いえに ある てつの どうぐには、「S45C」のような きごうの ついた はがねが あります。この 45は、たんその りょうを あらわしています。100ぶんの 45ですから、0.45パーセントです［1］。

てつ 1キロなら、たんそは 4.5グラム。1えんだま 4〜5こぶんの おもさです。

たんそが ふえると、はがねは かたく、つよく なります。そのかわり、のびにくく なり、ねばりが へります［3］。たんそが おおい はがねは、かたさが ふえる かわりに、のびる ちからが ちいさく なる かたむきが あります。

ただし、これは おおまかな きまりです。では、かたさと ねばりが いれかわる ところで、はがねの なかは どう なっているのでしょう。

機械の部品に使う鋼には、S45Cのように名前に数字が入ったものがあります。この数字は炭素の量を表し、100で割った値が炭素の重さの割合（％）になります［1］。S45Cなら約0.45％です。鉄1キログラムに炭素が4.5グラムほどで、1円玉4〜5枚ぶんの重さです。

炭素の量が増えるほど、鋼は硬く、強くなります。その代わり、粘りの目安である伸びや絞りは減っていきます［3］。炭素の量で、鋼は低炭素鋼（約0.25％まで）、中炭素鋼（約0.25〜0.6％）、高炭素鋼（約0.6〜2.1％）に分けられます。炭素が多いほど硬くなる一方で、加工は難しくなるといわれます［4］。区分の境目は、資料によって少しずつ違います。

硬さと粘りは、片方を上げるともう片方が下がる関係にあるようです。その入れ替わりの正体は、鋼の中の組織にあります。

鋼の炭素量は約0.02〜2.14％の範囲で、増えるほど引張強さと硬さは上がるが、伸びと絞りは下がり、被削性も悪くなる［3］。硬さと粘りが同時には伸びないのが、炭素鋼の基本的な性格である。

この量は、名前からも読み取れる。機械構造用炭素鋼のS45Cの「45」は、炭素量（重量％）の100倍にあたり、約0.45％、つまり鉄1kgあたり炭素約4.5gである［1］。区分の目安は、低炭素鋼が約0.25％以下、中炭素鋼が約0.25〜0.6％、高炭素鋼が約0.6〜2.1％で、多いほど硬いが加工は難しい［4］。ただし境目の数値は資料により異なる（Wikipediaは低炭素0.25％以下・高炭素0.6％以上）。

では、なぜ炭素が増えると伸びが失われるのか。その手がかりの一つは、フェライトやセメンタイトなど、鋼の組織をつくる成分の性質にある。

やきいれを する まえの はがね（S45C）の なかには、やわらかい ぶぶんと、かたい ぶぶんが まざって います。やわらかい ほうは ほとんど ただの てつで、「ふぇらいと」と よびます。かたい ほうは、てつと たんその なかまで、「せめんたいと」と いいます［1］。

せめんたいとは、とても かたい ものだと いわれます。でも、とても もろいとも いわれます［8］。かたい ものが、かならず つよい わけでは ないのです。

さて、おなじ はがねでも、あつくして ひやす ひやしかたを かえると、かたさが かわります。どういう ことでしょう。

焼入れ前のS45Cの組織には、軟らかいフェライトと硬いセメンタイトが見られます［1］。フェライトはほぼ純粋な鉄で、セメンタイトは鉄と炭素の化合物です。

セメンタイトは非常に硬いといわれますが、きわめてもろい性質があります［8］。硬さと、割れにくさは別のものだと分かります。

ところが、この2つの組み合わせは、熱を加えて冷やし方を変えると、まったく違うものに変わります。

焼入れ前のS45Cの組織には、軟らかいフェライト（ほぼ純鉄）と、硬いセメンタイト（鉄と炭素の化合物）が見られる［1］。セメンタイトは炭素6.67％で生じ、非常に硬いが、きわめてもろいとされる［8］。

ここで注意したいのは、「硬い」は「強い」や「壊れにくい」とは別の意味だという点である。硬い相が主役になるほど、割れにくさを犠牲にしやすい。この二つの相の性質は、硬さと粘りの傾向を考える手がかりの一つになる。ただし、資料には炭素量と各相の量の関係までは書かれていないので、ここでは組み合わせとして述べるにとどめる。

この組織は固定されたものではない。加熱して冷やし方を変えると、別の組織が現れる。

はがねを 800〜900ど ぐらいまで あつくすると、ふぇらいとも せめんたいとも、とけあった ような すがたに なります［1］。たんそは、なかに むらなく ちらばります。

これを ゆっくり ひやすと、たんそが あつまって、また やわらかい すがたに もどります。ところが いきなり きゅうに ひやすと、たんそが ちらばった まま かたまります。すると とても かたい「まるてんさいと」に なります。これを「やきいれ」と いいます。

たとえば、いす とりゲーム。おんがくが とまるまで じかんが あれば、みんな あいている せきに すわれます。でも、いきなり とまると、ちらばった まま すわるしか ありません。たんそも、にげる ひまが ないのです。

ただし ほんとうは、いすとりゲームの ように、たんそが いすを えらんで うごく わけでは ありません。ひやす はやさで、できる かたちが かわると いう ことです。

鋼を800〜900℃に熱すると、オーステナイトという組織になり、炭素が一様に散らばります。ここからゆっくり冷やすと、炭素が偏って軟らかい組織に戻ります。しかし急に冷やすと、炭素が散らばったまま固まり、針のような形をした硬いマルテンサイトに変わります。この熱処理を焼入れといいます［1］。

たとえるなら、椅子取りゲームです。音楽が止まるまで時間があれば、みんな空いている席に座れます。急に止まれば、散らばった状態のまま座るしかありません。ただし実際の炭素は、席を選んで動くわけではありません。冷やす速さで、できる組織が決まるということです。

硬くなるなら、いつも急冷すればいいのでしょうか。それを試したくなりますが、焼入れには落とし穴があります。

800〜900℃に加熱するとオーステナイトになり、炭素が一様に固溶する。徐冷すると炭素が偏析して軟らかい組織に戻るが、急冷すれば炭素が一様なまま針状のマルテンサイトへ変わる。この熱処理が焼入れである［1］。

炭素量が多いほど、焼入れで硬くなる。0.3％以上で実用的な硬さが得られるとされる［1］。これは「0.3％未満では焼入れがまったく効かない」という意味ではなく、実用上の目安である。

ただし、冷やす速さには条件がある。炭素鋼は、焼きが入るのに必要な冷却速度（臨界冷却速度）が大きく、急いで冷やさないとマルテンサイトにならない。出典の例では、直径が20mmを超える炭素鋼の丸棒は、水で冷やしても内部まで焼きが入りにくい。クロムやマンガンなどを加えた鋼なら、大きなものでも焼入れできる［1］。20mmは炭素鋼の丸棒の目安であり、すべての鋼に共通する数値ではない。

やきいれで できた まるてんさいとは、とても かたい ものです。でも とても もろく、そのままでは きかいの ぶひんに つかえません［1］。

そこで もういちど、あたためます。これを「やきもどし」と いいます。すると かたさは すこし さがりますが、ものが ぶつかっても こわれにくく なります。やきいれと やきもどしは、セットで おこないます。

ここで ふしぎなのは、わざわざ かたさを へらす ことです。それでも、ぶひんは その ほうが つかいやすく なるのです。

焼入れでできたマルテンサイトは、非常に硬い代わりにもろく、そのままでは機械部品に使えません。そこで再び加熱します。これを焼戻しといいます。焼戻しをすると、硬さは焼入れ前より下がりますが、衝撃に耐える力は高まります［1］。焼入れと焼戻しは、セットで行われます。

ここで考えたいのは、目的です。ものづくりでは、いちばん硬いことより、使う場面で壊れにくいことのほうが大切なことがあります。焼戻しは、その折り合いをつける工程です。

炭素が多いほど硬くなるなら、もっと増やしたらどうなるのでしょうか。

焼入れで得たマルテンサイトは非常に硬いが、もろく、そのままでは機械部品として使えない。そこで再加熱する焼戻しを行うと、硬さは焼入れ前より下がるが、耐衝撃性は高まる［1］。焼入れと焼戻しは一組の処理として扱われる。

ここには、これまでの章と同じ構図がある。硬さを求めるほど、割れにくさを失う。焼戻しは、硬さを少し下げて、衝撃に耐える力を高める処理である。材料の性質は、炭素量という材料側の条件と、焼入れ・焼戻しという処理側の条件の組み合わせで決まる。

では、炭素量が鋼の範囲を超えたら、この関係はどこまで続くのか。

たんそが 2パーセント ぐらいを こえると、はがねとは よばず、「ちゅうてつ」と いう てつに なります［3］。この さかいめは、しりょうに よって すこし ちがいます。

ちゅうてつは、たんそを 3パーセント ほど ふくみます。てつ 1キロに、1えんだま 30こぶんの たんそです。すると 1200どぐらいから とけはじめます。ふつうの はがねは 1500ど いじょうなので、ずっと ひくい おんどです［2］。とけた てつを かたに ながせば、いろんな かたちが つくれます。

ちゅうてつの なかでは、たんその いちぶが くろい「こくえん」に なって います。こくえんが あると、ふるえを よく すいとり、へりにくい いいところが あります。でも、つよさは ひくく、かたさも ひくい ところが あります［2］。

「たんそが おおい ものは かたい」とは かぎらないのです。

炭素の量が約2％を超えると、鋼ではなく鋳鉄と呼ばれます。境目は、資料によって2.0〜2.14％と幅があります［3］。

鋳鉄は炭素を3％ほど含み、1200℃ほどで溶けはじめます。一般的な鋼材は1500℃以上が必要なので、ずっと低い温度です［2］。炭素は鉄が固まりはじめる温度を大きく下げるので、少ないエネルギーで溶かして型に流し込めます。鉄1キログラムあたり炭素は30グラムほどです。

ねずみ鋳鉄などでは、炭素の一部が黒鉛として現れます。すると、振動をよく吸収し、すり減りにくいという利点があります。一方で、強度が低く、硬さも低く、形を変える加工がしにくいという弱みもあります［2］。炭素がセメンタイトになった白鋳鉄もあり、鋳鉄の性質は一通りではありません。「炭素が多い＝硬い」と言い切れないのが、鋳鉄です。

では、炭素量の違う鋼を、1本の中で使い分けたらどうなるでしょうか。

鋼と鋳鉄の境目は、炭素約2％前後である。オーステナイトが1147℃で溶かせる炭素の最大量2.14％以下を鋼、超えると鋳鉄と説明されるが、資料により2.0〜2.14％と幅がある［3］。

鋳鉄は炭素を約3％含み、1200℃程度から溶けはじめる。一般の鋼材が1500℃以上を要するのに対し、炭素が鉄の凝固点を大きく下げるため、少ないエネルギーで鋳造できる［2］。

もっとも、炭素が多いからといって硬いとは限らない。ねずみ鋳鉄などでは炭素の一部が黒鉛として現れ、振動をよく吸収し、摩耗しにくいといった利点を持つ。反面、ねずみ鋳鉄は強度が低く、塑性加工性も低く、硬さが低いという欠点もある。炭素がセメンタイトになった白鋳鉄も存在する［2］。鋼の範囲では炭素が増えれば硬くなったが、鋳鉄ではその傾向をそのまま延長できない。

硬さと粘りを1つの材料で両立できないなら、性質の違う鋼を組み合わせるという設計が成り立つ。日本刀は、その例として説明される。

にほんとうは、かたい はがねだけで つくると、もろくて おれやすくなります。やわらかい はがねだけだと、にぶくて まがりやすい かたなに なります［5］。

そこで、なかの しん（しんがね）に たんその すくない やわらかい はがねを、そとがわ（かわがね）に たんその おおい かたい はがねを つかいます。あるテストでは、は さきの かたさは、しんの およそ 4ばいでした。しんは ふぇらいと、は さきの ちかくは たんその おおい まるてんさいとだったと いいます［6］。ただし、これは ある てんじの そくていれいです。すべての かたなの すうじでは ありません。

やきいれでは、やきばつちと いう つちを、は に なる ところには うすく、ほかの ところには あつく ぬります。800どぐらいに あつくして、いっきに みずに いれます。すると、は の ながさに そって、はもんが できます［7］。

はもんは、やきいれで かたなに あらわれる もようなのです。

日本刀は、刃身の芯（心鉄）に炭素の少ない軟らかい鋼を、外側（皮鉄）に炭素の多い硬い鋼を使います。硬い鋼だけで作った刀はもろくて折れやすく、軟らかい鋼だけの刀は鈍くて曲がりやすいと説明されます［5］。

ある展示のテストでは、刃先の硬さは芯のおよそ4倍でした。芯の組織はフェライト、刃先付近は炭素の多いマルテンサイトだったといいます［6］。これは1つの測定例で、すべての日本刀に当てはまる値ではありません。

焼入れでは、焼刃土という粘土・炭・砥石の粉を混ぜたものを、刃になる部分には薄く、それ以外には厚く塗ります。約800度に熱して一気に水で冷やすと、刃の長さに沿って独特の刃文ができます［7］。

ここまで見てきた炭素量、組織、冷やし方が、1本の刀の中に配置されています。刃文は、焼入れによって刀身に現れる模様です。そう考えると、見え方が変わります。

日本刀では、刃身の芯（心鉄）に炭素の少ない低炭素鋼、外側（皮鉄）に炭素の多い高炭素鋼を用いる。高炭素鋼だけの刀はもろくて折れやすく、低炭素鋼だけの刀は鈍くて曲がりやすい。硬さと粘りの両方が要るという要請に、材料の組み合わせで応えている［5］。

実際の測定でも、この分担が確かめられている。ある展示のテストでは、刃先の硬度は芯のおよそ4倍で、芯の組織はフェライト、刃先付近は炭素の多いマルテンサイトだった。ただしこれは特定の刀の測定例で、すべての日本刀の値ではない［6］。

焼入れの工程では、粘土・炭・砥石の粉を混ぜた焼刃土を、刃になる部分には薄く、それ以外には厚く塗り、約800度に熱して一気に水で冷やす。これによって、刃の長さに沿って刃文ができる［7］。土の厚さの違いが刃先だけを硬くする仕組みは、冷え方の差として説明されることが多いが、参照した資料には刃文ができることまでしか書かれていない。

とはいえ、本記事で見てきた要素は、ここで1本の刀に集まっている。炭素量の違う鋼（章1）、硬い組織とその限界（章2）、冷やし方による組織の違い（章3）、そして硬さと粘りの折り合い（章4）である。

いま できる こと：はさみや くぎ、ばねなど、みぢかな てつの どうぐの かたちと つかいみちを 見て、「これは かたさが たいせつか、ねばりが たいせつか」を よそうして みましょう。こたえあわせは、としょかんの てつの ほんで できます。

でかけて できる こと：はくぶつかんや、かたなの てんじで、はもんを 見て みましょう。しろく うかぶ せんの さかいめが、どこに あるかを さがしてみると、かたなの つくりかたが 見えてきます。ぶつかったり、ゆびで さわったり しないように、ながめるだけに してくださいね。

ほんとうの ことを しりたく なったら：こくどこうつうしょうの「たげんごかいせつぶん データベース」の「日本刀にほんとうの科学かがく」と「日本刀にほんとうの鍛造たんぞう」を よんで みましょう。

今日できること：身の回りの鉄でできた道具を見て、「これは硬さを優先した道具か、粘りを優先した道具か」を、形と用途から予想してみましょう。答え合わせは、図書館の金属材料の本など、日本語の資料でできます。

出かけてできること：博物館や刀剣の展示で、刃文を探してみましょう。白く浮かぶ線の境目が、刃先から芯へどう変わるかを眺めると、この記事の話が立体的に見えてきます。展示ケースのガラス越しに、離れて見るだけにしてください。

公式情報：国土交通省の「多言語解説文データベース」の「日本刀の科学」「日本刀の鍛造」と、新潟県工業技術総合研究所の技術トピックス「炭素鋼と焼入れ」「鋳鉄と炭素」が、参考にした資料です。

今日できること：身近な鉄の道具の形と用途から、硬さと粘りのどちらが大切かを予想し、図書館の金属材料の本や下記の資料で答え合わせをする。S45Cのような記号と炭素量の対応も調べられる。同じ炭素量でも、処理でどう変わるかを表にして比べてみよう。

出かけてできること：日本刀を展示する博物館で、刃文の位置と形状を観察する。展示の多言語解説文は、国土交通省のデータベースの記述と読み比べられる。ケース越しに、離れて見る。

資料を読むなら：国土交通省「多言語解説文データベース」の「日本刀の科学」（R5-00271）・「日本刀の鍛造」（R4-00043）、新潟県工業技術総合研究所の技術トピックス「炭素鋼と焼入れ」「鋳鉄と炭素」。いずれも上の情報源のリンクから無料で読める。JISなど鉄鋼の規格の原文は今回参照しておらず、本記事の数値の一部は二次資料（Wikipedia・MONOist）による。