応力振幅(疲労破壊)

引張強度あるいは降伏点を下回る負荷を繰返し作用させると、ある回数で材料は破断します。
この現象を『疲労』といいます。

下図の写真は疲労試験の様子です。そして負荷が試験片に対し繰返し負荷されています。
このように負荷を与える荷重を『繰返し荷重』と呼びます。

繰返し荷重の大きさと破断にいたる繰返しの回数は反比例の関係にあり、繰返し荷重が大きければ数回で、小さければ数万回で破断します。この繰返し荷重の負荷回数が製品寿命となります。

図1.は繰返し荷重により発生する応力の振幅(応力振幅)と破断に至る繰返し回数を示した図で、S-N線図と呼ばれています。
鉄鋼材の場合、このS-N線図のグラフが応力振幅のある値に収束します。

収束したこの値を『疲労限度』と呼びます。
応力振幅の値が疲労限度以下の場合、無限の繰返しに耐えられます。

製品の改造を依頼され折損した現物を分析すると、多くの場合は疲労破壊による折損です。
一般的に破損事故の60～80%は疲労破壊だと言われています。

設計時の想定から漏れた使用条件で繰返し荷重が発生し、納品後約3ヵ月で破損が始まる製品もあれば、使用開始から5～6年で破損が発生するものもあります。

破損に至るような荷重を検討する強度設計も重要ですが、製品寿命を決める繰返し荷重と製品が使用される条件にも気を配る必要があります。

1月に食品を運ぶトレー100台を納品した。

5月に入り、納品したトレーに溶接破断が発生した。
発生した箇所はすべて同じ位置で、キャスター取付け部品の溶接部分である。
(以下に示される写真)

トレーを観察したところ、溶接破断が発生した部分に取付けられていたキャスターはすべて自在輪であり固定輪側に破断は発生していなかった。

以上の事実から、溶接部の破断は疲労破壊と判断し、自在輪の向きによって溶接部に作用する荷重が変動するもの予測された。自在輪の取り付け位置に作用する荷重は以下のようになる。

上記の計算結果を元にして溶接部に作用する応力振幅を求めると439.82 (N/mm**2)※になる。
S-N線図は片振れ(0→引張)なので、この場合の応力振幅は219.91 (N/mm**2)となる。

※応力振幅の求め方については、授業目的の範囲を超えるため省略する。

以下のS-N線図(片振れ)から以下のように求める。
この場合、約11万回の繰り返し負荷で破損する。

1分に1回の頻度で自在輪を1回転させるようにトレー台車を動かし、以下の稼働条件で使用されているものと仮定する。

60 (回 / 時間) × 20 (時間) × 22 (日) × 5.0 (カ月) = 132000 回

自在輪の回転に伴う繰返し負荷により溶接部に疲労が蓄積しているものと考えられる。