐美，早在1900年，歐美的科學家就發現銅可以改善鋼材在大氣中的耐蝕性能；1911年左右，添加0.15～0.30% Cu之低合金鋼在美國被使用，就顯示其耐大氣腐蝕性能較一般碳鋼為佳；1916年，美國材料學會(ASTM)以26種不同之鋼材在工業、鄉村和海岸地區進行長時間之曝露試驗，確認添加Cu和P對抗大氣腐蝕有效；美鋼公司於三零年代首先開發出高抗拉強度含Cu耐候低合金鋼COR-TEN，並在六零年代首先不塗漆而直接用於建築和橋梁，如Deere Company辦公大樓，其鋼鐵結構之外部未塗油漆，經長久使用後，表面顯現出一層悅目的暗褐色鏽層，且不再繼續生鏽。從那時候起，無塗油漆耐候鋼便成功的使用在其他著名的建築物及工程構件上。其中應用最普遍的是高P、Cu加Cr、Ni的COR-TEN A系列，以及以Cu、Cr、Mn合金為主的COR-TEN B系列，耐候鋼的發展由美國逐漸擴充至世界各國，在歐洲、日本耐候鋼也得到廣泛應用。在A709規範中之HPS
鋼材均具備耐候性質，如HPS50W, HPS70W, HPS100W，這些鋼材在美國地區使用時，均可以免塗覆，如圖14所示，因此可以降低建造成本與維護費用。不過HPS之耐候等級應是與A588相當，僅是抗大氣腐蝕等級。
圖
14 HPS100W 耐候高功能結構用鋼所承製橋梁，位於內布拉斯加州，此橋梁無塗覆[9] 耐候鋼的使用方式有三種：(1)裸露使用，(2)塗漆使用，(3)鏽安定化處理使用。根據日本建設省土木研究所、鋼材俱樂部與日本橋梁建設協會三者的共同研究發現，一般抗大氣腐蝕耐候鋼需在鹽的落塵量小於
0.05mdd(mg.NaCl/dm2/day)才可以免塗覆，否則耐候鋼表面的鏽層還是會受到Cl-離子的滲入而繼續產生鏽。在日本的沿海地區與台灣的大部地區的Cl-超過0.05mdd，而且台灣還有下酸雨的現象，因此一般的抗大氣腐蝕耐候鋼如果沒有塗覆，還是會產生深入性的鏽蝕，不過其腐蝕速率還是會比一般非耐候鋼種慢，因此類似HPS或A588的鋼種經過塗覆使用，其維護的時間應該還是可以拉長，因此即使在>0.05mdd的地區使用經塗覆的耐候鋼對於延長橋梁的使用壽命還是有幫助。為了解決在>0.05mdd的地區使用免塗覆橋梁用鋼，日本各大鋼廠均進行新一代的海邊抗鹽害的橋梁用鋼的開發[19-22]，一般此種鋼材均採用添加高Ni的合金設計，其合金設計的理念是改變鋼材表面的酸鹼度，使Cl-被遮蔽於外層鏽皮，避免Cl-與Fe 直接接觸而產生深入鏽蝕，如圖15所示。根據文獻[22]的資料指出，使用一般免塗覆JIS SMA或添加高鎳的耐候鋼和一般須塗覆的鋼料比較，其Life Cycle Cost還是比較低，尤其時間愈久差距愈大，如圖16所示。因此免塗覆的橋梁用鋼之使用，雖然建造時鋼材的價格可能較昂貴，尤其目前的鎳價高漲，因此高鎳的鋼材可能更加昂貴，長期來看其應該還是划算。
圖15 海邊抗鹽害橋梁用鋼合金設計原理示意圖[21]
(a)SMA使用於小於0.05mdd的環境，(b)高鎳鋼材使用於大於0.05mdd的環境[22] 圖16 JIS SMA與高Ni耐候鋼與一般塗覆鋼材的Life Cycle Cost比較，不過耐候鋼之使用還是有其極限，均必須考慮環境狀況以選定適當之鋼材，例如新日鐵的高鎳耐候鋼可以免塗覆使用於1.3mdd環境[21]，如圖17所示；而JFE 採用Ni+Mo添加的合金設計[22]，以Mo取代部分Ni以降低成本，可以免塗覆使用於0.6mdd環境，如圖18所示；Kobe則採用Cu+Ni>2% +0.04% Ti 的合金設計，可以使用於0.3~0.8mdd的環境[19]。國內的耐候鋼，最早是中鋼公司生產的ASTM A588(相當COR-TEN B)，為了提高鋼材之耐候性，中鋼後來又開發了加磷的耐候鋼，其中ACR-TEN AP是鋼板材料，耐候鋼的機構探討與塗漆或鏽安定化處理之研究均已發表[23-30]，其結果也顯示耐候鋼的耐蝕性較碳鋼略佳，典型的實際大氣曝露試驗結果如圖19所示。由於台灣大多處於鹽害嚴重之區域，因此國內的中鋼也將進行抗鹽害橋梁用鋼之開發。
圖17 新日鐵耐候
鋼的腐蝕與時間圖[21]
圖18 JFE海邊抗鹽害橋梁用鋼(無塗覆)的使用實蹟(Shinkouji-oohashi bridge)[22]
圖19 中鋼ACR-TEN AP耐候鋼與A588耐候鋼及SS400碳鋼在中山大學之大氣曝露試驗結果七、結論現代鋼板的發展已經不侷限在單一性質的要求，尤其是橋梁用鋼和其他陸地上用的結構用鋼比較不一樣的是其常要外露使用，加上目前橋梁設計與建造時所評估的Life Cycle Cost，使得鋼板的高強度與銲接效率，以及影響將來維護費用的耐候性，都是橋梁用鋼的發展重點，因此結合多項良好性質的高功能橋梁用鋼因應而生。由於鋼材的某些性質在合金設計與製程上會彼此互相抵觸，因此高功能橋梁結構用鋼的設計與生產，對於鋼廠而言是一個嚴厲的挑戰，不過為了橋梁鋼構的品質、安全與環境保護的考量，鋼廠提供高功能橋梁用鋼是有其必要性，也是鋼廠的責任，而在國內橋梁的設計上，採用高功能結構用鋼以降低橋梁Life Cycle Cost，也應該是未來橋梁公共工程需特別重視的一個發展方向。