鋼材の9つの主要特性：定義・特徴・性質［PDF付き］

この記事では、鋼（スチール）とは何か、その定義、特徴、特性を写真付きで解説します。記事末尾でPDFファイルもダウンロード可能です。

鋼（スチール）とは？

他の鉄材と異なり、鋼は鉄に炭素を添加して強度と破壊靭性を向上させた材料です。さらに多くの元素が含有・添加されることもあります。鉄は鋼の基盤金属として極めて重要な役割を果たします。

高強度と低コストにより、建築、インフラ、工具、船舶、鉄道、自動車、機械、電化製品、兵器、ロケット等、幅広い分野で採用されています。製鉄は数千年前の坩堝炉から始まりましたが、産業利用は17世紀の高炉導入による坩堝鋼生産から本格化しました。

鋼の機械的特性が、最も摩耗・摩耗の激しい用途で長寿命・高効率を発揮するか、頻繁な故障や破壊的故障に見舞われるかを決定します。鋼には多くの種類があり、各々固有の特性が性能に影響します。耐摩耗鋼グレード選定にはこれら特性の理解が不可欠です。早速見ていきましょう。

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以下は鋼の重要な特性（特徴）です：

1. 切削性（マシナビリティ）
2. 溶接性（ウェルダビリティ）
3. 焼入れ性（ハーデナビリティ）
4. 加工性（ワーカビリティ：曲げ・成形）
5. 耐摩耗性
6. 耐食性

#1 切削性

独自設計で切削・材料除去を行う場合、材料選定で切削性が重要になります。材料が硬化すると工具寿命低下と部品コスト増を招く等、多因子に依存。一般に炭素含有量が切削性に大きく影響します。高炭素鋼は高強度・炭化物含有で切削工具を摩耗させるため切削困難。一方、低炭素鋼は軟らかく工具に溶着してビルトアップエッジを形成し、工具寿命を縮めます。したがって、炭素量約0.20%程度の中炭素鋼が最も切削性に優れます。

#2 溶接性

製造・加工における溶接のしやすさを示す特性。名の通り材料の溶接適性を指します。溶接性が低い材料は、溶接部の局所応力と加熱によりクラック発生しやすい傾向。

材料の溶接性は硬度に反比例。焼入れ性材料は溶接時に硬化しやすく、脆化・クラックを招きます。鋼の溶接性評価には水素誘起低温割れ、ラメラティア、スポット溶接剥離等複数の破壊モードがあり、最も顕著なのは水素誘起低温割れです。

#3 焼入れ性

熱処理により材料がどれだけ硬化するかの尺度。「硬さ（硬度：圧痕・引っ掻き抵抗）」とは別概念です。溶接性とは反比例関係（焼入れ性↑→溶接性↓、逆も真）にあり、溶接において必須の特性。高硬度鋼は設計段階で硬度指定されることも。工具用途や表面耐久性要求用途の標準。硬度と延性は反比例するため、硬度調整で材料特性をカスタマイズ可能。

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#4 加工性（曲げ・成形）

特定の金属加工プロセスで材料が変形しやすい度合い。曲げ・成形のしやすさに影響。薄板や鋼板を自動車パネルから大口径圧延鋼管まで様々な形状に成形する際に重要。材料の硬度と延性が加工性に大きく影響。高炭素鋼は低延性で低炭素鋼（高延性）より加工性劣る。加熱（熱間加工）で加工性向上可能。加熱で延性増大・降伏応力低下し加工性向上。冷間成形で割れる高強度鋼の成形に有用。

#5 耐摩耗性

切削刃やスタンピングダイ製作時に、工具寿命を決める特性。機械的作用（摩耗、浸食、付着、疲労、キャビテーション）による材料損失への抵抗力。ダイヤモンド・サファイアは極めて高い耐摩耗性で宝石や高負荷切削工具に最適。表面硬度が耐摩耗性に大きく影響。ヤスリの高表面硬度は、より軟らかい金属を摩耗させながら自らは殆ど摩耗しない。

#6 耐食性

酸化や化学反応による劣化への耐性。金属ごとにレベルが異なる。雨水、湿気、酸化性環境に晒される金属は腐食リスクあり。ステンレス鋼、亜鉛メッキ鋼、チタン、アルミニウム、耐候性鋼、塗装等シーラント層で制御容易。これらは高耐食だが「完全防食」ではない。真空暴露でも時間経過で錆発生。したがって重要部品には腐食防止メンテナンス・監視が必須。腐食速度計算でメンテナンス時期を判断。

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鋼の主な特性（プロパティ）

鋼の主要な物理・機械的特性は以下の通り：

1. 硬さ（硬度）
2. 靭性
3. 降伏強度
4. 引張強さ
5. 延性
6. 耐久性
7. 展延性（延展性）
8. 磁性
9. 熱伝導率

#1 硬さ（硬度）

画像出典：fractory.com

摩擦・摩耗への抵抗力、耐久性の尺度。材料特性の中で最も定義が曖昧で、引っ掻き抵抗、摩耗抵抗、圧痕・成形抵抗、局所塑性変形抵抗等を指し得ます。

#2 靭性

破壊・破断せずにエネルギーを吸収する能力。簡単に言えば、応力下での破壊抵抗。強度と柔軟性の両方に強く依存。単位はft・lb/in²またはJ/cm²。静荷重で靭性十分でも、動荷重・衝撃で破壊するケースあり。大きく変形しても破断しない材料は「極めてタフだが硬くはない」と評価されます。

#3 降伏強度

材料に変形（曲がり・歪み）を開始させるのに必要な力の尺度。簡単に言えば、物体の形状・構造が変化する直前のピーク力。建設用材料選定の重要指標。

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#4 引張強さ

画像出典：azom.com

材料を破断させるのに必要な力の尺度。鋼の引張強さは非常に高く、亀裂・破断しにくいため構造物建設に重要。構造用鋼で典型400MPa、炭素鋼で841MPa程度。

#5 延性

画像出典：thoughtco.com

力を受けて形状変化しても割れない能力。鋼の貴重な機械的特性の一つで、最重要特性の一つ。様々な形状・構造への成形を可能にし、細線から大型自動車部品・パネルまで幅広く対応。

#6 耐久性

画像出典：blog.dahlstromrollform.com

長期間にわたる摩耗、圧力、損傷への耐性。鋼は高耐久金属。強度と延性を兼ね備え、偶発的損傷に強い。鉄と炭素の特定組合せ化合物金属のため、殆どの環境因子に耐え、沿岸部や強風・嵐頻発地等厳しい条件下に最適。

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#7 展延性（延展性）

画像出典：hevvypumps.com

金属を叩き・圧縮・曲げて薄板・厚板にしても破断しない物理的特性。圧力で変形し別形状をとれる性質。

#8 磁性

画像出典：monnigindustry.com

鋼は磁性材料だが、鋼種により異なる。例えば鋼瓶は鉄等強磁性体を含むため磁石に吸着。オーステナイト系ステンレス鋼はクロム・ニッケル高含有で非磁性。

#9 熱伝導率

画像出典：stainless-structurals.com

材料内の熱エネルギー輸送速度。単位：W/(m・K)。高熱伝導材料は低熱伝導材料より速く効率的に熱輸送。炭素鋼の熱伝導率はアルミニウムより極めて低く、約45 W/(m・K)。室温電気伝導率約600万 S/m。鋼の伝導性を決める第一の物理特性。

まとめ

以上、「鋼の特性」について解説しました。漏れやご質問はコメントでどうぞ。参考になればシェアをお願いします。

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