クリップを 1かい まげるくらいでは、ふつう おれません。でも、おなじ ところを なんども まげたり のばしたり すると、ぽきっと おれる ことが あります。

これを 「きんぞくひろう」と いいます。きんぞくに、くりかえし ちからが かかって こわれる ことです［1］。

ひこうきや でんしゃの ぶひんも、おなじ しくみで こわれる ことが あります。だから ぶひんを つくる ひとたちは、「おれる まえに どう ふせぐか」を ずっと かんがえて きました。

では、おれる まえの きんぞくの なかでは、なにが おきて いるのでしょう。

クリップを1回だけ曲げるくらいでは、ふつう折れません。同じ場所を何度も曲げ伸ばしすると、折れることがあります。金属に繰り返し力（応力）がかかって壊れる現象を、金属疲労といいます［1］。

疲労で壊れる部品は、1回目の力で壊れる強さには、まだ余裕があったはずのものです。だから、飛行機や鉄道のように壊れると困る部品では、疲労を前提に設計します。

では、折れる前の金属の中では、何が起きているのでしょうか。

疲労破壊とは、金属に繰り返し応力がかかって破断に至る現象である［1］。1回の負荷なら十分耐えられる大きさの応力でも、回数を重ねると壊れうる点が、ふつうの静的な破壊と異なる。

針金のクリップを同じ箇所で曲げ伸ばしすると折れる、という体験は、その身近な例として教材にも使われる。ただし折れるまでの回数はクリップの材質や曲げる幅で変わり、目安の域を出ない。曲げるたびに大きく塑性変形する場合は、少ない回数で壊れる低サイクル疲労にあたる。

では、壊れる前の金属の内部では、何が進んでいるのか。

おれる まえの きんぞくは、そとから 見ても かわりません。でも、ひょうめんの ちいさな ところで、きんぞくが すこしずつ ずれて いると いわれます。

ずれた ところでは、きんぞくが うちがわに はいりこんだり、そとに おしだされたり します。すると ひょうめんに、ごく ちいさな でこぼこが できます［2］。

でこぼこの ところに、ちからが あつまります。そこが、ひびの はじまりに なりやすいのです。

ひびは、そこから すこしずつ そだって いきます。では、そだって いく ひびは、なにか あとを のこして いるのでしょうか。

疲労のき裂は、多くの場合、金属の表面から始まります。力をくり返し受けると、表面の一部で金属が層のようにずれます。このずれが集まった場所をすべり帯といいます［2］。

すべり帯では、金属が内側に入り込む部分と、外に押し出される部分ができます。表面に生まれた小さな凹凸に力が集まり、そこがき裂の起点になります。

ひびは、目に見えないほど小さなところから始まります。そして1回の繰り返しごとに、ほんの少しずつ進みます。その進み方は、折れた面に記録として残ります。

疲労き裂は、多くの場合、表面や界面から始まる。表面ではすべり帯が起点になることがある。繰り返し応力のもとで変形がすべり帯に集中し、金属が内側へ入り込む（入り込み）現象と、外へ押し出される（押し出し）現象が起きる。これで表面に凹凸ができ、そこが応力を集めてき裂の起点になる［2］。

疲労の試験でこれを確かめたのが、後述するウェーラーの車軸の仕事で、表面の欠陥からき裂が成長し、残った断面が荷重を支えきれなくなったときに壊れる、という筋道が示された［3］。

成長するき裂は、破面に痕跡を残す。次章では、それを手がかりに壊れ方を読み解く方法を見る。

おれた ざいりょうの きりくちを よく 見ると、かいがらのような もようが のこって いる ことが あります。「ビーチマーク」と いい、なみうちぎわの なみの あとに にて います［1］。

もっと おおきく して 見ると、「ストライエーション」という ほそい しまも あります。ひびが すこし すすむ たびに、しまが ひとつ ふえると いわれます［2］。ビーチマークとは べつの もようです。

つまり きりくちは、「ひびが どちらへ すすんだか」の きろくです。これを 見れば、どこから こわれ はじめたかも わかります。

ひびは ながい あいだ、ほんの すこしずつ すすみます。でも さいごの ところで、ほとんど いっしゅんで ぜんぶ おれて しまいます［2］。だから 「とつぜん おれた」ように 見えるのです。

疲労で壊れた金属の断面（破面）には、特徴的な模様が残ります。波打ち際の波紋のようなビーチマーク、非常に細かい縞のストライエーション、き裂の起点近くのラチェットマークです［1］。日本の公設試験研究機関の破損調査でも、これらの模様から疲労と判断し、き裂が進んだ向きを読み取っています。

ストライエーションは約1000倍の顕微鏡で見え、1回の繰り返しごとの前進に対応するとされます［2］。一方、ビーチマークは荷重が中断したり変わったりした跡で、縞1本が1回とは限りません。二つは別物です。

き裂は、最後の急な破断の直前まで少しずつ進みます。そして限界に達すると、ほぼ一瞬（原文では音速に近い速さ）で破断します。外から見ていると、突然折れたように見えるのはこのためです。

では、壊れる原因は「大きな力」なのでしょうか。それとも別のものなのでしょうか。

疲労破面には、マクロにはビーチマーク（貝殻模様）、起点付近にラチェットマーク、ミクロにはストライエーションが見られ、日本の公設試験研究機関の破損調査でも、これらの特徴から疲労と判断し、き裂の進行方向を読み取っている［1］。

ストライエーション（約1000倍の顕微鏡で見える縞）は1サイクルごとのき裂前進に対応するとされる。ただしビーチマークは荷重の中断や変動を反映するもので、縞1本を1回と数えてよいのはストライエーションの側だけである［2］。

き裂は最終破断の直前まで安定して少しずつ進み、限界に達するとほぼ瞬間的に（原資料では音速に近い速さと表現される）破断する。ゆっくり育ち、最後に一瞬で壊れるため、外見上は突然の破壊に見える。ここに、疲労が事前に気づかれにくい理由がある。

では、壊れやすさを決めるのは、荷重の最大値なのか。この問いに、19世紀の実験が答えている。

むかし、てつどうの じくが おれる じこが つづきました。ウェーラーと いう ドイツの ぎじゅつしゃが、じくを くりかえし ゆすぶる きかいを つかって しらべたと いわれます［3］。

わかったのは、「いちばん おおきな ちから」よりも、「ちからが かわる はば」が だいじだと いう ことです。

しかも、はばが ある ていど ちいさければ、なんど くりかえしても おれない ことが あります。これを 「ひろうげんど」と いいます［3］。てつの なかまでは、この げんどが はっきり あらわれる ものが おおいそうです［4］。

では、ちからの はばを おさえられない ぶひんは、どうすれば いいのでしょう。

鉄道の車軸の折損は、19世紀の鉄道で大きな問題でした。ドイツの技術者ウェーラーは、繰り返し荷重をかける機械で車軸を試験し、疲労破壊は表面の欠陥からき裂が育ち、残りの部分が荷重を支えきれなくなって起きると示しました［3］。

1870年の総括で彼が結論したのは、最大の荷重よりも、繰り返される応力の幅のほうが重要だということでした。そして疲労限度という考え方を導入しました。ただしウェーラー以前にも、鉱山のケーブルの破損や、折れた車軸の調査は報告されていて、疲労の発見者が彼一人というわけではありません。

疲労限度とは、ある応力の幅より小さければ、壊れにくくなる境目です。多くの鉄鋼では、およそ100万〜1000万回のあたりで、この境目がはっきり現れるとされます。一方、アルミ合金やオーステナイト系ステンレスでは境目が明瞭でなく、1000万回などの回数での強さを目安に使います［4］。

「鉄は絶対に壊れない」わけではありません。条件つきの話です。

では、その条件を、材料の側から変えることはできるのでしょうか。

ウェーラーは、鉄道車軸の破損原因を繰り返し荷重試験で調べ、疲労破壊は表面の欠陥から生じたき裂が成長し、断面が荷重を支えきれなくなって起きると示した。1870年の総括で、最大荷重よりも繰り返し応力の範囲が支配的であると結論し、疲労限度（endurance limit）の概念を導入した［3］。

ただし疲労の観察は彼に始まるわけではない。1829年にドイツの鉱山行政官アルベルトが鉱山の巻き上げケーブルの小さな繰り返し荷重による破損を報告し、1840年代初めにはランキンが折れた鉄道車軸を調べ、肩部など応力集中部から進む脆いき裂による破損と指摘していた。ウェーラーの貢献は、それらを制御された条件の試験で体系的に示した点にある。

疲労限度は、S-N曲線（応力振幅と破断までの回数の関係）で、ある応力振幅以下で破断しにくくなる折れ曲がりとして現れる。多くの鋼では10⁶〜10⁷回付近に現れるが、非鉄合金やオーステナイト系ステンレスでは明瞭でなく、10⁷回などでの時間強度で代用する［4］。

関西大学の材料強度の研究室は、アルミ合金A6061-T6にマグネシウムを加えると明瞭な疲労限度が現れることを見いだしたと紹介している［4］。実用化された話ではないが、合金の設計で疲労のふるまいを変えうる、という方向性を示す例である。

次の問いは実際的だ。材料を変えられない部品では、設計と加工で何ができるのか。

ひとつめは、かどを まるく する ことです。とがった かどには ちからが あつまり、ひびが はじまりやすく なります。むかしの ひこうきの じこを しらべた とき、まどの ちかくの あなから ひびが はじまって いた ことが わかりました［9］。その あと、ひこうきの こうぞうは、おぎなう ほうこうで かえられました。

ふたつめは、ひょうめんを、ちいさな たまで むすうに たたく こと（ショットピーニング）です。ひょうめんを ちいさな つぶで たたく かこうで、ひろうに つよく する もくてきで つかわれます［5］。

みっつめは、ふとくする ことです。ばねの ひろうを しらべた ところ、ばねを ふとい はりがねに かえると よいと、しどうされた れいが あります［7］。

さて、それでも ひびが ゼロに なる とは かぎりません。では どうするのでしょう。

一つ目は、力が集まる場所をなくすことです。角や穴の縁には力が集まりやすく、そこがき裂の起点になります。1954年のコメット機の調査では、王立航空研究所が機体を水槽に入れて加圧をくり返し、3057回（実際の飛行1221回分と、模擬の1836回分）で胴体が裂けました。起点は客室窓ではなく、後ろのADF窓の後ろ側の角にあったリベット穴でした［9］。その後、構造補強などの変更が加えられました。「四角い窓が原因」という話は、単純にされすぎています。

二つ目は、表面を叩いて変形させることです。ショットピーニングは、小さな粒（投射材）を無数に当てて表面を変形させる冷間加工で、加工硬化と疲労強度の向上が主な目的です［5］。

三つ目は、太くするという素朴な手です。北海道の公設試験研究機関が調べたばね部品では、ばねの内側の起点から疲労破面が進み、常に繰り返し応力のかかる使い方でした。対策として線径を太くすることが有効と指導しています［7］。

ただし、どれも「き裂が絶対に出ない」ことを約束するものではありません。だから最後の砦は、壊れる前に見つける仕組みになります。

応力集中の低減が第一の対策になる。き裂は角・穴・切り欠きの縁の局所的な高応力部から発生するため、これらを丸める・補強することで起点を減らす。1954年のコメットの調査で、王立航空研究所は機体を水槽に入れ加圧を繰り返す試験を行い、3057回（実飛行1221回＋模擬1836回）で胴体が裂けた。き裂の起点は客室窓ではなく、後方ADF窓の後部角の皿リベット穴で、「窓が四角かったから」という通説と食い違う［9］。設計側では、構造補強などの変更が加えられた。

第二は、表面を加工して疲労強度を高める方法である。ショットピーニングは投射材を無数に投射して材料表面を塑性変形させる冷間加工で、加工硬化と疲労強度の向上が主目的とされる［5］。

第三は、断面を大きくして応力自体を下げる方法である。北海道立総合研究機構の技術支援事例では、ばね内側の起点から疲労破面が進み最終破断部につながる典型的な疲労破壊で、使用状況は常に繰り返し応力のかかるものだった。対策として線径の増加が有効と指導された［7］。

ただし、これらは起点の発生や成長を遅らせるもので、き裂の発生をゼロにはできない。そこで設計思想が、「き裂が出ることを前提に、壊れる前に見つける」方向に進む。

ひこうきは、「ひびが できても、すぐには こわれない」ように つくられます。そして ひびを ちいさい うちに 見つけて、なおして から とばす ことに なって います［8］。

これは、アメリカの ルールの うち、大きな りょかくきなどの「ゆそうき」という なかまの ひこうきに あてはまる きそくに ある かんがえかたです。ひびが ない ところに、さいしょから ちいさな ひびが あると して、どれくらいで そだつかを けいさんや しけんで しらべます。その けっかから、いつ けんさするかを きめます。

ひこうきの ぜんたいを、なんども ゆらす しけんも あります。たくさんの ばしょで いちどに ひびが でない ことを たしかめるのです［8］。

おれる ことを おそれて さけるのでは なく、しくみで さきに みつける。これが、ぎじゅつしゃたちの こたえです。

旅客機の構造は、疲労・腐食・偶発的な損傷による壊滅的な破壊が運用期間中に起きないよう評価する、という規定があります（米国のFAAの規則）［8］。この規則が求める損傷許容設計は、重大な損傷が起きても、見つかって修理されるまでのあいだ、残りの構造が予想される荷重に耐えることです。

そのために、最初から小さな欠陥があると仮定して、き裂が育つ速さを解析と試験で調べ、検査を始める時期を決めます。ひびをゼロにするのではなく、「出ても壊れる前に見つかる」ようにする考え方です。

さらに、十分な全機疲労試験の証拠などにより、設計上の運用目標の期間内に、複数の箇所で同時にき裂が出る広範囲疲労損傷が起きないことを示すよう求められます［8］。これは米国の規則なので、日本の基準とは分けて考える必要があります。

ゆっくり育って最後に一瞬で壊れる、という疲労の性質は、怖い面だけではありません。育つ途中に見つければ間に合う、という余地でもあります。

ここまで見た対策を前提に、旅客機の構造では、疲労・腐食・偶発損傷による破滅的な破壊を運用期間中は避けるよう評価する規定がある（米国の連邦航空局（FAA）のPart 25。日本の耐空基準とは区別する）［8］。損傷許容設計は、重大な損傷が発生しても、それが検出され修理されるまで残存構造が予想荷重に耐えることを求める。

そのために、初期欠陥の存在を仮定したき裂成長の解析と試験を行い、検査の開始時期と間隔を決める。つまり、き裂の発生をゼロにすることを前提にせず、成長速度が有限で最終破断前に検出できることを設計に取り込んでいる。

もう一つの柱が全機疲労試験で、設計上の運用目標期間内に、複数箇所に同時にき裂が出る広範囲疲労損傷（WFD）が生じないことを、十分な全機試験の証拠で示すよう求められる［8］。単独の部材の評価では見えない、多数の小さなき裂の相互作用に備えるためである。

鉄道の台車や車軸でも、き裂が急には進まない性質を利用し、小さいうちに定期検査の探傷で見つける考え方がとられているといわれる。

今日できること

おうちの ひとと いっしょに、はりがねの クリップを 2ほん つかいます。1ぽんは おおきく、もう 1ぽんは すこしだけ、おなじ ところを まげたり のばしたり して、どちらが さきに おれるか くらべます。おれる かいすうは やくそく できません。おれた はしは とがって、ちいさく とぶ ことも あります。めがねなどで めを まもり、おとなの ひとに そばで 見て もらって、ゆびを きらないよう きを つけます。

出かけてできること

ばねや くさりを 見つけたら、どこが いちばん はたらいて いそうか かんがえて みましょう。

こうしきの しりょう

この ページの「しらべた もとの じょうほう」に ある、ひこうきの きそくや だいがくの けんきゅうしつの ページを、おうちの ひとと 見て みましょう。

今日できること

大人と一緒に、針金のクリップを2本使います。1本は大きく、もう1本は小さな幅だけ、同じ場所で曲げ伸ばしをくり返して、どちらが先に折れるか比べます。折れる回数は約束できません。折れた端は尖って小さく飛ぶことがあるので、保護メガネなどで目を守り、指を切らないよう気をつけます。

出かけてできること

ばねやチェーンのように、くり返し力を受ける部品を見つけたら、どこに力が集まりそうか考えてみます。

公式情報

下の「参考にした情報源」にある、関西大学の材料強度研究室のページや、北海道立総合研究機構の技術支援の事例（ばねの破損調査）が、日本語で読める入り口になります。

もっと調べる

折れた部品の写真を見る機会があれば、ビーチマークがどこから広がっているか、目で追ってみてください。

今日できること

針金のクリップ2本で、曲げの幅を変えて折れるまでの回数を比べる。回数を約束できる実験ではなく、幅と回数の関係を体感する程度にとどまる。折れた端は鋭いので、保護眼鏡などで目を守り、大人と一緒に行う。

出かけてできること

身近なばね・チェーン・自転車のペダル軸など、繰り返し荷重を受ける部品を見つけ、応力が集中しそうな角や穴の位置を推測してみる。

公式情報

出典に挙げたFAAの規則（Federal Register）、関西大学材料強度研究室、JFEテクノリサーチ、北海道立総合研究機構の資料を読み比べ、日本の耐空基準や鉄道の検査基準が別にどう書かれているかも探してみるとよい。