s-n曲線 疲労限度 応力 寿命 材料 強度 設計

s-n曲線 疲労限度 応力 寿命 材料 強度

あなたのその設計、100万回で突然破断します

s-n曲線 疲労限度 基本と応力寿命の関係

s-n曲線は応力振幅と破断までの繰返し回数の関係を示すグラフで、横軸が回数、縦軸が応力です。例えば一般的な機械構造用鋼では、\(10^6\)回付近で応力がほぼ一定になり、これを疲労限度と呼びます。つまり一定以下の応力なら無限に耐えるという考え方です。
結論は「無限寿命は条件付き」です。

ただしアルミや銅合金は事情が異なります。これらは明確な疲労限度を持たず、\(10^7\)回でも破断するため、設計では有限寿命として扱います。ここを混同すると、寿命見積もりが1桁以上ズレることもあります。
つまり材料依存です。

s-n曲線 疲労限度 材料別の違いと数値例

炭素鋼S45Cの場合、引張強さが約600MPaなら疲労限度はその約0.5倍、つまり300MPa前後が目安です。これに対しアルミA6061では、\(10^7\)回時点で100MPa程度まで低下し続けます。
ここが分岐点です。

さらにショットピーニング処理をすると、表面圧縮応力により疲労限度が20〜50%向上することがあります。一方で研削焼けや微細な傷があると、逆に30〜80%低下する事例も報告されています。
表面状態が支配的です。

参考：金属疲労の基礎と材料特性の違い
https://www.jssc.or.jp/tech/fatigue/

s-n曲線 疲労限度 応力集中と表面粗さの影響

実務で最も見落とされるのが応力集中です。例えば切欠き係数Ktが2の場合、局所応力は単純計算で2倍になり、疲労寿命は1/10以下になることがあります。
これは致命的です。

表面粗さも同様です。Ra3.2からRa0.8に改善するだけで、疲労寿命が約2倍になるケースもあります。逆にバリや微小クラックがあると、起点となり一気に破断へ進行します。
ここが盲点です。

このリスク場面では「加工後の状態ばらつき」が原因になりやすく、狙いは再現性の確保です。候補は「表面粗さ測定器でロット確認する」です。
測定が基本です。

s-n曲線 疲労限度 設計での安全率と寿命予測

設計では疲労限度に対して安全率1.5〜2.0を取るのが一般的ですが、実使用環境ではこれでは不足する場合があります。例えば腐食環境では疲労限度が実質消失し、設計値の50%以下で破断する事例があります。
環境は別物です。

また変動荷重の場合、Miner則を用いた累積損傷評価が必要です。これは各応力レベルの損傷を足し合わせる考え方で、合計が1に達すると破断とみなします。
つまり合算評価です。

このリスク場面では「想定外の負荷履歴」が問題になります。狙いは実負荷の可視化です。候補は「簡易ひずみゲージで実測する」です。
実測が近道です。

s-n曲線 疲労限度 現場トラブルと対策の実例

例えばシャフト破断の事例では、設計応力は疲労限度以下の250MPaでしたが、キー溝部でKt=2.3となり、局所応力は575MPa相当まで上昇していました。その結果、約80万回で破断しています。
計算外が原因です。

別の事例では、熱処理後の酸化スケール除去不足により表面欠陥が残り、寿命が本来の1/5に低下しました。こうしたケースは現場で頻発します。
見落としが多いです。

このリスク場面では「工程間の品質抜け」が問題です。狙いは欠陥の早期検出です。候補は「浸透探傷検査を定期実施する」です。
検査が防波堤です。

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