鏽死後硬拆下來的螺栓還能不能用:強度掉在咬合的那幾圈牙

2024 年 5 月,Yahoo!知恵袋有人問:鏽到咬死、最後用高扭力衝擊扳手才拆下來的螺栓,是不是不要再用?他覺得「強度的に弱くなっている」,好像很快會斷。四則回答都說換新,理由多半是螺栓便宜、修牙的工具比新螺栓貴,也有一則說可能變脆了,但沒有人說強度實際掉了多少、掉在哪裡。明治大學松尾、徳原 2022 年在《材料と環境》發表的試驗沒有測衝擊扳手拆卸或再使用,但量了腐蝕後咬合牙部的破斷強度:M16 電鍍鋅螺栓鎖進鋼塊,每天滴一滴 5% 食鹽水,20 到 50 天後拉到牙壞掉。未腐蝕的締結體 94.1 MPa,9 支腐蝕試體裡最低的一支 63.4 MPa,兩者都是一牙以上破壞或壓潰。這組螺栓試驗時沒有加預力。閱讀約 7 分鐘。

鎖進鋼塊的六角螺栓剖面,咬合段的牙塗成紅色並有破損(示意)。

提問和回答說到哪裡

提問的人在「車検、メンテナンス」分類發問,拆的是車上的螺栓。他的直覺是:鏽得這麼死,螺栓本身應該變脆了。 最佳解答來自一位做汽車電裝的回答者:會咬死的螺栓基本上就是換;真的要再用也得修牙,為此買螺絲攻、螺絲模,不如直接買新的螺栓螺帽,便宜也安心。 另一則說「可能變脆了」,一則說抗拉強度不知道、螺栓不貴,還有一則只說鏽到那種程度的不再用。

四則回答的結論都對得上常見做法,理由多半落在「划不划算」。「變弱了多少、弱在哪裡」沒有人回答。 提問者只說覺得螺栓強度變弱、好像很快會斷;下面這篇論文量到的強度下降,出在被鋼塊咬住、看不到的那段牙。這篇論文沒有測衝擊扳手拆卸或再使用,提供的是腐蝕後咬合牙部的破斷強度。

這篇試驗在測什麼

松尾、徳原的研究目的是用聲發射(Acoustic Emission,AE)從外面判斷螺栓接合部的腐蝕。 背景是戶外的鋼製螺栓接合:螺栓角多、防蝕塗膜不容易塗夠厚,水滲進接合部就局部腐蝕。論文提到日本從 2020 年度起, 一定年數、一定規模以上的戶外廣告物(招牌)要做安全點檢,而目視與敲打檢查的準確度取決於檢查員的經驗。

試驗條件(松尾、徳原,2022,§2)
項目條件
螺栓JIS B 1180 並目六角螺栓 M16,材質 SWCH,表面處理為電鍍鋅(ユニクロ)
被締結部SS400 鋼塊,螺栓鎖入 15 mm;底部開直徑 1 mm 的橫孔讓鹽水不滯留,表面塗防蝕塗料
腐蝕5% NaCl 水溶液,每天用滴管在接合部滴 1 滴
腐蝕期間9 個試體,20 到 50 天之間
預力不施加(為了排除試驗前軸力的影響)
強度試驗夾住螺栓頭與鋼塊下端拉伸,速度 10 mm/min

作者事先調過條件,讓拉伸時破壞發生在牙,而不是螺栓桿斷掉。所以這組數字量的是「咬合的牙還撐得住多少」, 不是螺栓材料本身的抗拉強度。試驗結束後鋼塊底部的孔都是乾的,作者判斷接合部大致處於乾燥狀態。也就是每天把一滴鹽水滴在接合部,不是整個泡在水裡;鹽水在牙縫裡怎麼走,論文沒有直接觀察。

六角螺栓鎖進鋼塊的剖面圖。頭下接合處有一滴紅色液滴,公母牙之間的縫隙填著紅色,鋼塊底部有一條橫孔,螺栓頭頂有一個小圓柱。
試驗配置示意:鹽水滴在螺栓與鋼塊的接合部,作者推定鏽在牙縫裡生長(示意,未按比例)。依松尾、徳原 2022 年 §2 的試驗配置與 §4 作者的推定繪製;論文沒有直接觀察鹽水在牙縫裡的路徑,紅色只是標示位置。頭頂的小圓柱代表 AE 感測器。試驗螺栓沒有施加預力。

未腐蝕 94.1 MPa,最低的一支 63.4 MPa

論文把拉壞後的牙分成兩種:一牙以上破壞或壓潰,稱 Type-a;只有一個牙的一部分破壞或壓潰,稱 Type-b。

破斷強度與破壞形態(松尾、徳原,2022,§3)
締結體破斷強度破壞形態
腐蝕試驗前94.1 MPaType-a
腐蝕後,9 支中最低63.4 MPaType-a

63.4 除以 94.1 是 0.674,最差的一支大約少了三分之一(本站計算)。 論文沒有寫這支腐蝕了幾天,也沒有逐支列出 9 個數字,只畫成圖。所以「滴 50 天就少三分之一」這種說法,原文撐不住。

94.1 MPa 這個數字本身也要小心讀。一般螺栓材料的抗拉強度是好幾百 MPa(本站補充)。作者事先選了會壞在牙的條件,所以這是咬合 15 mm 的牙被破壞時的值,不是材料的抗拉強度;為什麼數值落在這裡,論文沒有說明。 論文也沒寫這個應力是用哪個斷面積算的,本站不把它換算成荷重,也不拿它和強度等級比較。能比的只有同一個試驗裡,腐蝕前後的差。

鏽長在牙縫裡,把牙吃掉

AE 是材料變形或破裂時放出的彈性波。鏽的體積比原本的鐵大,論文引用的研究指出,這種體積膨脹造成的鏽層破壞或剝離會發出 AE。 47 天那支試體的累積 AE 事件數,大約從第 35 天起急增;AE 多的試體都有這種急增,但開始的時間各不相同。

作者把每支試體的累積 AE 事件數和破斷強度畫在一起:Type-a 的試體,AE 越多、強度掉得越多,接近線性。 Type-b 出現在 AE 少的試體,作者認為那是腐蝕初期。

作者的解釋分兩段(Type-a 的牙不一定整圈壞掉,只是損傷超過一牙)。第一段:同一支螺栓上,各圈牙的損傷程度不一樣,代表接合部內部的負荷不均; 負荷大的地方一旦腐蝕,表面凹凸增加、斷面積減少,牙的剪斷強度下降,就出現只壞一部分的 Type-b。 第二段:腐蝕繼續進行,整段牙的強度一起下降,就變成一牙以上壞掉的 Type-a。 後期的 AE 波形也變了,作者推定是鏽把牙縫填滿之後,開始產生各種方向的裂紋。這些是作者依 AE 與拆開後的照片做的推定,論文沒有切開剖面量牙的殘留尺寸。

兩段鋼製螺栓牙並排。左側只有一處牙頂局部缺損,帶少量鏽斑;右側連續數牙被剪平壓潰,牙底有較多鏽。
兩種破壞形態(示意,未按比例)。左:Type-b,一個牙的一部分破壞或壓潰,出現在 AE 少、作者認為是腐蝕初期的試體;右:Type-a,一牙以上破壞或壓潰。依松尾、徳原 2022 年 §3、§4.1 的分類繪製,鏽的多寡是示意。

牙被剪掉或壓垮,在本站的螺絲滑牙:到底是哪一邊壞了是同一種失效形態; 差別在這裡的原因是腐蝕,而且是鎖在鋼塊裡、沒有施加軸力的狀態下發生的。

用 AE 從外面看得出來嗎

這篇論文的目的是讓檢查不必拆螺栓。結果有兩面。長期監測的累積 AE 數和強度相關,但 AE 發生的頻率不固定,要監測很久才準。 作者再以最後 24 小時內、最大振幅 15 mV 以上的 AE 事件和破斷強度做關聯分析,仍看得到相關;正規化破斷強度在 0.9 以下的試體,若連 15 mV 以下的事件也算進去,最後 24 小時的總 AE 約 30 個,比長期監測少很多。作者認為短期計測也有機會。

作者自己也寫了:現場要做 24 小時計測、逐一看波形並不容易,之後要搭配機器學習的波形自動辨識、用外力促進 AE、無人機遠端計測。 也就是說,這篇的方法還在研究階段,作者自己就把現場分析波形、連續量 24 小時列為實用上的困難。

實際怎麼做

以下是本站依一般維修風險整理的保守做法,不是松尾、徳原試驗驗證過的再使用判定法。

當成牙已經受損來處理。 這篇試驗裡,強度下降出在咬合段的牙,而且從外面看不到。拆下來的螺栓要判斷,本站建議至少先把鏽清掉,用手把一顆新螺帽轉過整段牙, 卡住、晃動或牙頂缺角就不要用。這只能篩掉明顯壞的,不是強度保證;螺帽轉得過去,不代表牙沒有變薄。

母牙也一起看。 論文裡螺栓是鎖進鋼塊的牙孔,鹽水滴在公牙與母牙構成的接合部,但論文沒有分別量母牙的腐蝕或剩餘強度。換一支新螺栓,鎖回同一個鏽過的牙孔,母牙的狀況並沒有改變,所以牙孔也要另外檢查。 新螺栓鎖進去手感鬆、或鎖到規定扭力前就打滑,牙孔是要先懷疑的地方之一(螺栓尺寸、公牙也要排除),修法見滑牙那一篇的整理。

重要部位直接換。 輪轂、懸吊、煞車、結構接合這類一斷就出事的位置,本站建議直接換新;知恵袋的回答也是固著螺栓換新,螺栓的價格和重做的代價不成比例。 論文給的是最差少三分之一的例子,但這篇沒有提供拆下來之後判定的方法,你手上那支屬於哪一種,光看外觀分不出來。

換不到新品時,先把條件講清楚。 老車的特殊螺栓可能買不到。這時要先回答:它咬合多長、平常承受多大的力、鏽是只在表面還是進到牙縫。 嚙合長度要多少,本站在嚙合長度要多少和最小嚙合長度為什麼每個人講的數字都不一樣整理過。 這篇論文的試驗只有 15 mm 嚙合、一種螺栓、沒有預力,沒辦法替你的螺栓給一個折減係數。

裝回去時處理水的路徑。 這組試驗的腐蝕來自滴在接合部的鹽水。鍍層選擇與耐蝕的差異見白鋅、藍鋅、黃鋅、黑鋅差在哪; 若塗防咬死劑,摩擦係數會變,鎖付扭力要跟著調整(防咬死劑不會讓預力變得不確定)。 再使用的一般判斷見拆下來的螺絲可以再用嗎。

這一頁不能下的結論

試驗螺栓沒有施加預力,作者自己在 §4.1 指出:實際接合部有軸力,那種環境下的影響需要另外檢討。 本站推想,有預力時牙面互相壓緊,鹽水進入的路徑、腐蝕的位置和受力都可能不同;這篇無法告訴你會比 63.4 MPa 好還是壞。 腐蝕是每天滴一滴 5% 食鹽水的加速試驗,不能換算成戶外幾年。 試體只有一種螺栓(M16、SWCH、電鍍鋅)、一種母材(SS400)、一種嚙合長度(15 mm),9 支腐蝕試體。 94.1 MPa 是 1 支還是平均、63.4 MPa 那支腐蝕了幾天、應力用哪個斷面積算,原文都沒寫。 「鏽在牙縫生長、造成凹凸與斷面減少」是作者依 AE 與照片的推定,不是量測剖面的結果。 作者也指出,AE 波形、頻率、振幅等參數的變化量可能隨腐蝕條件與量測環境而變,所以 15 mV、0.9、約 30 個事件不能當成直接套用到別的螺栓或現場的判定門檻。 衝擊扳手拆卸本身會不會傷牙,論文沒有測。這篇也沒有測高強度螺栓,腐蝕造成的延遲破壞是另一個問題,見 曝露中斷掉的 1700 MPa 螺栓。

這一篇屬於第 5 步,表面處理。完整的順序是母材、牙、頭型、驅動、表面處理、文件;至於為什麼順序做反了是重工而不是微調,見指定一顆螺絲。

常見問題

生鏽咬死後拆下來的螺栓可以再用嗎?

重要部位建議換新。松尾、徳原 2022 年的試驗中,M16 電鍍鋅螺栓鎖進鋼塊、每天滴 5% 食鹽水 20 到 50 天,牙被拉壞時的強度從未腐蝕的 94.1 MPa 降到最低 63.4 MPa,下降發生在咬合段的牙,從外面看不到。這是沒有加預力的加速試驗,也沒有測衝擊扳手拆卸,不能換算成實際螺栓的剩餘強度。

螺栓生鏽,強度掉在哪裡?

這篇試驗裡掉在被鋼塊咬住的牙。破壞形態是牙被破壞或壓潰,作者推定鏽在牙縫裡生長,造成表面凹凸與斷面減少,使牙的剪斷強度下降。

只換螺栓就夠了嗎?

不一定。螺栓若是鎖進牙孔,腐蝕發生在公牙與母牙構成的接合部;論文沒有分別量母牙,但換新螺栓並不會改變牙孔的狀況。本站建議換新螺栓後若手感鬆或鎖不到規定扭力就打滑,檢查牙孔,需要時修理。

能不能不拆就知道螺栓鏽到什麼程度?

這篇論文用聲發射(AE)監測,發現累積 AE 數和破斷強度相關,但要長期監測;作者也說現場做 24 小時計測不容易,目前還在研究階段。

參考資料

論文全文由本站從 J-STAGE 讀過,試驗條件照 §2,94.1 MPa 與 63.4 MPa 照 §3 本文,AE 與強度的關係與軸力限制照 §4.1。63.4 ÷ 94.1 的比值為本站計算。論文只給這兩個強度數字,其餘 8 支試體的值只出現在圖上,本站沒有讀圖取值。

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