1章
金属材料の不具合紹介

1章

金属材料の不具合紹介

世の中に材料と呼ばれるものはたくさんある。金属、プラスチック、ゴム、木材、セラミックス、繊維などである。これらの材料は、それぞれの特徴を活かしつつ、様々な分野で活用されている。金属材料は他の材料と比較して、強度が高い、塑性変形が起こる、光沢がある、熱・電気をよく通すなどの特性がある。そのため金属材料は自動車、鉄道、航空機、船舶、建築、橋梁、電子機器、医療器具、日用品など、身の回りの様々なところで使用されている。
金属材料が使用される環境は日常的な環境だけではない。自動車などの機械部品における使用環境は高速、高圧、高温、振動、腐食しやすい環境など過酷な条件が多い。もし金属材料で作られた製品が使用中に破損などの不具合を起こした場合、多額の損失だけでなく人命に関わる被害も発生する。
そして残念なことに、金属の不具合が原因で人命に関わる事故はこれまでにも度々起きている。もちろん人命に関わるような大きな事故は、たった一つの技術的な理由だけではなく、それを運用する人、組織、ルールにも原因があることもある。それらはリスクマネジメントなどの技術分野として活用されている。そして事故調査ではこれらの直接原因や間接原因を詳細に調査する。本章
では技術的に金属材料の破損が発生して事故につながった事例を紹介する。

1.1

金属不具合の歴史

金属材料は大型建築物、自動車、船、航空機など、多くの人や物資を扱う製品に使用されている。金属材料に関する知識が十分に蓄積されていなかった時代では様々な不具合が起きていた。多くの人命や多額の損害が発生する事故は度々起きているが、事故をきっかけに様々な技術的・組織的な改善、改良が行われた側面もある。歴史的・技術的に重要とされる事故をいくつか振り返る。

1.1.1

1912 年

タイタニック号沈没

タイタニック号といえば、小説や映画など様々な形で語られているので、ご2

1.1

図 1.1

金属不具合の歴史

タイタニック号存知の方も多いだろう。図 1.1 に当時の写真を示す。1912 年 4 月 14 日、イギリスのサウサンプトンからアメリカのニューヨークに向けての航海中、氷山に衝突して沈没した。2,000 人以上の乗客、乗員のうち 1,500 人以上が犠牲となった、当時としては最大の海難事故である。犠牲者が多くなった組織的な原因としては、氷山の警告を無視して全速航海したこと、救命ボートの数が 20 隻、約1,100 人分しかなかったこと、救命ボートに乗せた人が少なかったことなどがある。1980 年代になって沈没したタイタニック号が発見され、備品や遺品などが引き上げられた。この時に衝突による船体の損傷がわかったのである。現在、深海に沈んだ船体を見ることができるが、あと 100 年もすればバクテリアによる腐食が進み、跡形もなく消滅すると言われている。
タイタニック号沈没の技術的な原因は、船体をつなぐリベットの低温脆性破壊である。これは沈没した船体およびリベットを調査したことにより判明した。
船体をつなぐリベットが破損したために、船体の鋼板のすき間から海水が浸水して沈没したのである。この時の海水の温度は−2 ℃程度といわれている。
リベットは横方向の応力に弱く、図 1.2 のような形で破損した。それまでは氷山との衝突によって船体の鉄板そのものが破壊したという説が主流であったが、それは船体の調査によって否定された1）2）。
鉄は通常、応力や衝撃を負荷されると伸びや変形を起こしてから破壊する。
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金属材料の不具合紹介
海水

リベット破損

図 1.2

リベット破損の模式図

これを延性破壊と呼ぶ。一方、低温脆性とは、鉄が温度の低下によってほとんど伸びずにガラスのように脆性的に破壊することである。鉄が延性破壊をする時と脆性破壊をする時の温度の境目を延性脆性遷移温度という。これはシャル
ピー衝撃試験によって評価される。低温脆性は鉄を含めた体心立方格子の金属に起こる現象である。そのため、アルミニウムのような面心立方格子の金属では低温脆性は起こらない。また、当時は鉄の低温脆性に対して技術的な知識が不足していた。低温脆性に対しての技術や知識が発達するのは、1940 年代のリバティ船の事故が起こる頃である。
遷移温度の上昇（低温脆性を悪くする）は、硫黄やリンなどの不純物介在物が多いこと、炭素や窒素などの元素が多いこと、結晶粒径が粗大なことなどが主な原因である3）。タイタニック号の鉄については硫黄とリンが多かったこと、結晶粒が粗大だったことが低温脆性の原因とされている。硫黄やリンが多いのは鉄鋼の製錬技術が、結晶粒が粗大だったのは鋼板の圧延技術がそれぞれ未熟だったからといえる。その結果、−2 ℃の海水によって脆性破壊を起こしたのである。現在では製錬技術が進歩したため、硫黄やリンなどの不純物介在物は減少し、圧延技術の発達により結晶粒も細かくなったため、低温脆性の遷移温度は低下して−2 ℃程度の海水温度では低温脆性は起こらなくなった。

1.1.2

1942 年

リバティ船の沈没

第二次世界大戦中、アメリカはドイツの U ボートから欧州の連合国を救うた
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1.1

金属不具合の歴史

め、物資救援を行った。この時に量産化されたのがリバティ船である。しかし、約 2,700 隻製造したうち、約 400 隻の船体が破壊した。
当時は戦争中のため、短時間で生産製造する必要があった。そのため、リバティ船の製造には、当時としては画期的なブロック工法と溶接が採用された。
ブロック工法とは、製造を一括して行うのではなく、いくつかのパーツごとに製造して、最後に合わせる方法である。従来であれば鋼板の接合にはリベット接合が用いられるが、これには熟練した能力が必要で、時間がかかるという問題があった。そのため、短期製造を目的として、溶接が採用された。現在では、
正しく溶接を行わないと溶接欠陥などが発生するので正しい溶接には熟練した能力が必要なことは明白だが、当時はそこまでの技術がなかった。このため、結果的に多くの不具合を発生させることになった。図 1.3 に当時の破壊した船体のイラスト、図 1.4 に破壊した船体の模式図を示す。
船体破壊の主な原因は低温脆性、溶接欠陥、応力集中などである。低温脆性
はタイタニック号の時に述べたように鉄鋼の製錬技術などの問題である。
溶接の健全性や溶接欠陥の検出は現在でも重要なテーマである。溶接の問題点をいくつか挙げる。一つ目は、ブローホールなどの溶接欠陥が発生することである。溶接は材料の一部を溶解して接合するので、一種の鋳造と言える。ここに水分や汚れなどを巻き込むとブローホールが発生しやすくなる。二つ目は、

図 1.3

リバティ船破損のイラスト
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金属材料の不具合紹介

破損
第5ハッチ

第4ハッチ

図 1.4

エンジン

ボイ
ラー

第3ハッチ

第2ハッチ

第1ハッチ

リバティ船破損の模式図

溶接した組織の境目で割れやすいことである。溶接部は鋳造組織となり、溶接付近は加熱されるために熱処理を施したようになって、離れた箇所とは別の組織に変化する。このように、一つの構造物の中で複数の組織が混在して硬さなどの性質が変化するため、割れが発生しやすくなる。三つ目は、溶接部にはひずみ、変形、引張残留応力などが発生しやすいことである。溶接後、冷却する間に材料は熱収縮を起こすが、周囲の板や部材に拘束されているため、変形などが起こる。溶接にこのような問題が起こることは現在ではよく知られている。
応力集中とは、構造物は常に均一の厚さや形状ではないため、角部などに応力が集中してそこから割れが発生することである。
この事故分析によって製鉄技術や溶接技術が大きく向上した。製鉄技術では真空精錬の発達、連続鋳造が確立し、高品質なキルド鋼が活用できるようになったことで、鉄鋼製品の品質が向上した。溶接ではシールドガスによって水分や汚れの巻き込みを防ぐことができ、溶接欠陥が激減した。応力集中は現在では材料力学や破壊力学などの発展によって、き裂発生の応力について体系的にまとめられている。現在では低温脆性、溶接、応力集中などは、製品設計においてき裂が発生しやすい箇所として考慮され対策が取られる。その背景にはこのような大きな事故があったこと、事故原因を調査して改善・対策を行い技術が発達したことを忘れてはならない2）。

1.1.3

1954 年

ジェット機コメットの空中分解

イギリスのデ・ハビランド社のジェット機「コメット」は 1953 年から 1954年の 2 年間で 3 回墜落した。コメットは 1952 年に定期運用が開始された。当初
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金属不具合の歴史

ADF窓

図 1.5

コメットの破損位置

は好評だったが、1953 年 5 月 2 日インド、1954 年 1 月 10 日イタリアのエルバ島沖、1954 年 4 月 8 日イタリアのストロンボリ島沖と、3 回の墜落事故が起きた。これらの墜落事故によってコメットに欠陥があることが明白になり、当時のイギリス首相の指示により、RAE（ロイヤル・エアクラフト・エスタブリッ
シュメント、王立航空研究所）など国家を挙げての調査が行われた。
回収した機体のパーツを調査したところ、胴体天井に取りつけられた ADF（自動方向探知器）用の角型の窓枠から、疲労破壊の痕跡やクラックが発見された。その模式図を図 1.5 に示す。
飛行機は陸上では機体の外と中で気圧の差はないが、飛行中、高度 12,000 mの気圧は 0.19 気圧となる。しかし、機内は乗客・乗員がいるので、気圧を上げて 0.79 気圧にしていた。すなわち、外と内の圧力差は約 0.6 気圧である。すると機体には飛行するたびに内側から圧力がかかり、引張応力が働くことになる。
この引張応力が疲労破壊を引き起こす。これはデ・ハビランド社も想定済で、コメットに対しても、就航前に強度試験や耐圧試験を行っていた。しかし、その試験方法が実際の飛行条件（応力条件）と合わなかったことが後に判明した。
コメットは当初、機体の内圧試験と耐圧試験を同じ一機の機体で行っていた。
これが問題だった。内圧試験では飛行中の圧力差から 0.56 気圧の内圧を負荷する試験が行われたが、この時、1,000 回の内圧負荷のたびに倍の 1.12 気圧の過圧試験も行われた。疲労破壊は小さなき裂から割れが進展するが、過圧が行われると、圧縮応力が働き、き裂が押しつぶされる。すると見かけ上、疲労強度7

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金属材料の不具合紹介が向上したように見えてしまう。当初は 18,000 回のフライトまでは疲労き裂が発生しないだろうと考えられていたが、1,230 回のフライトをした機体の内圧試験を実施したところ、わずか 1,830 回の試験で疲労き裂が発生した。実際のフライトと合わせて 3,060 回である。墜落した機体が 1,290 回、900 回のフライトだったため、墜落の原因が疲労破壊であるとみなされた2）。
この事故以降、航空機の試験方法や設計が大きく見直された。内圧試験と圧力試験は別の機体で行わなければならないこと、窓枠は必ず丸くして角をつけてはならないこと、一つの構造が壊れても別の機構が働くフェイルセーフという設計思想が取り入れられたことなどである。

1.1.4

1940 年

タコマナローズ橋の崩壊

タコマナローズ橋は、アメリカ・ワシントン州の海峡タコマナローズに架かる吊り橋である。橋の中央スパンは 853 m、幅は車道と歩道合わせて 11.9 m であり、長さに対して幅は狭かった。1940 年 3 月 9 日に完成して、7 月 1 日に開通した。しかし、完成直後から風が吹く度に橋が大きく揺れることで話題になっていた。そのため風洞実験などの解析調査が行われていた。
11 月 7 日、 橋が大きく揺れていたため、 ワシントン大学の研究チームが16 mm フィルムで撮影を行った。橋桁はまず上下方向に毎分 36 サイクルで振動した。その後風速 19 m/s となり、橋桁がねじれるように毎分 14 サイクルの振動を起こした。その模式図を図 1.6 に示す。その揺れが 1 時間ほど続いた後

a） 上下の曲げ振動b） ねじれ振動

図 1.6836サイクル/分14サイクル/分

タコマナローズ橋の崩落

1.2

金属不具合の種類

で、橋桁がちぎれて崩落した。この時の崩落の映像がインターネットでも閲覧できるので、興味のある方はご覧いただきたい2）4）。橋の崩落時に、通行人や観察していた技術者などはみな陸上へ避難しており、人的被害はなかった。研究チームが橋が大きく振動している姿から崩落までを全て映像として記録していたため、風によって橋が振動することについて技術的知見が得られた。
橋の断面形状は H 型をしていたが、これが強度的に不足しており、たわみやねじれを起こしてしまったことが、原因の一つとして考えられる。しかし、一番の原因は横風が発生した時の自励振動であった。自励振動とは、風や気流のように直接的に振動とは関係のない種類の力の影響を受けた時に、構造物自体の特性によって振動の力に変換され、振動現象を引き起こすことである。発生のメカニズムは、まず風が吹いた時に渦が形成され橋桁が振動する。その後、橋桁が振動することによって新たな渦が形成され、橋桁を大きく振動させる。
現在の橋では強度を増して補強するトラス形にするか、風を受け流すために断面形状を翼形にするという対策が取られている。
リバティ船、コメット、タコマナローズ橋は、工学的な失敗を教訓に技術が発達した例としてよく言及されるので、本書でも取り上げた。技術の発達によりこのような事故は減少したが、完全にゼロにすることは難しい。設計者は金属材料の不具合によって事故が起こりうることを常に意識しなければならない。

1.2

金属不具合の種類

金属材料・機械部品の大きな不具合として、疲労、摩耗、腐食の 3 種類がある。疲労とはコメット墜落の時に述べたように繰返し応力負荷によって小さな割れが進展して、最終的に構造物が破壊することである。摩耗は歯車やベアリングのように 2 つの部品が面で接触しながら、厚さが徐々に減少していき、小さな割れから面剥離などを起こすことである。腐食とは水や塩化物イオンなどによって化学的に溶解していき、板厚減少や局部的な腐食から割れなどが起こることである。これらはいずれも、時間の経過とともに小さな割れがゆっくり
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金属材料の不具合紹介進行して、ある日破壊などの大きな事故を引き起こすことがある。
いずれの場合も起点となる小さな割れの発生から不具合は起こる。ほとんどの場合、材料的・機械的に弱い箇所（不純物介在物の偏析、溶接欠陥、応力集中など）を起点として発生する。しかし、実際の構造物では、このような箇所は一か所ではなく、複数存在することもある。その場合、どこを起点として割れが発生するかを予想するのは困難である。起点となりそうな箇所を全てチェックするしかない。日常点検ではまず目視検査を行うが、目視で割れが確認できないことも多い。表面や内部の割れ・欠陥の検査方法として、カラーチェッ
クや超音波検査などの非破壊試験がある。

1.3

不具合の被害・損失

建築物や自動車などの金属部品が不具合を起こした時の被害として、人的被害や多額の損害賠償が起こることは容易に想像できる。一方で、不具合が起こる前にリコールを起こす企業も近年多く見られる。リコール処理をすれば人的被害は未然に防げるが、経済的損失は免れない。しかし、事前に対策をとることで企業の社会的信用を保つことができる。また製造物責任法（PL 法）では、製品の安全性に不具合があると証明されれば、損害賠償の対象になる。
現代においても製品不具合を根絶することは困難であり、事故やリコールなどのニュースは度々見られる。設計技術者の責任が問われるのは、不具合内容を予想できたか、不具合を回避する設計がなされていたか、使用方法の解説、注意事項の説明などが行われていたか、などについてである。製造に関しては、図面・仕様書通りに製造できなかった時に何が起こるのかを把握していたか、なぜその図面・仕様書通りに製造する必要があるのかを認識していたか、などについてである。そして、大きな事故はたった一つの不具合から発生することよりも、多くの不具合が複合的に絡みあって起こることが多い。そこには技術的な側面だけでなく、不具合対応に取り組む組織的な側面も大きく影響する。

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