鋼における硬さ換算と特性間の関係

硬さ換算が実際に意味すること

硬さ換算とは、試験尺度間の経験的な対応付けである。これは材料を変化させるものでも、元の圧痕を再現するものでも、隠れた「真の」硬さ値を明らかにするものでもない。鋼をブリネル法で試験し、210 HBWと報告した場合、その数値は、規定された圧子、試験力、保持時間、および圧痕の測定結果に基づいている。同じ結果を換算表によって約21 HRCと報告したとしても、ロックウェル試験が実施されたわけではない。HRC値は、類似した材料および試験条件を用いて確立された関係から推定されたものである。

この区別が重要なのは、硬さ尺度が、相互に関連してはいるものの異なる応答を測定するためである。ブリネル硬さでは、超硬合金球によって形成された比較的大きな圧痕の直径を用いる。ビッカース硬さでは、ダイヤモンド角錐圧子を用い、加えた試験力と圧痕の2本の対角線から硬さを算出する。ロックウェル硬さでは、規定された予備試験力および全試験力の下での深さを測定する。HRCでは、ダイヤモンド円錐圧子と150 kgfの全試験力を用いる。これらの数値は、単一の普遍的な物理量を表す異なる単位ではない。

測定硬さと換算硬さ

測定値は、実際に実施された試験に結び付いている。210 HBW 10/3000と記載された試験報告書は、ブリネル尺度、直径10 mmの超硬合金球、および公称試験力3000 kgfを示している。「500 HV10」は、10 kgfの試験力で実施されたビッカース試験を示す。「32 HRC」は、その尺度に規定された条件で得られたロックウェルCスケールの結果を示す。添字や試験の詳細は結果の一部であり、任意に付加する装飾ではない。

換算硬さは、直接測定した尺度とは分けて報告すること。 Strong evidence

換算値は、換算値であることが分かるように表示すべきである。例えば、「210 HBW、ASTM E140-12による約21 HRC」と記載すれば、2つの別個の事実が伝わる。すなわち、最初の値は測定値であり、2番目の値は、認められた相関関係から読み取るか算出した値である。単に「21 HRC」とだけ報告すると、推定値が直接測定された値であるかのように受け取られるおそれがある。表面状態、断面厚さ、または尺度の選択が結果に影響する可能性がある場合には、これは誤解を招く。[1][1] Standard Hardness Conversion Tables for Metals. ASTM International. ASTM International standard, 2012.

ASTM E140-12、金属の標準硬さ換算表（Standard Hardness Conversion Tables for Metals）は、規定された金属について、ブリネル、ビッカース、ロックウェル、表面ロックウェル、ヌープ、ショア・スコープ、およびリーブの各尺度間のおおよその関係を示している。その表には、均質な炭素鋼、合金鋼、および工具鋼が含まれているが、鋼の区分が存在するからといって、すべての鋼種を相互に置き換えられるわけではない。ASTMは、「換算値は、合金、結晶粒組織、および熱処理の影響を受ける」と述べている（ASTM International, 2012）。焼入れ焼戻しを施した4140鋼、焼ならしを施したAISI 1020鋼、および冷間加工した301ステンレス鋼は、いずれか1つの尺度での読み値が類似していても、異なる関係を示す可能性がある。

換算を試みる前に、測定が有効かどうかには形状も影響する。薄板では、ブリネル試験またはビッカース試験において、反対側の表面の影響が過大になる可能性がある。曲面部品では、圧痕の形状が変化したり、ロックウェル深さが誤って解釈されたりすることがある。端部、別の圧痕、溶接部、または脱炭表面の近くに形成された小さな圧痕は、材料全体を代表しない可能性がある。換算によって、不適切に選択された試験位置や無効な試験を補正することはできない。

換算表、相関関係、および推定値

換算表とは、通常、材料群および硬さ範囲ごとに分けられた試験結果の近似的な要約である。これは尺度間の数学的な恒等関係ではない。表の作成に用いられた範囲内では、測定尺度間の平均差は小さい可能性があるが、その範囲を外れると誤差が急激に増加することがある。規定範囲内での内挿は、一般に、その範囲を超えた外挿よりも妥当性が高い。

方程式は、同種の関係を別の形式で示すものである。相関関係は、限られた範囲では線形となる場合もあれば、多項式で表される場合や、特定の鋼材集団に対して回帰分析によって適合されたものである場合もある。係数は、その集団の特性を示すものであり、すべての鋼に適用される物理法則を確立するものではない。ばらつきは、圧子形状、弾性回復、塑性流動、異方性、表面調製、および微細組織の変動から生じる可能性がある。[2][2] Metallic materials—Conversion of hardness values. International Organization for Standardization. ISO standard, 2013.

ISO 18265は、換算値を試験対象とした正確な材料への直接適用に限定を設け、引張強さの推定を最も信頼性の低いものとして位置づけている。 Strong evidence

ISO 18265:2013、金属材料―硬さ値の換算（Metallic materials—Conversion of hardness values）は、尺度間で硬さ値を換算する原則と、引張強さを推定する原則を規定している。同規格は、「換算値は、試験した正確な材料に対してのみ直接適用できる」と警告し、引張強さの推定を、最も信頼性の低い換算として位置付けている（International Organization for Standardization, 2013）。この警告は、信頼度の適切な順序を示している。すなわち、直接得られた硬さ試験結果が最も確度が高く、別の硬さ尺度への換算はそれより不確かであり、引張強さの推定はさらに不確かである。[3][3] Empirical Rockwell–Brinell relationships. National Institute of Standards and Technology. NIST Journal of Research, 1929.

1929年に発表された、経験的なロックウェル―ブリネル関係に関するNISTの古い研究では、鋼の引張強さを、商業上の目的であればブリネル硬さから推定できる場合が多いことが示された。「商業上の目的」という但し書きは重要である。これは、スクリーニング、工程確認、および材料のおおよその比較には有用であるが、規格、設計計算、破損調査、または降伏強さ、引張強さ、伸び、絞りに基づく受入れ判定において、引張試験の代替となるものではない。

概算関係式 Hᵥ ≈ 3σUTS は、一部の高強度で延性のある金属材料にのみ適用される。 Limited evidence

一部の高強度で延性のある金属材料について、硬さを適合する応力単位で表した場合、Hᵥ ≈ 3σUTSという関係が頻繁に引用される。2012年にMaterials Science and Engineering: Aで発表された研究は、この近似が特定の材料群に関連することを示すとともに、硬さと強さの比が微細組織および圧痕形態に依存することも示した。したがって、この式は特定の材料群に限定された推定値として扱うべきであり、すべての炭素鋼または合金鋼に適用できる換算規則とみなすべきではない。

1つの数値ではすべての鋼を表せない理由

鋼種は化学成分と規格を示すものであり、単一の機械的状態を示すものではない。AISI 1045は、熱間圧延材、焼ならし材、焼なまし材、焼入れ焼戻し材、または表面硬化材として供給されることがある。それぞれの状態によって、相の分布、結晶粒径、残留応力、および変形挙動が変化する。そのため、同じ公称鋼種であっても、硬さと強さの関係は異なる可能性がある。浸炭した8620の表面での測定値はマルテンサイトの硬化層を示す一方、より深い位置での測定値は低炭素の母材を示すことがある。1つの換算値で両方の領域を表すことはできない。[4][4] Hardness Tests and Hardness Number Conversions. SAE International. SAE technical report, 1967.

SAE技術報告書硬さ試験および硬さ番号の換算（Hardness Tests and Hardness Number Conversions、1967年）は、寸法、質量、化学成分、および加工が関係に影響するため、精密な換算は対象となる鋼の化学成分、熱処理、および部品ごとに確立しなければならないと述べている。これは、溶接構造物、鍛造品、熱影響部、および大きな熱勾配を有する部品に特に当てはまる。

2023年にMaterials Today: Proceedingsで報告された研究では、未合金構造用鋼のうち、素材状態または焼ならし状態にある歴史的および現代的な鋼について、ブリネル硬さと引張強さのパラメータとの間に、概して線形の経験的関係が認められた。この結果が有用なのは、まさにその適用範囲の限界が明示されているからである。焼入れ焼戻し工具鋼、析出硬化ステンレス鋼、ベイナイト鋼板、または強度に冷間加工された製品に、検証なしで適用すべきではない。

実務上の原則は単純である。換算が意味を持つのは、その関係が開発された材料群、状態、試験範囲、および形状の範囲内に限られる。判断が引張特性に依存する場合は、引張試験を実施すること。換算硬さ値を報告する必要がある場合は、直接測定した尺度を残し、換算規格または方程式を明記し、材料の状態と適用範囲を示したうえで、その結果を近似値として表示すること。

鋼に用いられる硬さ尺度

動的反発硬さ動的反発硬さ 静的な圧痕ではなく、衝突速度と反発速度の比から推定される硬さ。

鋼の硬さは、すべての断面、表面、または微細組織に適した単一の試験が存在しないため、複数の尺度で報告されます。測定結果は、大きな静的圧痕、小さなダイヤモンド圧痕、または動的な反発現象から得られることがあります。これらの測定値は、定義上、相互に交換できるものではありません。換算表によって近似的に同等の数値が割り当てられる場合でも、HRCで測定された値は、HBWで報告された値と同じ物理量ではありません。

尺度の選択は、想定される硬さ、断面の厚さ、表面仕上げ、試験位置の下にある支持状態、ならびに鋼に浸炭、窒化、溶接、焼戻しによる局所的な硬さ勾配が存在するかどうかによって決まります。薄い部品は、大きな圧子によって曲げられたり、降伏したりすることがあります。粗い表面は、浅い深さの測定に誤差を加える可能性があります。圧痕が大きすぎると、微視的な硬化層の硬さが、より軟らかい母材の硬さと平均化されることがあります。

ブリネル硬さ：HBWと大きな圧痕

ブリネル法では、規定の力で硬質球を鋼に押し込み、その後、恒久的に残ったほぼ円形の圧痕の直径を測定します。現行の表示では HBW を使用し、Wは超硬合金球を表します。完全な測定結果は、例えば 220 HBW 10/3000 のように記載できます。これは、直径10 mmの球と公称荷重3000 kgfを用いて得られたブリネル硬さが220であることを意味します。試験規格はASTM E10であり、ISO 6506も同じ基本方法を採用しています。

一般的なブリネル球の直径は、1、2.5、5、または10 mmです。試験力は、球の直径と材料を考慮して選択されます。鋼の試験では、500、1500、3000 kgfなどの試験力が一般的です。試験機は、規定された保持時間の間、試験力を維持します。その後、測定者または光学システムが圧痕の直径を測定します。HBW値は、単に押込み深さから求めるのではなく、試験力、球の直径、および圧痕の直径から計算されます。

この圧痕は、ロックウェル試験やマイクロ硬さ試験で形成される圧痕に比べて大きくなります。鋼中にフェライト、パーライト、ベイナイト、または焼戻しマルテンサイトが代表的な体積にわたって分布している場合、この特性は有用です。複数の結晶粒と小さな局所変動を平均化した結果が得られるためです。一方で、これは制約にもなります。直径10 mmの球は、端部の近傍、薄板上、溶接部の隣接部、または浅い硬化層を横切る位置には適さないことがあります。荷重中に試験片がたわんだり変形したりしないよう、試験位置には十分な厚さと剛性のある裏当てが必要です。表面は適度に平坦で、スケール、脱炭層、深い加工痕がないことが求められます。

ブリネル試験は、大きく代表的な体積が重要となる鋳物、鍛造品、焼ならし鋼、その他の部品に広く使用されます。球が変形する可能性のある非常に硬い鋼、小型の仕上げ済み部品、狭い熱影響部には適していません。小径の球と低い試験力を用いれば圧痕を小さくできますが、その場合は、圧痕間の間隔、厚さ、表面処理をより厳密に管理する必要があります。

ロックウェル硬さ：HRC、HRB、および表面ロックウェル尺度

ロックウェル硬さは、予備荷重に続いて基準荷重を加えた後に残る、圧入深さの恒久的な増加量を測定します。圧痕の直径を測定する方法ではありません。まず、機械が10 kgfの予備荷重を加えて基準位置を設定し、次に基準荷重を加えます。その後、予備荷重を維持したまま基準荷重を除去し、残留深さを硬さ数に換算します。通常のロックウェル尺度では、硬さ1ポイントが深さ変化0.002 mmに相当します。

HRC では、一般にブレール圧子と呼ばれる頂角120度のダイヤモンド円すい圧子と、150 kgfの基準荷重を使用します。焼入れ焼戻し工具鋼や多くの焼入れ合金鋼を含む、より硬い鋼を対象としています。HRB では、直径1/16インチの超硬合金球または焼入れ鋼球と、100 kgfの基準荷重を使用します。そのため、軟らかい鋼、焼なまし低炭素鋼、銅合金などの材料に適しています。その他の通常ロックウェル尺度では、異なる球または荷重を使用するため、尺度を示す文字が重要です。尺度を示さない「ロックウェル60」という表記は不完全です。

ロックウェル試験は、機械が深さを直接読み取るため迅速です。また、圧痕が小さいため、ブリネル試験より目立つ痕跡が残りにくいことが多いという利点もあります。しかし、この小さな接触面積により、表面粗さ、曲率、脱炭層、個々の硬質または軟質構成相の影響を受けやすくなります。試験片は、移動しないよう十分な厚さと剛性を備えていなければなりません。端部、別の圧痕、または支持状態が不連続となる位置に近すぎる箇所で測定すると、実際より高い、または低い値が示されることがあります。

表面ロックウェル尺度は、同じ深さ測定の原理を用いますが、薄い断面、小型部品、表面層を対象として、より低い荷重を使用します。選択した尺度と圧子に応じて、3 kgfの予備荷重に続き、15、30、または45 kgfの基準荷重を加えます。30N、45N、30T、15Tなどの表示は、荷重と圧子の種類を示します。尺度の表示は、通常のHRCまたはHRBに置き換えず、正確に報告しなければなりません。表面ロックウェル試験は、薄い硬化層を貫通したり、薄肉部を変形させたりするリスクを低減しますが、自動的により正確な結果をもたらすわけではありません。表面にはなお適切な前処理が必要であり、影響を受ける深さは圧痕の大きさに対して十分でなければなりません。

ビッカースおよびヌープのマイクロ硬さ

ビッカース法では、対面角136度の正四角すいダイヤモンド圧子を試験片に押し込みます。荷重を除いた後、残留圧痕の2本の対角線を光学的に測定し、HV、すなわちビッカース硬さを算出します。試験力は、数グラム重のマイクロ硬さ荷重から、約100 kgfの通常荷重まであります。600 HV 0.5 のような表示は、硬さが600で、試験力が0.5 kgfであることを示します。

通常の鋼の硬さ範囲ではダイヤモンドの形状が変化しないため、ビッカース法は1種類の圧子形状で軟鋼から非常に硬い鋼まで測定できます。溶接部の断面、脱炭の確認、窒化層、浸炭硬化層、局所的な硬さ勾配を横切る硬さ分布の測定に有用です。圧痕はブリネル圧痕よりはるかに小さいため、研磨による前処理と、圧痕間隔の慎重な管理が必要です。非常に低い荷重では、表面粗さ、弾性回復、測定分解能、個々の相が測定値に大きな影響を及ぼすことがあります。鋼はしっかり支持されていなければなりません。薄い箔や支持されていない端部では、適正な圧痕が形成される前に曲がる可能性があります。

ヌープマイクロ硬さ試験でもダイヤモンドを使用しますが、その形状は細長く非対称です。圧痕の長い対角線を測定し、一般に HK と表示されるヌープ硬さ値を求めます。ヌープ法は、圧痕が浅く細長いため、非常に薄いコーティング、狭い硬化層深さ、脆い領域または小さな領域に特に有用です。その形状上、測定結果は、圧痕の方向、表面前処理、き裂、微細組織上の特徴の方向に敏感です。いずれもダイヤモンド圧子を使用するからといって、ヌープ値とビッカース値を同一のものとして扱ってはなりません。

リーブ法およびショア硬さ試験法

リーブ硬さは、静的な押込み試験ではなく、動的な反発法です。通常は超硬合金球または規定された別の先端部を備えた、ばね駆動式の衝撃体を表面に衝突させます。測定器は衝突速度と反発速度を測定し、その比率に基づくリーブ値、通常は HL を表示します。接触痕は小さいものの、測定値は表面仕上げ、曲率、質量、厚さ、支持状態、衝撃方向に強く依存します。リーブ試験についてはASTM A956が規定しています。

リーブ法は、大型鍛造品、設置済みの機械、通常の卓上型試験機を配置できない場所に有用です。部品は十分な質量を持つか、剛性のある支持体に強固に結合されていなければなりません。そうでなければ、振動によってエネルギーが吸収され、反発値が低下します。HLからHRC、HBW、または他の尺度へ換算するには、適切な衝撃装置、衝撃方向、材料種別を使用する必要があります。リーブ法は、静的な押込み試験を直接代替するものではありません。

ショア硬さ試験も反発に基づいています。ダイヤモンド先端のハンマーを垂直管内で一定の高さから落下させ、鋼表面から反発した高さを観察または電子的に測定します。結果はショア硬さ単位で表し、一般に HS と記載します。ブリネル法やビッカース法とは異なり、測定した恒久圧痕から硬さを算出する方法ではありません。そのため、表面の清浄度、垂直方向の位置合わせ、質量、支持状態、粗さが測定値に大きな影響を与えます。

ASTM E140-12は、指定された金属、すなわち均質な炭素鋼、合金鋼、工具鋼などについて、HBW、HV、ロックウェル、表面ロックウェル、ヌープ、ショア、リーブの各値の間の近似関係を示しています。ASTMは、合金成分、結晶粒組織、熱処理が換算値に影響すると明記しています。ISO 18265:2013も換算の原則を定めており、換算値が直接適用できるのは、試験した材料と完全に同一の材料に限られると警告しています。引張強さの推定値は、換算の中で最も信頼性が低いものです。したがって、尺度の選択では、まず有効な実測値を得ることが重要です。換算値は二次的な証拠であり、鋼の強度または合否判定が硬さに依存する場合、直接試験の代替にはなりません。

ASTM E140およびISO 18265：規格が認めていること

硬さ換算規格は、ある試験結果を、別の方法で得られた同等の測定値に変換するものではない。通常は表として示される、硬さ尺度間の経験的な関係を提供するものである。この区別は重要である。測定値とは、規定された圧子、力、保持時間、および手順を部品に直接適用して得られる値である。換算値とは、その測定値から計算される値であり、推定引張強さは、硬さからさらに推論された値である。各段階で不確かさが加わる可能性がある。

ASTM E140-12の適用範囲

ASTM E140-12、金属の標準硬さ換算表は、特定の金属について、規定された硬さ尺度間のおおよその関係を示している。その表には、Brinell、Vickers、Rockwell、superficial Rockwell、Knoop、Scleroscope、およびLeebの値が含まれる。この文書は、すべての硬さ尺度を相互に置き換え可能にする一般方程式ではない。材料および試験条件が、該当する表に反映された経験の範囲内にある場合に用いる参考資料である。

鋼について、この規格には、均質な炭素鋼、合金鋼、および工具鋼の表が含まれている。「均質」という点は重要である。比較的均一な鋼を対象として作成された表を、浸炭層、脱炭表面、溶接熱影響部、帯状組織を有する圧延製品、または急峻な硬さ勾配を含む部品に適用できると仮定してはならない。圧子が浅い領域だけを評価している一方で、求められる換算値は、その下方にある材料が均一であることを暗黙に前提としている可能性がある。

ASTM Internationalは、「換算値は合金、結晶粒組織、および熱処理の影響を受ける」と明確に述べている（2012年）。これらの変数は、圧子の下方における変形応答を変化させる。2種類の鋼が同じBrinell硬さを示していても、フェライト、パーライト、ベイナイト、マルテンサイト、または残留オーステナイトの割合が異なる場合がある。そのため、引張強さ、降伏挙動、および別の硬さ尺度での結果が異なる可能性がある。同じ鋼種であっても、焼ならし、焼入れ焼戻し、焼なまし、および冷間加工の状態が、同じ換算曲線に従うとは限らない。

表は、対象となる硬さの範囲にも依存する。表の中央付近での換算が、上限または下限付近でも自動的に信頼できるとは限らない。外挿は、表の記載値に代わる許容された手段ではない。また、くぼみが端部、別のくぼみ、裏当て面、または溶接境界に近すぎる場合には、Rockwell Cの結果をBrinellに換算すべきではない。整った数値が得られても、不適切な試験が正されるわけではない。

換算に先立って、尺度を選択しなければならない。Brinellは、大きなくぼみによって比較的広い体積を平均化するため、比較的粗大で不均質な鋼、または大断面の鋼に有用なことが多い。Vickersは広い硬さ範囲を扱うことができ、低荷重でも適用できるが、小さなくぼみは表面仕上げ、局所的な相、および測定分解能の影響をより受けやすい。Rockwell法は、多くの生産工程における検査で迅速かつ実用的である。一方、superficial Rockwell尺度は、薄い断面や表面処理層を対象として、力および侵入深さを小さくする。Leeb法およびScleroscope法は動的試験であり、その測定値は質量、支持状態、向き、表面状態、および装置の校正に強く依存する。

ASTM E140-12は、これらの方法上の違いを消し去るものではない。例えば、表はHRCとHBの間のおおよその関係を示すことはできるが、特定の部品が正しく試験されたことや、その微細組織がその関係を導出した母集団に属することを証明するものではない。したがって、報告結果には元の尺度と方法を残すべきである。「62 HRC、換算値は約700 HV」と記載する方が、単に「700 HV」とだけ報告するより多くの情報を伝える。前者の値は測定値であり、後者は推定値だからである。

硬さを用いて引張強さを推定する場合にも、同じ注意が必要である。1929年に発表された、経験的なRockwell–Brinell関係に関するNISTの研究は、鋼の引張強さを、実用上の目的でBrinell硬さから推定できる場合が多いと報告した。この知見は、適切な鋼の母集団内での実用的な推定を支持するものであるが、引張強さがHBの普遍的な関数であることを示すものではない。引張試験は、成形された試験片における破断に関係する挙動を測定するのに対し、押込み試験は、異なる応力状態における局所的な塑性抵抗を測定する。

ISO 18265:2013の原則

ISO 18265:2013、金属材料—硬さ値の換算は、尺度間で硬さ値を換算するための原則、および引張強さを推定するための原則を定めている。この規格では、換算は、材料、硬さ試験方法、適用範囲、およびその関係を裏付ける証拠を条件として行うものと扱っている。したがって、すべての尺度が一つの固定された数学的等価関係を持つという主張ではなく、責任ある使用のための枠組みに近い。

中心的な制限事項として、次のように明記されている。「換算値は、試験した正確な材料に対してのみ直接適用できる」（International Organization for Standardization, 2013年）。実際には、「正確な材料」には、ASTM A36、AISI 4140、またはUNS S30400のような公称鋼種表示以上の内容が含まれる。関連する規定範囲内の化学成分、製品形状、結晶粒組織、表面状態、熱処理、過去の変形、そして多くの場合には特定の製造経路も含まれる。600 °Cで焼入れ焼戻しを行った4140棒鋼は、すべてが同じ基礎鋼種表示を持つという理由だけで、4140浸炭歯車の歯や高周波焼入れ軸と置き換えることはできない。

ISO 18265:2013はまた、引張強さの推定を、最も信頼性の低い換算として位置付けている。この順位は、冶金学的にも妥当である。2つの押込み硬さ尺度間の換算でさえ、異なる圧子と荷重が同じ材料にどのように作用するかに依存する。硬さから引張強さに移行すると、加工硬化、欠陥、異方性、試験片形状、および破壊挙動への依存性がさらに加わる。硬さ値は不適切な熱処理をスクリーニングする手段にはなり得るが、その値だけで、設計要件または受入要件となっている規定引張強さ範囲への適合を証明することはできない。

証拠から但し書きを取り除くことの危険性は、頻繁に引用される次の関係からも分かる。2012年にMaterials Science and Engineering: Aに掲載された研究は、一部の高強度・延性金属材料について、おおよその関係 $H_V\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$ を示した。ここで、$H_V$は整合する応力単位で表した硬さであり、${\sigma }_{\mathrm{UTS}}$は引張強さである。この関係は材料群に固有のものであり、すべての鋼に適用される法則ではない。同じ研究は、硬さと強さの比が、材料群、微細組織、および押込み形態に依存すると報告している。鋳鉄、軟質な焼なまし低炭素鋼、析出硬化型ステンレス鋼、および焼戻しマルテンサイト工具鋼に対して、何の但し書きもなく3という係数を適用することは、正当化できない。

経験的関係が有用となる、より限定された場合もある。2023年に行われた、過去および現代の非合金構造用鋼に関する研究では、素材状態または焼ならし状態の鋼について、Brinell硬さと引張強さのパラメータとの間に、概して線形の関係が認められた。この結果は、試験材料が研究対象となった母集団の範囲内にとどまる場合、工場固有または製品群固有の推定を支持する可能性がある。しかし、この直線関係を、焼入れ焼戻し合金鋼、冷間引抜線材、または溶接構造物に移用することは正当化されない。

近似表と材料固有の校正

標準化された参考表と、適格性確認のための相関関係は、異なる問いに答えるものである。ASTM E140-12が実質的に問うているのは、規格に定められた適用範囲内で、特定の金属群について、測定値に対応し得るおおよその硬さ値は何かということである。一方、適格性確認のための相関関係が問うのは、定義された一つの鋼、製造経路、状態、および部品について、どのような関係が実証されているかということである。

例えば、製造業者または試験所が、特定の製造所の製造経路から得た焼ならし状態の1045鋼を試験し、一致する試験片でBrinell硬さと引張強さを測定し、実際の生産範囲にわたって回帰式を当てはめる場合がある。その式は、新しいロットとの照合を行い、不確かさの解析によって裏付けられているなら、その1045鋼の状態に適用できる可能性がある。しかし、これを高周波焼入れ1045鋼に自動的に適用してはならない。また、契約で降伏強さまたは引張強さが直接規定されている場合に、引張試験の代替としてはならない。

SAEの1967年技術報告書、硬さ試験および硬さ数の換算は、この点を実務的な観点から示している。すなわち、正確な換算は、特定の鋼の化学成分、熱処理、および部品について開発しなければならない。サイズ、質量、化学成分、および加工が関係に影響するためである。部品のサイズと質量は、動的方法、ならびに十分な支持を提供できない薄い断面において特に重要である。表面処理、曲率、くぼみ間隔、および裏面の硬さも、換算を試みる前の測定値を変化させる可能性がある。

防御可能な報告書には、測定した硬さ、規格および尺度、試験力または荷重、圧子、測定位置、表面状態、材料鋼種、および熱処理状態を記録する。換算値が必要な場合は、換算値であることを明記し、実務上可能であれば、ASTM E140-12またはISO 18265:2013、ならびに使用した表または範囲と関連付けるべきである。引張強さを推定する場合、報告書には、経験的モデル、校正に用いた母集団、ばらつき、および使用限界を明示すべきである。

結果が破壊臨界設計、熱処理の出荷承認、または引張特性に対する正式な受入判定に影響する場合、別途適格性確認された手順によって相関関係が確立されていない限り、直接引張試験が適切な証拠となる。硬さ換算は、比較および工程管理に有用である。しかし、便宜的な数値を普遍的な代替値として扱うことを許可するものではない。

鋼種および化学組成が換算値を変える理由

硬さの数値は、特定の荷重サイクルの下で、特定の圧子に対する抵抗を表すものである。それは、鋼の完全な強度、延性、破壊挙動、または微細組織を特定するものではない。2つの試験片がともに200 HBWを示したとしても、その値に達するまでのフェライト、パーライト、ベイナイト、マルテンサイト、炭化物、残留オーステナイトの混合状態が大きく異なる場合がある。引張強さが異なることもあり、別の硬さスケールでの値は、一般的な換算表が示す数値と一致しない可能性がある。

この違いにより、実測硬さ、換算硬さ、推定引張強さが区別される。実測された200 HBWは、規定されたブリネル試験による結果である。表から得られた92 HRBのような値は、換算結果である。いずれかの値から推定された引張強さは、さらに別の推定値であり、追加の不確かさを伴う。ASTM E140-12、金属の標準硬さ換算表（Standard Hardness Conversion Tables for Metals）は、特定の金属および硬さスケールについて近似的な関係を示しているが、ASTMは「換算値は合金、結晶粒組織、および熱処理の影響を受ける」と明確に述べている（ASTM International, 2012）。

炭素、合金元素、および焼入性

炭素は、複数の相互に関連する機構を通じて鋼の硬さを変化させる。低炭素フェライト鋼では、炭素の多くがフェライト中に残るか、比較的少量のパーライトを形成する。一般に、徐冷された組織では炭素量の増加に伴ってパーライトの割合が増加し、焼入れ時にマルテンサイトを形成できる炭素量も増加する。マルテンサイトはフェライトよりはるかに硬いが、その硬さは炭素含有量と焼戻し状態にも大きく依存する。したがって、0.40%C鋼を焼入れしたものと0.20%C鋼を焼入れしたものは、表面の測定値がたまたま同程度であるというだけで、同じ引張強さの関係を割り当てることはできない。

焼入性焼入性 規定された冷却条件下で、鋼が所定の深さまでマルテンサイトを生成する能力。最大硬さとは同じではない。

合金元素は、存在する相だけでなく、それらが形成される経路も変化させる。マンガン、クロム、モリブデン、ニッケルは、パーライト変態およびベイナイト変態を遅らせ、焼入性を高めることがある。焼入性とは、所定の冷却速度の下で鋼がマルテンサイトを形成できる深さを指す。AISI 1045は、表面が急速に冷却される断面において、硬いマルテンサイト表面と、より軟らかいフェライト・パーライトの中心部を形成することがある。クロムおよびモリブデンを添加したAISI 4140は、同等の処理条件下で、より深くまで硬化する可能性がある。両方の部品に同じ公称焼入れを施した場合でも、局所的な圧痕の1点が同じHRC値を示す位置でさえ、硬さ勾配と引張特性が異なることがある。

厚肉断面では、硬さと焼入性の違いが重要になる。焼入性は、すべての位置が均一に硬くなることを意味しない。それは、冷却中の拡散変態に対する鋼の抵抗を意味する。断面寸法、焼入れ剤、撹拌、部品形状が冷却履歴を決定する。そのため、SAEの1967年技術報告書、硬さ試験および硬さ数の換算（Hardness Tests and Hardness Number Conversions）は、寸法、質量、組成、および加工が関係に影響するため、精密な換算は対象となる鋼の組成、熱処理、および部品ごとに確立しなければならないと述べている（SAE International, 1967）。

炭化物も、差異を生じさせる別の要因である。工具鋼またはステンレス鋼中のクロムに富む炭化物、一部の高速度鋼または粉末冶金鋼種に含まれるバナジウム炭化物、ならびにパーライト中の鉄炭化物は、均一なマルテンサイト母相と同じようには圧痕と相互作用しない。炭化物が多いと圧痕に対する抵抗は高まる一方、母相の硬さと引張変形との関係は弱くなる可能性がある。残留オーステナイトは、逆の問題を生じさせることがある。試験片は焼入れ後に高い硬さを示していても、使用中または研削中のその後の変態によって、寸法および測定硬さが変化する可能性がある。

焼戻し処理も重要である。焼戻しマルテンサイト、ベイナイト、微細パーライトは、硬さの範囲が重なっていても、降伏強さと引張強さの比率や破壊応答が異なることがある。さらに、圧痕の大きさ、残留応力、加工硬化、異方性が測定値に影響する。同じ公称硬さは、相分析ではない。

非合金構造用鋼と商用相関式

限定された鋼種群の中では、硬さと強度の大まかな傾向が依然として有用な場合がある。未処理状態または焼ならし状態の非合金構造用鋼は、炭素量と冷却履歴に応じて割合が変化するフェライトとパーライトを含むことが多い。2023年に調査された過去および現行の非合金構造用鋼では、これらの状態において、ブリネル硬さと引張強さに関するパラメータとの間に、概ね線形の経験的関係が示された（Materials Today: Proceedings, 2023）。この結果は、管理された通常の構造用鋼群に対して、ブリネル硬さに基づく強度推定が比較的妥当に機能し得る理由を説明している。

この関係は経験則であり、物理法則ではない。EN 10025-2 S275JRやEN 10025-2 S355JRなどの鋼種では、材料が予想される供給状態の非合金または低合金構造用鋼であることが分かっている場合、硬さ測定値は工程確認または概略的なスクリーニング推定を補助することがある。しかし、必要な引張試験を行わずに、規定された降伏強さおよび引張強さの範囲への適合を立証することはできない。焼ならしは結晶粒組織を整え、フェライトとパーライトのバランスを変化させる。圧延履歴や偏析によって、結果はさらに変化する可能性がある。

1929年のNISTによる経験的なロックウェル・ブリネル関係の研究では、商業目的であれば、鋼の引張強さをブリネル硬さから推定できることが多いと報告された（NIST, 1929）。重要なのは「多くの場合」という限定である。このような推定は、導出された母集団内でのおおよその相関には有用だが、すべての鋼種にわたって引張試験を置き換える根拠にはならない。

ISO 18265:2013は、スケール間で硬さ値を換算し、引張強さを推定するための原則を定めている。しかし、換算値が直接適用できるのは試験した材料とまったく同じ材料に限られると警告しており、引張強さの推定値を最も信頼性の低い換算値として位置付けている（ISO, 2013）。したがって、HBWからHRCへの換算表の記載値を、換算後のHRC値が同程度の信頼性で引張強さを予測する証拠として扱ってはならない。

工具鋼、ステンレス鋼、および適用対象外となる前提

工具鋼およびステンレス鋼は、一般的な炭素鋼の相関式の限界を明らかにする。AISI D2は、硬化および焼戻しされた母相中に、クロムに富む炭化物を相当量含むことがある。AISI H13は、熱間工具鋼として処理した後に、焼戻し合金マルテンサイトを含むことがある。AISI 420ステンレス鋼は、比較的軟らかい焼なまし材から、焼入れおよび焼戻し後の硬いマルテンサイト材まで幅広い状態を取り得る。それぞれの状態によって圧痕応答は変化するため、HRCまたはHVの値が同じ数値範囲に入るというだけで、炭素鋼用の換算値を適用してはならない。

AISI 304やAISI 316のようなオーステナイト系ステンレス鋼は、別の問題を示す。それらの面心立方格子の母相は圧痕形成中に強く加工硬化することがあり、冷間圧下によっては、一部の組成で加工誘起マルテンサイトが形成される場合がある。したがって、冷間加工後に測定された硬さは、初期組成と加工履歴の両方を反映する。フェライト系、二相系、析出硬化系、およびマルテンサイト系のステンレス鋼種には、それぞれの相バランスと強化機構が異なるため、個別の前提が必要である。

しばしば引用される近似式 Hᵥ ≈ 3σUTS は、一部の高強度で延性のある金属材料について示されたものである。しかし、Materials Science and Engineering: Aに掲載された2012年の研究は、硬さと強度の比が材料分類、微細組織、および圧痕形態に依存すると強調している（Materials Science and Engineering: A, 2012）。これは鋼に対する普遍的な換算式ではない。

適格性が確認された相関関係が承認されている場合を除き、引張特性が受入れ、設計、または破損評価を左右するときは、直接引張試験が依然として必要である。 Strong evidence

したがって、報告書には、測定したスケール、試験規格、該当する場合は荷重またはボールの呼び、測定位置、および材料状態を記載すべきである。換算値を報告する場合は、換算値であることを明記し、根拠となる表または規格を示すべきである。引張強さを推定する場合は、推定値であることを明記し、その推定を裏付ける材料範囲を示すべきである。受入れ、設計許容値、または破損評価が引張特性に依存する場合には、直接的な引張試験がなお必要である。

熱処理と微細組織：誤差の主な発生源

熱処理は、あらゆる硬さの相関関係における第一義的な変数です。鋼種の下に付記する脚注のように扱うことはできません。同じ公称化学成分を持つ2つの試験片でも、焼なまし、焼ならし、焼入れ、焼戻し、浸炭、窒化、または高周波焼入れの後には、硬さ、引張強さ、延性、および押込み応答が大きく異なることがあります。状態を無視した硬さ換算は、物理的な裏付けに乏しいにもかかわらず、精密そうに見える数値を生み出す可能性があります。

この区別が重要なのは、しばしば3種類の異なる量が混同されるためです。測定硬さとは、220 HBWや62 HRCのように、指定された試験によって得られた結果です。換算硬さとは、ビッカース硬さから推定したロックウェルCスケール値のように、別のスケールによるおおよその推定値です。推定引張強さは、硬さからさらに推論した値であり、スケール間の換算よりも信頼性が低くなります。ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals は、均質な炭素鋼、合金鋼、工具鋼を含む、指定された金属について、ブリネル、ビッカース、ロックウェル、表面ロックウェル、ヌープ、ショア、およびリーブ各スケール間のおおよその関係を示しています。また、「換算値は、合金、結晶粒組織、および熱処理の影響を受ける」と明記しています。

ISO 18265:2013も、同じ制限を明確に示しています。この規格は、スケール間で硬さ値を換算する原則と、引張強さを推定する原則を規定していますが、換算値が直接適用できるのは、試験した材料そのものに限られるとしています。引張強さの推定値については、最も信頼性の低い換算であると位置付けています。これらの制限は、測定した表面が断面全体を代表していない場合に、とりわけ重要です。

焼なまし、焼ならし、焼入れ、および焼戻し状態

焼なまし鋼では、徐冷によって通常、比較的粗いフェライト–パーライト組織、または機械加工や成形を容易にするために選択された別の軟化組織が形成されます。この状態でのブリネル押込みは、フェライトとパーライトのコロニーを含む、比較的大きな体積を対象とします。その結果得られる硬さは、低炭素鋼の限られた系列内では引張強さと比較的よく対応することが多いものの、その関係は炭素含有量、パーライト分率、コロニー間隔、および結晶粒径によって変化します。低炭素焼なまし鋼と、より高炭素の焼なまし鋼は、試験表面の外観が似ていても、強さと硬さの比率が異なることがあります。

焼ならしでは、比較が変わります。臨界温度範囲を超えて加熱した後に空冷すると、通常、炉内徐冷の場合よりも微細なフェライトとパーライトが形成されます。結晶粒微細化によって降伏強さと引張強さは上昇しても、押込み硬さが同じ割合で増加するとは限りません。2023年の Materials Today: Proceedings に掲載された、過去および現代の非合金構造用鋼を対象とした研究では、素材状態または焼ならし状態の鋼について、ブリネル硬さと引張強さのパラメータとの間に、概して線形の経験的関係が認められました。この結果は、研究対象となった集団内での実用的な推定を支持するものですが、その直線関係を焼入れ焼戻し合金鋼や表面硬化部品にそのまま適用できることを意味しません。

焼入れでは、しばしば残留オーステナイトや変態応力を伴うマルテンサイトが生成します。押込み子が高強度でせん断抵抗の大きい相に接触するため、硬さは急激に上昇することがあります。しかし、引張挙動は炭素含有量、旧オーステナイト結晶粒径、炭化物の固溶、残留オーステナイト、および割れ感受性にも依存します。焼入れしたSAE 1045試験片と焼入れしたAISI 4140試験片は、いずれも高いロックウェルC値を示すことがありますが、引張強さと靭性は異なる可能性があります。両者の合金元素は焼入れ性と焼戻し応答を変化させるため、同じ公称HRC値であっても、同じ引張特性が保証されるわけではありません。

焼戻しはマルテンサイトを分解または変化させ、残留応力を低減し、炭化物の分布を変化させます。低温焼戻しでは、高い硬さを維持しながら、焼入れ応力の一部を緩和できることがあります。高温焼戻しでは硬さが低下しますが、靭性が向上し、焼入れ直後とは異なる強さと硬さの関係が生じることがあります。例えば、焼入れ焼戻ししたAISI 4140製シャフトは、一般的な炭素鋼用の換算表ではなく、類似した合金および状態を対象とした換算データと比較すべきです。同一鋼種内でも、焼戻し温度と時間によって、硬さ、降伏強さ、引張強さ、および伸びの組合せは変化します。

1929年に発表された、NISTによるロックウェル硬さとブリネル硬さの経験的関係に関する研究は、鋼の引張強さを、実用上の目的でブリネル硬さから推定できる場合が多いと報告しました。ここで重要なのは「場合が多い」という表現です。この結果が示すのは経験的な集団であって、熱処理の変化をすべて超えて成立する物理法則ではありません。1967年のSAE技術報告書 Hardness Tests and Hardness Number Conversions も同様に、精密な換算は、対象となる鋼の化学成分、熱処理、および部品に対して個別に確立しなければならないと強調しています。これは、寸法、質量、化学成分、および加工工程がその関係に影響するためです。

表面硬化と板厚方向の硬さ勾配

浸炭、窒化、および高周波焼入れでは、単一の硬さ値はさらに代表性を失います。浸炭では、低炭素鋼の表面に炭素を拡散させ、その後に焼入れを行うことで、より靭性の高い低炭素の芯部の上に、硬いマルテンサイト層を形成します。表面の測定値が60 HRC以上であっても、芯部ははるかに軟らかな場合があります。この表面値を部品全体の引張強さに換算することは、分類上の誤りです。試験が測定しているのは表面硬化層であり、均一な材料としての荷重支持断面全体ではないからです。

窒化では、窒素が濃化した拡散層が形成され、表面近傍にはε-Fe₂–₃Nやγ′-Fe₄Nなどの鉄窒化物を含む化合物層が形成されます。この層は非常に硬く、厚さが薄いことがあります。通常のロックウェル試験やブリネル試験では、押込み深さと塑性域が処理領域より下まで及ぶため、不適切な場合があります。硬さ分布を分解して把握するには、マイクロビッカースまたはヌープによる走査測定が必要になることがよくあります。マイクロ押込みであっても、押込み深さが層厚に対して大きすぎると、基材の影響によって値が歪む可能性があります。

硬さレベル

高周波焼入れでは、硬化したマルテンサイト領域が形成されます。その深さは、周波数、電力、走査速度、形状、および焼入れ条件に依存します。硬さは、表面から遷移領域を通って軟らかな芯部へ、連続的に変化します。「62 HRC」という報告は、測定位置と測定深さが示されていなければ不完全です。同じ部品でも、表面、有効硬化層深さ、および芯部では、異なる換算結果が得られる可能性があります。

このような勾配は押込み形状にも影響します。硬化層上に浅い押込みを行うと、その下にある軟らかな材料によって拘束される可能性があります。一方、深い押込みでは複数の領域が平均化されます。表面の曲率、断面厚さ、端部からの距離、および部品の質量も応力場を変化させる可能性があります。ASTM E140-12の表は、表に示された材料範囲および試験条件を対象とするものであり、任意の表面硬化プロファイルを対象とするものではありません。換算値を直接適用できるのは試験した材料そのものに限られるというISO 18265:2013の要件は、ここで特に重要です。

結晶粒組織、相、および押込み形態

硬さは、押込みに対する局所的な抵抗であって、引張強さを直接測定するものではありません。押込み子は、有限の体積にわたって弾性変形と塑性変形を生じさせます。結晶粒径、結晶学的集合組織、相境界、介在物、炭化物、および残留応力は、いずれもその体積に影響します。微細なフェライト–パーライト組織は、粗いパーライトとは異なる形で変形を分散させる可能性があります。ベイナイト、マルテンサイト、フェライト、残留オーステナイト、および炭化物に富む領域は、異なる変形機構によって、類似した平均硬さ値を示すことがあります。

残留圧縮応力は押込みに対する見かけの抵抗を高める可能性がある一方、引張残留応力はそれを低下させたり、割れを促進したりする可能性があります。そのため、研削焼け、脱炭、ショットピーニング、および機械加工損傷は、バルクの引張特性を同じ割合で変化させなくても、表面の測定値を変化させることがあります。押込み位置も重要です。大きな炭化物の上、相境界の近傍、または既存の押込み痕の近くに行った押込みは、母相を代表しない可能性があります。

押込み形態も別の注意点を示します。ブリネル法とビッカース法は、永久押込み痕の大きさと形状に基づいています。一方、ロックウェル法は押込み深さに基づいています。押込み痕の周囲にパイルアップが生じると、接触面積は理想化された解析で仮定されるより小さくなる可能性があります。逆に、シンクインが生じると、接触面積は大きくなります。異方性、多相性、または加工硬化性の高い鋼では、これらの影響によって硬さと流動応力の関係が変化します。査読付きの2012年の Materials Science and Engineering: A 掲載論文は、硬さと強さの比が、材料の種類、微細組織、および押込み形態に依存すると報告しました。同論文は、一部の高強度で延性のある金属材料について、近似関係 Hᵥ ≈ 3σUTS を示しましたが、この式は材料の種類に固有のものであり、鋼に普遍的に適用できる式ではありません。

したがって、報告書には、鋼種、熱処理状態、試験方法、スケール、測定位置、および硬化層深さに関する情報を記載すべきです。245 HBWのような測定値は、23 HRCのような換算値と互換ではなく、いずれも自動的に推定引張強さを意味するものではありません。受入れ判定、破壊リスク、または構造設計が引張特性に依存する場合、適切な対応は、直接的な引張試験、または鋼種と状態に固有の妥当性確認済み相関関係を用いることです。都合のよい硬さ値から、裏付けのない換算を行うべきではありません。

ブリネル、ロックウェル、ビッカースの換算関係

硬さ換算表は、HBW、HRC、HVを互換性のある測定値にするものではありません。ある硬さ尺度で測定した値から、別の尺度による推定値を示すものです。この区別が重要なのは、各方法で使用する圧子、荷重、接触形状、計算手順が異なるためです。たとえば、220 HBWというブリネル硬さは、比較的大きなくぼみの直径から測定された値です。220 HBWを21 HRCに換算した値は表による推定値であり、2回目のロックウェル試験の結果ではありません。

ASTM E140-12、Standard Hardness Conversion Tables for Metalsは、指定された金属について、ブリネル、ビッカース、ロックウェル、スーパーフィシャル・ロックウェル、ヌープ、ショア・スコープ、リーブの各硬さ尺度間のおおよその関係を示しています。同規格の鋼用表には、均質炭素鋼、合金鋼、工具鋼が含まれます。ただし、重要な但し書きがあります。ASTMは「換算値は、合金、結晶粒組織、および熱処理の影響を受ける」と述べています。ISO 18265:2013も、硬さ尺度間の換算および引張強さの推定に関する原則を定めていますが、換算値が直接適用できるのは、試験した材料とまったく同一の材料に限られるとしています。したがって、換算表は、表に明記された材料および範囲内での比較を支えるものですが、硬さ数値が物理的に同一であることを示すものではありません。

HBWからHRC、およびHRCからHBWへの換算表の読み方

まず、実際に行われた試験と、その完全な呼び方を確認します。HBWは、超硬合金球を用いて測定したブリネル硬さを意味します。球の直径と印加荷重も、220 HBW 10/3000のように併記される場合があります。HRCはロックウェルCスケール硬さを意味し、通常、ロックウェル法に従い、ダイヤモンド円すい圧子と合計150 kgfの荷重を用いて測定されます。技術報告において、単に「HB」または「HR」と記すのは不十分です。球の材質、球の直径、ロックウェルのスケール、および試験荷重が結果に影響する可能性があるためです。

220 HBWをHRCに換算するには、該当するASTM E140-12またはISO 18265:2013の表で、HBW欄の220を探し、HRC欄を横に読み取ります。表の行に21 HRCと示されている場合、適切な報告は「220 HBWから換算した約21 HRC」であり、あたかもロックウェルC試験を実施したかのように単に「21 HRC」と記すことではありません。逆方向の換算にも同じ注意が必要です。測定されたHRC値を起点とし、適切な鋼用表を選び、対応するHBWの推定値を読み取ります。表に示された関係は丸められており、可逆的な方程式ではなく、近似式または経験的関係から作成されている場合があるため、逆引きによって元の数値が必ず再現されるとは限りません。

隣接する数値は、厳密に同等ではありません。たとえば、ある表に210 HBWが19 HRC、230 HBWが22 HRCと記載されているとします。測定値220 HBWはこれらの行の間に位置しますが、だからといって、正確な20.5 HRCと、物理的に検証されたロックウェル値の両方を有するわけではありません。適用される規格がその範囲での補間を認めている場合、線形補間によって報告上の補助値として約20.5 HRCを算出することはできます。しかし、その結果はあくまで推定値であり、換算関係のばらつきと、元の測定値の不確かさがその不確かさに含まれます。

材料区分は、対象部品と一致していなければなりません。マルテンサイト組織に焼入れ・焼戻しした4140鋼が、焼ならししたAISI 1020、焼なまししたAISI 1045、または高炭素工具鋼と同じHBW–HRC関係に従うとは限りません。その理由は単なる表上の問題ではなく、力学的なものです。圧痕に対する応答は、降伏強さ、加工硬化、炭化物の分布、残留オーステナイト、結晶粒径、残留応力、ならびに圧痕周辺の変形に依存します。SAE Internationalの1967年報告書、Hardness Tests and Hardness Number Conversionsは、寸法、質量、組成、加工履歴が関係に影響するため、精密な換算は特定の鋼の組成、熱処理、および部品ごとに確立しなければならないと述べています。

ロックウェル試験は、反復検査において迅速かつ便利ですが、大きなブリネル圧痕では平均化されるような条件の影響を受けやすい場合があります。薄い断面では、たわみが生じたり、圧痕による応力場が反対側の表面と相互作用したりする可能性があります。試験片の支持が不十分であると、誤った結果が得られることがあります。スケールの選択も重要です。HRBが適切な場合にHRCを使用したり、荷重と圧子を特定せずにスーパーフィシャル・ロックウェル尺度を適用したりすると、比較は無効になります。表面スケール、脱炭、粗さ、曲率、圧痕間隔の不足も、読み値を変化させる可能性があります。換算HRC値によって、不適切なHBW測定を修正したり、不適切なロックウェル試験条件を補ったりすることはできません。

ビッカースが有用な橋渡しとなる場合

ビッカース硬さは、必要に応じて試験荷重を明記し、HVとして報告されます。ダイヤモンド四角すい圧子を使用し、圧痕の2本の対角線から硬さを算出します。その形状により、単一のロックウェル尺度より広い硬さ範囲に対応でき、ブリネル球が大きすぎる条件にも適しています。試験荷重、表面処理、圧痕間隔、および光学測定が適用される方法の要件を満たしていれば、ビッカース圧痕によって、小さな硬化層、溶接部または熱影響部、個々の相の領域、薄い断面を調べることができます。

HBWとHRCが尺度上の制約によって隔てられている場合、ビッカースは橋渡しの役割を果たせます。たとえば、浸炭層は通常のブリネル圧痕には薄すぎることがあり、また圧痕が表層を超えて進入すると、標準的なロックウェル試験では不安定な結果を示すことがあります。低荷重ビッカース試験を表面から内部へ走査すれば、表面から芯部に至る硬さ勾配を示すことができます。これは、層状組織に対して換算HRC値を1つ割り当てるより有用な情報です。同じことは、数ミリメートル以内に複数の組織が存在する可能性がある溶接金属や熱影響部にも当てはまります。

ビッカースが自動的により高精度になるわけではありません。対角線の測定値は、表面仕上げ、光学分解能、測定者の判断、盛り上がりまたは沈み込み、選択した荷重の影響を受けます。非常に小さな圧痕では、測定誤差が拡大されます。また、局所的に測定されたHV値は、ブリネル圧痕が代表する鋼全体ではなく、炭化物、マルテンサイト島、または脱炭部をサンプリングしている可能性があります。したがって、HVからHRCまたはHBWへの換算が意味を持つのは、換算表が対象となる鋼の区分、硬さ範囲、および試験荷重条件をカバーしている場合に限られます。

硬さから強さを求める式には、さらに大きな注意が必要です。2012年のMaterials Science and Engineering: A掲載論文は、一部の高強度・延性金属材料について、おおよその関係としてHᵥ ≈ 3σUTSを示しましたが、硬さと強さの比は、材料区分、微細組織、圧痕形態に依存することも示しています。これは炭素鋼および合金鋼に対する一般式ではありません。ISO 18265:2013は、引張強さの推定を最も信頼性の低い換算として位置付けています。1929年のNIST研究では、鋼の引張強さは商業目的でブリネル硬さから推定できることが多いとされましたが、この知見が支持するのは、管理された経験的推定であって、引張試験に代わる普遍的な置換ではありません。

適用範囲の限界、補間、および不連続性

換算は、表に示された硬さ範囲および材料区分の内部でのみ使用してください。表が60 HRCで終わっている場合、測定値64 HRCを最終行から外挿してはなりません。対象部品が析出硬化系ステンレス鋼であるにもかかわらず、表が均質炭素鋼、合金鋼、工具鋼を対象としている場合、見た目が最も近い行を選んでも、換算が有効になるわけではありません。材料の鋼種記号だけでは不十分な場合もあります。同じ公称組成であっても、焼ならし、焼なまし、焼入れ、焼戻し、浸炭、冷間加工などの状態によって、異なる関係が生じる可能性があります。

補間が許容されるのは、規格または承認済み手順がそれを支持し、かつ周辺の数値が適切な連続区間を形成している場合に限られます。補間値であることを明記し、根拠のない精度を示さない妥当な丸めを行うべきです。ブリネル表から21.37 HRCと報告することは、通常、情報源が提供できる以上の確実性を主張することになります。まず測定値を示し、その後に換算値と参照規格を記載してください。たとえば、「220 HBW；ASTM E140-12に従って換算した約21 HRC」のように報告します。

表が材料区分、ロックウェル尺度、圧子、または硬さ範囲を変更する箇所では、不連続性が現れることがあります。また、それらは鋼が急激に変化したことではなく、圧痕形成の力学が変化したことを反映している場合もあります。そのような境界をまたいで平滑化したり、別々の表の値を平均したりしないでください。合否判定が引張特性、硬化層深さ、溶接認定、または指定された鋼種状態に依存する場合は、必要な直接試験を実施してください。換算は比較のための手段であり、実施していない試験に合格したであろうことの証拠ではありません。

硬さと引張強さ：同一性ではなく関係性

硬さと引張強さは、いずれも金属の塑性変形に対する抵抗に依存するため、相関関係があります。しかし、互換可能な特性ではありません。硬さ試験は、1か所に小さな圧痕を形成します。引張試験では、標準化された試験片に対して、降伏、塑性流動、破断が生じるまで、はるかに大きな体積を負荷します。したがって、両試験は異なる体積の材料を対象とし、異なる応力状態を付与し、異なる種類の測定値を生成します。

硬さ値は、ビッカース、ブリネル、ロックウェル、ヌープ、またはその他の尺度で直接測定される場合があります。換算硬さ値は、公開された関係を用いて、別の測定済み尺度から計算された値です。推定引張強さはさらに別の段階であり、硬さから引張特性を推定するものです。各段階で仮定と誤差の可能性が加わります。推定引張強さを引張試験の結果であるかのように扱うことは、特に仕様、設計計算、または破損調査が降伏強さ、引張強さ、伸びに依存する場合、適切な報告方法ではありません。

硬さが力学的に測定するもの

硬さとは、局所的な塑性変形に対する抵抗です。ビッカース試験では、規定の力でダイヤモンド製の四角錐圧子を表面に押し込み、その後、圧痕の二つの対角線を測定します。ビッカース硬さ数 $H_{\mathrm{V}}$ は、加えた力と圧痕の投影面積から算出されます。ブリネル試験では、超硬合金球を材料に押し込み、加えた力と形成された圧痕の直径との関係から硬さを求めます。一方、ロックウェル試験では、規定された予備荷重および主荷重の下での侵入深さを測定し、HRCやHRBなど、指定された硬さスケールで結果を報告します。

圧子は、接触部の下に複雑な三次元応力場を形成します。そこには圧縮、せん断、および引張りの成分が含まれ、圧痕の近傍の材料は著しい塑性ひずみを受けることがあります。測定される応答は、加工硬化、弾性回復、摩擦、圧子形状、表面処理、ならびに塑性変形領域の大きさの影響を受けます。また、その応答は試験表面の直下にある材料を反映するものであり、必ずしも部品全体の平均的な特性を示すものではありません。

この局所的な性質により、硬さは硬さの勾配や加工の影響を確認するうえで有用です。焼入焼戻しマルテンサイト層、脱炭表面、溶接熱影響部、または浸炭硬化層では、硬さの値が芯部と大きく異なることがあります。圧痕間隔、縁からの距離、試験片の厚さ、曲率、および表面粗さも、結果を歪める可能性があります。スケール、試験方法、荷重、および試験条件を伴わない硬さ数値は不完全です。「60」という数値は、60 HRC、60 HRB、60 HRA、または規定荷重下でおよそ60 HVを意味する可能性がありますが、これらの値は同等ではありません。

これに対し、引張強さとは、単軸引張試験中に到達する最大の公称応力です。試験片を標点距離にわたって引っ張り、報告される引張強さ ${\sigma }_{\mathrm{UTS}}$ は、最大荷重を元の断面積で割って算出します。この試験では、比較的大きな標点体積にわたる変形を捉え、降伏挙動、一様伸び、全伸び、絞りなどの追加的な特性も明らかにします。硬さ試験の圧痕から、これらの引張ひずみに関する測定値を得ることはできません。

この違いは、不均質な鋼において重要です。表面硬さ試験では、芯部の引張強さが低い場合でも、薄い硬化層が測定結果を支配することがあります。逆に、粗粒域、帯状組織、介在物の分布、または局所的な熱処理のばらつきは、小さな圧痕とは異なる形で引張試験片に影響を及ぼす可能性があります。管理された同一の製造系列内では、硬さと強度が相互に対応することがありますが、その対応関係は経験的な結果であって、定義ではありません。

近似的な $H_{\mathrm{V}}\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$ の関係

頻繁に繰り返される経験則では、次のように示されます。

$$H_{\mathrm{V}}\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$$

ビッカース硬さと引張強さを整合する単位で表す場合、この関係は、おおよそのオーダーを比較するために役立つことがあります。例えば、$H_{\mathrm{V}}=600$ の材料は、このような関係に基づけば、約 $2,000\text{MPa}$ に近い引張強さと関連付けられる可能性があります。しかし、この計算結果は材料証明書ではなく、そのようなものとして提示すべきではありません。

この関係は、一部の高強度で延性のある金属材料について確認されています。2012年に Materials Science and Engineering: A に掲載された研究では、硬さと強度の比が、材料の種類、微細組織、および圧痕形態に依存することが報告されています。これらの但し書きは決定的に重要です。3という係数は、すべての鋼、すべての硬さスケール、またはすべての熱処理に適用できる一般式ではありません。測定値がビッカース硬さと呼ばれているというだけで、この関係が有効になるわけでもありません。

力学的には、この近似には妥当と思われる根拠があります。圧子の下で塑性変形が生じるには高い代表流動応力が必要である一方、引張強さは、単軸変形およびひずみ硬化の過程で到達する応力レベルを反映します。代表的な圧痕圧力、流動応力、および引張応答の間に一貫した関係がある限定された材料群では、ほぼ一定の比が現れることがあります。変形機構またはひずみ硬化挙動が変われば、その比も変化します。

同じ鋼種であっても、異なる加工経路を経ると、この近似から外れることがあります。フェライト・パーライト、ベイナイト、焼戻しマルテンサイト、および焼入れマルテンサイトは、荷重下で同じように硬化するわけではありません。残留オーステナイト、炭化物の分布、結晶粒径、残留応力、および加工履歴は、圧痕形状や引張曲線を変化させる可能性があります。高炭素工具鋼、低炭素構造用鋼、およびオーステナイト系ステンレス鋼は、公称硬さが近い場合でも、硬さと引張強さの比が異なることがあります。[5][5] Brinell hardness and tensile-strength relationship in unalloyed structural steels. Materials Today: Proceedings authors. Materials Today: Proceedings, 2023.

公表された経験的研究は、普遍的な代替ではなく、限定された特定条件下での利用を支持しています。2023年に Materials Today: Proceedings に報告された研究では、未合金構造用鋼のうち、素材状態または焼ならし状態にある歴史的および現代的な材料群について、ブリネル硬さと引張強さのパラメータとの間に概して線形関係が見られることが示されました。この結果は、その材料集団および状態に対しては有用です。しかし、焼入焼戻し合金鋼、冷間加工板、表面硬化部品、または溶接部について同じ直線関係が成立することを示すものではありません。

単位についても注意が必要です。ビッカース硬さは、力を面積で割った量と関連していますが、慣用的には無次元の硬さ数として報告されます。引張強さは通常、MPaまたはN/mm²で報告されます。$1{\text{kgf/mm}}^2$ はおよそ $9.807\text{MPa}$ であるため、硬さの慣用表記とSI応力単位を不用意に混在させると、ほぼ1桁に及ぶ誤差が生じる可能性があります。適切な報告書では、式、単位、材料集団、および不確かさを明示します。

引張強さの推定値への換算が最も信頼性に欠ける理由

硬さスケール間の換算と引張強さの推定は、同じ作業ではありません。ASTM E140-12 Standard Hardness Conversion Tables for Metals は、指定された金属について、ブリネル、ビッカース、ロックウェル、スーパーフィシャル・ロックウェル、ヌープ、ショア、およびリーブの各値の間にある近似的な関係を示しています。対象には、均質な炭素鋼、合金鋼、および工具鋼が含まれます。ASTM Internationalは、「換算値は、合金、結晶粒組織、および熱処理の影響を受ける」と述べています。したがって、これらの表は定義された経験的な材料集団を記述するものであり、あらゆる硬さ値を普遍的な材料特性に変換するものではありません。

ISO 18265:2013 Metallic materials—Conversion of hardness values は、硬さスケール間で硬さ値を換算し、引張強さを推定するための原則を規定しています。また、「換算値は、試験した正確な材料に対してのみ直接適用できる」と警告し、引張強さの推定を最も信頼性の低い換算として位置付けています。この順位付けは、推論の連鎖から導かれます。HRCをHVに換算する段階ですでに、二つの圧入試験方法の間に関係があることを仮定しています。さらに、いずれかの値から ${\sigma }_{\mathrm{UTS}}$ を推定するには、局所的な圧入塑性と大きな体積にわたる単軸変形との間に関係があることも仮定しなければなりません。

1929年に公表された、鋼における経験的なロックウェル–ブリネル関係に関するNISTの研究では、実用上の目的で、鋼の引張強さをブリネル硬さから推定できることが多いと観察されています。これは実用的な観察であって、物理的に同一であるという宣言ではありません。「多い」という表現は、鋼の材料集団、状態、および許容誤差に依存します。NISTの観察によっても、対象となる鋼種および加工経路から得られた引張データに対して関係を検証する必要性がなくなるわけではありません。

1967年に公表されたSAEの技術報告書 Hardness Tests and Hardness Number Conversions は、同じ制限をより明確に示しています。すなわち、正確な換算は、対象となる鋼の組成、熱処理、および部品ごとに開発しなければならないというものです。これは、寸法、質量、組成、および加工が関係に影響するためです。公称鋼種が同一であっても、厚い鍛造品、薄帯、および小型の熱処理ピンでは異なる相関関係が得られる可能性があります。形状は圧痕周辺の拘束状態を変化させ、質量および断面寸法は冷却速度、ひいては微細組織に影響します。

合否判定に用いる場合、硬さから導出した引張強さには推定値であることを明記し、測定したスケール、試験規格、測定位置、材料の鋼種、熱処理状態、校正に用いた材料集団、および予想される不確かさを併記すべきです。図面または材料仕様書が引張強さを要求している場合、適切な証拠は、要求される規格に従って実施した引張試験であり、要求値に近く見えるという理由だけで選んだ換算値ではありません。硬さは、スクリーニング、比較、および工程監視には利用できます。しかし、それだけで鋼部品の引張挙動全体を証明することはできません。

形状、寸法、質量、および試験位置

硬さの値は、特定の圧子の下にある、特定の体積の材料が示す応答を表すものである。組成だけを表すものではない。同じ熱処理を施した鋼から切り出した2つの試験片でも、一方が薄い、支持が軽微である、曲面である、粗い、脱炭している、または以前の圧痕の近くで測定される場合には、異なる測定値を示すことがある。したがって、合金と熱処理が同じであっても、測定値は変化し得る。

これは、いかなる換算を試みる前にも重要である。換算表は、有効なブリネル、ロックウェル、またはビッカース測定値を、別の硬さスケール上のおおよその値に関連付けることはできるが、曲げ、振動、表面損傷、または不適切な試験位置によってゆがんだ圧痕を修正することはできない。SAE技術報告書 硬さ試験および硬さ番号の換算（1967年）は、寸法、質量、組成、および加工が結果に影響するため、正確な関係は対象となる鋼の組成、熱処理、および部品ごとに確立しなければならないと特に強調している。

最小厚さと端部からの距離

試験片は、圧痕の下に生じる塑性変形領域が反対側の表面に達しない程度に十分な厚さを持たなければならない。反対側の表面に達すると、裏当て材料は、バルク試験片の場合と同じようには圧痕を拘束できなくなる。圧子がより深く侵入したり、接触形状が変化したりすることで、十分な厚さを持つ断面に比べて硬さ値が低くなったり、その他の偏りが生じたりする可能性がある。許容される最小厚さは、硬さスケール、圧子、加える力、および硬さ範囲によって異なる。表面ロックウェル試験に適した薄板が、標準ロックウェル試験またはブリネル試験にも適しているとは限らない。

小型部品では、これに関連する問題が生じる。質量の小さい部品は、試験力によって移動したり、傾いたり、弾性変形したりする可能性がある。わずかな変位であっても、ロックウェル試験では侵入深さが変化し、ブリネル試験では直径測定に影響することがある。治具がしっかり固定されているように見えても、部品自体が曲がることがある。薄いフランジ、幅の狭いリブ、中空断面の壁は、特にこの影響を受けやすい。

端部からの距離も重要である。端部に近すぎる位置に圧痕を付けると、塑性流動に抵抗する周囲の材料が少なくなる。材料が自由端に向かって盛り上がるため、測定された対角線長さまたは圧痕深さが、拘束されていない表面上の圧痕の挙動から外れることがある。同じ問題は、穴、スロット、キー溝、および断面が急変する部分にも当てはまる。機械加工された溝の隣で得られた測定値が、隣接する平坦部を自動的に代表するとは限らない。

近接する圧痕も干渉する可能性がある。以前の圧痕による塑性ひずみは、局所的に硬化し、変位した領域を残す。次の圧痕が近すぎると、その大きさや深さが変化することがある。間隔の要件は試験方法と硬さによって異なるため、都合のよい経験則ではなく、適用される規格に従わなければならない。互いに近接して連続的に測定すると、各試験が次の試験に影響を与えているにもかかわらず、再現性があるという誤った印象を与えることがある。

支持、曲率、および部品質量

支持アンビルは、測定システムの一部である。硬く安定し、適切に設置された支持具は、移動を制限し、制御された圧痕形成に必要な反力を与える。弾性のある裏当て、挟み込まれたスケール、ばり、塗料片、または不均一な治具があると、局所的な沈み込みが生じる。すると圧子は、鋼、支持具、およびそれらの間にある材料を合わせた応答を測定することになる。

振動も同様の影響を及ぼす。プレス、研削盤、または工作機械のそばで試験すると、力の付加または深さ測定が乱されることがある。軽量部品では、部品自体の柔軟性によって振動が増幅される可能性がある。大きなブロック上で得られた測定値と、柔軟な治具上に置いた薄い部品から得られた測定値は、同じロックウェルスケールを使用しているというだけでは同等ではない。

曲率は接触形状を変化させる。凸面では、平面上の場合よりも圧子が接触する周囲の材料が少なく、表面が荷重から離れる方向にたわむことがある。凹面では、接近と位置合わせが同様に問題となり得る。圧痕の大きさに対する曲率半径が重要である。広く緩やかな曲面では影響が小さい場合がある一方、曲率半径の小さい軸や管では大きな偏りが生じることがある。圧子は部品全体の向きに単に合わせるのではなく、局所的な表面に対して垂直でなければならない。

円筒部品では、測定位置についても問題が生じる。軸の頂部、側面に近い位置、または平坦化した試験パッド上での測定は、それぞれ異なる拘束条件を表す可能性がある。試験のためにパッドを機械加工した場合、その除去によって異なる深さの材料が露出し、実際に使用される表面をもはや代表しなくなることがある。試験報告書には、後の測定値を有意義に比較できるよう、位置、方向、断面厚さ、および支持条件を記載すべきである。

これらの制限は、換算した硬さおよび強度の推定値には、さらに強く適用される。ASTM E140-12、金属の標準硬さ換算表 は、指定された金属について、ブリネル、ビッカース、ロックウェル、表面ロックウェル、ヌープ、ショアスコープ、およびリーブの各スケール間のおおよその関係を示している。対象には、均質な炭素鋼、合金鋼、および工具鋼が含まれる。ASTMは、「換算値は、合金、結晶粒組織、および熱処理の影響を受ける」と述べている。形状に起因する誤差は、その表の別の列を選択しても取り除かれない。

表面処理と脱炭

圧子が代表的な鋼に到達する前に、表面状態が結果を変えることがある。酸化スケール、さび、めっき、塗料、加工痕、および表面粗さは、設置状態ならびにブリネルまたはビッカース圧痕の光学測定を妨げる。粗い表面では、小さな圧痕の縁を特定することが難しくなることがあり、緩んだ酸化物片は荷重下でつぶれる可能性がある。準備方法は、測定対象の冶金学的状態を変えることなく、汚染物を除去するものでなければならない。

研削が自動的に無害であるとは限らない。強い研削によって、熱影響層、局所的な焼戻し、残留応力、または加工硬化した表皮が生じることがある。過大な圧力により、下層の材料より硬い、または軟らかい表面が形成される可能性がある。冷却、軽い切込み、および十分な材料除去によってこのリスクを低減できるが、必要な除去深さは加工方法と部品によって異なる。研磨された表面は光学測定を改善することがある一方、準備が過度に激しかった場合には、損傷した材料を表している可能性がある。

熱処理によって、意図的または偶発的な硬さ勾配が生じることもある。浸炭層は低炭素の芯部より硬く、浅い圧痕では浸炭層だけを測定することがある。圧痕が大きく、または深くなるにつれて、軟らかい基材の影響が結果に現れ始める。その場合、均質な鋼を前提とした換算は適切ではない。脱炭は反対の影響を及ぼす。脱炭性雰囲気中で加熱すると、表面から炭素が失われ、より硬い鋼の上に軟らかい層が残ることがある。その結果、表面硬さ試験では、内部が規格を満たしていても仕様不合格となる場合がある。また、試験力がその層を貫通すれば、適合しているように見える可能性もある。

局所測定には、さらに慎重な対応が必要である。溶接金属、融合境界、および熱影響部には、非常に短い距離の間に異なる微細組織と硬さ勾配が存在することがある。通常のブリネル圧痕は、1つの領域だけを分離して測定するには大きすぎる場合がある。一方、マイクロビッカース試験またはヌープ試験では勾配を分解できる可能性があるが、より入念な準備と間隔管理が必要になる。報告書には、その値が溶接金属、HAZ、影響を受けていない母材、または融合線から指定された距離の位置のいずれから得られたものかを記載すべきである。

ISO 18265:2013は、硬さスケールを換算し、引張強さを推定するための原則を定めている。しかし、換算値が直接適用できるのは試験した材料そのものに限られるとし、引張強さの推定を最も信頼性の低い換算であると位置付けている。NISTによる経験的なロックウェル–ブリネル関係の研究（1929年）は、商業上の目的であれば、鋼の引張強さをブリネル硬さから推定できることが多いと示した。しかし、この知見によって、曲面で脱炭した部品から得られた表面測定値が引張試験になるわけではない。Materials Science and Engineering: A に掲載された2012年の研究は、一部の高強度延性金属について、おおよその関係 $H_v\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$ を示した一方、その比が材料区分、微細組織、および圧痕形態によって変化することも示している。まず形状と準備条件を管理しなければならない。そうしなければ、換算によって、意図した材料体積をそもそも代表していない測定値に見かけ上の精度を付け加えることになる。

硬さ勾配、浸炭層深さ、ならびに溶接鋼および加工鋼

硬さが数十分の数ミリメートルの範囲で変化する場合、硬さ換算は特に不確実になる。浸炭処理、窒化処理、高周波焼入れ、レーザー加工、溶接、積層造形によって製造された鋼では、1つの圧痕の大きさ、あるいは通常の検査で用いる測定間隔の範囲内に、複数の微細組織領域が存在することがある。その場合、報告された「換算引張強さ」は、均一性について誤った印象を与える。これは、試験した表面だけ、2つの領域の影響を受けた圧痕だけ、またはき裂、摩耗、変形を支配する領域を隠してしまう平均値だけを表している可能性がある。

ASTM E140-12、Standard Hardness Conversion Tables for Metals（2012年）は、均質な炭素鋼、合金鋼、工具鋼を含む、指定された金属について、ブリネル、ビッカース、ロックウェル、スーパーフィシャルロックウェル、ヌープ、ショア、リーブの各硬さスケール間のおおよその関係を示している。ここで重要なのは、同規格の警告である。「換算値は、合金、結晶粒組織、および熱処理の影響を受ける。」勾配が加えるもう1つの変数は、位置である。ISO 18265:2013は、換算値が直接適用できるのは、試験したものと正確に同じ材料に限られると規定しており、引張強さの推定は、換算の種類として最も信頼性が低い。したがって、局所的な硬さの値は、工程の確認には有用であっても、部材全体の引張強さを妥当な根拠に基づいて推定する値とはならない。

浸炭硬化プロファイル

浸炭処理では、通常、炭素が濃化した表面が焼入れ後に高炭素マルテンサイトへ変態する一方、低炭素の芯部は異なる焼入性挙動と靭性を保持する。窒化処理では、化合物層と拡散層が形成され、その硬さは深さとともに低下する。このプロファイルは、鋼の化学成分、窒化ポテンシャル、温度、時間、および事前の焼戻し条件に依存する。高周波焼入れでは、遷移領域の上に急冷されたマルテンサイト硬化層が形成され、芯部はより軟らかい。レーザー焼入れまたはレーザー合金化では、特に走査の重なり、冷却速度、希釈の程度が変化する箇所で、さらに狭く不規則な形状の領域が形成されることがある。

表面硬さと芯部硬さは、異なる問いに答えるものである。表面近傍の測定によって、浸炭硬化層が規定の硬さに達したことを確認できる場合があるが、それを低炭素芯部の引張特性の代用とすることはできない。逆に、芯部の測定からは、作動表面における接触疲労または凝着摩耗への抵抗についてほとんど分からない。薄い硬化層に対する単一のロックウェルCの測定値は、特に母材の影響を受けやすい。変形領域は硬化層の下まで広がるため、より軟らかい芯部によって見かけの値が低下する可能性がある。過度の表面曲率、不十分な支持、または粗い化合物層は、さらなる誤差を加えることがある。

プロファイルは通常、断面を作製して慎重に研磨し、表面から測定した深さごとにビッカース圧痕を配置することによって作成する。試験荷重は、信頼性をもって測定できる十分な大きさの圧痕を形成すると同時に、勾配を分解できるほど小さくなければならない。圧痕間隔が広すぎると遷移を見逃し、近すぎると重なり合う塑性ひずみ場を介して相互に影響する。ISO 6507-1およびASTM E384は、ビッカース試験およびヌープ試験について、圧痕間隔、端部からの距離、測定などに関する限界値を含む要求事項を規定している。単に「マイクロ硬さ」と報告するのではなく、適用した規格と試験力を記録すべきである。

浸炭硬化層深さは、最も硬い点の深さだけを意味するものではない。有効硬化層深さは、一般に、硬さが指定された限界値まで低下する深さとして定義されるが、その限界値は、製品仕様、鋼種、および方法によって異なる。有効硬化層深さを有効な形で報告するには、表面処理、試験力、圧子の種類、深さの起点、圧痕間隔、硬さスケール、および有効深さに用いた判定基準を明示すべきである。滑らかに見える曲線であっても、不確実性がなくなるわけではない。ばらつきは、炭化物の分布、残留オーステナイト、局所的な脱炭、または測定分解能を反映している可能性がある。

溶接金属および熱影響部

溶接断面は、1つの材料ではなく、複数の領域の連続体である。溶融溶接金属は、母材と組成および凝固組織が異なる場合がある。そのすぐ隣にある熱影響部（HAZ）には、粗粒域、細粒域、二相域、および亜臨界域が含まれることがある。炭素鋼および低合金鋼では、急冷された粗粒熱影響部に硬いマルテンサイトまたはベイナイトが形成される場合がある一方、焼戻しを受けた領域または二相域は、より軟らかくなり、局所的な軟化を受けやすいことがある。溶接キャップ、ルート、溶融境界、および影響を受けていない母材は、それぞれ異なる測定値を示し得る。

圧痕の位置は重要である。溶融境界の中央に配置された圧痕では、溶接金属と熱影響部からの混合した変形場が測定される可能性があり、その数値をどちらか一方の領域に確実に帰属させることはできない。最初の圧痕は、適用される試験規格を満たすため、溶融線および試験片端部から十分に離して配置しなければならない。しかし同時に、最も狭い領域を分解できるよう、測定列は十分に近くなければならない。実務上のマップでは、文書化した格子または走査線を用い、均一な母材中よりも、溶融境界および硬さ遷移部を横切る箇所で狭い間隔を設定する。正確な間隔は、選択した方法および合否判定仕様に従う必要があり、利便性だけを理由に決めるべきではない。

溶接部の硬さは、工程管理、水素き裂のリスク評価、または認定済み溶接施工要領の確認のために調べられることが多い。この目的であっても、引張試験になるわけではない。熱影響部の局所的に高い硬さは、マルテンサイト組織の形成と、き裂感受性の増大を示す可能性がある一方、低い値は過焼戻しまたは強度の低下を示す可能性がある。いずれの結果も、溶接継手全体の引張強さを確立するものではない。継手の強度は、溶接形状、欠陥、残留応力、拘束、靭性、および局所的に最も弱い領域にも依存する。

誤った平均化を避けた局所硬さのマッピング

硬さマッピングでは、すべての測定値を1つの平均値に集約するのではなく、位置情報を保持すべきである。基準表面または溶接中心線からの座標を記録し、微細組織上の領域を特定するとともに、個々の値または深さ方向のプロファイルを図示する。平均値は、狭い範囲に存在する最大値または最小値を隠してしまうことがある。軟らかい母材での10個の測定値が、脆い熱影響部での重要な2個の測定値を圧倒してしまう可能性がある。平均値が必要な場合は、平均値とともに、範囲、標準偏差、測定数、および除外規則を報告すべきである。

同じ原則は、レーザー加工トラックおよび積層造形された鋼にも適用される。溶融池境界、層間界面、走査方向の回転、融合不良欠陥、気孔、および再加熱帯によって、方向依存性の硬さが生じることがある。表面上の格子測定では、表面下の帯状領域を見逃す可能性があり、断面測定では、走査経路に沿った変動を見逃す可能性がある。したがって、異方性が考えられる場合、測定は複数の方向で、工程形状に沿って行うべきである。

直接測定した硬さは、引き続き主要な結果である。換算ブリネル値、換算ロックウェル値、または換算ビッカース値には、換算値であることを明記し、指定した表、材料状態、および試験位置と関連付けるべきである。1929年のNIST研究では、商業上の目的において、鋼の引張強さをブリネル硬さから推定できる場合が多いことが示され、2023年の研究では、未合金構造用鋼の素材状態または焼準状態において、ブリネル硬さとの一般に線形な関係が示された。これらの知見は、浸炭硬化層、熱影響部、または積層造形された表面を、部材全体の引張強さへ換算することを正当化するものではない。2012年の Materials Science and Engineering: A の研究で報告された近似関係 Hᵥ ≈ 3σUTS でさえ、一部の高強度・延性金属材料に適用されるものであり、すべての鋼または微細組織に適用できるわけではない。設計、受入れ、または破損評価が引張特性に依存する場合は、代表材料について引張試験を実施すべきである。

特定の鋼材に適用する換算の選び方

硬さの換算は、仕様書で要求されている数値からではなく、測定された結果から始めるべきです。元の硬さ尺度を、220 HBW、32 HRC、410 HV、72 HRAなどのように正確に記録し、試験方法、圧子、試験力、表面調製、測定位置も併記してください。尺度のない「硬さ」は不完全な情報です。換算値は2回目の測定値ではなく、経験的な関係から得られた推定値です。

鋼種、製品形態、状態を特定する

まず、利用可能な記録に基づいて、鋼材をできるだけ正確に特定します。AISI 1045、ASTM A36、AISI 4140、ASTM A240 Type 304、ASTM A681 W1などの呼称は材料の系統を示しますが、それだけで硬さの関係を確定するものではありません。規格で許容される化学成分の範囲内でも、押込みに対する応答は変化する可能性があります。また、公称鋼種が同じ2つの製品でも、炭素の分布、結晶粒径、介在物、残留相が異なる場合があります。

製品形態を記録してください。すなわち、厚板、薄板、棒、線、管、鍛造品、鋳造品、溶接構造物、機械加工部品のいずれであるかを明記します。押込みを十分な量の材料で支持する必要があるため、厚さと局部的な断面寸法が重要になります。厚い4140鋼鍛造品におけるブリネル圧痕は、厚さ1 mmの薄板表面近傍におけるビッカース圧痕よりも大きな体積を評価します。両方とも硬さ番号として報告されていても、2つの結果が同じ微細組織領域を表すとは限りません。

材料の状態も同様に重要です。焼なまし、焼ならし、焼入れ焼戻し、析出処理、冷間加工、浸炭、窒化、高周波焼入れ、その他の表面処理のいずれであるかを明記してください。例えば、焼ならししたAISI 1045と焼入れ焼戻ししたAISI 1045では、フェライト–パーライト組織またはマルテンサイト組織が異なる可能性があり、その結果、硬さと引張強さの関係も異なります。浸炭したAISI 8620部品では、表面硬さが高くても、芯部ははるかに軟らかなままである場合があります。均質な鋼材を前提とした換算は、そのような硬さ勾配を適切に表すものではありません。

また、試験が研削面、研磨面、脱炭面、酸化面、めっき面、ショットピーニング面のいずれで行われたかも記録してください。表面層は、浅いビッカース試験、ヌープ試験、またはロックウェル表面硬さ試験の結果を支配する可能性があります。これに対して、大きなブリネル圧痕では、表面層とその下の芯部が平均化されることがあります。測定位置が溶接部、熱影響部、端部、穴、曲げ部の近傍にある場合、その位置も結果の一部として記録すべきです。

ASTM E140-12、Standard Hardness Conversion Tables for Metalsは、「換算値は、合金、結晶粒組織、および熱処理の影響を受ける」と述べています（ASTM International, 2012）。この注意書きは、単なる一般的な但し書きではなく、選択の基準です。均質な炭素鋼、合金鋼、または工具鋼を対象とした表の値を、浸炭硬化層、二相組織、または溶接部に自動的に適用してはなりません。

元の尺度と対象尺度を適合させる

次に、対象とする値が何を示すためのものなのかを明確にします。32 HRCをおよそ300 HBWに換算することは、硬さ尺度間の比較です。一方、32 HRCから引張強さを推定することは、異なる、しかも信頼性の低い操作です。前者は「換算硬さ」として報告し、後者は根拠と限界を示したうえで「推定引張強さ」として報告すべきです。

換算表を選ぶ前に、形状と材料状態に基づいて試験尺度を選択します。ASTM E10またはISO 6506-1で規定されるブリネル試験は、十分な厚さがあり、比較的均質な鋼材に適していることが多く、大きな圧痕によって局部的なばらつきを平均化できます。ただし、狭い断面、薄い壁、小さな曲率半径、または端部に近い表面には適していません。ASTM E18またはISO 6508-1で扱われるロックウェル尺度は迅速な結果を得られますが、選択する尺度は材料の硬さと厚さに適合していなければなりません。ロックウェルCは、あらゆる鋼材試験の一般的な代替手段ではありません。軟らかい鋼材にはロックウェルBが必要な場合があり、薄い断面や浅い硬化層にはロックウェル表面硬さ尺度が必要になることがあります。

ASTM E384またはISO 6507-1に基づくビッカース試験は、利用可能な面積が小さい場合や、硬化深さまたは溶接部を通じて硬さ分布を測定する必要がある場合に有用です。ヌープ試験は、非常に薄い層や狭い領域ではより適している場合があります。細長い圧痕によって局所的な測定が可能になるためです。携帯型リーブ試験は、固定式試験機まで運搬できない大型部品に役立ちますが、表面状態、部品質量、曲率、支持状態、衝撃方向、校正が結果に影響します。したがって、リーブからロックウェルへの換算は、許可されたリーブ試験機器および材料区分に結び付けて扱うべきであり、直接的なロックウェル試験と互換性があるものとみなしてはなりません。

押込み力学も比較に制約を与えます。各尺度では異なる形状の圧子と試験力が用いられ、その結果、異なる塑性領域が形成されます。換算が有効なのは、試験対象の鋼材が、その関係を確立するために用いられた材料と同様の挙動を示す範囲に限られます。ある尺度の上限付近で得られた高い硬さ値は、両方の読み値がそれぞれの公称範囲内にあったとしても、別の尺度へ確実に換算できない場合があります。

硬さと引張強さの関係には、特に多くの条件が付きます。2012年にMaterials Science and Engineering: Aで発表された研究は、一部の高強度・延性金属材料について、おおよその関係 $H_V\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$を示しました。しかし同時に、硬さと強度の比は材料の種類、微細組織、押込み形態に依存すると報告しています。この式は、鋼材に普遍的に適用できる方程式ではありません。同様に、歴史的および現代の非合金構造用鋼を対象とした2023年の研究では、未処理または焼ならし状態の鋼材について、ブリネル硬さと引張強さのパラメータとの間に概して線形関係が見いだされました。しかし、この知見から、焼入れ焼戻しした4340、窒化した4140、またはマルテンサイト系工具鋼にも同じ関係が成立するとはいえません。

規格の適用範囲と範囲を確認する

材料を特定し、尺度を選択した後は、該当する規格の適用範囲と注記を確認します。ASTM E140-12は、均質な炭素鋼、合金鋼、工具鋼を含む指定金属について、ブリネル、ビッカース、ロックウェル、ロックウェル表面硬さ、ヌープ、ショアスコープ、リーブの各値の間にあるおおよその関係を示しています。表は、該当する材料区分と測定された硬さ範囲の両方を対象としていなければなりません。数値の傾向が滑らかに見えるという理由だけで、表の端点を超えて外挿してはなりません。

ISO 18265:2013は、硬さ値を尺度間で換算する原則と、引張強さを推定する原則を定めています。同規格は、換算値が直接適用できるのは、試験した材料そのものに対してのみであるとし、引張強さの推定を最も信頼性の低い換算として位置付けています。このため、ISOの表を引用する場合には、鋼種、状態、製品履歴が不可欠な根拠となります。

公表された表による換算が最も妥当なのは、鋼材の化学成分および冶金学的特性が表の基礎となった母集団と類似し、試験値が規定範囲の十分内側にあり、試験片の形状が元の試験方法を満たし、かつその結果を引張特性の証明書として使用しない場合です。表による換算は、工程監視や予備的な比較には十分なことがあります。しかし、契約、安全性評価、設計計算が降伏強さ、引張強さ、または破壊性能に依存する場合、表による換算だけでは不十分です。

重要な判断に用いる場合は、実験室で相関を確認してください。同一の溶解、製品形態、厚さ、熱処理バッチから得た代表試料、または隣接試料を用い、元の硬さ試験方法と、目的とする対象尺度または引張試験によって試験します。対になった測定値は実際の使用範囲を対象とし、繰返し測定を含め、単一の近似直線ではなく予測限界を用いて解析すべきです。SAE技術報告書Hardness Tests and Hardness Number Conversions（1967）は、中心的な点を直接示しています。すなわち、精密な換算は、特定の鋼材の化学成分、熱処理、部品に対して確立しなければならず、その関係には寸法、質量、組成、加工が影響します。1929年のNISTの研究では、商業目的であれば、鋼材の引張強さをブリネル硬さから推定できることが多いとされましたが、この結果が支持するのは実用的な推定であって、普遍的な法則ではありません。

まず元の測定値を報告し、その後に換算値、使用した表またはモデル、材料状態、不確かさまたは適用上の但し書きを記載してください。例えば、次のように記します。「32 HRCを測定；合金鋼についてASTM E140-12を使用した場合、およそ302 HBW。ただし、表の適用範囲および材料上の制約を受ける。」引張強さを推定した場合は、明確に「推定値」と表示してください。特性値が受入判定または設計を左右する場合は、引張試験そのものを実施してください。

検証、不確かさ、および合否判定

硬さ換算が正当化できるのは、その根拠が評価対象の材料に類似している場合に限られます。比較すべきなのは、単独の硬さ数値と表の値ではなく、同一の鋼種、熱処理、断面寸法、および製造履歴を有する材料について測定した硬さと引張挙動です。焼ならし板材から作成された換算関係を、呼び化学成分が同一であるからといって、焼入れ・焼戻し棒材、冷間加工板材、浸炭部品、または溶接熱影響を受けた材料に自動的に適用してはなりません。

対応試験と回帰分析

検証は、代表的な材料から採取した対応試験片、または対応する測定位置を用いて開始します。ブリネル、ロックウェル、ビッカースなど、指定された方法で硬さを測定し、同一ヒート、同一製品形状、同一方向、同一板厚範囲、および同一の加工経路から採取した材料について、適用される引張試験規格に従って引張試験を実施します。試験計画では、使用時に重要となる状態を維持しなければなりません。焼入れ・焼戻し状態の42CrMo4棒材は、無関係な焼なまし状態の42CrMo4によって十分に代表されるものではなく、ASTM A36板材も、両者が炭素鋼であるという理由だけで、より高強度の焼ならし構造用鋼種と一括して扱うべきではありません。

いかなる関係式を当てはめる前にも、硬さ試験手順を管理しなければなりません。硬さ尺度、圧子、試験力、保持時間、表面調整、測定間隔、ならびに端部または曲率からの距離を記録します。ASTM E140-12、Standard Hardness Conversion Tables for Metals は、指定された金属について、ブリネル、ビッカース、ロックウェル、表面ロックウェル、ヌープ、ショアスコープ、およびリーブ硬さの値の間に存在する近似関係を扱っています。対象には、均質な炭素鋼、合金鋼、および工具鋼が含まれます。ASTMは、「換算値は合金、結晶粒組織、および熱処理の影響を受ける」と述べています。この記述は表の限界を示すものであり、単なる補足的な但し書きではありません。

予測区間予測区間 将来得られる個々の結果について予想される範囲を表す区間であり、モデルの不確かさと材料間のばらつきの両方を含む。

次に、測定量同士を回帰分析によって関連付けることができます。データによっては、限られた範囲において次の線形モデルが適切な場合があります。

$$R_m=a+\mathrm{bH}$$

ここで、$R_m$ は測定された引張強さ、$H$ は指定された尺度で測定された硬さです。非線形モデル、鋼種別モデル、または異なる熱処理ごとの個別モデルが必要になる場合もあります。モデルは、換算表から転記した硬さ値ではなく、対応する測定結果に基づいて適合させなければなりません。ヒート数、ヒート当たりの試験片数、硬さ範囲、引張強さ範囲、係数の推定値、残差標準偏差、ならびに適合平均および個別予測に対する信頼区間を報告します。

これらの区間の違いは重要です。予測された引張強さの平均値に対する信頼区間は、推定された平均的関係の不確かさを示します。一方、個別予測区間には試験片間のばらつきも含まれるため、より広くなります。合否判定の対象は抽象的な平均値ではなく、個々の材料です。したがって、回帰直線が狭い範囲に収まっていても、規格限界を裏付けるには予測区間が広すぎる場合があります。

ばらつきとは別に、偏りも確認しなければなりません。換算引張強さが直接引張試験の結果より一貫して高い場合、その換算には正の偏りがあり、強度不足の材料を誤って合格とする可能性があります。硬さ、ヒート、断面厚さ、方向、および熱処理バッチごとに残差を比較します。残差プロットによって、曲率、分散の変化、または特定の炉荷に関連するクラスターを明らかにできる場合があります。単一の全体相関係数では、これらの影響を明らかにできません。

外れ値は自動的に削除するのではなく、調査しなければなりません。極端な結果は、圧痕位置の誤り、不十分な表面調整、引張試験片の欠陥、転記ミス、または実際の偏析や微細組織のばらつきに起因する可能性があります。外れ値の除外が正当化されるのは、文書化された技術的理由があり、可能な場合には再試験も実施されている場合に限られます。それ以外の場合、外れ値は、合否判定手順が耐えなければならない関係の一部です。

過去の研究結果は、限定的なモデルが機能し得る理由を説明しています。Materials Today: Proceedings に掲載された2023年の研究では、未合金構造用鋼のうち、素材状態または焼ならし状態にある歴史的および現代的な材料について、ブリネル硬さと引張強さのパラメータとの間に、概して線形の経験的関係が認められました。この知見によって、合金鋼、焼入れ・焼戻し鋼、析出硬化鋼、浸炭鋼、または著しく冷間加工された鋼に同じ直線が成立することが示されたわけではありません。同様に、1929年のNISTの研究では、実用上、鋼の引張強さをブリネル硬さから推定できる場合が多いと報告されています。しかし、スクリーニングに有用な推定値は、普遍的な材料法則ではありません。

反復性、再現性、および不確かさ

反復性とは、十分に類似した測定位置について、厳密に管理された条件下で、同じ操作者が同じ装置および方法を用いた場合の変動を指します。再現性はより広い概念であり、操作者、装置、試験所、試験日、または試験設定の変化を含みます。これらの要因を、硬さと強度の関係そのものにおけるばらつきと混同してはなりません。

例えば、5回繰り返したビッカース圧痕の結果の変動が小さければ、良好な反復性が示されます。しかし、フェライト・パーライト間隔、マルテンサイトの焼戻し、帯状組織、介在物、または局所偏析のために、公称上類似した試験片の直接引張試験結果が大きく変動することがあります。逆に、材料が安定していても、表面が粗い、部品が薄すぎる、圧痕が端部に近すぎる、または圧子や試験力の検証に不備がある場合には、反復性が低くなる可能性があります。前者は主として換算モデルに属する問題であり、後者は主として測定システムに属する問題です。

不確かさの予算には、校正、装置分解能、操作者および試験所の影響、表面および形状の影響、サンプリング、ならびに経験的関係の残差変動を含めるべきです。したがって、換算結果は単純に「測定硬さ±装置の不確かさ」と表せるものではありません。換算そのものに由来する不確かさも含まれています。ISO 18265:2013は、硬さ尺度間で硬さ値を換算し、引張強さを推定するための原則を規定していますが、「換算値は、試験した材料そのものに対してのみ直接適用できる」と警告しています。また、引張強さの推定を、最も信頼性の低い換算として位置付けています。

結果を左右する要因として、サンプリングが支配的になることもあります。1つの硬さ圧痕が評価するのは小さな体積であるのに対し、引張試験片は、より大きく、かつ方向も異なる体積を評価します。1つの都合のよい表面から複数回測定しただけでは、鍛造品、板材、溶接構造物、またはコイル全体を代表できません。サンプリングでは、製造工程によって生じ得るヒート、位置、厚さ、および方向を網羅しなければなりません。中心線部の材料だけで検証した関係を、表面硬化領域や脱炭領域に暗黙のうちに適用してはなりません。

同じ注意は、単純な式にも当てはまります。Materials Science and Engineering: A に掲載された2012年の研究では、一部の高強度で延性のある金属材料について、近似関係 $H_v\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$ が示されました。しかし、硬さと強度の比は、材料区分、微細組織、および圧痕形態に依存します。この式を一般的な鋼の式として扱うと、正当化できる不確かさの記述がないまま、精密に見える結果を生じさせる可能性があります。

換算が合否判定に適さない場合

規格が引張強さを要求しており、かつ換算が対象となる製品および状態そのものについて検証されていない場合、換算は適切ではありません。合否が降伏強さ、引張強さ、伸び、絞り、または関連する引張特性に依存する場合には、適用される材料規格に従って実施した直接引張試験を優先すべきです。換算値は工程監視、選別、または調査を補助することはできますが、硬さ試験の方が迅速であるという理由だけで、受入試験に置き換えてはなりません。

規格境界付近では、特に注意が必要です。ある材料規格が最小引張強さ $R_m$ を要求し、硬さ表によって一見正確な相当値が得られたとします。しかし、その表によって最小値が正確な硬さ限界値に変換されるわけではありません。丸め、モデルの偏り、予測不確かさ、およびサンプリング変動によって、材料が境界の反対側に移る可能性があります。したがって、換算しきい値をわずかに上回る硬さ値であっても、直接引張要求を満たさない有意な確率が存在する可能性があります。同様に、わずかに下回る値であっても、不合格を証明するものではありません。

換算がそもそも許可されるかどうかも、適用される規格が決定します。ISO 18265:2013およびASTM E140-12は、原則または表形式の近似関係を示すものであり、ある試験を別の試験の代替として一律に認めるものではありません。SAEの1967年技術報告書 Hardness Tests and Hardness Number Conversions も、正確な換算は対象となる鋼の特定の化学成分、熱処理、および部品について作成しなければならないと強調しています。これは、寸法、質量、成分、および加工が関係に影響を及ぼすためです。

合否判定手順では、報告値が測定硬さ、換算硬さ、または推定引張強さのいずれであるかを明記すべきです。これらの表示を一つにまとめてはなりません。スクリーニング用の換算によって不合格の可能性が示された場合は、指定された直接試験または承認済みの調査を実施します。引張試験結果が得られない場合は、換算値を保証された引張特性として提示するのではなく、その出典、材料への適用範囲、不確かさ、および限界を併記して報告します。

硬さ換算表における一般的な誤り

硬さ換算表が有用なのは、測定値、材料、状態、および試験方法が、その表の根拠となった範囲内にある場合に限られます。換算結果は、二度目の測定値ではありません。これは経験的な関係から導かれた推定値であり、通常、材料または試験条件がその関係を確立するために用いられたものと異なる場合には、ばらつきが大きくなります。

ASTM E140-12、金属の標準硬さ換算表（Standard Hardness Conversion Tables for Metals）は、指定された金属について、ブリネル、ビッカース、ロックウェル、スーパーフィシャル・ロックウェル、ヌープ、ショア・スコープ、およびリーブの各スケール間のおおよその関係を示しています。その適用範囲には、均質な炭素鋼、合金鋼、および工具鋼が含まれますが、表によってこれらの鋼種間の差異がなくなるわけではありません。ASTMは、「換算値は、合金、結晶粒組織、および熱処理の影響を受ける」と述べています（ASTM International, 2012）。ISO 18265:2013も同じ実務上の点を示しており、換算値が直接適用できるのは、試験したものとまったく同じ材料に限られる一方、引張強さの推定は最も信頼性の低い種類の換算であるとしています（ISO, 2013）。

同等値を互換可能なものとして扱う

40 HRC ≈ 375 HBW のような表の記載は、40 HRCの読み取り値と375 HBWの読み取り値が、互換可能な事実であることを意味しません。前者は、ダイヤモンド円すい圧子、規定された初試験荷重、および規定された主試験荷重を用いて得られたロックウェルCの測定結果です。後者は、超硬合金球、定められた試験力、およびくぼみの直径に関連付けられたブリネル値です。両者は関連する推定値であって、重複した観測値ではありません。

この区別は検査記録において重要です。図面が35～40 HRCを要求している場合、その範囲に換算されたブリネル試験結果は予備的な選別を裏付けることはできますが、ロックウェルC試験について記載された要求を必ずしも満たすものではありません。換算によって、くぼみの深さ、局所的な微細組織、表面状態、または試験のばらつきに起因する差異が隠れる可能性があります。指定された合否判定方法がロックウェルCである場合、直接測定したHRC値が適切な証拠となります。

逆方向の誤りもよく見られます。すなわち、表の範囲外でHRCをHBWに換算し、その外挿値を、あたかも表に記載された値であるかのように報告することです。例えば20～50 HRCの間で較正された関係を、62 HRCの工具鋼表面に安易に適用すべきではありません。高硬さ領域では、くぼみ形成の力学や炭化物の分布が変化し、関係が急激に変わる可能性があります。表の端点は、材料における厳密な境界ではなく、公表データまたは推奨相関の限界です。端点をわずかに超えた値が自動的に無効になるわけではありませんが、その表による裏付けはなく、実際の硬さ範囲に適した方法が必要です。

元の測定値は、記録上明確に残さなければなりません。「420 HBWを44 HRCに換算」と記載する方が、単に「44 HRC」と報告するよりも実質的に優れています。これは、ロックウェル試験が実施されていないことを読み手に伝えるためです。適切な記録には、測定したスケール、換算後のスケール、試験規格、測定位置、および材料または熱処理状態を含めます。

スケール、単位、および圧子条件の混同

硬さの記号には、試験に関する情報が含まれています。HRC、HRB、およびスーパーフィシャル・ロックウェルの各スケールは、1種類のロックウェル値を単に置き換えたものではなく、互換性もありません。HRCではダイヤモンド圧子と150 kgfの主試験荷重を使用し、HRBでは一般に球圧子と100 kgfの主試験荷重を使用します。スーパーフィシャル・ロックウェルの各スケールでは、より小さい試験力を使用し、30Nや30Tなど、それぞれ固有の記号が付されます。添字や記号を省略すると、追跡可能な結果が曖昧なものになり得ます。

同じ注意はブリネルの表記にも当てはまります。HBWはタングステンカーバイド球を識別する記号ですが、古い記録では、同じ圧子情報を示さないHBまたはHBSの表記が使用されている場合があります。ブリネル試験結果は、球の直径、試験力、保持時間、および試験力とくぼみ直径の比にも依存します。「HB」と記載された2つの値が、同等の条件で得られたとは限りません。

試験力が通常、記号に併記されるHV表記のビッカース硬さも、誤りが頻発する要因です。HVは硬さ番号であって、引張強さの値ではありません。「650 HVの鋼の引張強さは650 MPaである」という記述は、相互に関係しない量を混同しており、大幅に誤る可能性があります。一部の高強度で延性のある金属材料については、研究により $H_V\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$ という近似的な関係が確認されていますが、同じ研究では、硬さと強さの比が材料の分類、微細組織、およびくぼみ形態に依存することも報告されています（Materials Science and Engineering: A, 2012）。したがって、この式は適用範囲の限定された経験的近似であり、換算則ではありません。

単位にも別の落とし穴があります。ブリネル硬さは、数値の定義に力と面積が含まれているにもかかわらず、応力値ではありません。引張強さはMPaまたはksiで報告されることがありますが、硬さスケールは、スケールごとに固有の意味を持つ無次元の試験番号です。HBWから引張強さを推定する表を使用する場合は、その値が推定値であることを明記し、出典と材料範囲を示さなければなりません。

形状によっては、適切なスケールであっても結果が無効になることがあります。薄板では、くぼみが深すぎる場合や支持が不十分な場合に、結果が実際より高くまたは低く示される可能性があります。小型部品、曲面、狭い縁部、または局所的に硬化した層では、意図したくぼみを形成するための材料が十分でないことがあります。SAEの報告書 Hardness Tests and Hardness Number Conversions（1967年）は、正確な換算は対象となる鋼の組成、熱処理、および部品ごとに確立しなければならないと述べています。これは、寸法、質量、組成、および加工がその関係に影響するためです。

鋼種または熱処理をまたいだ外挿

最も危険な誤りは、計算上の誤りではありません。検討しないまま材料を置き換えること、すなわち、両方とも「鋼」と表示されているという理由だけで、ある鋼について確立された関係を別の鋼に適用することです。

炭素鋼についての相関関係は、焼ならし状態の普通炭素鋼には妥当な性能を示しても、高合金工具鋼、析出硬化系ステンレス鋼、または浸炭した低炭素鋼には適用できない可能性があります。AISI 1045、AISI D2、AISI H13、AISI 304、およびAISI 17-4 PHは、単一の硬さと強さの関係を共有していません。これらの合金元素量、炭化物または析出物の分布、残留オーステナイト、結晶粒径、および変形応答は、くぼみ形成と引張挙動の双方を変化させます。

熱処理は、同一鋼種内でも決定的な要因となり得ます。焼入れ焼戻しAISI 4140、焼なましAISI 4140、および高周波焼入れAISI 4140は、ある位置で同じ公称バルク硬さを示す場合でも、強さの分布、残留応力、および破壊挙動が異なる可能性があります。表面硬化は特に見落とされやすい要因です。浸炭、窒化、高周波焼入れ、およびレーザー焼入れによって、軟らかい心部の上に硬化層が形成されることがあります。浅いロックウェルまたはビッカースのくぼみでは硬化層を測定し、大きなくぼみを形成するブリネル試験では心部まで含めて測定する可能性があります。深さと測定位置を記録せずにいずれかの結果を換算すると、誤った比較が生じます。

過去および現在の非合金構造用鋼を対象とした研究では、未処理または焼ならし状態の鋼について、ブリネル硬さと引張強さのパラメータとの間に、概して線形の経験的関係が確認されました（Materials Today: Proceedings, 2023）。この知見は、定義された鋼の集団内で管理された条件で使用することを支持するものです。しかし、そこから得られた直線関係を、焼入れ工具鋼やステンレス鋼に移し替える根拠にはなりません。1929年のNISTの研究でも、商業上の目的であれば、鋼の引張強さはブリネル硬さから推定できることが多いと報告されていますが、その関係は普遍的なものではなく、経験的なものとして扱われています（NIST, 1929）。

引張特性が設計、溶接施工法の認定、破壊評価、または合否判定に影響する場合は、直接引張試験、または鋼種と状態に固有の妥当性確認済み相関が必要です。表は判断の参考にすべきものであり、実際の意思決定が依拠する試験に取って代わるものではありません。

硬さおよび換算値を正しく報告する

硬さデータは、換算値を示す前に、実際に測定された値を示す必要がある。スケール、方法、および試験条件の記載がない硬さの数値は不完全である。「硬さ42」は、42 HRC、42 HRB、42 HV、または42 HBWを意味する可能性があり、これらの値は同じ材料応答を表すものではない。報告書では、その数値が押込み試験、公開された換算表、または経験的な強度関係に基づく推定のいずれによって得られたものかも明確にする必要がある。

元の試験結果を最初に記録する

報告書の最初の値は、元のスケールおよび表記による測定結果でなければならない。例えば、次のように記載する。

> 測定硬さ： 58 HRC、ASTM E18、AISI 4140鋼、540 °Cで焼入れ焼戻し；試験位置：半径中央、機械加工面から10 mm下；表面研削；校正済みロックウェル硬さ試験機、主荷重150 kgf。

この記載は、ロックウェル試験によって得られた結果であることを示している。結果を密かにブリネル値やビッカース値へ置き換えてはいない。複数の押込みを行った場合は、個々の測定値、または平均値と範囲を、例えば 58、59、58 HRC；平均58.3 HRC、範囲1 HRC のように報告する。材料に硬さ勾配、粗い組織、脱炭、または局所的な熱処理がある場合、押込み数および押込み間隔が重要になることがある。

可能な場合、報告書では、適用される材料規格に規定されたとおりに鋼種を正確に特定する必要がある。「4140」は SAE J404 Grade 4140 よりも精度が低く、「ステンレス鋼」という記載も、材料が UNS S30400、AISI 304、またはその他の指定された表記である場合には、十分な鋼種の説明とはいえない。熱処理状態も記録する。例えば、焼なまし、焼ならし、焼入れ焼戻し、浸炭、窒化、または受入れ状態などである。窒化層から得られた硬さ測定値は、母材から得られた測定値と互換性がない。

薄肉断面、小型部品、曲面、および質量の小さい試験片は押込み結果を歪める可能性があるため、形状も記録に含める必要がある。厚さ、直径、端部からの距離、ならびに試験面が平面か曲面かを記載する。表面処理も重要である。機械加工、研削、研磨、被膜除去、ならびに目視可能なスケールまたは脱炭層の有無を特定する。ロックウェル、ブリネル、ビッカース、ヌープ、リーブのいずれの結果であっても、装置名、または少なくとも試験方法、荷重、圧子、および関連規格を記載する必要がある。

規格および換算根拠を明記する

換算値は元の測定値に続けて記載し、元の値に置き換えてはならない。例えば、次のように記載する。

> 測定値： 58 HRC、ASTM E18。換算値： ASTM E140-12、第［該当表］表に基づく、指定された鋼種範囲におけるロックウェル相当値約615 HV；換算値は近似値であり、独立したビッカース測定値ではない。

出典に表番号または式が示されている場合は、それを記録する必要がある。ソフトウェアが結果を提示した場合は、ソフトウェア名、データベース、改訂版、および選択した材料区分を特定する。「615 HVに換算」とだけ記載するのは不十分である。特に規定範囲の上限または下限付近では、異なる表によって異なる結果が得られる可能性があるためである。

ASTM E140-12、Standard Hardness Conversion Tables for Metals（金属の標準硬さ換算表）は、指定された金属について、ブリネル、ビッカース、ロックウェル、スーパーフィシャルロックウェル、ヌープ、ショア・スコープ、およびリーブの各スケール間の近似関係を示している。対象には、均質な炭素鋼、合金鋼、および工具鋼が含まれる。ASTMは、「換算値は、合金、結晶粒構造、および熱処理の影響を受ける」と述べている（ASTM International, 2012）。この制限も結果の一部である。表示上の都合で削除せず、図面、検査記録、および証明書に保持する必要がある。

ISO 18265:2013は、スケール間で硬さ値を換算する原則、および引張強さを推定する原則を定めている。同規格の警告は、多くの簡略化された換算表が示唆するものより厳格である。換算値を直接適用できるのは、実際に試験したものとまったく同じ材料に限られ、引張強さの推定値は換算値の中で最も信頼性が低い（International Organization for Standardization, 2013）。したがって、報告書では換算根拠を明示する必要がある。

> 根拠： ISO 18265:2013、鋼の換算表、近似値；適用範囲は試験した鋼種および状態に限定される。

ASTM E140およびISO 18265は、あらゆるスケールの組合せを換算してよいという根拠にはならない。これらの表には、材料区分、範囲、および試験方法上の制限がある。これらの制限範囲外の換算は、適用根拠なしとして明記するか、省略する必要がある。

測定値、換算値、および推定値を区別する

次の3種類の異なる情報について、それぞれ別のラベルを使用する。

> 測定硬さ： 225 HBW 10/3000、ASTM E10。 > 換算硬さ： 約22 HRC、ISO 18265:2013、適用可能な鋼用表。 > 推定引張強さ： 約760 MPa、経験的な硬さ–強度関係による；引張試験による測定値ではない。

引張試験によって得られた値でない限り、3番目の値を 引張強さ：760 MPa として提示してはならない。ISO 18265は、引張強さの推定値を最も信頼性の低い換算値としている。1929年に公表された、経験的なロックウェル–ブリネル関係に関するNISTの研究は、商業目的では鋼の引張強さをブリネル硬さから推定できることが多いと示した。しかし、この知見は経験的な便法を示すものであり、普遍的な法則ではない。設計計算、材料認証、破損調査、または合否判定が降伏強さ、引張強さ、伸び、または絞りに依存する場合、直接的な引張試験が依然として必要である。

一部の関係式は、明示された材料区分内でのみ有用である。2012年に Materials Science and Engineering: A に掲載された研究は、一部の高強度・延性金属材料について、おおよその関係 Hᵥ ≈ 3σUTS を示した。この比率は、材料区分、組織、および押込み形態によって変化する。したがって、フェライト・パーライト系の ASTM A36、焼入れ焼戻しを施した SAE J404 Grade 4140、マルテンサイト系ステンレス鋼、または窒化表面に自動的に適用してはならない。歴史的および現代の非合金構造用鋼を対象とした2023年の研究では、未処理材または焼ならし材において、ブリネル硬さと引張強さのパラメータとの間に、概して線形の経験的関係が認められた。この結果は、焼入れ焼戻し鋼、冷間加工鋼、浸炭鋼、または析出硬化鋼について同じ直線関係が成立することを示すものではない。

したがって、完全な記載は次のようになる。

> 材料： SAE J404 Grade 4140、540 °Cで焼入れ焼戻し；直径40 mmの棒材、半径中央で試験；研削面。測定値： 31 HRC、ASTM E18、校正済みロックウェル硬さ試験機。換算値： 約295 HBW、ASTM E140-12、適用可能な合金鋼用表；近似値に限る。推定引張強さ： ［名称を付した式または表］による約［値］MPa；推定値に限り、引張試験結果ではない。

この形式により、根拠、前提、および換算の限界が保持される。また、後の検証者は、便宜的な換算相当値を新たな測定値と取り違えることなく、直接試験が必要かどうかを判断できる。

誤った精密さを避けた冶金学的比較の実例

硬さ換算は、その数値を、特定の鋼の特定の状態に対して実施した試験結果ではなく、材料そのものの同一性を示すものとして扱うと、誤解を招く。健全で均質な断面について測定したブリネル硬さは、管理された焼ならし鋼の一群において、引張強さと比較的よく相関する場合がある。しかし、焼入れ・焼戻し鋼種、または浸炭部品の表層から得られた同じ数値の硬さは、同じ意味を持たない。

ASTM E140-12、Standard Hardness Conversion Tables for Metals は、均質な炭素鋼、合金鋼、工具鋼を含む指定金属について、ブリネル、ビッカース、ロックウェル、表面ロックウェル、ヌープ、ショアスコープ、およびリーブの各硬さスケール間のおおよその関係を示している。ASTMは、「換算値は合金、結晶粒組織、および熱処理の影響を受ける」と明記している（ASTM International, 2012）。以下の各比較は、すべてこの制約を前提とする。

焼ならしされた非合金構造用鋼

焼ならしされた非合金構造用鋼は、ブリネル硬さと強度の関係が比較的整合し得る事例である。ASTM A36のような鋼種、またはEN 10025-2のS275JRのような鋼種を考える。ただし、材料が実際に焼ならし状態またはそれに相当する微細粒状態にあり、試験断面が十分に均質であることが条件となる。焼ならしは、臨界温度域を超えて加熱した後、空冷することによってフェライト・パーライト組織を微細化し、均一化する。これによって鋼のすべてのヒートが同一になるわけではないが、硬さの解釈を複雑にする状態のばらつきの一部は低減される。

この種類の鋼では、ブリネル硬さ試験は球状圧子による圧痕を通じて比較的大きな体積を評価する。そのため、非常に小さなマイクロ硬さ圧痕よりも、フェライト、パーライト、介在物、および局所的な変動を効果的に平均化する。炭素含有量、マンガン含有量、結晶粒径、厚さ、および加工履歴が限定された母集団の範囲内に維持されていれば、ブリネル硬さの上昇には、一般に降伏強さおよび引張強さの上昇が伴う。Materials Today: Proceedings に掲載された2023年の研究では、未加工状態または焼ならし状態にある過去および現代の非合金構造用鋼について、ブリネル硬さと引張強さのパラメータとの間に、概して線形の経験的関係が認められた（Materials Today: Proceedings, 2023）。

「概して線形」という表現は、単一の圧痕から保証された引張強さを算出してよいという意味ではない。これは、ある材料群に対して当てはめられた関係を示している。S275JRやASTM A36の内部であっても、板厚、脱酸方法、リンおよび硫黄含有量、圧延履歴、ならびに局所偏析の違いによって結果は変動し得る。溶接熱影響部から得た硬さ値は、母材から得た硬さ値と互換的に扱うことはできない。

経験的なロックウェル・ブリネル関係を扱ったNISTの古い研究は、現在でも有用な実務的見解に達している。すなわち、鋼の引張強さは商業上の目的でブリネル硬さから推定できる場合が多いが、その推定は経験則であり、普遍的な法則ではない（NIST, 1929）。したがって、鋼の種類と状態が換算表に適合している場合、換算表は材料の均一性をスクリーニングしたり、工程管理を支援したりするのに役立つ。しかし、規定降伏強さ、引張強さ、伸び、または受入れ基準が問題となる場合、引張試験に代わることはできない。

焼入れ・焼戻しされた合金鋼

焼入れ・焼戻しされた合金鋼では、広範な硬さ換算の弱点がより明確に現れる。SAE 4140とEN 10083-3の42CrMo4は、いずれもクロム・モリブデン鋼と説明できるが、それらの硬さと強度の関係は、オーステナイト化処理、焼入れの強さ、焼戻し温度、保持時間、および断面寸法に大きく左右される。同じ公称鋼種であっても、焼入れ表面付近には焼戻しマルテンサイト、中間位置にはベイナイトとマルテンサイトの混合組織、大型棒材の中心部に向かってはより軟らかい変態組織が形成されることがある。

焼戻し状態が重要なのは、焼戻し温度域全体にわたって、硬さと引張挙動が正確に同じ割合で変化するわけではないためである。低温焼戻しマルテンサイトは、高い硬さを保持しながら靭性が限られる場合がある。より高温で焼戻すと、硬さは低下する一方、延性が向上し、残留応力が緩和される。二次硬化反応、炭化物の析出、残留オーステナイト、および焼戻し脆性は、単一の数値による単純な関係をさらに乱す可能性がある。均質な試験片については、HRCからHBへの換算をスケール間のおおよその対応として許容できる場合がある。しかし、その換算後のHBに基づいて推定した引張強さには、はるかに大きな不確実性が伴い得る。

断面寸法も同様に重要である。小型の42CrMo4試験片は断面全体にわたって焼入れ硬化する可能性がある一方、同じ呼称の大型鍛造軸では、中心部の冷却がより遅くなるため、硬さ勾配が生じることがある。表面を試験し、その結果を断面全体に割り当てると、中心部の強度を過大評価する可能性がある。SAEの技術報告書 Hardness Tests and Hardness Number Conversions は、寸法、質量、組成、および加工条件が関係に影響するため、精密な換算は対象となる鋼の組成、熱処理、および部品ごとに設定しなければならないと述べている（SAE International, 1967）。

2012年のMaterials Science and Engineering: A の研究で、一部の高強度・延性金属材料について報告されたHᵥ ≈ 3σUTSという近似関係は、有用な相関関係をその材料群の外部に適用することの危険性を示している。この研究はまた、硬さと強度の比が、材料群、微細組織、および圧痕形態に依存すると報告している（Materials Science and Engineering: A, 2012）。この関係を、あらゆる状態の4140に対する一般則として適用すべきではなく、まして複数の硬さスケールを含む換算連鎖に適用すべきではない。

軟らかい芯部を持つ表面硬化鋼

浸炭鋼部品では、引張強さを硬さで代用することが特に危険になる。浸炭、焼入れ、焼戻し後のSAE 8620またはEN 10084の20MnCr5を例に挙げる。炭素の濃化によって硬いマルテンサイト層が形成される一方、低炭素の芯部ははるかに高い靭性を持ち、硬さは大幅に低い。したがって、この部品全体の機械的状態を代表する単一の硬さは存在しない。

表層でのロックウェルC硬さ測定は、浅い表面領域の変形抵抗を示すものである。芯部の降伏強さ、芯部の引張強さ、伸び、または破壊挙動については、ほとんど情報を与えない。表層が圧痕深さに対して薄い場合、または試験荷重が遷移域に達する場合、軟らかい下地の影響によって測定値が低下することがある。表面ロックウェル試験またはビッカース試験の方が表層をより適切に分解して評価できる場合があるが、それでも測定対象層を特徴づけるにとどまり、バルク全体を特徴づけるものではない。マイクロ硬さの深さ方向測定によって表面から芯部までの硬さを分布として把握することはできるが、それだけで引張応力・ひずみ曲線を確立することはできない。

この区別は、サンプリングにも影響する。ブリネル試験の前に表層を研削して除去すれば、芯部硬さとして意味のある結果が得られる場合があるが、その結果は芯部の測定値として報告しなければならない。表層を残したまま表面測定を行えば、それは表層の結果となる。いずれか一方の値を「部品の硬さ」と呼ぶことは、特性の勾配を隠してしまう。

ISO 18265:2013は、スケール間の硬さ値を換算し、引張強さを推定するための原則を規定している。しかし、換算値が直接適用できるのは、試験した当該材料そのものに限られるとし、引張強さの推定を最も信頼性の低い換算として位置づけている（ISO, 2013）。浸炭されたSAE 8620の歯部は、炭素鋼の換算表が想定する均質な材料そのものではない。したがって、ASTM E140-12によって、その表層HRC値を防御可能なバルク引張強さの値へ変換することはできない。

設計または受入れ判断においては、検証対象となる特性を明確に定義することが正しい対応である。すなわち、表層硬さ、有効硬化層深さ、芯部硬さ、または別途作製した試験片による引張特性のいずれを確認するのかを定める必要がある。直接引張試験、金属組織学的検査、および硬さ深さ分布の測定は、それぞれ異なる問いに答える。換算値が答えられるのは、適用可能な材料固有の相関関係によって裏付けられる、限定された問いだけである。

実務的な参照ワークフロー

硬さ換算は、実際に必要とされる特性について判断することから始めるべきである。測定硬さの値は、特定の表面、位置、圧子、および試験力に対する応答を示す。換算硬さの値は、別の硬さ尺度による推定値である。推定引張強さはさらにその先の推論であり、通常、硬さ尺度間の換算よりも信頼性が低い。これら3種類の結果は、相互に代替可能であるかのように報告してはならない。

試験前

試験を選定する前に、工学的な問いを明確にする。必要なのが表面耐摩耗性、浸炭層深さ、局所的な熱処理均一性、または製造管理用の値である場合、硬さは適切な直接測定特性となり得る。必要なのが降伏強さ、最大引張強さ、伸び、破壊挙動、または材料認証である場合、硬さはスクリーニング測定の候補にすぎない。引張特性を直接測定する方法は、引張試験である。

記録が許す限り、鋼種および製品状態を正確に特定する。「炭素鋼」だけでは不十分である。ASTM A36、SAE J403 1045、AISI 4140、ASTM A681 O1、EN 1.2379などの呼称に加え、製品形状、断面寸法、熱処理、焼戻し、冷間加工、および表面処理を記録する。540 °Cで焼入れ焼戻しした4140試験片は、いずれも4140と呼ばれる場合であっても、焼なましした4140と同じ硬さ–強さ関係を持たない。浸炭表面、脱炭層、溶接熱影響部、および焼ならし板材では、それぞれ異なる測定計画が必要となる場合がある。

尺度は利便性ではなく、形状と予想硬さに基づいて選択する。ブリネル硬さは、大型で比較的均一な断面の多くに有用であるが、球圧痕を形成するには、十分な厚さと、端部または隣接する圧痕からの適切な間隔が必要である。ロックウェル硬さはより迅速で圧痕も小さい一方、スーパーフィシャルロックウェル尺度は、より薄い断面または浅い硬化層に適している。ビッカースおよびクヌープの微小硬さ試験では、小さな領域、硬さ勾配、および個々の相を識別できるが、表面前処理と測定者の技量がより重要になる。リーブ法およびショア硬さ試験法は可搬性があり、適切な現場条件では有用であるが、測定値は質量、支持状態、向き、表面状態、および装置設定に大きく依存する。

圧痕を形成する前に、適用される試験規格を確認する。ASTM E10はブリネル硬さ試験、ASTM E18はロックウェル硬さ試験、ASTM E384は微小押込み硬さ試験を規定している。図面または材料規格によって、該当するISO方法が指定される場合もある。ASTM E140-12、金属の標準硬さ換算表（Standard Hardness Conversion Tables for Metals）には、指定された金属、特に均質な炭素鋼、合金鋼、および工具鋼について、ブリネル、ビッカース、ロックウェル、スーパーフィシャルロックウェル、クヌープ、ショア、およびリーブの各値の間のおおよその関係が収録されている。ただし、ある尺度を別の尺度の普遍的な代替手段とするものではない。

試験片の前処理を計画する。研削または過度な研磨によって熱処理層を変化させることなく、スケール、さび、塗膜、およびばりを除去する。試験面は平坦で清浄であり、選択した方法に対して十分に滑らかでなければならない。試験片を確実に支持する。圧子によってたわむ薄板では、実際より低い値が得られる可能性がある一方、曲面または支持が不十分な部品では、結果がいずれの方向にも変動し得る。

測定中

必要な基準片または検証手順によって装置を確認し、装置識別情報、圧子の種類、試験力、保持時間、温度、および試験位置を記録する。尺度や荷重を黙って混用してはならない。「HRC」と「HRB」は異なるロックウェル尺度であり、相互に置き換え可能な表示ではない。「HV10」と「HV0.2」も異なる試験力を用いるため、評価する微細組織の体積が異なる場合がある。

試験規格で要求される距離を確保し、端部、穴、溶接境界、および以前の圧痕から離れた位置に圧痕を配置する。表面硬化部品では、都合のよい位置で1回だけ測定するのではなく、表面からの距離を対応付けて分布を測定する。偏析、バンド組織、または多相組織を持つ鋼では、実際のばらつきと測定散らばりを区別するため、複数の圧痕が必要となる場合がある。

測定を繰り返す。均一な実験室用試験片であれば3回の測定で十分な場合があるが、溶接継手、薄い被膜、硬さ勾配、または大型鍛造品では、より大きな測定格子が必要となる場合がある。都合の悪い測定値を、文書化された規則なしに棄却するのは不適切である。個々の値、平均値、範囲または標準偏差、および除外した値とその理由を報告する。繰返し圧痕のばらつきが有意である場合は、換算を行う前に、表面状態、支持状態、尺度の選択、微細組織、および測定者の技量を調査する。

測定結果は、元の識別情報を保持すべきである。例えば、22 HRC、235 HBW 2.5/187.5、または310 HV10のように記載する。換算値は、「ASTM E140-12を用いて235 HBWから換算した、およそ22 HRC」のように別個に記載する。これにより、表から得られた値が第2の測定値と誤認されるのを防止できる。

換算後

鋼種の区分と測定範囲に適合する換算表を使用する。ASTM E140-12は、「換算値は、合金、結晶粒組織、および熱処理の影響を受ける」と述べている（ASTM International, 2012）。ISO 18265:2013は、尺度間で硬さ値を換算し、引張強さを推定するための原則を規定しているが、換算値が直接適用できるのは、試験した材料そのものに限られると述べている。また、引張強さの推定を最も信頼性の低い換算として位置付けている（ISO, 2013）。記載された適用範囲外の表の値は、小数点以下の桁数を増やしても有効にはならない。

引張強さの推定値は、スクリーニング結果として扱う。1929年のNISTの研究では、経験的なロックウェル–ブリネル関係に基づき、商業上の目的では鋼の引張強さをブリネル硬さからしばしば推定できると報告されている（NIST, 1929）。この知見は実用的な相関関係を支持するものであり、普遍的な法則を示すものではない。SAEの1967年報告書硬さ試験および硬さ数の換算（Hardness Tests and Hardness Number Conversions）も、寸法、質量、組成、および加工履歴が関係に影響するため、精密な換算は対象となる鋼の組成、熱処理、および部品ごとに確立しなければならないと説明している。

$H_V\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$という近似関係は、一部の高強度で延性のある金属材料について報告されている。しかし、2012年のMaterials Science and Engineering: Aの研究では、硬さと強さの比が、材料分類、微細組織、および押込み形態と関連付けられている（Materials Science and Engineering: A, 2012）。この関係を、フェライト–パーライト鋼板、マルテンサイト工具鋼、析出硬化系ステンレス鋼、または表面硬化層に自動的に適用してはならない。同様に、2023年の研究では、未合金構造用鋼の歴史的材料および現代材料について、素材のまままたは焼ならし状態では、ブリネル硬さと引張強さの間に概して線形関係が認められたが、すべての合金または熱処理状態に適用できるわけではない（Materials Today: Proceedings, 2023）。

参照した換算表、版、元の尺度、換算後の尺度、鋼の呼称、状態、試験位置、測定回数、および不確かさを記録する。その値が測定値、換算値、または推定値のいずれであるかを明記する。薄い断面の影響、表面硬さ勾配、不明な熱処理、校正状態、および鋼が参照データの範囲外であるかどうかなどの制限事項を含める。

したがって、工学的なワークフローは次のとおりである。必要な特性を定義する。可能な場合は有効な直接試験を選択する。鋼種と状態を確認する。試験片を前処理し、確実に支持する。繰返し測定を実施する。関連する換算規格を参照する。不確かさと制限事項を記録する。そして、結果が設計、認証、または材料受入れに影響する場合は、直接引張試験へ移行する。

参考文献

1. [1]ASTM International. Standard Hardness Conversion Tables for Metals. ASTM International standard, 2012. https://store.astm.org/e0140-12.html
2. [2]International Organization for Standardization. Metallic materials—Conversion of hardness values. ISO standard, 2013. https://www.iso.org/standard/53810.html
3. [3]National Institute of Standards and Technology. Empirical Rockwell–Brinell relationships. NIST Journal of Research, 1929. https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/jres/5/jresv5n1p19_A2b.pdf
4. [4]SAE International. Hardness Tests and Hardness Number Conversions. SAE technical report, 1967. https://books.google.com/books/about/Hardness_Tests_and_Hardness_Number_Conve.html?id=hRW4zwEACAAJ
5. [5]Materials Today: Proceedings authors. Brinell hardness and tensile-strength relationship in unalloyed structural steels. Materials Today: Proceedings, 2023. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352012423017897