疲労限度
繰返し応力の応力振幅が同じでも、平均応力の有無によって疲労限度の値は変わってくる。疲労限度(応力振幅)と平均応力の関係を示したものを疲労限度線図(fatigue limit diagram)あるいは耐久限度線図と呼ぶ。平均応力による疲労限度への影響を表す線図には、次のようにいくつかの種類がある。
Haighの方法:横軸に平均応力、縦軸に応力振幅を取る線図
Smithの方法:横軸に平均応力、縦軸に最大応力と最小応力を取る線図
Goodmanの方法:横軸に最小応力、縦軸に最大応力を取る線図
一般に、引張りの平均応力が加わると疲労限度は低下し、圧縮の平均応力が加わると疲労限度は上昇する傾向にある。そのため疲労限度線図は右下がりの曲線となり、いくつかの予測式が提案されている。
適用範囲の下限を考えると、 a r e a {\displaystyle {\sqrt {area}}} が小さくなっていくと、(5)式の計算上の疲労限度は微小欠陥を持たない平滑材疲労限度 σw0 を超えてしまうが、当然そうはならずに a r e a {\displaystyle {\sqrt {area}}} が小さくなってもσwは最大で σw0 で打ち切りと考える。上式は低炭素鋼、高炭素鋼、黄銅、アルミ合金、ステンレス鋼の疲労試験結果に基づき考案されたものである。上式は√areaパラメータモデルとも呼ばれる。
平均応力が存在し、その効果を考慮する場合は次の式による。
σ w = A H v + 120 ( a r e a ) 1 / 6 ( 1 − R 2 ) α {\displaystyle \sigma _{w}=A{\frac {Hv+120}{({\sqrt {area}})^{1/6}}}\left({\frac {1-R}{2}}\right)^{\alpha }} ... (6)
ここで、α は材料定数である。さらに、α についてもその材料のビッカース硬さを利用して、次の実験式が提案されている。
α = 0.226 + H v × 10 − 4 {\displaystyle \alpha =0.226+Hv\times 10^{-4}} ... (7)
(6)、(7)式に関しては、硬い材料と柔らかい材料の代表として、マルエージング鋼と低炭素鋼S10Cの2種類の材料の試験結果を基に導出されている。