ブリネル硬さ数計算機 – 材料試験
試験荷重、球径、くぼみ径を入力して、任意の材料のブリネル硬さ数（BHN）を計算します。
ブリネル硬さ試験の条件を入力して BHN 値を求め、材料の永久変形に対する抵抗性を評価します。
ブリネル硬さ数計算機 – 材料試験
試験荷重、球径、くぼみ径を入力して、任意の材料のブリネル硬さ数（BHN）を計算します。
ブリネル硬さ数計算機について
ブリネル硬さ試験は、金属や合金の硬さを測る最古かつ最も広く使われている方法の一つです。材料科学における硬さとは、材料が永久的な塑性変形に抵抗する性質、つまり、より硬い物体が表面に押し込まれることへの抵抗を指します。ブリネル試験では、規定直径の焼入れ鋼球または超硬球を制御された荷重で材料表面に押し込み、その結果できる円形くぼみの直径を測定して、この抵抗を数値化します。
この試験は、1900 年にスウェーデンの技術者ヨハン・アウグスト・ブリネルによって、金属の品質管理を素早く実用的に行う方法として提案されました。現在でも ASTM E10 や ISO 6506 などの国際規格に定められており、鋳鉄、アルミニウム合金、鍛造材のような粗粒材料に特に適しています。これらの材料は、微小圧痕法では損傷しやすく、誤解を招く結果になりやすいからです。
ブリネル硬さ数は次の式で求めます：BHN = 2F / (π × D × (D − √(D² − d²)))。ここで F は加えた荷重（kgf）、D は圧子球の直径（mm）、d は測定したくぼみ直径（mm）です。分母は球冠の幾何に基づく曲面球面積を表し、荷重をこの面積で割ることで、kgf/mm² で表される硬さが得られます。慣例的には HB と表記します。
標準試験条件は関連規格で定められています。最も一般的なのは、鋼や鋳鉄には 10 mm 球と 3000 kgf 荷重（力径比 F/D² = 30）、アルミニウムのような軽い合金には 10 mm 球と 1000 kgf 荷重（F/D² = 10）、薄い断面には 5 mm 球と 250 kgf です。荷重は 10〜15 秒かけて安定して加え、所定の保持時間を確保します。鋼では通常 10〜15 秒です。
代表的なブリネル硬さ範囲は結果の解釈に役立ちます。銅やアルミのような純粋で柔らかい金属は通常 20〜100 HB です。正規化状態の中炭素鋼は 130〜200 HB 程度です。高強度合金鋼は焼入れ・焼戻し状態で 300〜450 HB に達することがあります。ブリネル尺度は一般に約 450 HB 以下の材料に限られます。硬い材料では試験片よりも圧子球のほうが扁平になりやすいからです。
ブリネル硬さは、他の硬さ尺度や引張強さと経験的に相関します。鋼のよく使われる近似式は UTS (MPa) ≈ 3.45 × BHN で、100〜400 HB の範囲で有効です。この関係は、完全な引張試験を行わずに迅速な品質評価をするために鋳造や製造の現場で使われます。ブリネル試験は、広い面積のくぼみが介在物、気孔、結晶粒界などの微細組織を平均化するため、より代表的なバルク硬さが得られる点でも有用です。
ブリネル硬さ試験の例
標準的なブリネル試験条件を用いた一般的な材料硬さの測定例。
| 試験条件 | BHN 結果 | 材料 / 用途 |
|---|---|---|
| F = 3000 kgf, D = 10 mm, d = 3.2 mm | ≈ 363 HB | 典型的な軟鋼または正規化中炭素鋼。3000 kgf / 10 mm の組み合わせは ASTM E10 における鋼の標準条件です。 |
| F = 1000 kgf, D = 10 mm, d = 3.6 mm | ≈ 95 HB | アルミニウム合金（例：6061-T6）。10 mm 球に軽めの荷重をかける条件です。3.6 mm のくぼみ径は、この荷重での熱処理アルミに典型的です。 |
| F = 250 kgf, D = 5 mm, d = 1.44 mm | ≈ 150 HB | 真鍮または青銅。5 mm 球と 250 kgf を使用します。小さい球は、10 mm 球では結果に影響が出る薄肉部品や断面に適しています。 |
| F = 3000 kgf, D = 10 mm, d = 2.1 mm | ≈ 856 HB | 焼入れ工具鋼または白鋳鉄のようなくぼみの非常に小さい材料です。約 450 HB を超える値は、球の変形が起こる可能性があるため、ロックウェルまたはビッカース法で確認すべきです。 |
ブリネル硬さ計算機の使い方
- 適切な試験条件を選びます。鋼と鋳鉄には 10 mm 球と 3000 kgf、銅とアルミニウム合金には 10 mm 球と 1000 kgf、より薄い断面には 5 mm 球と 250 kgf を使います。
- 試験中に加えた荷重を kgf で入力します。ニュートンには換算しないでください。BHN 公式は kgf をそのまま使います。
- 焼入れ鋼球または超硬圧子の直径を mm で入力します。
- 校正済みの光学顕微鏡または測定ルーペで試験片に残った円形くぼみの直径を測り、その値を mm で入力します。
- 「硬さを計算」をクリックすると BHN 値が表示されます。材料の公開硬さ範囲と比較し、状態と用途への適合性を評価してください。
よくある質問
ブリネル硬さ数（BHN または HB）とは何ですか？
ブリネル硬さ数は、材料が圧痕に抵抗する能力を数値化したものです。加えた荷重（kgf）を、球形くぼみの曲面積（mm²）で割って求めます。BHN が高いほど材料は硬くなります。鋼は通常 100〜500 HB、アルミニウム合金は通常 20〜150 HB です。
ブリネル（HB）、ビッカース（HV）、ロックウェル（HR）の違いは何ですか？
いずれも圧痕硬さを測定しますが、圧子の形状、荷重、測定方法が異なります。ブリネルは大きな球を使い、くぼみ径を測る方式で、粗粒材料に最適です。ビッカースはダイヤモンド角錐を使い、対角線長さを測る方式で、薄い試料や広い硬さ範囲に向いています。ロックウェルはくぼみ深さを測り、ダイヤルに直接表示するため、量産検査で最も速い方法です。鋼では 400 以下なら HB ≈ HV が成り立ち、HB ≈ 10 × HRC は大まかな目安です。
なぜくぼみ径は球径より小さくなければならないのですか？
ブリネル式は、くぼみが球冠、つまり球の半径と等しい半径を持つ球面の一部であると仮定しています。くぼみ径が球径に等しいかそれを超えると、球は試験条件下では不可能なほど材料中に沈み込み、赤道を越えてしまったことになります。これは、極端に柔らかい材料、読み取りミス、または入力エラーを示します。
実際にはくぼみ径をどう測定しますか？
荷重を取り除いた後、校正済みのレチクル付き低倍率顕微鏡で円形くぼみを測定します。通常の精度は ±0.02 mm 程度です。わずかな楕円化を考慮するため、くぼみを直角方向に 2 回測って平均します。くぼみは表面欠陥がなく、試験片は平坦で、少なくともくぼみ深さの 10 倍の厚さが必要です。
自分の材料にはどの荷重と球径を使えばよいですか？
有効な結果を得るには、くぼみ径が 0.24D〜0.6D になるような F/D² 比を選びます。鋼と鋳鉄には F/D² = 30（3000 kgf / 10 mm 球）、銅・真鍮・アルミニウムには F/D² = 10（1000 kgf / 10 mm 球）、軽合金や軸受金属には F/D² = 5（500 kgf / 10 mm 球）を使います。ASTM E10 には完全な選定ガイドがあります。
ブリネル硬さは引張強さに換算できますか？
はい。炭素鋼と低合金鋼については、UTS (MPa) ≈ 3.45 × BHN という確立した経験式があり、100〜400 HB の範囲で有効です。この近似は、鋳造現場での迅速な品質確認に使われます。ステンレス鋼、非鉄合金、鋳鉄では信頼性が低いため、専用の換算表を参照してください。