材料硬度を理解する：エンジニアリング材料比較ガイド
製品開発プロセスにはいくつかの副次的プロセスが含まれますが、その中で材料選定が最も重要です。
すべての材料には異なる機械的特性と能力があります。正しい材料選択をするには、部品が経験する荷重条件のタイプを特定する必要があります。例えば、他の部品と接触したり、衝撃荷重を受けたりする部品（またはアセンブリ）を設計する場合、十分な材料硬度を持つ材料を選択する必要があります。
しかし、材料硬度とは一体何であり、どう測定すればよいのでしょうか？この記事では、これらの疑問にお答えします。
材料硬度とは？
材料硬度とは、集中荷重による局所的な塑性変形に耐える材料の能力です。
言い換えれば、材料が高硬度であるとは、引っかき、押し込み、摩耗などの外力があっても形状を保持できることを意味します。したがって、チタンやダイヤモンドのような材料は、プラスチックよりも高い硬度を持ちます。
ダイヤモンドとプラスチックを比較する場合、どちらの材料がより高い硬度を持つかは直感的にわかります。しかし、密接に関連した金属（または合金）の間で選択する場合、硬度試験を実施しない限り、正しい判断を下すことはほぼ不可能です。
材料硬度の試験方法はいくつかあります。それらを議論する前に、まず材料硬度の種類を理解することが重要です。
材料硬度の種類
材料硬度には以下の3種類があります：
- 押し込み硬度
- 引っかき硬度
- 反発硬度
押し込み硬度とは、継続的な荷重を受けた際の材料の永久変形に対する抵抗を指します。対照的に、引っかき硬度は、他の金属との接触による表面の引っかき傷に対する材料の抵抗性を表します。最後に、反発硬度は材料の弾性に関連し、衝撃エネルギーを吸収する材料の能力を表します。
部品が経験する荷重（または環境）条件の種類がわかれば、以下の硬度試験方法のいずれかを検討して、材料選択肢を比較できます。必要な設備があれば、これらの試験を自分で実施できます。または、サプライヤーからの情報や、Matwebのようなさまざまな材料の特性を掲載しているオンラインリソースを利用できます。
材料硬度の試験方法：4つのテスト手法
方法 #1 ブリネル試験
Wikimedia Commons提供のブリネル硬度試験機。
ブリネル試験は、材料の押し込み硬度を測定します。この試験方法では、圧子（通常は硬化鋼球）を使用して試験片に押し込み痕を作ります。この試験では、圧子を所定の位置に保持し、所定の力を球（および材料表面）に所定の期間加えます。
次に、試験片に形成された押し込み痕の大きさに応じて、ブリネル硬さ番号を材料に割り当てます。押し込み痕は顕微鏡で測定し、ブリネル硬さ番号は以下の式で計算できます：
各項の意味：
HB = ブリネル硬度 (kg/mm²)
P = 荷重 (ニュートン単位)
D = 圧子直径 (ミリメートル単位)
d = 押し込み痕直径 (ミリメートル単位)
ただし、圧子にかける所定の荷重は、試験しようとする材料によって異なることに注意してください。例えば、品質管理の専門家は、鉄や鋼などの硬い金属には通常3000kg（または30,000N）の標準荷重を使用します。一方、銅や黄銅などの軟らかい材料には、500kg（または5,000N）の荷重をかけるべきです。
方法 #2 ロックウェル硬度試験
ロックウェル硬度試験を実施するオペレーター
ブリネル硬度試験と同様に、ロックウェル硬度試験も押し込み硬度の測定に使用され、通常、圧子（鋼球または球状ダイヤモンド圧子）を使用します。
しかし、ブリネル硬度試験では圧子を所定位置に保持するのに対し、ロックウェル硬度試験では、最初に小荷重（通常10kgまたは100N）をかけて圧子を保持し、その後、主要試験荷重を加えます。主要荷重を取り除いた後、小荷重をかけたままの状態で、押し込み深さを測定します。
その後、異なるロックウェル硬度スケール（A、B、Cなど）を使用して硬さ番号を読み取ります。理想的なスケールは、使用する圧子の種類と材料にかけた試験荷重によって異なります。例えば、鋼合金の硬度を測定したい場合、最大140kgの主要荷重でダイヤモンド圧子を使用する必要があります。このシナリオでは、「C」スケールで硬さ番号を読み取ります。
銅合金などの軟らかい金属の場合、品質管理の専門家はダイヤモンド鋼球（最大100kgの主要荷重）を使用し、「B」スケールで硬さ番号を読み取ります。
方法 #3 モース硬度試験
モース硬度試験は、材料の引っかき抵抗を測定するのに適しています。この試験方法では、所定の硬度を持つ参照材料を使用して、試験対象材料の表面を引っかきます。硬度値は、10種類の鉱物で構成され、それぞれに任意の硬度値が割り当てられたモーススケールで表されます。
Alan's Factory Outletのモース硬度チャート（上記スクリーンショット）では、さまざまな金属の引っかき抵抗の例を見ることができます。
方法 #4 ショア・スクロスコープ硬度試験
ショア・スクロスコープは、材料の反発硬度を測定する装置です。この装置は、スタンドに取り付けられた目盛り付きガラス管を備えています。材料の反発硬度を決定するには、ダイヤモンド先端のハンマーをガラス管を通して材料に落とします。
三脚に取り付けられたショア・スクロスコープの概略図。Wikimedia Commons提供。
硬度値は、ハンマーが試験片に衝突した後の跳ね返りの高さに比例します。例えば、より高い硬度の材料は、より低い硬度の材料よりも大きな跳ね返り高さを生じさせます。
材料硬度試験と製品開発：Gensun Precision Machiningサービス
疑いなく、製品設計に理想的な材料を決定するには、さまざまな材料の硬度を知ることが不可欠です。しかし、製品に適した材料を選択した後でも、あなたの部品を正確かつ精密に製造できる適切な機械加工業者と機械技師を見つける必要があります。
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