ボルトの「10.9」は引張強さ1000MPaではない — JIS B 1051が定める呼び値と合格ライン

ボルトの頭に打たれた「10.9」は、呼び引張強さ 1000 MPa、呼び耐力 900 MPa を意味する。点の左の 10 が引張強さ 1000 MPa の 1/100、右の 9 が「耐力 ÷ 引張強さ = 0.9」を 10 倍した数字である。ここまでは、ねじ商社のハンドブックにもメーカーの技術資料にも同じことが書いてある。

ところが、その 10.9 のボルトが規格に合格したかどうかを判定するとき、試験機が見る数字は 1000 MPa ではない。最小引張強さ 1040 MPa、最小耐力 940 MPa である。刻印から逆算した数値と、合否ラインの数値が一致していない。40 MPa のずれは誤差ではなく、規格がそう決めている。

この記事は、その 40 MPa がどこから来たのかを追う。

資料には何が書かれているか

根拠規格は JIS B 1051:2014。正式表題は「炭素鋼及び合金鋼製締結用部品の機械的性質－強度区分を規定したボルト，小ねじ及び植込みボルト－並目ねじ及び細目ねじ」で、日本規格協会が公開しているプレビューの表紙にこの表題と (ISO 898-1:2013) の併記がある。制定は昭和47年（1972年）6月1日、最新の改正は平成26年（2014年）9月22日。原案作成者は日本ねじ研究協会と日本規格協会である。

JIS B 1051:2014 序文・箇条1（日本規格協会 公開プレビュー）｜資料の記述（要旨）

この規格は、2013年に第5版として発行された ISO 898-1 を基に、技術的内容および構成を変更することなく作成されている。規定するのは、10℃〜35℃の環境温度範囲で試験を行ったときの、炭素鋼製および合金鋼製のボルト・小ねじ・植込みボルトの機械的および物理的性質。適用範囲は M1.6〜M39 の並目ねじと M8×1〜M39×3 の細目ねじ。注記として、この規格が規定するおねじ部品は −50℃〜+150℃の温度範囲で使用するものとし、それを外れる温度域では材料の専門家の助言を受けることを推奨している。

規格票の目次を見ると、箇条5 が「強度区分の表し方」、箇条9 に「9.1 ボルト及び小ねじのくさび引張試験」「9.2 おねじ部品の引張強さ Rm を求めるための引張試験」「9.6 おねじ部品の保証荷重試験」「9.7 機械加工試験片の引張試験」「9.9 硬さ試験」が並ぶ。強度区分という一つの記号の裏に、少なくとも五種類の異なる試験がぶら下がっている。

符号化のルールそのものは、箇条5 に書かれている。規格票の本文は有償のため当サイトは読んでいないが、商社の公開ハンドブックが同じ内容を書いている。

由良産商「ねじの参考書」（鋼製ボルト・小ねじの強度区分の表し方 JIS B 1051 抜粋）｜資料の記述（要旨）

おねじ部品の強度区分を表す記号は、点で区切られた二つの数字で構成する。点の左側の数字は「呼び引張強さ」の1/100の値。点の右側の数字は「呼び下降伏応力」または「呼び耐力」と「呼び引張強さ」との比の10倍の値。10.9 であれば、呼び引張強さ 1000 MPa の 1/100 で 10、呼び耐力 900 MPa ÷ 呼び引張強さ 1000 MPa = 0.9 の10倍で 9 となる。

注意して読むと、この定義に出てくる数字はすべて「呼び」である。呼び引張強さ、呼び耐力、呼び下降伏応力。記号は呼び値だけで組み立てられていて、最小値は一度も出てこない。

そして規格の数値表は、呼び値と最小値を別の行として持っている。浪速螺子が公開している表では、10.9 の行に呼び引張強さ 1000 と最小引張強さ 1040 が並び、呼び耐力 900 と最小耐力 940 が並ぶ。12.9 なら呼び 1200 に対して最小 1220、呼び耐力 1080 に対して最小 1100。8.8 は呼び 800 に対して、呼び径 16mm 以下なら最小 800、16mm を超えると最小 830 になる。同じ「8.8」の刻印でも、径によって合格ラインが違う。

この二重構造がいつ生まれたかは、規格を作った側が書き残している。

日本ねじ研究協会誌 44巻「JIS B 1051 の改正案について」（分科会報告）｜資料の記述（要旨）

1985年の改正で、ISO 898-1:1978 に整合させる大改正が行われた。このとき強度区分 14.9 が廃止され、引張強さは最大値を廃止して最小値だけとし、N/mm² の値に ISO 898-1:1978 を採用したので引張強さ・降伏点（または耐力）・保証荷重の最小値が僅かに変わった。そのうえで、引張強さと降伏点（または耐力）に「呼び」の値を便宜上決めた、と記されている。

「便宜上決めた」。刻印の数字は、試験で出た値を丸めたものではなく、記号を作るために後から置かれた基準値である。

試験条件／定義

筆者はこう読んだ

刻印は測定値ではない。分類ラベルである。ここを取り違えると、資料を読むたびに数字が食い違って見える。

「10.9」という記号は、呼び引張強さ 1000 MPa と呼び耐力 900 MPa という二つの呼び値から機械的に組み立てられている。呼び値は 1985年の改正で「便宜上決めた」ものだと、規格の原案を作った日本ねじ研究協会が自ら書いている。

ここで順序を取り違えないようにしたい。1000 という数字が、合否ラインに合わせてあとから選ばれたのではない。順序はむしろ逆である。

記号「10.9」は ISO 推薦規格 R 898/I:1968 に由来し、1972年の JIS 制定の時点で、すでに強度区分として載っていた。当時の引張強さは kgf/mm² で書かれており、日本ねじ研究協会の解説（表1）によれば、10.9 の最小引張強さは 100 kgf/mm²、12.9 は 120、14.9 は 140 である。点の左の数字は、その最小引張強さの 1/10 そのものだった。 「10.9」の 10 は、当時は正真正銘の最小値を指していた。

ところが 1985年の改正で ISO 898-1:1978 の N/mm² 値を採用したとき、引張強さ・降伏点・保証荷重の最小値がわずかに動いた。10.9 の最小引張強さは 1040 MPa になった。すでに世界中のボルトの頭に刻まれている記号を、いまさら「10.4」に変えるわけにはいかない。そこで、記号と辻褄の合う基準値として、引張強さ 1000 MPa・耐力 900 MPa という「呼び」の値が、便宜上あとから定められた。

刻印の 1000 MPa は、かつて最小値だった数字の名残であって、いまの合否ラインではない。

この順序を理解すると、8.8 の挙動も筋が通る。8.8 の呼び引張強さは 800 MPa だが、最小引張強さは呼び径 16mm 以下で 800、16mm を超えると 830 になる。呼び値は一つなのに、合格ラインは径で二つに割れている。太いボルトは焼入れの際に中心部まで硬化させにくく、同じ熱処理でも到達できる強度が違う。それでも刻印は「8.8」のままである。記号が実態を要約しきれていないのではなく、記号はもともと実態の要約ではない。

「引張強さ」という言葉自体も、日常語より狭い。ここでの引張強さは、最大荷重を有効断面積で割った値である。有効断面積はねじ山の谷径と有効径から計算される仮想の断面積で、ボルトのどこを切ってもその面積の断面が現れるわけではない。ねじ部品の強度は、材料の性質だけでなくねじ山の形状の取り決めとセットになっている。同じ鋼材から削り出した丸棒の引張強さと、ボルトの引張強さは、定義からして別物である。この「規格上の定義を通ってはじめて数字になる」構造は、表面粗さの Ra 1.6 が測定の基準長さと評価長さを決めてはじめて意味を持つのと同じ形をしている。

強度区分がひとつの記号で束ねているのは、実は性質ではなく試験である。規格の目次には、引張試験、くさび引張試験、保証荷重試験、硬さ試験、頭部打撃試験、脱炭試験、浸炭試験、再焼戻し試験、ねじり試験、衝撃試験、表面欠陥検査が並ぶ。10.9 に合格するとは、これらのうち製品の形状とサイズに応じて選ばれた試験群をすべて通ることであって、引張強さが 1040 MPa 出ることだけを指すのではない。

なかでも保証荷重試験は、性格が他と違う。これは壊す試験ではない。指定の保証荷重を 15 秒間かけ、荷重を除いたあとに永久伸びが残っていないことを確認する。合否は「戻ったかどうか」で決まる。10.9 の保証荷重応力は 830 MPa で、最小耐力 940 MPa の 0.88 倍にあたる。この比率は規格の表に「応力比」として区分ごとに書かれており、4.6 の 0.94 から、10.9・12.9 の 0.88 まで、高強度側の区分で低くなっている。ただし 4.8 の 0.91 と 5.6 の 0.93 のように、区分の順に単調に下がるわけではない。なぜ高強度側で比が下がるのか、その理由は規格本文にも日本ねじ研究協会の解説にも書かれていない。 当サイトは推測を書かない。

くさび引張試験は、まっすぐ引く試験では見えないものを見る。頭部の座面に角度をつけた硬化くさびを挟み、軸を傾けたまま引っ張る。頭と軸の付け根に欠陥や過度な脱炭があれば、そこで頭が飛ぶ。そして規格は、くさびで斜めに引いたときの強さの要求値を、まっすぐ引いたときの最小引張強さと同じ値に置いている。斜めに引いても割り引かない。頭部の付け根は軸と同等でなければならない、という要求である。1991年の改正で、引張破断荷重 500kN 以下の製品にはこの試験を製品状態で行うことが必須化された。機械加工した試験片で材料の強さを確かめるだけでは足りない、というのがそのときの結論だった。

温度の前提も、静かに動いている。2000年の改正で試験の環境温度が 10〜35℃ に定められ、2014年版の注記1 は使用温度範囲を −50℃〜+150℃ と書く。ところが 1991年版は「300℃までの温度環境で使用できる」と備考に書いていたと、日本ねじ研究協会の解説にある。同じ規格番号、同じ強度区分の刻印でありながら、規格が想定する使用温度の上限は 300℃ から 150℃ へ下がった。手元のボルトが 1990年代の在庫なのか、2015年以降に作られたものなのかで、規格が保証している範囲は違う。刻印は変わらないが、刻印の裏にある文書は変わる。

ステンレスの「A2-70」を、鋼の 8.8 の隣に並べて比べたくなる場面がある。この二つは、規格そのものが違う。A2-70 は JIS B 1054-1:2013（耐食ステンレス鋼製締結用部品の機械的性質－第1部：ボルト，小ねじ及び植込みボルト、ISO 3506-1:2009 と一致）に基づく記号で、A2 は鋼種区分（オーステナイト系）、70 は引張強さ 700 MPa の 1/10 を表す。点で区切られておらず、降伏比も記号に含まれていない。A2-70 の 0.2% 耐力は 450 MPa で、引張強さに対する比は 0.64 ほどになるが、その 0.64 はどこにも刻印されない。JIS B 1051 の記号が「強さと降伏比」を表しているのに対し、JIS B 1054-1 の記号は「鋼種と強さ」を表している。数字の大小を並べても、同じことを測った数字ではない。等級の数字が同じ形をしていても由来が違うという点では、IP67 と IP68 の関係に近い。

遅れ破壊についても、規格の側は早くから触れている。1991年の改正で、強度区分 12.9 は遅れ破壊を起こす危険があるとして、引張応力が働く表面に光学顕微鏡で確認できる白色のりん濃化層があってはならないと規定された。土木分野では、土木研究所の構造物メンテナンス研究センターが、高力ボルト F11T について「遅れ破壊が生じやすい特徴があるため、現在では使用が禁止されています」と公表している。これは事実の記述である。当サイトは、どの強度区分を使ってよいか、手元のボルトが安全かどうかについては何も書かない。実際の判断は、有資格者・専門機関に相談してほしい。

あなたの条件ならこう読み替える

強度区分の数字が資料によって食い違って見えるのは、多くの場合、呼び値の列を見ているか最小値の列を見ているかの違いによる。各社が何を書いているかを並べると、その傾向がはっきりする。