疲労 (材料)
疲労(ひろう、Fatigue)は、物体が力学的応力を継続的に、あるいは繰り返し受けた場合にその物体の機械材料としての強度が低下する現象。金属で発生するものは金属疲労(Metal fatigue)として一般に知られているが、金属だけではなく樹脂やガラス、セラミックスでも起こり得る。また、力学的応力だけではなく電圧や温度の継続的または繰り返し負荷によって絶縁耐力や耐熱性が低下する現象を指すこともあるが一般的ではない。こちらはむしろ経年劣化と呼ぶ。
疲労が原因として関与した事故の内、特に歴史的に有名な例を示す。
1842年:ヴェルサイユ列車事故(車軸の破損)
1954年:コメット連続墜落事故
機体設計時に疲労試験を行っていたが、強度試験をした機体で疲労試験も行ってしまったため応力集中部が塑性硬化を起こし、疲労強度が大きくなり、実際の使用条件に対して寿命を1桁大きく見積もってしまった。
1980年:北海油田の石油プラットフォーム「アレクサンダーキーランド」の転覆事故(構造体溶接部の破損)
溶接部の疲労試験も点検も行っていなかった。
1985年:日本航空123便墜落事故
日本航空によって運行されていたボーイング747SR型機が墜落し、死者520名を出し、過去最悪の航空機事故となった。直接の原因は圧力隔壁の疲労破壊で、同箇所の事故以前に行われたボーイング社の修理が適切ではなかったため疲労破壊発生に至った。
高サイクル疲労のような低ひずみ疲労には、次のバスキン則(Basquin rule)がある。
Δ ε e N a = C e {\displaystyle \Delta \epsilon _{e}N^{a}=C_{e}} ... (1) あるいは Δ σ N a = E C e {\displaystyle \Delta \sigma N^{a}=EC_{e}} ... (2) ここで Δεe: 弾性ひずみ範囲 Δσ: 応力範囲 E: 弾性率 N: 破断に至るまでの繰り返し数 a: 疲労強度指数(おおむね0.07から0.12の間の材料定数) Ce: 疲労強度係数(材料定数)
一方、低サイクル疲労のような高ひずみ疲労には次のコフィン-マンソン則(Coffin-Manson rule)がある。
Δ ε p N b = C p {\displaystyle \Delta \epsilon _{p}N^{b}=C_{p}} ... (3) Δεp: 塑性ひずみ範囲 b: 疲労延性指数(おおむね0.5から0.7の間の材料定数) Cp: 疲労延性係数(材料定数)
バスキン則もコフィン-マンソン則も、応力振幅一定あるいはひずみ振幅一定の前提下での破断に至るまでの繰り返し数を予測するもので、S-N曲線あるいはε-N曲線を近似的に予測する式となる。