疲労限度
疲労試験で使用される試験片において、試験部に後述の切欠きが存在しない試験片のことを平滑材 (smooth specimen) あるいは平滑試験片と呼ぶ。平滑材の疲労限度は、引張強さや硬さなどの材料特性とある範囲内で良い相関がある。材料の引張強さから平滑材の疲労限度を予測する式として、鉄鋼材料については経験的な次の式が知られている。
σ w 0 = 0.5 σ B {\displaystyle \sigma _{w0}=0.5\sigma _{B}} ... (1)
ここで、σw0 : 平滑材の疲労限度、σB : 引張強さ。実際には、引張強さの035 - 0.6倍程度の範囲となる。
ビッカース硬さによる予測式としては、次式が知られている。
σ w 0 = 1.6 H v {\displaystyle \sigma _{w0}=1.6Hv} ... (2)
ここで、σw0 : 平滑材の疲労限度[MPa]、Hv : ビッカース硬さ[kg/mm]。ただし、(2)式の有効範囲はHv= 400程度までで、それ以上では疲労限度の過大評価となる。(1)式も、σB が高くなると同様に過大評価となる。これは、低強度材ではほとんど影響を与えていないような微小な欠陥や材料中の介在物が、高強度材料には悪影響を与えて、その疲労限度を低下させるからである。したがって、製造方法の改善などにより微小欠陥や介在物を小さくしていけば疲労限度は向上し、十分な精度で(2)式が成立する Hv の範囲が広がる。
機械部品などは穴や段などの何らかの形状変化部を有しており、疲労破壊が発生するときはそのような形状変化部から発生する場合が非常に多い。このような形状変化部では応力集中が発生しており、平滑部に比べて応力が高くなる。このような応力集中が発生する形状変化部を切欠き(notch)と総称し、切欠きにより疲労限度が低下する現象を切欠き効果(notch effect)と呼ぶ。この疲労限度の低下率を表す係数として次の切欠き係数(fatigue notch factor)が定義される。
β = σ w 0 σ w k {\displaystyle \beta ={\frac {\sigma _{w0}}{\sigma _{wk}}}} ... (3)
ここで、β あるいは Kf : 切欠き係数、σw0 : 平滑材の疲労限度、σWK : 切欠き材の疲労限度。'β は材料の機械的性質、荷重形式、対象物の形状、絶対寸法などに影響を受ける。
また、破断起点となる切欠きの弾性応力集中係数と切欠き係数を用いて、切欠きに対する敏感さを表すために次の切欠き感度係数(notch sensitivity factor)が用いられることがある。
形状が相似でも、寸法の絶対値が大きいほど疲労限度が低下する場合がある。これを寸法効果(size effect)と呼ぶ。寸法効果の原因は次の2つに分類される。