シートメタルの疲労破壊：原因と予防法

疲労破壊とは何か？

疲労破壊とは、降伏強度を下回る応力を繰り返し受けた金属に徐々に亀裂が入ることである。部品がたわんだり、曲がったり、振動したりするたびに、金属の構造内部に微細な変化が生じる。目に見える亀裂が形成され広がるまで、材料は少しずつ弱くなる。

この種の故障は、警告なしに起こることが多いので危険である。ある日、正常に見えた部品が、次の日には突然壊れることもある。

疲労の3段階

亀裂の発生
亀裂は通常、工具の跡、鋭利な角、打ち抜かれたエッジなどの表面の欠陥から始まります。研究によると、疲労き裂の90%以上は、応力が最も高い表面またはその近傍から始まる。

亀裂の成長
ひとたびクラックが形成されると、荷重サイクルのたびにクラックはわずかに成長する。成長速度は、応力レベル、表面仕上げ、環境に依存する。エンジニアは、S-Nデータまたはパリ則を使用して、き裂が部品内を移動する速度を推定することがよくあります。

最終的な骨折
残りの断面が小さすぎて荷重を支えきれなくなると、部品は折れてしまう。この最後の破断は突然で、しばしば壊滅的であり、目に見える模様のある粗い表面を残す。

疲労のダメージを認識する

疲労亀裂には、はっきりとした視覚的兆候が残ります。ビーチマークと呼ばれる滑らかで湾曲した線が見えるかもしれないが、これは亀裂が時間とともにどのように拡大したかを示している。顕微鏡で見ると、疲労線条と呼ばれる細かい平行線が、荷重サイクルごとに亀裂が進展していることを示します。

これらの手がかりは、エンジニアが故障を診断し、応力集中を特定し、疲労性能を向上させるために部品を再設計するのに役立ちます。

なぜ板金部品は特に脆弱なのか？

シートメタルは強く、軽量で汎用性が高い。しかし、薄い形状と複雑な加工工程により、疲労しやすい。小さな設計の細部や加工ミスは、その寿命を大幅に縮める可能性があります。

薄い壁と応力集中

薄いシートは限られた断面を通して荷重を伝える。そのため、局所的な応力のピークに敏感である。穴、切り欠き、曲げは応力増幅器として機能する。

鋭利なコーナーは、滑らかな曲線に比べて局部応力を2倍から3倍にする可能性がある。例えば、スチール製ブラケットのコーナー半径が0.5mmの場合、応力強度が2倍以上上昇する可能性がある。何度も荷重がかかると、このような部分が亀裂の発生源となる。

小さなフィレット、丸みを帯びた穴、一貫した肉厚を追加することで、応力を均等に分散し、疲労寿命を延ばすことができます。

製造時の残留応力

あらゆる成形や切断の工程は、金属内部に隠れた応力を残します。曲げ、スタンピング、溶接、レーザー切断はすべて、表面近くで金属の構造を変化させます。

例えばレーザー切断では、引張応力が残る熱影響部（HAZ）が生じる。その部分が振動時の弱点となります。適切な工具を使用せずに曲げ半径をきつくすると、外側の繊維が伸びすぎて、部品が使用される前にマイクロクラックが形成される可能性があります。

これらの残留応力が緩和されない場合、部品の疲労寿命は30～50 %低下する可能性があります。応力除去アニールまたは制御された成形パラメータにより、強度と一貫性を回復することができます。

振動と変化する負荷

ほとんどの板金部品は、振動、衝撃、運動といった動的負荷に直面しています。機械のブラケット、制御パネル、モーター付近のエンクロージャなどは、絶えず振動しています。振動サイクルのたびに、同じ弱い部分に応力パルスが加わります。

温度変化は状況をさらに悪化させます。90°F（≈50°C）上昇すると、 炭素鋼の疲労限度が10～15 %低下する可能性があ ります。

設計者は常にこのような実環境を考慮しなければならない。研究室で静的な負荷の下でのみテストされた部品は、振動や温度サイクルを無視すると、現場で早期に故障することがよくあります。

板金疲労の一般的な原因

疲労は偶然に起こるものではない。疲労は、特定の設計、材料、製造の決定から生じる。亀裂がどこで始まるかを理解することで、エンジニアは故障が始まる前に止めることができる。

デザイン性の低さ

部品の形状は、繰り返し応力への対応に影響します。鋭角のコーナー、薄いトランジション、突然の切り抜きなどは、応力の集中場所として機能します。応力が繰り返されると、これらの場所に負荷が集まり、小さな亀裂が生じます。

Rをつけると荷重が分散され、ピーク応力が下がります。2mmのフィレットでも、鋭角のコーナーに比べ、局部応力を50%近く減少させることができます。曲げ部の近くに穴やスロットを設けないようにし、少なくとも板厚の2倍は離してください。

不均一な肉厚も疲労寿命を縮める。断面が急激に変化すると、応力が小さな領域に集中します。緩やかな変化や補強リブを使用し、荷重を構造全体にスムーズに伝える。

💡 デザインのヒント 荷重が部品の中をどのように伝わるかを考えてみよう。方向が急激に変わるたびに、応力は増加します。

表面の欠陥

表面仕上げ は、耐疲労性の最大の要因のひとつである。キズ、ツールマーク、バリなどは、ミニチュアのクラックのような働きをします。繰り返し荷重を受けると、これらの欠陥は急速に成長します。

試験によると、表面粗さが50ミクロンになると、研磨仕上げに比べて疲労寿命が最大40%短縮されます。バリ取り、サンディング、ショットピーニングなどの簡単な改善で、大きな違いが生まれます。

ショットピーニングは、表面に圧縮応力を導入し、亀裂の形成を妨げます。研磨は、き裂が発生する表面のピークを減少させます。どちらの方法も安価で、疲労寿命を数倍に延ばします。

不適切な材料選択

すべての金属が同じように繰り返し応力に対応できるわけではありません。アルミニウムには定義された疲労限界がなく、十分なサイクルの後、低い応力で破損する可能性があります。これとは対照的に、鋼鉄には耐久限界があります。つまり、応力が閾値以下にとどまるのであれば、無限のサイクルにも耐えられるということです。

部品が振動にさらされる場合は、耐久比（疲労限度÷引張強さ）の高い材料を選ぶ。中炭素鋼や合金鋼はこの点で優れています。き裂はより多くの粒界を通過する必要があるため、細粒材料は粗粒材料よりもき裂進展に抵抗します。

熱処理も重要である。適切に焼戻しされた合金は、未処理のものよりも20-30%高い疲労強度を持つことができます。疑問がある場合は、選択した金属のS-N曲線を参照し、予想される応力レベルに合わせてください。

💡 エンジニアリング・ノート 材料の選択はコストだけでなく、長期的な繰り返し応力下での部品の挙動にも影響する。

組み立てと許容の問題

完璧な設計であっても、組み立てによって新たなストレスが加われば、不具合が生じる可能性があります。ミスアライメント、締め過ぎ、ボルト圧の不均一は、シートメタルパネルを歪ませます。これらの固定された応力は、作業荷重と組み合わさり、疲労を加速させます。

ブラケットを所定の位置に押し込むと、金属はわずかに曲がったままになる。その曲がりが一定の予圧となる。振動が繰り返されるたびに、同じ部分にさらなるひずみが加わる。時間の経過とともに、取り付け穴やファスナーのエッジ周辺に亀裂が生じます。

これを防ぐには、組み立て時に適切なトルク制御と正確な固定具を使用する。締め付ける前に、平坦度とアライメントをチェックする。高振動システムでは、緩みや衝撃荷重を避けるため、ロックワッシャーやネジ山接着剤を塗布する。