炭素鋼板を選ぶ際には、まず材料の性能と実際の作業要件を一致させることがステップです。橋梁建設などの大型構造物の場合、ほとんどの技術者は 250 MPa 以上の降伏強度があり、溶接も非常に良好なため、ASTM A36 鋼を選択します。圧力容器の場合は事情が異なりますが、より丈夫なものが求められるため、通常 A516 グレードが指定されます。これらの材料は、マイナス 29 度から 343 度までの温度範囲で破損することなく耐えられるからです。海水が金属表面を絶えず侵す海洋用途の場合は、ASTM A588 などの銅含有鋼が賢い選択になります。これらの特殊合金は、通常の鋼よりも耐腐食性がはるかに優れているため、機器は過酷な条件下でも大幅に長持ちします。数年にわたる現場テストによると、約 25 ～ 40 パーセント長持ちします。
材料の選択は、次の 3 つの機械的特性によって決まります。
紫外線への曝露や化学物質との接触などの環境要因により、保護されていない炭素鋼は年間 0.5 ～ 1.2 mm の割合で劣化する可能性があるため、長期にわたる設置では保護処理の必要性が強調されます。
ASTM A36鋼は高強度グレードのA572鋼よりも間違いなく安価で、実際には15～20%ほど安いかもしれません。しかし、別の角度から見ると、A572鋼は通常のA36鋼の約2倍の降伏強度を持っています。つまり、エンジニアは構造的完全性を犠牲にすることなくより薄い材料を使用できるため、長期的には重量と材料費を削減できます。経年的なメンテナンス費用を見ると、別の側面が見えてきます。研究によると、耐食性鋼材の使用や適切な保護コーティングの適用により、15年程度で交換コストを約60%削減できることが示されています。数十年の使用を想定した構造物の場合、一見初期投資額が高く見えるかもしれませんが、これは経済的に理にかなっています。
炭素鋼板について言えば、引張強度は基本的に、材料が完全に破壊するまでにどれだけの応力に耐えられるかを示します。降伏強度は、金属が圧力下で永久的に変形し始める時期を示す重要な指標です。また、伸びは、材料が破損するまでにどれだけ長く伸びるかをパーセンテージで表します。これは、鋼の延性、つまり伸びやすさの程度を示します。例えば、ASTM A36鋼種の場合、引張強度は約36 ksiから80 ksiの範囲です。これらの特性により、ASTM A36は、橋梁部材や建物の構造フレームなど、強度とある程度の柔軟性の両方が求められる高荷重に耐える構造物に適しています。
炭素含有量は硬度と耐衝撃性に直接影響します。
| 炭素含有量 | 硬度（ロックウェルB） | 耐衝撃性 | 例示的な応用 |
|---|---|---|---|
| 低（0.05〜0.25％） | 50〜70 HRB | 80〜100 J | 一般建設、機械基地 |
| 中程度（0.30〜0.60%） | 75〜100 HRB | 適度 | 産業機械、橋梁 |
| 高（0.61〜1.50％） | 92+HRB | 強度は高いが靭性は低い | 工具、バネ |
ASTM A572 のような中炭素鋼は、特に寒冷環境において、硬度と破壊抵抗のバランスをとる熱処理によって効果が得られます。
ASMインターナショナルによる2022年の最新調査によると、熱処理された特定の鋼材は、最大能力の半分で100万回以上の負荷サイクルに耐えることができます。この耐久性は、表面状態などの要因に大きく依存します。機械加工と圧延加工の表面仕上げは、鋭角や表面の不連続性によって生じる応力集中点のため、全体的な疲労性能に大きな影響を与えます。効果的な腐食制御はこれらの材料の寿命をさらに延ばすため、過酷な環境での長期設置には保護コーティングが不可欠です。
炭素含有量を増やすと（0.30～0.60%）、強度は向上しますが、溶接性は低下します。150～200℃への予熱などの適切な熱処理は、水素誘起割れの問題を回避するのに役立ちます。ASTM A516グレード70（板厚25mm）の場合、複雑な加工作業において最適な結果を得るには、溶接後の熱処理と併せて、95℃前後の予熱処理を実施する必要があります。
この鋼の最小降伏強度は通常約36 ksi（約3.3MPa）で、引張強度は約58～80 ksi（約5.8MPa）です。広く使用されている低炭素構造用鋼であるASTM A36は、バランスの取れた機械的特性を備えており、建築骨組みや橋梁部材などの一般建設用途に最適です。応力下でも延性を維持する性質により、強度と柔軟性が重要な性能特性となる様々なエンジニアリング用途に幅広く適用できます。
ASTM A36 は一般的な建設プロジェクトには適していますが、柔軟性を犠牲にせずに追加の強度が必要なシナリオ (1.5:1 の強度対重量比を要求する長スパンの橋桁や、繰り返し動的荷重が加わる弾力性のあるクレーン走行システムなど) では、A572 グレード 50 ほど適していません。
ASTM A516 炭素鋼は、氷点下の温度範囲でも優れた靭性を発揮するため、液化石油ガス (LPG) 貯蔵タンクによく見られる脆性破壊を起こしやすい材料を扱う際に特に役立ちます。また、華氏約 800 度程度の短期的な高温耐性も備えており、極度の寒冷または高温条件に耐えるように特別に設計された製品の製造に不可欠です。
| 等級 | 炭素含有量(%) | マンガン含有量(%) | 最大リン含有量(%) |
|---|---|---|---|
| ASTM A36 | 0.26 | 0.60〜0.90 | 0.040 |
| Astm a572 | 0.23 | 1.15〜1.65 | 0.035 |
| Astm a516 | 0.24〜0.3 | 0.85〜1.20 | 0.035以下 |
低炭素材料は、高純度の材料に比べて少ない力で加工できるという点で特に適しています。そのため、A36鋼を加工する工場では、先進合金化（AISI）技術を用いたマンガン濃縮製品の開発に使用されるCNC工具の稼働要件を約15%削減できます。
重要な要素としては、材料特性をプロジェクト要件に適合させること、引張強度、衝撃靭性、耐腐食性などの機械的特性を評価すること、コスト効率と長期的なパフォーマンスのバランスを取ることなどが挙げられます。
ASTM A36 鋼は、強度と柔軟性のバランスが取れているため、主に建設および製造に使用され、橋梁部品、構造フレーム、重機の基礎に適しています。
炭素含有量が多いほど硬度と強度は向上しますが、溶接性は低下します。ASTM A572のような中炭素鋼は、硬度と耐破壊性のバランスをとるために熱処理されることがよくあります。
ASTM A516 は、氷点下の温度まで優れた靭性と亀裂の伝播を抑制する能力を備えているため、圧力容器に使用され、LPG 貯蔵タンクなどの重要な用途に最適です。
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