A36 対 A992 – 成分、熱処理、特性、および用途
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はじめに
ASTM A36およびASTM A992は、建物、橋梁、一般的な製造に最も一般的に指定される構造用鋼の2つです。エンジニアや調達チームは、これらの選択肢の間で原材料コスト、セクション重量、溶接性、および必要な機械的性能のトレードオフを頻繁に検討します。典型的な意思決定の文脈には、経済性と板/フラットストックが主な要因となる場合（A36）と、軽量セクション、高い設計強度、および一貫したワイドフランジ性能が求められる場合（A992）が含まれます。
グレード間の主な技術的違いは、A992が現代の高強度低合金（HSLA）構造用鋼であり、制御された化学成分と微合金化によってより高い降伏強度と好ましい強度-靭性バランスを提供するように最適化されているのに対し、A36はより低い最小降伏強度と単純な化学成分を持つ伝統的な炭素構造用鋼であることです。これらの違いは、製造、溶接、および構造設計における異なる挙動を引き起こします。
1. 規格と指定
- ASTM/ASME:
- A36: ASTM A36 / ASME SA36 — 「炭素構造用鋼」
- A992: ASTM A992 / A992M — 「構造用鋼形状」（ワイドフランジ形状用のHSLA）
- EN: おおよそ同等のEN規格は、同様の強度のS275/S355ファミリーですが、直接の1対1の対応ではありません。
- JIS/GB: 日本および中国の規格には類似の構造グレード（例：SS400、Q345）が存在しますが、組成と保証は異なります。
- 分類:
- A36: 炭素構造用鋼
- A992: 高強度低合金（HSLA）構造用鋼（圧延構造形状用）
2. 化学組成と合金戦略
以下の表は、ASTM規格および一般的な製造慣行によって指定された典型的な組成限界または範囲を要約しています。値は重量パーセントで示されており、特定の製鋼ロットの正確な組成ではなく、典型的な最大値または範囲です。
| 元素 | A36（典型的な限界） | A992（典型的な限界 / 注記） |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.26% | ≤ 0.23%（溶接性と靭性を向上させるための低炭素） |
| Mn | 0.60–1.20%（最大 ≈1.20%） | ~0.30–1.50%（強度と靭性のために制御） |
| Si | ≤ 0.40% | ≤ 0.40%（脱酸；制御済み） |
| P | ≤ 0.04% | ≤ 0.035%（Pを低くすることで靭性が向上） |
| S | ≤ 0.05% | ≤ 0.045% |
| Cr | 微量 | ≤ 0.20%（存在する場合） |
| Ni | 微量 | ≤ 0.50%（存在する場合） |
| Mo | 微量 | ≤ 0.08%（存在する場合） |
| V | 指定なし（微量） | 微合金化として小さなV（≤ 0.10%）を含む場合がある |
| Nb (Nb/Ta) | 指定なし | 微合金化（≤ 0.05%）を含む場合がある |
| Ti | 指定なし | 粒子制御のための微量が可能 |
| B | 指定なし | 硬化性制御に使用される場合は微量 |
| N | 指定なし | 包含物/靭性制御のために低N制御が適用されることが多い |
合金化が挙動に与える影響: - 炭素を低くし、リン/硫黄を制御することでノッチ靭性と溶接性が向上します。 - A992の微合金化元素（Nb、V、Ti）は、粒子サイズを細かくし、析出強化を提供し、延性を保持しながらより高い降伏強度を実現します。 - 存在する場合の微量合金（Cr、Ni、Mo）は、硬化性と強度をわずかに増加させることができますが、溶接性を維持するために構造仕様では低く抑えられています。
3. 微細構造と熱処理応答
- A36: 典型的な圧延状態の微細構造は、パールイト島を持つフェライトです。これは、プレーン炭素構造用鋼として指定されているため、通常はさらなる熱処理なしで圧延状態で使用されます。粒子サイズとフェライト-パールイト形態が機械的特性を制御します；正規化は可能ですが、従来の構造製造ではほとんど適用されません。
- A992: 圧延状態の微細構造は、圧延および冷却に応じて、より細かいパールイトまたはベイナイト成分を持つフェライトです。微合金化および熱機械処理は、より細かい前オーステナイト粒子サイズを促進し、析出物（例：NbC、VC）を分散させ、析出および粒子細化によって強化します。
- 熱処理経路:
- 正規化: 両グレードの粒子サイズを細かくし、靭性をわずかに向上させることができますが、実際にはワイドフランジ形状には一般的に指定されません。
- 焼入れおよび焼戻し: 構造製品形状ではどちらのグレードにも一般的ではありません；これらの鋼は商業形状での重硬化処理を意図していません。
- 熱機械処理（A992）: 製鋼所の実践における制御された圧延と加速冷却は、HSLA特性を与えます—比較可能な靭性を持ちながら、圧延後の熱処理を必要としません。
4. 機械的特性
表は、設計で一般的に使用される標準または典型的な機械的特性を示しています。実際の値は、厚さ、製鋼所の慣行、および適用される仕様に依存します。
| 特性 | A36（典型的） | A992（典型的） |
|---|---|---|
| 最小降伏強度 | 36 ksi (250 MPa) | 50 ksi (345 MPa) |
| 引張強度（範囲） | 58–80 ksi (400–550 MPa) 厚さに依存 | ~65–85 ksi (450–585 MPa) 典型的 |
| 伸び（200 mmまたは2インチで） | ≥ 20%（厚さに依存） | ≥ 18%（セクションおよび仕様に依存） |
| 衝撃靭性 | デフォルトでは指定されていない；変動 — 中程度の靭性 | 通常、Cが低く、微合金化によりノッチ靭性が向上；必要に応じて指定されることがあります |
| 硬度 | 中程度（低-中範囲の典型的なHRB） | 高い（高い降伏を反映）；良好な成形性範囲内 |
解釈: - A992は、実質的に高い最小降伏強度と高い引張能力を提供し、同じ荷重に対して軽量の部材や小さなセクションを可能にします。 - A36は、多くの厚さで指定されたとおりにより延性があり、多くの非重要な構造用途に対して満足のいくものです。 - 低温での靭性は、製鋼所が化学成分と処理を制御する場合、A992でより良好な傾向があります；ただし、衝撃靭性は指定されない限り普遍的に保証されません。
5. 溶接性
溶接性は、炭素含有量、炭素当量、および微合金化に依存します。一般的に使用される2つの経験的指標は次のとおりです：
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
および
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
定性的解釈: - A36: 炭素は控えめですが、A992よりも高い；CEおよびPcmは中程度であるため、A36は一般的に標準的な消耗品および手順で容易に溶接されます。厚いセクションや重要な溶接の場合は、水素割れを避けるために予熱およびインターパス温度制御が必要になることがあります。 - A992: 炭素が低く、硬化性を高める元素の濃度が制限されているため、通常は低い有効炭素当量と低い硬化性を生じ、溶接性が向上します。微合金化元素は、正しく処理されていれば通常、溶接性を損なうことはありません。重要な構造物の場合、エンジニアは依然としてAWSおよびプロジェクト要件に従って適切な溶接手順、予熱、および資格のある電極を指定します。
実用的な注意点: - 両グレードは、標準的な構造用電極を使用してSMAW、GMAW、およびFCAWで一般的に接合されます。 - A992のワイドフランジ形状には、鋼構造基準において十分に文書化された予備資格溶接ガイドラインがあります；構造設計者は、予熱、フィラー金属の選択、および資格に関する適用される規則に従うべきです。
6. 腐食および表面保護
- A36もA992もステンレスではありません；内因的な腐食抵抗は類似しており、裸の炭素鋼の挙動に限られています。
- 一般的な保護戦略:
- 長期的な屋外露出および大気腐食保護のための熱浸漬亜鉛メッキ。
- 橋梁および建物用鋼のための保護コーティングシステム（プライマー + トップコート）。
- 耐候性（コルテンスタイル）鋼は異なる合金ファミリーです；A992は、特にそのように製造および認証されない限り、耐候性鋼ではありません。
- PREN（ピッティング抵抗等価数）は、ステンレス合金にのみ関連し、A36またはA992には適用されません：
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
ここでのPRENの使用は適用されません；代わりに、環境およびライフサイクルの期待に応じてコーティングおよび亜鉛メッキの厚さを選択してください。
7. 製造、加工性、および成形性
- 切断: 両グレードは、酸素燃料、プラズマ、レーザー、およびウォータージェットで容易に切断されます。A992の高強度は切断パラメータにわずかに影響を与える可能性がありますが、選択された切断方法には影響しません。
- 加工性: A36のような炭素鋼とA992のようなHSLA鋼は、一般的な加工において類似していますが、A992の高強度と微合金化された析出物は、一部の操作で工具の摩耗をわずかに増加させる可能性があります。
- 曲げおよび成形: 一般的に降伏強度が低いA36は、スプリングバックなしで大きな変形に成形するのが容易です。A992の高い降伏は、より重いプレス力と厳密なスプリングバック制御を必要とします；ただし、材料の限界内でのエンジニアリング成形は日常的です。
- 仕上げ: 両者は、コーティング、亜鉛メッキ、および塗装を同様に受けます。前処理およびブラストクリーニングの仕様は同一です。
8. 典型的な用途
| A36 — 典型的な用途 | A992 — 典型的な用途 |
|---|---|
| 一般的な構造用プレート、アングル、フラット、および低コストの製造物 | ワイドフランジビーム、柱、および建物や橋の構造形状 |
| 溶接およびボルト接合が標準であり、荷重が中程度の非重要な部材 | セクションサイズと重量を最小限に抑えることが重要な主要構造フレーム |
| 設備基礎、ラック、および一般的な製造コンポーネント | 高層および中層ビルのフレーム、長スパンの桁、高速道路橋 |
| 低コストの修理、二次部材、および雑多な鋼材 | 一貫したセクション特性と高い強度対重量比が求められる状況 |
選択の理由: - コスト、入手可能性、およびより簡単な製造が優先され、高強度が必要ない場合はA36を選択してください。 - 構造設計がより高い降伏強度を要求し、部材サイズを削減する必要がある場合、またはコードや購入者が予測可能な製鋼所の特性を持つワイドフランジ形状のA992を要求する場合はA992を選択してください。
9. コストと入手可能性
- コスト: A36は通常、処理が少なく、化学成分が単純であるため、単位質量あたりのコストが安くなります。A992は、高強度および制御された製鋼所の処理に関連するプレミアムがかかります。
- 製品形状による入手可能性:
- A36: プレート、バー、アングル、チャンネル、および形状で広く入手可能；一般的な構造供給チェーンではほぼ普遍的です。
- A992: 圧延されたワイドフランジ（W）セクションおよびビームのために一般的に生産および在庫されます；指定されない限り、プレート形状ではあまり一般的ではありません。
- ライフサイクルの観点: A992は、全体の材料重量と建設コストを削減できます；原材料の価格だけでなく、提供された材料コストと製造および建設の影響を比較してください。
10. 概要と推奨
| 基準 | A36 | A992 |
|---|---|---|
| 溶接性 | 良好（標準的な慣行） | 非常に良好（低C、低硬化性） |
| 強度-靭性 | 低い降伏、良好な延性 | 高い降伏とバランスの取れた靭性（HSLA） |
| コスト | 単位質量あたり低い | 単位質量あたり高いが、より良い強度対重量 |
| 入手可能性 | 多くの製品形状で非常に高い | 圧延形状で高い；ワイドフランジセクションに焦点を当てている |
A36を選択する場合: - プロジェクトがプレート、フラット、または非重要な二次フレーミングを使用し、トンあたりのコストが主な要因である場合。 - 設計が高い降伏強度を必要とせず、複雑な製造のためにより延性があり、成形しやすい鋼を好む場合。 - 地元の供給業者が必要な形状とセクションでA36を在庫している場合。
A992を選択する場合: - セクションサイズまたは総重量を削減し、構造コードまたは設計基準を満たすために、より高い最小降伏強度（50 ksi / 345 MPa）が必要な場合。 - 予測可能な製鋼所の特性、高強度、および良好な靭性が必要な圧延ワイドフランジビーム/柱を指定している場合。 - 構造部材の溶接性能、スリムな部材寸法、および一貫した機械的特性が優先される場合。
結論 A36とA992は異なる設計哲学に応じて機能します：A36は経済的で一般的な構造作業に、A992は材料効率と一貫したセクション性能が重要な最適化された高強度構造形状に適しています。構造要件と製造、溶接、ライフサイクルコストの制約の両方に合致するグレードを指定してください。