これまでにねじ締結技術ナビにて公開した疲労に関連する技術資料ならびにコンテンツをこのページにまとめております。是非ご覧ください。
ねじ締結体のトラブル 原因と対策 ー疲労破壊編ー（技術資料）
ねじの歴史は古く、そしてねじ締結体は技術が大きく進歩している現代社会においても、世界中で使用頻度の高い重要な機械要素の1つです。にもかかわらず、日々、ねじ締結体におけるトラブルは後を絶ちません。その主な原因としてあげられるのが、「 ねじのゆるみ 」と 軸力の低下からくる「ボルトの疲労破壊 」になります 。今回は、その中でも「ボルトの疲労破壊」に焦点をあて、最初に疲労破壊とはどういった現象で発生するのかを把握し、次になぜボルト が 疲労破壊 するのかについて説明します。
組合せ応力下の疲労（技術資料）
実機の強度予測では、単軸の強度試験結果をそのまま用いることはできず、多軸性を考慮する必要があります。本技術資料では、組合せ応力（多軸応力状態）とは何か、組合せ応力下での疲労特性として曲げ－ねじりの疲労限度の過去の研究結果を示すとともに、相当応力を用いた、組合せ応力下での疲労寿命予測の手法について説明しています。
接触応力下の疲労（技術資料）
接触応力下（例えば、レールの上を車輪が転がったり、機械要素が別の機械要素に面圧をもってこすれたりする、等）といった状況下においても疲労現象が問題となります。本技術資料では、接触応力下の疲労（転動疲労とフレッティング疲労）についてそのメカニズムと対策方法について説明しています。
疲労き裂と応力拡大係数（技術資料）
構造物に小さなキズ・損傷が存在してもこれが成長して疲労破壊に至ることを防ぐ設計手法である損傷許容設計、き裂や欠陥が存在する材料の強度評価に用いられ最も重要なパラメータである応力拡大係数ならびに、応力拡大係数範囲と疲労寿命との関連（特に、応力拡大係数範囲と疲労き裂進展速度との関係：パリス則）について解説しています。
高温疲労（技術資料）
本技術資料では、高温（絶対温度の融点の半分程度を指します）環境下で用いられる種々の産業機械や部品において極めて重要な課題である高温疲労強度と高温疲労寿命評価について説明しています。高温疲労強度に及ぼす各種要因に触れた後、高温高サイクル疲労、高温低サイクル疲労の各ケースで高温疲労強度特性について解説しています。
鍛造と疲労強度（技術資料）
本技術資料では、鍛造の種類、役割、鍛造組織、鍛流線の形成について簡単に紹介した後、加工硬化（転位強化）、結晶粒の大きさ（微細化または粗大化）、脱炭の有無、鍛流線の形成といった鍛造に係る組織的な特徴が靭性や疲労強度にどのような影響を与えているのか、ねじ・ボルトのケースを含めて解説しています。
疲労破壊とは一定荷重が規則的に繰返し負荷される条件下の場合に前触れなく突然起こる破壊現象で、繰返し負荷が変動荷重の場合もあります。負荷される荷重として通常は外力ですが、温度変化に伴う熱応力の繰返しも疲労の要因となり、この場合は熱疲労といわれます。疲労破壊は降伏応力や耐力といった塑性変形が起こらないかなり小さな応力下でも発生し、金属製品、部品の破壊事故のおよそ80%程度が疲労が原因といわれています。ねじ（ボルト、ナット）においても疲労による破壊事例が多数報告されています。
実機材の疲労強度は、繰返し応力がかかる部位での応力集中の大きさ、表面状態、部材の大きさ、材料内部の応力状態に大きく影響を受けます。応力集中による影響は、段付き部、穴、溝などの断面形状が一様でないことに起因する応力集中で起こるのですが、形状係数とも呼ばれる応力集中係数が指標になります。
ねじ締結体（ボルト・ナット）におけるねじの疲労破壊対策を考える上での疲労強度についての理解、疲労限度（S-N曲線）を考慮した上での疲労設計に焦点を当てています。ボルトの軸力変化（外力の影響による内力変化）と疲労破壊の関係についてボルト締付け線図で説明しています。ねじ締結体においては、ゆるみ止めナットが重要とわかります。
金属疲労では部材に応力が繰返し負荷されます。この繰返し応力を表す条件として、応力振幅と平均応力があります。S-N曲線において応力振幅は、縦軸に表示される最大応力と最小応力の差の半分の大きさです。一方、平均応力は最大応力と最小応力の和の半分の大きさ、すなわち平均値です。疲労強度・疲労限度の大きさに影響します。
今回は金属疲労の発生原因の中でも切欠きの影響に焦点を当てます。切欠きとは幾何学的な断面形状を表す用語の一つであり、機械構造物や機械部品の金属破壊の殆どが切欠き部で発生します。切欠き効果という言葉がありますが、この切欠き部において応力が集中することにより疲労強度が低下することで疲労破壊を起こしやすくなることを言います。
今回、表面から疲労破壊が始まることが大半であることから、疲労強度が材料の表面状態によって大きく影響を受けることを述べます。疲労強度の向上を図るためには、機械加工、熱処理、表面処理などによって表面に形成される加工層をどのようにコントロールするのかが鍵となります。表面硬さを固く、表面粗さを抑え、圧縮の残留応力を与えます。
疲労破壊とは、主に一定荷重が規則的に繰返し負荷される条件下の場合に前触れなく突然起こる破壊現象で、降伏応力や耐力といった塑性変形が起こらないかなり小さな応力下でも発生し、金属製品、部品の破壊事故のおよそ80%程度が疲労が原因といわれています。疲労試験とは、安全設計の観点から材料・部品の疲労強度を把握する材料試験です。
金属疲労は金属材料を用いた部材の破壊原因の多くを占めています。この疲労破壊防止には設計段階で金属材料、部材の使用環境下での寿命予測が当然必要になりますが、この設計のための基本的な試験データがS-N曲線であります。金属部品や製品の耐久性試験も一般的に行われますが、定量的な評価解析には対象となる製品部位のS-N曲線が必要です。S-N曲線を求める試験は疲労試験機で行われますが、ここでは10の4乗（10,000サイクル）オーダー以上の繰返し数で疲労破壊する高サイクル疲労試験の場合について述べます。
金属疲労は機械構造物を構成する金属部材の破壊事故の中で最も多い発生原因でありますが、その疲労に対する安全対策として金属部材のS-N曲線を用いた寿命予測が行われます。S-N曲線は疲労に対する安全設計のための基本的な試験データであります。S-N曲線を用いた寿命設計ではこの負荷応力を求める応力評価が重要であります。
ねじ締結体の疲労破壊に関しては、疲労試験機を使用して軸方向外力による疲労破壊評価事例があります。ねじ締結技術ナビの技術情報にも評価事例を掲載しています。しかし、軸直角方向の外力が繰返し作用すると疲労現象が起こって最終的にボルトの疲労破壊が起こる事例はほとんどありません。そこで本コンテンツでは検討条件を設定して考察した内容を示します。
実機部材の金属疲労現象では、その実働負荷荷重の応力波形が一定応力振幅の繰返しではなくて時間とともに応力波形が変化する変動応力になります。ここでは、この変動応力下の金属疲労について変動応力波形の計測、および変動応力が疲労に及ぼす影響について簡単に紹介しています。
プラスチックの疲労とは、プラスチック材料を構造材と考えた場合、荷重が繰返し負荷されると金属材料と同様に疲労現象が起こります。また、耐疲労設計ではS-N曲線を用いて行います。但し、疲労現象のメカニズムは金属の場合と異なり、繰返し応力によって分子鎖の微視的変形が起こり、微小き裂が発生して成長・破壊に至ると考えられています。
非鉄金属材料は鉄鋼材料に比べてコスト的に高くつくものが多いものの、比強度（密度当たりの引張強さ）が高い等の特徴を有しています。本技術コンテンツでは、非鉄金属材料として、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、チタン、そしてチタン合金の疲労強度及びS-N曲線について簡単に説明しています。
10の4乗から5乗程度のサイクルオーダー以下で破断するような大きな応力振幅条件下では、応力に対するひずみ成分に塑性ひずみ成分が含まれており、この寿命領域での疲労破壊現象を低サイクル疲労と呼びます。この特徴ならびに低サイクル疲労寿命曲線で重要となるCoffin-Manson則、Basquin則について説明しています。
実機の強度予測では、単軸の強度試験結果をそのまま用いることはできず、多軸性（応力が組合わさること）を考慮する必要があります。本コンテンツでは、組合せ応力（多軸応力状態）とは何か、組合せ応力下での疲労寿命とその予測について紹介しています（より詳細な情報につきましては、本コンテンツのリンクから技術資料をご覧ください）。
車輪とレールのように、小さな接触面積を介して2つの物体が押しつけ合うと局部的に大きな圧縮応力を生じることがあります。この面に生じる圧縮応力のことを接触応力といいます。接触応力下において疲労現象が起こることが知られており、今接触応力下の疲労現象として、転動疲労とフレッティング疲労について簡単に紹介します。
このコンテンツでは、き裂や欠陥が存在する材料の強度評価に用いられる最も重要なパラメータである応力拡大係数と、応力拡大係数範囲と疲労き裂進展速度の関係を表すパリス則について簡単に紹介しています。詳細は、ねじ締結技術ナビ技術資料「疲労き裂と応力拡大係数」をご覧ください。
本コンテンツでは、高温（ここでの高温とは、絶対温度の融点の半分程度を指します）環境下で用いられる種々の産業機械や部品において極めて重要な課題である高温疲労強度と高温疲労寿命評価について簡単に説明しています。高温高サイクル疲労、高温低サイクル疲労の各ケースの詳細は、ねじ締結技術ナビ技術資料「高温疲労」をご覧ください。
このコンテンツでは、鍛造の種類、役割（自由鍛造と型鍛造、ならびに熱間、冷間、温間鍛造）と、鍛流線（ファイバーフロー、メタルフロー）について、また鍛流線の形成がどのように疲労強度に影響を及ぼすかについて簡単に紹介しています。鍛造と疲労強度の詳細な関係については、ねじ締結技術ナビ技術資料「鍛造と疲労強度」をご覧ください。
