疲労限界

疲労限界または耐久限界とは、その応力レベル以下であれば、材料に疲労破壊を起こさずに無限の負荷サイクルを適用できる応力レベルである。^[1]鉄合金やチタン合金などの一部の金属には明確な限界があるが^[2]、アルミニウムや銅などの他の金属には限界がなく、小さな応力振幅でも最終的には破損する。材料に明確な限界がない場合は、疲労強度または耐久強度という用語が使用され、疲労破壊を起こさずに指定されたサイクル数に耐えることができる完全に反転した曲げ応力の最大値として定義される。^[3]^{[4]ポリマー材料の場合、疲労限界は一般に}固有強度とも呼ばれる。^[5]^[6]

定義

ASTMは疲労強度を「サイクル後に破損が発生する応力の値」と定義し、疲労限界を「非常に大きくなると破損が発生する応力の限界値」と定義しています。ASTMは、材料が多くの負荷サイクルに耐えられる応力値である耐久限界を定義していませんが、 ^[1]疲労限界に似ていることを示唆しています。^[7] $S_{N_{f}}$ $N_{f}$ $S_{f}$ $N_{f}$

一部の著者は、鋼鉄の場合のように、無制限に多数の荷重サイクルに対しても破損が発生しない応力に対して耐久限界、を使用し、アルミニウムの場合のように、指定された数の荷重サイクル（5億回など）の後に破損が発生する応力に対して疲労限界または疲労強度、を使用しています。 ^[1]^[8]^[9]他の著者は、2種類の材料を区別していても、表現を区別していません。^[10]^[11]^[12] $S_{e}$ $S_{f}$

標準値

鋼の場合の限界値 ( ) は最大引張強度の半分で、最大 290 MPa (42 ksi) です。鉄、アルミニウム、銅合金の場合、限界値は最大引張強度の 0.4 倍です。鉄の最大値は 170 MPa (24 ksi)、アルミニウムは 130 MPa (19 ksi)、銅は 97 MPa (14 ksi) です。^[2]これらの値は滑らかな「ノッチなし」試験片の場合であることに注意してください。ノッチ付き試験片 (したがって、多くの実際の設計状況) の耐久限界は大幅に低くなります。 $S_{e}$ $S_{e}$

高分子材料の場合、疲労限界は、亀裂を伸ばすために破壊されなければならない高分子鎖の共有結合の固有強度を反映していることが示されています。他の熱化学プロセスによって高分子鎖が破壊されない限り（つまり、老化やオゾン攻撃）、荷重が固有強度以下に保たれている場合、高分子は亀裂の成長なしに無期限に動作することができます。^[13]^[14]

疲労限界の概念、そしてISO 281:2007転がり軸受の寿命予測などの疲労限界に基づく規格は、少なくとも米国では依然として議論の的となっている。^[15]^[16]

疲労限界の修正因子

機械部品の疲労限度 Se は、修正因子と呼ばれる一連の要素の影響を受けます。これらの因子のいくつかを以下に示します。

表面係数

表面改質係数は、材料の引張強度と機械部品の表面仕上げの両方に関係します。 $k_{S}$ $S_{ut}$

$k_{S}=aS_{ut}^{b}$

ここで、式中の係数 a と指数 b は表面仕上げに関係します。

勾配係数

表面仕上げを考慮するだけでなく、サイズ勾配係数を考慮することも重要です。曲げやねじり荷重に関しては、勾配係数も考慮されます。 $k_{G}$

荷重係数

負荷修正係数は次のように識別できます。

$k_{L}=0.85$ 軸方向

$k_{L}=1$ 曲げ用

$k_{L}=0.59$ 純粋なねじりの場合

温度係数

温度係数は次のように計算される。

$k_{T}={\frac {S_{o}}{S_{r}}}$

$S_{o}$ 動作温度における引張強度である

$S_{r}$ 室温での引張強度である

信頼性係数

信頼性係数は次の式で計算できる。

$k_{R}=1-0.08Z_{a}$

$z_{a}=0$ 50%の信頼性

$z_{a}=1.288$ 90%の信頼性

$z_{a}=1.645$ 95%の信頼性

$z_{a}=2.326$ 99%の信頼性

歴史

耐久限界の概念は、1870年にアウグスト・ヴェーラーによって導入されました。^[17]しかし、最近の研究では、金属材料には耐久限界は存在せず、十分な応力サイクルが実行されると、最小の応力でも最終的には疲労破壊が生じることが示唆されています。^[9]^[18]

参照

疲労（材料）
スミス疲労強度線図 [de]、イギリスの機械技術者ジェームズ・ヘンリー・スミスによる線図 [de]

参考文献

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