材料の硬度評価：変形抵抗の理解と測定法

材料が局所的な永久変形（へこみなど）に耐えられる能力は、硬度によって特徴づけられます。切削、摩耗、貫通、引っかき傷なども材料を変形させるため、硬度は材料の変形抵抗を定義する指標としても用いられます。

物質の局所的な永久変形に対する抵抗を測るのが硬度です。永久歪みは塑性変形とも呼ばれます。弾性変形は力が加わっている間だけ形状が変化しますが、塑性変形は力を取り除いても元の形状に戻りません。

この記事では、以下の疑問について解説します。

• 材料の硬度とは？
• 硬度の種類は？

それでは詳しく見ていきましょう。

材料の硬度とは？

硬度とは、機械的な押し込み（圧子）や摩耗によって生じる局所的な塑性変形に対する材料の抵抗度を測定する手法です。硬度は材料によって異なります。例えば、チタンやベリリウムのような硬い金属は、ナトリウムや金属スズのような軟らかい金属、木材、一般的なポリマーよりも硬度が高いです。

強い分子間結合が巨視的な硬度を説明しますが、固体材料の力に対する挙動は複雑なため、引っかき硬度、押し込み硬度、反発硬度はすべて異なる硬度の指標となります。延性、弾性剛性、塑性、ひずみ、強度、靭性、粘弾性、粘性など、すべてが硬度に影響を与える要因です。セラミックス、コンクリート、特定金属、超硬材料などが硬い物質の例であり、軟らかい物質と比較されます。

一部の材料は天然に高い硬度を持ちます。例えば、タングステンは非常に硬い金属で、工具鋼の合金元素として使用されます。これにより、高温切削でも耐摩耗性を維持できます。タングステンは超硬合金（セメンテッドカーバイド）に頻繁に含まれ、フライス加工用カッターに広く使用されます。これらの交換可能な切削工具ビットは、切削工具の寿命を大幅に延ばします。

一方、純金のように様々な用途で使えないほど軟らかい材料もあります。純金は非常に軟らかく、わずかな力で傷ついたり曲がったりします。硬度を高めるために、銀、銅、アルミニウムなどの他の金属を添加する必要があります。

一部の材料では、熱処理によって表面硬度を高めながら、金属の他の特性を維持できます。これは工作機械のシャフトで一般的な処理で、寿命を延ばすために行われます。製品設計コンセプトを立案する際、エンジニアは硬度比も考慮する必要があります。例えば、軸受と軸の嵌合では、軸受の方を軟らかくする必要があります。なぜなら交換が容易だからです。頻繁な相対運動ではどちらかが摩耗しますが、どちらを摩耗させるかはエンジニアが決定します。

硬度の種類

材料の変形抵抗は、表面の押し込み抵抗を測定する標準試験によってテストされます。押し込みの形状・種類、大きさ、印加荷重が、最も一般的な硬度試験の要素です。

引っかき硬度、押し込み硬度、反発硬度の3つが基本的な硬度試験タイプです。これら各測定クラス内に個別の測定スケールが存在します。実用上は、換算表を用いてスケール間を変換します。以下が主な硬度の種類です。

• 引っかき硬度
• 押し込み硬度
• 反発硬度

引っかき硬度

引っかき硬度とは、鋭利な物体との摩擦によって生じる破断または持続的な塑性変形に対する試料の抵抗を指します。より硬い物質で作られた物体は、より軟らかい物質で作られた物体を引っかくという原理です。

コーティングの試験では、基材まで膜を切り裂くのに必要な力を引っかき硬度とします。鉱物学で用いられるモース硬度スケールが最も一般的な試験です。スクレロメーターという装置で測定できます。

ポケット硬度計も同様の試験に用いられる工具です。この装置では、目盛り付きスケールアームが4輪のキャリッジに連結されています。所定の角度で鋭利なリムを持つ引っかき工具が試験面に取り付けられます。使用時は、既知の質量をスケールアームの目盛り位置に置き、工具を試験面に引きずります。重りと目盛りを用いることで、高価な機械を使わずに既知の圧力をかけられます。

押し込み硬度

鋭利な物体からの定常的な圧縮荷重によって生じる材料変形に対する試料の抵抗を測定するのが押し込み硬度です。押し込み硬度試験は、工学と冶金学で最も一般的に用いられます。試験は、特別に設計された寸法と荷重を持つ圧子によって生じる押し込み痕の臨界寸法を測定する原理に基づきます。ロックウェル、ビッカーズ、ショア、ブリネルなどが、最も一般的な押し込み硬度スケールです。

反発硬度

固定高さから材料に落下させたダイヤモンドチップ付きハンマーの「跳ね返り」の高さを測定するのが反発硬度（動的硬度とも呼ばれる）です。このタイプの硬度は弾性に関連しています。ステレオスコープ（またはショア硬度計）という装置で測定します。

リーブ反発硬度試験とベネット硬度スケールが、反発硬度を定量化する2つのスケールです。

超音波接触インピーダンス（UCI）法では、振動ロッドの周波数を測定して硬度を評価します。ロッドは、振動素子と片端に取り付けられたピラミッド形ダイヤモンドからなる金属シャフトで構成されます。

まとめ

材料の硬度は、エンジニアリングプロジェクトを設計する際に考慮すべき非常に重要な要素です。これがプロジェクトの信頼性と機能性を決定するからです。言い換えれば、材料硬度はエンジニアリング設計の重要なファクターです。以上、材料硬度に関する簡潔な解説でした。

この記事がお役に立てば幸いです。シェアも歓迎します。ご覧いただきありがとうございました。