国鉄D51形蒸気機関車

D51形蒸気機関車（D51がたじょうききかんしゃ）は、日本国有鉄道（国鉄）の前身である鉄道省が設計、製造した、単式2気筒で過熱式のテンダー式蒸気機関車である。
主に貨物輸送のために用いられ、太平洋戦争中に大量生産されたこともあって、国鉄における所属総数は1,115両に達しており、ディーゼル機関車や電気機関車などを含めた日本の機関車1形式の両数でも最大を記録した。この記録は現在も更新されていない。
この他に、台湾総督府鉄道向けに32両、胆振縦貫鉄道（1944年（昭和19年）に国有化）向けに5両（再掲）が製造され、戦後はソビエト連邦サハリン州鉄道向けに30両、台湾鉄路管理局向けに5両、朝鮮戦争における国連軍向けの標準軌仕様機が2両製造されており、製造総数は1,184両に及ぶ。
また、1987年（昭和62年）4月の国鉄分割民営化時には、西日本旅客鉄道（JR西日本）に1両（200号機）が継承され、翌1988年（昭和63年）には東日本旅客鉄道（JR東日本）で1両（498号機）が復籍し、この2両が動態保存されている。JR東日本の498号機は復籍後の初仕業で来日中のオリエント急行を牽引して復活、西日本の200号機は2017年（平成29年）に山口線のSLやまぐち号で、本線運転に復帰した。
現場の機関士にも操作性の良さから人気があり「デゴイチ」の愛称は、日本の蒸気機関車の代名詞にもなった。
誕生の背景.
1929年（昭和4年）に始まった世界恐慌、その影響で日本国内で発生した昭和恐慌により、1930年代前半の日本における鉄道輸送量は低下していた。そのため、恐慌発生以前に計画されていた貨物用の新形機関車の製造は中断されていた。大正12年のD50以降、新型機を開発して製造されることがなかったのである。
その後、景気が好転して輸送量の回復傾向が顕著になってきたため、改めて新形の貨物用機関車が求められた。国鉄(当時鉄道省）では電気機関車専用のチームがあり基礎研究も行われていたが、電化区間がまだ短く蒸気機関車に輸送の大部分を頼らざるを得なかった。
そこで1935年（昭和10年)に開発を始め1936年（昭和11年）から製造されたのが本形式である。C11形のボイラーで実用化された電気溶接技術を応用して製造され、当時の設計主任である島秀雄は「多くの形式の設計を手掛けた中でも、一番の会心作」として同形式を挙げている。C53の複雑な設計や工作不良を反省し、本機では部分ごとの標準化やユニット化がされ整備や修理が容易になっている。このシステマチックな視点は国鉄80系電車から新幹線の開発でも大きく反映されシステム工学の先駆けともいえる鉄道車用であった。
構造.
設計の基本となったのは、同じく軸配置2-8-2（1D1=ミカド）のテンダー式機関車であるD50形で、三缶胴構成の燃焼室を持たない広火室構造のストレートボイラーを搭載し、棒台枠を採用するなどの基本設計は共通である。ボイラー使用圧力は当初D50形の13 kg/cm2に対して14 kg/cm2と1 kg/cm2昇圧、シリンダー径を縮小しつつ牽引力の若干の増大を図っている。新技術によりD50よりも安定した優れた性能を発揮できるようになっている
また、リベット接合部を電気溶接（アーク溶接）で置き換えるなど、構造と工法の見直しを行って軸重の軽減と全長の短縮を実現し、全国配備が可能となった。最大動軸重を14.3 tに引き下げ、これによりD50形では入線が困難だった丙線への入線が可能とされた。ただし、標準形以降は最大・平均ともに動軸重が増大し、特に最大動軸重は最終的に15.11 t（第4動軸）とD50形（14.99 t〈第1動軸〉）以上の値となっている。全長は初期形でD50形より571 mm短縮された。フロントオーバーハングの大きいD50形は、退行運転や推進運転時に、軽量な二軸車を中心として連結相手を脱線させてしまう事故をしばしば起した。この問題は本形式で前部デッキと先台車の設計変更により改善が図られたが、その反面、先台車周辺の保守が困難になり、検修陣にはD50形と比して本形式を嫌う者も少なくなかった。また、先台車からテンダーの第4軸までの長さが17 mを、前部端梁からテンダー後部端梁までが19 mを、それぞれ超過するD50形は60フィート (18.3 m) 転車台での転向が難しく、通常は20 m転車台での転向を必要としていた。この短縮により亜幹線クラス以下の路線に多数存在した60フィート転車台での転向が可能となったことは、本形式の運用範囲拡大に大きく貢献している。
動輪はそれまでのスポーク動輪から、輪心を中空構造の箱形（ボックス）輪芯に変更している。これはアメリカで開発され、本形式の設計が始まった1935年（昭和10年）の前年に当たる1934年（昭和9年）に製品が発表されたものをいち早く採用した形である。その構造・形状から太鼓焼きや蓮根といった異名で呼ばれることもあったが、円盤に近い形状であるため円周の各部に均等に力がかかり、また比較的軽量であると言う利点から以後ほぼ全ての省形蒸気機関車に採用されている。
戦時形ではボイラー使用圧力15 kg/cm2への引き上げがなされ、動軸重の増加も行って牽引力を増大した。初期形、標準形についても戦後に缶圧の引き上げと輪重増大改造が行われた。登場時は燃焼室を装備していないため、他国の蒸気機関車と比較すると熱効率が良いとは言えなかったが、戦後に重油併燃装置が追加され三分の一以上も石炭が節約できるようになった他、引張定数または速度を 10％向上させている。
電気溶接の全面的な採用と箱形化された動輪輪芯など、形態的には同時期に設計されたC57形との共通点が多い。
製造時期による区分.
本形式は製造時期と形態から三種に大分される。以下にその特徴を記す。
初期形.
D51 1 - 85・91 - 100
標準形.
D51 86 - 90・101 - 954
これらの機関区に本形式が配置されるようになるのは、操縦に馴れるにつれD50 形式よりもむしろ優秀であることがわかり、D51の配置を希望するようになってからであった。根室本線旧線のように25‰の勾配と漏水するトンネル、カーブが全体の71.7％に達し（半径225.31m、181.05m、181.05m、最小179.04mが連続する）、国内の鉄道路線の中でも自然条件と運転の条件が厳しい過酷な状況でも実用に耐え、昭和41年1966年の新線に切り替わるまで使われた。大型機の使用されなかった四国線で勾配区間の輸送力増強に力闘するなどの実績もある。後述の旧狩勝線や人吉機関区のように本来ならば急勾配専用機が必要な区間で運用された。
最終的に、運転に関わる立場からも普通の人々にも「力強い」というイメージを残し「デゴイチはきつい坂を登っていても、絶対に止まることはないから安心しろ」と機関士に評価されるようになった。
なお、本形式については戦時中以降、輸送力増強を図って動軸重の引き上げが許容され、フロントデッキなどにコンクリート塊の死重を搭載することで空転癖の改善が実現を見ている。
戦時形.
D51 1001 - 1161
製造.
量産を進める段階で国内情勢が戦時体制へと突入し、貨物機である本形式に対する需要が非常に大きくなったため、国内の大型機関車メーカー5社と国有鉄道の工場（工機部）のうち8工場が製造に参加し、1936年から1945年（昭和20年）までの間に1,115両もの多数の車両が製造されることとなった。そのうちの8両については、国有鉄道の発注ではなく、私鉄の戦時買収や南樺太の内地化に伴い鉄道省へ編入されたもの、外地向けのものが戦況の悪化に伴う制海権喪失により発送できなくなり、国有鉄道籍を得たものである。また、955 - 1000は欠番となっているが、戦時型を1001から付番し番号で区別したためである。そのため、国有鉄道所有機のラストナンバーは1161である。
これらの他、戦前から台湾総督府鉄道向けに製造されたものが32両（1944年製の5両は、一時的にD51 1162 - 1166として借入使用された）、戦後にソビエト連邦サハリン州鉄道向けに輸出されたものが30両、国連軍に納入されたものが2両、さらに1951年に台湾鉄路管理局向けに輸出された5両が存在する。これらを合わせると、D51形は1,184両製造されたことになる。
鉄道省（国有鉄道）.
国有鉄道発注車は、全部で1,107両である。その製造の状況は、次のとおりである。
恵須取鉄道.
D511・2 → D51 864・865：恵須取鉄道（樺太）より買収。
1944年に未成のまま買収された樺太の孤立鉄道より編入したもので、概ね標準形に準ずるが、寒冷地対策として製造時より密閉キャブであり、炭水車の前端部にも風除けを立ててキャンバス製の幌を運転台との間に設けていたのが特徴である。1943年、汽車製造製（製造番号2235・2331）。この2両は樺太には送られず、北海道内で使用された。
胆振縦貫鉄道.
D5101 - D5105 → D51 950 - D51 954：1944年胆振縦貫鉄道より買収
内地私鉄がD51形同等機を新造した唯一の事例である。D5101 - D5103の3両は同鉄道開業前の1940年5月に設計認可を得て、開業直後の1941年1月に竣工した。厳密な竣工日は順に1941年1月9日、11日、13日。以後輸送力強化のため、それぞれ1942年7月17日・1943年5月7日付けでD5104・D5105が増備された。製造はD5101 - D5104が汽車製造（製造番号2021 - 2023・2234）、D5105が日立製作所（製造番号1785）で、いずれも同時期の省鉄向けに準じた仕様で竣工しており、形態も標準形と同様である。
日本窒素.
D51 1161 日本窒素より購入。
海南島の日窒興業石碌鉄道で使用するため日本車輌製造本店で製造されたものの、海軍の敗退で制海権が失われ、発送できなくなったものを国鉄が購入した。戦時形であり、D51形全体で見ても唯一の1945年製（製造番号1373）で、鉄道研究者の実見により、工作方法がより簡素化されていたのが確認されている。
中国.
中国海南島の鉄石輸送のための日窒興業石碌鉄道は、1067mm軌間であり、1942年および1943年（1944年との説もあり）に5両のD51形（D51 621・632 - 635）が供出されたが、終戦時には2輌のみ存在していた。戦後の動向は不明であり、中国国鉄の形式も持っていない。
台湾総督府鉄道・台湾鉄路管理局.
当時、日本の統治下にあった台湾の総督府鉄道向けに1939年から1944年にかけ32両 (D51 1 - 32) が製造されたもので、形態的には1 - 27が標準形に、28 - 32が戦時形に属する。このグループは、日本国有鉄道籍を有したことはない。製造の状況は次のとおりである。
このうち、戦時形のD51 28 - 32は制海権喪失で発送できず、一時的な措置として国有鉄道が借り入れ、D51 1162 - 1166として使用された。この時期、本土では既に戦時形（1000番台）が製造されていたが、この5両は戦前の標準形と似る形態（ドームはかまぼこ形でなく、標準形と同じ形状）で製造された。これは、外地向けゆえ、大日本帝国の威信を保つためといわれている。しかし、見た目こそ標準形だったが、ドーム以外の実態、炭水車などは内地向けに製造されたものと同じ戦時形で、性能、機能面で劣るため、使用晩期はボイラ圧力が12kg/cm2に制限されていた。この5両は、戦後の1946年4月になって台湾に発送された。台湾のD51形は、戦後台湾鉄路管理局に引き継がれ、DT650形 (DT651 - 682) と改称された。
戦後の1951年、国際連合の援助による中華民国の注文で、5両の標準形（カウキャッチャー付き、炭水車はやや大型化）が台湾に輸出され、DT683 - 687とされた。製造は汽車製造が3両（DT683 - 685・製造番号2608 - 2610）、新三菱重工が2両（DT686・687・製造番号718・719）だった。この5両が、D51形として最後の新製機となった。
ソビエト連邦（樺太）向け輸出車.
1949年、ソビエト連邦へ輸出物資の一環として、国鉄形客車各種などとともに30両が樺太に送られた。なお、よく賠償物資として輸出との誤解がみられるが、正規の条約である日ソ共同宣言の締結は1956年であり、条約締結以前に賠償物資の請求は原則的にありえない。そして日ソ共同宣言時には条約第6項においてソビエトは日本に対し賠償請求権を放棄している。また当時の複数の文献「機関車」第3号（1949年11月発行）や「交通技術」51号（1950年10月号）にも正規の輸出との記述が存在する。一方「賠償輸出」という記述が見られ始めたのは、往時の記録があいまいになりだし、孫引きが増加した1970年代以降のことである。
これらは、同年1月から4月にかけて5社で製造されている。樺太向けに輸出されたものは、国内向けのものと区別するために、形式番号と車両番号の間にハイフンが入っている（例えば、国内向けは「D51 27」であるのに対して、樺太向けは「D51-27」）。また防寒のために運転席は密閉構造になっているなど、一部構造が国内向けとは異なっている。
なお、形式やナンバープレートにロシア語で使用されるキリル文字の「Д」ではなく、ラテン文字の「D」が使われている。蒸気機関車研究家の臼井茂信は、サハリン占領後も鉄道システムは日本式だったためではないかと推測している。
樺太向けD51形の製造の状況は、次のとおりである。
国連軍・韓国鉄道.
1950年の朝鮮戦争勃発とともに鉄道は主要な攻撃対象となり、多数の機関車が破壊された。この被害補充のためにアメリカ第8軍は国連軍名義で日本に蒸気機関車を発注するが、他社が南満洲鉄道や朝鮮総督府鉄道の設計図を流用して「ミカイ形」を製造するなか、中日本重工業（現・三菱重工業）のみがD51形を標準軌・密閉キャブ化して納入した。製造の状況は次のとおりである。
2両とも休戦後に大韓民国交通部鉄道局（当時。後の鉄道庁）に引き渡され、7形（ミカ7形）1・2として1960年代まで使用された。
戦後の改造機.
戦後、軍需貨物輸送の事実上の消滅と食糧難に起因する買い出し等による旅客の激増により、戦時中とは貨客の輸送需要が完全に逆転した。これに伴い、戦時中に最優先で量産されていた車齢の若い貨物用機関車が大量に余剰を来す一方で、旅客用機関車は1942年以降製造されておらず、1946年から1947年にかけて急遽C57形32両とC59形73両が製造されて不足が補われ、以後も順次旅客用機関車を増備して旺盛な旅客需要に対応することが計画されていた。実際にもC57・59両形式の追加生産が継続的に実施されており、1948年の段階で機関車メーカー各社は大量の仕掛品在庫を抱えていた。
だが、その後は預金封鎖が断行されるほど逼迫していた政府財政に起因する予算凍結が実施され、国鉄は機関車の自由な新規製造が不可能な状況に陥った。そのため、なおも不足する旅客用機関車を確保すべく、1948年にGHQ側担当将校デ・グロートの助言に従い、本形式のボイラーを活用し、C57形相当に従輪1軸を追加した軸配置、すなわちC57形のパシフィックからC60形やC62形と同様のハドソンとすることで重量増に対応する走り装置と組み合わせた、C61形旅客用機関車が33両製造されている。新規製造ではなく、書類上改造扱いだったため、予算会計上の規制を回避できた。既に車籍が存在していれば、実際には完全な新製であっても書類上「改造」とすることで会計監査上の指弾を免れうる、といういかにも官僚主義的なこの回避策は、戦前の統制経済初期段階から地方私鉄では車両確保の常套手段と化していた方策である。つまり国鉄当局は、貨物用機関車のボイラーを旅客用機関車に転用すればよい、というデ・グロートの助言をこれ幸いと言質にとって、戦前から監督官庁としてその手口を知悉していたこの策を講じた。また、このプランは仕掛状態で宙に浮いていたC57形未成車の部材、ひいては突然の予算凍結で困窮を強いられたメーカー各社の救済という意味合いもあり、33両といういかにも中途半端な製造両数も仕掛部材の残数に由来する。
さらに、1960年には地方線区への転用のため6両に軸重軽減の改造が施され、新形式のD61形となっている。
個別の改造機として注目すべきは、1956年11月の運転業務研究会発表資料として軸重可変機構を付与された、奈良機関区所属のD51 65である。当時の奈良機関区は中在家信号場前後に加太越えの難所を擁す関西本線を担当しており、重量級列車の機関車運用には困難を伴い、特に上り勾配での牽き出し時に重心移動で空転が発生しやすい本形式は、その改善が望まれていた。D51 65での改造は、この問題を解決するために提案されたもので、第4動軸後部の主台枠に空気シリンダーを取り付け、第4動軸と従台車を結ぶ釣り合い梁（イコライザー）の支点位置を移動させて軸重バランスを変え、これにより動軸重を通常の13.96tと15.46tに切り替え可能とするものである。この軸重可変機構は、上り勾配や出発時における空転抑止に加え、撒砂量の減少により軌道保守の負担軽減にも資するという特徴を有し、さらに単純に甲線規格対応の強力機を導入する場合とは異なり、上り勾配区間や駅構内などの必要な区間のみを軌道強化すればよく、本形式の運用線区に制約を加えるものではない、というメリットもあった。もっとも、この方式は動力近代化の方向性が定まってからの改造のためか他車には波及せずに終わっている。ただし、D51 65はその後奈良機関区から吹田第一機関区へ転じ、吹田操車場の入換機として、比較的長期にわたりこの仕様のままで運用された。なお、この軸重可変の思想は本形式の後継車となったDD51形において形を変えて日の目を見ている。
その他にもD51形は使用線区の事情に応じて様々な改造が施され、北海道や東北地方では寒冷地対策として、運転室特別整備工事と称する開放形運転台から乗務員扉の付いた密閉形運転台への改造が実施され、品質の悪い石炭を常用する常磐線で運行されていた水戸、平機関区配置のD51 112・121・123・248・313・381・389・411・503・551・645・647・672・695・821・914・931・946・1024・1068の20両には1仕業での投炭量が4 - 5トンを超過していたことから、機関助士の2人乗務を避けるべく自動給炭機（メカニカルストーカー）を追加搭載、長野では砂撒き管の増設が行われている。その他にも重油併焼装置やATS用発電機の設置、副灯の設置、キャブの屋根の後方への延長、運転室左右の前面部への旋回窓の設置、さらには変形（切り取り式）デフや集煙装置（変形デフや集煙装置の形状は担当工場ごとに細かく異なる）の装備、誘導通風装置（ギースル・エジェクタ）の取り付けなど、変化のバリエーションは多い。重油併燃装置用の重油タンクの装備位置は地域ごとに異なり、ボイラー上のドームの後ろ側に680リットルのカマボコ形タンクを装備するケースと、炭水車（テンダー）の炭庫後方に1500リットルもしくは3000リットルの直方体タンクを装備したケースがある（大型の3000リットルタンク装備車は東北地方に多かった）。また、肥薩線大畑越えに使用された人吉区のD51は、ボイラー上のタンクの容量不足を補うために助手席側ランボード上に200リットルの補助タンクを装備していた。誘導通風装置は、1963年3月に長野工場で改造されたD51 349を皮切りに、117・120・167・226・232・241・252・276・285・293・308・315・328・343・345・357・371・391・413・457・492・509・539・570・605・711・725・733・742・842・952・953・1037・1042・1119の合計36両に対して取り付けられた。シンダの溜まりが多く、また火の粉止めとしての効果も得られるなど好成績で、秋田機関区や北海道の各機関区、特に追分機関区所属車に対して集中的にこの改造が実施されている。
その中でも北海道で活躍したD51 54は、ナメクジ形ドームの砂箱前方を取り払い、その部分より前方を標準形と同様の形態に改装され、ナメクジ形ながら標準形の風貌を持つことで知られた。この機関車は特異な改造だったため、オリジナルを尊重する愛好家からは敬遠されたものの、変形機としての人気があり、地元では「オバQ」という愛称で呼ばれた。
運用.
全国の幹線・亜幹線に普及し、至る所でその姿は見られた。ただし、四国では土讃本線限定で使用された。貨物用のため地味な存在だったが、中央本線（中央東線・中央西線とも）や函館本線の“山線”区間（長万部 - 小樽間）などのように急勾配区間の多い路線では、急行をはじめとする優等列車を含む旅客列車の牽引に使われることも多く、羽越本線などのような平坦路線でも旅客列車牽引に使われた例があった。D51形は軸重が大きいため、多くは東海道本線や山陽本線、東北本線などの幹線の貨物列車を中心に牽引した。中にはお召し列車を牽引した車両や、先述のD51 65のように新鶴見操車場や吹田操車場などの基幹ヤードでハンプ押上げ用として使用された車両もある。
運転・保守両面では一部勾配線（後述）を除き概ね好評を博し、全国的に鉄道車両の保守状態が劣悪だった第二次世界大戦終結直後でも、本形式は9割を超える車両が稼働状態にあったといわれる。また、本形式以前の機関車は乗務員が慣れるまでの評価が低いものが多かったが、本形式は予想以上の好評で迎えられ、一番扱いやすい機関車であったとの証言も残っている。
しかし、勾配での重量貨物列車牽引においては、出力の増大と入線範囲拡大を目的とした動軸重の減少、それに車体長短縮などの設計上の無理に起因する不適切な動軸重配分によって、上り勾配での牽き出し時に生じる重心移動で空転しやすい傾向があり、勾配線では基本となったD50形の方が有利な局面が多々存在した。また、車体長短縮のために生じた前後方向の重心位置のアンバランスを運転台の小型化で是正しようとするなど、乗務員の作業環境を無視した設計となっていたため、運転台が広くしかも乗り心地に優れるD50形を運用していた各区からは酷評を受けた。中でも初期型（ナメクジ型）の評価が特に低く、事例として1・2号機をはじめとする初期型の新製配置先だった敦賀機関区や松本機関区、それに木曽福島機関区などの各機関区は一旦は初期型を受け入れたものの、ほぼ例外なく2年前後、最短では約10か月で他区へ転出させ、その後は他に選択肢が存在しない状況になるまで初期型を受け入れない対応を行っていた。改良形（標準形）が浜松工場で急遽試作され、重心位置を修正し、空転問題を多少なりとも改善した背景には、これら勾配線担当各区の受け取り拒否に等しい厳しい対応が影響している。
さらに前記の各区はD50形が空転し多数の窒息による重症者と死者を出した痛ましい事故が記憶に新しく標準形についても否定的で、一例として上諏訪機関区では1941年に本形式が3両新製配置されたが、その年のうちに全数を他区へ転属させてD50形に戻している。しかし、昭和23年（1948年）に再配備され、韮崎から小淵沢24.8kmにかけて25‰の勾配が続き標高差533mに達する急勾配と急カーブが連続する区間で、空転せずにD51を運転する方法を見つけ同機の性能を100%引き出したと評される。この難行区間で運転された準急「穂高」は乗員の技量とD51の性能無くして運用できなかった
勾配線での牽引力に優れていたため各地で貨物はもとより旅客列車にもその性能を発揮している。当初 D51 の配置を好まない傾向があった機関区でも、操縦に馴れるにつれD50よりもむしろ優秀であることがわかり、D51の配置を希望するようになっていった。 特記すべき区間として「矢岳超え」こと33.0‰の急勾配が存在する人吉 - 吉松間を受け持つ、人吉機関区では勾配用機関車E10形よりも曲線での空転が発生しにくいことから 、1972年にDD51形へ置き換えられるまで本形式が使用され続けている。「狩勝を経験した人は、どこの線区に行っても通用すると言われたし、事実、その通りだった」と評され、国内の路線でも自然条件と25‰の勾配が続き最小半径180mから179mの曲線が連続し運転の条件が厳しいため屈指の難所としてしられる旧狩勝線でも新線に切り替わる1966年まで運用された。運転に関わる立場からも普通の人々にも「力強い」というイメージを与え、急勾配でもD51は絶対に止まらないと運転側に信用されるようになった。
これに対して平坦線を担当する各区は稲沢機関区を筆頭に否定的な反応を示しておらず、高速走行時の脱線対策が採られていたこともあって比較的スムーズに導入が進んだ。戦時中には輸送力増強のためボイラー増圧に伴う空転対策が必要となったことから、平坦線各区に配置された車両を含め、本形式は初期形を中心にコンクリート製の死重をフロントデッキに搭載するなどの対策が講じられている。これにより、動輪上重量が15tに増えたほか、シリンダー牽引力がD50形より8パーセント上昇した。 
1941年から生産されたC59形は、当初の計画では本形式とボイラーを共通設計として量産効果や保守の容易化といったメリットが出る予定だったが、本形式において前後方向の重心問題が解決しなかったことで共通設計を断念し、対策として本形式のものを基本としつつ煙管長を500mm延長して重心を前方にシフトさせた専用ボイラーを別途設計することを強いられている。しかも、それでさえ従軸の軸重が過大で列車牽き出し時に車輪の割損事故を引き起こすなど、ボイラー火室付近の重量が過大であることを示すトラブルが頻発しており、この点からも、本形式のボイラーは機関車の重心設計という点で決して好ましいデザインではなかったことが見て取れる。
国鉄形蒸気機関車の中でも特にその末期まで残存した両数の多さと、知名度の高さにより、「名機」、「代表機」、「代名詞」などと表現されることもある本形式であるが、その広範な運用と知名度は、戦時体制に伴う貨物機大量需要から来た膨大な量産と、無理のあるコンパクト化によって軸量や転車台、曲線性能の関係で入線可能な区間が多かった結果に過ぎなかった。もっとも、これだけ生産されながら余剰機が出始めたのは動力近代化の進んだ1960年代からであり、各地の幹線・亜幹線で活躍し輸送力増強に貢献している。設計上の無理が生じた車両長の短縮についても、幹線は電化による近代化が進められていくことから、亜幹線でも十分な性能を発揮できるよう考慮されてのことであった。
夕張線（現・石勝線）・室蘭本線の貨物列車牽引では、夕張方面の炭鉱から室蘭港へ向かう2,400tの運炭列車をD50形とともに単機で牽引する運用をしていたことがあった。1953年（昭和28年）時点では本形式で函館本線小樽築港 - 滝川間と室蘭本線岩見沢 - 追分間で牽引定数が換算185両 (=1,850t)、追分 - 室蘭間で換算260両 (=2,600t) を設定。1952年（昭和27年）2月に追分 - 室蘭間で3,000tの牽き出し試験をしたところ、成績は良好だったものの単線区間の線路有効長の関係で実施に至らなかった。ここは従輪を持たず牽き出し性能で有利な9600形が2,000t牽引を行っていた区間であるが、夕張方面の炭坑から追分駅を経て苫小牧駅付近までの片勾配のゆるい下り坂区間においては、いかに長大とはいえセキの積車状態の編成であれば走行抵抗が小さく、本形式の単機でも牽き出しさえすれば、後は室蘭港まで引っ張っていけた。なお、牽き出しは非常にゆっくりしたもので、一両ずつ連結器がぶつかる音をたてながら行われた。この列車の尋常ではない長さは、空車のときにはゆるい上り勾配であることとあわせ、多く連なるセキが空気を巻き込んで抵抗が増え、速度が上らなかったほどである。大戦中は10‰勾配区間で本形式に8620形を補助機関車としてつけることとして1,200t列車の計画が立てられたが、機関車の所要数の増加を招くことから中止となった。
旅客列車の牽引では、函館本線の急行列車の牽引が特筆される。これは函館 - 長万部間を単機で、長万部 - 小樽間の通称「山線」を重連で牽引するも、高速運転で各部の損耗の速さによる検修の負担と、振動の激しさと連続力行で助士2人乗務で投炭することによる乗務員の負担過大からC62形への転換が行われ、1971年にはDD51形に置き換えられた。山線区間の仕業は機関車、乗務員ともに限界に挑むものであり、牽引機が更新されるたび、運転時分も短縮していった。
繁忙期には不足する旅客機関車に代わり臨時列車の牽引を受け持つこともあり、強力でスピードも出せるため勾配線では旅客列車を引っ張り、急行列車の先頭に立つこともあった。東北本線の臨時急行ではダイヤ上の関係から80km/h近い速度を出して運行されていた。これは、運転規定の最高速度85km/hに迫るものであり、前後動と乗り心地の悪さは異常なものであったと語られている。
電化やディーゼル化の影響による余剰廃車が本格的に出始めたのは1967年ごろからのことで、蒸気機関車の最後の時期まで多くの本形式が残っていた。特に1960年代から1970年代にかけて石北本線、東北本線、奥羽本線、伯備線などの急勾配区間において重連や3重連などで活躍する姿は当時の「SLブーム」の波に乗り、鉄道ファンや写真家、マスコミ関係者などの間で大変な人気を集めた。
また、羽越本線をはじめとする日本の原風景が残っていた線区を走る雄姿を撮影する鉄道ファンの姿も多かった。
しかし、製造両数が多いこともあって、当然蒸気機関車の中でも残存両数が多く、他の機関車よりも多く見ることができたため、鉄道撮影を主とするファンの中には他の少数派形式が来ることを期待していて、本形式が来ると「またD51か」とため息を漏らす者や、本形式牽引列車の場合はシャッターを切らない者も少なからず居たという。
最後に残ったのは北海道の追分機関区に所属していた5両で、C57 135牽引（現・鉄道博物館所蔵）の国鉄最終蒸機牽引旅客列車運転から10日後の1975年12月24日まで使用され、この日は241号機が担当した。これが国鉄における蒸気機関車牽引の最終貨物列車（夕張線6788列車）ならびに国鉄最後の蒸機本線走行となった。
これらの国鉄蒸気機関車の最後を飾った追分区所属のD51形は、地元、追分町（現・安平町）（241号機）や東京都台東区上野の国立科学博物館（国鉄工場最終出場蒸気機関車603号機）などといった各地に保存が決定していたが、1976年4月13日深夜に発生した追分機関区扇形庫火災により、国鉄最後の蒸気牽引入換運用機79602号機や、配属されたばかりの新鋭ディーゼル機関車（DD51形　682 - 684・1079・1103・1144・1169号機とDE10形 1744号機)8両とともに4両（241・465・603・1086号機）が焼失した。現在、安平町の鉄道資料館には旧追分機関区の機関庫の火災で焼失した当初の静態保存予定機で、動輪と煙室扉だけになってしまった241号機他の代わりとして、小樽築港機関区や追分機関区などで使用されていた320号機が静態保存されている。320号機は、本来は静態保存を予定していなかったが、急遽、静態保存機となったものである。また、国立科学博物館には同じく予定されていた603号機の代替として231号機が保存され、603号機は前面のみが状態が良かった為、前半分をカットモデルとして京都市の19世紀ホールに、書類上保留車のまま、屋外展示の51号機や他機関車と共に展示されていたが、2019年の年末に51号機の展示が終了し解体された。そして465号機は北海道の夕張郡由仁町の伏見台公園トリムコース入口付近に、1086号機はC57形 135号機として、北海道岩見沢市の岩見沢観光バスと、長万部駅前のお店から北海道大沼にある「SL夢ギャラリー　ポッポ爺」に譲り受けた、動輪のみがそれぞれ展示されている。なお、一方で火災を免れたDD51形 681・1166号機はのちに保存されずに、国鉄とJR貨物に廃車解体され、実質追分機関庫の火災で一切の損傷を受けずに残った機関車は現存しない形となった。なお、最終5両の内、916号機のみが前橋市前橋こども公園に保存されている。
日本国外では、台湾でDT650形として37両が使用された。台湾で使用されていたものは既に全車廃車となり、うち4両が静態保存されていたが、2011年11月に、DT668が動態復活した。観光用、イベント用として活用されている。
サハリンで使用されたものは引退後6両（1・2・23・25・26・27）が帰国し、各地に保存されているほか、現地でも4号機が観光列車として運行されている。
保存機.
蒸気機関車の代名詞でもあったD51形は、日本国内に限っても2021年現在2両（200・498号機）が本線で運行可能な状態で動態保存中、それ以外にも100両以上が全国各地の鉄道博物館やその他博物館、公共施設、学校、公園などで保存されている。なお、そのうち1・187・200・488・745号の5両は準鉄道記念物に指定されている。
本線上を運行可能な保存機.
JR東日本 D51 498.
東日本旅客鉄道（JR東日本）が、1988年に動態復元した機関車である。車籍は1972年に一旦抹消されたが、1988年の動態復元に伴い、同年復活した。
JR西日本 D51 200.
西日本旅客鉄道（JR西日本）の京都鉄道博物館（旧梅小路蒸気機関車館）に保存されている200号機は動態保存されており、車籍も有するが、全般検査を受けていなかったため本線走行はできず、館の展示線での展示運転（SLスチーム号）のみに留まっていたが、2017年に本線運転可能な状態に復元され、「SLやまぐち号」での運用を開始した。車籍は1979年に一旦抹消（有火保存）されたが、1987年に復活している。
2006年、「梅小路の蒸気機関車群と関連施設」として、準鉄道記念物に指定された。
台湾鉄路管理局 DT668.
2011年10月28日に海線にて試運転を行った後、11月11日の内湾線の記念運転を経て正式に動態復活となった。
その他の保存機.
以下に番号と所在地を示す。静態保存が大半だが、施設内を遊覧運転する程度の動態保存がなされている車両もある。
「デコイチ」と「デゴイチ」.
本形式の愛称としては「デコイチ」、「デゴイチ」ともに用いられている。現在は「デゴイチ」が多く見られるが、過去には、各鉄道趣味誌においても「デコイチ」の表記が多く存在していた。なおこの愛称については、本来は「デコイチ」だがSLブーム以降「デゴイチ」の方が一般的になった、という見解もある。竹島紀元は、戦前の蒸気機関車のニックネームとして鉄道現場に存在したのは自分が知る限りではD50形の「デコマル」とD51形の「デコイチ」であるとし、「鉄道現場のスラングのようなものでその発生や普及変遷について確実な状況はつかめない」と断った上で、以下のような点を指摘している。
一方、1946年発行『絵とき鉄道科学』(交友社)に「デゴイチ(中略)と呼ぶのが普通であります」と書かれ、、内田百閒による1950年ごろの国鉄職員が、Dの51だから「デゴイチ」だと言ったとする記述もあるため、少なくともこの頃に「デコイチ」のみだったと言えない。
初期形（半流線形）の愛称の「なめくじ」は、1936年3月発行の『鉄道趣味』で宮松金次郎が「上から見た処は丁度ボイラーの上に這い廻るなめくじです」と記したものが始めで、後年になって広まったものとされる。