機械装置の疲労破壊を防ぐ方法

セミナー趣旨

疲労破壊は、機器や構造物の部材に対して荷重が繰返して応力が発生すると、その応力によってまず微小なき裂(ひび割れ)が発生し、やがてそれが繰返しごとに少しずつ成長(進展)を始め、最終的には部材の破断に至るという現象である。

この疲労破壊は、発生応力が耐力を越えた大きなレベルで発生すると、繰返しのたびに新たな塑性変形が発生し、繰返し回数がほぼ１万回以下で破断に至るが、発生応力が耐力以下（すなわち弾性応力）で発生する場合には、１万回を超えて破断に至る。前者のような現象を低サイクル疲労、後者を高サイクル疲労と呼んでいる。

このような疲労破壊を防止することは永遠の課題であり、 機械設計者はその現象の仕組みを理解したうえで、発生防止の対策を講じなければならない。

また、疲労破壊にはき裂(クラック)の発生がつきものであるが、き裂の強度評価を行う場合には、材料を強度ではなくて靭性(脆さ粘さ)という面から検討するための破壊力学の知識も必要となってくる。

このセミナーでは、設計者が疲労の仕組みを理解できるように、また破壊力学が理解できるように説明し、疲労破壊の防止対策が簡単に行えるように解説する。

受講対象・レベル

疲労破壊の現象に対応する役割にある機械技術者

必要な予備知識

材料力学の基本的な用語が理解できていること
応力の基本的な計算ができること
材料力学で扱う基本的な量の単位がわかること

セミナープログラム

１．材料の強度評価の概要

１．力の作用の仕方と破壊現象

1.1.力の分類

　　(1)作用方向による分類

　　(2)作用時間による分類

　　(3)発生原因による分類

1.2.破壊現象の分類

　　(1)静的破壊、動的破壊、疲労破壊

　　(2)延性破壊（安定破壊）と脆性破壊（不安定破壊）

1.3.材料の機械的性質

　　(1)引張試験と応力−ひずみ線図

　　(2)強度(強さ)と靭性(粘[ねば]さ、脆さ)

２．疲労破壊の現象と仕組み

2.1.疲労破壊の３段階

2.2.各段階での疲労破壊の進行の仕組み

2.3.S-N線図(応力振幅-繰返し回数線図)と疲労寿命

2.4.高サイクル疲労破壊と低サイクル疲労破壊

2.5.疲労限度

2.6.ギガサイクル疲労

３．疲労強度に及ぼす影響因子

3.1.応力振幅とひずみ振幅

3.2.平均応力、残留応力

3.3.変動応力(ランダム荷重)と繰返し回数の数え方

3.4.応力集中

3.5.寸法効果　

3.6.異種荷重の組合せ

４．疲労破壊を防ぐ方法

4.1.有限寿命設計と無限寿命(疲労限度)設計

4.2.第１段階・第２段階を防ぐ方法

4.3.第３段階(疲労き裂進展)を防ぐ方法

4.4.疲労き裂進展は許すが最終破断は防ぐ方法

５．き裂進展を定量評価する方法〜破壊力学の利用

5.1.強度と靭性の世界の違い

　　(1)引張強さσ_Bと、破壊靭性値ＫC

　　(2)応力σと、応力拡大係数Ｋ

　　(3)応力振幅σ_aと、応力拡大係数範囲ΔK

　　(4)S-N(σ_a-N)線図と、き裂進展速度da/dN-ΔK線図

5.2.応力拡大係数Ｋの簡便な計算方法

5.3.第３段階での繰返し回数の概略計算方法

６．高サイクル疲労発生の防止対策

6.1.応力振幅・平均応力とS-N線図

6.2.平均応力、切欠き、残留応力の影響

6.3.S-N線図推定方法

6.4.疲労破壊の断面の様子

７．低サイクル疲労破壊の防止対策

7.1.ひずみ範囲と、Δ_ε-N(ひずみ範囲-繰返し回数)線図

7.2.平均応力、切欠き、残留応力の影響

7.3.Δ_ε-N線図推定方法

８．疲労強度検討の実例
　　（疲労寿命評価と疲労破壊防止策）

8.1.溶接継手への適用例

8.2.歯車

8.3.ねじ

8.4.はんだ接合部

９．まとめ

付録

１．破壊靭性値Ｋ1Cの測定方法・推定方法

２．き裂進展速度da/dN-ΔK線図の測定方法

３．安全率の合理的な設定方法

セミナー講師

遠田治正 氏
TMEC技術士事務所
技術士（機械部門）

1974年 三菱電機（株）入社
主として当時大型化しつつあったタービン発電機の回転子の強度の研究に従事。
回転円板の破壊試験、基本的な材料試験などを通じて、材料力学の実務を習得。
弾塑性有限要素法プログラムの開発を通じて、数値解析の分野も習得。
天体望遠鏡「すばる」、携帯電話の構造設計、社内機械技術者教育にも従事。
2010年 TMEC技術士事務所開設
構造CAEツールや3次元CADツールを入れて設計効率化や品質向上を図るセミナーやコンサルティングを行う

専門技術：
材料力学、破壊力学、弾性論、解析力学、有限要素法
機械技術者育成教育、CAEスキル教育、3次元CADスキル教育
設計論、設計のフロントローディング・コンカレントエンジニアリング・トップダウン設計

セミナー受講料

43,000円（消費税込）