疲労破面には破断に至るまでの全履歴が刻まれています。ビーチマークは亀裂が進んだ足跡であり、起点を特定し進展方向を読むことで、「どこで・なぜ亀裂が始まったか」が明確になります。
疲労破壊とは
疲労破壊（fatigue fracture）は、単独では破断しない小さな繰返し荷重が積み重なることで亀裂が発生・進展し、最終的に破断するモードです。金属部品の破断原因として最も多いとされており、産業現場での破断事故の大半が疲労破壊に分類されます。
疲労破壊の特徴は「変形なしに突然破断」に見える点です。一方向引張の降伏応力の半分以下の応力でも、繰返しによって破断に至ることがあります。
疲労破面の3ゾーン構造
疲労破面は必ず3つの領域に分けられます。この3ゾーン構造を識別することが疲労解析の基本です。
| ゾーン | 外観の特徴 | 示す情報 |
|---|---|---|
| ① 亀裂起点 | 破面端部・表面欠陥・切り欠き付近。ラチェットマーク（複数起点の合流筋）が見られることもある | 疲労の発端となった応力集中部の位置。設計改善の起点 |
| ② 疲労進展域 | 比較的滑らか。同心弧状のビーチマーク（目視確認可）。SEMではストライエーションが見える | 亀裂進展の軌跡。ビーチマーク間隔＝荷重条件の変化 |
| ③ 最終破断域 | 粗面。ディンプル（延性破断）またはリバーマーク（脆性破断）が現れる | 残断面積の大きさ＝平均応力レベルの推定に使える |
ビーチマークとストライエーション
疲労進展域には2スケールの周期的マークがあります。混同されやすいので正確に区別することが重要です。
ビーチマークとストライエーションの違い
- ビーチマーク：荷重の休止・変動で亀裂前線が一時停止し、環境との反応差などで生じる縞。目視で見える（0.1mm〜数mm間隔）。1本は1回の荷重変化に対応し、サイクル数ではない。
- ストライエーション：1サイクルごとの亀裂先端前進の痕跡。SEMで観察（間隔0.1〜数μm）。1本＝1サイクル（原則）。ストライエーション間隔×サイクル数から亀裂進展速度の推定が可能。
起点の特定と応力集中
ビーチマークの同心弧を起点方向に追うと亀裂起点にたどり着きます。起点には必ず応力集中要因があります。
| 応力集中要因 | 具体例 | 対策方向 |
|---|---|---|
| 形状の不連続 | 軸肩のR不足、穴のエッジ、ねじの谷底 | R拡大、面取り、応力集中係数の再計算 |
| 表面欠陥 | 傷、腐食ピット、溶接余盛、打刻マーク | 表面粗さ改善、保護コーティング |
| 材料内部欠陥 | 介在物、気孔、偏析、溶接欠陥 | 材料清浄度向上、NDT検査の強化 |
| 残留応力（引張） | 溶接熱影響部、機械加工後の引張残留応力 | 焼なまし、ショットピーニング（圧縮残留応力付与） |
最終破断域の面積比から推定できること
最終破断域（ディンプルが現れる領域）と疲労進展域の面積比を見ることで、破断時の平均応力レベルを推定できます。
面積比と応力レベルの関係
- 最終破断域が小さい（疲労域が大部分）：低応力で長期間繰り返しが続いた。高サイクル疲労。表面欠陥が起点の場合が多い。
- 最終破断域が大きい（疲労域が狭い）：高応力での繰り返し。低サイクル疲労または設計応力に近い荷重が作用していた。
ビーチマーク起点の特定で再設計：農機具クランクシャフトの繰返し破断
状況S45C製クランクシャフトが同一箇所（クランクピン肩部）で年1〜2回破断。破面に明確なビーチマーク、起点はピン肩部のRなし段差（R0.3mm以下）。最終破断域は全断面の約25%。
原因応力集中係数Ktが3.5以上に達する形状。実応力が疲労限度を超えており、高サイクル疲労（10⁷サイクル以上）で破断。表面粗さRa3.2の機械加工肌も起点の一因。
対策Rを0.3→3.0mmに拡大（Kt 3.5→1.6）。表面仕上げをRa0.8に改善。ショットピーニングで圧縮残留応力を付与。改良後5年間破断なし。
まとめ
- 疲労破面は起点・進展域・最終破断域の3ゾーン構造を必ず確認する。
- ビーチマーク（目視、荷重変動の痕跡）とストライエーション（SEM、1本＝1サイクル）は別物。
- ビーチマークの同心弧を追うと起点にたどり着く。起点には必ず応力集中要因がある。
- 最終破断域が小さい＝低応力高サイクル疲労。大きい＝高応力低サイクル疲労。
- 対策の本質は「起点の応力集中を解消すること」。径変更だけでは再破断する。
破面解析シリーズ：全5記事
金属が破断したとき、破面の形状には破壊の原因が刻まれています。本シリーズでは4種類の破面パターンを図解で解説します。
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