疲労試験——S-N曲線と繰返し荷重の評価

はじめに

機械設計者として20年、外部設計事務所の社員という立場で、複数の大手メーカーに常駐してきた。

設計のメインは産業機械、特に繰返し荷重を受ける搬送装置・プレス周辺機器・回転機械の支持架台だ。

この世界で避けて通れないのが「疲労」だ。

静的強度では割れるはずのない部材が、何百万回かの繰返し応力で、ある日突然パキッと折れる。

若い頃に一度、ロボット先端のブラケットを「引張強さの1/3だから余裕」と判断して設計し、3か月後に疲労破壊で吹っ飛んだ。あの破面の貝殻模様（ビーチマーク）は今も忘れられない。

この記事では、疲労試験の基礎、S-N曲線の読み方、繰返し荷重を受ける部材の設計判断軸を、現場目線で整理する。

疲労とは何か——静的破壊との根本的な違い

引張試験（JIS Z 2241）で測る引張強さは、1回だけ荷重をかけて破壊したときの強さだ。

これに対し疲労は、引張強さ以下の応力を何百万回も繰返したときに、突然破壊する現象。

普通の構造用鋼SS400なら引張強さ400MPa以上。これに対し疲労限度（後述）は200MPa前後しかない。

つまり静的強度の半分の応力でも、繰返せば壊れる。

これが疲労の怖さで、強度計算だけしている設計者は必ず一度は痛い目を見る。

疲労破面の見分け方

疲労破壊の破面には三つの領域がある。

1. 起点：表面の傷や応力集中部から微小亀裂が発生

2. 進展領域：貝殻状の縞模様（ビーチマーク）が広がる——ゆっくり進展した跡

3. 最終破壊：残った断面が一気に破断、ザラついた繊維状の破面

破断品を見たとき、ビーチマークがあれば疲労破壊だ。

私は若手にいつもこう言う。「破面の3割以上が滑らかなら疲労を疑え」と。

S-N曲線——疲労評価の地図

疲労試験の基本データはS-N曲線だ。

• S（Stress）：応力振幅 [MPa]
• N（Number of cycles）：破壊までの繰返し数

横軸N（対数）、縦軸Sでプロットすると、右下がりの曲線が描ける。

鉄鋼材料の場合、ある応力以下では何回繰返しても壊れない疲労限度（fatigue limit）が存在する。

通常10^6〜10^7回でフラットになる応力を疲労限度とする。

鋼材の経験則

炭素鋼の疲労限度は引張強さの40〜50%程度。

SS400（引張強さ400MPa）なら、疲労限度は約180〜200MPa。

SCM440焼戻し（引張強さ900MPa級）なら、疲労限度は約400〜450MPa。

試験規格

疲労試験はJIS Z 2273（金属材料の疲れ試験方法通則）、軸力疲労はJIS Z 2279、回転曲げ疲労はJIS Z 2274が基本。

試験機は島津製作所、東京試験機、IHI検査計測などが有名。

回転曲げは小野式試験機が古くからの定番、軸力疲労は油圧サーボ式（MTS、Instron、島津）が現在の主流。

アルミ合金には疲労限度がない

鋼にはフラットな疲労限度があるが、アルミ合金にはない。

S-N曲線が右下がりのまま、回数を増やせば応力が無限に下がっていく。

そのためアルミ部品の疲労評価では、10^7回や5×10^8回での「疲労強度」を使う。

A6061-T6の10^7回疲労強度は約95MPa、A7075-T6で約160MPa程度。

航空機構造でアルミを使うとき、耐用年数の運用サイクル数で疲労破壊しないかを綿密に計算する。

産業機械でも、回転体に使うアルミ部品は要注意だ。

私が常駐したある半導体製造装置メーカーで、回転テーブルのアルミブラケットが2年で疲労破壊した経験がある。

カタログ静的強度では3倍余裕があったが、毎分120回転×2年で12,000万回——10^8回を超えていた。

S-N曲線を見ずに静的強度だけで判断したのが原因だった。

疲労に効く5つの要因

S-N曲線は標準試験片（つるつるの丸棒）のデータ。

実際の部品では、以下の要因で大幅に疲労強度が下がる。

① 表面粗さ

疲労亀裂は表面から発生する。表面が粗いほど起点ができやすい。

旋削肌（Ra3.2程度）と研削肌（Ra0.8以下）では、疲労強度が20〜30%変わる。

重要部品は研削仕上げ、できればショットピーニングで表面に圧縮残留応力を入れる。

② 応力集中（切欠き、穴、フィレット）

疲労強度は応力集中の影響を強く受ける。

シャフトの段付きでR=0の入隅なら、応力集中係数Kt=3以上になり、疲労強度は1/3に低下する。

段付きには必ずR取り、できればRはシャフト径の0.1倍以上。

これだけで疲労寿命が10倍変わる。

③ 表面処理

メッキ（特にクロムメッキ）は引張残留応力を生じ、疲労強度を下げることがある。

逆に窒化、浸炭、ショットピーニング、ローラ加工は圧縮残留応力で疲労強度を上げる。

高サイクル疲労が懸念される軸物は、焼入れ＋研削＋ショットピーニングが王道。

④ 平均応力（応力比R）

繰返し応力は振幅Saだけでなく平均応力Smも影響する。

平均応力が引張側に大きいと疲労強度は低下する。

これを評価するのがGoodman線図やSoderberg線図。設計では片持ち梁的に応力振幅と平均応力をプロットし、許容領域内に収める。

⑤ 環境

腐食環境（海水、湿気）では「腐食疲労」が起こり、鋼でも疲労限度が消える。

高温下では「クリープ疲労」、低温下では「低温脆性＋疲労」の複合となる。

設計でどうS-N曲線を使うか

私が現場で実際にやっている疲労評価の手順は以下の通り。

ステップ1：荷重サイクルを定義する

「この部品は1日何回、何MPaの応力を受けるか」を整理する。

搬送装置なら、1サイクル＝1回の搬送動作で、1日何サイクル動くか。

プレス機なら、ストローク数/分とMPa値。

設計寿命を10年と置くなら、総サイクル数N=日サイクル×稼働日×10年。

これが10^6超えなら高サイクル疲労の領域だ。

ステップ2：応力解析でホットスポットを特定

FEA（Ansys, NX Nastran, SolidWorks Simulation等）で繰返し応力部位の最大応力振幅を出す。

ホットスポット応力を出すのが目的。

ステップ3：S-N曲線から許容応力を読む

設計サイクル数Nに対する応力振幅Saを、材料のS-N曲線から読む。

ただし表面・形状・寸法の補正係数を掛ける。安全率2〜4を見ておく。

ステップ4：応力≦許容応力を確認

満たさなければ、形状変更（Rを大きく、肉厚アップ）、材質変更（高強度鋼）、表面処理（ショットピーニング）で改善。

私が現場で痛い目を見た例

冒頭にも書いたが、ロボット先端のブラケットを引張強さSS400=400MPaで「最大応力150MPaなら余裕」と判断したことがある。

SS400の疲労限度は約180MPa、応力集中係数Kt=2.5を考えると、許容できる応力振幅は72MPa。

実際の応力は150MPaなので、約3か月（10^6回）で破壊した。完全な計算ミスだ。

このとき先輩から言われた一言が今も指針になっている。

「静的強度はゆっくり物を持ち上げるとき、疲労強度は毎日持ち上げ続けるときの強さ」

設計対象が「動くもの」「繰返し荷重を受けるもの」なら、必ず疲労評価をする。

これが20年やってきて行き着いた結論だ。

おわりに

疲労破壊は、強度計算が万全でも起こる。

S-N曲線の存在を知らない設計者は今も意外と多く、私も若手の頃はそうだった。

教科書には書いてあるが、実際に現物が折れて初めて意味が分かる世界だ。

機械設計者が一人前になる過程で、必ず一度は疲労破面と向き合う日が来る。

その時に「これは疲労だ」「自分の計算が甘かった」と分かれば、次は防げる。

材料メーカー（神戸製鋼、日本製鉄、大同特殊鋼など）のカタログには鋼種別のS-N曲線が載っている。

時間のあるとき一度ダウンロードして、自社で使う鋼材のS-N曲線を眺めておくといい。

それだけで、設計判断が一段深くなる。

設計×現場ラボ｜sekkei-tech.com