SUS316ステンレスの基本性質！引張強度と比重やヤング率をわかりやすく解説
SUS316ステンレスは、様々な分野で広く使用されている素材です。その基本性質を正しく理解することは、製品の設計や選定において非常に重要です。本記事では、SUS316ステンレスの引張強度や比重、ヤング率などの基本的な性質をわかりやすく解説します。これにより、この素材の特性や利点を理解し、より効果的に活用する方法について知識を深めることができます。さあ、SUS316ステンレスについての理解を深め、その魅力に迫ってみましょう。
SUS316ステンレスの概要と特性
SUS316ステンレスとは
SUS316は、オーステナイト系ステンレス鋼の一種で、クロム（Cr）とニッケル（Ni）に加え、モリブデン（Mo）を含む合金です。特に耐食性に優れており、医療機器、化学プラント、海洋環境などで使用される高耐久材料です。SUS316の化学成分と基本性質
SUS316の主な化学成分は以下の通りです。- 炭素 (C)：0.08% 以下 – 硬度と強度を決定する要素
- ケイ素 (Si)：1.00% 以下 – 酸化耐性の向上
- マンガン (Mn)：2.00% 以下 – 強度向上に寄与
- リン (P)：0.045% 以下 – 不純物、靭性に影響
- 硫黄 (S)：0.030% 以下 – 被削性を向上させるが、耐食性には悪影響
- ニッケル (Ni)：10.0～14.0% – 耐食性と靭性を向上
- クロム (Cr)：16.0～18.0% – 耐食性を向上させる主要成分
- モリブデン (Mo)：2.00～3.00% – 耐孔食性を向上
ステンレス鋼の分類と特徴
ステンレス鋼は、その結晶構造や特性に応じて以下のように分類されます。- オーステナイト系 (SUS304, SUS316など)
- 高い耐食性
- 加工性に優れる
- 非磁性（冷間加工で磁性を帯びる場合あり）
- フェライト系 (SUS430など)
- 磁性を持つ
- 耐食性はオーステナイト系より劣るが、コストが低い
- マルテンサイト系 (SUS410など)
- 硬度が高く、耐摩耗性に優れる
- 強度は高いが、耐食性は劣る
- 二相ステンレス鋼 (SUS329J1など)
- フェライトとオーステナイトの両方の特性を持つ
- 強度と耐食性のバランスが良い
SUS316の基本性質
引張強度とは
引張強度（Tensile Strength）とは、材料が引っ張られる際に破断するまでの最大応力を指します。SUS316の引張強度は以下の通りです。- 引張強度： 約 480 MPa 以上
- 降伏強度： 約 170 MPa 以上
比重の意味とその重要性
比重（Specific Gravity）とは、ある材料の密度を基準物質（水など）と比較した値です。比重が大きいほど、同じ体積で質量が大きくなります。SUS316の比重は 約 8.0 であり、以下のような用途に影響を与えます。- 構造設計：重量制限がある部品設計に影響
- 輸送・搬送：軽量化が求められる分野では比重が重要
- 機械的特性とのバランス：高い耐久性を持つが、比重が大きいため使用環境を考慮
ヤング率の基礎知識
ヤング率（Young’s Modulus）とは、材料が伸びる際の剛性を表す値で、弾性係数とも呼ばれます。SUS316のヤング率は 約 193 GPa です。- 数値が高いほど変形しにくい
- 柔軟性が求められる用途では数値の低い材料が適する
- 構造部材や機械部品では適度な剛性が必要
SUS316とSUS316Lの比較
化学成分の違い
SUS316とSUS316Lの主な違いは、炭素（C）含有量です。SUS316Lは「Low Carbon（低炭素）」グレードであり、SUS316に比べて炭素含有量が少なくなっています。これにより、溶接時の耐粒界腐食性が向上し、応力腐食割れのリスクが低減されます。- SUS316の炭素含有量は最大0.08%
- SUS316Lの炭素含有量は最大0.03%
物理的性質の違い
SUS316はSUS316Lよりもわずかに強度が高く、引張強度や降伏強度に若干の差があります。しかし、この差は多くの用途で問題にならない程度です。一方で、SUS316Lは低炭素化により溶接後の耐食性が向上し、熱影響部での硬化や割れが起こりにくくなっています。- SUS316の引張強度は約480MPa以上
- SUS316Lの引張強度は約460MPa以上
- SUS316の降伏強度は約170MPa以上
- SUS316Lの降伏強度は約140MPa以上
用途における選択基準
SUS316とSUS316Lは、使用環境や加工方法に応じて適切に選択されます。SUS316の主な用途
- 強度や耐摩耗性を求める部品
- 高温・高圧環境での使用
- バルブ、ポンプ、ボルト、航空機部品など
SUS316Lの主な用途
- 溶接が必要な構造物
- 医療機器や食品加工設備など、特に耐食性が求められる環境
- 配管、貯蔵タンク、海洋設備など
ステンレス鋼の強度について
ステンレス鋼の種類と強度の関係
ステンレス鋼は主に以下の4種類に分類され、それぞれ強度や特性が異なります。- オーステナイト系（SUS304、SUS316など）
- 高い耐食性と優れた加工性を持つ
- 強度は比較的低めだが、延性と靭性に優れる
- 熱処理による硬化はできない
- フェライト系（SUS430など）
- 強度はオーステナイト系よりも低いが、耐食性が良好
- 磁性を持ち、熱処理による硬化は不可
- マルテンサイト系（SUS410、SUS420など）
- 硬度が高く、熱処理による硬化が可能
- 強度に優れるが、耐食性はオーステナイト系よりも劣る
- 析出硬化系（SUS630など）
- 強度と耐食性を兼ね備え、熱処理による硬化が可能
- 航空・宇宙分野や高強度部品に使用される
SUS316の引張強度とその意義
SUS316はオーステナイト系ステンレス鋼に分類され、耐食性に優れた材料ですが、引張強度も重要な特性の一つです。- 引張強度（Tensile Strength）： SUS316の引張強度は 約480MPa以上 であり、一般的なステンレス鋼の中では標準的な強度を持っています。
- 降伏強度（Yield Strength）： SUS316の降伏強度は 約170MPa以上 であり、加工時の変形しやすさを示します。
強度と耐久性のバランス
ステンレス鋼を選定する際は、強度と耐久性のバランスが重要です。- 高強度を求める場合 → SUS630（析出硬化系） や SUS420（マルテンサイト系） などを選択。 これらは熱処理によってさらなる強度向上が可能。
- 耐久性や耐食性を重視する場合 → SUS316やSUS304（オーステナイト系） を選択。 特にSUS316はモリブデン（Mo）を含み、塩化物環境下での耐食性が優れている。
- 溶接や加工性を重視する場合 → SUS316L（低炭素グレード） を選択すると、溶接後の耐食性が向上。
ステンレス製品の許容応力
ステンレス製品の許容応力は、材料が破壊や変形を引き起こさずに長期間にわたって耐えることができる最大の応力を示す重要な指標です。許容応力は、設計の基準として使用され、部材や構造物が安全に機能するための目安となります。許容応力とは
許容応力（または設計応力）は、材料が外部の荷重を受けたときに破壊を起こさない範囲の応力のことです。通常、この値は材料の降伏強度や破壊靭性に基づいて決定されます。許容応力は設計段階で非常に重要であり、適切に選定することで製品の信頼性と安全性を確保できます。許容応力は、次のような状況で考慮されます：- 長期間の使用において材料が疲労しない
- 熱膨張や収縮に耐える
- 高温や腐食環境でも強度を維持できる
SUS316の許容応力
SUS316は、耐食性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼で、化学的に攻撃的な環境でも使用されることが多いです。SUS316の許容応力は、具体的には以下の要素に基づいて定められます：- 引張強度（Ultimate Tensile Strength, UTS）: これは材料が破壊するまでに耐えることができる最大の引張り応力です。SUS316の引張強度は約 570 MPa（メガパスカル）程度です。
- 降伏強度（Yield Strength）: 材料が永久変形を始める応力の値で、通常は引張強度の60-80%程度に設定されます。SUS316の降伏強度は約 290-300 MPa程度です。
SUS316の許容応力と設計への影響
SUS316の許容応力は設計に大きな影響を与えます。設計時には、使用環境や荷重条件に基づいて適切な安全率を選定することが重要です。例えば、SUS316が腐食環境や高温環境で使用される場合、許容応力の低下を考慮した設計が求められます。- 耐腐食設計: SUS316は耐食性が高いですが、腐食環境で使用する際は、許容応力をさらに低く設定し、材料の劣化を避けることが求められます。
- 高温環境設計: 高温下での強度低下を考慮する必要があり、許容応力は温度によって調整されます。SUS316は高温でも比較的良好な強度を維持しますが、温度が上がると許容応力が減少するため、高温環境下では安全率を高く設定することが重要です。
ステンレス鋼の硬さとヤング率
ステンレス鋼の硬さとヤング率は、材料の機械的特性を理解する上で重要な指標です。これらの特性は、特に構造物や製品の強度、耐久性、そして使用環境における性能に大きな影響を与えます。以下では、硬さの測定方法とSUS316の硬さ、ヤング率とSUS316の弾性特性、さらに硬さとヤング率の関係について詳しく説明します。硬さの測定方法とSUS316の硬さ
硬さは、材料の表面が変形に対してどれだけ抵抗できるかを示す指標で、通常は引張強度とは異なる測定方法で評価されます。硬さの測定方法にはいくつかの種類があり、代表的なものとして次の3つが挙げられます：- ロックウェル硬度試験（Rockwell Hardness Test） 硬度測定で最も広く使用される方法で、試験用の圧子（ダイヤモンドまたは鋼の球）を試験片に押し込み、その深さを測定して硬さを決定します。
- ビッカース硬度試験（Vickers Hardness Test） 微小な四角錐状のダイヤモンドを使用して圧力をかけ、その圧痕の対角線長さを測定します。細かな測定が可能で、薄い試料や微小領域の硬さを調べる際に使用されます。
- ブリネル硬度試験（Brinell Hardness Test） 大きめの鋼球を使用して、圧力をかけた後の圧痕直径を測定します。粗い表面や厚い材料に対して適しており、比較的大きな試料に用いられます。
ヤング率とSUS316の弾性特性
ヤング率（または弾性係数）は、材料の弾性変形に対する抵抗を示す物理的な定数であり、引張りや圧縮による変形の度合いを決定します。ヤング率が高いほど、材料は変形しにくく、強度が高いと言えます。 SUS316のヤング率は約193 GPa（ギガパスカル）であり、これはステンレス鋼の中でも一般的な値であり、比較的高い弾性を示します。これにより、SUS316は高い強度を有し、構造物や機械部品に適しています。硬さとヤング率の関係
硬さとヤング率には一定の相関関係があり、一般的に、硬さが高い材料はヤング率も高い傾向にあります。ただし、これらの特性は必ずしも線形で関係しているわけではなく、材質の構造や加工方法によって変動することがあります。- 硬さが高い材料は、強度が高く、引張りや圧縮に対しても抵抗が強い一方で、柔軟性が低いことが多いです。
- ヤング率が高い材料は、変形しにくいため、強度が高いものの、硬さとは異なる挙動を示すことがあります。
