ステンレス鋼 強度・機械的性質

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ステンレス鋼

出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2024/04/20 11:56 UTC 版)

強度・機械的性質

「オーステナイト系ステンレス鋼#機械的性質」、「フェライト系ステンレス鋼#機械的性質」、「マルテンサイト系ステンレス鋼#機械的性質」、「オーステナイト・フェライト系ステンレス鋼#機械的性質」、および「析出硬化系ステンレス鋼#機械的性質」も参照

ステンレス鋼の機械的性質も、その組織の状態と組成によって様々に変わる[279]。多くの種類のステンレス鋼が存在するように、ステンレス鋼の機械的性質も幅広い[280]。一般に、鉄鋼材料の強度・硬度を高める原理には、次の5つがある[281]。

固溶強化
添加された元素の原子が材料中に固溶されることにより、母材格子にゆがみが起こり、転位の運動が妨害されて強度が高まる機構[282]。
加工硬化
転位強化ともいい、塑性加工によって組織中の転位を意図的に増大させ、転位同士がその運動を妨害することで強度が高まる機構[283]
析出硬化
分散強化ともいい、合金炭化物や金属間化合物の第2相が微細に分散して母相中に析出することで、転位の運動の障害となって強度が高まる機構[284]。
粒界強化
細粒化強化ともいい、多結晶体中の結晶粒サイズを小さくすることで強度が高まる機構[285]。降伏応力を上昇させ、延性-脆性遷移温度を低くする[286]。
マルテンサイト変態による強化
基礎的な強化機構というより、上の4つが重ね合わさった強化機構である[287]。マルテンサイト変態が起きることで、上記4つの強化機構を同時に実現し、高強度化される[287]。特に炭素を過飽和に含有することによる固溶強化が大きい[287]。

いずれの強化機構も、塑性変形の基となる転位の運動を妨げることで材質を高強度化させる[53]。ステンレス鋼の強度も、これらの強化機構を基礎とする[53]。一方、材質を高強度化すると、一般的に延性・靭性が低下する[288]。延性・靭性が低下すると、材料が破壊されるときに脆性破壊となる[289]。機械・構造物の安全使用の観点からは、強度が高いことだけでなく、靭性が大きいことも望ましい[290]。

常温における機械的性質

ステンレス鋼の機械的性質を評価するのに用いられる指標は、0.2%耐力、引張強さ、伸び、絞り、硬さ、衝撃強さなどである[291]。これらの内の0.2%耐力、引張強さ、伸びは引張試験で測定できる代表的な材料特性で、0.2%耐力は材料の降伏点を代表する 0.2 % の塑性ひずみを起こす応力を、引張強さは材料の強さを代表する最終的な破断を起こす応力を、伸びは材料の延性を代表する破断までに材料が伸びる変形の程度を表す[292]。常温におけるステンレス鋼の各代表的鋼種の0.2%耐力、引張強さ、伸びの例を下記に示す。

機械的性質の例
大別 鋼種・状態 0.2%耐力
(MPa)		 引張強さ
(MPa)		 伸び
(%)		 出典
オーステナイト系 AISI 304
固溶化熱処理		 290 579 55 [293]
AISI 304
圧延率 50 % 冷間加工		 1000 1102 10 [294]
フェライト系 AISI 430
焼なまし		 345 517 25 [295]
マルテンサイト系 AISI 410
焼入れ・648 °C 焼戻し		 586 759 23 [295]
AISI 410
焼入れ・204 °C 焼戻し		 1000 1310 15 [295]
オーステナイト・フェライト系 UNS S32205
固溶化熱処理		 450 655 25 [296]
析出硬化系 17-4PH
496 °C・4時間時効処理		 1207 1310 14 [297]


ステンレス鋼の中で引張強さ 1000 MPa を超える高強度の鋼種には、マルテンサイト系、析出硬化系、加工硬化させたオーステナイト系の3つがある[298]。マルテンサイト系では、焼入れでマルテンサイト組織となり、強く硬い組織となっている[132]。通常は焼入れ後に焼戻しも行い、マルテンサイト系の最終的な機械的性質は焼戻し温度によって変わる[299]。高炭素鋼種 AISI 440C の例では、2000 MPa 近い引張強さを得ることもできる[295]。析出硬化系は、時効処理によって微細第2相を分散析出させる析出硬化機構によって高い強度・硬度を得ている[300]。マルテンサイト系と比較すると、含有炭素量を減らせるので、耐食性や靭性をそれほど落とさずに済む[300]。オーステナイト系は加工硬化度が大きく、さらに準安定オーステナイト系では塑性変形が加わると加工誘起マルテンサイト変態が起こるため、圧延加工を加えることで高強度・高硬度の特性が得られる[301]。加工硬化で高強度化させた後でも十分な延性・靭性を保っているのも、加工硬化させたオーステナイト系の特徴である[302]。

フェライト系、オーステナイト系、オーステナイト・フェライト系の3つには、熱処理による硬化性がない[303]。フェイライト系は焼なまし状態で使用され、オーステナイト・フェライト系と加工硬化させない場合のオーステナイト系は固溶化熱処理状態で使用される[304]。低炭素鋼と比較すると、フェライト系の降伏応力と引張り強さは少し高めである[305]。フェライト系と比較すると、オーステナイト系は降伏応力が低めで、引張り強さが高めである[306]。オーステナイト・フェライト系の引張強さと降伏応力は、フェイライト系とオーステナイト系よりも高めである[307]。これは、含有元素の影響と、オーステナイト・フェライト系の結晶粒サイズが微細なため起きる粒界強化によるものである[308]。ステンレス鋼の中では、焼きなまし状態のフェライト系のみが応力-ひずみ曲線上で明確な降伏点を示し、他の鋼種は明確な降伏点を示さない[309]。

ステンレス鋼の延性・靭性については、オーステナイト系が特に優れている[310]。炭素鋼やフェライト系の伸びが 20–30 % 程度であるのに対し、固溶化熱処理状態のオーステナイト系の伸びは 45–55 % という値を示す[311]。靭性の指標である衝撃強さにおいても、オーステナイト系が優れた値を示す[312]。

高温における機械的性質

金属が高温環境下に置かれると、一般的に変形抵抗が低下する[313]。しかし、ステンレス鋼は高温でも比較的高い強度を保つことができ、上述のように高温環境下での耐酸化性や耐食性に優れることから、耐熱用途に幅広く利用される[314]。JISでもいくつかのステンレス鋼の鋼種をそのまま耐熱鋼の鋼種として規定しており、ステンレス鋼は耐熱鋼の一種でもある[315][316]。

オーステナイト系とフェライト系の2つが、耐熱用に供されるステンレス鋼の主流となっている[317]。代表的な耐熱ステンレス鋼でいえば、常温での降伏応力はオーステナイト系よりもフェライト系の方が高いが、およそ 600 °C 以上の降伏応力はフェライト系よりもオーステナイト系の方が高くなる[317]。そのため、より高温で使用する場合はオーステナイト系が、それ以外ではフェイライト系が重宝される[317]。

オーステナイト・フェライト系は、600 °C 以上では、オーステナイト系とフェイライト系の中間的強度を示す[318]。高温強度を向上させる場合、ニオブ、窒素、ケイ素、モリブデン、銅、タングステンなどの固溶強化元素の添加が行われる[319]。マルテンサイト系にもモリブデン、バナジウム、タングステンなどの添加で高温強度を高めた鋼種があり、限定的ながらも強度が必要な個所で使用される[320]。

低温における機械的性質

一般の炭素鋼と同様に、フェライト系、マルテンサイト系が低温環境に置かれると靭性が低下し、脆性破壊を起こすようになる[321]。靭性が著しく低下する温度を延性-脆性遷移温度といい、フェライト系 430 の例では、室温から約 −70 °C までの間で衝撃強さが急激に低下する[322]。しかし、オーステナイト系はこのような低温時にも高い靭性を保つ[323]。鋼種にもよるが、オーステナイト系は −200 °C 以下の極低温でも使用できる[324]。オーステナイト・フェライト系は、低温時に脆性破壊を起こすが、フェライト系よりは延性-脆性遷移が緩やかに起きる傾向にある[325]。


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