応力寿命（SN）法

構造に発生する応力のレベルがほとんど弾性範囲である場合は、疲労寿命の予測で応力寿命法が良好に機能します。

このような繰り返し荷重条件下では、多くの場合、構造が荷重サイクルの膨大な繰り返しに耐えることができます。これは高サイクル疲労として知られています。

繰り返しひずみが塑性ひずみ範囲に及ぶと、構造の疲労耐久性は大幅に低下することが普通です。この特性を低サイクル疲労と呼びます。低サイクル疲労については次の項で詳しく取り上げます。

高サイクル疲労と低サイクル疲労間の遷移点として一般に受け入れられている値は10,000荷重サイクル程度です。

SN曲線

Wöhlerによって初めて発案されたSN曲線は、応力と破壊に至るまでのサイクル数との関係を規定します。

一般的に、材料のSN曲線（および他の疲労特性）は両振り回転曲げ試験によって実験的に得られます。通常はテスト結果に大きなばらつきが伴うことから、データの統計的な特性記述も入手する必要があります（耐久確実性を使用し、SN曲線の標準誤差に応じてSN曲線を変更します。高水準の信頼性を実現するには高い耐久確実性が必要です）。
Figure 1. テストで得られたSNデータ


周期的に変化する公称応力振幅Saおよび破壊に至るまでの周期数Nを両軸として、両対数スケールでSNテストデータをプロットすると、SとNとの関係を複数の線分で表すことができます。通常は、1本または2本の線分で理想化します。
Note: SN曲線によっては、振幅の代わりに応力範囲が使用される場合があります。材料データベースで、材料特性のStress DefinitionをAmplitudeまたはRangeに設定できます。デフォルトでは、振幅が使用されます。
Figure 2. 1本の線分で両対数スケールに表示したSN曲線


(1) S = S 1 N f b 1 MathType@MTEF@5@5@+= feaahqart1ev3aaatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLn hiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaebbnrfifHhDYfgasaacH8srps0l bbf9q8WrFfeuY=Hhbbf9v8qqaqFr0xc9pk0xbba9q8WqFfea0=yr0R Yxir=Jbba9q8aq0=yq=He9q8qqQ8frFve9Fve9Ff0dmeaabaqaciGa caGaaeqabaqaaeaadaaakeaacaWGtbGaeyypa0Jaam4uaiaaigdada qadaqaaiaad6eadaWgaaWcbaGaamOzaaqabaaakiaawIcacaGLPaaa daahaaWcbeqaaiaadkgacaaIXaaaaaaa@3A74@
線分1 (1)について上記の式が得られます。

各値の意味は次のとおりです：
  • S： 公称応力振幅
  • Nf： 破壊に至るまでの疲労サイクル数
  • b1： 最初の疲労強度指数
  • S1： 疲労強度係数
  • Nc1： 耐久性のサイクル限界

SN法は弾性繰り返し荷重に基づいているので、寿命軸側で1,000サイクルを超える範囲にSN曲線を制限することが想定されています。こうすることで、顕著な塑性が発生することがありません。この特性は、一般的に高サイクル疲労と呼ばれています。