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  在1930年代的昭和恐慌期間,日本鐵道運輸使用率低,沒有對貨運用機車有新需求,使數年間沒有新制車輛出現。但是,其後景氣好轉,顯著有輸送量回復的傾向,因而貨物用機車需要恢復製造。尤其令C11型鍋爐實用化的電氣溶接技術應用,使D51型於1936年應運而生。

  由於其設計是以D50型為基礎,因此D50與D51效能上大致相同。不過其能使用壓力提高及其他細小的改良,令其增大了若干的牽引力。另外,軸重減輕、全長短縮等令D51能廣泛使用在地方線區上。至於全面採用電氣溶接與動輪輪芯箱型化,使其形態的較接近C57型。  較早期製造的95輛(編號1～85、91～100號機)由於車身上部的汽包(steam dome)很長,所以擁有這形狀汽包的車型又被稱為「蛞蝓型」(,亦稱為「D51半流線形型」)。另外,22及23號機的頂蓋更伸延至駕駛室,而有「大蛞蝓」()之稱。當中23號機的駕駛室側面更裝上了路牌捕手和有車牌的時刻表。後來,這兩輛車都被改回普通的「蛞蝓型」。  由於「蛞蝓型」的集煙裝置不能裝在其構造上,因而其配置的分別就算改造成通常型亦能清楚看到。另外,當初「蛞蝓型」只是愛好者之間的通稱,不過後來在國鐵內部亦以它來區分初期型的D51。  在戰時中後期製造的車輛,D52型與同樣以木材作為代用材使用,以及煤水車的車架被省略及工作簡單化的戰時設計。但是,在戰後經常發生鍋爐爆炸的事故,因而在乘務員中出現了「駕駛時如抱著炸彈()」的評價。其後,這些車輛在效能進行了標準化的調整,不過其煤水車形狀仍保留以前的特徵。

  

  該型進入量產階段時,受到日本國內情勢與戰時體制影響,對該型機車的需求非常之大,因而國內的大型機車工廠及主要國鐵工場大半參與此型車的製造,1936年至1945年之間總共製造了1,115輛。這個數量顯示了當時人們對D51型的依賴。  有13輛並非由日本鐵道省訂購的D51型機車由於私營鐵道以及制海權喪失,而被運輸通訊省接收;同時,955～1000號全為缺號,不過由於戰時型的編號是由1001號開始區分。總之,可以說是1000系本型機車實為戰時型。

  1943年,汽車製造為樺太的獨立運作鐵道惠須取鐵道製造2臺D51型機車,此兩臺機車密閉的駕駛室為一大特徵。但兩臺機車並未交付惠須取鐵道,而被運輸通訊省接收,並重新編為D51 864 - D51 865。

  膽振縱貫鐵道於1941年到1943年間訂購5臺D51型機車,編號為D5101 - D5105。1944年,由於膽振縱貫鐵道,此5臺機車被運輸通訊省接收,並重新編為D51 950 - D51 954。此5臺D51型機車為日本本土私鐵唯一新造D51的事例。其形態與一般型沒有分別。

  1939年2月10日,日軍佔領海南島,石碌鐵礦為日本窒素接收。1940年3月,侵華日軍勘察設計採用1,067毫米軌距的石八線。1941年5月侵華日軍徵發60批總計5萬多中國民工開建石八線。1942年3月23日試運,4月7日通車。在1942年到1943年間,5臺D51型機車(D51 621・632 - 635)運往石碌鐵礦。1945年第二次世界大戰結束時,石碌鐵礦尚有兩臺D51型機車,但此兩臺機車此後的運用情況不明。1959年海南鐵路辦事處接管了石八線,接收日造蒸汽機車7臺包含4臺D51型。  此外,日本窒素於1945年為石碌鐵礦訂購的D51 1161由於喪失制海權而不能傳送至海南島,被運輸通訊省接收,戰後由日本國有鐵道繼承。這臺機車是戰時型,且為全體D51中唯一在1945年製造的機車,有一說是為了特殊的工作方法而被採用。

  臺灣總督府交通局鐵道部於1939年到1944年間訂購了共計32輛D51型蒸汽機車。其中27輛為標準型,剩餘5輛為戰時型。5輛戰時型由於喪失制海權而不能傳送,被運輸通訊省當作D51 1162～1166使用。戰後在臺灣方面的索回要求下,此5輛戰時型機車於1946年4月裝船輸出回到臺灣,成為臺灣鐵路管理局的DT678～682。這批車與D51 1001～1161同為戰時型所以效能方面較差劣,在晩期的使用鍋爐壓力有12公斤/立方厘米的限制。  1951年,臺灣鐵路管理局通過聯合國向汽車會社、三原車輛訂購5輛D51型機車,編為DT683~DT687。

  1949年,日本向蘇聯出口了30臺D51型蒸汽機車。這批D51型機車出於防寒需要,將駕駛室採用了密閉構造,一部分構造與日本國鐵D51型有所差異,且編號方式也與日本國鐵D51型有區別。這批D51型機車被蘇聯鐵路仍編為D51型,並部屬於薩哈林島鐵路,使用到1970年代被TG16型柴油機車和TGM7型柴油機車取代。有7臺機車退役後被日本買回展示(4臺機車儲存後解體撤展),1輛靜態展示於南薩哈林斯克,1輛動態展示於南薩哈林斯克。

  1950年朝鮮戰爭的爆發,使韓國鐵路遭受破壞。當時駐守韓國的美國第八集團軍以聯合國軍的名義向三菱重工業訂製了兩臺D51型蒸汽機車。這兩臺D51型戰後被韓國鐵道接收並被命名為MK7型(韓文:미카7;日文:ミカ7形),編號為1701和1702,使用到1960年代。這兩臺D51型與日本國鐵D51型的差異在於使用了標準軌以及取消擋煙板。

  戰後,能調配的貨物用機車十分充裕而旅客用機車卻十分不足,而在盟軍駐日總司令部(GHQ)的命令亦使當時的狀況下不可能製造新的機車。 有鑑於此,在1948年使用了本形的鍋爐,並以C57形的配件組合成33輛C61形旅客用機車登場(因為不是新造的,所以改造的方法乎合GHQ的限制)。其效能與C57形相近,將它們共通運用是常有的事。  同時,在1960年於地方線區運用的6輛實施減輕軸重的改造,成為新形式D61形。  其他的D51形則按其使用線區的需要而實施,如北海道的由開放式駕駛室改造為室密閉式,長野的增設砂撒管。其他的則有重油混燒裝置與ATS用發電機設定、副燈設定、亦有變形(切下式)除煙板與集煙裝置的裝備(變形除煙板與集煙裝置的形狀因擔當工場而各有不同)等的多元化變奏。其中以北海道活躍的D51 54本是蛞蝓型卻有標準型的風貌(切斷了蛞蝓型前方蛋形頂蓋的砂箱,改裝成與標準型前方同様的形態)最廣為人知。由於該機車此等異質的修改,因此被照相愛好者敬而遠之,但本地的是以「」這別名來稱呼,意思是被愛的機車。

  D51遍及全日本,各地亦見到其蹤跡(但在四國只限土贊本線使用)。不只是單單用以牽引貨列用,中央本線(中央東線・中央西線共同)與函館本線的「山線」區間(長萬部～小樽間)等高斜度區間較多的路線、也常常用來拉客車列車,甚至急行等優等列車;在羽越本線等這樣平坦路線亦有使用來牽引客車列車的例子。由於D51形車軸比較重,因而多於主要線路牽引客車。其中亦牽引過御用列車這榮譽專案的車輛。  而在牽引貨物列車其優秀效能,特別於夕張線(現・石勝線)～室蘭本線、亦有以單機牽引3,000噸的貨物列車從夕張方面的煤礦至室蘭港。  最後僅餘的數輛蒸汽機車屬北海道的追分機務段,在編號C57-135的國鐵蒸氣機車牽引最後一班旅客列車的10天后,1975年12月24日,編號241的D51型牽引夕張線6788次貨列,行走最後僅餘的蒸氣火車鐵路線上。  日本國外方面,以臺灣的37輛DT650型最為活躍,其中編號DT683-687的5輛機車於1951年透過聯合國的援助而購入,也是最後出廠的D51。現時全數車輛均已退役,臺鐵方面把其中4輛保留作靜態儲存,DT668於2011年11月復駛。另外,製造給蘇聯鐵路使用的30輛D51形亦一度成為主力活躍,在它們退役後,其中6輛(1、2、23、25、26、27)被運回日本全國各地儲存,現時保留4號車用作牽引觀光列車。

  D51形可以說成為日本蒸汽機車的代名詞,在車輛退役後,其中178輛在全國各地的鐵道儲存展示施設、博物館、公共設施、學校、公園等的地方作靜態儲存。當中的187號、488號和745號這3輛機車屬指定的「準鐵道記念物」。而1號機及200號機在京都市的梅小路蒸汽機車館儲存。

  

  編號498由鷹取工場製造,於1940年11月24日完成,新車出廠時配屬位於鷹取附近的岡山機務段。其後先後調至吹田(1951年8月～)→平(1953年12月～)→長岡第一(1963年10月～)→直江津(1965年4月～、當時為借用)→新津(1966年3月～)→阪町(1972年3月～)各機務段執行。1972年10月在鐵道100週年記念中於八高線的執行活動成為其最後的列車牽引運用。再者,與配置於阪町機務段時那樣,由高崎第一機務段借出地方擺放。這輛機車至12月1日除籍,同日決定了借予群馬縣利根郡月夜野町(現:利根郡)的事宜,4日後(12月5日)在上越線後閒站前作靜態儲存。  1988年為配合日本富士電視臺30週年紀念而訪日的東方快車,JR東日本打算在旗下管理的靜態蒸汽機車中選出1架儲存狀態較佳的蒸汽機車重新復活己索引東方快車,最後認定D51-498及C57-135(鐵道博物館) 的儲存狀態較佳可重新復活,但考慮到當時JR西日本已有同型的C57-1動態儲存中,故最後決定選擇D51-498重新復活。

  以下是作為參考,列出了5年間出動運轉的履歷。另外,這裡省略了不定期執行的「」。498號機,多在節目或紀年為理由作記念執行之用。再者,亦在目標宣傳()的大型活動中大活躍。

  今後的預定。包括掲載不定期運轉的「」。

  梅小路蒸氣機車館以動態儲存的方式儲存200號機,車籍仍然在籍,不過只是有在蒸氣機車館行走運轉的程度,實際在本線走行比較困難。現在亦能偶然看到「SL蒸氣號()」賓士時的姿態。  同時,該機亦作為訓練新人機關士的訓練車使用。

  DT668號於1984年3月停用除籍,並與CT273(CT270型,日本C57型)一同停放在新竹機務段苗栗機務分段內(現新竹機務段苗栗機務分駐所),1993年8月送往屏東縣麟洛運動公園供民眾參觀,2000年由屏東縣政府歸還臺灣鐵路管理局,放置在彰化扇形車庫儲存供靜態展示,2010年12月13日起重新整修。在海線軌道上進行短暫的測試之後,於2011年11月11日在新竹內灣支線上復駛,作為內灣線改造升級之後重新通車的慶祝活動之一。

  俄羅斯鐵路公司遠東鐵路局以動態儲存的方式儲存D51-4,用於牽引旅遊列車。

  作為N比例的鐵道模型,關水金屬(KATO)及MICRO ACE等將其製品化。另外,普拉軌道亦有將D51製品化。
D51型蒸汽機車()是日本國有鐵道(國鐵)的前身——鐵道省所設計製造的一款煤水車式蒸汽機車。