「引張強度は十分あるのに、繰り返し使っていたら割れた」——これが疲労破壊の典型です。
疲労破壊が厄介なのは、設計時に使った静的強度の数字が、繰り返し荷重の前ではほとんど意味を持たないことにあります。さらに、切欠き・表面粗さ・残留応力・腐食のどれか一つで、カタログ値の半分以下になることもあります。

この記事では、疲労強度の基本（静的強度との違い）と、「何をすると疲労強度が落ちるか・どう設計で防ぐか」を中心に解説します。材料比較の数字より、設計判断で使える視点を前面に出します。

まず押さえる：静的強度と疲労強度の根本的な違い

静的強度（引張強度・降伏応力）は「一回だけ引っ張ったときの限界」です。疲労強度は「何万〜何千万回も繰り返したときの限界」であり、まったく別の量です。

S-N曲線の読み方：鉄鋼とアルミで決定的に違う点

疲労の試験結果は「S-N曲線（応力振幅 vs 繰り返し数）」で表します。ここに材料による大きな違いがあります。

鉄鋼・チタン合金は繰り返し数が約10⁶〜10⁷回を超えると応力が水平になります（＝疲労限度が存在する）。この応力以下なら理論上は何回繰り返しても破断しません。
アルミ合金・銅合金はS-N曲線が右下がりのまま続きます（＝疲労限度が存在しない）。この場合は「10⁷回または10⁸回時点の応力」を設計値として使います。

疲労強度が落ちる4つの落とし穴——設計でどう避けるか

以下の4つは、教科書の疲労限度値と実部品の疲労強度のギャップを生む主要因です。設計段階でこれらを意識することが、疲労破壊を防ぐ最大のポイントです。

落とし穴① 切欠き・形状による応力集中

部品の穴・キー溝・段差・ネジ山根元・溶接止端部などは、局所的に応力が何倍にも跳ね上がります。この倍率を応力集中係数 Kt といいます。実際の疲労強度はこのKt分だけ単純に下がるわけではなく、材料の感受性（切欠き係数 Kf）によって変わります。

設計で応力集中を下げるための基本は、切欠き底の曲率半径 r を大きくすることです。たとえば段付き軸の逃がし溝や角のRを大きくするだけで、Ktを2.5から1.5程度まで下げられることがあります。

落とし穴② 表面粗さ

疲労き裂は表面から発生することがほとんどです。表面の微細な凹凸が、そのまま切欠きとして機能します。

研磨仕上げ（Ra 0.4μm 以下）と旋削仕上げ（Ra 3.2〜6.3μm）では、疲労限度が20〜30%変わることがあります。さらに強度が高い材料ほど表面粗さの影響を受けやすくなります（高強度鋼では鏡面研磨と荒削りで40%以上差がつくこともあります）。

下図は、表面状態係数（β：表面粗さが疲労強度に与える低下率）の目安です。

落とし穴③ 残留応力：圧縮なら有利、引張なら致命的

残留応力は疲労強度に大きく影響します。方向によって効果が正反対です。

研削焼けが引き起こす疲労強度の大幅低下

研削加工時に冷却不足などで局所的に材料が過熱すると、研削焼けが起きます。表面層が再焼き戻しされ、引張残留応力が発生します。外観ではほとんど変化がなく見落とされやすいですが、焼入れ鋼の疲労強度が30〜50%低下することがあります。

溶接部の引張残留応力

溶接部（HAZ：熱影響部と溶接止端部）には、凝固・収縮に伴う引張残留応力が生じます。溶接構造物の疲労設計では、材料単体の疲労限度をそのまま使わず、溶接継手の疲労強度等級（FAT値：IIW規格など）を使って評価します。溶接仕上げなしの場合、FAT値は母材疲労強度の40〜60%程度になることがあります。

落とし穴④ 腐食環境（腐食疲労）

腐食環境下での疲労（腐食疲労）は、疲労き裂の先端が腐食によって活性化され、き裂進展速度が大気中より格段に速くなります。最も深刻なのは、鉄鋼材料でも腐食環境では疲労限度がなくなることです。

大気中では10⁷回で水平になるS-N曲線が、海水・塩水・湿潤環境では右下がりのまま続きます。「疲労限度以下だから安全」という判断が通用しなくなります。

疲労強度を上げる表面処理：何が効くか、落とし穴はどこか

実務トラブル事例：「設計値は正しかったのに壊れた」

材料別の疲労特性まとめ（設計の手がかりとして）

以下は材料選定の大まかな手がかりです。実設計では試験片データをそのまま使わず、表面係数・寸法係数・切欠き係数を適用して実効強度を計算してください。

設計者向け：疲労破壊を防ぐチェックリスト

まとめ