疲労 (材料)
疲労を引き起こす応力の中で、応力振幅、平均応力が一定の周期的な応力を繰返し応力(repeated stress)、繰返し応力を引き起こす荷重を繰返し荷重と呼ぶ。疲労の試験では実現の容易さのため、繰返し応力を正弦波の応力波形を与えて材料の疲労特性を試験することが多い。このような繰り返し応力を受ける実際の機械構造物としては、一定荷重を支えて走行する車軸などがある。以下に繰返し応力の重要因子を示す。
σmax:最大応力
σmin:最少応力
Δσ:応力範囲(=σmax - σmin)
σa:応力振幅(=Δσ/2)
σm:平均応力(=(σmax + σmin)/2)
R:応力比(=σmin / σmax)
N:繰り返し数
f:周波数
特に、R = -1のときを両振り応力、R = 0のときを片振り引張応力、R = -∞のときを片振り圧縮応力と呼ぶ。
1989年:ユナイテッド航空232便不時着事故(エンジンファンの破損)
部品を製造した直後から割れが進行していたにもかかわらず検査によって検出できなかった。
1992年:エル・アル航空1862便墜落事故(エンジン接続ピンの破損)
1994年:韓国聖水大橋崩落事故(鋼材接続ピンおよび溶接部の破損)
検査によって溶接不良を確認していたにもかかわらず放置され、交通量の増大によって急激に疲労が進んでしまった。
1998年:エシェデ鉄道事故
ドイツ高速列車ICEが時速200キロメートルで走行中に脱線し、101名の死者を出した事故となった。原因は弾性車輪の外輪と呼ばれる鉄製タイヤ部分の疲労破壊によるものであった。
2002年:チャイナエアライン611便空中分解事故(機体スキンの破損)
2007年 :エキスポランド ジェットコースター横転事故(車軸の破損)
Morin)が郵便馬車の車軸について、走行距離が7万キロメートルを越えると破壊が始まることから、この距離を走行した時点で点検・交換することを指示した記録が残されている。これが疲労破壊に対する予防保全の最初の例である。
1856年から1869年にかけて、ドイツの技術者であったアウグスト・ヴェーラー(August Wöhler)は、自ら回転曲げ疲労試験機を作り出し、鉄道用車軸を使って疲労実験を繰り返し、疲労を科学的に分析した。その結果、S-N曲線により疲労破壊特性を整理可能なことを発見した。1870年、ヴェーラーは、車輪に10回程度振動を繰り返した後は、どれだけ回数を繰り返しても耐久応力が下がらず、永久に耐え続けられるある一定の応力があることを発表した。このことをヴェーラー自身は耐久限度(Endurance limit)と呼んでいたが、後に疲労限度と呼ばれるものと全く同じである。
1963年、ポール・パリス(Paul Paris)らにより、き裂の繰返し荷重1サイクル当たりの進展速度(da/dN)が応力拡大係数で整理でき、進展速度を予測可能であることが発表された。1971年、ウォルフ・エルバー(Wolf Elber)により、き裂先端部の局所的塑性変形により引張荷重下でもき裂が閉じるき裂閉口現象の発生機構とその重要性について発表された。
物質・材料研究機構は2022年(令和4年)10月28日、これまで初期と後期で判明していた疲労破壊が生じる亀裂について、中期も初期と同様に結晶内のすべり面に沿って亀裂が進むことを明らかにした。