疲労強度とは？使い始めは大丈夫なのに、しばらく使ってから壊れる現象です！

使い始めは問題なかったのに、しばらく使い続けると壊れてしまうことがあります。この様に、材料の静的強度より小さい荷重であっても、繰り返し加わることで破壊に至る現象が「疲労破壊」です。この記事では疲労強度の定義と、高サイクル疲労・低サイクル疲労の違いを説明します。

この記事はYoutube動画で紹介した内容の概要です。演習問題を含む詳細は動画をご覧ください。

1. 疲労強度とは

材料をゆっくり引張って破壊するときの限界を「静的強度」と言います。一方、静的強度より小さい荷重であっても、同じ大きさの荷重を繰り返し加え続けると、ある回数を超えた時点で破断することがあります。

この「静的強度より小さい繰り返しの負荷で破壊する強度」を疲労強度と言います。繰り返す応力が大きいほど破断までの回数は少なく、応力が小さいほど多くの回数に耐えられます。

2. 高サイクル疲労と低サイクル疲労

疲労は繰り返し回数とそのメカニズムによって、高サイクル疲労と低サイクル疲労の2種類に分けられます。

• 高サイクル疲労（10^4～5回以上）：弾性変形範囲で生じる疲労。破断回数は応力振幅で整理されることが多く（S-N曲線）、平均応力の影響が大きい。自動車部品の振動など、速い繰り返し負荷で生じやすい。
• 低サイクル疲労（10^4～5回未満）：塑性変形が支配的な疲労。破断回数は塑性ひずみ範囲で整理されることが多く（ε-N曲線）、平均応力の影響は小さい。電子部品の熱応力など、ゆっくりとした繰り返し負荷で生じやすい。

まとめ

• 疲労強度とは、静的強度より小さい繰り返し負荷で破壊する強度。繰り返す応力が大きいほど破断までの回数が少ない。
• 高サイクル疲労（10^4～5回以上）：弾性変形が支配的。応力振幅で整理（S-N曲線）。平均応力の影響大。振動などの速い負荷で生じやすい。
• 低サイクル疲労（10^4～5回未満）：塑性変形が支配的。塑性ひずみ範囲で整理（ε-N曲線）。平均応力の影響小。熱応力などのゆっくりした負荷で生じやすい。
• 設計では負荷の種類と繰り返し回数から高サイクル・低サイクルどちらの疲労を考慮すべきかを見極めることが重要。

より詳細な説明や演習問題をYouTube動画で紹介しています。ぜひご覧ください。

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