鋼鉄の温度範囲を理解する：最適な使用のためのガイド

様々な産業で汎用的に広く使用されている材料である鋼材は、温度範囲によって異なる特性や挙動を示します。このような温度依存特性を理解することは、エンジニア、製造業者、設計者にとって、多様な用途におけるスチールの性能を最適化するために極めて重要です。この包括的なガイドでは、スチールの特性に影響を与える主要な温度範囲を調査し、最適な使用のためにこの知識を活用する方法についての洞察を提供します。

1.室温（20℃～100）

室温では、スチールは材料データシートに記載されている標準的な機械的特性を示します。この範囲は、鋼の強度、延性、靭性がバランスよく保たれており、ほとんどの日常用途に理想的です。しかし、この範囲内であっても、わずかな温度変動が高精度用途の精度に影響を及ぼす可能性があることに注意することが重要です。

主な考慮事項

• ほとんどの構造的、機械的用途に最適
• 他の温度での特性変化を比較するためのベースラインを提供する。
• 標準的な加工および接合工程に適している

2.低温度範囲 (-50℃～20℃)

室温より温度が下がると、鋼材は一般的に強度が増しますが、延性は低下します。低温脆化として知られるこの現象は、低温環境における鋼の性能に大きな影響を与えます。

主な考慮事項

• 降伏強度と引張強度の向上
• 延性と衝撃靭性の低下
• 脆性破壊のリスクが高い。
• 極低温用途に適した鋼種（低温鋼など）の選択

ベストプラクティス：

• 意図した使用温度での徹底的な材料試験の実施
• 設計計算においてより厳しい安全係数を導入する
• 低温靭性を高めるためにニッケル合金鋼の使用を検討する。

3.中程度の熱範囲 (100°C～450°C)

この範囲になると、鋼の機械的性質に顕著な変化が現れ始める。当初はひずみ時効により強度がわずかに増加することがありますが、長期間の暴露により焼戻し効果が生じ、降伏強度が徐々に低下します。

主な考慮事項

• 300℃付近で青色脆性（焼戻し脆性）の可能性
• 降伏強度と弾性率の漸減
• 長期使用における耐クリープ性の重要性の高まり

ベストプラクティス：

• 設計計算における降伏強度の低下を考慮する
• 長時間の暴露には耐熱鋼の使用を検討する。
• 特性を最適化するために適切な熱処理プロセスを導入する

4.高温度範囲 (450°C～900°C)

このような高温では、鋼材は微細構造が大きく変化し、機械的特性が大きく変化します。この温度域は熱処理工程では重要ですが、使用条件下では鋼の強度に悪影響を及ぼします。

主な考慮事項

• 降伏強度と引張強度の劇的な低下
• 延性と成形性の向上
• 酸化とスケーリングの促進
• 相変態の可能性（オーステナイトの形成など）

ベストプラクティス：

• 高温耐性のある鋼種（ステンレス鋼など）を使用する。
• 酸化を最小限に抑えるために、保護コーティングや管理された雰囲気を導入する。
• 高温下での耐荷重性低下を考慮した設計
• 熱間成形工程における成形性の向上

5.極熱範囲（900℃以上）

900℃を超える温度は、製鋼、熱処理、溶接工程で一般的に遭遇する。このような極端な温度では、鋼は非常に可鍛性となり、著しい組織変化を起こす。

主な考慮事項

• 鋼はオーステナイト化し、非常に延性が高く、成形しやすくなる。
• 急速な結晶粒成長が起こり、材料が弱くなる可能性がある。
• 粒界における初期融解のリスク
• 熱処理工程（例：オーステナイト化、焼ならし）の重要な範囲

ベストプラクティス：

• 所望の微細構造を得るために、時間と温度を注意深く制御する。
• 結晶粒組織を微細化するために、必要に応じて急速冷却技術を導入する。
• 酸化を防ぐために、適切なフラックスとシールドを使用する。
• 熱サイクルが鋼の最終的な特性に及ぼす影響を検討する。

スチール使用温度範囲

注：

1.A3Fの使用制限 鋼板 は以下の通りである：

(1) 極めて危険、高度に危険、または爆発性のある媒体を含む加圧部品に使用してはならない；

(2）使用温度は0~250℃である；

(3）設計圧力≤0.6MPa；

(4) 容器の容積≦10m3；

(5) 主要加圧部品（シェル、成形ヘッド）については、板厚≦12mm；フランジ、フランジカバー等については、板厚≦16mm。

2.A3鋼板の使用制限は以下の通りである：

(1) 極めて危険な、高度に危険な、または液化石油ガスを媒体とする加圧部品に使用してはならない；

(2) 容器の容積≦10m3；

(3）主要な加圧された部品（貝、形作られた頭部）のために: 使用法の温度 0~350℃; 設計圧力≤1.0MPa; 版厚さ≤16mm；

(4) フランジ、フランジカバー、チューブシートおよび類似の加圧部品：使用温度 >-20~350℃； 設計圧力 ≤4.0MPa； P×Di≤2000 (Dは公称直径(mm)、Pは設計圧力(MPa)。

使用温度が0℃未満（但し20℃以上）で、板厚が30mm以上の場合、鋼板の室温衝撃靭性（縦V型シャルピー試験片、1グループ3本の平均値）は27Jを下回ってはならない。

3.16Mn鋼板の使用制限は以下の通りである：

(1)追加の検査や室温衝撃靭性要件の保証のない鋼板は、圧力容器の主加圧部材に使用してはならない；

(2) フランジ、フランジカバー、チューブシートおよび同様の加圧部品に使用する場合は、A3鋼の使用制限と同じ；

(3) 検査または再検査後、室温衝撃靭性が27J以上（縦、V型シャルピー試験片、1グループ3個の平均値）保証される場合、圧力容器の主要加圧部品として使用することができ、使用制限は次のとおりである：a.設計温度0〜350℃、b.設計圧力≤2.5MPa、c.板厚≤30mm。

4.現在、16Moとインコロイ800の鋼板・鋼管規格はなく、12CrMo、15CrMo、12Cr2Mo1、1Cr5Moの鋼板規格もない。設計は対応する外国鋼規格を参照することができる。

5.16Moの長期使用温度が475℃を超える場合は、黒鉛化傾向の影響を考慮する必要がある。従って、累積使用期間が4年を超える加圧部品は、黒鉛化の有無を確認する必要がある。

6.超低炭素オーステナイト系ステンレス鋼の長期使用温度が425℃を超えると、粒界に炭化クロムが析出し、耐粒界腐食性が損なわれる。

7. フェライト系ステンレス鋼 公称クロム含有量が13%以上の鋼板（複合鋼板を除く）は、設計圧力が0.25MPa以上、肉厚が6mmを超える圧力容器の主要加圧部材として使用してはならない。

8.表中の最低温度は、本規格の適用下限温度値（-20℃以上）である。

9.表中の「最高酸化温度」は、応力の低い非応力部品にのみ適用される。

出典中華人民共和国化学工業部鋼製化学容器材料選定設計規範（HGJ15-89）。

ステンレス耐熱鋼使用温度