s-n曲線 疲労限度 応力 繰返し回数 破壊 設計

s-n曲線 疲労限度 応力 繰返し回数

あなたの設計、疲労限度以下でも3年で破断します

s-n曲線 疲労限度 基本と意味の解説

s-n曲線とは、応力（Stress）と繰返し回数（Number）の関係を示すグラフで、金属が何回の繰返し荷重で破壊するかを可視化したものです。横軸が繰返し回数、縦軸が応力です。回数が増えるほど耐えられる応力は低下します。

例えば炭素鋼では、約\(10^6\)〜\(10^7\)回付近で曲線が水平になります。ここが疲労限度です。つまりそれ以下の応力なら「理論上は」無限回耐えるとされます。ここが重要です。

つまり無限寿命の目安です。

ただしこれは理想条件です。実際の加工現場では、表面粗さや残留応力の影響で大きくズレます。現場では安全率を考慮するのが基本です。ここを無視すると破断事故につながります。

s-n曲線 疲労限度 材料ごとの違いと数値例

疲労限度はすべての金属に存在するわけではありません。ここがよく誤解される点です。鋼材には存在しますが、アルミニウムや銅合金には明確な疲労限度がありません。

例えばS45C鋼では疲労限度は引張強さの約50%前後、具体的には約250MPa程度です。一方でアルミ合金（A6061など）は、\(10^7\)回でも応力を下げ続けないと破壊します。つまり限界がありません。

これは重要な違いです。

アルミ部品で「疲労限度以下だから安全」と考えるのは危険です。長期間使う部品では、時間とともに破断リスクが増加します。長寿命設計では材料選定が最優先です。

s-n曲線 疲労限度 表面粗さと加工の影響

加工状態は疲労強度に直結します。特に表面粗さの影響は大きく、Raが0.8μmから3.2μmに悪化すると、疲労強度が20〜30%低下するケースがあります。

小さな傷が起点になります。これがクラックの発生源です。旋盤加工後の工具痕や研削焼けも影響します。

ここが落とし穴です。

このリスクに対しては、表面仕上げの改善が有効です。例えばショットピーニングは圧縮残留応力を付与し、疲労寿命を1.5〜2倍に延ばす効果があります。現場でできる対策としては「仕上げ工程を1段追加する」がシンプルで有効です。

s-n曲線 疲労限度 応力集中と破壊事例

設計上の応力集中は見逃されがちです。キー溝やねじ部、段付き部では理論応力の2〜3倍の局所応力が発生します。これが疲労破壊の主原因です。

例えばシャフトの段差部分。半径Rが小さいと応力集中係数Ktは約2.5になります。つまり設計応力100MPaでも局所では250MPaになります。

これは危険です。

この問題の対策は明確です。応力集中を下げることです。具体的には「Rを大きくする」か「逃げ加工を入れる」だけで改善できます。設計段階での一手が寿命を大きく左右します。

s-n曲線 疲労限度 現場で見落とす温度と腐食の影響

温度と腐食環境も疲労限度を大きく変えます。例えば100℃を超える環境では、鋼の疲労限度が10〜20%低下することがあります。さらに腐食環境では疲労限度そのものが消失します。

これは見逃されがちです。

海沿い設備や薬品環境では特に顕著です。腐食疲労では通常の半分以下の寿命になることもあります。つまり設計値が全く通用しないケースです。

このリスクへの対策としては「環境条件の把握」が最優先です。その上で、防錆コーティングやステンレス材への変更を検討します。簡単にできる対策としては「使用環境を一度見直す」だけでも効果があります。

参考：金属疲労と環境影響の基礎解説（腐食疲労の具体例あり）
https://www.jssc.or.jp/knowledge/fatigue/