硬度

材料科学において、硬度（反意語：柔らかさ）は、押圧または摩耗によって機械的に誘発される圧痕（一面）や引っかき傷（線状）などの局所的な 塑性変形に対する抵抗の尺度です。一般に、異なる材料は硬度が異なります。たとえば、チタンやベリリウムなどの硬い金属は、ナトリウムや金属スズなどの柔らかい金属、木材や一般的なプラスチックよりも硬いです。マクロ的な硬度は一般に強い分子間結合によって特徴付けられますが、力がかかった固体材料の挙動は複雑です。したがって、硬度は引っかき硬度、押し込み硬度、反発硬度など、さまざまな方法で測定できます。硬度は、延性、弾性剛性、可塑性、歪み、強度、靭性、粘弾性、粘度に依存します。硬い物質の一般的な例としては、セラミック、コンクリート、特定の金属、超硬質材料があり、これらは柔らかい物質と対比されます。

硬度測定には、スクラッチ、インデント、リバウンドの 3 つの主な種類があります。これらの各測定クラスには、個別の測定スケールがあります。実用的な理由から、あるスケールから別のスケールへの変換には変換表が使用されます。

引っかき硬度は、鋭利な物体との摩擦によるサンプルの破損や永久塑性変形に対する耐性の尺度です。 ^[1]原理は、より硬い材料で作られた物体は、より柔らかい材料で作られた物体を傷つけるというものです。コーティングをテストする場合、引っかき硬度はフィルムを基材まで切断するために必要な力を指します。最も一般的なテストは、鉱物学で使用されるモース硬度スケールです。この測定を行うツールの1つは硬度計です。

これらのテストを行うために使用される別のツールは、ポケット硬度計です。このツールは、4輪の台車に取り付けられた目盛り付きのスケールアームで構成されています。鋭い縁の付いたスクラッチツールは、テスト面に対して所定の角度で取り付けられています。これを使用するには、目盛りの1つでスケールアームに既知の質量の重りを追加し、ツールをテスト面に沿って引っ張ります。重りと目盛りを使用すると、複雑な機械を必要とせずに既知の圧力を加えることができます。^[2]

押し込み硬度は、鋭利な物体からの一定の圧縮荷重による材料の変形に対するサンプルの抵抗を測定します。押し込み硬度のテストは、主に工学および冶金学で使用されます。テストは、特定の寸法と荷重を与えられた圧子によって残された押し込みの重要な寸法を測定するという基本的な前提に基づいて機能します。一般的な押し込み硬度スケールには、ロックウェル、ビッカース、ショア、ブリネルなどがあります。

反発硬度は動的硬度とも呼ばれ、ダイヤモンドの先端が付いたハンマーを一定の高さから材料に落としたときの「跳ね返り」の高さを測定します。このタイプの硬度は弾性と関係があります。この測定に使用する装置は、硬性鏡として知られています。^[3]反発硬度を測定する 2 つのスケールは、リープ反発硬度試験とベネット硬度スケールです。超音波接触インピーダンス (UCI) 法は、振動棒の周波数を測定することで硬度を決定します。この棒は、振動要素を備えた金属シャフトと、片端に取り付けられたピラミッド型のダイヤモンドで構成されています。^[4]

硬化プロセスには、ホールペッチ強化、加工硬化、固溶強化、析出硬化、マルテンサイト変態の 5 つがあります。

固体力学では、固体は一般に、力の大きさと材料の種類に応じて、 力に対して 3 つの反応を示します。

• 弾性、つまり一時的に形状を変える能力があり、圧力がなくなると元の形状に戻ります。弾性範囲内の「硬さ」、つまり与えられた力に対して形状が一時的にわずかに変化する状態は、特定の物体の場合は剛性、材料の場合は高弾性係数として知られています。
• 材料は可塑性を示します。可塑性は、力に応じて形状を永久的に変化させる能力ですが、1 つのピースのままです。降伏強度は、弾性変形が塑性変形に移行する点です。塑性範囲での変形は非線形であり、応力-ひずみ曲線によって説明されます。この応答により、材料科学で説明および測定されている引っかき硬度と押し込み硬度の観測特性が生成されます。一部の材料は、塑性変形を受けると弾性と粘性の両方を示します。これは粘弾性と呼ばれます。
• それらは破損し、2つ以上の破片に分裂します。

強度は、材料の弾性範囲、または弾性範囲と塑性範囲の両方の程度を測る尺度です。これは、関与する力の方向に応じて、圧縮強度、せん断強度、引張強度として定量化されます。極限強度は、特定の材料と形状の部品が耐えられる最大荷重の工学的尺度です。

脆性は、技術的には、事前にほとんどまたは全く検出可能な塑性変形がない状態で材料が破損する傾向を指します。したがって、技術的には、材料は脆くも強くもあり得ます。日常的な用法では、「脆性」は通常、わずかな力で破損する傾向を指し、脆さと強度の欠如（技術的な意味で）の両方を示します。完全に脆い材料の場合、降伏強度と極限強度は同じです。なぜなら、検出可能な塑性変形が発生しないからです。脆性の反対は延性です。

材料の靭性は、破砕前に吸収できる最大エネルギー量であり、適用できる力の量とは異なります。脆い材料の場合、弾性変形や塑性変形によって材料が大量のエネルギーを吸収できるため、靭性は小さくなる傾向があります。

硬度は粒子サイズが小さくなるにつれて増加します。これはホール・ペッチ関係として知られています。しかし、臨界粒径以下では、硬度は粒径の減少とともに減少します。これは逆ホール・ペッチ効果として知られています。

材料の変形に対する硬さは、体積弾性率やヤング率などの剛性やこわさの特性ではなく、あらゆる方向における微小耐久性または小規模せん断弾性率に依存します。剛性は硬度と混同されることがよくあります。^{[5] [6]}一部の材料はダイヤモンドよりも硬いですが（例：オスミウム）、より硬くはなく、鱗片状または針状の 剥離や剥落を起こしやすい傾向があります。

硬さのメカニズムを理解する鍵は、金属の微細構造、つまり原子レベルでの原子の構造と配列を理解することです。実際、今日の製品の製造に不可欠な最も重要な金属特性は、材料の微細構造によって決まります。^{[7]原子レベルでは、金属内の原子は}結晶格子と呼ばれる整然とした3次元配列に配置されています。しかし実際には、金属の特定の標本に一貫した単一の結晶格子が含まれることはおそらくありません。金属の特定のサンプルには多くの粒子が含まれ、各粒子はかなり一貫した配列パターンを持っています。さらに小さなスケールでは、各粒子に不規則性があります。

微細構造の粒子レベルでは、材料の硬度に関係する 2 種類の不規則性があります。これらの不規則性は、点欠陥と線欠陥です。点欠陥は、粒子の全体的な 3 次元格子内の単一の格子サイトにある不規則性です。主な点欠陥は 3 つあります。配列から原子が欠落している場合、空孔欠陥が形成されます。通常金属原子が占める格子サイトに異なるタイプの原子がある場合、置換欠陥が形成されます。通常存在しないはずのサイトに原子が存在する場合、格子間欠陥が形成されます。これは、結晶格子内の原子間に空間が存在するために可能になります。点欠陥は結晶格子内の単一のサイトにある不規則性ですが、線欠陥は原子の平面上の不規則性です。転位は、これらの平面の不整合を伴う線欠陥の一種です。刃状転位の場合、原子の半分の平面が 2 つの原子平面の間に挟まれます。らせん転位の場合、2つの原子面がずれ、その間にらせん状の配列が走る。^[8]

ガラスでは、硬度はネットワークの原子間に作用する位相的制約の数に線形に依存するようです。^[9]したがって、剛性理論により、組成に対する硬度の値を予測することが可能になりました。

転位は原子面が滑るメカニズムを提供し、それによって塑性変形または永久変形の方法となる。^[7] 原子面は転位の片側から反対側に反転することができ、転位が材料を横断し、材料が永久変形することを効果的に可能にする。これらの転位によって可能になる動きは、材料の硬度を低下させる。

原子面の動きを抑制し、硬くする方法としては、転位同士および格子間原子との相互作用が関係している。転位が2つ目の転位と交差すると、結晶格子を通過できなくなる。転位の交差によりアンカーポイントが形成され、原子面が互いに滑り続けることがなくなる^[10]転位は格子間原子との相互作用によっても固定される。転位が2つ以上の格子間原子と接触すると、面の滑りが再び妨げられる。格子間原子は、交差する転位と同じようにアンカーポイント、つまりピンニングポイントを形成する。

格子間原子の存在と転位の密度を変えることで、特定の金属の硬度を制御できます。一見直感に反するように見えますが、転位の密度が増加すると、交差が多くなり、その結果アンカー ポイントが増えます。同様に、格子間原子が追加されると、転位の動きを妨げるピンニング ポイントが多く形成されます。結果として、アンカー ポイントが追加されるほど、材料は硬くなります。

硬度数と材料が示す応力-ひずみ曲線の関係には注意が必要です。後者は、通常、引張試験によって得られ、材料（ほとんどの場合、金属）の完全な塑性応答を捉えます。実際、これは（真の）フォン ミーゼス塑性ひずみの（真の）フォン ミーゼス応力への依存性ですが、これは公称応力 - 公称ひずみ曲線（プレネッキング状態）から簡単に得られ、これは引張試験の直接の結果です。この関係は、多くの場合、有限要素法（FEM）を使用することで、ほぼすべての荷重状況に対する材料の反応を説明するために使用できます。これは、インデンテーション試験（特定のサイズと形状の圧子、および特定の適用荷重を使用）の結果に適用されます。

しかし、硬度の数値は応力とひずみの関係に依存しますが、前者から後者を推測することは決して簡単ではなく、従来の硬度試験では厳密に試みられません。(実際、インデンテーション試験の反復 FEM モデリングを含むインデンテーション プラストメトリー技術では、インデンテーションによって応力とひずみの曲線を取得できますが、これは従来の硬度試験の範囲外です。) 硬度の数値は、塑性変形に対する抵抗の半定量的な指標にすぎません。硬度は、ほとんどの種類の試験で同様の方法 (通常は荷重を接触面積で割った値) で定義されますが、特定の材料で得られる数値は、異なる種類の試験、さらには異なる荷重を適用した同じ試験でも異なります。応力-ひずみ曲線の特徴、特に降伏応力と極限引張応力（UTS）^{を特定の種類の}硬度数から得ることができる簡単な解析式を特定しようとする試みが時々行われます^{[11] [ 12} ] [13] [14] [15]。しかし、これらはすべて経験的な相関関係に基づいており、多くの場合、特定の種類の合金に固有のものです。そのような制限があっても、得られた値は多くの場合非常に信頼できません。根本的な問題は、降伏応力と加工硬化特性のさまざまな組み合わせを持つ金属が同じ硬度数を示す可能性があることです。硬度数を定量的な目的で使用する場合は、せいぜいかなりの注意を払って取り組む必要があります。

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• Revankar, G. (2003) 「硬度試験入門」機械試験および評価、ASM Online Vol. 8。

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