硬さ試験｜ショア、ブリネル、ロックウェル、ビッカース

硬さ試験

硬さ試験とは、材料の硬さを調べる試験で、代表的な硬さ試験としてショア硬さ試験、ブリネル硬さ試験、ロックウェル硬さ試験、ビッカース硬さ試験がある。いずれも材料の硬さは、第一に、硬度の試験方法をきめて、それにともなう結果を定義する方法がとられている。硬さと引張強さには相関関係があるため、硬さがわかればある程度の引張強さがわかる。硬さには共通の単位がないが、各試験方法によって定義された、硬さ記号(例:HV)がある。

硬さ試験の概要

材料の硬さ試験を通じて得られる硬度は、塑性変形や摩耗への抵抗性、さらには熱処理や合金成分による強度特性の違いを比較する際にも指標となる。例えば、鋼の焼入れやアルミニウム合金の時効処理などでは、この硬度変化を測定することで、材料特性の向上度合いを簡易に判断できる。金属のみならず、樹脂やセラミックスなど多様な材料に応用されるため、実験や製造現場において広く用いられている。

代表的な硬さ試験

硬度を測定する方法は複数存在し、その中でもショア硬さ試験、ブリネル硬さ試験、ロックウェル硬さ試験、ビッカース硬さ試験が広く使われている。これらはいずれも硬さ試験として標準化されており、測定条件や適用範囲が規格によって定義されている。主に圧子の形状や押し込み荷重、測定対象の硬さ領域によって使い分けることで、より正確な評価が可能になる。

ショア硬さ試験

ショア硬さ試験(HS)とは、ダイヤモンドを先端につけたおもり（ハンマ）を、試験片に一定の高さから落下させ、そのはね上がりの高さで硬さを測定する方法である。正確性はあまりよくないが、利便性に優れている。試料のショア硬さは、連続して測定した5点の平均値とする。硬さを表す単位としてHS（Shorehardness）を用いる。

ブリネル硬さ試験

ブリネル硬さ試験(HB)は、試験片の表面に、標準の硬さを持つ一定の超硬合金球(従来は鋼) を一定荷重で押し付け、生じたくぼみの直径から硬さを求める試験である。装置や圧痕が大きめなため安定した値が得られる一方、小さい部品の実体硬さを調べるのには適さない。硬さを表す単位としてHB（Brinellhardness）、HBS、HBWを用いる。

ロックウェル硬さ試験

ロックウェル硬さ試験(HR)とは、測定子としてダイヤモンド円すい、鋼球または超硬合金球を用い、基準荷重を加え、次に試験荷重を加え、再び基準荷重に戻したとき、前後二度の基準荷重におけるくぼみの深さの差を測定して硬さを表す測定方法である。測定値が直読できるため測定の効率が良く, 工業的に普及している硬さ試験方法である。硬さを表すのにHR（Rockwellhardness）を用いる。圧子の種類や荷重により各種スケールがあり、A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、Tを基礎とし、スケールA、C、Dのロックウェル硬さに対しては、HRの記号の前に硬さの値を、最後にスケールを表す文字を付ける。CスケールまたはBスケールが多い。

ビッカース硬さ試験

ビッカース硬さ試験(HV)は、押し込み硬さ測定方法のひとつで、試験片に四角すい(ピラミッド形)のダイヤモンド圧子を押し付け、できたくぼみの対角線の長さで硬さを算出する試験方法である。圧痕の寸法が小さいほど硬く、硬さ値は大きい。硬さを表すのに（HV:Vicker hardness）を用いる。名称の由来はイギリスの鉄鋼会社ビッカース＝アームストロングである。また、9.807N (1kgf) 以下の荷重の試験を微小硬さ試験 (マイクロビッカース試験) という.

硬さ測定装置と適用範囲

各種硬さ試験に対応する測定装置は、対象とする材料の硬度域や試料の大きさに合わせて選定する。大型の試料や鋳造品の場合はブリネル法、薄い板金や熱処理後の硬度分布の連続測定が必要な場合はロックウェル法が使われることが多い。微小領域の硬度評価にはビッカースやマイクロビッカースが適しており、半導体基板や皮膜などの極薄層硬度の評価にも広く利用される。

精度と注意点

  • 測定荷重の設定値ずれや圧子形状の磨耗など、装置自体のキャリブレーション不足が誤差の原因となる。
  • 試料表面の凹凸や汚れ、試料の取り付け角度のずれによって、圧痕形状が変化し正確な測定が困難になる。
  • 熱処理材や複合材など、内部組織が不均質な場合は多数の測定点を確保し、ばらつきを統計的に評価する必要がある。

公差と評価

大規模な生産においては、要求される硬度値の範囲を公差として設定し、測定結果がその公差内に収まるかを監視するのが一般的である。また品質マネジメントシステムの一環として、工程能力指数を用いた管理が行われるケースもある。これにより、部品の強度や耐久性の一貫性が確保され、信頼性の高い製品開発が可能になる。

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