J. Plasma Fusion Res. Vol.91, No.6 (2015)３
９５‐４０１

講座 核融合構造材料における機械的特性の評価法とデータ解析

３．疲労試験の試験手法とデータ解析の実例
3. Methods and Data Analysis Example of Fatigue Tests
野上修平
NOGAMI Shuhei
東北大学大学院工学研究科量子エネルギー工学専攻（原稿受付：２
０
１
５年４月１
４日）

核融合炉の設計・運用においては，装置の起動停止やプラズマの繰返し照射などにより疲労損傷が導入されることが想定されるため，疲労寿命を精度よく評価することが重要である．疲労とは，一回の負荷では破断に至らない程度の荷重が材料に繰返し負荷されることにより，材料内に微小なき裂が発生し，それが成長して破断に至る損傷である．疲労寿命は，負荷された応力・ひずみ振幅と破損繰返し数の関係を規格試験片による疲労試験
によりデータベース化し，それと実構造物における発生応力・ひずみを比較することにより，一般に評価される．
本章では，主に低サイクル疲労を対象に，標準的な試験法を解説しながら，疲労試験の結果として求められる疲
労限度や寿命予測式等について解説する．試験法の解説においては，試験片の微小化などの核融合炉特有の課題と展望についても記述する．
Keywords:
fatigue, fatigue life, fatigue limit, S-N curve, !-N curve, hysteresis curve, Coffin-Manson's law,
Manson's universal slope method, small specimen test technique３．
１ 疲労現象その重要性を理解することが望まれる．本報では，その理

３．
１．
１ 疲労現象とその重要性解の一助として，一般的な疲労試験の試験手法とデータ解

全ての材料は，それぞれ特有の強度（強さ）を有してお析の実例，核融合炉材料の評価における課題などについて

り，強度以上の応力（負荷された荷重を，それを負担する

概説する．

面積で除した値）が負荷されたとき，一般的に材料は破壊

３．
１．
２ 疲労寿命とそれに至る損傷過程

する．しかし，この強度より小さな応力でも，それを繰返

構造物の「寿命」を決定する因子は様々あるが，疲労損し負荷した場合に材料が破壊することがある．このような傷の観点からは，「疲労寿命（fatigue life），!!」として取現象を疲労（fatigue）と呼ぶ．

り扱われる．疲労寿命は，構造物の中で疲労損傷を受ける

日本機械学会の技術資料によれば，構造物の破損・破壊部位にいわゆる規格試験片を想定し，その試験片が実構造の多くが，疲労により引き起こされている［１］．古くは鉄物と同等の繰返し負荷を受け破断した際の繰返し数，つま

道車両の車軸の折損事故や，１９５０年代に起こったジェットり，試験片の「破損繰返し数（number of cycles to failure）

旅客機コメット機の墜落事故，最近では１９９０年代後半に起で定義されるのが一般的である［３］．しかし，疲労損傷過こった高速増殖炉「もんじゅ」のナトリウム漏えい事故や，程においては，この寿命に至るまでに様々な現象が生じてHII ロケット打ち上げ失敗などにおいて，機器の疲労破壊

おり，大きくは，き裂が発生するまでの過程と，発生したが不具合の原因の一つと指摘されている［２］．

き裂が進展する過程に分けられる［３］．よって，疲労寿命

このように，古くから構造物の健全性を判断する上で重はそれらの過程を包含した巨視き裂の発生寿命ともいえる要とされている疲労現象であるが，その使用条件が科学技［３］．したがって，材料や構造による疲労寿命の相違の理術の発達とともに複雑かつ過酷になっていることと，疲労解や，それらの長寿命化を図るためには，疲労寿命のみな現象そのものの潜在的な複雑さから，その設計や運用におらず，き裂が発生するまでの過程と発生したき裂が進展すいて今なお最も重視すべき材料の損傷・劣化事象の一つでる過程それぞれの詳細なメカニズムを理解することが重要あることに変わりはない．よって，今後ますます開発が進である．図１は，Forsyth によって示された高力アルミニ

展し，構造強度に関する健全性の評価や，機器としての長ウム合金における疲労損傷過程の模式図である［４］．初期

寿命化などが厳しく要求されることになる核融合炉においのすべり帯発生，入込みや突出しなどの表面形状変化，きても，疲労損傷の理解と，設計および保全への反映は不可裂の発生から進展への遷移，巨視き裂進展に伴う断面減少

欠であり，まずは，開発に関わる全ての研究者，技術者がによる静的最終破断と，疲労損傷過程が詳細に示されておTohoku University, Sendai, MIYAGI 980-8579, Japanauthor’s e-mail: shuhei.nogami@gse.tohoku.ac.jp

３９５!2015 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.91, No.6 June 2015

図１

高力アルミニウム合金の疲労損傷過程の模式図［４］．

り，現状でも，一般的な金属の疲労損傷過程は，この理解が広く適用されている［３］．
３．
１．
３ S-N 曲線と疲労限度および疲労の分類
図２

疲労寿命とそれに至る損傷過程の理解のため，材料の疲

繰返し応力負荷の模式図．

労試験が行われる．基本的な疲労試験では，図２のように，
繰返し応力を規格試験片に負荷し，破損繰返し数（あるいは疲労寿命）を求めるのが一般的である［５］．疲労試験の試
験条件は，１サイクル中の応力の最大値 #%"'，最小値 #%$&，
応 力 振 幅 #"（#$!
#%"'!#%$&%!）ま た は 応 力 範 囲 "#（##%"'!#%$&），平均応力 #%（#$!
#%"'"#%$&%!）および応#%"'）で特徴づけられる［５］．疲労試験の結力比 "（##%$&!
果は，図３のように，縦軸に #"または "#の対数を，横軸に !#の対数をとって表すことが多く，これを S-N 曲線という［５］．
一般的な材料では，負荷する応力が小さくなるほど疲労
寿命は長くなるため，S-N 曲線は右肩下がりの曲線となる［３］．しかし，一部の材料では，ある一定の負荷応力を下回ると繰返し数によらず材料は破断しなくなる［３］．つまり，図３に示すように，S-N 曲線は屈曲し，それ以降は横軸に

図３

対して水平な線となる．この破断しなくなる最大の応力をS-N 曲線の模式図．

「疲労限度（fatigue limit）」と呼ぶ［３］．構造物の設計においては，発生応力を疲労限度以下にすることで，疲労の観の降伏応力を超えるため，材用は塑性変形する．降伏応力点での構造信頼性が担保されるという考え方がある．ただ後の応力‐ひずみ関係は，弾性変形領域と異なり非線形性

し，疲労限度以下においても疲労損傷の発端であるすべりを有するため，低サイクル疲労試験を応力制御（定応力）帯や，場合によっては微小き裂も発生していることが知らで実施するか，ひずみ制御（定ひずみ）で実施するかにれていることから，疲労限度は微小き裂発生のしきい応力

よって，得られる疲労寿命などの結果は異なる場合が多い

ではなく，微小き裂進展のしきい応力と理解するほうが保［３］．よって，低サイクル疲労試験をひずみ制御で実施す

守的かつ安全側であると考えられる［３］．なお，次節でもる場合には，縦軸を応力とする S-N 曲線の代わりに，縦軸触れるが，疲労試験は負荷方式に応じて複数の種類があをひずみとする ε-N 曲線で結果を評価するのが一般的であり，一般的に疲労限度の値はこの負荷方式に依存することる［５］．

を注意することが必要である［３］．
３．
１．
４ 疲労の分類３．
２ 疲労試験法とその規格

破損繰返し数１
０４から１０５回程度を境に，それ以上の場合

疲労試験は負荷方式に応じて複数の種類がある．現在もを高サイクル疲労（high cycle fatigue，HCF と略す場合も評価に使用されている代表的なものとしては，引張圧縮疲ある），それ以下の場合を低サイクル疲労（low cycle fa-

労試験，回転曲げ疲労試験，平板曲げ疲労試験，ねじり疲

tigue，LCF と略す場合もある）あるいは塑性疲労と呼ぶ

労試験，組合せ応力疲労試験などがある．歴史的には，車［５］．また，詳細は割愛するが，１０７回以上の疲労は特有の軸の疲労破壊をきっかけに疲労試験が重視された経緯があ損傷過程をた ど る 場 合 が あ り，特 に 超 高 サ イ ク ル疲労るため，回転曲げ疲労試験と呼ばれる曲げモーメントを受（very high cycle fatigue）あるいはギガサイクル疲労（giga

けながら試験片を回転させる疲労試験法の適用事例が比較-cycle fatigue）と呼ばれる．

的多い［６］．しかし，材料の疲労寿命を評価する上で最も低サイクル疲労では，疲労試験における負荷応力が材料

基本的かつ汎用性のある疲労試験は引張圧縮疲労試験であ３９６

Lecture Note

3. Methods and Data Analysis Example of Fatigue Tests

S. Nogami

り，現在でも多くの分野で適用されている［６］．
疲労試験に関する JIS の規格としては，繰返し数１０４回以上の疲労寿命を対象として室温大気中で行う標準試験片による金属材料の疲労試験方法について規定した，
Z２
２７３「金属材料の疲れ試験方法通則」
Z２
２７４「金属材料の回転曲げ疲れ試験方法」
Z２
２７５「金属材料の平面曲げ疲れ試験方法」
があり，用語の意味，試験片，試験機，試験方法，試験結果の取扱いが定められている．これらに加えて金属材料を対象とした規格としては，試験温度や負荷条件などに応じて，
Z２
２７８「金属材料の熱疲労試験方法」
Z２
２７９「金属材料の高温低サイクル疲労試験方法」

図４

高温低サイクル疲労試験機の構成の模式図．

Z２２８３「金属材料の液体ヘリウム中の低サイクル疲労試
験方法」

法，温度計測方法，負荷方法など）のそれぞれに対する配Z２
２８６「金属材料の高温回転曲げ疲労試験方法」

慮を充分施す必要がある．また，試験により得られた結果などもある．さらには，ファインセラミックスに特化したは，破損繰返し数などを定義に則って求め，整理すること

疲労に関連する規格として，以下に示すようなものもあが必要である．
次項からは，その中でも JIS 等の規格には詳細が記述さる．

れておらず，これから疲労試験を実施しようとする研究者

R１６２１「ファインセラミックスの室温曲げ疲労試験方法」

や技術者の方が留意すべき事項として，試験片，変位計測

R１６５８「ファインセラミックスの高温曲げ疲労試験方法」

装置，試験片の温度測定方法および試験結果の解析についR１
６７７「ファインセラミックス多孔体の室温曲げ疲労試て概説する．なお，これらの説明は，試験雰囲気は一定温

験方法」

度下の大気雰囲気，負荷は試験片軸方向の単軸負荷，制御

R１
６９２「ファインセラミックス基板の熱疲労試験方法」

方式はひずみ制御（定ひずみ振幅制御）とした，金属材料

次節以降では，種々の発電機器において重要視されていを対象とした引張圧縮高温低サイクル疲労試験のみを想定

る高温低サイクル疲労を対象とした試験方法に関して，材したものであり，標準的ではあるものの限定された条件に

料学会高温部門委員会により提唱されている試験法標準

おける疲労試験法についての説明であることを理解された［７］の一部を参照しながら，疲労試験に精通していない研い．よって，核融合炉材料では多用される真空中試験特有

究者や技術者が特に注意を要する点や，核融合材料の評価の課題，配管材料などで考慮すべき環境中疲労試験特有のに特有な事柄を中心に概説する．

課題，核融合炉機器において高温低サイクル疲労以外に想定される熱疲労試験や高サイクル疲労試験などの特有の課

３．
３ 標準的な高温低サイクル疲労試験法

題，セラミックス材料をはじめとする非金属材料の試験特３．
３．
１ はじめに有の課題については割愛する．
３．
３．
２ 試験片

高温低サイクル疲労試験とは，円形や矩形の断面の試験部を有する試験片を使用し，その試験部を外部から加熱し高温低サイクル疲労試験では，試験部（標点部とも呼ぶ）て一定の温度に保ち，治具を介して試験片と連結された負に平行部を有する中実丸棒型試験片を採用する場合が多荷装置（アクチュエータ）により機械的に繰返し応力や繰く，一部では，試験部が連続的に曲率を有する中実砂時型

返しひずみを試験片に加える疲労試験のことである．試験

試験片や試験部断面が矩形の板型試験片も採用される．

機にはロードセルが取り付けられ，試験中の荷重はロード

図５に，典型的な中実丸棒型試験片および中実砂時型試験

セルにより計測される．試験片には変位計測装置が取り付

片の外観写真を示す．中実丸棒型試験片の形状は，試験部

けられ，計測された変位を基準にひずみが算出される．ひ

断面の直径を基準に，試験部の長さや試験部縁部の曲率半ずみ制御試験においては，変位計測装置の計測結果が制御径を規定する場合が多く，中実砂時型試験片の形状は，試系にフィードバックされることにより，一定のひずみの繰

験部の最小断面の直径を基準に，砂時計型をした試験部の返し負荷が実現される．

曲率半径を規定する場合が多い．なお，中実砂時型試験片

図４に，高温低サイクル疲労試験のための試験機およびについては，中実丸棒型試験片に比べて座屈が生じにく

制御系の代表的な基本構成を模式図で示す．JIS などでもく，き裂発生位置が限定されるなどの利点があるが，一方規定されているように，高温低サイクル疲労試験においてで，中実丸棒型試験片と異なる疲労寿命を示す場合がある

は，試験片の形状や加工方法，試験機（負荷装置，ひずみとの報告もあるため，使用にあたっては注意が必要である

計測装置，加熱装置など），試験方法（試験片の取付け方［８‐１１］．
３９７

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.91, No.6 June 2015

制御試験において，試験中に試験片からロッドが外れた場
合には，試験の制御は不能となり，負荷装置が暴走してしまう可能性がある．また，ひずみ計測・制御精度の観点では，２本のロッドの間隔を，予め設定された標点間距離（G.L.; gauge length）に合わせることが重要である．一般的な定義から，試験片軸方向のひずみは，変位計測装置の初期の値であるロッドの間隔（!!）と，同装置で試験中に計測された変位（!!!!!または !!）から求められる．一方
で，実際の試験においては，G.L.は予め制御系などで設定されており，試験中に検出された !!と G.L.を用いてひずみを算出し，試験が制御されることから，G.L.と !!が一致していることが前提となっている．したがって，それらが大きく乖離した状態で変位計測装置を取り付けると，ひず
図５

みの値の精度は大幅に低下する．

疲労試験片の外観写真．

最後に，中実砂時型試験片についてはその軸方向ひずみ
前述のとおり，疲労損傷過程においては，そのすべり帯を測定することはできないため，試験部の最小断面の径方

や入込み・突出しの形成，き裂の発生に至るまで，材料の向ひずみを測定し，軸方向ひずみに換算することにより，表面における性状変化が大きな役割を担っている．よっひずみ制御の試験が行われる．径方向のひずみの測定にて，疲労試験に使用する試験片の試験部の表面仕上げの状は，レーザ変位計などが使用される．しかし，径方向ひず

態は，試験結果に大きな影響を与える．したがって，試験みから軸方向ひずみへの換算式については議論があり，前部の表面は，充分に研磨を施し，傷や加工層などを除去す

述の中実丸棒型試験片との疲労寿命の違いに影響を与えてることが重要である．特に，引張圧縮試験に代表される軸いる可能性があることに注意が必要である［８‐１１］．

力試験では，研磨由来の残存傷が試験によるき裂発生を促

３．
３．
４ 試験片の温度測定方法

進することを抑制するため，慣例的に，応力・ひずみ負荷

長時間の安定性が求められる高温低サイクル疲労試験で方向と平行な方向に研磨をすることが良いとされている．

の試験片の温度測定においては，熱電対の使用が最も簡便

最後に，核融合炉機器の構造材料の中には，運転中に中かつ精度が高いといえる．熱電対による温度測定として性子の照射を受けるものがある．それら構造材料の本質的は，熱電対素線の先端を疲労試験片の試験部に接触させ，な疲労寿命を明らかにするためには，中性子照射材の疲労固定することが望ましく，その固定手段としては溶接が最寿命を評価することが必要である．中性子照射後の疲労寿も簡便かつ信頼性が高い．しかし，溶接熱影響や溶融によ命の評価においては，試験片を試験用軽水炉などに装てん

り，溶接部およびその周辺は，試験片の素材そのものの組して中性子を照射し，その後炉外で疲労試験を実施する．

織から改質され，き裂発生挙動などの疲労特性も変化して

この際，試験炉中で試験片を装てんできる容量が限られてしまう場合がある．また，当該部位は応力集中が生じるたいることや，照射による誘導放射能が照射後試験の妨げにめ，場合によってはき裂の発生源となってしまう恐れもあなることから，試験片を小型化する場合がある．ここで注る．このような懸念を回避するため，図６に示すように，

意すべきは，JIS などで規定されている疲労試験法は，こう試験部に熱電対を溶接せずに，試験部縁部の曲率を有する

いった小型化された試験片は考慮されていないことであ部位に溶接することがある．ただし，試験片の加熱方法にる．例えば JIS Z ２２７９では，中実丸棒型試験片の試験部断面直径は 6 mm 以上とされている．
３．
３．
３ 変位計測装置
中実丸棒型試験片を用いた高温低サイクル疲労試験片に適用される変位計測装置の代表例を図６に示す．アルミナなどの高温での使用が可能な材料で製作された，先端の尖った２本のロッドを試験片に押し付け固定し，そのロッド間の距離の変化を種々の方式で検出することにより，疲
労試験中の試験部の軸方向の変位を計測する．変位検出の方式としては，ひずみゲージ式，静電容量式および差動ト
ランス式などがあるが，ここでは詳細は割愛する．
この方式の変位計測装置は，比較的原理および構造が簡単で，計測精度も高い反面，取付けには熟練を要する．試
験片への取付けにおいては，双方のロッドを確実に試験片に押し付け，また，その押し付け力の均衡を図ることが重図６要である．変位計測装置で計測された変位に基づくひずみ
３９８

高温低サイクル疲労試験における試験片，変位計測装置，
加熱装置と熱電対の取付け状態の外観写真．

Lecture Note

3. Methods and Data Analysis Example of Fatigue Tests

S. Nogami

もよるが，この場合には試験部と当該部位の温度が異なる

図８は，筆者らによって取得された低放射化フェライト可能性があるため，予め両者の温度の相関を調べた上で，

鋼 F８
２H のひずみ制御での低サイクル疲労試験により得らその関係を基に実際の疲労試験における試験温度制御をすれた繰返し負荷毎の引張ピーク応力 $)$#&と繰返し数 ! の関係の一例である．引張ピーク応力 $)$#&は，前述のヒステ

ると良い．
熱電対以外の温度測定の方法としては，赤外線放射温度

リシスカーブにおける引張側の最大応力である．一般的計を用いた方法がある．赤外線放射温度計の大きな特徴とに，製造過程において焼きなましを施された材料は繰返し

して非接触で温度測定ができる点があり，例えば真空中で負荷にともなうピーク応力の増加（繰返し硬化）が生じ，の疲労試験においては真空チャンバーの外からの計測がで

冷間加工や熱処理硬化を施された材料は繰返しにともなうき，また熱電対の溶接ができないような材料や試験片に対ピーク応力の低下（繰返し軟化）が生じる［３］．低放射化しても有効である．ただし，測定精度を確保するためには，

フェライト鋼 F８２H は，図８でもわかるとおり，繰返し軟

測定対象の放射率を正確に求めた上で温度測定することが化を示す材料である．材料学会および溶接協会により提唱必要であり，熱電対に比べるとその精度の保証に工夫が必されている定義では，「引張ピーク応力が最大または定常要である．

となったときの値の４分の３に低下（２５％低下）するまで

３．
３．
５ 試験結果の解析の繰返し数」を破損繰返し数としている．この破損繰返し
数を他と区別するため !!"と記述する場合もある．図８に①ヒステリシスカーブの解釈
図７に，低サイクル疲労試験における典型的な繰返し応示すとおり，低放射化フェライト鋼 F８
２H は繰返し初期の力‐ひずみ関係（ヒステリシスカーブ）の模式図を示す．こ急峻な引張応力の低下の後，定常的に低下する期間があのヒステリシスカーブから，個別の疲労試験の試験条件やり，最後にき裂開口などにともなう引張ピーク応力の急峻試験結果を示すパラメータとして，応力振幅 $#，応力範囲な低下が見られる．この試験において，いわゆる破断寿命$'#+），ひずみ$#），平均応力 $'，応力比 "（"$'%(!
（"!
"$
#
#
振幅 #
，塑性ひずみ振幅，弾性ひずみ振幅#)#$#，全ひず

数 !の関係のグラフから求めた破損繰返し数 !!"は約３２２０##
み範囲 "#（"!
（"!
#），塑性ひずみ範囲 "#)#），弾性ひ)*回となる．

は約３６００回であるのに対し，引張ピーク応力 $)$#&と繰返し#
ずみ範囲 "#（"!
$#）などが求められ，次項以降の各種解$

最後に，上述のように規格等では破損繰返し数の定義を

析や寿命予測式の構築に用いられる［５］．

提唱しているものの，個別の研究論文などにおいては，必②破損繰返し数の導出

ずしもこういった定義に即さない方法で寿命を導出した

ひずみ制御での低サイクル疲労試験では，最終的に試験り，もしくは破損繰返し数の導出方法を明記していないま

片が破断せずに試験が終了することなどを考慮し，いわゆ

ま公開している場合も散見されるため，それら公開データ

る試験片破断時の繰返し数（破断寿命）ではなく，繰返しの引用の際には充分注意が必要であると考えられる．

に伴うピーク応力や荷重範囲の低下挙動に基づき破損繰返③ひずみ‐破断繰返し数関係
低サイクル疲労は，塑性疲労とも呼ばれるように，塑性

し数を導出することが多い．JIS Z 2279 では，国内外の学協会によって提唱されている破損繰返し数の定義を列記してひずみ範囲（塑性ひずみ振幅）が疲労寿命などを支配するいる．その中で，本章では，我が国で広く用いられている［３］．したがって，試験における制御パラメータである全ひ材料学会および溶接協会により提唱されている定義についずみ範囲"#（""#)!"#$）を塑性ひずみ範囲と弾性ひずみ*て，核融合炉用低放射化フェライト鋼の実試験データを基

範囲の和と捉え，試験結果はそれぞれに対して解析するとに説明する．

より理解が進む．低サイクル疲労における塑性ひずみ範囲"#)と弾性ひずみ範囲 "#$に対しては，それぞれ Coffin と

図８
図７

ヒステリシスカーブの模式図．

３９９F82H の室温大気中低サイクル疲労試験におけるピーク応力と繰返し数の関係の一例．

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.91, No.6 June 2015

Manson および Basquin により下式が提唱されており，そた全ひずみ範囲と破損繰返し数の関係の予測式を提唱してれぞれ Coffin-Manson 則［１２，１３］と Basquin 則［１４］と呼ばれおり，共通勾配法を呼ばれている［１６］．

ている．
$*#) $!*，#%*#$(#) $!(．
#%
(#

!!
& !!!
"#
# &．
!
&'"
#%
"&
#!!!
%%
"%
+$$
)

（１）

（３）

ここで，&' は引張強さ，"はヤング率，は破断延性である．

（２）

最後に，Coffin-Manson 則と Basquin 則，Manson の共通

ここで，$*および !*は疲労延性に関する定数で，それぞれ

勾配法ともに，材料の疲労寿命を予測する上では非常に有疲労延性指数および疲労延性係数と呼ばれ，一方，$(およ効なツールといえる．ただし，これらは鉄鋼材料などの工び!(は疲労強度に関する定数で，それぞれ疲労強度指数お業的に成熟した材料を対象に研究が長年進められ，その有よび疲労強度係数と呼ばれる［３］．

効性が実証されている経緯もあるため，核融合炉材料はじ

図９は，低放射化フェライト鋼 F８２H の室温大気中におめ近年開発された特殊な材料に対しては，これら寿命則のけるひずみ制御の低サイクル疲労試験結果について，ヒス適用妥当性を十分精査してから使用することが必要である

テリシスカーブの解析により #%*および #%(と破損繰返しと考えられる．

数 #)（ここでは ##%）との関係をそれぞれ Coffin-Manson

３．
４ 核融合炉材料の評価における課題と展望

則と Basquin 則に基づき定式化し，両対数グラフに示したものである［１５］．前述のように，低放射化フェライト鋼

現在開発が進められている原型炉ブランケットにおいて

F８２H は繰返し軟化するため，ひずみ制御試験においては，運転初期のパルス運転モード時やディスラプション等

#%
*と #%
(は繰返しとともに変化す+は一定であるが，#%による疲労，冷却媒体流動による疲労など，さまざまな疲

る．このような場合，寿命中期，具体的には破損繰返し数

労が構造材料に生じることが想定される．よって，設計時の半分（#)"#）近傍におけるそれぞれの値を用いて結果をおよび供用中においては寿命評価が必要であるため，構造整理することが多く，ここでもその方法で求められてい

材料の疲労寿命データベースが不可欠となる．

る．図９でもわかるとおり，#%+!#)曲線は，高ひずみ条件

原型炉での使用が想定されている低放射化フェライト鋼（低サイクル条件）では Coffin-Manson 則の式に漸近し，低ひF８２H については，比較的多くの規格に則った室温試験

ずみ条件（高サイクル条件）では Basquin 則に漸近する［３］．

データが複数の機関によって取得されている．一方，高温④共通勾配法による寿命予測

データについては，かなり限定されたものしか現状では取いわゆる試験片を用いた低サイクル疲労試験における変得されていない．低放射化フェライト鋼を使用したブラン

位計測装置による測定や，実構造物を対象としたひずみ

ケットの最高使用温度は５５０℃が想定されているため，設ゲージなどによる測定で得られる情報は，塑性ひずみでは計マージンを考慮し，最高７００℃程度までの疲労寿命デー

なく全ひずみである［３］．したがって，前項のような塑性

タの整備と最適疲労設計曲線（S-N 曲線やひずみ‐破断繰返

ひずみや弾性ひずみ範囲に基づく寿命則ではなく，全ひず

し数の関係に対し，構造設計基準等に基づく安全率を考慮

み範囲に基づく寿命則のほうが実用上は望ましい．Man-

した曲線のこと．構造設計等においてはこの最適疲労設計

son は，引張試験などで得られる静的な機械的性質を用い曲線を用いて寿命評価することが多い）の構築が喫緊の課題と考えられる［１７］．
中性子照射を受ける核融合炉構造材料については，疲労
損傷挙動や疲労寿命に及ぼす中性子照射効果の評価が不可欠である．中性子照射効果の評価においては，研究用原子炉や加速器を用いた中性子源等の適用が有効であるが，いずれも照射体積が制限されることから微小試験片の適用が必要である．JIS などの既存の疲労試験規格においては，微小試験片は範疇に入っていないため，標準試験と同等の評価が可能であり，構造物の寿命予測に適用可能であることを，核融合コミュニティが先導して実証し，規格化などにより広く受け入れられる試験技術として確立することが必要とされる．
微小試験片を用いた疲労試験においては，試験片の形
状，サイズ，加工法，表面処理の最適化や，ひずみ計測の精度，照射材の試験を想定した遠隔制御性などが代表的な
技術開発課題として挙げられる．この中で，試験片のサイズに関しては，低放射化フェライト鋼 F82H で製作された

図９

F82H の室温大気中低サイクル疲労試験における全ひずみ
範囲，塑性ひずみ範囲および弾性ひずみ範囲と破損繰返し
数の関係［１５］．

試験部直径が 1 mm 程度の微小試験片を用いた室温大気中における低サイクル疲労試験において，標準試験片と同等の疲労寿命を取得可能であることが示された［１５］．しか４００

Lecture Note

3. Methods and Data Analysis Example of Fatigue Tests

S. Nogami

し，高温試験など，実機使用環境を想定した試験データに参考文献基づくその精度や妥当性などの検証はまだなされておら［１］日本機械学会：技術資料，機械・構造物の破損事例と解析技術（日本機械学会，１
９
８
４）．
［２］日本材料科学会編：先端材料シリーズ 寿命・余寿命
予測と材料（裳華房，２００６）．
［３］日本材料学会編：疲労設計便覧（養賢堂，２００５）．
［４］P.J.E. Forsyth, Acta Metal. 11, 703 (1963).
［５］日本材料学会編：改訂材料強度学（２００５）．
［６］日本材料学会編：改訂機械材料学（２０１１）．
［７］日本材料学会高温強度部門委員会編：高温低サイクル
疲労試験法標準，JSMS-SD-7-03（２００３）．
［８］T. Bui-Quoc and A. Biron, Exp. Mech. 18, 127 (1978).
［９］森野数博他：日本機械学会論文集 A60-571, 92 (1994).
［１０］幡中憲治，藤満達朗：日本機械 学 会 論 文 集 A52-484,
2566 (1986).
［１１］服部 博他：材料 35, 343 (1986).
［１２］L.F. Coffin, Trans. ASME 76, 931 (1954).
［１３］S.S. Manson, NACA Tech. Note 2933 (1953).
［１４］O.H. Basquin, Proc. ASTM 10, 625 (1910).
［１５］S. Nogami et al., J. Nucl. Mater. 441, 125 (2013).
［１６］S.S. Manson, Experimental Mechanics 5, 193 (1965).
７］芝 清之他：プラズマ・核融合学会誌 87, 187 (2011).
［１［１８］http://smds.nims.go.jp/fatigue/

ず，核融合炉構造材料用の微小試験片技術（small specimen test technique）として早期に確立し，中性子照射環境における疲労寿命予測に反映することが重要である［１６］．
最後に，疲労寿命などの信頼性の高いデータベースを整備するためには非常に長い時間とコストを必要とする．
よって，新たに全てのデータを取得し，核融合炉の設計に反映することは困難な場合も想定される．一方，規格化され，発電機器などで豊富な使用実績を有する鉄鋼材料を中心とした材料の疲労寿命等のデータは，例えば物質・材料研究機構においてデータベース化され，公開されており，
疲労データシートという形で入手も可能である［１８］．例えば低放射化フェライト鋼については，それに近い材料のデータベースは概ね完備されているといえるため，材料学的な観点からそれらのデータの適用性を確認した上で参照することも，一つの合理的な取組みと考えられる．

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のがみ しゅう へい

野 上 修 平東北大学大学院工学研究科量子エネルギー工学専攻准教授．日立製作所において発電
機器の構造信頼性に関する研究に従事した
後，現在の職に移り，鉄鋼材料やセラミッ
クス複合材料を対象に，疲労などの機械特性に及ぼす中性子照射の影響評価と，その評価技術の高度化に向けた研究開発に従事．自分自身の疲労が疲労研究の進捗に勝らないようにするのが永遠のテーマ．

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