鋼の化学成分および機械的性質の表の読み方

鋼の化学成分および機械的性質表の読み方

鋼材表は仕様書ではなく、参考資料です。表の各行には、本来、製品規格、寸法範囲、製造方法、熱処理条件、および試験方法に属する情報が圧縮されています。AISI 4140、304、または S355 などの呼称は、鋼種または等級を示しますが、それだけで、供給される製品に適用されるすべての化学成分の制限値や機械的要求事項が定まるわけではありません。

まず重要なのは、適用される規格文書です。ASTM A240 は、圧力容器および一般用途向けのクロム系およびクロム・ニッケル系ステンレス鋼の厚板、薄板、帯鋼を対象とし、ASTM A276 はステンレス鋼の棒鋼および形材を対象としています。いずれにも 304 と指定される鋼種が含まれる場合がありますが、製品形状、許容される製造状態、寸法規定、および試験規定は同一ではありません。同様に、欧州の構造用製品規格における S355 も、単独で成立する材料識別名ではありません。適用される EN 製品規格によって、厚板、形鋼、中空断面材、その他の形状に対する要求事項が定められます。

したがって、有用な表には適用範囲を明示する必要があります。規格、鋼種の呼称、製品形状、納入状態、厚さまたは断面寸法、単位、試験方向、および合否判定基準を記載すべきです。これらの項目がなければ、その行は予備的な比較には利用できますが、適合性を証明することはできません。

鋼種の行が実際に表しているもの

鋼種の行は、規格体系の中で定義された一つの範囲を表します。最低限、呼称を化学成分および一つ以上の性質に関する要求事項と結び付けるものです。適切に作成された表では、熱間圧延棒鋼、焼ならし厚板、焼入れ焼戻し合金鋼、溶体化処理ステンレス鋼、またはその他の状態のいずれに値が適用されるかも示されます。

ASTM A400は、鋼棒の選定を、等級、化学成分、加工状態、断面寸法、および要求される最小降伏強さと関連付けている。 Strong evidence

[1][1] Standard Practice for Steel Bars, Selection Guide, Composition, and Mechanical Properties. ASTM International. ASTM standard.

ASTM A400、Standard Practice for Steel Bars, Selection Guide, Composition, and Mechanical Properties は、この点を特に明確に示しています。同規格の表形式の指針は、棒鋼の選定を、鋼種、化学成分、加工状態、断面寸法、および所要の最小降伏強さに関連付けています。したがって、一つの行は単に「4140 の性質」を示すものではありません。それは特定の棒鋼製品の状況における指針であり、強度は鋼の加工方法および断面寸法の影響を受けます。

別の製品規格では、同じ呼称に異なる要求事項が課されることがあります。厚板は、焼ならし、焼ならし焼戻し、または焼入れ焼戻しの状態で供給される場合があります。棒鋼は、焼なましまたは冷間引抜きの状態で供給される場合があります。取鍋分析の化学成分が同じ鋼種の制限値内にあっても、これらの状態によって、硬さ、降伏強さ、引張強さ、および延性は変化します。

寸法も、要求事項の同一性を構成する要素です。構造用鋼では、断面内の冷却速度および変態条件が異なるため、厚さが大きくなるほど最小降伏強さが低く設定されることが一般的です。Eurocode 3 の EN 1993-1-1 Section 3.2.6 は、S235、S275、S355、S420、S450、および S460 の設計用材料特性を列挙していますが、これらの値は Eurocode の枠組みおよび厚さに関する規定に結び付いた設計入力値です。これらを汎用表に転記し、普遍的な引張試験結果として提示すべきではありません。

試験方向も別の境界条件です。圧延板は、圧延方向に対して横方向と長手方向とで、強度、伸び、絞り、および靭性が異なる場合があります。方向を記載していない機械的性質の行では、長手方向にのみ、または横方向にのみ適用される要求事項が隠れてしまう可能性があります。特に衝撃エネルギーについては、温度も重要になります。

ASTM 規格は、炭素鋼、構造用鋼、ステンレス鋼、フェライト系鋼、オーステナイト系鋼、および合金鋼について、化学的、機械的、冶金学的、その他の材料特性を対象としています。この広範さは、短い鋼種ラベルを完全な材料定義として扱ってはならないことを示す警告でもあります。

規定成分範囲と報告分析値

溶鋼分析溶鋼分析 特定の溶鋼または取鍋の組成を代表することを目的とした化学分析。

化学成分表には通常、保証された分析値ではなく制限値が示されます。例えば、規格には炭素 0.08% 以下、マンガン 2.00% 以下、またはクロムを指定された最小値以上かつ最大値以下とする、と記載されることがあります。これらは通常、質量百分率で示される合否境界です。すべての溶鋼がその範囲の中央値を含むという意味ではありません。

ミルテスト証明書には、炭素 0.045%、マンガン 1.52%、クロム 18.20% といった溶鋼分析値が記載される場合があります。これらの数値は、規格のサンプリングおよび分析に関する規定に従って試験された溶鋼を示すものです。これらは規格の制限値に代わるものではありません。逆に、説明用の表では、許容範囲が 0.17～0.23% である鋼種について、炭素 0.20% と単一の数値が記載されることがあります。この単一値は概略を把握するには有用ですが、適合性を判定することはできません。

この区別は、合金元素および残留元素について特に重要です。リンおよび硫黄には最大許容値が設定される場合があり、ケイ素およびマンガンには範囲が設定される場合があります。窒素、銅、ニオブ、チタン、その他の元素は、鋼種および製品規格に応じて管理されることがあります。数値を丸めたり、異なる版の規格を組み合わせたり、選択添加元素を省略したりした比較表は、誤った同等性を生み出す可能性があります。

例えば SSINA は、ASTM 製品規格の対象となるオーステナイト系ステンレス鋼種について、質量百分率による成分表および規定機械的性質を公表しています。このような表は、引用された ASTM 規格および製品形状が保持されている場合にのみ有用です。同様に、Nickel Institute は、化学成分、機械的性質、物理的性質、および規格を表形式で分けて示しています。これらの性質の区分を分離しておくことで、化学成分の値が性能保証と取り違えられるのを防げます。

比較表には、さらに注意が必要です。Handbook of Comparative World Steel Standards は、国際的な呼称体系における化学成分と機械的性質について、別々の表を掲載しています。この分離には根拠があります。似た名称やおおよそ同じ成分であることだけでは、二つの鋼種の加工規定、靭性要求、清浄度に関する規定、または機械的性質の最小値が同一であるとは証明できません。「同等」とは、単に化学成分欄が似ているという意味ではなく、明示された用途および規格に対して同等であることを意味すべきです。

規定値と代表値

規定値とは、契約または規格に基づく要求事項です。製品規格が最小降伏強さ 355 MPa を要求している場合、規格に有効な例外規定または再試験手順がない限り、そのしきい値を下回る試験値は要求事項に不適合となります。最大硬さが規定されている場合も、報告値がその上限を超えれば同様に重要な意味を持ちます。

代表値は代表的な情報であり、規定された最小値または最大値に代わるものではない。 Strong evidence

代表値はこれとは異なります。これは、特定の熱処理および試験片の方向に関連することが多い、観測値、代表的な値、または一般に公表されている値です。ある状態における代表的な引張強さが 700 MPa であっても、規格が定めるのは 655 MPa の最小値だけという場合があります。代表値は、技術者が挙動を推定する際に役立ちますが、最小要求値を 700 MPa に引き上げるものではありません。[2][2] Mechanical Properties of Carbon and Alloy Steels. ASM International. ASM Metals Handbook.

この違いは重要です。強度は化学成分だけで決まるわけではないからです。ASM International は、炭素鋼および合金鋼の性質は、化学成分、加工、およびミクロ組織の複合的な影響によって決まると説明しています。同じ化学成分の鋼種であっても、焼入れ速度、焼戻し温度、結晶粒径、加工前の変形、および断面厚さによって、硬さ、靭性、降伏強さ、伸びは変化します。

[3][3] General Content and Format of ASTM Standard Specifications for Steel Products. American Institute of Steel Construction. AISC Engineering FAQ.

表では、各数値を 最大値、最小値、範囲、代表値、公称値、設計値、または 報告分析値 と明確に表示すべきです。また、該当する場合には、試験規格、試験片の採取位置、方向、温度、および納入状態も示す必要があります。構造用形鋼および厚板について、American Institute of Steel Construction は、ASTM 製品規格には一般に化学成分と機械的性質の両方に関する要求事項が含まれると指摘しています。いずれか一方の区分を、もう一方の代用として安全に扱うことはできません。

編集上の原則は単純です。転記した表を、適用される規格の代替として扱ってはなりません。表は鋼種を探し、関連する変数を理解するために使用します。その後、適合性または工学的性質を判断する前に、適用される規格、製品形状、状態、寸法、規格の版、および試験要求事項を確認してください。

鋼材の規格記号と規格体系の構造

ASTMおよびASMEの規格記号の考え方

鋼材の規格記号は、材料の完全な同一性を示すものではない。それは、特定の規格体系内における住所に相当する。例えばASTM A36は、炭素構造用鋼の仕様を示すが、その仕様が規定するのは名称だけではない。許容される製品形状、化学成分の限界値、引張特性および降伏特性、試験方法、納入状態、場合によっては追加要求事項まで定めている。ASTM A572/A572M Grade 50は、規定された最小降伏強さを有する高強度低合金構造用鋼を指すが、適用される限界値および試験規定は、依然としてその仕様が対象とする製品によって異なる。

ASTMの体系では、一般に、文字、通し番号、そして必要に応じてグレード、タイプ、クラス、または追加の記号を組み合わせる。文字は大まかな対象分野を示す。「A」は鉄鋼材料を対象とし、番号は特定の仕様を示す。したがって、「A36」と「A572」は、普遍的な化学成分レシピを二つ示しているのではない。これらは仕様の識別情報である。「Grade 50」はA572/A572Mにおける強度クラスを示すものであり、あらゆる鋼材製品にそのまま移行できる独立したグレードではない。

この違いは、ASTM A400、Standard Practice for Steel Bars, Selection Guide, Composition, and Mechanical Properties（鋼棒の選定指針、化学成分および機械的性質に関する標準実務）を見ると明確になる。同規格の表は、棒鋼のグレードを、化学成分、加工状態、断面寸法、および要求される最小降伏強さと関連付けている。この構成は、表の一行を完全な購入条件または設計要件として読んではならないことを示している。4140系合金は、熱間圧延、焼ならし、焼入れ・焼戻し、または冷間仕上げの状態によって、強さ、硬さ、延性が大きく異なる場合がある。また、熱処理後の大断面材は、小断面材と同じ板厚方向の特性を達成できないこともある。

ASTMの鋼材規格は、炭素鋼、構造用鋼、ステンレス鋼、フェライト系鋼、オーステナイト系鋼、および合金鋼を対象とし、化学的、機械的、冶金学的、その他の材料特性を規定する場合がある。AISCは、形鋼および鋼板に関する構造用鋼の仕様には、一般に化学成分の要求事項と機械的性質の要求事項の両方が含まれると説明している。一方の表が他方に取って代わることはない。化学成分は、許容される合金元素および残留元素を規定し、機械的性質の要求事項は、供給された製品が試験で達成すべき性能を定める。

ASMEの規格記号は、第二の管理層を示すことが多い。ASME Boiler and Pressure Vessel Codeでは、ASTM仕様がA516/A516Mではなく、圧力容器用鋼板のSA-516/SA-516Mのように、「SA」接頭辞を付けて示される場合がある。この接頭辞は、ASME規格体系内で受け入れられることを示すが、参照される仕様、その版、製品形状、グレード、熱処理、または追加要求事項の重要性を消し去るものではない。メートル単位版と慣用単位版では、異なる要求事項または注文上の慣行が適用されることもある。したがって、「SA-516 Grade 70」は、適用される規格および版を確認せずに、「A516 Grade 70」と呼ばれる任意の鋼板へ置き換えられる、独立した規格記号ではない。

化学成分から特性を直接推定する近道は、冶金学的にも成り立たない。ASM Internationalは、炭素鋼および合金鋼の特性は、化学成分、加工、および微細組織の複合的な影響によって生じると述べている。炭素、マンガン、クロム、ニッケル、モリブデン、およびホウ素の含有量は、焼入性および相変態に影響を与えるが、圧下率、冷却速度、焼戻し、結晶粒径、断面厚さによって、形成される組織は変化する。化学成分表によって、ある溶解が規定値の範囲内にあるかどうかを確認することはできる。しかし、それだけで降伏強さ、衝撃靭性、硬さ、または溶接性を証明することはできない。

S235およびS355などの欧州規格記号

欧州の構造用鋼の規格記号は、異なる情報体系を表している。EN体系では、S235およびS355の「S」は構造用鋼を示し、数字は、定められた製品および厚さ範囲における公称最小降伏強さをメガパスカルで示す。この数字は、化学成分の同等性を示す符号ではない。S355と表示されたすべての製品が、炭素、マンガン、シリコン、または合金元素について一つの固定された含有量を持つことを意味するものではない。

接尾辞は重要である。EN 10025の製品規格では、S235JR、S355J2、S355K2などの規格記号に衝撃靭性区分が含まれている。「JR」、「J0」、「J2」、および「K2」は、それぞれ異なるシャルピーVノッチ衝撃要求事項および試験温度に対応する。関連する製品規格において、「N」または「NL」は、焼ならし状態または焼ならし圧延状態の納入区分を示す場合がある。完全な接尾辞を伴わない規格記号では、低温性能および加工状態を左右する情報が欠落する可能性がある。

厚さによって、表示された強さの意味も変わる。ENの要求事項では、通常、厚さの区間ごとに異なる最小降伏値が定められている。そのため、S355に関連付けられる355 MPaという数値が、すべての鋼板厚さまたは断面について要求される降伏強さであるとは限らない。EN 10025-2などの製品規格は熱間圧延非合金構造用鋼を対象とし、その他のEN規格は中空断面材、鍛造品、締結部品、またはステンレス製品を対象としている。製品規格も材料の同一性の一部である。

SteelConstruction.infoは、欧州の構造用鋼の規格記号体系と、化学成分および機械的性質を規定する規格とを区別している。さらにEurocode 3は、EN 1993-1-1の3.2.6節を通じて、設計用材料特性を導入している。その表にはS235、S275、S355、S420、S450、およびS460が含まれているが、これらはEurocodeの枠組みに基づく設計値であり、ミル証明書または適用されるEN製品規格に代わるものではない。設計用の表と材料受入れ用の表は、それぞれ異なる問いに答えるものである。[4][4] Composition and Properties. Specialty Steel Industry of North America. SSINA technical resources.

ステンレス鋼の規格記号も、別の方向から同じ原則を示している。「304」は複数の体系で使用されるファミリー記号を指す場合がある一方、ASTM A240 Type 304は、製品固有の要求事項を伴う鋼板、薄板、および帯鋼を対象としている。SSINAは、ASTMの製品規格が対象とするオーステナイト系ステンレス鋼のグレードについて、質量パーセントによる化学成分の限界値と、規定された機械的性質の両方を示している。化学成分の行と引張特性の行は、製品形状および状態と併せて読まなければならない。

国内規格および国際規格における同等性の主張

比較表は、関連するグレードを探すうえで有用である。しかし、相互互換性を証明するものではない。Handbook of Comparative World Steel Standards（世界鋼材規格比較ハンドブック）は、国際的な規格記号体系間の化学成分の比較と、機械的性質の比較を分けて扱っている。この区別は不可欠である。二つのグレードは、炭素、クロム、ニッケル、またはモリブデンについて類似した範囲を持ちながら、降伏強さ、衝撃試験、熱処理、寸法限界、または検査規則が異なる場合がある。

ASTM A36とEN S235JRを並べた表は、公称強さおよび一般的な構造用途に基づく実務上のファミリー関係を示している場合がある。しかし、それによって、すべてのA36製品がすべてのS235JR要求事項を満たすこと、またはいずれか一方のグレードが他方の靭性、厚さ、化学成分、または納入に関する規定を満たすことが証明されるわけではない。同じ注意はASTM A572 Grade 50とS355にも当てはまる。両者の公称強さの水準には関連性があるが、グレード番号だけでは、溶接性、衝撃性能、厚さの限界、または認証要求事項が一致することは示されない。

この理由から、Nickel Instituteの表では、化学成分、機械的性質、物理的性質、および仕様を別々の区分に分類している。Engineering ToolBoxによる炭素、クロム、マンガン、モリブデン、ニッケル、リン、硫黄、およびシリコンの代表的な比較は、合金ファミリーの大まかな特定に役立つ場合があるが、代表値は拘束力を持つ仕様限界ではない。Outokumpuのステンレス鋼ハンドブック、SSINAの表、およびMetallusの実務データも、同様の参考資料として機能する。

妥当性のある同等性の主張では、両方の規格、完全な規格記号、製品形状、厚さまたは断面寸法、納入状態、試験方向、温度要求事項、および適用される版を明示しなければならない。これらのいずれかが欠けている場合、「同等」は「初期比較において類似している」と読むべきであり、一方の材料を他方の材料に置き換えてよいという意味ではない。

化学成分表：元素とその機能

化学成分表では通常、各元素を質量百分率で示し、wt.%または単に%と表記します。たとえば「C 0.20」は、鋼の質量の0.20%を炭素が占めることを意味します。表には、最大値、最小値、または許容範囲が示される場合があります。この違いは重要です。「P 0.040 max」は「Mn 0.80–1.20」と同じ要件ではなく、いずれの値も、製品規格とは切り離して鋼種を特定するものではありません。

成分表と機械的性質表は、それぞれ異なる問いに答えるものです。化学成分表は、溶鋼中に存在することが許容される元素を定めます。一方、機械的性質表は、特定の製品および試験条件における降伏強さ、引張強さ、伸び、硬さ、衝撃エネルギーなどの結果を示します。ASTM A400（Standard Practice for Steel Bars, Selection Guide, Composition, and Mechanical Properties）が鋼種、成分、加工状態、断面寸法、および望まれる最小降伏強さを関連付けているのは、化学成分だけでは保証された機械的結果を確定できないためです。ASM Metals Handbookも同様に、炭素鋼および合金鋼の性質は、成分、加工、および微細組織の複合的な作用によるものとしています。

Engineering ToolBoxは、炭素、クロム、マンガン、モリブデン、ニッケル、リン、硫黄、およびケイ素を含む鋼種について、代表的な質量百分率の比較を示しています。このような表は、化学成分の大まかな違いを把握するうえで有用ですが、適用されるASTM、EN、ISOその他の製品規格に取って代わるものではありません。SSINAのオーステナイト系ステンレス鋼の表、Outokumpu Stainless Steel Handbook、およびMetallusのPractical Data for Metallurgistsは、より規格指向または鋼種に重点を置いたデータを提供していますが、それぞれの資料に示された適用範囲内で限界があることに変わりはありません。

炭素、マンガン、ケイ素、リン、および硫黄

炭素は、通常の炭素鋼および合金鋼における主要な侵入型強化元素です。炭素量を増やすと、一般に硬さ、引張強さ、ならびに焼入れ焼戻し後に得られる強度が上昇します。また、焼入性もある程度向上しますが、硬化深さには合金元素と断面寸法が大きく影響します。その代償として、延性および溶接性が低下し、熱影響部における脆性組織に対する感受性が高まります。ステンレス鋼では、炭素がクロムと結合してクロム炭化物を形成することがあり、一般にCr23C6などの化合物で表されます。結晶粒界に析出すると、クロム欠乏領域が形成され、局所的な耐食性が低下する可能性があります。

鋼種記号の数値は炭素量を示唆することがありますが、普遍的な識別情報ではありません。AISI 1045、ASTM A576 1045の棒鋼、および類似した1045の呼称で販売される別の製品は、許容化学成分、寸法、熱処理、または機械的要件が異なる場合があります。適用を決める文書は、短い鋼種記号ではなく製品規格です。

マンガンは固溶効果によってフェライトを強化し、硫黄と結合して硫化マンガン介在物を形成します。これは炭素鋼において重要です。マンガンは、熱間脆性を引き起こす可能性のある硫化鉄の有害な影響を低減するためです。マンガンはまた、焼入性を高め、熱処理後の強度向上にも寄与します。過剰または不適切に管理されたマンガンは、靭性、偏析、溶接性、および相安定性に影響を及ぼす可能性があります。高マンガンオーステナイト鋼では、その役割はさらに大きく、オーステナイトの安定化に寄与し、変態挙動および変形挙動を変化させる可能性があります。

ケイ素は、製鋼時に脱酸剤として一般的に添加されます。フェライトを強化し、特定の用途では耐酸化性を向上させることがありますが、ケイ素量が高いと靭性が低下したり、溶接および成形が難しくなったりする場合があります。ケイ素は電磁鋼でも重要であり、電気抵抗率を高め、渦電流損を低減します。一般的な工学表ではケイ素が少量成分として示されることがありますが、加工性、磁気特性、または溶接性上の理由から、特定の規格ではより狭い範囲が規定されることがあります。

リンは通常、不純物として管理されます。固溶強化によって強度および硬さを高めることがありますが、リン量が高いと、一般に延性および靭性が低下し、不利な熱条件または偏析条件下では特に、脆化を促進する可能性があります。硫黄は、特に硫化マンガンを形成することによって被削性を向上させますが、これらの介在物は、横方向の延性、疲労強度、および板厚方向の靭性を低下させる可能性があります。そのため、快削鋼では、圧力容器用、構造用、または高度な溶接製品で制限される硫黄量が許容されます。成分表は許容量を記録するものですが、介在物の形状、分布、またはそれによって生じる機械的挙動を、それだけで説明するものではありません。

クロム、ニッケル、モリブデン、および窒素

クロムは焼入性を高め、炭化物の形成を促し、酸化および水溶液中での腐食に対する抵抗性を向上させます。ステンレス鋼の鋼種表示では、保護性のあるクロムに富む酸化皮膜を形成するために十分なクロム量が必要とされますが、求められる性能は全クロム量だけで決まりません。炭素、窒素、モリブデン、表面状態、溶接履歴、および使用環境のすべてが重要です。クロムはフェライトを安定化する一方、クロム炭化物または金属間化合物相が形成されると、周囲の母相からクロムが除去され、局部腐食に対する抵抗性が低下する可能性があります。

ニッケルはオーステナイトを安定化し、特に低温における靭性を一般に向上させます。オーステナイト系ステンレス鋼では、ニッケルが面心立方晶のオーステナイト組織の維持に寄与します。合金鋼では、クロムまたはモリブデンほど炭化物を形成しやすくない一方で、焼入性および靭性に寄与します。したがって、ニッケル量は、相バランス、磁気応答、変態挙動、および耐食性に影響します。多くのオーステナイト系ステンレス鋼に用いられる「18-8」という表現は、おおよそのクロム・ニッケル系統を示すものであり、ASTM A240のような規格、またはSSINAやOutokumpuが示す正確な鋼種限界に代わるものではありません。

モリブデンは焼入性を高め、焼戻し軟化に対する抵抗性を向上させます。ステンレス鋼では、特に塩化物を含む環境において、孔食および隙間腐食に対する抵抗性を実質的に改善します。また、炭化物および金属間化合物の形成にも影響します。ハンドブックの表で引張特性が近いように見えても、モリブデンを含まない公称上類似した鋼種と、モリブデンを含む鋼種を同等に扱うことはできません。

窒素は強力なオーステナイト安定化元素であり、固溶強化元素でもあります。管理された添加によって、一部のステンレス鋼では降伏強さを高め、孔食抵抗性を向上させることができます。工程または鋼種に対して窒素量が過剰になると、気孔、窒化物の形成、または望ましくない相バランスが生じる可能性があります。二相ステンレス鋼では、窒素が加工後に意図されたフェライト・オーステナイト比率を維持するのに役立つため、記載された最大値および最小値は、単なる成分値ではなく機能上の要件です。

残留元素、マイクロアロイング、およびバランス要件

残留元素は、原料、炉操業、耐火物、または合金添加物に由来して存在するものであり、必ずしも意図的な主要成分ではありません。銅、スズ、コバルト、アンチモン、鉛、およびバナジウムは、鋼種の説明上中心的な元素でない場合でも、表に記載されることがあります。銅は、特定の構造用鋼において大気腐食に対する抵抗性を向上させることがあります。一方、スズおよびアンチモンは、熱間脆性または焼戻し脆化に関する懸念に関与する可能性があります。鉛は被削性を向上させることがありますが、介在物の挙動および溶接上の考慮事項を変化させます。その影響は、濃度、熱履歴、および他の元素との相互作用に左右されます。

マイクロアロイング元素の添加量は少なくても、その影響は大きくなり得ます。ニオブ、バナジウム、およびチタンは炭窒化物を形成し、オーステナイト結晶粒の成長を抑制するとともに、析出強化を生じさせ、制御圧延中の再結晶挙動を変化させます。0.03%のNbを含む鋼は、公称強度が同程度であっても、炭素とマンガンだけを含む鋼と化学的に互換ではありません。最終的な結晶粒径、析出物の固溶状態、圧延スケジュール、冷却速度、およびその後の熱処理によって、得られる効果の大きさが決まります。

バランス要件も同様に重要です。ステンレス鋼の表では、オーステナイト、フェライト、または二相組織の相安定性を維持するために、炭素量を制限しつつ、クロム、ニッケル、モリブデン、または窒素を定められた範囲内にすることが求められる場合があります。合金鋼の規格では、微量添加によって焼入性を向上させられるため、ホウ素を狭い範囲内に限定することがあります。一方、ホウ素が過剰になると、望ましくない化合物が形成されます。意図的な添加でなくても、残留銅、ニッケル、クロム、およびモリブデンは焼入性に影響を及ぼす可能性があります。

Nickel Instituteは、合金表において化学成分、機械的性質、物理的性質、および規格データを分けて示しており、これは適切な方法です。Handbook of Comparative World Steel Standardsも、国際的な鋼種表示間の比較において、化学成分の比較と機械的性質の比較を区別しています。Eurocode 3は、EN 1993-1-1第3.2.6節に基づき、S235、S275、S355、S420、S450、およびS460の設計用特性を示していますが、これらは設計規格上の値であり、特定の化学成分範囲から普遍的に導かれる結果ではありません。製品形状、厚さ、納入状態、試験方向、および熱処理によって、要求される結果は変化する可能性があります。成分表が定めるのは、化学成分の範囲です。それ以外の規格要件なしに、強度、靭性、溶接性、耐食性、または相バランスを保証するものではありません。

化学組成だけでは機械的性質は決まらない理由

化学組成表は、どの元素が含まれ、それぞれがどの範囲内にあるかを示すものです。しかし、鋼がたどった完全な物理的履歴を示すものではありません。炭素、マンガン、ケイ素、クロム、ニッケル、モリブデン、バナジウム、ニオブ、チタン、リン、硫黄などの元素は、焼入性、相安定性、固溶強化、炭化物の形成、変態挙動に影響を及ぼしますが、その影響は温度、変形、冷却、断面寸法によって異なります。

この区別は、ASM Metals Handbook における炭素鋼および合金鋼の取り扱いの中心となる考え方です。ASMは、これらの性質が化学組成、加工、および金属組織の複合的な影響によって生じると述べています。したがって、鋼種 designation は規格内で管理された範囲を示すものであり、引張強さ、降伏強さ、伸び、硬さ、靭性について、あらゆる場合に共通する一組の値を示すものではありません。

ASTM A400, Standard Practice for Steel Bars, Selection Guide, Composition, and Mechanical Properties は、この点を直接的に示しています。同規格の表形式の指針では、鋼棒を選定する際に、鋼種、化学組成、加工状態、断面寸法、ならびに要求される最小降伏強さを考慮します。組成の記載だけでは、これらの機能を果たすことはできません。ASTMの製品規格でも、炭素鋼、構造用鋼、ステンレス鋼、フェライト系鋼、オーステナイト系鋼、合金鋼について、化学的要求事項、機械的要求事項、冶金学的要求事項、その他の材料要求事項をそれぞれ区別して規定しています。AISCも構造用製品について同じ区別を行っています。すなわち、鋼材の形鋼や厚板に関するASTM規格には、一般に化学組成の要求事項と機械的性質の要求事項の両方が含まれています。

加工履歴と熱機械処理

同じバルク組成であっても、製造経路が異なれば、最終的に得られる性質は大きく異なる可能性があります。圧延は、鋼片を単に厚板、棒、形鋼へと成形する方法ではありません。熱間圧延ではオーステナイトが変形し、鋳造組織が分断され、介在物の形態が変化します。また、仕上げ温度と圧下スケジュールを適切に管理すれば、結晶粒を微細化できます。従来の仕上げ温度より低い温度で制御圧延を行うと、冷却後に微細なフェライトの形成が促進されることがあります。その結果、同じ化学組成であっても、より管理の緩やかな圧延スケジュールを受けた材料に比べて、高い降伏強さと優れた靭性を示す場合があります。

鍛造も内部組織を変化させます。大きな鋳造結晶粒や偏析帯は変形によって分断・均質化される可能性があり、鍛造温度と圧下量が再結晶および結晶粒微細化を決定します。取鍋分析が同一の二つの鍛造品であっても、一方がより大きな圧下量や異なる最終鍛造温度を受けていれば、同一の性質を示すとは限りません。

熱処理によっては、さらに大きな差が生じます。焼ならしでは、鋼をオーステナイト変態域より高い温度まで加熱した後、空冷します。これにより、多くの炭素鋼および低合金鋼では、比較的微細化されたフェライト・パーライト組織が形成されます。焼なましでは通常、より遅い冷却を行うため、粗いパーライトを含む、より軟らかい組織となり、硬さも低下します。焼入れでは拡散変態が抑制され、硬く過飽和な相であるマルテンサイトが形成されることがあります。焼入れ鋼は一般に、脆性を低減し、強さ、硬さ、延性、靭性を調整するために焼戻しを行います。焼戻し温度と保持時間は重要です。低温焼戻しと高温焼戻しでは、性質のバランスは同じになりません。

焼入性焼入性 冷却中に、鋼が所定の深さまで硬質な変態生成物を形成する能力。1か所で測定した硬さとは異なる。

冷却速度に影響するのは、炉のプログラムだけではありません。断面厚さが熱の放出を左右するため、厚い棒材の表面は中心部よりはるかに速く冷却されることがあります。薄板はほぼ全体がフェライトとパーライトに変態する可能性がありますが、同じ組成の大断面材では、冷却速度が十分に高ければ、中心部にベイナイト、マルテンサイト、または混合変態生成物が形成されることがあります。焼入性とは、鋼が断面全体にわたって硬い変態生成物を形成する能力を表すものであり、1本の試験片の硬さと同じ意味ではありません。

熱機械処理によって生じる性質の中には、最終的な化学組成表からは読み取れないものもあります。鋼にニオブ、バナジウム、またはチタンをマイクロアロイとして添加しても、強化への寄与は、これらの元素が固溶状態にとどまるのか、再加熱中に炭窒化物を形成するのか、あるいは制御冷却中に析出するのかによって異なります。加工履歴は材料の同一性の一部です。

化学組成と性質を結び付ける金属組織

機械試験が測定するのは、周期表上の組成そのものではなく、形成された金属組織の応答です。降伏強さは、転位の移動に対する抵抗を反映します。引張強さは、塑性流動中も変形に抵抗し続ける機構と、くびれの発生に依存します。伸びは、破断に至るまで材料がどの程度均一に変形できるかに依存します。硬さは、局所的な塑性変形に対する抵抗を反映します。靭性は、き裂の発生および進展に依存し、試験温度、負荷速度、切欠きの状態、試験方向などの影響を受けます。

金属組織は、これらの応答と化学組成を結び付けます。固溶状態の炭素はフェライトを強化しますが、過剰な炭素は熱履歴に応じて、パーライト、セメンタイト、またはマルテンサイトを形成することもあります。マンガンとニッケルは変態挙動を変化させ、焼入性を向上させたり、オーステナイトを安定化させたりします。クロムとモリブデンは焼入性および炭化物の形成に影響を及ぼします。ケイ素はフェライトを強化し、脱酸にも影響します。これらの効果は条件依存であり、組成表から直接読み取れる加算的な定数ではありません。

例えば、低炭素鋼をオーステナイトからゆっくり冷却すると、フェライトとパーライトを含む組織となり、実用的な延性を伴う中程度の強さを示すことがあります。同じ公称炭素量であっても、焼入性が許す条件で焼入れを行えば、マルテンサイトまたはベイナイトを含む組織となり、はるかに高い硬さと強さを示す一方、通常は焼入れたままの状態で靭性が低下します。焼戻しでは、炭素の再分配と炭化物の析出が可能になるため、マルテンサイトがさらに変化します。最終的な性質は、オーステナイト化温度、保持時間、焼入れ媒体、断面寸法、焼戻しスケジュールを含む一連の工程全体に依存します。

変態生成物は、1つの部品内でも変化します。表面領域は中心部より硬くなることがあり、溶接熱影響部には、母材や溶接金属のいずれとも異なる金属組織が形成される場合があります。ある1箇所で得られた引張試験値が、すべての位置や方向を自動的に代表するとは限りません。

結晶粒径、相のバランス、析出物

結晶粒径は、化学組成だけでは強さや靭性を独立に決定できない直接的な理由の一つです。微細なフェライト結晶粒は、一般に結晶粒界強化によって降伏強さを高め、へき開破壊に対する抵抗を改善します。粗大結晶粒は、低温衝撃靭性を低下させることが多いものの、測定結果は相の分布、介在物、試験方向にも左右されます。結晶粒微細化は、制御圧延、焼ならし、またはオーステナイト結晶粒の成長を抑制するマイクロアロイ析出によって生じることがあります。

相のバランスも同様に重要です。フェライトは比較的軟らかく延性に富み、パーライトはそれより強い一方で延性に乏しく、ベイナイトとマルテンサイトは高い強さをもたらしますが、その靭性は形態と焼戻しによって決まります。残留オーステナイトは使用中または試験中に変態し、寸法安定性や変形挙動を変化させることがあります。化学組成表から炭素および合金元素の限界値を確認できても、加工情報と金属組織学的情報がなければ、完成した鋼材が20%のパーライトを含むのか、ベイナイト母相を持つのか、あるいは焼戻しマルテンサイトを含むのかを示すことはできません。

析出物も別の変数を加えます。微細なニオブ、バナジウム、またはチタンの炭窒化物は、オーステナイト結晶粒界をピン止めし、変態後のフェライトを強化することがあります。その大きさ、数密度、組成、分布は、再加熱、変形、冷却によって異なります。粗大な析出物は強度への寄与が小さい一方で、き裂の発生起点として作用することがあります。ステンレス鋼では、結晶粒界のクロム炭化物によって、バルクのクロム分析値が鋼種の限界値を満たしていても、局所的な耐食性が低下する可能性があります。

このため、SSINAの表では、ASTM製品規格の対象となるオーステナイト系ステンレス鋼の鋼種について、重量パーセントによる組成と規定された機械的性質を併記しており、一方の表を他方の代用として扱っていません。Nickel Instituteも同様に、化学的性質、機械的性質、物理的性質、規格データを別個の性質区分として提示しています。Eurocode 3は、EN 1993-1-1の第3.2.6節において、S235、S275、S355、S420、S450、S460の設計用性質を列挙しています。これらは、適用される設計規格、製品区分、厚さ、設計用途に結び付いた値です。

Handbook of Comparative World Steel Standards に掲載されているものを含む比較表は、国際的な designation 間のおおよその関係を示すことはできますが、同等性を確立するものではありません。Engineering ToolBoxが公表しているような代表的な組成比較は、概略を把握するうえで有用ですが、管理限界値と機械的要求事項は、適用される製品規格に基づかなければなりません。適用される規格、製品形状、厚さ、熱処理、試験方向、試験方法によって、報告された値が何を意味するのかが決まります。化学組成は説明の出発点です。しかし、それだけで説明が完結するわけではありません。

機械的性質の表：各列の意味

機械的性質の表は、化学成分表の別版ではありません。指定された製品が、定められた試験においてどのような挙動を示すと予想されるか、またはどのような挙動が要求されるかを示すものです。結果は、鋼種、製品形状、熱処理、断面寸法、厚さ、サンプリング位置、試験方向、温度、および適用される規格によって異なります。

この区別が重要なのは、鋼種名だけでは材料の完全な識別情報にならないためです。ASTM A400、Standard Practice for Steel Bars, Selection Guide, Composition, and Mechanical Properties は、棒鋼に関する情報を、鋼種、化学成分、加工状態、断面寸法、および必要とされる最小降伏強度ごとに整理しています。したがって、同じ公称鋼種であっても、製品形状や寸法が変われば、異なる性質要件が示されることがあります。製品規格を明記せずに、鋼種の横に一つの強度値だけを示す表は、概要を把握するうえでは役立つかもしれませんが、適用を支配する規格ではありません。

ASTMの鋼材規格は、炭素鋼、構造用鋼、ステンレス鋼、フェライト鋼、オーステナイト鋼、および合金鋼について、化学的、機械的、金属学的、その他の材料要件を規定しています。AISCも同様に、構造用鋼の形鋼および鋼板に関する仕様には、一般に化学成分と機械的性質の両方に関する要件が含まれると説明しています。この二つの列群は異なる問いに答えるものです。化学成分は含有が許される元素を制限し、機械試験は供給された製品の応答を検証します。

降伏強度と引張強度

降伏強度とは、試験片が規定された永久塑性変形を開始する応力です。一部の鋼では、応力–ひずみ曲線に明確な上降伏点と下降伏点が現れます。一方、別の鋼では、規格において耐力が用いられます。これは一般に、0.2%の永久ひずみを生じさせる応力であり、多くの欧州規格では $R_{p0.2}$ と表記され、適用されるASTMの方法では降伏強度として報告されます。正確な定義は、試験規格および製品仕様によらなければなりません。

表に示される最小降伏強度は要件であって、すべての鋼材片についての予測値ではありません。ASTM A572/A572Mが、特定の鋼種、厚さ範囲、および製品形状について最小降伏強度を規定している場合、適合する試験結果は、指定された手順に基づいてその値以上でなければなりません。実際に測定された降伏強度は、それより高い場合があります。また、鋼塊、厚さ、圧下量、冷却速度、サンプリング位置、および試験方向によって変動します。最小値を測定値であるかのように報告すると、この区別が失われます。

引張強度は、極限引張強度とも呼ばれ、引張試験中に到達する最大の公称応力です。これは、加えられた最大荷重を試験片の元の断面積で割って算出します。最大荷重の後には局部的なくびれが生じることがあり、材料が破断するまで変形し続けている間にも、公称応力は低下する可能性があります。

極限引張強度は、設計用耐力と同じものではありません。構造設計値は、適用される設計基準に基づいて導出されます。この基準では、耐力係数、部分係数、座屈規定、接合部規定、および厚さに依存する制限が適用されることがあります。Eurocode 3のEN 1993-1-1 第3.2.6節には、S235、S275、S355、S420、S450、およびS460の設計用材料特性が示されています。これらの値は設計体系に属するものであり、一般的な「引張強度」列に転記したり、直接的な試験結果として扱ったりしてはなりません。

試験自体にも条件があります。ASTM E8/E8MおよびISO 6892-1は、試験片の形状、標点距離、負荷速度、ひずみ測定、計算方法などの詳細を規定しています。鋼板、棒鋼、管、および鍛造品では、試験片を採取できる位置や方向が異なる場合があります。圧延製品では、介在物、集合組織、および帯状組織が方向による差を生じさせるため、長手方向と横方向の結果は互換性がありません。

化学成分だけでは結果を決定できません。ASM InternationalのMetals Handbookは、炭素鋼および合金鋼の性質が、化学成分、加工、および微細組織の複合的な影響によって決まると説明しています。炭素、マンガン、クロム、ニッケル、モリブデンなどの元素は焼入れ性や相の生成に影響しますが、その潜在能力がどのように発現するかは、圧延、焼入れ、焼戻し、焼ならし、析出、および冷却履歴によって決まります。

伸び、絞り、および延性

伸びは、破断前の塑性伸長を表します。通常、次のように百分率で報告されます。

$$A=\frac{L_f-L_0}{L_0}\times 100$$

標点距離標点距離 引張試験片にあらかじめ印を付けた初期長さで、その範囲における伸びを測定する。

ここで、$L_0$は元の標点距離、$L_f$は破断後の標点距離です。破断した試験片は、破断面を慎重に合わせて測定します。この数値は、標点距離および試験片の種類と併せて初めて意味を持ちます。「伸び20%」と報告されていても、比例標点距離、50 mmの標点距離、縮小試験片、または別の構成のいずれを用いた結果なのかは分かりません。

このため、鋼材が類似していても、規格の異なる伸びの値は一見矛盾しているように見えることがあります。短い標点距離では、局部的なくびれの寄与がより大きく反映される傾向があり、長い標点距離よりも高い百分率になる場合があります。製品の厚さも、使用可能な試験片形状に影響し、場合によっては規定される最小伸びにも影響します。したがって、表では伸びを普遍的な鋼種固有の定数として示すのではなく、試験の呼称および標点距離を保持すべきです。

絞りは、破断位置における断面積の減少を表します。

$$Z=\frac{A_0-A_f}{A_0}\times 100$$

ここで、$A_0$は元の断面積、$A_f$は破断後の最小断面積です。絞りは局部的な塑性変形に特に敏感であり、伸びとは異なる情報を示します。鋼材によっては大きな絞りを示しても、伸びの値は異なることがあります。これは、両者が一様ひずみ、くびれ、試験片形状、および破断位置に対して異なる反応を示すためです。

両者はいずれも延性の指標ですが、延性は単一の材料定数ではありません。延性には、特定の応力状態、温度、ひずみ速度、および形状のもとで、き裂を生じることなく塑性ひずみを維持する能力が含まれます。引張試験による伸びの結果だけでは、水素割れ、曲げ割れ、溶接熱影響部の割れ、または切欠き下での破壊に対する抵抗性を確定できません。また、伸びが大きいからといって、必ずしも高い靭性を意味するわけでもありません。

SSINAのオーステナイト系ステンレス鋼種に関する表は、適切な形式を示しています。すなわち、重量百分率による化学成分が、関連するASTM製品仕様のもとで規定された機械的性質とは別に示されています。Nickel Instituteも同様に、化学成分、機械的性質、物理的性質、および仕様データを分けて扱っています。比較表では、これらのカテゴリーを隣接するページに配置することはできますが、隣接しているからといって相互に置き換え可能になるわけではありません。

硬さ、衝撃靭性、および疲労関連データ

硬さは、局部的な塑性変形に対する抵抗であり、一般にブリネル、ロックウェル、ビッカース、またはヌープ法によって測定されます。HBW 190、90 HRB、または210 HVのような値は、スケール、圧子、加える力、および試験規格がなければ不完全です。ASTM E10はブリネル硬さ、ASTM E18はロックウェル硬さ、ASTM E384は微小押込み硬さを扱います。表面状態、曲率、脱炭、被覆、および局部的な微細組織によって、測定値が変化することがあります。

硬さから引張強度への換算は相関関係であって、物理法則ではありません。通常、特定の鋼種群および硬さ範囲を対象として作成されています。オーステナイト系ステンレス鋼、高合金工具鋼、強く合金化された工具鋼、表面硬化材、溶接金属、または硬さに大きな勾配がある製品には、換算が適さない場合があります。引張強度が受入れまたは設計を支配する場合、ASTMの換算表で規定された引張試験を代替してはなりません。

衝撃エネルギーは、切欠きを有する試験片が急速な破断中に吸収するエネルギーを測定するもので、一般にASTM E23または同等の規格に基づくシャルピーVノッチ試験で測定されます。報告値は、試験片の方向、切欠き形状、温度、寸法、および試験手順に依存します。−20 °Cで27 Jというシャルピー試験結果は、その試験条件を示すものであり、普遍的な靭性定数ではありません。

衝撃エネルギーは、破壊靭性とも区別しなければなりません。破壊靭性は、$K_{\mathrm{IC}}$、$J_{\mathrm{IC}}$、または関連するパラメータで報告されることが多く、定められた試験片形状、厚さ、荷重様式、および拘束条件のもとで、き裂先端に対する抵抗を特性化します。シャルピー衝撃エネルギーは、材料のスクリーニングや品質管理には役立ちますが、平面ひずみ破壊靭性の値を直接代用することはできません。

疲労データは、繰返し応力または変動応力のもとでの挙動を示します。S–N曲線は応力振幅と破断までの繰返し数との関係を示し、一方、き裂進展曲線は、ASTM E647に示されるように、一般に $\mathrm{da}/\mathrm{dN}$ と応力拡大係数範囲 $\Delta K$ との関係を示します。結果は、応力比、周波数、表面仕上げ、残留応力、環境、試験片寸法、切欠き状態、および破壊の定義に依存します。したがって、表中の単一の疲労強度は、これらの条件が併記されていなければ意味を持ちません。

The Handbook of Comparative World Steel Standardsが、化学成分の比較と機械的性質の比較を分けて扱っているのは、このためです。規格間で鋼種が対応していることは、意図された化学成分が類似していることを示す場合がありますが、同一の降伏強度、衝撃特性、疲労挙動、または受入れ要件を証明するものではありません。責任ある表では、適用される規格、製品形状、厚さまたは断面範囲、試験方法、方向、温度を明記し、さらに各数値が最小要件、測定結果、代表値、または設計パラメータのいずれであるかを示します。

断面寸法、厚さ、製品形状、および試験方向

鋼種名は、機械的性質の固定された一組を示すものではない。要求される降伏強さ、引張強さ、伸び、衝撃エネルギー、硬さ、および許容変動は、厚さ、断面寸法、製品形状、熱処理、ならびに試験方向によって異なる場合がある。したがって、これらの条件を付記せずに「AISI 4140」または「S355」と記載した表は、化学分析がおおむね正確であったとしても不完全である。

厚さに依存する強度要件

厚さは、鋼製品の熱履歴を変化させる。薄い板は、圧延または焼ならし後に急速に冷却される。一方、厚い鍛造品や厚板は冷却が遅く、異なる相変態、結晶粒成長、および偏析の影響が生じる可能性がある。その結果、取鍋分析が同じ組成範囲内にあっても、得られる微細組織によって強度および靭性が変化し得る。ASM Internationalは、炭素鋼および合金鋼の性質が、化学組成、加工、および微細組織の組合せによって決まると説明している。化学組成は仕様の一部にすぎない。

そのため、多くの製品規格では、厚さが増すにつれて規定最小降伏強さを低く設定している。理由は単に幾何学的なものではない。厚い断面は均一に冷却することが難しく、中心部では表面と同じ結晶粒微細化や変態が生じない場合がある。したがって、すべての厚さに一つの降伏強さを割り当てた表は、厚物に対する要求を過大に示したり、寸法区分間の差異を過小評価したりする可能性がある。

16 mm以下の公称降伏強さ（MPa）16 mmを超え40 mm以下の降伏強さ（MPa）

Eurocode 3は、EN 1993-1-1の3.2.6節にあるS235、S275、S355、S420、S450、およびS460の設計特性表を通じて、この点を示している。表に示された公称降伏強さは公称厚さに関連付けられており、厚さが増すと低い値が適用される。したがって、「S355」とは、すべての製品およびすべての厚さが355 MPaの設計降伏強さを持つことを意味しない。この記号は、適用される欧州規格における一つの鋼種区分を示し、どの値を適用するかは厚さによって決まる。

同じ注意はASTM製品にも当てはまる。ASTM A400, Standard Practice for Steel Bars, Selection Guide, Composition, and Mechanical Properties は、鋼種、化学組成、加工状態、断面寸法、および所望する最小降伏強さに基づく棒鋼の選定指針を示している。この構成は重要である。これは、焼なまし、焼ならし、焼入れ焼戻し、または別の記載された状態で供給されたものか、さらに関連する直径または同等の断面寸法が何であるかを知らなければ、鋼種の記載だけでは完全な材料仕様にならないことを示している。

したがって、機械的性質の表は、原規格に記載された厚さまたは寸法の区間を保持しなければならない。複数の区間を一つの「代表値」に置き換えると、表は読みやすくなるが、仕様への忠実性は低下する。

棒鋼、厚板、形鋼、鍛造品、および薄板

製品形状は単なる外観上の表示ではない。それは異なる製造経路を示すものであり、その製造経路が結晶粒の流れ、表面状態、残留応力、介在物の分布、および達成可能な機械的性質を左右する。

棒鋼は、一般に熱間圧延、冷間仕上げ、またはより大きな圧延材からの機械加工によって製造される。その要求事項は、直径、幅、または断面積に基づいて整理される場合がある。ASTM A400が特に有用なのは、棒鋼の鋼種を化学組成の名称だけで個別に示すのではなく、加工状態および断面寸法と、組成および最小降伏強さの指針を関連付けているためである。焼なまし状態の4140棒鋼に対して、クロム、モリブデン、炭素、およびマンガンを公称上類似した量だけ含むという理由だけで、焼入れ焼戻し状態の4140棒鋼と同じ強度値を割り当てることはできない。

厚板および構造用形鋼では、異なる圧延方法が用いられる。AISCは、構造用鋼の形鋼および厚板に関するASTM規格には、一般に化学組成要件と機械的性質要件の両方が含まれると説明している。例えばASTM A572/A572Mは、厚板、形鋼、棒鋼などの製品に用いられる高強度低合金構造用鋼を規定しているが、適用される要求事項は、購入仕様書に記載された製品および鋼種の呼び方にも依存する。同じ公称鋼種の厚板に対して、圧延構造用形鋼に記載された値を自動的に適用してはならない。

薄板には、独自の成形および表面に関する要求事項がある。冷間圧延鋼板では、調質、成形性、または焼付け硬化状態によって機械的性質が管理される場合がある一方、熱間圧延鋼板では別の規格および厚さ範囲が用いられることがある。同様に、「ステンレス鋼304」だけでは不十分である。ASTM A240/A240Mの厚板、薄板、および帯鋼に関する要求事項は、ASTM A276/A276Mの棒鋼に関する要求事項や、ASTM A182/A182Mの鍛造部品に関する要求事項と互換性があるわけではない。SSINAの表は、ASTM製品規格の対象となるオーステナイト系ステンレス鋼種について、質量パーセントで示した組成と規定機械的性質を対応させているが、それらの性質はあくまで該当する製品規格に結び付いている。

鍛造品には、さらに別の相違点がある。鍛造による変形は結晶粒を微細化し、方向性を持つメタルフローを生じさせる可能性がある。また、最終熱処理は、厚板や棒鋼に用いられる熱処理とは別に規定される場合がある。締結用部品では、冷間圧造、ねじ形状、保証荷重、および熱処理など、さらに多くの条件が加わる。炭素鋼または合金鋼の化学組成表が妥当な一致を示していても、締結用部品の規格には、一般的な棒鋼規格にはない機械的要求事項が課されることがある。

このため、比較資料は注意深く読み取る必要がある。Handbook of Comparative World Steel Standards は、国際的な記号体系間の比較において、化学組成の比較と機械的性質の比較を分けて扱っている。二つの記号の化学組成が一致しても、それらの製品規格、厚さ範囲、熱処理、または試験要件が同等であることの証明にはならない。

長手方向、横方向、および板厚方向の挙動

圧延によって結晶粒は引き伸ばされ、介在物は配向し、偏析が再分布する。その結果、板材や棒鋼では、長さ方向、幅方向、および厚さ方向で異なる性質が現れることがある。長手方向は通常、主たる圧延方向または押出方向と平行である。横方向は製品面内でそれに垂直な方向であり、板厚方向の試験では短横方向の試験片を採取する。

引張強さは方向によって中程度に異なる場合があるが、伸び、絞り、衝撃靭性、および破面形態は、より大きく異なる可能性がある。例えば、伸長した硫化マンガン介在物は、短横方向において弱い経路として作用することがある。また、厚板では中心偏析が生じたり、ラメラテアリングに対する抵抗性が低下したりする場合がある。ラメラテアリングは、板厚方向の引張ひずみに関連する破壊形態である。

長手方向の引張試験結果を、横方向の延性を保証するものとして報告してはならない。また、ある方向で測定したシャルピー衝撃値を、規格の試験片採取およびノッチ方向に関する規則を確認せずに、別の方向へ適用してはならない。製品規格では、試験片を長手方向または横方向のどちらから採取するか、どの位置から採取するか、また厚さによって許容される方向がどのように変わるかを規定していることが多い。これらの詳細によって、報告される伸び、靭性、および異方性が変わる可能性がある。

実務上の原則は明確である。鋼種、適用規格、製品形状、厚さまたは断面寸法、加工状態、および試験方向を一体として記録すること。これらの識別情報が連続してそろっていなければ、組成表は化学的には有用であっても、併記された機械的性質の値が別の鋼製品に属している可能性がある。

比較表における炭素鋼と合金鋼

鋼材表は複数の異なる問いに答えられますが、同じ列でそれらすべてに答えられるわけではありません。化学成分表は、炭素、マンガン、ケイ素、クロム、ニッケル、モリブデン、リン、硫黄などの元素について、上限値または範囲を示します。焼入性表は、焼入れされた表面の下で、鋼材がどの深さまで硬さを発現できるかを示します。機械的性質表は、規定値または試験値として、降伏強さ、引張強さ、伸び、硬さ、衝撃エネルギー、疲労データなどを示します。これらの機能を混同することは、鋼種比較ページが不正確な限界値を示す一般的な原因です。

鋼種記号だけでは問題は決まりません。ASTM A400, Standard Practice for Steel Bars, Selection Guide, Composition, and Mechanical Properties は、棒鋼を鋼種、化学成分、加工状態、断面寸法、および要求される最小降伏強さによって整理しています。この構成は、鋼種名を完全な材料識別情報として扱うことへの警告です。表は化学成分を正しく比較していても、記載値が異なる製品形状、熱処理、径、または厚さに適用されるものであれば、誤った強度を割り当てる可能性があります。

炭素鋼の成分範囲

炭素鋼は一般に、炭素含有量と、その他の合金元素の比較的少量の含有量を中心に分類されます。比較表では、低炭素鋼はおよそ0.05～0.25 wt% C、中炭素鋼はおよそ0.25～0.60 wt% C、高炭素鋼はおおむね0.60 wt% Cを超える範囲に示されることがあります。これらは分類上の範囲であり、普遍的な規格限界値ではありません。境界値は、技術資料、国家規格体系、製品規格、および歴史的な用法によって異なります。

Engineering ToolBoxの比較表は、炭素、クロム、マンガン、モリブデン、ニッケル、リン、硫黄、ケイ素の重量パーセントを用いて、代表的な鋼種を横並びで示しています。この表は、化学的な大まかな関係を把握するうえで有用です。一般に、普通炭素鋼には意図的に添加されたクロム、ニッケル、モリブデンがほとんど含まれない一方、低合金鋼にはこれらのうち一つ以上が管理された量で添加されます。ただし、この表を購入仕様書や溶解証明書における基準化学成分としてそのまま使用すべきではありません。代表値は典型的な鋼種群を示すものであり、規格は許容範囲、最大値、最小値、または残留元素の限界値を規定します。

「炭素鋼」といっても、炭素だけが管理対象元素であることを意味しません。マンガンは強度と焼入性に影響し、ケイ素は脱酸および強化のために使用されることがあり、リンと硫黄は、過剰な量が靭性、延性、溶接性、または熱間加工性を損なう可能性があるため、通常は制限されます。どの限界値が適用されるかは、該当するASTM、EN、JIS、その他の製品規格によって決まります。ASTMの鋼材規格は、炭素鋼、構造用鋼、ステンレス鋼、フェライト系鋼、オーステナイト系鋼、合金鋼にわたり、化学的、機械的、冶金学的、および材料上の要求事項を規定しています。したがって、鋼種記号は、それを規定する規格および製品区分の中でのみ意味を持ちます。

炭素含有量を、保証された引張強さに直接変換することもできません。同じ公称化学成分であっても、熱間圧延、焼ならし、焼入れ焼戻し、焼なまし、または冷間仕上げの後では、異なる性質が得られる可能性があります。ASM Internationalは、炭素鋼および合金鋼の性質は、化学成分、加工、および微細組織の複合的な結果であると説明しています。結晶粒径、パーライト間隔、マルテンサイト分率、炭化物分布、残留応力、焼戻し条件は、鋼種ラベルを変更しなくても測定結果を変化させる可能性があります。

低合金鋼の強化と焼入性

低合金鋼は、炭素・マンガンを基礎とする成分に加えて、強度、焼入性、靭性、焼戻し抵抗、耐摩耗性、または高温特性を変化させるため、管理された量の合金元素を添加します。「低合金」は分類上の説明であり、特定の強度レベルを保証するものではありません。0.30%Cのクロム・モリブデン鋼と、焼ならしされた構造用鋼は、いずれも合金鋼の表に掲載される可能性がありますが、異なる目的のために規定および試験されます。

強度は、複数の機構によって向上します。合金元素は、結晶粒を微細化し、固溶強化を高め、炭化物または窒化物を形成し、あるいは冷却後により多くのマルテンサイトを生成できるようにします。これらの機構が実際に発現するかどうかは、加工条件によって決まります。焼入れ焼戻しされた4140系鋼は、同じ化学成分でも焼なまし状態よりはるかに高い強度と硬さを示すことがあります。一方、焼ならし状態では、延性と靭性の異なるバランスが得られる場合があります。

焼入性は硬さと同じものではありません。硬さは、ある位置または試験面で測定される抵抗です。焼入性は、冷却中に鋼材が所定の深さまで硬い変態生成物を形成する能力です。MetallusのPractical Data for Metallurgistsは、標準鋼について、化学成分、焼入性情報、寸法公差を併記しており、これらのデータを別々の表項目にする理由を示しています。例えばジョミニー端面焼入れ曲線は、焼入れ端からの距離に対する硬さを示しますが、それだけで完成した棒鋼の降伏強さを証明するものではありません。

断面寸法が重要なのは、太い棒鋼の中心部が表面よりもゆっくり冷却されるためです。25 mm断面に対して十分な焼入性を持つ鋼でも、100 mm断面全体に同じ変態組織を形成できるとは限りません。焼入れ媒体、撹拌、炉内処理、旧オーステナイト結晶粒径、焼戻しも結果に影響します。したがって、条件、断面寸法、試験位置を示さずに「代表的な硬さ」を記載した表は、比較データを提供するものであって、保証特性を示すものではありません。

機械的性質に関する要求事項は、製品規格によって管理されます。AISCは、構造用形鋼および鋼板に関するASTM規格には、一般に化学成分と機械的性質の両方に関する要求事項が含まれると説明しています。これらの要求事項には、最小降伏強さ、引張強さ、伸び、場合によっては衝撃靭性が含まれます。要求値は厚さによって変わることがあります。Eurocode 3のEN 1993-1-1 Section 3.2.6は、S235、S275、S355、S420、S450、S460について設計用材料特性を示しています。これらは該当する構造用鋼種記号に結び付いた設計規格上の値であり、他の場所で類似した番号を持つすべての鋼材に共通する普遍的な性質ではありません。

クロム、ニッケル、モリブデン、マンガンの役割

クロムは焼入性を高め、炭化物形成、耐摩耗性、耐酸化性、耐食性に寄与することがあります。その量と冶金的状態が重要です。低合金の焼入れ焼戻し鋼に少量のクロムを添加しただけでは、ステンレス鋼種と同等にはなりません。ステンレス鋼の分類では、規定された耐食性組織を形成するために、該当する炭素およびその他の元素の限界値とともに、十分なクロム含有量が要求されます。[5][5] Properties of Some Metals and Alloys. Nickel Institute. Nickel Institute technical guide.

ニッケルは、特に低温において焼入性と靭性を高め、適切な成分ではオーステナイト組織を安定化します。ニッケル合金低温用鋼およびオーステナイト系ステンレス鋼では重要ですが、ニッケルが含まれているだけで、いずれかの区分に該当することが決まるわけではありません。Nickel Instituteは、表形式の資料において化学成分、機械的性質、物理的性質、規格を分けて掲載しており、これらの異なる種類の根拠を区別して扱うための有用なモデルとなっています。

モリブデンは焼入性を向上させ、焼戻し中の強度保持に寄与します。また、特定の焼戻し脆化リスクを低減し、高温特性を支えることもあります。クロム・モリブデン鋼におけるその効果は、比較表に印刷された単一のパーセント値ではなく、炭素量、クロム含有量、熱処理、断面寸法に左右されます。

マンガンは、炭素鋼および低合金鋼に広く含まれます。固溶強化に寄与し、硫黄と結合して有害な硫化鉄の影響を低減し、焼入性を高めます。しかし、過剰なマンガンは溶接性や変態挙動に影響する可能性があります。したがって、規定範囲は炭素、硫黄、ケイ素、および加工状態と併せて読み取る必要があります。

Handbook of Comparative World Steel Standardsは、国際的な鋼種記号体系にまたがり、化学成分の比較表と機械的性質の比較表を分けて掲載しています。この分離は不可欠です。類似した鋼種記号は、成分を比較するうえで有用な指標となる場合がありますが、降伏強さ、靭性、焼入性、または熱処理応答が同等であることを証明するものではありません。管理対象となる規格、製品形状、厚さ、納入状態、試験方向、明記された試験方法によって、報告された数値が何を意味するかが決まります。

ステンレス鋼の組成および特性表

ステンレス鋼の表は、その対象範囲が明確である場合にのみ有用です。例えば「304ステンレス鋼」は、一般に認識されている合金群を示しますが、それだけでは、その材料が薄板、厚板、棒、管、鍛造品のいずれであるのか、また ASTM A240、ASTM A276、ASTM A479、ASTM A213、その他の規格に基づいて供給された製品であるのかは示されません。これらの規格では、製品要件、熱処理規定、寸法、試験規定、機械的性質の限界値がそれぞれ異なる場合があります。

この違いによって、組成表と特性表は区別されます。組成表は、クロム、ニッケル、炭素、マンガン、ケイ素、モリブデン、リン、硫黄、窒素などの元素について、許容される質量パーセント範囲を示します。機械的性質表は、指定された製品および状態における引張強さ、降伏強さ、伸び、硬さなどの値を示します。ASTM A400は、鋼棒についてこの点をより広く説明しており、選定は鋼種、化学組成、加工状態、断面寸法、および要求される最小降伏強さによって決まるとしています。したがって、鋼種名は識別の手掛かりではあっても、完全な材料仕様ではありません。

SSINAは、ASTM製品規格の対象となるオーステナイト系ステンレス鋼種について、組成表および規定された機械的性質を公表しています。Outokumpuの Stainless Steel Handbook も、鋼種の化学組成と機械的・物理的データを分けて掲載しています。これらの資料が有用なのは、表に基づく比較の限界を示しているためです。化学組成によって合金群を特定できる一方、特性に関する要件は、特定の製品規格および納入状態に属します。

オーステナイト系、フェライト系、マルテンサイト系、その他のステンレス鋼群

304、304L、316、316L、321、347、310Sなどのオーステナイト系ステンレス鋼は、一般にクロム・ニッケル系またはクロム・ニッケル・モリブデン系の組成と、室温でのオーステナイト組織によって識別されます。これらは通常、マルテンサイト系鋼種のように焼入れによって硬化することはありません。ただし、特に薄板や帯鋼では、冷間加工によって強度が大きく変化することがあります。

430や409などのフェライト系鋼種は、主としてクロム鋼であり、意図的なニッケル添加はほとんどないか、全くありません。その体心立方のフェライト組織は、磁気応答、溶接性、靭性、成形性に影響を及ぼします。410、420、440Cなどのマルテンサイト系鋼種は、オーステナイト化および焼入れに応答するのに十分な炭素と合金元素を含んでいます。これらの硬さと強度は熱処理に強く依存するため、公称化学組成だけを示す表では、納入された材料を表現できません。

その他の鋼群には、17-4 PHなどの析出硬化系鋼種、2205などの二相系鋼種、2507などのスーパー二相系鋼種があります。二相ステンレス鋼はフェライト相とオーステナイト相を組み合わせたものであり、相バランスは化学組成、固溶化焼鈍、冷却条件、製品厚さによって変化します。したがって、適用される製品規格と熱処理を省略した「2205」の表は、重要な冶金学的要件を隠してしまう可能性があります。

呼称体系自体も異なります。ASTMおよびUNSの呼称では、304は通常 UNS S30400、316は UNS S31600として示されます。一方、低炭素仕様は304L、UNS S30403、および316L、UNS S31603です。X5CrNi18-10やX2CrNiMo17-12-2などの欧州呼称はこれらと関連していますが、すべてのASTM製品呼称と自動的に互換となるわけではありません。Handbook of Comparative World Steel Standards が比較用の化学組成表と機械的性質表を分けているのは、このためです。名称が類似していることだけでは、限界値が同一であるとは判断できません。

クロム、ニッケル、モリブデン、炭素、窒素

クロムは、クロムに富む薄い不動態皮膜の形成を促進するため、ステンレス鋼を特徴付ける添加元素です。組成表にはクロムの最小含有量が示されることがありますが、耐食性は表面状態、環境、熱処理、介在物、溶接部、塩化物または酸への曝露にも左右されます。耐食性は、降伏強さや伸びのような単一の機械的性質ではありません。そのため、試験方法と曝露条件を示さずに、引張強さと同じ欄に記載すべきではありません。

ニッケルはオーステナイトを安定化し、相バランス、靭性、延性、加工硬化挙動に影響を及ぼします。公称上は類似した2種類のオーステナイト系鋼種でも、ニッケルの限界値が異なる場合があり、成形または溶接中の安定性に違いが生じます。モリブデンは、多くの塩化物含有環境において、局部腐食に対する抵抗性を向上させます。したがって、316と304は、いずれもオーステナイト系のクロム・ニッケルステンレス鋼であるという理由だけで互換可能ではありません。316には管理されたモリブデン添加がありますが、304には同じモリブデン要件がありません。

炭素は、化学的にも冶金学的にも重要です。304Lや316Lなどの「L」鋼種は、標準炭素仕様の鋼種と比較して、炭素の最大含有量を制限しています。低炭素化によって、溶接中のクロム炭化物の析出と、それに続く粒界腐食のリスクが低減されます。ただし、最終的な結果は、溶接施工、部材厚さ、熱履歴、溶接後処理にも依存します。安定化鋼種には別の違いがあります。321はチタンを、347はコロンビウム（ニオブ）を使用して炭素を固定し、規定された条件下での鋭敏化リスクを低減します。

窒素は、偶発的な不純物としてではなく、意図的に管理される場合があります。窒素はオーステナイト系ステンレス鋼を強化し、二相系鋼種では耐食性と相バランスに寄与します。クロムとニッケルだけを比較する表では、2つの鋼種間に存在する意味のある違いを見落とす可能性があります。炭素、窒素、モリブデン、安定化元素の添加が、外観上類似した呼称の鋼種間で、強度、溶接性、腐食試験要件が異なる理由となっている場合があります。

Engineering ToolBoxが公表しているものを含む代表的な比較表は、炭素、クロム、マンガン、モリブデン、ニッケル、リン、硫黄、ケイ素の大まかな傾向を示すうえで役立ちます。ただし、適用される支配的な規格に代わるものではありません。ASTM A240における許容範囲は、ASTM A276または同等のEN製品規格における許容範囲と異なる場合があります。

オーステナイト系ステンレス鋼種の規格要件

オーステナイト系鋼種について、完全な表には少なくとも、規格、製品形状、鋼種、熱処理状態、厚さまたは断面範囲、試験方向、適用される試験方法を明記すべきです。ASTM A240は、圧力容器および一般用途向けのクロム系およびクロム・ニッケル系ステンレス鋼の厚板、薄板、帯鋼を対象としています。ASTM A276はステンレス鋼の棒および形材を対象とし、ASTM A479は圧力容器および一般用途向けの棒および形材を対象としています。また、ASTM A213は、継目なしフェライト系およびオーステナイト系合金鋼製のボイラー、過熱器、熱交換器、復水器用管を対象としています。これらの文書に同じ鋼種呼称が記載されていても、すべての機械的要件が同一であることを意味しません。

オーステナイト系の規格では、通常、最小引張強さ、最小降伏強さ、最小伸びが規定されますが、これらの値は、指定された製品および厚さに対応するものです。冷間圧延帯鋼は、変形の影響により、焼鈍された厚板より高い強度を示すことがあります。棒の特性は、直径と熱処理によって変化する場合があります。圧延または引抜きによって異方性が生じる場合には、試験方向が重要になります。硬さの限界値は、引張試験を補完するものであり、置き換えるものではありません。

ASTMの製品規格は、化学組成および引張試験以外にも、固溶化焼鈍、焼入れ、結晶粒度、粒界腐食試験、水圧試験または非破壊検査、該当する場合の寸法公差などの要件を課しています。AISCは、ASTMの構造用鋼規格には一般に、化学組成要件と機械的性質要件の両方が含まれると説明しています。同じ原則はステンレス製品にも適用されますが、個々の要件は製品規格によって異なります。

Nickel Instituteは、合金に関する資料を、化学的、機械的、物理的、規格関連の各表に分けて整理しています。この構成は、鋼種に対して単一の普遍的な引張強さまたは腐食評価を割り当てるよりも信頼性が高くなります。ASTM、SSINA、Outokumpuのデータは、規格に結び付いた情報として読むべきです。化学組成は許容される合金を定義し、加工および微細組織が納入状態での挙動の大部分を決定します。これらの関連付けを省略した表は整然としているかもしれませんが、十分な材料記録とはいえません。

構造用鋼の表および設計値

構造用鋼の表では、S235、S275、S355、S420、S450、S460が、強度の整然とした一連の等級として並べられていることが多い。この表示は有用ではあるが、完全なものではない。この呼称は、規格体系における構造用鋼の区分を示すものであり、それだけで普遍的な化学分析値、製品形状、熱処理、厚さ範囲、または認証試験結果を定義するものではない。

Eurocode 3の材料表は、設計用材料の参照表であって、調達用または化学成分用の表ではない。その値は EN 1993-1-1, Section 3.2.6 に関連付けられており、該当する製品規格と併せて読まなければならない。鋼板、熱間圧延形鋼、中空断面部材、鍛造部品、締結部品は、関連する呼称を持つことがある一方で、それぞれ異なる要求事項の対象となり得る。

S235、S275、S355、S420、S450、およびS460

これらの欧州の呼称における「S」は構造用鋼を意味し、その後に続く数字は、通常、指定された基準厚さ、すなわち通常は16 mm以下の材料について、メガパスカル単位の公称最小降伏強度を示す。したがって、この慣例では、S235は235 MPa、S275は275 MPa、S355は355 MPaを示す。S420、S450、S460も同様に、それぞれ420、450、460 MPaの公称降伏強度レベルを示す。

これらの数字は、すべての厚さにわたって一定ではない。厚さが増すと、指定される最小降伏強度は低下することがある。これは、厚い製品では製造中の冷却状態が異なり、板厚方向の特性が不利になる可能性があるためである。EN 1993-1-1の設計表では、16 mm以下の材料について、公称値はそれぞれ235、275、355、420、450、460 MPaである。より大きな厚さ区分では、許容される設計値が低下する。例えば、16 mmを超え40 mm以下の厚さについて一般的に用いられる値は、S235で約225 MPa、S275で265 MPa、S355で345 MPa、S420で400 MPa、S450で430 MPa、S460で440 MPaである。正確な値は、補間によって推定するのではなく、適用される表および材料規格から取得しなければならない。

引張強度は別個の要求事項である。これらの等級に関連付けられる代表的な最小値から最大値までの範囲には、S235で約360～510 MPa、S275で370～530 MPa、S355で470～630 MPa、S420で520～680 MPa、S450で550～720 MPa、S460で540～720 MPaが含まれる。ただし、製品の種類、厚さ、納入状態によって異なる。これらの範囲は重なり合っている。S460は、単にS355より引張強度が105 MPa高いことによって定義されるものではなく、S355の範囲上限に近い試験結果が得られたからといって、その材料がS460になるわけでもない。

接尾辞にも情報が含まれている。S355JR、S355J0、S355J2などの呼称には、試験温度および吸収エネルギーに関連する衝撃靱性の要求事項が含まれている。S355NやS355Mなどの呼称は、EN 10025シリーズにおける納入状態を示す。したがって、接尾辞を省略した呼称では、靱性、加工経路、規格適合性を区別するために必要な情報が欠落する可能性がある。

化学成分は依然として重要であるが、それだけで表全体を説明できるわけではない。ASTM A400、Standard Practice for Steel Bars, Selection Guide, Composition, and Mechanical Propertiesは、等級、化学成分、加工状態、断面寸法、および求められる最小降伏強度に基づいて選定を体系化している。この構成は、重要な点を示している。すなわち、成分と強度には関係があるが、両者は置き換え可能な項目ではない。ASM Internationalは、炭素鋼および合金鋼の特性は、化学成分、加工、および微細組織の複合的な影響によって生じると述べている。炭素含有量、マンガン、シリコン、合金元素の添加、結晶粒微細化、圧延履歴、冷却、および溶接熱サイクルは、いずれも報告される結果に影響を及ぼし得る。

材料特性と設計耐力

材料特性とは、鋼について測定または規定される特性である。降伏強度、引張強さ、伸び、衝撃エネルギー、および化学成分の制限値は、このカテゴリーに含まれる。設計耐力は、これらの特性に対して設計規格が安全係数、断面規則、座屈モデル、安定限界、その他の条件を適用した後に算定される。

引張を受ける断面について、Eurocodeの簡略化された式では、次の降伏耐力を用いることがある。

$$N_{\mathrm{pl},\mathrm{Rd}}=\frac{A{f}_y}{{\gamma }_{M0}},$$

ここで、$A$は該当する面積、$f_y$は厚さに依存する降伏強度、${\gamma }_{M0}$はNational Annexで規定される部分係数である。これは引張試験の結果ではない。特定の設計基準において、特定の破壊モデルに対して割り当てられる耐力である。

圧縮および曲げについては、さらに検討が必要となる。板要素の局部細長比によって、全総断面積が塑性耐力に達することが妨げられる場合がある。部材座屈では、細長比および座屈曲線に基づく低減係数が導入される。鋼材の降伏強度が高くても、梁では横ねじれ座屈が支配的となることがある。溶接継手については、溶接金属、熱影響部、純断面、および施工品質について、別個の検討が必要になる場合がある。

この区別によって、より高い等級に変更しても、すべての設計耐力を比例的に増加させられるとは限らない理由も説明できる。Euler型の座屈によって支配される柱では、幾何学的な細長比が支配的なままであれば、S355からS460に変更しても得られる効果は小さい可能性がある。ボルト孔を考慮した純断面またはせん断ブロック破断によって支配される接合部では、降伏する総断面と同じ割合では強度上昇の恩恵を受けないことがある。設計耐力は、等級表示だけに属するものではなく、部材および破壊モードに属するものである。

EN 1993-1-1および製品規格の文脈

EN 1993-1-1は、鋼構造物の設計に関する一般則を示し、Section 3.2.6において、一般的に使用される構造用鋼等級の公称材料特性を規定している。しかし、製造、化学成分、許容差、試験、納入状態、および認証を管理する製品規格に取って代わるものではない。

構造用製品については、EN 10025シリーズが中心的な位置を占める。EN 10025-2は非合金構造用鋼を対象とし、EN 10025-3は焼ならしまたは焼ならし圧延された溶接可能な細粒構造用鋼を対象とし、EN 10025-4は熱間機械圧延された溶接可能な細粒鋼を対象とする。また、その他の製品規格が中空断面部材、冷間成形製品、およびステンレス構造用製品を規定している。呼称は、製品形状および規格と併せて解釈しなければならない。SteelConstruction.infoも、欧州の構造用鋼等級を、それらの化学的および機械的要求事項を規定する規格と関連付けることによって、この構成を反映している。

したがって、炭素、マンガン、リン、硫黄、シリコン、クロム、ニッケル、またはモリブデンを示す化学成分表は、機械的性質の表の代替にはならない。また、機械的性質の表も、完全な購入仕様書ではない。AISCは、ASTMの構造用鋼規格に関する説明において、同じ区別を示している。形鋼および鋼板に関する要求事項には、一般に、化学成分および機械的性質の両方に関する規定が含まれている。ASTM規格でも、炭素鋼、構造用鋼、ステンレス鋼、フェライト系鋼、オーステナイト系鋼、および合金鋼を、異なる試験および受入れ規則を持つ仕様に分けている。

Nickel Institute、SSINA、Engineering ToolBox、および各種の鋼規格比較ハンドブックによる参照表は、規格体系をまたいだ等級の整理に役立つ。しかし、それらの記載は、規定値ではなく、代表値、簡略値、または比較用の値である可能性がある。支配的な文書は、対象となる製品および厚さについて、指定された版における、引用された製品規格である。S355が、製造および設計上の文脈から切り離された単なるラベルではなく、規定された材料となるのは、この水準においてである。

選定および解釈のモデルとしての ASTM A400

ASTM A400、Standard Practice for Steel Bars, Selection Guide, Composition, and Mechanical Properties（鋼棒の選定指針、化学成分および機械的性質に関する標準実務）は、鋼種を自己完結した材料上のアイデンティティとして扱っていない点で、有用なモデルである。その表は、一般的な鋼材一覧表では分離されているか、記載されていないことの多い、鋼種の呼称、化学成分、加工状態、断面寸法、および要求される最低降伏強さという複数の条件を関連付けている。

この構成は重要である。化学成分表が答えるのは、「その鋼種について、どの元素が、どの範囲で規定されているか」という問いである。機械的性質表が答えるのは、「規定された試験条件および製品条件の下で、どの程度の強さ、硬さ、延性または靭性が要求されるか」という別の問いである。ASTM A400は、これらの問いを材料選定の問題と並べて扱うが、両者の区別をなくしているわけではない。

AISIまたはASTMの鋼種名は、供給される鋼棒に適用されるすべての要求事項を特定することなく、候補の範囲を絞り込むことができる。最終的には、適用される製品規格が優先される。同様に、規定された寸法範囲、熱処理、仕上げ、試料採取位置、試験方向、および受入れ基準も支配的な要素となる。したがって、製品形状または断面寸法が変われば、同じ公称鋼種であっても、許容される性質が異なる場合がある。

要求される降伏強さによる鋼種の選定

降伏強さは、一般的な鋼種一覧表から転記する数値ではなく、選定の入力条件として扱うべきである。ASTM A400は、要求される最低降伏強さに基づいて候補となる鋼棒を整理するとともに、それらの候補に関連する化学成分および加工経路も示している。これは、数値の導出方法を説明せずに、鋼種を「低強度」から「高強度」へ順位付けするよりも有用である。

要求される最低降伏強さは、まず性能上のしきい値を設定する。しかし、それだけで鋼種が決まるわけではない。複数の鋼種がそのしきい値を満たし得る一方で、炭素、マンガン、クロム、ニッケル、モリブデンその他の合金元素の含有量は異なる場合がある。これらの違いは、焼入性、溶接性、熱処理への応答、断面寸法に応じた性能、および場合によっては靭性に影響を及ぼす。ASM InternationalのMetals Handbookは、炭素鋼および合金鋼の性質が、化学成分、加工および組織の複合作用によって決まるとしている。化学成分は性質の原因の一つであって、性質に関する要求事項の代替ではない。

この区別は、構造用鋼の資料にも見られる。Eurocode 3の設計表は、EN 1993-1-1の3.2.6節に基づく設計用材料特性とともに、S235、S275、S355、S420、S450およびS460を示している。これらの設計値は、その設計体系に属するものであり、表に類似した降伏強さの数値が示されているという理由だけで、ASTMの鋼棒鋼種に自動的に移用すべきではない。「S355」は、特定の製品および規格上の文脈を持つENの呼称である。それは、近くに記載されたすべての鋼材と同一の、普遍的な化学的または機械的アイデンティティではない。

選定表は、降伏強さとその他の要求事項との間のトレードオフを明らかにすることができる。合金化または熱処理によって強さを高めると、伸び、被削性、溶接施工要件、または低温特性が変化する場合がある。小径の焼入れ焼戻し鋼棒で最低690 MPaの降伏強さを満たす鋼種であっても、はるかに大きな断面で同じ値を示すとは限らない。また、同じ公称呼称を持つ焼ならし材と互換できるとも限らない。

報告される降伏値については、試験の根拠も必要である。規定最低降伏強さは、規格に応じて、降伏点による方法または規定オフセット法によって決定される場合がある。標点距離、試験片の方向、および試料採取位置は、報告結果に影響を及ぼし得る。これらの詳細を示さずに「降伏強さ」を記載した表は、数値自体を正しく転記していたとしても不完全である。

加工状態および断面寸法

加工は、化学成分と機械的性質をつなぐ橋渡しとなる。同じ溶鋼の化学成分であっても、熱間圧延、焼ならし、焼なまし、焼入れ焼戻し、冷間仕上げおよび応力除去によって、異なる組織が形成される。冷却速度も重要である。小径の鋼棒は大径の鋼棒より速く熱を失うため、冷却中に異なる変態組織を形成する可能性がある。重量の大きい断面の中心部は、表面よりもゆっくり冷却されるため、より軟らかい状態にとどまったり、異なる熱処理スケジュールを必要としたりする場合がある。

ASTM A400は、鋼種全体に一つの強さの値を示すのではなく、加工状態および断面寸法と選定を関連付けることによって、この点を実務的に扱っている。鋼棒の表では、熱間圧延材と焼入れ焼戻し材を区別したり、最低降伏強さを割り当てる前に径の範囲を分けたりすることがある。その理由は、編集上の都合ではなく冶金学的なものである。炭素および合金元素の含有量は焼入性に影響するが、焼入性があるからといって、すべての断面のすべての位置が同じ硬さまたは強さに達するわけではない。

厚さおよび径によって、適用される最低値が変わる場合もある。製品規格では通常、大きな断面ほど均一に変態させることが難しく、中心部で低い性質を示す可能性があるため、機械的要求事項を寸法別に区分している。化学成分表からは、その制約を知ることはできない。また、寸法欄を無視すれば、機械的性質表も正しく解釈できない。

実際の受入れ要求事項を支配するのは、製品規格である。ASTM A400は選定に関する実務規格であるのに対し、ASTMの製品規格は、特定の製品に対する要求事項を定める。ASTM規格は、炭素鋼、構造用鋼、ステンレス鋼、フェライト系鋼、オーステナイト系鋼および合金鋼について、化学的、機械的、冶金学的その他の材料要求事項を規定している。AISCも同様に、構造用鋼の形鋼および厚板に関するASTM規格には、一般に化学成分および機械的性質の両方に関する要求事項が含まれると説明している。したがって、技術上の判断に用いる表の記載には、正確な規格、改訂版、追加要求事項および注文時の指定を必ず併記しなければならない。

ステンレス鋼に関する資料にも、同じ区別が見られる。SSINAの表は、ASTMの製品規格の対象となるオーステナイト系ステンレス鋼種について、質量パーセントによる化学成分と規定機械的性質を示している。Nickel Instituteは、化学的、機械的、物理的および規格上のデータを、別個の情報区分として提示している。これらの形式が有用なのは、ニッケル、クロムまたは炭素の含有率だけで、使用時の完全な挙動が予測できると示唆していないからである。

選定指針を誤用せずに使用する

選定指針は、候補を整理し、二つの鋼種が互換できない理由を明らかにし、強さが加工または断面寸法に依存する箇所を示すことができる。エンジニアは、要求される最低降伏強さから妥当な鋼種の候補を絞り込み、化学成分、焼入性、延性および処理状態を比較する際に、これを利用できる。また、誤った同等視に対する警告にもなる。Handbook of Comparative World Steel Standardsが比較用の化学成分表と比較用の機械的性質表を分けているのも、この理由による。呼称の対応関係は、規格上の同等性を証明するものではない。

選定指針は、適用される製品規格に取って代わることはできない。それによって、溶鋼を認証したり、ミルシートを確認したり、試験されていない部品の実際の性質を確定したり、出典に記載された寸法、状態、方向、温度および試験方法の範囲外での性能を保証したりすることはできない。Engineering ToolBoxによる炭素、クロム、マンガン、モリブデン、ニッケル、リン、硫黄およびケイ素の一覧のような代表的な比較表は、概略を把握するうえで有用であるが、支配的な規定値に優先するものではない。同じ注意は、ハンドブック、供給者の一覧表および規格間の鋼種対照表にも当てはまる。

したがって、正しい手順は単純であるが、厳格でなければならない。まず製品形状および規格を定義し、要求される最低限の性質を示し、許容される寸法および加工状態を特定し、化学成分と追加要求事項を確認したうえで、供給された材料を適用される証明書および試験に照らして検証する。ASTM A400は、選定の段階を支援するものである。しかし、使用者に代わって規格の適用、製造または受入れの段階を実施するものではない。

ASTM、EN、その他の規格体系における鋼種の比較方法

鋼種名は出発点であって、材料そのものを特定するものではありません。ASTM、EN、JIS、GB、ISO、その他の規格体系は、それぞれ異なる製品規格の中で呼称を定めており、各規格は化学成分、強度、靭性、熱処理、寸法、試験、許容される製造方法などを規定する場合があります。したがって、「S355」、「A572 Grade 50」、「AISI 1045」は、比較表で同じ行に置かれているというだけで、相互交換可能な呼称として扱うことはできません。

世界鋼材規格比較ハンドブック（Handbook of Comparative World Steel Standards）は、この区別を実務的なものにしています。同書の鍛造用および鋳造用合金鋼に関する比較表では、化学成分と機械的性質を分けて記載しています。この分離は単なる編集上の選択ではありません。化学成分は、炭素、マンガン、クロム、ニッケル、リン、硫黄などの元素に関する規定値を示します。一方、機械的性質の表は、指定された加工および試験条件の下で得られる結果を示します。これらは関連するデータセットですが、相互に代替できるものではありません。

2つの指定間で化学成分が類似していても、製品規格、加工規則、靭性要求事項、または機械的性質の最小値が同一であることの証明にはならない。 Strong evidence

化学成分の類似性は規格上の同等性ではない

化学成分表によって、2つの鋼種が類似した成分範囲にあることを示すことはできます。しかし、それだけで両鋼種が同じ製品規格を満たすことや、実際の使用環境で同様に機能することを証明することはできません。

炭素鋼および低合金構造用鋼を考えてみましょう。ASTM A572/A572M Grade 50とEN 10025-2 S355は、一部の製品形状および厚さにおいて、公称最小降伏強度が類似した範囲にあるため、しばしば比較されます。しかし、両者の規格体系は、化学成分の規定値、製品区分、靭性の呼称、納入要件、寸法規則、試験規定において異なります。炭素、マンガン、リン、硫黄だけを記載した表では、これらの違いが見えなくなります。

同じ問題はステンレス鋼にも見られます。「304」は、AISIの呼称、特定の製品規格におけるType 304のようなASTMの製品鋼種、またはX5CrNi18-10に対応する1.4301のような欧州の呼称を指す場合があります。これらの呼称は一般的な使用では重なることがありますが、適用される要件は製品規格によって決まります。SSINAは、ASTMの製品規格が対象とするオーステナイト系ステンレス鋼種について、重量パーセントによる成分表と、規定された機械的性質を分けて示しています。この形式により、成分範囲を完全な納入要件と誤認することを適切に防いでいます。

ASTM A400、鋼棒の選定、化学成分および機械的性質に関する標準実施要領（Standard Practice for Steel Bars, Selection Guide, Composition, and Mechanical Properties）は、簡略化された鋼種表に対する有用な警告となります。この規格では、鋼種、化学成分、加工状態、断面寸法、要求される最小降伏強度に基づいて選定指針を示しています。これらの付随変数がなければ、棒鋼の呼称は同じ意味を持ちません。冷間引抜き、焼なまし、焼ならし、焼入れ・焼戻し、熱間圧延によって、近似した化学成分であっても、強度および延性は大きく異なることがあります。

ASMによる炭素鋼および合金鋼の解説は、その冶金学的な理由を示しています。性質は、化学成分、加工、およびミクロ組織の複合作用によって決まります。炭素含有量は硬さや焼入性に影響を及ぼす可能性がありますが、降伏強度、衝撃靭性、疲労強度、伸び、残留応力を一意に決定するものではありません。結晶粒径、冷却速度、変態生成物、焼戻し、介在物含有量、加工前の変形履歴も重要です。

化学成分の比較は依然として有用です。明らかな不一致を特定したり、鋼種が低炭素鋼であるかクロムを含有するかを明らかにしたり、溶接性や耐食性に影響する元素を予備的に確認したりできます。ただし、化学成分の比較は化学成分表にとどめ、各鋼種の横に適用される製品規格とその版を記載すべきです。Engineering ToolBoxなどが公表している代表的な比較は、拘束力のある規格上の規定値ではありません。

条件を一致させた機械的性質の比較

機械的性質の数値は、試験条件および供給条件を一致させて初めて比較可能になります。最低限、製品形状、適用規格とその版、納入状態、厚さまたは断面寸法、試験方向、試験温度、試験方法、要求される性質の種類を記録してください。

最初に確認すべきなのは製品形状です。板、熱間圧延棒、線材、管、鍛造品、構造用形材は、呼称が類似していても異なる規格を使用する場合があります。炭素構造用鋼に関するASTM A36/A36M、熱間加工された合金鋼および炭素鋼棒に関するASTM A29/A29M、ステンレス鋼棒に関するASTM A276/A276Mは、相互交換可能な文書ではありません。これらの機械的性質の表は異なる製品を対象としており、サンプリング方法や熱処理条件も異なる場合があります。

厚さおよび断面寸法によって、要求される最小値が変わることがあります。ENの構造用鋼の表では、S235、S275、S355、S420、S450、S460などの鋼種に対する降伏強度の要求値が、適用される製品規定および設計規定の下で、厚さ範囲と結び付けられています。そのうえでEurocode 3、EN 1993-1-1の3.2.6節は、構造用鋼の設計用材料特性を示しています。これらの設計値は、一般的な鋼種表から単純に転載した引張試験結果ではありません。室温で長手方向に試験した板は、厚肉断面を横方向に試験した値や、高温設計用に補正された値と自動的に比較できるものではありません。

納入状態も明示する必要があります。「焼ならし」、「熱加工制御圧延」、「焼入れ・焼戻し」、「焼なまし」、「圧延まま」は、それぞれ異なる冶金状態を示します。ASTM規格とEN規格では、同じ大きな鋼種系列に対しても、異なる接尾辞、等級、種類、または状態に関する要件を付している場合があります。焼入れ・焼戻しを施した棒鋼について記載された最小引張強度を、両者が公称上同じ合金鋼種であるというだけの理由で、焼なまし材の代表値として使用することはできません。

試験方法も報告される数値に影響します。降伏強度は、明瞭な降伏点を意味する場合もあれば、塑性ひずみ0.2%における耐力を意味する場合もあります。伸びは、標点距離および試験片形状によって異なります。シャルピー衝撃吸収エネルギーは、ノッチの方向、試験温度、試験片寸法、報告方法に依存します。硬さ換算にも条件があります。適用される換算規格を考慮しなければ、換算したロックウェル硬さ、ブリネル硬さ、またはビッカース硬さの値は、直接試験による値と同等ではありません。

したがって、根拠のある比較手順は次のようになります。

1. 製品形状と、正確な製品規格を特定する。 2. 適用規格、その版、鋼種、等級、種類、および追加要求事項を記録する。 3. 一般的な呼称表ではなく、その文書から化学成分の規定値を抽出する。 4. 納入状態、熱処理、厚さ、直径、肉厚、または断面寸法を記録する。 5. 試験方向、試験片形状、試験温度、および試験方法を一致させる。 6. 同じ種類の機械的要求事項同士を比較する。すなわち、降伏強度は降伏強度、引張強度は引張強度、衝撃吸収エネルギーは衝撃吸収エネルギーと比較する。 7. 溶接性、靭性、腐食、疲労、および寸法に関する要求事項を個別に確認する。 8. 意図する設計規準が、提案された材料を認めていることを確認する。

Nickel Instituteの表は、化学的性質、機械的性質、物理的性質、および規格情報を分けることで、このように規律ある整理方法を示しています。鋼材に関する資料にも同様の構成を用いるべきです。すなわち、化学成分を1つの表に、機械的要求事項を別の表にまとめ、両方の横に適用条件や適格性に関する注記を付します。

相互参照表の限界

相互参照表は、予備選定のためのツールです。候補鋼種を探したり、合金含有量が類似する鋼種群を特定したり、さらに検討すべき規格を見つけたりする際には有用です。しかし、1対1の代替使用を認めるものではありません。

相互参照表では、複数の版を1行にまとめていること、製品形状を省略していること、最大規定値ではなく代表的な成分を記載していること、または異なる厚さ範囲における機械的性質の値を示していることがあります。さらに、国内規格上の呼称と製品規格を混同している場合もあります。例えば「AISI 1045」は、一般に認識されている炭素鋼の成分を示しますが、それだけでは、特定の棒鋼、板、鍛造品、熱処理状態、または設計用途に関する要求事項を定義しません。

相互参照から導かれる適切な結論は、条件付きのものです。すなわち、記載された鋼種は、指定された規格および状態の下で技術的検討を行う候補になり得る、ということです。代替には、材料規格、検査証明書、設計規準、製作手順、および使用条件に照らした検証が必要です。類似した化学成分は近似性を示す証拠ではあっても、同等性の証明ではありません。共通する番号やよく知られた名称だけで、この検証に代えることはできません。

試験、サンプリング、および報告値の意味

鋼材の表は、ある特性を単独で報告するものではない。規定された条件の下で、選定した試料に対して実施された、定義済みの化学分析または機械試験の結果を、合否判定基準に照らして報告するものである。これらの要素のいずれか一つを取り除けば、その数値の意味は変わり得る。

このため、鋼種記号だけでは材料を完全に同定することはできない。ASTM A400（鋼棒の標準慣行：鋼種、選定指針、化学成分および機械的性質）は、鋼棒に関する情報を、鋼種、化学成分、加工状態、断面寸法、および所要の最小降伏強さによって整理している。この構成は、その限界を明確に示している。同じ公称鋼種であっても、製品形状、寸法、熱処理、または適用される規格が変われば、異なる解釈が必要になる場合がある。

ヒート分析と製品分析

ヒート分析、または取鍋分析は、特定の溶解を代表する溶鋼の化学成分を示すものである。通常、製造者は製鋼中、材料が鋳塊または連続鋳造製品に鋳造される前に試料を採取する。報告値は、そのヒート全体を代表することを意図している。したがって、必ずしも完成した鋼板、棒鋼、鍛造品、または管の直接測定値ではない。

製品分析は、製造された製品から採取した材料について実施される。そのため、試料採取位置、凝固時の偏析、表面状態、機械加工、および局所的な化学成分の変動を反映し得る。製品分析の限界値が取鍋分析の限界値と異なる場合があるのは、両者が異なる問いに答える分析だからである。すなわち、炉内でどのような成分の鋼を製造したのか、また供給された製品の試料採取位置にどのような成分が存在するのか、という違いである。

この区別は、厳しい限界値が設定される元素について特に重要である。炭素、硫黄、リン、窒素、ならびにクロム、ニッケル、モリブデン、バナジウムなどの合金元素は、小数点以下数桁まで報告されることがある。しかし、表示された桁数の多さは、同等の精度を保証するものではない。硫黄0.018％という結果と、限界値0.020％との比較であっても、適用される規格が定める分析方法、校正、試料調製、および丸め規則に依存する。

成分表には、304ステンレス鋼について、クロムまたはニッケル含有量の概算値など、単一の代表値が示されることがある。一方、SSINAは、ASTMの製品規格が対象とするオーステナイト系ステンレス鋼種について、質量百分率による成分範囲と、規定された機械的性質を示している。後者は規格要求事項であり、前者は有用な比較値となり得る。両者を互換的に扱ってはならない。

同じ注意は、UNS、EN、JIS、およびASTMの記号を隣接する列に並べた比較表にも当てはまる。世界鋼材規格比較ハンドブックが、化学成分の比較表と機械的性質の比較表を分けているのは、化学成分が類似しているだけでは、加工要件、製品形状、試験方法、または合否判定基準が同一であることを示さないためである。「相当品」という表現は、多くの場合、限定された比較を簡略に示すものであり、あらゆる規格の下で一方の材料を他方に置き換えられることの証明ではない。

最大値は上限である。最小値は下限である。範囲には両方の境界がある。規定された公称成分または代表成分は、通常の製造実績を示すことはあっても、許容される合否判定範囲を定義するとは限らない。表中では、これらの区分を明確に分けなければならない。

引張試験および硬さ試験の条件

機械的性質は、成分値よりもさらに試験の定義に依存する。引張強さ、降伏強さ、伸び、絞り、および硬さは、特定の手順に従って特定の試験片に生じた応答を示すものである。同じ鋼種記号を付されたすべての部材が有する固定定数を示すものではない。

まず重要なのは試料採取位置である。試験片は、表面から規定された距離の位置、棒鋼の中心部、鋼板の板厚方向、または製品の指定された端部から採取されることがある。冷却速度、偏析、脱炭、およびその後の熱処理が断面内で変化するため、表面から採取した試験片は中心部から採取した試験片と異なる性質を示すことがある。圧延製品では、試験位置によって、鋼板または棒鋼の先端部、中央部、末端部のいずれを代表するかも決まる。

方向によっても結果は変化する。長手方向試験片は、主圧延方向または主伸線方向に沿って採取され、横方向試験片はそれに直交する方向に採取される。圧延は結晶粒および介在物を引き伸ばす一方、鍛造や伸線は別の形で組織を変化させる。そのため、長手方向の伸び、横方向の降伏強さ、板厚方向の延性は、単一の普遍的な性質に対する別名ではない。

標点距離も重要である。短い標点距離で測定した伸びは、どちらも百分率で示されていたとしても、長い標点距離で測定した伸びと直接比較することはできない。破断時にはくびれが局所化するため、全伸びのうち標点距離に帰属される割合は、試験片の形状によって変化する。試験片の寸法と試験規格を伴わずに伸びの値だけを転記した表は、不可欠な情報を欠いている。

試験温度も別の境界条件である。室温と氷点下または高温での試験との間では、強度と延性が大きく変化することがある。負荷速度、伸び計の方法、降伏点の定義、および計算規約も、報告結果に影響し得る。「降伏強さ」が、適用される規格に応じて、降伏点を意味する場合もあれば、規定されたオフセットによる耐力を意味する場合もある。

硬さの値にも同様の厳密さが必要である。ブリネル、ロックウェル、およびビッカースの数値は、それぞれ異なる圧子、荷重、保持条件、および換算方法を用いる。ロックウェルBスケールの値をロックウェルCスケールの値と暗黙に比較することはできない。また、硬さ換算表を用いても、換算後の数値が直接測定値になるわけではない。表面粗さ、曲率、スケール、試験片の厚さ、および局所的な組織は、圧痕に影響を及ぼす可能性がある。

米国鉄骨構造協会（American Institute of Steel Construction）が説明しているように、構造用鋼の形鋼および鋼板に関するASTM規格には、通常、化学成分と機械的性質の両方に関する要求事項が含まれている。この二つの要求事項群は相互に機能する。化学成分は成分の限界値を特定し、試験は、規定された加工を経た供給製品が要求性能を満たしているかを検証する。

合否判定値、平均値、およびばらつき

規定最小値とは、合格とされる結果が満たす、または上回らなければならないしきい値である。規定最大値とは、超えてはならない上限である。規定範囲は、両方の条件を課す。いずれも平均値ではない。

個々の試験結果は、1本の試験片または1か所の試験位置に属する。平均値は複数の結果を組み合わせたものであるが、その平均化の規則は製品規格によって制限される場合がある。個々の結果ごとに判定する規格もあれば、定められた状況下で再試験、平均化、または無効試験片の置換を認める規格もある。そのため、材料の引張強さの平均値が記載された最小値を上回っていても、個々の結果に対する要求事項では、一つの結果が不合格となる可能性がある。

ばらつきは、必ずしも材料不良の証拠ではない。通常の組織変動、試験片の配置、試験機の再現性、操作者の技量、および測定不確かさによって生じることがある。500 MPaという報告結果は、試験方法と測定機器の分解能が有限である以上、厳密な物理的境界として読まれるべきではない。不確かさによって合否判定限界がなくなるわけではないが、限界値に近い数値については、安易な丸めではなく、規格が定める判定規則を適用すべき理由が説明される。

この区別は設計表にも見られる。Eurocode 3は、EN 1993-1-1の3.2.6節において、S235、S275、S355、S420、S450、およびS460の設計用材料特性を示している。これらは、その適用される枠組みにおける構造設計のために定められた値であり、Sの記号を持つすべての製品についての普遍的な引張試験結果ではない。ASTM A400も同様に、最小降伏強さを棒鋼の寸法および加工状態と関連付けている。

したがって、表の値は、その方法および合否判定規則と切り離すことができない。二つの記載値を比較する前に、それぞれがヒート分析か製品分析か、代表値か規格限界値か、平均値か個別結果か、また同一の温度、方向、標点距離、試料採取位置、および製品状態で測定された引張値か硬さ値かを確認しなければならない。その情報がなければ、数値の精密さが比較可能性について誤った印象を与える可能性がある。

鋼材特性表における一般的な誤り

鋼材表は権威があるように見えても、実際には異なる規格、製品形状、または試験条件に属する値が、気付かないうちに組み合わされていることがある。最初に問うべきことは「材質記号は何か」ではなく、「この数値は、どの文書の、どの状態を表しているのか」である。化学成分表は、通常、質量百分率で元素の上限、下限、または範囲を示す。機械的性質表は、降伏強さ、引張強さ、伸び、硬さ、衝撃エネルギー、疲労強さなどの要求値または測定結果を示す。この2種類の表には関連性があるが、相互に置き換えられるものではない。

ASTM A400, 鋼棒の選定、化学成分および機械的性質に関する標準実務 は、この点を直接的に示している。鋼棒の選定には、材質記号、化学成分、加工状態、断面寸法、および所望する最小降伏強さが関係する。これらの条件が付されていない材質記号の記載は不完全である。

公称値、代表値、最小値、最大値の混同

最も一般的な誤りは、値の性格を表示せずに、性質の異なる数値を隣接する列に配置することである。「公称」、「代表」、「最小」、「最大」は、同じ種類の情報を表すものではない。

公称成分は、目標値または呼称上の値である。表には中炭素鋼の炭素量を約0.40%と示すことがあるが、適用される製品規格では、例えばCについて0.37～0.44%の範囲が許容され、マンガン、リン、硫黄、ケイ素、または残留元素について別個の制限が課される場合がある。最大値は適合性の境界値であり、予想される分析値ではない。最小引張強さも同様に境界値であって、すべての製品が示す強さではない。

代表値は、その性格が明示されていない場合、とりわけ危険である。メーカー、ハンドブック、または試験所が、焼ならし材について代表的な降伏強さを報告する一方で、規格は特定の厚さおよび納入状態について最小値だけを要求していることがある。代表的な結果は比較には有用かもしれないが、受入れ要求事項の代わりにはならない。ある材質について「降伏強さ：355 MPa」とだけ記載し、それが最小値なのか、公称設計値なのか、代表的な試験結果なのかを示していない表は、誤った結論を招く。

単位も、同じ問題の別の形を生み出す。「強さ　ksi」と記載されているだけで、その値が降伏強さなのか引張強さなのかが示されていない場合、その記載には不備がある。「硬さ　220」も同様に不完全である。220 HBW、220 HV、220 HRCは、それぞれ意味が大きく異なるからである。伸びについては、標点距離を明示しなければならず、一般的には5.65√A、またはインチ単位で指定された標点距離を用いる。シャルピー衝撃エネルギーについては、試験温度、試験片の向き、試験片寸法、さらに多くの場合は試験片の本数が必要である。丸め処理によって、適合性の境界も隠れることがある。報告された炭素量0.20%は、0.195%、0.204%、または広い許容範囲を表している可能性があるため、丸めた比較を規格限界として扱ってはならない。

表には、各項目が要求最小値、許容最大値、成分範囲、公称目標値、または代表的な測定値のいずれであるかを記載すべきである。それが記載されていない場合、読者は、その数値が受入れ判定には不適切であると考えなければならない。

異なる製品規格間での数値の転記

同じ材質記号が複数の規格に現れても、同一の要求事項を伴うとは限らない。ASTM A36の鋼板、鋼棒、構造用形材は、材質記号がよく知られているという理由だけで、単一の共通表に従うものではない。製品規格によって、化学成分の限界値、厚さに関する規定、試験規定、供給状態、機械的性質の要求事項が異なることがある。

AISCは、構造用鋼の形材および鋼板に関するASTM規格には、一般に化学成分の要求事項と機械的性質の要求事項の両方が含まれていると説明している。これらの要求事項は、該当するASTM製品規格に固有のものである。ある文書から化学成分の行を、別の文書から強さの行を転記すると、実際にはどの規格にも定義されていない材料を作り出す可能性がある。

厚さの記載漏れは、よくある問題である。冷却速度、偏析、厚さ方向のミクロ組織は、寸法が大きくなるにつれて変化するため、鋼板または形材の厚さによって降伏強さおよび引張強さの要求値が変わることがある。したがって、S355について降伏強さを1つの値だけ示す表は、適用される規格と厚さ範囲を特定していない限り不完全である。Eurocode 3は、EN 1993-1-1第3.2.6節において、S235、S275、S355、S420、S450、およびS460の設計用材料特性を示している。しかし、これらは設計規格上の値であり、すべての値をASTM、JIS、またはミル証明書の表に転記してよいという意味ではない。

同じ注意はステンレス鋼にも当てはまる。SSINAは、ASTM製品規格の対象となるオーステナイト系鋼種について、質量百分率による成分と規定された機械的性質を示している。化学成分と強さの値は、該当する製品形状およびASTM文書と結び付けたままにしなければならない。鋼板の成分の行を、鋼棒、鍛造品、線材、または鋳鋼品にそのまま適用することはできない。

規格をまたいだ比較には、さらに慎重な判断が必要である。世界の鋼材規格比較ハンドブック は、国際的な材質記号体系について、化学成分と機械的性質の比較表を分けて掲載している。この分離は重要である。似た名称は関連する化学成分を示すことはあっても、加工方法、靭性、溶接性、寸法範囲、または認証要件が同一であることを証明するものではない。Engineering ToolBox形式の代表的な比較は、ある鋼種が別の鋼種よりクロムまたはニッケルを多く含むことを示すのに役立つ場合があるが、管理上適用される限界値を確立するものではない。

転記した数値を受け入れる前に、規格番号、版、製品形状、納入状態、厚さまたは直径の範囲、試験方向、試験温度、および単位系を記録すること。いずれか1つでも欠けている場合、その数値はさらなる確認のための手掛かりにすぎず、確認済みの要求事項ではない。

材質記号を完全な材料仕様として扱うこと

「304」、「A36」、「S355」、「4140」は、鋼材の一片についての完全な説明ではなく、材質記号である。その意味は、それを定義する文書と、供給される製品によって決まる。同じ材質記号であっても、焼なまし、焼ならし、焼入れ焼戻し、冷間加工、および圧延ままの状態では、異なる性質が得られる。

ASM Internationalは、炭素鋼および合金鋼の性質が、化学成分、加工、およびミクロ組織の複合的な影響によって生じると述べている。化学成分だけから、単一の降伏強さ、硬さ、衝撃値、または伸びを予測することはできない。炭素およびクロムの含有量が近い2つの溶解であっても、結晶粒径、焼戻し温度、圧下率、介在物、または冷却履歴によって性質が異なることがある。

「4140：C 0.40%、Cr 1.0%、Mn 1.0%、Mo 0.25%」と記載した表は、近似的な成分を示す資料としては有用かもしれない。しかし、その材料が焼なまし材なのか、焼入れ焼戻し材なのか、また鋼棒、鋼板、管、または完成部品のいずれなのかは特定していない。同様に、「304ステンレス鋼」とだけ記載されていても、それがASTM A240の鋼板、ASTM A276の鋼棒、または別の製品規格を指すのかは分からない。適用される文書によって、異なる機械試験または補足要求事項が課されることがある。

古い版の規格も、別の落とし穴を生む。規格は、化学成分の限界値、試験方法、命名法、厚さ区分、および引用文書を改訂する。体裁の整った表が旧版をそのまま残し、その数値を現行値として提示していることがある。すべての表には、規格の名称、版または改訂番号、確認日を示すべきである。また、その数値が規格要求事項、設計値、またはハンドブックに記載された代表的な性質のいずれであるかも明示しなければならない。

Nickel Instituteは、表形式の資料において、化学的データ、機械的データ、物理的データ、および規格データを区別している。この分離は有用な手本となる。信頼できる鋼材表は、これらの分類を分け、すべての単位と試験条件を示し、丸めた値または代表値に印を付け、すべての要求事項を適用される規格に結び付けている。こうした背景がなければ、書式の精密さが、かえって誤りを見つけにくくするだけである。

信頼できる鋼材表のためのリファレンスWikiテンプレート

信頼できる鋼材表では、数値に根拠を与える文書を特定しなければならない。鋼種 designation だけでは不十分である。「S355」、「304」、「AISI 4140」、または「ASTM A36」は、関連する材料群を指し得るが、特定の表において designation が何を意味するかを決めるのは、適用される製品規格、製品形状、納入状態、寸法、および試験要件である。

ASTM A400『Standard Practice for Steel Bars, Selection Guide, Composition, and Mechanical Properties』は、この問題を明確に示している。同規格の表形式の指針では、鋼種、化学成分、加工状態、断面寸法、および必要とされる最小降伏強さが考慮されている。棒鋼用の表を鋼板用の表にそのまま転用することは、単に不完全なのではなく、誤った要件を誤った製品に割り当てることになり得る。AISCも同様に、構造用鋼の形鋼および鋼板に関する ASTM 規格には、一般に化学成分の要件と機械的性質の要件の両方が含まれると説明している。これら二つの要件群を、区別のない一つの「鋼材特性」表に統合してはならない。

化学成分表に必須の項目

すべての化学成分表は、根拠文書に記載された正確な鋼種 designation に、製品形状を続ける形で始めるべきである。例として、「ASTM A240 Type 304 plate」、「ASTM A276 Type 316 bar」、「EN 10025-2 S355JR plate」、または「SAE J403 4140」が挙げられる。「304 stainless steel」だけでは検索用ラベルにすぎず、完全な仕様ではない。

根拠規格は独立した項目として記載しなければならない。要件に影響する場合は版または改訂版を含め、引用文書が材料規格、designation 規格、比較ハンドブック、または情報提供用データシートのいずれであるかを明記する。ASTM A400 は棒鋼に関する指針であり、掲載された鋼種から製造されるすべての製品を規定するかのように提示してはならない。欧州構造用鋼では、EN 10025-2 と関連する設計規格はそれぞれ異なる役割を持つ。designation の比較一覧は、支配的な規格ではなく比較用であることを明示しなければならない。

報告されているすべての元素を単位付きで列挙する。質量百分率は wt.% または質量分率と記載し、推測に委ねてはならない。実用的な見出しは、例えば「C, wt.% maximum」、「Mn, wt.%」、「P, wt.% maximum」、「S, wt.% maximum」、「Cr, wt.%」、「Ni, wt.%」、「Mo, wt.%」、および「N, wt.% maximum」のようになる。最大値、最小値、範囲、残留元素、および残部を区別する。「Fe—balance」は、記載されていないすべての元素が無制限に許容されることを意味しない。

表では、製品の状態と、化学成分要件に付随する寸法または厚さの範囲を特定すべきである。製品によって同一の溶鋼分析を適用する規格もあれば、溶鋼分析と製品分析を区別する規格もある。編集上の注記には、どちらが示されているかを記載しなければならない。規格が元素を添加元素としてのみ認めている場合、または残留元素として報告している場合、その扱いを数値の横に記載する。

代表的な比較値を仕様限界値に変えてはならない。例えば Engineering ToolBox は、炭素、クロム、マンガン、モリブデン、ニッケル、リン、硫黄、およびケイ素について、代表的な質量百分率を用いて鋼種を比較している。このような表は、成分間の大まかな関係を示すことはできるが、ASTM、EN、JIS、SAE、その他の製品規格における支配的な限界値に代わるものではない。『Handbook of Comparative World Steel Standards』も、designation 体系全体にわたり、比較用の化学成分表と機械的性質表を分けている。この区分は維持すべきである。

したがって、化学成分表のレコードには、次の項目が必要である。鋼種 designation、製品形状、根拠規格、版または改訂版、溶鋼分析または製品分析、化学元素、数値、単位、限界値の種類、状態、寸法または厚さの範囲、許容添加元素または残留元素としての扱い、および出典リンクである。数値が編集上の比較値である場合は、「specified」ではなく「representative」と表示する。

機械的性質表に必須の項目

機械的性質には、化学成分よりも多くの文脈が必要である。表では、各数値が specified、すなわち規格上の要求値であるのか、typical、すなわち実測値または公表された代表値であるのかを示さなければならない。規定最小降伏強さは代表降伏強さと交換可能ではなく、いずれも自動的に設計抵抗となるわけではない。

特性を正確に定義する。「強度」だけでは曖昧すぎる。降伏強さ、耐力、引張強さ、伸び、絞り、硬さ、衝撃エネルギー、疲労強度、または破壊靱性を用い、必要に応じて $R_e$、$R_{p0.2}$、$R_m$、または $A$ のような関連記号を付す。伸びが 50 mm、80 mm、またはその他の標点距離で測定されたものかを明記する。硬さスケールは HBW、HRC、HV などを示し、出典のないまま異なるスケールを一つの順位表に統合してはならない。

製品形状と根拠規格は引き続き必須である。ASTM A36 鋼板用の表を、ASTM A36 棒鋼にも適用できるかのように黙って使用してはならない。また、EN 10025-2 S355JR の数値は、S355J2 の数値として自動的に扱うことはできない。圧延のまま、焼ならし、焼ならし圧延、焼入れ焼戻し、焼なまし、溶体化焼なまし、または冷間加工などの納入状態を含める。公称鋼種が変わらなくても、熱処理によって強度と延性は変化し得る。

要件に関連する寸法または厚さの範囲を記録する。構造用鋼の降伏強さは厚さによって変化することが多く、そのため S235、S275、S355、S420、S450、または S460 の横に単一の数値だけを置くと誤解を招く可能性がある。Eurocode 3 の材料特性表は、EN 1993-1-1 第 3.2.6 節に基づく設計用特性を示している。これらの数値は設計体系に属するものであり、あらゆるミル証明書に適用される普遍的な表の数値ではない。

試験方向を明示しなければならない。すなわち、長手方向、横方向、短横方向、板厚方向、または指定なしである。引張試験の ASTM E8/E8M、シャルピー衝撃試験の ASTM E23、ロックウェル硬さ試験の ASTM E18、または適用される EN 試験方法など、試験方法と版も追加する。出典が指定している場合は、試験片の向き、試験温度、および採取位置を含める。−20 °C におけるシャルピー値を、条件の記載がない室温衝撃値と比較してはならない。

機械的データと物理的性質を分離する。Nickel Institute は、化学成分、機械的性質、物理的性質、および仕様を異なるデータ分類として整理している。この構成により、密度、弾性係数、熱膨張、電気抵抗率、および熱伝導率が強度要件と取り違えられることを防げる。設計値は第 4 の表に分けるべきである。設計値は、根拠となる設計規格、安全形式、曝露条件、座屈規定、および場合によっては温度に依存する。

機械的性質のレコードには、鋼種、製品形状、規格と版、状態、寸法または厚さ、特性の定義、数値と単位、specified または typical の区分、試験方向、試験温度、試験方法と版、試験片の詳細、および出典リンクを含めるべきである。数値を換算、平均化、丸め処理した場合、または二次資料から取得した場合は、その都度、明示的な注意書きを加える。

引用、改訂、および追跡可能性に関する実務

各行、または密接に関連する一まとまりのブロックには、単にホームページを引用するのではなく、出典へのリンクを付けるべきである。文書名、条項または表番号、版、閲覧日、およびページまたは節の位置情報を記録する。Wiki の編集者が「S355、355 MPa」という数値を、その数値の根拠となった正確な厚さ区分と条項まで追跡できなければならない。

改訂履歴は見える状態に保つ。ASTM、EN、JIS、SAE、または組織のハンドブックが変更された場合は、説明なしに上書きするのではなく、旧版に対応する旧数値を版情報とともに保存する。出典が現行、廃止、情報提供用、または二次転載のいずれであるかを表示する。例えば SSINA のオーステナイト系ステンレス鋼表は、ASTM の製品規格が対象とする鋼種について、質量百分率による成分と規定機械的性質を示している。それでも表では、各項目をどの ASTM 規格が規定しているかを特定しなければならない。

化学成分だけから強度を推定してはならない。ASM International は、炭素鋼および合金鋼の性質は、成分、加工、およびミクロ組織の複合作用によって決まると述べている。炭素量が高いと、ある熱処理では硬さが上昇する一方、溶接性または衝撃靱性が低下する可能性がある。クロムとニッケルの効果も同様に、相のバランスと加工履歴に依存する。

再現可能な編集・工学テンプレートは次のとおりである。

鋼種 designation | 製品形状 | 根拠規格と版 | 状態 | 寸法または厚さの範囲 | 化学成分または特性区分 | 元素または定義された特性 | 数値と単位 | 限界値の種類または specified/typical の区分 | 試験方向 | 試験方法と版 | 温度または試験片の状態 | 出典、条項、および改訂注記。

化学成分、機械的性質、物理的性質、および設計値について、別々の表を公開する。各表の横に出典リンクと明示的な注意書きを置き、引用された規格が明確に支配的な規格として定めていない限り、規格間の比較にはすべて「非支配的比較」であることを表示する。

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