SS400の疲労限界とは？繰返し荷重に対する強度と設計の注意点
機械部品や構造物は、一度の大きな荷重ではなく、日々繰り返される小さな力の蓄積によって破壊に至ることがあります。こうした破壊現象を疲労破壊と呼び、その設計判断の指標となるのが疲労限界です。
SS400の疲労限界とは、繰返し荷重を無限回近く受けても破断しない応力レベルの目安を指します。ただしSS400は構造用圧延鋼材であり、合金鋼のように明確な疲労限界値が規格として定められているわけではありません。そのため、設計ではS-N曲線（応力と破断回数の関係）や経験値をもとに安全側で判断する必要があります。
SS400の疲労限界の目安値
SS400は炭素量が低い一般構造用鋼であるため、明確な疲労限界値は規格化されていませんが、引張強さとの関係から設計上の目安が用いられます。
■ 基本的な機械的性質
| 項目 | 代表値 |
|---|---|
| 引張強さ | 400〜510 MPa |
| 降伏点 | 約245 MPa以上 |
| 硬さ | 約120〜160 HB |
■ 疲労限界の設計目安
一般的に炭素鋼の疲労限界は引張強さの約0.4〜0.5倍が目安とされます。
基準推定値 引張強さ × 0.5約200〜255 MPa 実設計の安全側目安120〜180 MPa程度ただし実際の部品では表面状態や形状の影響を受けるため、設計ではさらに低い許容応力が採用されます。
疲労限界が明確に定義されにくい理由
材料組成のばらつき
SS400は成分規定よりも機械特性重視の鋼材です。そのためロットやメーカーにより微妙な組成差があり、疲労特性にもばらつきが生じます。
表面状態の影響
疲労破壊は表面から発生するため、以下の要素が大きく影響します。
- 切削痕や研磨状態
- スケールや酸化皮膜
- 腐食や錆
- ショットピーニングの有無
応力集中の存在
穴・段差・溝などの形状は応力を局所的に増幅します。例えば段付き軸では理論応力の2〜3倍に達することもあります。
S-N曲線の読み方と疲労設計の基本
S-N曲線は縦軸に応力、横軸に破断までの繰返し回数を示したグラフです。
高応力 → 少ない回数で破断
低応力 → 長寿命
一定応力以下 → 破断しない領域（疲労限界）
回転曲げ試験の基準
10⁵回：短寿命領域10⁶回：有限寿命10⁷回以上：疲労限界評価実機では10⁷回以上の繰返し荷重を受ける部品も多く、長寿命設計が重要になります。
疲労強度を低下させる主要因
① 表面粗さ
旋盤加工面と研磨面では疲労強度に20〜40％の差が出ることがあります。
② 残留応力
引張残留応力 → 疲労強度低下圧縮残留応力 → 疲労強度向上③ 腐食環境
腐食環境では疲労限界が消失し、応力が低くても破断する可能性があります。
④ 表面欠陥
微小な傷や介在物が疲労亀裂の起点となります。
疲労強度を向上させる具体的方法
表面改善
ショットピーニングローラーバニシング浸炭・窒化処理形状最適化
コーナーRを大きくする急激な断面変化を避けるキー溝形状の最適化表面仕上げ改善
研磨やラッピングにより疲労強度が大幅に向上します。
SS400と他鋼材の疲労強度比較
材質引張強さ疲労強度の傾向 SS400400〜510 MPa中程度 S45C570〜700 MPaSS400より高い SCM435850 MPa以上高疲労強度疲労寿命が重要な用途では、材料選定の段階で強度とコストのバランスを検討する必要があります。
設計現場での実務判断のポイント
安全率の設定
静荷重：1.5〜2疲労荷重：2〜4不確定要素が多い場合：4以上疲労破壊が起きやすい部品
回転軸溶接構造部ばね・支持部材振動環境下のフレーム溶接部の注意点
溶接部は金属組織の変化と応力集中が重なり、母材より疲労強度が低下します。
まとめ — SS400の疲労限界を正しく理解することが破断防止の鍵
SS400の疲労限界は明確な規格値として定義されていませんが、引張強さから推定すると約200MPa前後、実設計では120〜180MPa程度が安全側の目安として用いられます。
しかし疲労強度は材料強度だけで決まるものではありません。表面状態、応力集中、残留応力、腐食環境など複数の要因が重なって寿命を左右します。
繰返し荷重を受ける構造物において重要なのは、単なる強度計算ではなく、疲労破壊が発生するメカニズムを理解した設計です。この理解が、予期せぬ破断や重大事故を防ぎ、長寿命で信頼性の高い製品設計につながります。
