第1章ねじ部品の機械的性質

　ねじ締結体を安全に使用するには、適正な強度

設計と確実な締結作業、十分なメンテナンスが必

要です。

　適正な強度設計を行うためには、まずねじ部品

単体の強度を知らなければなりません。ねじ部品

は、もっとも汎用性の高い機械要素です。したが

って、その寸法や強度は規格に細かく規定されて

います。本章では、JIS 規格に規定されているね

じ部品の強度について説明します。

くびれ

ひずみε0

真応力

断面積A標点距離ι

応力σ

σB

σyσw

σw≒ 2σB

σ＝ AP

ε＝ ιιΔ

P

P

σB：引張強度σy：降伏応力σw：疲労強度

応力-ひずみ線図

8

第 1 章 ねじ部品の機械的性質

　ねじやボルトは、一般に単体で使用されず、図 1-1や図 1-2に示すように、

締結される部材（以下、被締結物）を挟んだ状態で、めねじに締結するか、ナ

ットで締結して使用されます。このように、ねじやボルトおよびナットで締結

されたものを、一般に“ねじ締結体”と呼びます。またボルトとナットで締結

されたものを、“ボルト・ナット締結体”と呼んだりもします。最近では、“ボ

ルト締結体”と呼ばれることも多いようです。本書では、“ねじ締結体”もしく

は“ボルト・ナット締結体”と呼ぶこととします。

　図 1-1 や図 1-2 のように、ねじやボルトは締付けて用いられます。ここで

“締付け”とは、スパナやドライバーなどで、ねじやボルトを締付ける作業で

す。より正確な締付けを行う場合は、トルクレンチなどを用いて、締付けトル

クを管理して締付け作業が行われます。しかし、いかに正確な締付けトルクで

締付けたとしても、信頼性を十分に確保できた！と思うのは危険です。なぜな

ら、ねじ締結体にとって重要なのは、締付けトルク Tではなく、ねじやボルト

で被締結物を締付ける“締付け力 F”だからです。ここで締付け力は、図 1-1

や図 1-2 に示すように、ボルトに引張り力として、被締結物に圧縮力として、

同じ大きさの力が作用します。締付け力は、ボルトに作用する力として“締付

け軸力”や単に“軸力”もしくは“予張力”と呼ばれたりしますが、本書では

主に“締付け力”を用い、状況に応じて“軸力”という言葉を用います。

　さて、この締付け力をしっかりと管理されたねじ締結体は、ゆるみや疲労破

壊に対して信頼性が高く、ねじやボルトがもつ本来の強度を十分に発揮できま

す。しかし、締付け力が不十分な場合には、ねじ締結体の信頼性は低下し、ね

じやボルトが持つ本来の強度を生かすことができません。したがって、いかに

高強度のねじを使用したところで、締付け作業を適確に行わなければ、ねじ締

結体の信頼性は向上しないということです。

ねじ締結体とは

1-1 中 難易

9

　本章では、まずボルトなどのねじ部品単体の強度について、JIS に規定され

ている強度区分と機械的性質を紹介します。締付け理論や締付け法に関しては、

第 2章および第 3章で説明します。

ボルト頭部 締付けトルク：T座面

被締結物

おねじ

めねじ

F

FF

締付け力：F

図 1-1　ねじ締結体

締付け力：F

ボルト

被締結物被締結物

ナット

F F

F F

図 1-2　ボルト ･ナット締結体

10

第 1 章 ねじ部品の機械的性質

　ねじ締結体に用いられる鋼製ボルトやステンレス鋼製ボルト、非鉄金属製ボ

ルトの機械的性質は、JIS B 1051（1）、JIS B 1054（2）、JIS B 1057（3）に規定されて

います。ここでは、まず鋼製ボルトの強度区分と機械的性質について説明しま

す。

　表 1-1に、JIS B 1051 に規定されている鋼製ボルトの強度区分と、各強度区

分におけるボルトの引張強さ Rm、0.2％耐力 Rp0.2 もしくは下降伏点 Rel、保障

荷重応力 Sp を示しています。JIS B 1051 には、試験方法をはじめ、その他の機

械的性質が規定されています。まずボルトの強度区分の表記について説明しま

す。たとえば、表 1-1 におけるボルトの強度区分“12.9”では、“12.9”におけ

る小数点より左側の数値が、引張強さの 1/100 倍を表し、小数点とその右側の

数値が、引張強さ Rm に対する 0.2％耐力もしくは下降伏点の割合を示します。

すなわち強度区分 12.9 のボルトであれば、「12」の 100 倍の 1200 MPa が引張

強さ Rm となり、1200 MPa の 9 割の 1080 MPa が呼びの 0.2％耐力 Rp0.2 となり

表 1-1　鋼製ボルト・小ねじの機械的性質（JIS B 1051（1）から抜粋）

機械的性質強　度　区　分

3.6 4.6 4.8 5.6 5.8 6.88.8

9.8 10.9 12.9d＜16 d＞16

引張強さ Rm［MPa］

呼び 300 400 500 600 800 900 1000 1200最小 330 400 420 500 520 600 800 830 900 1040 1220

下降伏点Rel または0.2％耐力Rp0.2［MPa］

呼び 180 240 320 300 400 480 640 720 900 1080

最小 190 240 340 300 420 480 640 660 720 940 1100

保証荷重応力 Sp［MPa］ 180 225 310 280 380 440 580 600 650 830 970

鋼製ボルトの強度区分と機械的性質

1-2 中 難易

11

ます。ボルトの強度区分は、図 1-3に示すように、ボルト頭部の上面と側面に

記載されているので、ボルトを見ただけでその強度を把握することができます。

　ここで、引張強さや 0.2％耐力もしくは下降伏点は、ボルトの引張試験によ

って評価されます。引張試験には、図 1-4（a）に示した「削出試験片」による

引張試験と、図 1-4（b）に示した「製品状態」で行う引張試験があり、0.2％

耐力や下降伏点は、削出試験片による引張試験で求められます。なお、削出試

験片は、実物のボルトから削り出して製作されます。

12.9

12.9

12.9

12.9

（a）　六角ボルト

（b）　六角穴付きボルト図 1-3　ボルトの強度区分の表示例（1）

S0

L0LCLt

r r

d 0

b

d

（b）　製品状態（実物）

（a）　削出試験片（平滑試験片）図 1-4　ボルト ･ナット締結体の荷重-伸び線図（1）

12

第 1 章 ねじ部品の機械的性質

　ここで詳細な説明は省略しますが、製品状態で行う引張試験における引張強

さの算出や、ねじ部の応力の算出の際に用いられるボルトの断面積は、ボルト

の谷の断面積でなく、式（1.1）で表されるボルトの有効断面積 Asが用いられ

ます。

Ad d

4 2s2 3

2

＝＋r

e o （1.1）

式（1.1）における d2 はねじの有効径であり、d3 はねじの谷の径です。

　ボルトの材質は、低強度区分のボルトには炭素鋼が用いられ、高強度ボルト

には炭素鋼や SCM435 などの合金鋼の焼入焼戻材が用いられます。また表 1-1

のように、引張強さ Rm と 0.2％耐力 Rp0.2、下降伏点 Rel には、それぞれ「呼

び」と「最小」が記載されています。「呼び」とは、強度区分記号の構成上、便

宜的に設けられたものであり、おねじ部品に適用する引張強さおよび耐力の最

小値は、それらの呼びの値と同じか、それよりも大きくなっています。

　表 1-1 の保証荷重応力は、製品状態のボルトを用いた保障荷重試験で評価さ

れます。保障荷重試験は、規定の保証荷重をボルトに負荷し、ボルトに永久伸

びが生じたかどうかで判定されます。保障荷重は、降伏点の 90％前後に設定さ

れており、保証荷重試験は、締付け長さ内に 6ピッチ程度の完全ねじ部が含ま

れるように、おねじ部品をナットまたは治具にはめ合せて行われます（4）。

　上記のねじ部品の機械的性質は、ねじ部品単体の静的な強度について規定さ

れたものです。一方、ねじ締結体の強度は、ねじ部品単体の強度ばかりでなく、

締結後のねじ締結体としての強度で考えなければなりません。すなわち、ねじ

を締結した後、ねじ締結体に外力が作用しない場合は、締結時にねじが降伏し

ないように、また被締結物で陥没を起こさないように設計をすれば問題ありま

せん。しかし、締結後のねじ締結体に外力が作用する場合には、ねじ部品単体

にどの程度の力が追加されるのかを知らなければなりません。

　図 1-5に、一般的に示される軟鋼の応力-ひずみ線図を示しています。図 1-4

に示したボルトの削出試験片の引張試験でも、強度区分によっての差異はあり

ますが、同様の応力-ひずみ線図を得ることができます。静的な荷重のみを受け

る場合のねじ締結体の設計は、ねじ部品の引張強さや降伏点を基準として行わ

れます。しかし、繰返し荷重のような動的な荷重を、ねじ締結体が受ける場合