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材料科学において、硬度（対義語：軟らかさ）は、圧痕（領域全体にわたる）や引っかき傷（線状）など、機械的に押圧または摩耗によって誘発される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軟らかい金属、または木材や一般的なプラスチックよりも硬いです。巨視的な硬度は一般的に強い分子間結合によって特徴付けられますが、力の下での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、圧痕硬度、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、塑性、ひずみ、強度、靭性、粘弾性、および粘度に依存します。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、および超硬材料があり、これらは軟らかい物質と対比できます。
硬度測定には、引っかき硬度、圧痕硬度、反発硬度の3つの主要な種類があります。それぞれの測定方法には、個別の測定スケールが存在します。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換算表が使用されます。
引っかき硬度は、鋭利な物体との摩擦による試料の破壊や永久塑性変形に対する抵抗力の尺度です。 [ 1 ]原理としては、より硬い材料でできた物体は、より柔らかい材料でできた物体に引っかき傷をつけることができます。コーティングをテストする場合、引っかき硬度は、フィルムを切断して基材に到達するの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です。この測定を行うためのツールの1つは、スクレロメーターです。
これらの試験を行うために使用されるもう1つのツールは、ポケット硬度計です。このツールは、目盛りが付いたスケールアームが4輪の台車に取り付けられています。鋭利な縁を持つスクラッチツールが、試験面に対して所定の角度で取り付けられています。使用するには、既知の質量の重りをスケールアームの目盛りのいずれかに追加し、ツールを試験面に沿って引きます。重りと目盛りを使用することで、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 ]
圧痕硬度とは、鋭利な物体による一定の圧縮荷重によって試料が変形する際の抵抗力を測定するものです。圧痕硬度試験は主に工学や冶金学の分野で用いられます。この試験は、特定の寸法と荷重を持つ圧子によって残された圧痕の重要な寸法を測定するという基本的な原理に基づいています。一般的な圧痕硬度スケールには、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（動的硬度とも呼ばれる）は、一定の高さから材料に落とされたダイヤモンドチップハンマーの「跳ね返り」の高さを測定するものです。このタイプの硬度は弾性に関連しています。この測定に使用される装置はスクレロスコープ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、リーブ反発硬度テスト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、振動するロッドの周波数を測定することによって硬度を決定します。ロッドは、振動要素と、片端に取り付けられたピラミッド型のダイヤモンドを備えた金属シャフト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種類がある。
固体力学において、固体は一般的に、力の大きさと材料の種類に応じて、力に対して3つの反応を示す。
強度は、材料の弾性範囲、あるいは弾性範囲と塑性範囲を合わせた範囲の大きさを表す指標です。これは、作用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、特定の材料と形状を持つ部品が耐えられる最大荷重を表す工学的指標です。
技術的な意味での脆性とは、材料がほとんど、あるいは全く塑性変形を起こさずに破壊する傾向のことです。したがって、技術的には、材料は脆くもあり、同時に強いこともあり得ます。日常的な意味での「脆性」とは、通常、わずかな力で破壊する傾向を指し、これは脆性と（技術的な意味での）強度不足の両方を示しています。完全に脆い材料の場合、検出可能な塑性変形が起こらないため、降伏強度と引張強度は同じです。脆性の反対は延性です。
材料の靭性とは、破壊するまでに吸収できる最大エネルギー量のことであり、加えることができる力の量とは異なります。脆性材料の場合、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。
硬度は粒子径が小さくなるにつれて増加する。これはホール・ペッチの関係として知られている。しかし、ある臨界粒径を下回ると、硬度は粒径の減少とともに減少する。これは逆ホール・ペッチ効果として知られている。
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硬さの特性ではなく、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。硬さはしばしば硬さと混同されます。[ 5 ] [ 6 ]ダイヤモンドよりも硬い材料（オスミウムなど）もありますが、硬くはなく、鱗状または針状の剥離や欠けを起こしやすいです。
硬度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金属の最も重要な特性のほとんどは、材料の微細構造によって決まります。[ 7 ]原子レベルでは、金属中の原子は結晶格子と呼ばれる規則的な三次元配列で配置されています。しかし実際には、特定の金属のサンプルには、一貫した単一の結晶格子が含まれていることはまずありません。特定の金属サンプルには多くの結晶粒が含まれており、それぞれの結晶粒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、それぞれの結晶粒には不規則性があります。
材料の硬度を決定づける微細構造の結晶粒レベルの不規則性には、点欠陥と線欠陥の2種類があります。点欠陥とは、結晶粒全体の3次元格子内の単一の格子点に存在する不規則性です。点欠陥には主に3種類あります。原子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。通常金属原子が存在するはずの格子点に異なる種類の原子が存在する場合、置換欠陥が形成されます。通常存在しないはずの場所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です。点欠陥は結晶格子内の単一の格子点における不規則性であるのに対し、線欠陥は原子の平面上の不規則性です。転位は、これらの平面のずれを伴う線欠陥の一種です。刃状転位の場合、原子の半平面が2つの原子平面の間に挟まれます。らせん転位の場合、2 つの原子面がずれており、その間にらせん状の配列が走っている。[ 8 ]
ガラスでは、硬度はネットワークの原子間に作用するトポロジー的制約の数に線形的に依存するようです。[ 9 ]したがって、剛性理論により、組成に関して硬度値を予測することが可能になりました。
転位は原子面が滑り合う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を提供する。[ 7 ] 原子面は転位の一方の側から他方の側に反転することができ、これにより転位が材料内を移動し、材料が永久に変形することが可能となる。これらの転位によって可能になる動きは、材料の硬度の低下を引き起こす。
原子面の動きを抑制し、それによって原子面を硬くする方法は、転位同士および格子間原子との相互作用に関係しています。転位が別の転位と交差すると、結晶格子を通過できなくなります。転位の交差はアンカーポイントを形成し、原子面が互いに滑り続けることを許しません[ 10 ]。転位は、格子間原子との相互作用によっても固定されます。転位が2つ以上の格子間原子と接触すると、面の滑りは再び阻害されます。格子間原子は、交差する転位と同じように、アンカーポイントまたはピン止めポイントを形成します。
格子間原子の存在量と転位密度を変化させることで、特定の金属の硬度を制御することができる。一見すると直感に反するように思えるが、転位密度が増加すると、交差する点が増え、結果としてアンカーポイントも増加する。同様に、格子間原子が増えると、転位の移動を妨げるピン止め点も増える。結果として、アンカーポイントが増えるほど、材料は硬くなる。
硬度値と材料が示す応力-ひずみ曲線との関係には注意が必要です。後者は従来、引張試験によって得られ、材料（ほとんどの場合は金属）の完全な塑性応答を捉えています。実際には、(真の)フォンミーゼス塑性ひずみと(真の)フォンミーゼス応力の関係ですが、これは引張試験の直接的な結果である公称応力-公称ひずみ曲線（くびれが生じる前の領域）から容易に得られます。この関係は、有限要素法（FEM）などを用いて、ほぼあらゆる荷重状況に対する材料の応答を記述するために使用できます。これは、圧痕試験の結果（特定のサイズと形状の圧子、および特定の荷重）にも適用されます。
しかしながら、硬度値は応力-ひずみ関係に依存するものの、応力-ひずみ関係から応力-ひずみ関係を推測することは決して容易ではなく、従来の硬度試験では厳密な方法で試みられることはありません。（実際、圧痕試験の反復的な有限要素法モデリングを伴う圧痕塑性測定法では、圧痕によって応力-ひずみ曲線を得ることができますが、これは従来の硬度試験の範囲外です。）硬度値は、塑性変形に対する抵抗の半定量的指標にすぎません。硬度は、ほとんどの種類の試験で同様の方法で定義されますが（通常は荷重を接触面積で割った値）、特定の材料について得られる硬度値は、試験の種類によって異なり、同じ試験でも適用荷重が異なると異なります。特定の硬度値から、応力-ひずみ曲線の特徴、特に降伏応力と引張強さ (UTS) を求めることができるような、単純な解析式を特定しようとする試みが時折行われている[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]。しかし、これらはすべて経験的相関に基づいており、多くの場合、特定の種類の合金に特有のものである。このような制約があっても、得られる値はしばしば信頼性に欠ける。根本的な問題は、降伏応力と加工硬化特性の組み合わせが異なる金属が同じ硬度値を示す可能性があることである。硬度値を定量的な目的で使用する場合は、少なくとも相当な注意を払うべきである。