ボルトの強度区分を理解することは大きな安心感につながります。なぜなら「このボルトがどのくらいの力に耐えられるか」を数字で知ることができるからです。例えば見た目が同じM10のボルトでも強度区分が4.8のものと8.8のものでは耐えられる力が違います。4.8のボルトは数トンで限界を迎えますが8.8なら同じサイズでもより大きな力に耐えられるようになっています。
もし強度区分を知らずに使ってしまうと本来なら高強度ボルトが必要な場所に弱いボルトを使ってしまうかもしれません。そうすると、ボルトが伸びきったり折れたりして機械が壊れたり、最悪の場合は大事故につながる危険もあります。逆に必要以上に強すぎるボルトを使うとコストが高くなったり、加工や交換が難しくなるデメリットも出てきます。だからこそ、強度区分を理解して「この部分には8.8で十分だ」「ここは10.9を使わないと危ない」と判断できるようになると適材適所でボルトを選べるようになり、安心して作業や設計ができるのです。
ボルトの強度区分とは？
ボルトの強度区分というのはボルトが「どれくらいの力に耐えられるか」を表す数字のことです。これはボルトの性能を一目でわかるようにするための国際的なルールで特に工業や建設の現場ではとても大切な指標になります。例えばボルトの頭に「8.8」や「10.9」といった数字が刻まれているのを見たことがあるかもしれません。この数字には意味があります。最初の数字はそのボルトの引張強さ、つまり「どれくらい強く引っ張られても耐えられるか」を示しています。単位はMPa（メガパスカル）で、1MPaは1平方ミリメートルあたり1ニュートンの力です。「8」と書かれていれば、おおよそ800MPaの強さを持っているということになります。
次に小数点以下の数字は「降伏点の割合」を表しています。降伏点というのはボルトが元に戻らないほど伸びてしまう前の限界の力のことです。たとえば「8.8」と刻まれているボルトなら引張強さが800MPaでその8割、つまり約640MPaまでは変形せずに耐えられるという意味になります。
ボルトの強度区分材質一覧
| 強度区分 | 引張強さ Rm (N/mm²) | 降伏点 Re (N/mm²) | 特徴（伸びきる荷重条件） | 代表材質（JIS例） |
|---|---|---|---|---|
| 3.6 | 300 | 180 (60%) | 180N/mm²以上で伸び切る | SS400, S20C |
| 3.8 | 300 | 240 (80%) | 240N/mm²以上で伸び切る | SS400, S20C |
| 4.6 | 400 | 240 (60%) | 240N/mm²以上で伸び切る | S25C, S30C |
| 4.8 | 400 | 320 (80%) | 320N/mm²以上で伸び切る | S25C, S35C |
| 5.6 | 500 | 300 (60%) | 300N/mm²以上で伸び切る | S35C, S40C |
| 5.8 | 500 | 400 (80%) | 400N/mm²以上で伸び切る | S35C, S45C |
| 6.8 | 600 | 480 (80%) | 480N/mm²以上で伸び切る | S40C, S50C |
| 8.8 | 800 | 640 (80%) | 640N/mm²以上で伸び切る | S45C, SCM435（Cr-Mo鋼） |
| 9.8 | 900 | 720 (80%) | 720N/mm²以上で伸び切る | SCM435, SNCM439 |
| 10.9 | 1000 | 900 (90%) | 900N/mm²以上で伸び切る | SCM440, SNCM439（Cr-Mo, Ni-Cr鋼） |
| 12.9 | 1200 | 1080 (90%) | 1080N/mm²以上で伸び切る | SCM440, SNCM447（高級合金鋼） |
このように数字を見るだけで「このボルトはどのくらいの力に耐えられるか」「どのくらいまで使っても安全か」がすぐにわかる仕組みになっています。実際の現場では、軽い家具などには強度が低めの「4.6」クラスのボルトを使い、自動車や重機の重要な部分には「10.9」や「12.9」といった非常に強いボルトが使われます。もし強度の低いボルトを間違って重要な箇所に使ってしまうと、折れたり緩んだりして大事故につながりかねません。逆に必要以上に強すぎるボルトを使うとコストが高くなり、加工や取り扱いも難しくなるというデメリットがあります。
強度区分ごとの材質・化学成分・用途一覧表
| 強度区分 | 主な材質 | 代表的な化学成分 (質量%) | 熱処理 | 特徴・用途 |
|---|---|---|---|---|
| 3.6 / 3.8 | 低炭素鋼 (SS400相当) | C ≤ 0.25%, Mn ≤ 0.6%, Cr・Moなし | 熱処理なし（圧延まま） | 加工性良いが強度低い。家具、軽量構造物。 |
| 4.6 / 4.8 | 低炭素鋼〜中炭素鋼 (S25C〜S35C) | C 0.20〜0.35%, Mn ≤ 0.8% | 焼きならし | 汎用低強度ボルト。建築、軽機械。 |
| 5.6 / 5.8 | 中炭素鋼 (S35C〜S45C) | C 0.30〜0.45%, Mn 0.5〜0.9% | 焼きならし、場合により調質 | 強度やや高いが普及少ない。軽荷重機械用。 |
| 6.8 | 中炭素鋼〜低合金鋼 (S40C, SCMn) | C 0.35〜0.45%, Mn 0.6〜1.0%, Cr少量 | 焼入れ＋焼戻し | 中強度ボルト。機械用途で一部使用。 |
| 8.8 | 中炭素鋼 (S40C, S45C) または低合金鋼 (SCM435) | C 0.25〜0.55%, Mn 0.5〜1.0%, Cr 0.4〜1.2%, Mo ≤ 0.3% | 焼入れ＋焼戻し（調質） | 最も一般的。建築、機械、自動車などあらゆる分野。 |
| 9.8 | 低合金鋼 (SCM435, SNCM) | C 0.30〜0.40%, Mn 0.6〜1.0%, Cr 0.5〜1.5%, Mo 0.15〜0.3% | 焼入れ＋焼戻し | 使用例は少ない。特殊用途。 |
| 10.9 | 合金鋼 (SCM440, SNCM439) | C 0.30〜0.40%, Cr 0.9〜1.2%, Mo 0.15〜0.3%, Ni ≤ 0.4% | 焼入れ＋焼戻し | 高強度。自動車足回り、重機、重要部位。 |
| 12.9 | 高級合金鋼 (SCM440, SNCM) | C 0.35〜0.45%, Cr 1.0〜1.5%, Mo 0.2〜0.5%, Ni ≤ 0.5% | 厳格な焼入れ＋焼戻し | 超高強度。航空機、競技車両、精密機械。水素脆化に注意。 |
ボルト強度計算について
ボルト強度計算というのは簡単に言うと「このボルトがどれくらいの力に耐えられるのか」を数字で見積もる作業です。ボルトはナットで締め込むとほんのわずかに伸びて内部に張力が生まれます。この張力がゴムひもを引っ張ったような状態を作り出し、その力で部品同士をしっかりと押さえつけているのです。
ボルトの強さを決めるのは大きく分けて二つあります。一つは太さで太いボルトほど大きな力に耐えられます。もう一つは材質で鉄の種類や熱処理の仕方によって「硬さ」や「粘り強さ」が変わってきます。この二つの要素を組み合わせて、そのボルトがどのくらいの荷重に耐えられるのかを判断します。つまり、ボルトの強度は太さ×材質で決まります。
ここで登場するのが「強度区分」です。ボルトの頭に刻まれている「8.8」や「10.9」といった数字は材質の強さを示しており、具体的には引張強さと降伏点の比率を表しています。例えば先述したように8.8という刻印は「このボルトはおよそ800N/mm²の引張強さを持ち、その8割の640N/mm²を超えると伸び切って元に戻らない」という意味になります。
実際の計算ではまずボルトのねじ谷部分の有効断面積を求め、そこに強度区分で示される引張強さを掛け合わせます。例えばM10のボルトで強度区分8.8の場合、有効断面積はおよそ58mm²ですから、800N/mm²を掛けると46,400N、つまり約4.7トンの力に耐えられることになります。ただしこれは理論上の最大値なので実際の設計ではその6割から7割程度、つまり3トン前後を安全な使用限界として考えます。
要するに、ボルト強度計算の本質は、太さと材質からそのボルトが「どこまで伸ばしても安全か」を見極めることです。ボルトはただの鉄の棒ではなく、設計上はゴムひものように「少しだけ伸ばして使う」ものだと考えると、とてもわかりやすいでしょう。
締め付けトルクを求める計算方法
まず出発点は「ボルトにどれくらいの軸力を与えたいか」です。ボルトを締めるときは内部に引っ張り力（締付け軸力）が生まれます。これが大きいほど緩みにくくなりますが大きすぎると破断やねじ山の損傷につながります。そのため、通常はボルトの降伏点（伸び切る直前の強さ）の60〜70％程度を目安に軸力を決めます。次にその軸力を「回す力＝トルク」に変換します。このときに重要なのが摩擦です。ボルトを回した力のうち、実際に軸を伸ばすのに使われるのはわずかで多くはねじ山と座面での摩擦に消費されます。一般的に摩擦の影響をまとめて扱うために「トルク係数 K（0.16〜0.25程度）」が用いられます。計算式は以下の通りになります。
T=K×F×d
- T は締付けトルク（N·m）
- K はトルク係数（摩擦条件によって変わる。通常0.2前後を仮定）
- F は締付け軸力（N）
- d はボルトの呼び径（m）
例えば、M10の強度区分8.8ボルトを考えてみます。有効断面積は約58mm²、降伏点は640N/mm²なので、降伏荷重は約37,000N。その70％を目標軸力とすれば26,000N程度です。呼び径dは0.01m、トルク係数を0.2とすると
となり、これがM10で強度区分8.8ボルトの目安となる締付けトルクになります。
ボルト呼び径と有効断面積一覧（並目ねじ）
| 呼び径 | ピッチ (mm) | 有効断面積 Aₛ (mm²) |
|---|---|---|
| M6 | 1.0 | 20.1 |
| M8 | 1.25 | 36.6 |
| M10 | 1.5 | 58.0 |
| M12 | 1.75 | 84.3 |
| M14 | 2.0 | 115 |
| M16 | 2.0 | 157 |
| M18 | 2.5 | 192 |
| M20 | 2.5 | 245 |
| M22 | 2.5 | 303 |
| M24 | 3.0 | 353 |
| M27 | 3.0 | 459 |
| M30 | 3.5 | 561 |
