硬さ・強さ・靭性の違い:測り方・単位・熱処理での変化を比較
硬さは表面に押し込まれたときの変形への抵抗、強さは材料全体が永久変形したり破断したりする応力、靭性は壊れるまでにエネルギーを吸収し、き裂の進展に耐える能力です。鋼では硬さと強さはよく対応し、硬さから引張強さのおよその値を換算できますが、靭性は別の量で、焼入れなどで硬く強くするとむしろ下がる傾向があります。ガラスやセラミックスが「硬いのに割れやすい」のは、硬さが高くても靭性が低いからです。部品では、こすれて摩耗する面は硬さ、荷重を受けるボルトや軸は強さ(降伏強さ)、衝撃や低温にさらされる構造は靭性を重視して選びます。
| 項目 | 硬さ | 強さ | 靭性 |
|---|---|---|---|
| 何への抵抗か | 圧子を押し込まれたときにできる、表面の局所的なくぼみ(塑性変形) | 材料全体が永久変形し始める応力(降伏強さ)と、破断までに耐えられる最大の応力(引張強さ) | き裂があるときや衝撃を受けたときに、壊れるまでに吸収するエネルギーと、き裂の進展への抵抗 |
| 代表的な試験 | ビッカース(対面角136°のダイヤモンド四角錐)、ブリネル(球の圧子)、ロックウェル(Cスケールは頂角120°のダイヤモンド円錐) | 引張試験(JIS Z 2241)。応力ひずみ曲線から、降伏点か0.2%耐力、引張強さ、伸びを求める | シャルピー衝撃試験(JIS Z 2242、10×10×55 mmの切欠き付き試験片)、き裂を入れた試験片での破壊靭性試験 |
| 値の表し方 | HV、HBW、HRCなどの硬さの数。試験法ごとの尺度なので、同じ試験法どうしで比べる | 応力の単位 MPa(= N/mm²) | シャルピー試験は吸収エネルギー(J)、破壊靭性は K_IC(MPa·√m) |
| 試験の手軽さ | 表面に小さなくぼみをつけるだけで、製品そのものでも測れる | 決まった形の試験片を切り出して、破断させる | 切欠きやき裂を入れた試験片が必要。温度を変えて何本も試験することが多い |
| 互いの関係 | 鋼では硬さから引張強さを換算できる。換算表の例では、HV 200〜400で引張強さ(MPa)はHVのおよそ3.1〜3.2倍(HV 300で約950 MPa)、HV 500では約3.4倍。表面硬化した面には使えない | 鋼では硬さとよく対応し、強くするほど硬くなる | 硬さ・強さとは別の量。熱処理などで強さを上げると、破壊靭性は下がる傾向がある |
| 焼入れ・焼戻しでの変化 | 焼入れで大きく上がり、焼戻しの温度が高いほど下がる | 硬さと同じ傾向。S45Cの参考値で、焼入れ焼戻し材は引張強さ690 N/mm²以上、焼ならし材は570 N/mm²以上 | 焼入れままでは低く、焼戻しで回復する。焼戻しの温度が高いほど上がるが、約250〜400℃では低温焼戻し脆性で下がる |
| セラミックスと鋼の例 | 純度99.5%のアルミナの例で HV 約16 GPa(約1600)。焼入れ焼戻ししたS45C(HB 201〜269、HVにしておよそ210〜280)の5倍以上 | アルミナの曲げ強さは、純度99.5%の例で約400 MPa(3点曲げ)。純度や製法で約400〜600 MPaの幅がある。小さな欠陥から壊れるので、値のばらつきが大きい | アルミナの K_IC は約3〜5 MPa·√m、構造用の鋼は約50〜150 MPa·√m で、鋼のほうが10倍以上大きい |
| 高める方法 | 焼入れ、浸炭・窒化などの表面硬化、TiNなどの硬質膜 | 固溶強化、析出硬化、加工硬化、結晶粒の微細化 | 結晶粒の微細化、介在物を減らす、適切な焼戻し。セラミックスでは変態強化や繊維による強化 |
| 効いてくる場面 | 摩耗・傷・押し込み。軸受、刃物、歯車の歯面、金型 | 決まった荷重で変形・破断させない。ボルト、軸、梁、ばね | 衝撃・き裂・低温。圧力容器、橋、船体、航空機の構造 |
数値は代表的な目安で、世代や製品によって異なります。