梶テストリサーチ
株式会社ＫＴＲでは、品質試験・性能評価以外にも、
エコマークの申請・モニター・耐久試験等、開発業務支援も行っています。

◆今回のテーマは、[硬さ]とはなにか　です。

「硬さ」

＜1.硬さの定義＞
「硬さ」とは常識では誰でも知っているのに、学問的にはよく分かっていない。
一般に言われている硬いとか軟らかいということは、両者を比較してどちらが硬いか判断しているだけで、絶対的な硬さを言っているのではない。
硬さは、材料のいろんな物理的な性質を表している。主に引っ張り、圧縮、曲げ、せん断、ねじり、衝撃、疲れ、クリープ、摩耗などです。

一般的な硬さの定義は次のようになっている。
「ある物体の硬さとは、それが他の物体によって変形を与えられようとするときに表す抵抗の程度である。」

＜2.硬さ測定の長所＞
硬さ試験は厳密には破壊試験の一つでありながら、圧痕（あっこん：へこみ）が小さいので測定物をほとんど破壊しない非破壊試験的であるところに価値がある。
硬さを測定することにより、その物の引っ張り強さなどを推定できる。
同一材料を引っ張ったときの引っ張り強さと、硬さを測定し、どれぐらいの引っ張り強さのとき、硬さはどれぐらいかということから、硬さから引っ張り強さを換算する。

＜3.鉄（鋼）の硬さ測定と破壊強さとの関係＞
圧子（あっし：押し込むもの）を押し込んでいる平均圧力はその材料の降伏応力の約3倍であることが分かっています。
鉄のビッカース硬さ（後で説明します）が120ＨＶとしますと、その鉄の破壊強さ（降伏応力）は

　　　　　　120ＨＶ　÷　3　＝　40ｋｇ/ｍ㎡

となります。
したがって、硬度を測ることで、鋼の強さとか、種類とか、焼き入れの有無や焼き入れの深さがわかります。

＜4.硬さ測定の分類＞
硬さ測定方法にはいろんな種類があります。それぞれの目的に応じて独自の試験方法が考えられました。基本的な測定方法は次の4つに分類されます。
金属や合金、岩石、竹、コンクリート、プラスチックなど固体と見られるすべての材料に共通の試験を行って、それらの硬さを一律に比較することはできません。

代表的な硬さ試験方法は次の4つに分類されます。

＜5.代表的な硬さ測定器＞

＜6.硬さの換算＞
先に説明したとうり硬さ測定はそれぞれ試験方法が違っているので、理論的に換算することは出来ない。
しかし、ある範囲内ではいろいろと換算表が作られている。ただし、違う換算表の値は必ずしも同じ値ではない。
金属によく用いられる、ビッカース硬度とロックウエルのＣスケールの簡単な比較の値を表記する。

概略、ビッカースの1/10がロックウエルのＣスケールの値とほぼ同じである。
参考に鉄の引っ張り強さも表記している。引っ張り強さの約3倍がビッカース硬さである。

＜7.なぜダイヤモンドの硬さが一番硬いのか＞
ダイヤモンドが一番硬いと言われています。ダイヤモンドは炭素だけが結合したものです。
ということは、炭素元素が硬いのでしょうか。元素に硬い元素と軟らかい元素があるのでしょうか。
元素の硬さには差はありません。ただ元素の結合の強さに違いがあるのです。
ダイヤモンドの炭素元素は4つの腕があり、それが正4面体の頂点に向いています。そのすべてがそれぞれ炭素元素と結びついています。
そのために、結合が強く硬くなっている。
鉄とアルミの硬さの差はその金属結晶の差によります。

＜8.金属の硬さ（ビッカース硬さ）＞
代表的な金属の硬さを表記します。

＜まとめ＞
硬さ測定は、費用も安く手軽に測定できます。鉄の硬さを測定する場合が一番多いと思います。その場合、測定する金属の結晶構造とか焼き入れ加工の有無とかが大事になってきます。それが少し難かしく感じるのだと思います。
硬さ測定の中でも、ビッカース硬さは樹脂から金属までかなり広い範囲まで測定することができます。
とりあえず材料の物理的性質を知りたいときは、気軽に硬さを測定していただきたいと思います。