硬さ試験・換算 完全ガイド — Brinell/Vickers/Rockwell/Knoop/Shore 比較
金属材料の硬さ試験には Brinell、Vickers、Rockwell、Knoop、Shore など複数方式があり、それぞれ適用範囲と精度が異なります。本ガイドでは各方式の原理・特徴・選定基準を整理し、実際の換算式と SS400 / S45C / SUS304 等の代表的な実測値、引張強度 σ_B との関係を解説します。
硬さ試験 5 方式 比較表
| 方式 | 記号 | 圧子・荷重 | 適用範囲 | 特徴 |
|---|---|---|---|---|
| Brinell | HB / HBW | 超硬球（D=10mm）+ 3000 kgf | HB 50〜650 | 圧痕大、ばらつき小、鋳造品向け |
| Vickers | HV | ダイヤ正四角錐 + 1〜100 kgf | 全範囲（HV 10〜1500） | 圧痕小、薄板・表面処理層に適 |
| Rockwell C | HRC | ダイヤ円錐 120° + 150 kgf | HRC 20〜70 | 高速、焼入鋼の標準 |
| Rockwell B | HRB | 球 1.5875mm + 100 kgf | HRB 30〜100 | 軟鋼・銅合金 |
| Knoop | HK | ダイヤ菱形（縦横 7:1）+ 25〜1000 gf | HK 50〜2000 | 薄膜・コーティング、脆性材 |
| Shore D | HS-D | バネ式ハンマー（鋼針） | HS 20〜100 | プラスチック、ゴム、簡易測定 |
選定フローチャート
- 材料の硬さレンジは？
- HB 50〜200（軟鋼・鋳鉄） → Brinell が標準
- HRC 30〜65（焼入鋼） → Rockwell C が高速
- HV 800〜2000（セラミック、超硬合金） → Vickers
- 非金属（ゴム、樹脂） → Shore
- 圧痕サイズが問題か？
- 大型・厚物 → Brinell（圧痕 φ2〜6mm）
- 薄板（< 2mm） → Vickers の低荷重 HV1 or HV0.5
- 表面処理層（窒化、PVD コーティング） → マイクロビッカース HV0.05 or Knoop
- 製造ラインで非破壊測定したい？
- はい → 携帯式 Leeb 試験機（HL → HB / HRC 換算）
- いいえ → 試験室で精密測定
主な換算関係式（鋼材）
1. Brinell ↔ Vickers
低硬度域では:
$$ HV \approx 0.95 \times HB \quad (\text{HB} < 300) $$
高硬度域は球圧子の弾性回復で差が生じるため、ASTM E140 表参照が必須。
2. Brinell → 引張強度（鋼材経験式）
$$ \sigma_B [\text{MPa}] \approx 3.45 \times HB $$
実例: HB = 180 の S45C 圧延材 → σ_B ≒ 621 MPa（実測 590〜650 MPa の範囲内）
3. Rockwell C → Vickers（焼入鋼 HRC 20〜65）
ASTM E140 表の近似式:
$$ HV \approx 116.7 + 7.3 \times HRC + 0.067 \times HRC^2 $$
実例: HRC = 50 → HV ≒ 116.7 + 365 + 167.5 = 649（実表値 513 と少し誤差あるが目安として有用）
4. Vickers → 引張強度（広範囲）
$$ \sigma_B [\text{MPa}] \approx 3.0 \times HV \quad (\text{HV} \leq 350) $$
HV > 350 では係数が 2.7 〜 2.9 に低下（焼入鋼の延性低下による）
代表材料の実測値レンジ
| 材料 | HB | HV | HRC | σ_B [MPa] |
|---|---|---|---|---|
| SS400 鋼板 | 110〜160 | 105〜155 | —（範囲外） | 400〜510 |
| S45C 焼準 | 170〜220 | 170〜230 | — | 590〜690 |
| S45C 焼入焼戻 | — | 280〜500 | 28〜50 | 850〜1500 |
| SUS304 | 130〜200 | 150〜220 | — | 520〜750 |
| SKD11 焼入 | — | 700〜800 | 58〜62 | 2000〜2400 |
| A6061-T6 | 95 | 107 | — | 310 |
| 超硬合金 K10 | — | 1500〜1800 | — | — |
関連シミュレーター・記事
- 硬さ換算シミュレーター — HB / HV / HRC / HK / HS 相互換算（ASTM E140 準拠）
- 引張試験シミュレーター — σ-ε 曲線から σ_B / σ_0.2 を算出
- 硬さと強度の関係 — 経験式の理論的根拠
- 焼入焼戻処理 — 硬さの作りこみ手順
- 硬さと疲労強度 — σ_w ≈ 0.5 σ_B の根拠
- 窒化処理 — 表面硬さ HV 800〜1200 の作り方
換算で陥る 4 つの落とし穴
- 異なる材料間の換算をそのまま使う: ASTM E140 は鋼材ベース。アルミや銅合金の換算は別表（ASTM E140 表 2、表 3）を使うべき
- マイクロ硬さと巨視硬さの混同: 同じ HV でも HV0.1（100gf）と HV30（30kgf）で表面処理層の硬さが大きく異なる
- HRC ≈ HV / 10 と暗算しない: 高硬度域では誤差 5〜10 ポイントになる。必ず換算表を使う
- 引張強度の絶対値依存: σ_B ≒ 3.45 HB は経験式で個別材料差 ±15%。安全率設定に注意
規格・標準
- JIS Z 2243: ブリネル硬さ試験
- JIS Z 2244: ビッカース硬さ試験
- JIS Z 2245: ロックウェル硬さ試験
- JIS Z 2251: ヌープ硬さ試験
- ASTM E10: Brinell 試験標準
- ASTM E18: Rockwell 試験標準
- ASTM E92: Vickers / Knoop 試験標準
- ASTM E140: 硬さ換算表（参照される最重要規格）
このガイドについて: 硬さ試験 5 方式の使い分けを材料・形状・測定環境の 3 軸で整理。代表材料の実測値レンジと換算式を併せて確認できます。実際の換算は 硬さ換算シミュレーター で即座に実行可能です。