ボルト締結部の疲労

ボルト結合には、疲労破壊として知られるタイプの破壊があります。疲労破壊は主に、長期にわたる周期的な振動環境で発生します。-水素脆化と同様に、その破壊は突然起こりますが、この 2 つは根本的に異なります。-疲労破壊は長期の繰り返し荷重下での累積的な損傷の結果です。-一方、水素脆化は水素原子によって引き起こされる脆性破壊です。-現時点では、ボルトが疲労破壊を起こす正確な時期を事前に予測する技術はありません。そのため、設計、材料選定、施工といった初期段階から予防策を講じる必要があります。

どのボルトにも寿命があります。一部のボルトは再利用可能ですが、永久に使用できるわけではありません。ボルトは設計荷重を超える使用状態が長時間続くと疲労破壊の確率が大幅に高まります。このような破損は、生産設備に重大な損傷を与えるだけでなく、重大な場合には安全事故につながる可能性があります。

では、なぜボルトは疲労破壊を起こすのでしょうか？業界における比較的一貫した理解は次のとおりです。周期的な荷重 (振動や交番圧力など) が作用すると、ボルトの応力集中領域 (ねじの根元や頭とシャンクの間の移行部など) に応力が蓄積する傾向があります。適合するコンポーネントに寸法の偏差がある場合や、ボルト 不適切な予圧（きつすぎるか緩すぎる）で取り付けられると、局所的な応力の不均衡がさらに悪化します。蓄積された応力が材料の疲労限界を超え、材料の塑性がこの損傷を緩衝するのに不十分な場合、ボルトの内部に微小亀裂が徐々に形成されます。サイクル数が増加するにつれて、亀裂は広がり続けます。臨界点に達するとボルトは突然折れてしまいます。私たちが肉眼で「突然の亀裂」として見ているものは、実際には長期にわたる亀裂の蓄積と段階的な伝播の結果です。-完全なプロセスは次のように要約できます: 周期的な応力がボルトの応力集中点に作用する → ボルトの母材が徐々に引き裂かれる → 微小亀裂が形成される → 亀裂が臨界点まで伝播する → ボルトが突然破断する。

これが、ボルトが使用前に引張強度試験を受ける必要がある理由の 1 つです。引張試験には短時間しかかかりませんが、破断位置を観察し（ねじの付け根や頭のシャンクの移行部などの応力集中領域で破断が発生した場合は、疲労のリスクに注意する必要があります）、破断力を記録することで、ボルトの基本的な機械的特性を事前に評価できます。-テストでのボルトの破壊力が設計基準より大幅に低い場合、このボルトのバッチを使用することはお勧めできません。

さらに、環境温度の変化もボルトの疲労寿命に影響を与えます。過度の高温または低温、または頻繁に温度変化が起こる環境でボルトを使用すると、材料の疲労損傷が促進されます。空気中の腐食媒体（湿気や塩水噴霧など）によるボルトの浸食と組み合わせると、疲労破壊の可能性がさらに高まります。

これらの破壊リスクのほとんどは、動作条件に対する材料の適応性に関連しています。生産プロセスを最適化することで疲労破壊の可能性を減らすことができます。状況が許せば、ボルトの加工順序を調整できます。-まず、ボルトのブランクに熱処理（焼き入れと焼き戻し）を施し、次にねじ転造を実行します（一部のシナリオでは、従来のプロセスではねじ転造の後に熱処理が行われます。ただし、高強度ボルト-、ねじ転造前の熱処理により、ねじ加工中に発生する追加の応力集中が軽減され、耐疲労性が向上します）。あるいは、全ねじボルトを部分ねじボルトに置き換えることもできます。結局のところ、ボルトの滑らかなシャンク部分にはねじ構造がなく、その結果、ねじ部分よりも応力分布がより均一になり、耐疲労性が大幅に向上します。