疲労強度をやさしく解説：金属材料ごとの違いと選び方
「同じ荷重なのに、なぜある部品は割れてしまうのか？」── その答えの多くは疲労強度にあります。繰り返し荷重を受ける機械部品や構造材料を設計するとき、静的な引張強さだけを見ていると大きな落とし穴にはまってしまいます。この記事では、炭素鋼・合金鋼・ステンレス・アルミ合金・チタン合金・銅合金といった代表的な金属材料の疲労強度を横断的に比較し、材料選定のポイントをわかりやすく解説します。
① 疲労強度・疲労限度とは何か
繰り返し荷重と疲労破壊
金属材料は、引張強さを大きく下回る応力であっても、繰り返し加えられることで内部に微細なき裂が発生・進展し、最終的に破断します。この現象を疲労（fatigue）と呼びます。疲労破壊は塑性変形がほとんどなく突然起こるため、設計上の見落としが重大な事故につながります。
疲労限度とS-N曲線
S-N曲線（応力－繰り返し数曲線）は、横軸に繰り返し数（N）、縦軸に応力振幅（S）をとったグラフです。鉄鋼材料では繰り返し数が約106〜107回を超えると、それ以下の応力では破断しない「水平な棚」が現れます。この限界応力を疲労限度（耐久限度）といいます。
一方、アルミニウム合金や銅合金など非鉄金属の多くには明確な疲労限度がなく、S-N曲線が右下がりのまま続きます。この場合は107〜108回時点の応力を疲労強度（時間疲労強度）として定義します。
図1：代表的なS-N曲線のイメージ（模式図）
※数値は模式的なものです。実際は試験条件・表面状態・応力集中係数により大きく変わります。
疲労比（疲労限度比）とは
疲労比とは「疲労限度 ÷ 引張強さ」の比率です。鉄鋼材料では概ね0.40〜0.55の範囲に収まることが多く、おおまかな疲労限度の目安として使われます。ただし高強度鋼では引張強さが上がっても疲労比が低下することがあるため、過信は禁物です。
💡 疲労設計の基本式
疲労安全率 = 疲労限度 ÷ 設計応力振幅
一般的な疲労安全率の目安は1.5〜2.5程度。表面粗さ・応力集中・腐食環境がある場合はさらに大きな余裕を取ります。
② 材料グループごとの疲労強度の特徴
2-1. 炭素鋼・低合金鋼（JIS SC・S〇〇C・SCM・SNCM系）
炭素鋼および低合金鋼は、引張強さと疲労限度の相関が比較的良好です。焼入れ・焼戻しなどの熱処理で引張強さを高めると、疲労限度も向上します。ただし、引張強さが1,200MPaを超える高強度域では水素脆化や介在物の影響が大きくなり、疲労比が低下する傾向があります。SCM440・SNCM439の疲労特性については、産業技術総合研究所グループによる高圧水素環境下での詳細データが公表されています（Matsuoka et al., Trans. JSME 2017）。
2-2. ステンレス鋼（SUS304・SUS316・SUS630）
オーステナイト系ステンレス（SUS304・316）は、引張強さのわりに疲労限度がやや低め（疲労比0.35〜0.45程度）です。一方、析出硬化系（SUS630）は高引張強さと高疲労強度を両立でき、航空・医療機器部品に多用されます。SUS630（17-4PH）では表面起点と内部介在物起点の2種類の破壊モードが存在し、二段S-N曲線を示すことが長岡技術科学大学の研究グループらにより報告されています（Shimatani et al., 2015）。腐食疲労環境（海水・化学薬品）ではオーステナイト系でも耐食性が効いて有利な場面があります。
2-3. アルミニウム合金（A2024・A6061・A7075）
アルミ合金は明確な疲労限度がないことが最大の特徴です。比強度（強度÷密度）は鋼と同等かそれ以上ですが、繰り返し数が増えるにつれて疲労強度が緩やかに下がり続けます。航空機や自動車への適用では108回基準の疲労強度を使うことが多く、表面処理（ショットピーニング、陽極酸化）による向上が重要です。
2-4. チタン合金（Ti-6Al-4V）
チタン合金（Ti-6Al-4V）は引張強さ900〜1,000MPaに対し疲労限度が約500〜620MPaと高く、疲労比が0.54〜0.63程度と金属材料の中でも優秀です。107サイクルでほぼ水平に収束する特性はRitchieら（1999）の回転曲げ試験でも確認されており、鍛造・展伸材では電子ビーム積層造形材（EBM）より大幅に高い疲労強度を示します。さらに耐食性・軽量性も兼ね備えており、航空エンジン・医療インプラント・高級スポーツ用品に使われます。ただし加工コストが高い点がネックです。
2-5. 銅合金（黄銅・アルミニウム青銅・ベリリウム銅）
銅合金はアルミ合金と同様に明確な疲労限度がなく、疲労比は0.30〜0.40程度と金属の中では低めです。ただし、ベリリウム銅（BeCu）は析出硬化処理後に引張強さ1,200〜1,400MPaに達し、疲労強度も鋼に匹敵するレベルになります。アルミニウム青銅はプレス金型・海洋機器部品での摩耗疲労複合環境に対応できます。
2-6. ニッケル超合金（Inconel 718など）
高温疲労強度が必要なタービンブレード・排気系部品には、ニッケル基超合金が使われます。Inconel 718の回転曲げ疲労試験（室温）では、固溶時効処理材で107回疲労限度が460〜550 MPa程度と報告されており（Kawagoishi et al. 2000；Zhang et al. 2019）、鍛造材では700〜800℃の高温環境でも疲労強度の低下が比較的小さいことが知られています。積層造形（AM）材は内部欠陥の影響で疲労強度が大幅に低下するため、HIP処理や機械加工仕上げとの組み合わせが必須です。
③ 主要金属材料の疲労強度比較表
| 材料グループ | 代表グレード | 引張強さ (MPa) |
疲労限度/強度* (MPa) |
疲労比 （概算） |
疲労限度の有無 | 主な出典 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 炭素鋼（焼入焼戻） | S45C-H | 800〜900 | 380〜430 | 0.46〜0.50 | あり | JIS G 4051； 機械工学便覧（材料編） |
| クロムモリブデン鋼 | SCM440-H | 900〜1,100 | 450〜530 | 0.48〜0.52 | あり | JIS G 4105； Matsuoka et al., Trans. JSME 2017 [J-STAGE] |
| ニッケルクロムモリブデン鋼 | SNCM439-H | 1,000〜1,200 | 500〜580 | 0.48〜0.52 | あり | JIS G 4103； Iijima et al., Int. J. Fatigue 2022 [ScienceDirect] |
| オーステナイト系SUS | SUS304 | 520〜580 | 200〜260 | 0.38〜0.45 | あり（明確でない場合も） | JIS G 4303； 機械工学便覧（材料編） |
| 析出硬化系SUS | SUS630（17-4PH） | 1,000〜1,300 | 500〜620 | 0.46〜0.52 | あり（二段S-N曲線） | JIS G 4303； Shimatani et al., Int. J. Fatigue 2015 [ResearchGate] |
| アルミ合金（2000系） | A2024-T3 | 440〜480 | 130〜150（108回） | 0.29〜0.34 | なし | MIL-HDBK-5J（米国防省）； ASM Handbook Vol.2 |
| アルミ合金（7000系） | A7075-T6 | 500〜570 | 150〜160（108回） | 0.27〜0.32 | なし | MIL-HDBK-5J； ASM Handbook Vol.2； ASTM B209 |
| チタン合金 | Ti-6Al-4V | 900〜1,000 | 500〜620 | 0.54〜0.63 | あり（近似的） | Ritchie et al., Fatigue Fract. Engng Mater. Struct. 22 (1999) 621–631； Morrissey et al., Int. J. Fatigue 27 (2005) [ScienceDirect] |
| アルミニウム青銅 | CAC702（ALBC2） | 540〜620 | 180〜230（108回） | 0.33〜0.40 | なし | JIS H 5120； 銅合金技術ハンドブック（日本伸銅協会） |
| ベリリウム銅 | C17200（析出硬化） | 1,200〜1,400 | 430〜500（108回） | 0.34〜0.38 | なし | ASM Handbook Vol.2； ASTM B196 |
| Ni基超合金 | Inconel 718 | 1,240〜1,380 | 460〜550 | 0.37〜0.44 | あり（高温環境依存） | Kawagoishi et al., Fatigue Fract. Engng Mater. Struct. 23 (2000)； Zhang et al., Metals 9 (2019) 13 [MDPI] |
*疲労限度は完全片振り（R=−1、回転曲げ）の室温大気中試験値の目安。試験方法・表面粗さ・試験片径により大きく変動します。
📚 表③ 主要参考文献
- Matsuoka S. et al., “Various strength properties of SCM435 and SNCM439 low-alloy steels in 115 MPa hydrogen gas,” Trans. JSME, Vol.83, No.854 (2017) — J-STAGE
- Iijima et al., “Effects of inclusions on the fatigue life of SNCM439 steel in high-pressure hydrogen gas,” Int. J. Hydrogen Energy (2022) — ScienceDirect
- Shimatani Y. et al., “Fatigue strength scatter characteristics of JIS SUS630 Stainless Steel with duplex S-N curve,” Int. J. Fatigue (2015) — ResearchGate
- Ritchie R.O. et al., “High-cycle fatigue of Ti–6Al–4V,” Fatigue Fract. Engng Mater. Struct. 22 (1999) 621–631
- Morrissey R.J. et al., “Fatigue strength of Ti–6Al–4V at very long lives,” Int. J. Fatigue 27 (2005) — ScienceDirect
- Zhang H. et al., “High Cycle Fatigue Performance of Inconel 718 Alloys at Room Temperature,” Metals 9(1) (2019) 13 — MDPI
- Kawagoishi N. et al., “Fatigue strength of Inconel 718 at elevated temperatures,” Fatigue Fract. Engng Mater. Struct. 23 (2000) — Wiley
- U.S. Department of Defense, MIL-HDBK-5J: Metallic Materials and Elements for Aerospace Vehicle Structures (2003)
- ASM International, ASM Handbook Vol.2: Properties and Selection — Nonferrous Alloys
図2：代表グレード別 疲労限度/強度の比較（MPa）
※10⁸回時点の値（アルミ・銅合金）と疲労限度（鉄鋼・Ti）を同軸で比較。材料選定の参考程度にご利用ください。
④ 疲労強度を左右する5つの要因
図3：疲労強度に影響する5つの主要因（模式図）
①表面粗さ
表面が粗いほど微細な凹凸が応力集中源となり、疲労き裂が発生しやすくなります。研磨仕上げ（Ra 0.4以下）では疲労限度が旋削仕上げ（Ra 3.2程度）より20〜30%向上するケースもあります。
②応力集中
穴・キー溝・段差・ねじ山の根元などは局所的な応力が高まります。形状係数Kt（応力集中係数）が大きいほど疲労強度は低下します。設計段階での曲率半径の確保が最も効果的な対策です。
③平均応力の影響
完全両振り（R=−1）に比べ、引張方向の平均応力が加わると疲労限度は低下します。修正グッドマン線図を使って、実際の応力状態を評価することが重要です。
④表面処理による向上
ショットピーニング・浸炭焼入れ・高周波焼入れ・窒化などの表面処理は、表面に圧縮残留応力を導入し疲労き裂の発生・進展を抑制します。適切な処理を行うことで疲労限度が20〜50%向上するケースもあります。
⑤腐食環境（腐食疲労）
海水・汗・薬液など腐食性の環境下では、き裂先端の腐食溶解が進行速度を加速させます。鉄鋼材料でも腐食疲労環境では明確な疲労限度がなくなることがあり、耐食性の高い材料選定＋防食対策の組み合わせが必要です。
⑤ 疲労強度の向上手段と材料選定の考え方
レーダーチャート：材料の疲労関連特性比較
図4：代表材料の疲労関連特性レーダー（相対評価、5点満点）
※各軸は「疲労強度絶対値・疲労比・耐腐食疲労・軽量性・コスト優位性・加工性」の相対的な評価です。
| 向上手段 | 主な対象材料 | 疲労強度向上の目安 | 適用上の注意 |
|---|---|---|---|
| ショットピーニング | 鋼・チタン・アルミ | +20〜50% | 条件不適切で逆効果になることも |
| 浸炭焼入れ | 低炭素鋼・SCM系 | +30〜60% | コア靭性の確保が必要 |
| 窒化処理 | 合金鋼（SACM645等） | +30〜50% | 高温環境では窒化層が消失することも |
| 高周波焼入れ | 中炭素鋼 | +20〜40% | 形状の複雑さによっては均一加熱困難 |
| 陽極酸化（アルマイト） | アルミ合金 | ±0〜+10%（厚皮膜はむしろ低下） | 厚皮膜は疲労強度を下げる場合あり |
| 冷間加工（圧延・引抜） | ステンレス・銅合金 | +10〜30% | 方向依存性に注意 |
⑥ 用途別：どの材料を選ぶか
🔩 回転軸・歯車・ボルト
SCM440・SNCM439の焼入焼戻し＋高周波焼入れまたは浸炭が定番。疲労比0.5前後を確保しつつコストバランスが優れます。
✈️ 航空・宇宙部品
Ti-6Al-4VとA7075-T6が二大選択肢。チタンは絶対的な疲労強度、アルミは比強度で選ばれます。Inconel 718は高温部位に。
🌊 海洋・化学環境
腐食疲労への耐性が必要。SUS316L・スーパーデュプレックス系SUS・チタン合金が候補。銅合金でもアルミニウム青銅が良好。
🏎️ 自動車・軽量化部品
アルミ合金（A6061・A7075）が主流。ショットピーニング＋陽極酸化との組み合わせで疲労強度を補います。高応力部にはSCM440。
🔬 医療・精密機器
Ti-6Al-4V ELIまたはSUS630（17-4PH）が定番。生体適合性＋疲労強度の両立が求められます。繰り返し曲げ荷重が多い骨固定具にチタンが最適。
⚙️ プレス金型・工具
工具鋼（SKD11・SKH51）の焼入焼戻し。アルミニウム青銅は非磁性・耐焼付き性からパンチ材に使用。疲労よりも硬さと靱性のバランスが優先されます。
⑦ 疲労試験規格と設計基準
| 規格・基準 | 内容 | 適用 |
|---|---|---|
| JIS Z 2273 | 金属材料の疲れ試験方法通則 | 国内材料疲労試験の基本規格 |
| JIS Z 2274 | 金属材料の回転曲げ疲れ試験方法 | 最も一般的な疲労試験法 |
| JIS Z 2275 | 金属材料の平面曲げ疲れ試験方法 | 板材・薄肉材向け |
| ISO 1143 | 回転曲げ疲労試験（国際規格） | 輸出品・グローバル基準 |
| ASTM E466 | 軸力疲労試験方法 | 航空・自動車分野で多用 |
| FKM Guideline | 機械部品の疲労強度設計（ドイツ） | 欧州の機械設計基準として広く参照 |
⚠️ 設計での注意点
カタログ値や教科書の疲労限度はあくまで「標準試験片」の値です。実際の部品では表面粗さ・応力集中・寸法効果・残留応力が複合的に作用するため、設計疲労強度は標準値に各種係数（表面係数・寸法係数・信頼性係数など）を乗じて求める必要があります。重要部品は必ず実部品・実環境に近い条件で疲労試験を実施することをおすすめします。
まとめ：疲労強度比較で押さえておきたいこと
- 疲労破壊は繰り返し荷重によって引張強さ以下の応力でも起こる。静的強度だけで材料選定するのは危険。
- 鉄鋼・チタン合金には明確な疲労限度があるが、アルミ合金・銅合金にはない（繰り返し数基準で評価）。
- 疲労比（疲労限度÷引張強さ）はチタン合金が最も高く（0.54〜0.63）、アルミ合金・銅合金が低め（0.28〜0.40）。
- 表面粗さ・応力集中・平均応力・腐食環境・残留応力が疲労強度を大きく左右する。
- ショットピーニング・浸炭・窒化などの表面処理で疲労強度を20〜60%向上できる。
- 用途（軽量化・耐食・高温・コスト）に応じて材料と表面処理の組み合わせを最適化することが設計の核心。
参考文献・出典一覧
📚 本記事の数値データの主な出典
- 鉄鋼材料（JIS規格値）：JIS G 4051（機械構造用炭素鋼鋼材）、JIS G 4103（ニッケルクロム鋼鋼材）、JIS G 4105（クロムモリブデン鋼鋼材）、JIS G 4303（ステンレス鋼棒）
- SCM・SNCM疲労データ：Matsuoka S. et al., “Various strength properties of SCM435 and SNCM439 low-alloy steels in 115 MPa hydrogen gas,” Transactions of the JSME, Vol.83, No.854 (2017). → J-STAGE
- SNCM439疲労データ（介在物の影響）：Iijima et al., “Effects of inclusions on the fatigue life of SNCM439 steel in high-pressure hydrogen gas,” International Journal of Hydrogen Energy (2022). → ScienceDirect
- SUS630（17-4PH）疲労データ：Shimatani Y. et al., “Fatigue strength scatter characteristics of JIS SUS630 Stainless Steel with duplex S-N curve,” International Journal of Fatigue (2015). → ResearchGate
- Ti-6Al-4V疲労データ（高サイクル疲労）：Ritchie R.O. et al., “High-cycle fatigue of Ti–6Al–4V,” Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, 22 (1999) 621–631.
- Ti-6Al-4V疲労データ（超高サイクル）：Morrissey R.J. & Nicholas T., “Fatigue strength of Ti–6Al–4V at very long lives,” International Journal of Fatigue, 27 (2005). → ScienceDirect
- Inconel 718疲労データ（室温）：Zhang H. et al., “High Cycle Fatigue Performance of Inconel 718 Alloys with Different Strengths at Room Temperature,” Metals, 9(1) (2019) 13. → MDPI（オープンアクセス）
- Inconel 718疲労データ（高温）：Kawagoishi N. et al., “Fatigue strength of Inconel 718 at elevated temperatures,” Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, 23 (2000). → Wiley
- アルミニウム合金疲労データ：U.S. Department of Defense, MIL-HDBK-5J: Metallic Materials and Elements for Aerospace Vehicle Structures (2003). ASM International, ASM Handbook Vol.2: Properties and Selection — Nonferrous Alloys.
- 機械的性質の基本データ：日本機械学会編，機械工学便覧 材料・工作編；橋本健一ほか，機械材料学（コロナ社）
※各数値は標準試験片（室温・大気中・R=−1）の文献値を基に整理しています。実際の設計では実部品・実環境条件での試験値を優先してください。
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