鋼材はなぜ壊れる？延性・脆性・疲労破壊の違いと対策を、まずは一発理解

執筆・監修者
熊谷憧一郎（くまがい しょういちろう）
クマガイ特殊鋼株式会社 代表取締役社長。1977年生まれ、愛知県出身、成蹊大学経済学部卒業。2000年に大手総合商社へ入社し、ステンレス鋼材の販売に4年間従事。その後、現在の会社に入社し営業・加工技術の実務経験を積み、2013年より現職。特殊鋼販売技師の資格を有し、特殊鋼材の販売・加工に一貫して携わる。会社代表としても特殊鋼販売技師や加工技師などのプロ社員集団を束ねる。

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鋼材は十分な強度を持っているはずなのに、ある日突然破断することがあります。

・設計通りの強度なのに壊れる
・変形せず一瞬で割れる
・気づかないうちに進行して破断する

こうした破壊には、それぞれ異なる原因とメカニズムがあります。

本記事では、鋼材の代表的な破壊である

「延性破壊・脆性破壊・疲労破壊」

の違いを整理し、設計・製造での対策まで実務目線で解説します。

1.鋼材の破壊とは

鋼材の破壊とは材料にかかる力や環境により材料が分離・断裂する現象を指します。

破壊は一瞬で起きる場合も徐々に進行する場合もあり、発生原因や進展機構により対策が異なります。

• 延性破壊
• 脆性破壊
• 疲労破壊

の3つが主な破壊形態になります。

2.延性破壊｜伸びてから壊れる典型的な破壊

延性破壊は、鋼材に大きな荷重がかかった時に、大きく塑性変形した後に破断する現象です。 一般に鋼材は、降伏点を基準に安全側で設計されるのですが、何らかの理由で、それよりも大きな引張荷重がかかると、伸びるような変形を伴って、ひきちぎられるような形で破断します。

作用荷重が同じでも、き裂、欠陥、腐食等により有効断面(実断面)が減少し、局部応力が上昇することでも発生しえます。

当然のことながら、設計よりも薄い板厚を使ったり、低い強度の鋼材を使うことは強度上、許されません。

3.脆性破壊｜最も危険な“突然破断”

脆性破壊は最も危険な破壊です。ほとんど変形せず、予兆なく一気に破断します。

脆性破壊は塑性変形を伴わずに一気に急激に破断するので非常に危険です。鋼材がガラスのように割れるというイメージです。
破断するきっかけは、下記のようなものが考えられます。

• 外的要因：低温・衝撃・高速負荷・腐食環境
• 材料要因：靭性不足・脆化
• 幾何要因：き裂・応力集中

溶接欠陥、疲労き裂なども誘因となりやすく、検出が遅れると大規模事故につながるリスクが高いです。

鋼材には延性－脆性遷移温度があり、これを下回ると、延性から脆性へ挙動が変わることもあります。

曲げ加工中に、鋼材が割れることがあります。延性不足で割れる場合もありますが、高強度鋼では、溶断による硬化層などから脆性的に発生する場合もあります。

4.疲労破壊｜最も発生率が高い破壊

疲労破壊は繰返し荷重により微小なき裂が表面や内部から発生し、徐々に拡大して最終的に破断する現象です。変形の生じる降伏点より十分低い応力の繰返しでも、いつの間にか進展しているのが特徴です。

疲労き裂が進展すると、最後には延性破壊または脆性破壊により全体の破壊につながります。

実際の破壊事故の多くは疲労が原因と言われています。

疲労は破壊の原因として非常に高い割合を占めるため、特に設計段階での配慮が必要です。

また、き裂の進展を定期検査などで把握し、早期に対処するのが重要になります。

5.3つの違いを一発で理解（比較表）

破壊	特徴	危険度	発生原因
延性	伸びる	低い	過荷重
脆性	突然割れる	高い	低温・衝撃・靭性不足・き裂
疲労	徐々に進行	高い	繰り返しの荷重

6.設計・製造でできる対策

各破壊形態の発生条件と進展機構を理解し、破壊対策を行うことが重要です。

• 適切な材料選定
• 内部品質の良い鋼材の入手
• 応力集中を避ける形状設計
• 適切な安全率
• 表面キズ防止
• 熱処理での靭性確保
• 溶接部の施工管理
• 腐食防止策

などなどが有効です。

また、使用中の点検、管理も怠らないようにしないといけません。

破壊の要因は設計条件によって大きく左右されます。特に繰り返し荷重による破壊（疲労）は、設計次第で寿命が大きく変わるため注意が必要です。以下のリンクコラムにて「設計の考え方」でまとめています。

是非ご覧ください。

▶ 疲労強度を考慮した設計の考え方を詳しく見る
疲労設計とは？S-N曲線・応力集中・寿命計算まで実務で使える形で解説【計算例付き】 | ニュース・ブログ | 創業1913年 鋼板・鋼材の専門商社｜クマガイ特殊鋼株式会社

7.まとめ

鋼材の破壊は3つに分けて理解することで、
原因と対策が明確になります。

• 延性：過荷重
• 脆性：環境や材料の靭性不足
• 疲労：繰り返しの荷重、疲労き裂

それぞれの理解を深めて６．の通り「設計と製造」で対策していきましょう。

8.クマガイ特殊鋼では

• 延性破壊対策　⇒板厚、材質は徹底して管理して提供しています。
• 脆性破壊対策　⇒鋼種、板厚、曲げ半径などにより切断機の最適化も行っております。

低温用途に対する鋼種選定についてもノウハウを有しています。

• 疲労破壊対策：日本製鉄など内部品質も信頼できるメーカーから鋼材を調達し、表面疵や断面疵についても管理して提供しています。

用途条件に応じた材料選定や設計について、実務目線でのご相談も承っております。

ぜひお気軽に【クマガイ特殊鋼】まで、ご相談ください！！

■ 次に読むべき記事

破壊の中でも、実務で特に重要なのが「疲労破壊」です。

繰り返し荷重による破壊は、見えないまま進行し、
設計条件によって寿命が大きく変わります。

▶ 疲労強度を考慮した設計の考え方はこちら
疲労設計とは？S-N曲線・応力集中・寿命計算まで実務で使える形で解説【計算例付き】 | ニュース・ブログ | 創業1913年 鋼板・鋼材の専門商社｜クマガイ特殊鋼株式会社