炭素含有量と鋼の性質：炭素の階梯

階梯の概観

炭素の帯域	特性	代表的な用途
極低 — 0.10% 未満	柔らかく、極めて成形しやすく、注意なしに溶接できる	深絞り用鋼板、帯鋼、線材、リベット；極低炭素（IF）鋼はこの帯域の最下部に位置する
低 — 0.10–0.25%	溶接可能な構造用の主力：良好な延性、中程度の強さ、硬化反応は限定的	構造用形鋼と鋼板（S235–S355 の領域）、パイプ、一般製造
中 — 0.25–0.60%	焼入れ焼戻しに強く反応する；機械用の帯域	シャフト、歯車、車軸：約 0.45% の C45/1045、約 0.40% の 4140
高 — 0.60–1.00%	ばね、摩耗部品、切削刃；溶接は専門的な手順となる	ばね鋼（およそ 0.5–0.8%）、レール鋼、ワイヤロープ、ナイフ
極高 — 1.00% 超	最大の炭化物量と焼入れままの硬さ；注意深い焼戻しがなければ脆い	工具鋼および金型鋼（D2 は約 1.5% を含む）、やすり、約 1.0% の軸受レース

炭素が支配するもの

硬さの上限。 炭素は、完全に焼入れしたときに鋼が到達できる最大硬さを定めます。その関係は最初は急勾配で、その後飽和します。炭素が約 0.20% の鋼は最大でおよそ 45 HRC に達し、炭素が約 0.60% の鋼は 60 番台半ばの HRC に達することができます。およそ 0.6–0.8% を超えると、余分な炭素はより高い硬さではなく、耐摩耗性の炭化物を加えます。

硬化の深さは別の問いです。 その硬さがどれほど深く浸透するか — 焼入性 — は、炭素ではなく、マンガン、クロム、モリブデン、または微量のホウ素によって買われます。この二つを混同するのは典型的な仕様上の誤りです。高炭素の普通鋼でも、厚い断面の表面から数ミリメートル下では軟化している場合があります。

溶接性は反対方向に進みます。 炭素が増えると、熱影響部はより硬くなり、より割れやすくなります。業界はこれを炭素当量で表し、最も一般的には IIW 式 CE = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15 を用います。CE の低い鋼は自由に溶接でき、CE がおよそ 0.40–0.45 を超えて上昇すると、予熱、管理された入熱、低水素の実践が必要となります — 構造用鋼種が炭素を低帯域の十分内側で上限設定する理由はここにあります。

靭性と延性は階梯を登るにつれて着実に低下します。与えられた強さにおける伸びと衝撃エネルギーは低炭素の帯域で最も高く、高炭素鋼は、焼戻しによって買い戻さなければならない脆さと引き換えに硬さを得ます。

段の選び方

実務上の規則は、用途が費やす以上の炭素を買わないことです。溶接構造物は低く保ち、焼入れ焼戻しで全体を硬化させる部品は中帯域に住み、摩耗や刃先の寿命で対価が支払われる部品 — ばね、レール、工具 — のみが高い段とその製造コストを正当化します。鋼種名はしばしば答えを紛れ込ませています。C45、1045、S45C のような記号では、その数値は百分率で表した公称炭素量の百分の一です。