エンジニアリングデザインでは、降伏応力構造部品や荷重支持部品の材料を選択する際に最も重要な機械的特性の一つです。これは、材料が塑性変形し始める点、つまり荷重を除去しても元の形状に戻らない点を定義します。合金鋼の場合、4140鋼高い降伏強度と優れた機械的性能により、最も人気があり信頼性の高い選択肢の 1 つです。
この記事はサキスチール4140鋼の降伏応力、熱処理による変化、そして実際の産業用途における重要性について深く掘り下げます。また、他の一般的なエンジニアリング鋼との比較も行い、適切な材料選定を支援します。
4140 スチールとは何ですか?
4140鋼はクロムモリブデン合金鋼AISI-SAEシステムに分類されます。靭性、高い疲労強度、優れた焼入れ性を兼ね備えており、自動車、航空宇宙、石油・ガス、機械製造における高応力部品に最適です。
一般的な化学組成は次のとおりです。
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炭素: 0.38% – 0.43%
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クロム: 0.80% – 1.10%
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マンガン: 0.75% – 1.00%
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モリブデン：0.15%～0.25%
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シリコン: 0.15% – 0.35%
これらの合金元素は互いに作用し合い、優れた靭性を維持しながら、応力下での変形に抵抗する鋼の能力を強化します。
降伏応力の定義
降伏応力、 または降伏強度は、材料が永久変形を起こす前に耐えられる最大の応力です。これは、弾性挙動（回復可能）から塑性挙動（永久変形）への遷移を示します。構造部品や回転部品の場合、降伏応力が高いほど、荷重下での性能が向上します。
降伏応力は通常、次のように測定されます。
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MPa（メガパスカル）
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ksi（キロポンド/平方インチ）
4140鋼の様々な条件における降伏強度
降伏強度は4140合金鋼降伏応力は熱処理条件によって大きく異なります。以下に一般的な条件とそれに対応する降伏応力値を示します。
1. 焼きなまし状態
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降伏強度: 415 – 620 MPa (60 – 90 ksi)
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引張強度: 655 – 850 MPa
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硬度: ~197 HB
この柔らかい状態は優れた機械加工性を実現しますが、さらなる熱処理なしでは荷重支持用途には理想的ではありません。
2. 正規化された状態
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降伏強度: 650 – 800 MPa (94 – 116 ksi)
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引張強度: 850 – 1000 MPa
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硬度: ~220 HB
標準化された 4140 は構造特性が改善されており、中程度の強度が必要な用途に使用されます。
3. 焼入れ焼戻し（Q&T）状態
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降伏強度: 850 – 1100 MPa (123 – 160 ksi)
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引張強度: 1050 – 1250 MPa
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硬度: 28～36 HRC
これは、高い降伏応力を必要とする用途で最も一般的な条件です。サキスチールほとんどの 4140 鋼製品は、厳しい機械的要件を満たすために Q&T 状態で出荷されます。
高降伏応力が重要な理由
材料の降伏応力は、使用中の挙動に直接影響します。4140鋼の場合、降伏強度が高いほど、以下のようになります。
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より長い耐用年数繰り返し荷重下
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永久変形に対する耐性構造部品
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耐荷重性の向上回転部品と可動部品
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安全マージンクレーン、車軸、ドリルシャフトなどの重要な用途
これらの利点は、機械の故障がコストのかかるダウンタイムや安全上のリスクにつながる可能性がある業界では非常に重要です。
高い降伏強度が求められる用途
4140鋼は優れた降伏応力を持つため、さまざまな高負荷環境で使用されます。
自動車
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車軸
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ギアシャフト
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トランスミッション部品
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サスペンション部品
石油・ガス
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ドリルカラー
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油圧シリンダー
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フラッキングポンプ部品
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ツールジョイント
航空宇宙
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着陸装置の部品
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エンジンマウント
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サポートロッド
機械および工具
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ダイホルダー
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精密治具
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カップリング
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クランクシャフト
これらの各アプリケーションでは、材料に高い引張荷重または曲げ荷重がかかるため、降伏応力が定義的な設計パラメータになります。
4140と他の鋼の降伏強度の比較
4140 の降伏応力を他の一般的に使用される鋼の降伏応力と比較してみましょう。
1045炭素鋼
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降伏強度: 450 – 550 MPa
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利点: 機械加工が容易でコスト効率が良い
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短所: 強度が低いため、高負荷条件には適していません
4340合金鋼
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降伏強度: 930 – 1080 MPa
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利点: 靭性が高く、疲労耐性が優れている
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短所: 4140よりも高価で、機械加工が難しい
A36軟鋼
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降伏強度: 約250 MPa
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利点: 低コスト、高い溶接性
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短所: 強度を必要とする構造部品には適していません
ステンレス鋼316
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降伏強度: 約290 MPa
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利点: 耐腐食性
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短所: 4140よりも降伏応力がはるかに低い
図示のとおり、4140はバランスの取れたミックスを提供します強度、靭性、経済性に優れており、中程度から重い荷重がかかる構造部品に最適です。
熱処理による降伏強度の向上
At サキスチール当社では、4140鋼の機械的特性を高めるために精密な熱処理プロセスを適用しています。
焼入れと焼戻し
鋼を約845℃まで加熱し、急冷（焼入れ）、その後さらに低温で再加熱（焼戻し）する工程です。この工程により、降伏応力、靭性、耐疲労性が向上します。
正規化
鋼を約 870°C まで加熱し、その後空冷することで、結晶構造を微細化し、強度を向上させます。
表面硬化（例：窒化、高周波焼入れ）
これらの技術により、コアの靭性を維持しながら表面硬度が向上し、材料の耐荷重能力がさらに向上します。
sakysteel はこれらのプロセスを厳密に管理することで、鋼鉄の特性が各プロジェクトのニーズに一致することを保証します。
sakysteelにおける降伏応力の試験方法
当社の 4140 鋼が機械基準を満たしていることを確認するために、以下の方法で降伏試験と引張試験を実施しています。
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万能試験機（UTM）
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ASTM E8 / ISO 6892試験規格
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EN10204 3.1証明書
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独立した第三者による検証（オプション）
すべてのバッチは一貫性と国際基準への準拠が検証されます。
実世界のケーススタディ
石油・ガス業界のお客様から、ダウンホールツール用のQ&T 4140鋼丸棒のご依頼がありました。当社は以下の条件を満たす材料を納品しました。
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降伏強度：1050 MPa
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直径公差: h9
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表面仕上げ：旋削、研磨
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認証: EN10204 3.1 + 超音波試験 (UT レベル II)
14ヶ月間使用した後も、部品には永久変形や故障の兆候は見られず、サキスチール4140 鋼は期待通りの性能を発揮します。
結論
4140 は負荷がかかった状態でどのくらい強くなりますか?答えは状態によって異なりますが、適切に熱処理すれば降伏強度は1100MPaに達する構造、機械、精密用途に強力な材料となります。
高性能シャフト、耐荷重ブラケット、油圧ツールを設計する場合でも、サキスチールは、信頼性が高く、テスト済みで、高強度の 4140 鋼の信頼できる供給元です。
投稿日時: 2025年7月29日