ヤング率の一覧表！金属・樹脂・セラミックスの数値とGPa換算も【温度依存性も】

材料を選定する際、剛性や変形のしにくさを表す指標として欠かせないのが「ヤング率」です。

金属・樹脂・セラミックスなど、素材の種類によってヤング率は大きく異なり、設計や加工の現場では必ずと言っていいほど参照される基本的な物性値のひとつといえるでしょう。

本記事では「ヤング率の一覧表！金属・樹脂・セラミックスの数値とGPa換算も【温度依存性も】」をテーマに、主要な材料のヤング率をわかりやすくまとめます。

GPa（ギガパスカル）への換算方法や温度による変化についても解説しているので、材料選定や強度計算の参考にぜひお役立てください。

ヤング率とは何か？弾性率・縦弾性係数との関係から理解する

それではまず、ヤング率の基本的な概念と関連する用語について解説していきます。

ヤング率（Young’s modulus）とは、材料に引張または圧縮の応力を加えたとき、どれだけ変形するかを示す比例定数のことです。

正式には「縦弾性係数」とも呼ばれ、弾性変形の範囲内において「応力（σ）÷ひずみ（ε）」で求められます。

この値が大きいほど材料は変形しにくく、剛性が高いといえます。

逆に小さければ柔らかく、応力に対して大きく変形しやすい材料ということになるでしょう。

弾性率・縦弾性係数・ヤング率の違いは？

「弾性率」という言葉は広義には複数の意味を持ちます。

縦弾性係数（ヤング率）のほかに、せん断弾性係数（剛性率）や体積弾性係数なども「弾性率」の一種です。

ただし、一般的に「弾性率」と表記されている場合はヤング率（縦弾性係数）を指していることがほとんどといえるでしょう。

設計の現場では「E値」と略されることも多く、材料データシートでは「E」の記号で記載されているのが一般的です。

ヤング率とポアソン比の関係

ヤング率と並んでよく出てくる指標がポアソン比（ν）です。

ポアソン比とは、引張方向に対して垂直方向にどれだけ縮むかの比率を表します。

ヤング率とポアソン比がわかれば、せん断弾性係数（G）も次の式から算出可能です。

ヤング率の単位とGPa換算の考え方

ヤング率の単位はPa（パスカル）が基本ですが、実用上はGPaが最もよく使われます。

材料データでN/mm²（＝MPa）で表記されている場合も多く、1,000 MPa ＝ 1 GPaと覚えておくと換算しやすいでしょう。

また、古い文献ではkgf/mm²単位が使われていることもあります。

1 kgf/mm² ≒ 9.807 MPa ですので、単位換算の際には注意が必要です。

金属材料のヤング率一覧表【主要鋼材・アルミ・チタンなど】

続いては、金属材料のヤング率を確認していきます。

金属はヤング率が比較的高く、構造材料として幅広く活用されています。

以下に代表的な金属材料のヤング率をまとめました。

材料名	ヤング率（GPa）	備考
炭素鋼（鉄鋼全般）	約 206	最も一般的な構造用金属
ステンレス鋼（SUS304）	約 193	耐食性に優れる
鋳鉄	約 100〜170	種類により幅あり
アルミニウム合金（A2017など）	約 70	軽量で加工性が高い
純チタン	約 106	軽量・高強度
チタン合金（Ti-6Al-4V）	約 114	航空宇宙分野で多用
銅（Cu）	約 130	電気・熱伝導に優れる
黄銅（真鍮）	約 100〜110	加工性・装飾性が高い
マグネシウム合金	約 45	最軽量クラスの構造金属
ニッケル合金	約 200〜210	耐熱・耐食用途
タングステン（W）	約 400	金属中でも特に高いヤング率

鉄鋼材料（炭素鋼・ステンレス）のヤング率の特徴

炭素鋼のヤング率は約206 GPaとされており、材料選定の基準値として広く認識されています。

炭素含有量や合金元素の影響はヤング率にはほとんど現れず、同じ鋼種でも硬度や引張強さとは独立した値である点が重要です。

ステンレス鋼（SUS304）は約193 GPaとやや低めで、加工硬化の影響も受けにくいため設計上の取り扱いがしやすい材料といえるでしょう。

アルミニウム・チタンのヤング率と軽量化設計

アルミニウム合金のヤング率は鉄の約1/3にあたる70 GPa前後です。

比重も鉄の約1/3であることから、比剛性（ヤング率÷密度）では鉄鋼とほぼ同等の性能を示します。

チタン合金は約114 GPaと、アルミより高く鉄より低いバランスのとれた値を持ちます。

軽量かつ高強度を求める航空宇宙・医療分野では、チタン合金のこの特性が大きなアドバンテージになるでしょう。

タングステン・ニッケルなど特殊金属のヤング率

タングステンのヤング率は約400 GPaと、金属の中でもトップクラスの値を誇ります。

融点も非常に高く、高温環境での使用に適した材料です。

ニッケル合金は耐熱・耐食性に優れ、200〜210 GPa程度と鉄鋼に近い値を示します。

ジェットエンジンのタービンブレードなど過酷な環境での使用実績が豊富な材料といえるでしょう。

樹脂・プラスチックとセラミックスのヤング率一覧表

続いては、金属とは大きく性質が異なる樹脂・セラミックスのヤング率を確認していきます。

樹脂は一般的にヤング率が低く、セラミックスは非常に高い傾向があります。

材料名	ヤング率（GPa）	備考
ポリエチレン（PE）	0.2〜1.0	汎用樹脂の中でも柔軟
ポリプロピレン（PP）	1.0〜2.0	軽量・耐薬品性あり
ポリ塩化ビニル（PVC）	2.4〜4.1	建材・配管に多用
ABS樹脂	1.4〜3.1	成形性に優れる汎用エンプラ
ナイロン（PA6・PA66）	2.0〜3.5	機械部品に多用
ポリカーボネート（PC）	2.3〜2.6	透明性・耐衝撃性あり
PEEK（ポリエーテルエーテルケトン）	3.6〜4.1	スーパーエンプラ、耐熱性高い
エポキシ樹脂（硬化後）	2.5〜4.5	接着剤・複合材のマトリクス
アルミナ（Al₂O₃）	300〜380	電気絶縁・耐摩耗用途
炭化ケイ素（SiC）	400〜450	超硬質・高温対応
窒化ケイ素（Si₃N₄）	280〜320	軽量高剛性セラミックス
ジルコニア（ZrO₂）	200〜210	靭性が高いセラミックス

汎用樹脂・エンジニアリングプラスチックのヤング率比較

ポリエチレンやポリプロピレンなどの汎用樹脂は1〜2 GPa程度と非常に低い値です。

一方、PEEK（ポリエーテルエーテルケトン）やエポキシ樹脂は4 GPa前後まで高まり、スーパーエンジニアリングプラスチックならではの剛性を示します。

ただし、樹脂のヤング率は温度・湿度・成形条件によっても変化するため、使用環境に合わせた確認が必要です。

セラミックスのヤング率と金属との比較

セラミックスのヤング率は非常に高く、炭化ケイ素（SiC）では400〜450 GPaと鉄鋼の2倍以上に達します。

軽さも兼ね備えることから、比剛性では金属を大きく上回るケースも少なくありません。

ただし、脆性が高くき裂が入りやすいというデメリットもあるため、応力集中が生じる環境では慎重な設計が求められるでしょう。

複合材料（CFRP・GFRPなど）のヤング率

炭素繊維強化プラスチック（CFRP）は繊維方向のヤング率が70〜300 GPa以上に達することもある高性能複合材料です。

ガラス繊維強化プラスチック（GFRP）は20〜50 GPa程度で、CFRPよりは低いものの一般的な樹脂を大幅に上回ります。

複合材料は異方性（方向によって性質が異なる）を持つことが多いため、繊維の配向角度を考慮した設計が欠かせないでしょう。

ヤング率の温度依存性と実用上の注意点

続いては、温度変化がヤング率に与える影響を確認していきます。

ヤング率は温度が上がるにつれて低下する傾向があり、高温環境での使用では特に注意が必要です。

金属のヤング率と温度の関係

金属のヤング率は温度の上昇とともに緩やかに低下します。

例えば炭素鋼は20℃では206 GPa程度ですが、400℃では約180〜190 GPa、800℃では150 GPa程度まで低下するとされています。

高温配管や炉の構造部材などの設計では、室温のヤング率をそのまま使用せず、使用温度に対応した値で計算することが重要です。

樹脂・セラミックスの温度依存性の違い

樹脂はガラス転移温度（Tg）を超えると、ヤング率が急激に低下する特性を持ちます。

例えばポリカーボネート（PC）のTgは約150℃で、これを超えると弾性体としての挙動ではなく粘弾性・ゴム状の挙動に移行するでしょう。

セラミックスは一般的に高温でもヤング率の変化が小さく、金属や樹脂と比較して温度安定性が高いという特徴があります。

ただし急激な熱衝撃には弱く、熱衝撃破壊が起こることもあるため注意が必要です。

温度依存性を踏まえた材料選定のポイント

高温環境で高い剛性を維持したい場合は、セラミックスやニッケル合金・タングステン合金などの高温材料が候補になります。

樹脂を使用する場合は、Tgが使用温度を十分上回る材料を選定することが基本です。

PEEKはTgが約140〜150℃、融点が約340℃と樹脂の中では特に耐熱性が高く、高温環境での樹脂代替候補として注目されています。

まとめ

本記事では「ヤング率の一覧表！金属・樹脂・セラミックスの数値とGPa換算も【温度依存性も】」をテーマに、主要材料のヤング率と関連知識を解説しました。

ヤング率（縦弾性係数）は材料の剛性を評価する最も基本的な物性値であり、設計・材料選定において欠かせない指標です。

金属では炭素鋼が206 GPa、アルミが約70 GPa、セラミックスではSiCが400 GPa超と、材料の種類によって大きく異なります。

樹脂はGPa以下の低い値が多く、温度変化に敏感なため使用環境の確認が特に重要といえるでしょう。

温度依存性についても、金属・樹脂・セラミックスそれぞれに異なる傾向があることを理解し、使用温度域に対応したデータを用いて設計に臨むことが大切です。

今回の一覧表を参考に、目的に合った材料の選定や強度計算にお役立ていただければ幸いです。