靭性、硬度、強度

靭性とは

靭性とは、破壊することなくエネルギーを吸収し、塑性変形する材料の能力のことです。 強度と延性の両方を兼ね備えており、靭性の高い材料は破壊する前に大きな応力と変形に耐えることができます。靭性は、材料の引張試験における応力-ひずみ曲線下の面積で測定されることが多く、これは材料が破壊するまでに吸収できる全エネルギーを表しています。一般的にはジュール（J）またはポンドフォースインチ（lbf-in）で測定されます。

硬度と靭性の比較

硬度と靭性はどちらも材料の変形に対する抵抗力を指しますが、それぞれ異なる特性を表しています：

- 硬度とは、局所的な塑性変形（一般的には圧痕やひっかきによる変形）に対する材料の抵抗力のことです。硬い材料は、表面の摩耗や磨耗に耐えることができる。

- 一方、靭性とは、衝撃エネルギーを吸収し、破壊することなく塑性変形する材料の能力を指します。靭性の高い材料が必ずしも硬いとは限らず、硬い材料が必ずしも靭性が高いとは限りません。

例えば、セラミックは非常に硬いことが多いが、衝撃を受けると脆く割れやすいため、靭性は高くない。鋼のような金属は、セラミックよりも靭性が高い傾向があります。つまり、割れることなく力と衝撃の両方に耐えることができるのです。

靭性と強度

強度とは、加えられた力に対して、永久に壊れたり変形したりすることなく耐える材料の能力を指します。靭性は強度と異なり、材料が破壊する前に、変形時にどれだけのエネルギーを吸収できるかを測定します。材料は、鋳鉄のような脆い材料のように強度が高くても靭性が低い場合もあれば、延性のある金属のように靭性が高く強度が低い場合もあります。

例えば

• 鋼鉄：鋼鉄の種類によっては強度と靭性が高く設計され ており、建築や自動車用途に適している。
• 鋳鉄：圧縮には強いが、脆く、靭性が低いため、引張や衝撃で壊れやすい。

金属の靭性に影響を与える要因

1.温度：

• 低温になると、多くの金属はもろくなり、靭性を失い、破断しやすくなる。このため、パイプライン用鋼や航空機用鋼のような寒冷地で使用される材料には、低温靭性向上のための特別な処理が施されることが多い。
• 高温も靭性に影響を与えるが、材料はより延性に富み、破壊しにくくなる。

2.結晶粒構造：

• 結晶粒が小さいと、転位（材料の結晶格子の微視的な 移動）の障害となるものが多くなり、材料が破壊する 前にエネルギーを吸収しやすくなるためです。

3.合金元素：

• 炭素、ニッケル、クロムなどの合金元素を加えると、材 料の靭性が向上します。例えば、鋼にニッケルを加えると、特に低温 での靭性が向上します。

4.熱処理：

• 焼入れや 焼戻しなどの熱処理は、金属の微細構 造を調整することで靭性を向上させる。例えば、焼戻しマルテンサイト鋼は、未処理のマルテンサイト鋼よりも靭性と強 度のバランスが優れている。

5.ひずみ速度：

• 高いひずみ速度（応力の急激な印加）は靭性を低下させ、材料が衝撃で破壊しやすくなる。ゆっくりとした緩やかな応力を受けた材料は、一般に靭性が高くなります。

高い靭性を必要とする用途

衝撃や応力による破壊が致命的となる産業では、高い靭性を持つ材料が不可欠です。主な用途には以下のようなものがあります：

• 航空宇宙：航空機の材料は、破断することなく高応力条件や衝撃力に耐える必要があります。
• 自動車：バンパー、フレーム、サスペンション部品などの自動車部品は、事故時の衝撃エネルギーを吸収するため、高い靭性で設計されています。
• 建築：ビルや橋に使用される構造用鋼材は、風力や地震力を含む動的荷重に耐える強靭さが求められます。
• スポーツ用品：ヘルメット、防具、その他のスポーツ用品は、衝撃を吸収し、使用者を保護するために高い靭性を持つように設計されています。
• 軍事: 装甲板や車両構造は、極度の衝撃力に耐えるために高い靭性を必要とします。

一般的な金属の靭性と硬度

詳しくはスタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ（SAM）をご覧ください。

よくある質問

靭性と延性の違いは何ですか？

延性とは、材料が引張応力を受けて変形する能力のことで、靭性とはエネルギーを吸収して破壊せずに変形する能力のことです。延性は靭性に寄与しますが、同じ性質ではありません。

硬度は靭性に影響しますか？

はい、硬度が高くなると靭性が低下することがよくあります。セラミックや焼き入れ鋼のような硬い材料は、衝撃や急激な応力で割れやすくなり、靭性が低下します。

高い靭性は常に望ましいのですか？

航空宇宙産業や自動車産業など、衝撃や極度の応力に耐えなければならない用途では、高い靭性が不可欠です。 しかし、切削工具のように、靭性よりも硬さを優先する用途もあります。

温度は靭性にどのような影響を与えますか？

低温では、ほとんどの金属が脆くなり、靭性が低下します。高温になると、材料によっては靭性に影響を及ぼし、延性が増したり、場合によっては軟化しやすくなります。

なぜ靭性が重要なのか？

建築において靭性が重要なのは、材料が地震や風、重機などによる動的な荷重や衝撃を、致命的な破壊を起こすことなく吸収できるようにするためです。