疲労破壊とは、繰返し負荷される荷重によって破壊するもので、とくに機械部品には最も多く発生するものです。疲労破壊の場合は、はじめに目視やルーペなどのマクロ観察によってき裂の発生の起点、亀裂の進展方向、最終破断箇所を判定します。

図１は、折損したS45C製ボルト(M16)について、破面の全景、マクロ破面(き裂の起点部付近)およびミクロ破面(最終破断部)を示したものです。破面の全景からは、画像の左側が亀裂発生の起点であり、右側外周部が最終破断部であることが分かります。き裂の起点部付近のマクロ破面から、き裂の起点部には明確なラチェットマークが観察され、矢印の方向にき裂は進展していることが明らかです。

図１　S45C製ボルト(M16)の疲労破壊事例

破面には、き裂の進展方向に直角に貝殻状の模様(ビーチマーク)が観察され、これは破面全体の8割位を占めていました。最終破断面は残りの2割位ですから、このボルトは使用中に負荷される応力に対して十分に余裕のある引張強さを持っていたこと、き裂の進展は1方向のみですから、曲げの力による破壊であると判断できます。また、最終破断部を拡大すると、代表的な延性破面であるディンプル模様ですから、製品の特性にも問題はないと思われます。以上のように、本品は疲労破面領域が非常に広く、最終破断部は小さいので、最終破断に至る前に余裕もって部品交換にて対処できるものと思われます。

図２は、折損したステンレス鋼(SUS304)製のコイルばねについて、マクロ破面の全景および最終破断部のミクロ観察結果を示したものです。マクロ破面からは、両振りの負荷応力によって生じる２箇所に起点が存在し、そこから中央部に向かってき裂が進展している様相が明瞭に分かります。すなわち、最終破断面は二方向からの疲労破面に挟まれるように存在しており、しかも破面中に占める面積は2～3割程度ですから、ほぼ妥当な疲労破面といえます。両方の疲労破面内には明瞭なビーチマークが観察され、両者の占める割合はかなり異なりますが、これは負荷応力の強さの違いであると思われます。また、ミクロ観察によると、最終破断部はディンプル破面であり、本製品は延性の点ではまったく問題ないものと判断できます。

図２　SUS304製コイルバネの疲労破壊事例

図３は、液漏れを生じたSUS304製薄肉フレキシブルチューブについて、漏れ箇所の破面を示したものです。マクロ破面の様相から、外周側から内周側に向かってき裂は進展していることが明らかであることから、外周側の起点部付近(A部)、肉厚中央部(B部)および内周側の最終破断部(C部)のミクロ観察を行っています。

ミクロ破面からは、外周側の起点部付近の破面は擬へき開破面を呈しており、き裂は明らかに内周側に向かって進展している様相が見られます。また、肉厚中央部のミクロ破面においては明瞭なストライエーションが観察され、小さな振幅で亀裂が進展したものと思われます。さらに、最終破断部に該当する内周側のミクロ破面においても、ストライエーションはそのまま継続しており、破断に至る最終箇所まで疲労破壊であることが分かりました。すなわち、この製品に負荷される応力は非常に小さいが、周期の短い振動が継続的に負荷されていることが明らかであるので、使用中の振動を防止すべく取付時の固定法を工夫することが最も有効な対処法と思われます。

図３　SUS304製薄肉フレキシブルチューブの疲労破壊事例

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