隨著社會的發展，建築物的使用用途也越來越複雜化，建築物火 災鑑定技術作為查明起火原因的一種重要科學技術，也越來越受到社 會各個領域的重視。尤其於近年來一般建築物或是工廠廠房發生重大 火災事件時有所聞，除了造成人員的傷亡外，對於結構安全性亦造成 無可避免的傷害。例如以鋼鐵為建物或結構體之結構材料時，當受到 火場高溫影響後，對於結構力學之強度影響，或者材料顯微組織之變 異程度，無法單獨藉由外觀檢視而正確判斷其受損程度。再者，一般 事業單位在尚未釐清結構體堪用性前，為了確保該結構體或設備整體 之完整性，往往無法取樣以獲得適當樣品於實驗室中進行相關試驗，
進而造成火損評估上的困難度。建築物火災鑑定技術是指公部門消防 機構為了解決專門性問題，委託或聘請具有專門知識和技能的人(包括 專家與學者)，對現場勘查中發現併收集各種痕跡物證進行技術鑑定而 導出公平及公正的結論，對查明建築物火災原因、起火點，以及延燒 過程，能找出一定的答案及規律。
非破壞檢測技術由於不須破壞結構件，即能了解工件品質之特 性，所以目前已有相關鋼結構之法規，說明鋼結構之鋼板與銲道檢測 方法及相關接受基準。但經資料蒐集與文獻回顧後，發現鋼結構建築 物受火害後之非破壞檢測評估研究較少，故本研究針對國內較常見之 建築結構用鋼板（ASTM A36），試驗經不同高溫加熱及冷卻方式後，
利用非破壞之金相複製技術，獲得其金相顯微組織，並比較高溫加熱 及冷卻後之機械性質與金相組織 (其中冷卻試驗分為自然緩冷與加水 冷卻)，以進一步了解鋼板受火害後之性質差異，同時提供業界研究與 參考，並作為火災調查鑑定之新技術，是建立完善建築防火工程的重 要一環。
第 一 節 概 述
一 、 金 相 顯 微 理 論光學顯微鏡學是使用光學顯微鏡來研究微結構，由於一開始是使 用此種技巧在金屬檢驗上，所以此種又被稱為金相學 (metallographic)。
首先，試片的表面必須經過研磨、拋光至光滑近似鏡面，砂紙用 來研磨，而粉末則用來拋光。接著，利用一種稱為浸蝕 (etching) 的化 學表面處理技術，以適當的化學藥劑進行表面處理來顯示微結構。
圖(a)當使用光學顯微鏡觀察 時可觀察到拋光及被腐蝕的 晶粒；
圖(b) 取自這些晶粒 的橫截 面，由於各晶粒結晶方向的不 同，因此顯示出腐蝕特性不同 及各晶粒所產生的不同表面 結構；
圖(c) 多晶黃銅試片的照片
圖 3-1 拋光及被腐蝕之晶粒示意圖
圖(a) 利用腐蝕所產生的晶 界 和 其 表 面 凹 溝 的 橫 截 面；同時亦顯示凹溝附近光 線的反射特徵。
圖 (b) 一 經 由 拋 光 且 腐 蝕 的鐵鉻合金多晶試片的照 片，其中晶界為暗處。
圖 3-2 腐蝕所產生之晶界及表面凹溝的横截面示意圖
金相分析實驗經拋光後，試片在顯微鏡下可觀察到夾雜物顆粒及 孔洞，主要是因為這些非金屬夾雜物的光學反射率與金屬基材差異很 大，而孔洞處的凹陷會造成光線反射的不平均，如圖 3-3 所示。因此，
在顯微鏡下觀察時，夾雜物與孔洞呈現暗色，而金屬基地則為亮色，
若拋光面上存在兩種不同的物相，如果兩相間的光學反射率差異很 大，也能產生足夠的對比將其分辨出來。
對於大部分的材料，由於拋光後的鏡面會使顯微鏡光源的入射光 線造成平行的反射，因此只能看到光亮的一邊，無法觀察到細部的組 織，將拋光面浸蝕處理後，顯微鏡組織內部的各細節，如不同的晶粒 方向、不同的相、相邊界、晶界、微觀偏析、差排等，會反映出不同 程度的腐蝕效應，則浸蝕的結果，將使鏡片拋光面，產生不平坦的地 形效果，藉著光線反射，將隱藏在內部的顯微組織完全顯現出來39。
圖 3-3 顯微鏡觀察下光線反射在不平均表面之示意圖 (資料來源：參考書目 38)
所以，本計畫將針對不同受熱條件的鋼板材料，於實驗室獲得其 金相顯微組織等特徵，如成分、比例等，再依照試體在不同加熱溫度、
加熱時間、冷卻方式、表面防火時效程度等條件，分別將其實驗結果 建立其資料庫，作為後續研究的基礎。
39朱世富，「材料科學與工程」，新文京開發出版股份有限公司，台灣，2002 年。
二 、 金 相 複 製 檢 測 流 程 及 技 術
金相複製技術是將大型、複雜、無法切割取樣觀察之試體，利用 印模複製技術，直接拓印欲檢測部位之表面形貌，以顯微鏡觀察組織 結構之材料分析檢測技術。金相檢測可看出物件組織及相形態，另可 檢視出碳化物及析出物尺寸及分布等資料，主要分為金相試片製備與 顯微鏡觀察兩部份。
金相製備目的是以研磨、拋光方式，去除試件表面不平整、氧化 現象或其它雜質附著，當表面達光滑平整後，以特定浸蝕液予以腐蝕，
以各組織對腐蝕程度差異所表現出不同特徵，再塗覆乙酸纖維素及複 製模拓印，最後利用顯微鏡放大倍率觀察判斷，以間接瞭解材料內部 組織，有關前述金相複製技術的相關實驗步驟，以及注意要項論述如 下：
1.將表面鏽皮去除，以砂輪片（砂紙）從粗到細（號碼從小到大），
依序研磨試片，研磨時注意每一道研磨工序需將前次研磨的痕跡 去除。
2.研磨完畢後，使用絨布毛輪沾上鑽石膏對試片進行拋光程序。
3.使用 4%硝酸對量測點腐蝕，時間約 5~10 秒。
4.使用酒精清除腐蝕液後，使用顯微鏡觀察腐蝕是否成功。
5.將複製膜以軟化劑滴入後貼於試片表面，靜置 10 分鐘左右取 下，以顯微鏡再次確認拓印是否成功。
由於，本計畫不論於室內實驗室或實際火災現場，均需運用金相 複製技術等相關儀器，以獲得不同受熱條件的鋼板材料，其金相顯微 組織照片，有關該技術所有相關該儀器設備照片與重要規格，如表 3-1 所述。
現場金相檢測不需取樣破壞工件，且可在工件上進行重覆性研 究，其檢測施做流程及說明，詳如圖 3-4 所示。
表 3-1 本計劃金相複製技術之相關儀器照片與重要規格對照表
(1)背膠砂紙φ32mm P180 (200張) (2)背膠砂紙φ32mm P400 (200張) (3)背膠砂紙φ32mm P800 (200張) (4)背膠砂紙φ32mm P1200 (200張)
粘貼
金相顯微 鏡組
(1)總合倍率可達 200 倍 (2)附光源及攜帶盒,轉接頭 (3)可直接將影像傳輸到電腦
(資料來源：本研究團隊/中龍鋼鐵冶金技術處)
圖 3-4 金相複製技術檢測施作流程及說明圖 (資料來源：本研究團隊/中龍鋼鐵冶金技術處)
第 二 節 火 害 後 鋼 板 金 相 複 製 與 抗 拉 實 驗 分 析 規 劃
本研究計畫擬以利用非破壞性的金相複製技術、鋼板抗拉試驗等 方法分析，針對鐵皮屋常用的鋼結構材料(A36)，進行 600、700、800、900、950、1,000 ℃的 6 種鋼板加熱溫度，採用不同冷卻方式，進行金
(1)針對 ASTM A36 鋼板，利用密閉式加熱爐，考量加熱 600、700、800、
900、950、1,000℃等 6 種溫度，歷時 60 分鐘等 1 種時間，以及自
另外，利用非破壞性的金相複製技術，在不用破壞前述鋼鐵材料 的燃燒殘跡之前提下，可於火災現場勘查的重要路徑上，將金屬類燃 燒殘跡的金相顯微組織，與實驗室對照條件下的組織特徵，予以分析 比對，則可獲知各取樣點，可能的受熱時間及最高受熱溫度。
本計畫擬與中龍鋼鐵股份有限公司冶金技術服務處合作，利用瓦 斯加熱器、密閉式加熱爐及電子溫控器等設備，於實驗室製作不同受 熱條件的鋼板材料，如圖 3-5 所示。圖 3-6 為現場金相複製製作情形圖。
(a)瓦斯加熱器 (b)4 孔加熱器噴嘴
(內部溫度可達 1,050℃)
(c)電子溫控器與感溫棒(一式 4 組) (d)密閉式加熱爐 (內部溫度可達 1,200℃)
圖 3-5 製作鋼板受熱之相關加熱設備照片圖 (資料來源：本研究整理)
鋼板加熱前之表面狀況 加熱鋼板取出狀況
將試片置入淬火槽 金相複製染劑及清潔用品
現場金相研磨機及研磨片
現場金相研磨情形
現場金相研磨情形 現場金相顯微鏡觀察情形
現場金相複製粘貼情形 現場金相複製粘貼製模情形
金相複製粘貼模片
現場金相複製觀察情形
圖 3-6 現場金相複製製作情形照片圖
(資料來源：本研究團隊/中龍鋼鐵冶金技術處)
第 三 節 火 害 後 鋼 板 金 相 複 製 與 抗 拉 實 驗 成 果 討 論
鋼材受熱達一定高溫時，火害溫度或冷卻方式將對鋼材的機械性 質造成不同程度的影響4。根據彭朋畿等人試驗研究結果，鋼板加熱至 800℃以上時已多轉變為沃斯田鐵相，經水冷後可得到變韌鐵及麻田散 鐵相，其細化組織可改變超音波之訊號，尤其是超音波之波速與衰減。而有關超音波探頭之選用，經試驗發現由於頻率較高之探頭在鋼材傳 導過程中衰減較大，故建議選擇較低頻之 2MHz 探頭，以利超音波檢 測法之評估。另 800℃以上之水冷試片部分組織，已轉為變韌鐵及麻田 散鐵相，故經拉伸試驗發現降伏強度及抗拉強度雖有增加趨勢，但伸 長率卻降低 (尤其是 1,000℃之水冷試片)5。
此外，根據蘇俊吉等人研究，現場金相複製技術，可檢測材料受 熱微結構的變化以及裂紋型態，同時可檢測早期的潛變損傷，整個金 相複製評估過程中，可運用相當多的技術，包括檢測、材料冶金和應 力及分析計算6。由前述可見，鋼材受熱後，材料性質受到高溫影響甚 大，應可於現場利用金相複製技術，進行非破壞性檢測作業，以瞭解 其微結構組織之變化。
一 、 鋼 板 的 加 熱 實 驗 分 析
針對鋼板放入已預熱至指定溫度的加熱爐中之後，再維持 1 小時 持溫使試體各部份溫度均勻，再將試體從高溫爐中移出進行外觀檢視 照片(圖 3-7)。針對前述照片外觀特徵，發現加熱指定溫度達 200 ℃時，
僅鋼板表面的防銹漆粉狀化，對鋼版本體並無何影響；在溫度達 300 ℃ 時，原表面的防銹漆已被碳化顯現暗灰色，並有明顯氣泡隆起；在溫 度達 400 ℃時，原表面的防銹漆已完全碳化顯現暗黑灰色，氣泡已產 生龜裂及剝離現象，此時鋼板防銹漆已被完全破壞，故對一般火場而
僅鋼板表面的防銹漆粉狀化，對鋼版本體並無何影響；在溫度達 300 ℃ 時，原表面的防銹漆已被碳化顯現暗灰色，並有明顯氣泡隆起；在溫 度達 400 ℃時，原表面的防銹漆已完全碳化顯現暗黑灰色，氣泡已產 生龜裂及剝離現象，此時鋼板防銹漆已被完全破壞，故對一般火場而