五種扣件材料裡空氣中疲勞強度最高的鋼，滴上海水後變成最低：1983 年 NASA 委託報告，41L40 少了 77%，合金 718 只少 4%

夏威夷海邊，24 支螺柱裡壞了一支

1970 年代末，美國聯邦風能計畫由能源部出資、NASA Lewis 研究中心管理，建了四部 200 kW 水平軸試驗風機，代號 MOD-0A： 1978 年在新墨西哥州 Clayton，1979 年在波多黎各 Culebra 與羅德島 Block Island，1980 年在夏威夷歐胡島的 Kahuku Point。 報告記載，1981 年 11 月 11 日前後，Kahuku Point 那一部的 24 支葉片對輪轂螺柱中有一支失效，材料是 AISI 41L40 高強度鋼。 原因判定為腐蝕疲勞：正常的疲勞載重，加上腐蝕性的海洋大氣，兩者共同作用。這個判定是報告引另一份 NASA 技術備忘錄（TM-83483）的結論，四部風機的地點與年份則引 TM-83517。

報告的圖 2 畫了這支螺柱的位置。MOD-0A 的葉片是 1/8 吋冷杉單板層積的木葉片，長 60 呎，鋼螺柱一端用環氧樹脂黏埋在葉片根部的木材裡，另一端是螺紋，用來接到輪轂上。 圖上標的裂縫，在螺柱從木材伸出來的位置附近（這是本站看圖的描述，報告正文沒有寫斷在哪一段）。 現場的條件，報告寫得很具體：空氣中的氯化物多，露點高；螺柱有一部分被輪轂的整流罩蓋住，雨水沖不到，沉積的氯化物洗不掉。

這件事讓 NASA 委託 LaQue 腐蝕技術中心做了一組試驗，目的有兩個：確認腐蝕疲勞是 41L40 扣件在海洋環境失效的合理原因，以及替三種候選替代合金取得腐蝕疲勞數據。 成果就是 1983 年 12 月的承包商報告 NASA CR-174677，作者 D. G. Tipton，書目頁記載 26 頁。

試驗怎麼做：滴海水、R = 0.6、試到一千萬次

材料有五種。41L40 是失效螺柱的材料；4140 拿來對照，報告說 41L40 基本上就是 4140 加了鉛、改善切削性的成分變體。 三種候選替代合金是 PH 13-8 Mo 不鏽鋼、合金 718、MP-35N，納入的理由是預期它們的腐蝕疲勞強度較高。 全部是市售的 1/2 吋棒材，成分與熱處理代表典型的商業生產與主要製造商對高疲勞強度的建議。

試片不是螺栓。圖 3 的試片全長 3.750 吋，兩端車了 1/2-13 的螺紋拿來夾持，中間是一段直徑 0.252 吋（本站換算約 6.4 mm）、長 1 吋的縮徑標距段。 最終熱處理在機加之後才做，避免機加的殘留應力；標距段在試驗前用 320 號砂紙研磨，磨痕刻意沿著軸向，報告說環向的磨痕可能在軸向疲勞下造成應力集中，導致提早斷裂與較大的散布。

試驗依 ASTM E466 做定振幅軸向疲勞，伺服液壓機以荷重控制，20 Hz 正弦波，報告設定試到斷或 1,000 萬次（表 IV 有幾支未斷的試片停在略多於 1,000 萬次）。 參數取自 NASA 對 MOD-0A 葉片螺柱在高風載、高轉速這類極端條件下的應力分析，其中最關鍵的是應力比：最小應力除以最大應力固定為 0.6。

環境有兩種。空氣是對照組；海水組則用 30 °C 的天然海水滴在水平放置的試片上，報告說這是對現場環境「保守地近似」。 因為會乾掉，標距段的兩側邊緣是飽和的海鹽，中間是一層薄薄的海水。試片兩端還加了橡膠墊圈，避免海水碰到合金 625 做的螺紋夾具，產生電偶效應。

五種材料、兩個環境，排序大幅改變

報告把每組數據擬合成 log(S − Se) = m·log(N) + b 的迴歸式，S 是平均應力，Se 是一個類似耐久極限的常數，再用式子算出 1,000 萬次對應的平均應力，當作疲勞強度，列在表 V。 下表把表 V 和表 III 的拉伸性質放在一起：

空氣那一欄，41L40 最高，其餘四種落在 135.8 到 150.0 ksi 之間。海水那一欄，排序大幅改變：41L40 與 4140 掉到 40 ksi 上下，PH 13-8 Mo 剩一半左右，合金 718 少 4.3%，MP-35N 少 15.4%。 報告的說法是，MP-35N 在海水中的疲勞強度幾乎是 PH 13-8 Mo 的兩倍、41L40 的三倍（本站依表算約 1.84 倍與 3.13 倍），而合金 718 是五種裡最高的。

換句話說，在這組試驗裡，空氣中的疲勞排序不能直接套用到海水。41L40 和 4140 是兩種成分接近、熱處理相同的鋼，在海水裡的結果也接近； 三種高合金材料各自不同，PH 13-8 Mo 不鏽鋼掉了一半，鎳基的合金 718 與鈷鎳基的 MP-35N 降幅小得多。這裡沒有一個「強度越高越好」或「越低越好」的規則，報告也沒有提出這種規則。

報告也拿一筆外部數據對照：AISI 4130 鋼在 R = −1（完全反覆）時，腐蝕疲勞強度比空氣中少 68%（引 Fuchs 與 Stephens 的 Metal Fatigue in Engineering）。 它說這和 41L40、4140 的結果一致。應力比不同，這筆只能看方向，不能直接和表上的數字並列。

R = 0.6 下，41L40 在空氣中的名義最大應力接近抗拉強度

表上的「疲勞強度」指的是平均應力。很多人習慣看的是應力幅，而在 R = 0.6 下，兩者差了四倍，關係可以直接從定義推出來（本站換算）：最小應力是最大的 0.6 倍，平均應力就是最大的 0.8 倍， 所以最大應力是平均的 1.25 倍，應力幅只有平均的 0.25 倍。

代進 41L40 的數字：空氣中平均 172 ksi，最大應力約 215 ksi，應力幅約 43 ksi；而表 III 的抗拉強度是 216 ksi。 換句話說，依表 V 換算，41L40 在空氣中一千萬次對應的名義最大應力，已經接近它的靜態抗拉強度，也高於表 III 的 0.2% 降伏應力 207 ksi；應力幅約 43 ksi（峰到谷 86 ksi）。這只是名義數值的比較，不能延伸成局部應力或失效機制的判斷。 海水中平均 39.7 ksi，最大約 49.6 ksi，應力幅約 9.9 ksi（約 68 MPa）。

用同樣的換算看五種材料，空氣中最大應力對抗拉強度的比，41L40 約 1.00，4140 約 0.79，PH 13-8 Mo 約 0.78，合金 718 約 0.71，MP-35N 約 0.61（本站換算）。 只有 41L40 接近 1，其餘在 0.61 到 0.79 之間，這個比值不足以判定哪一種材料的疲勞強度由靜強度主導。能確定的是另一件事：海水中的疲勞排序和抗拉強度的排序對不上，五種材料在這個試驗裡的環境降幅各不相同。 報告沒有用這個角度分析，這一節的比值都是本站的換算。

報告另外在試驗方法那一節指出，設計用的疲勞數據通常在空氣中產生，應力比接近 0.6 或在海洋環境下的數據很少。 當循環載重疊加在較高的預拉軸力上，螺栓可能處在高應力比的情況，這也是〈「疲勞極限」是一個試驗約定〉那篇說的：一個疲勞數字必須帶著應力比才完整。

表 V 沒寫出來的：59 支試片、5 支斷在螺紋

表 V 每一格是一個數字，表 IV 才看得到背後有幾支試片。本站數了表 IV：五種材料共 59 支，41L40 與 4140 各 13 支，PH 13-8 Mo 12 支，合金 718 11 支，MP-35N 10 支； 每一種材料、每一個環境，只有 4 到 8 支；扣掉斷在螺紋、被排除的試片後，每組剩 4 到 6 筆，其中包含試滿一千萬次沒斷、被移除的紀錄（表上標 NF）。報告沒有交代這些未斷的紀錄在迴歸裡怎麼處理。

少數幾支的位置很說明問題。PH 13-8 Mo 在海水中，70 ksi 那支在 333 萬次斷了，100 ksi 那支 91 萬次斷了，可是 80 ksi 和 90 ksi 的兩支都試滿沒斷。 合金 718 在空氣中，145 ksi 那支沒斷，140 ksi 和 137.5 ksi 的反而斷了。這顯示同一組紀錄裡有散布，報告沒有解釋各點的差異。本站的一般讀法是：每格只有幾支試片時，迴歸出來的那一個數字容易受這幾支影響，但報告沒有做這種敏感度分析。 報告用相關係數表示擬合的好壞，多數在 0.92 以上，4140 在空氣中的那條是 0.902。

還有一處小地方對不上。41L40 海水的迴歸式是 log(S − 40) = −3.297 log(N) + 22.216，本站把 N = 1,000 萬代回去，得到約 40.14 ksi；表 V 寫的是 39.7。 這個式子裡 Se = 40，照印出來的式子算不出 40 以下的值。報告沒有解釋這個差異，本頁照錄表 V，不推定原因；兩個數字都不改變 41L40 在海水中最低、降幅超過七成的判斷。

最值得記住的是另一件事。報告說，有幾支試片沒有斷在標距段，而是斷在兩端機加的螺紋上，原因是相對於降伏強度的高應力，加上螺紋缺口的尖銳； 這幾支不納入分析。本站在表 IV 數到 5 支，標 FT：41L40 兩支、4140 兩支、合金 718 一支，全部在空氣中。 也就是說，表 V 的數字來自光滑、研磨過的標距段，螺紋這個缺口被刻意排除在外。真正的螺柱是靠螺紋傳力的，這組數據並沒有量到螺紋牙根在海水裡的表現。

報告自己的結論，以及它沒有走的那一步

回到開頭那個直覺：換更強的材料。報告的結論分三層。41L40 與 4140 對海洋環境的腐蝕疲勞「extremely susceptible」，疲勞強度可以比乾燥空氣少 70% 以上， 高強度鋼的優勢可能全部被吃掉。PH 13-8 Mo 比這兩種好，但海水仍可能讓疲勞強度少一半以上；試驗中有一支試片出現孔蝕，掃描電鏡照片顯示裂縫可能從孔蝕處開始， 所以報告建議海水中的關鍵腐蝕疲勞用途要「extreme caution」。合金 718 與 MP-35N 對海水腐蝕疲勞則有「very good resistance」，718 在海水中的腐蝕疲勞性質和空氣中的疲勞性質非常接近。

關於孔蝕的那部分，要分清楚哪些是這次試驗看到的。PH 13-8 Mo 的孔蝕是試驗觀察，裂縫可能從孔蝕處開始是作者看掃描電鏡照片的判讀。MP-35N 含約 9% 鉬（表 II 列 9.39%）， 但「MP-35N 在海水中不被認為容易孔蝕」「合金 718 不被認為在一般海水中容易孔蝕」這兩個判斷，報告是引文獻（Fink 與 Boyd 1970 等）寫的，不是這次試驗另外驗證的；報告也提到 718 有縫隙腐蝕敏感的報告。

結論的最後先提出一個一般性的判斷：高應力比會進一步降低腐蝕疲勞強度；接著才是設計上的建議：在腐蝕環境下服役的疲勞設計，應該納入在那個腐蝕環境下產生的疲勞數據。 要注意，這組試驗只做了 R = 0.6 一種應力比，「高應力比會進一步降低」是報告的陳述（它寫的是「As expected」），不是這組數據比較出來的。

報告沒有走的一步，是告訴讀者 MOD-0A 最後換成什麼。它只說三種候選合金是為了替換而試的，沒有記載選用結果，也沒有比較成本、供應、與輪轂鋼件接觸時的電偶問題。 把這份表直接讀成「海邊就用 718」，是報告沒有說的話。

對要詢價或審核疲勞數據的人，本站從這份報告延伸出四個問題，至少要先回答：這個疲勞數字是在什麼環境下量的？應力比是多少？是光滑試片還是整支螺栓、有沒有包含螺紋？ 每個條件有幾支試片、試到幾次停？少了這些條件，兩個疲勞數字就不能直接當成相同條件下的性能優劣。這是本站的讀法，不是報告的建議。

這份報告說不出的事

這是 1983 年單一實驗室、單一試驗計畫的結果：五種材料各一個爐號、表 I 所列的一套熱處理，一個應力比、一個頻率、一種滴海水的方式；表 IV 每格 4 到 8 筆紀錄，排除斷在螺紋的試片後剩 4 到 6 筆，其中含未斷的紀錄。 它不是設計容許值，也不能換算成某個尺寸螺栓的壽命。試驗頻率 20 Hz 和現場風機的載重循環差多少、頻率會不會改變腐蝕疲勞的結果，報告沒有討論，本頁也不推論。 報告沒有記載鍍層或塗層，也沒有比較試片的防蝕處理，沒有做氫脆機制或材料電偶搭配的專項試驗。現場那支螺柱的尺寸、預力、確切的斷裂位置，這份報告只有一張示意圖。 文中的 MPa、最大應力、應力幅、比值與試片計數都是本站依報告的表換算或計數的，不是報告列出的數字。本頁不推薦任何材料，也不代表本站做過任何疲勞試驗。

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

不鏽鋼螺栓用在海邊，就不用擔心腐蝕疲勞嗎？

這份報告的數據不支持這種說法。PH 13-8 Mo 是析出硬化型不鏽鋼，在 R = 0.6、滴海水的試驗裡，1,000 萬次疲勞強度從空氣中的 136.9 ksi 降到 67.5 ksi，少了 50.7%，而且有一支試片出現孔蝕，裂縫可能從孔蝕處開始。報告因此建議海水中的關鍵腐蝕疲勞用途要格外小心。這只是一種不鏽鋼、一個試驗條件，不能推到所有不鏽鋼。

表上的降幅百分比，可以直接拿來當設計時的折減係數嗎？

不行。那是 1983 年一個試驗計畫的光滑試片結果，每種材料、每個環境只有 4 到 8 筆紀錄，斷在螺紋上的試片被排除後剩 4 到 6 筆，其中還包含未斷的紀錄；只做了 R = 0.6、20 Hz 一種條件。報告自己的建議是：腐蝕環境下的疲勞設計，要納入在那個腐蝕環境下產生的疲勞數據。

為什麼空氣中最強的 41L40，到了海水裡反而最弱？

報告記錄了這個排序變化，但沒有用單一機制解釋。本站依表 V 與 R = 0.6 換算，41L40 在空氣中 172 ksi 的平均應力，對應名義最大應力約 215 ksi，接近表 III 的抗拉強度 216 ksi；這只是數值比較，不能據此認定它的疲勞強度由靜強度主導。可以確定的是，這個試驗裡 41L40 與成分相近的 4140 在海水中都少了七成以上，空氣中的排序不能直接套用到海水。

鍍鋅或塗層能不能解決海邊螺栓的腐蝕疲勞？

這份報告回答不了。報告沒有比較鍍鋅或塗層，也沒有做氫脆機制或材料電偶搭配的專項試驗。要回答這個問題，需要在相同環境、相同應力比下，用有鍍層的試片或實際螺栓做的疲勞數據。

參考資料

• D. G. Tipton, LaQue Center for Corrosion Technology（1983）—— Corrosion Fatigue of High Strength Fastener Materials in Seawater, NASA CR-174677／DOE/NASA/0337-1
• 「疲勞極限」是一個試驗約定，不是一個承諾
• 11 支缺口螺栓有 10 支斷前三天內淋過雨：曝露中斷掉的 1700 MPa 螺栓，氫來自腐蝕，出廠前的烘烤管不到
• 304 不鏽鋼螺栓先壞的是螺帽蓋住的那幾圈牙：縫隙裡的 pH 降到 3 到 4

本頁以 NASA CR-174677 為主要依據。MOD-0A 的安裝地點與年份，報告是引 NASA TM-83517；失效描述與原因判定引 NASA TM-83483；本頁沒有另外核對這兩份。MPa 換算、名義最大應力與應力幅、最大應力對抗拉強度的比、試片計數，是本站依報告的表換算或計數；1,000 萬次的代回值是依報告正文印出的迴歸式計算。PH 13-8 Mo 的孔蝕與可能起裂是本試驗的觀察與作者判讀；MP-35N、合金 718 的耐孔蝕判斷是報告引文獻的敘述。延伸的提問是本站的讀法，不是報告的建議。