タングステンのヤング率は？GPaやkgf/mm2の数値と温度依存性・モリブデンとの比較も解説

金属材料を選定する際、ヤング率（縦弾性係数）は構造設計において非常に重要な指標のひとつです。

タングステンは高融点・高密度で知られる金属ですが、そのヤング率の高さもまた、工業材料としての大きな魅力となっています。

GPa表記やkgf/mm²表記ではどのくらいの数値になるのか、また温度によってどう変化するのか、さらにモリブデンとの比較でどのような違いがあるのか——これらの疑問をお持ちの方も多いのではないでしょうか。

本記事では「タングステンのヤング率は？GPaやkgf/mm2の数値と温度依存性・モリブデンとの比較も解説」と題して、タングステンのヤング率に関するデータを多角的にご紹介します。

設計・研究・材料選定など、さまざまな場面でお役立ていただける内容を目指していますので、ぜひ最後までご覧ください。

タングステンのヤング率は約390〜410GPa——金属の中でもトップクラスの剛性

それではまず、タングステンのヤング率の基本的な数値について解説していきます。

タングステン（W）のヤング率は、常温（室温：約20〜25℃）において約390〜410GPaとされており、これは一般的な金属材料の中でも際立って高い値です。

鉄（鋼）が約206GPa、アルミニウムが約69GPaであることを考えると、タングステンの剛性がいかに優れているかがよくわかります。

GPaとkgf/mm²の換算値

工学の現場では、SI単位であるGPaだけでなく、kgf/mm²（キログラム重毎平方ミリメートル）で表記されることもあります。

1GPaは約101.97 kgf/mm²に相当するため、タングステンのヤング率をkgf/mm²に換算すると以下のようになります。

この数値は、設計計算で従来の単位系を用いる場合に非常に便利です。

特に古い文献や機械設計の現場では、kgf/mm²表記が今なお使われることがあるため、換算値を把握しておくことは実務上も重要と言えるでしょう。

主な金属材料とのヤング率比較（一覧表）

タングステンのヤング率の高さを視覚的に理解するため、代表的な金属材料と並べて比較してみましょう。

材料名	ヤング率（GPa）	ヤング率（kgf/mm²）
タングステン（W）	約390〜410	約39,800〜41,800
モリブデン（Mo）	約320〜330	約32,600〜33,700
クロム（Cr）	約248	約25,300
鉄・鋼（Fe）	約206	約21,000
ニッケル（Ni）	約200	約20,400
チタン（Ti）	約116	約11,800
銅（Cu）	約110〜130	約11,200〜13,300
アルミニウム（Al）	約69	約7,000

この表からも明らかなように、タングステンのヤング率は他の金属と比較して圧倒的な高さを誇ります。

高い剛性が求められる精密機器のシャフトや、放射線遮蔽材、電極材料などに広く活用されている理由が数値からもご理解いただけるでしょう。

ヤング率が高いとどのようなメリットがあるのか

ヤング率が高いということは、同じ応力が加わった場合でも変形量（ひずみ）が小さいことを意味します。

これは部品の寸法精度を保ちたい場面や、高荷重下での形状安定性が求められる用途において、非常に大きなアドバンテージとなります。

一方で、剛性が高い材料は一般的に加工が難しくなる傾向もあるため、設計段階での加工性とのバランス検討も欠かせません。

タングステンのヤング率の温度依存性——高温になるにつれて低下する

続いては、タングステンのヤング率が温度によってどのように変化するかを確認していきます。

タングステンは融点が約3,422℃と金属の中で最も高く、高温環境での使用が期待される材料です。

しかし、ヤング率は温度が上昇するにつれて低下していくことが知られており、この点を理解しておくことは高温用途での設計において非常に重要です。

温度とヤング率の関係データ

以下の表に、タングステンのヤング率の温度依存性を示す代表的な数値をまとめます。

温度（℃）	ヤング率（GPa）
室温（約20〜25℃）	約390〜410
200℃	約390
500℃	約370〜380
1000℃	約340〜350
1500℃	約300〜320
2000℃	約260〜280
2500℃	約200〜230

このデータからわかるように、温度の上昇とともにヤング率は緩やかに、しかし着実に低下していきます。

2000℃を超える極高温域では、室温値の約60〜70%程度まで低下するケースもあります。

なぜ温度が上がるとヤング率は低下するのか

ヤング率の温度依存性は、原子間の結合エネルギーと格子振動に深く関係しています。

温度が上昇すると、金属内の原子が熱振動によって活発に動くようになり、原子間距離の変動が大きくなります。

その結果、外力に対して変形しやすくなるため、ヤング率（弾性率）が低下するという現象が起きます。

これはタングステンに限らず、多くの金属に共通して見られる現象ですが、タングステンは融点が非常に高いため、高温域においても他の金属と比べて高いヤング率を維持できる点が大きな特徴です。

高温用途でのタングステンの活用事例

タングステンは高温下でも比較的高い剛性を保てることから、以下のような用途に利用されています。

電気炉のヒーターや加熱エレメント、半導体製造装置の高温部品、ロケットエンジンのノズル材料、そして核融合炉のプラズマ対向材など、過酷な温度環境下での信頼性が求められる分野で広く採用されています。

こうした用途においても、設計時には温度依存性データを用いた精密な解析が行われているのです。

タングステンとモリブデンのヤング率の比較——同族金属でありながら明確な差がある

続いては、タングステンと同じ第6族遷移金属であるモリブデン（Mo）とのヤング率比較を確認していきます。

タングステンとモリブデンはともに体心立方構造（BCC）を持ち、高融点・高剛性の金属として知られています。

しかし、ヤング率の数値には明確な差があり、用途に応じてどちらを選ぶかの判断に影響します。

ヤング率の数値比較

タングステンとモリブデンのヤング率を、主要な物性値とともにまとめると次のようになります。

項目	タングステン（W）	モリブデン（Mo）
ヤング率（GPa）	約390〜410	約320〜330
ヤング率（kgf/mm²）	約39,800〜41,800	約32,600〜33,700
融点（℃）	約3,422	約2,623
密度（g/cm³）	約19.3	約10.2
熱膨張係数（×10⁻⁶/K）	約4.5	約5.1
結晶構造	体心立方（BCC）	体心立方（BCC）

この比較から、タングステンはモリブデンよりもヤング率が約20〜25%高いことがわかります。

一方で密度においてはタングステンが約2倍近く高く、重量面での課題があることも見逃せません。

なぜタングステンの方がヤング率が高いのか

タングステンとモリブデンは同族元素ですが、原子半径・結合エネルギー・電子配置の違いによってヤング率に差が生じます。

タングステンは原子番号74、モリブデンは原子番号42であり、タングステンの方が重い元素です。

原子間の結合力が強く、格子のエネルギーが大きいため、外力に対してより変形しにくい性質を持ちます。

これが高いヤング率として現れる物理的な背景です。

用途ごとの選択ポイント

ヤング率だけでなく、密度・加工性・コストなど総合的な観点から材料を選定することが重要です。

タングステンは高剛性・高融点が求められる場面に強く、モリブデンは軽量性と加工しやすさが求められる場面での選択肢として優れています。

たとえば、より軽量な部品が必要な半導体製造装置のサセプターやボートにはモリブデンが、極限環境下で寸法精度を保ちたい用途にはタングステンが選ばれることが多いでしょう。

タングステンのヤング率に関するよくある疑問と注意点

続いては、タングステンのヤング率に関してよくある疑問点と、実務・研究での注意点を確認していきます。

ヤング率の数値は文献によって若干異なる場合があり、その理由を理解しておくことは正確なデータ活用に役立ちます。

文献によって数値が異なる理由

タングステンのヤング率について調べると、390GPaや400GPaなど、わずかに異なる数値が示されている場合があります。

これは主に以下のような要因によるものです。

まず、材料の純度や製造方法の違いが挙げられます。焼結タングステンと単結晶タングステンではヤング率が異なり、多結晶体は結晶粒の配向によっても変化します。

次に、測定方法の違いも影響します。引張試験、曲げ試験、超音波法など、測定手法によって得られる値に若干の差が生じることがあります。

さらに、測定時の温度や雰囲気条件も微妙な差を生む要因です。

等方性と異方性——単結晶と多結晶の違い

タングステンの多結晶体は、結晶方位がランダムに分布しているため、マクロな物性としては等方的なヤング率を示します。

一方、単結晶タングステンでは結晶方向によってヤング率が異なる異方性が現れます。

<100>方向では約411GPa、<110>方向では約586GPa、<111>方向では約648GPaといった具合に、結晶方位によって大きく変化することが知られています。

このため、精密な解析や研究においては使用する試料の結晶状態を明確にしたうえでデータを扱う必要があるでしょう。

ヤング率と関連する機械的特性

ヤング率は単独で評価されることもありますが、実際の材料評価では剛性率（横弾性係数）・ポアソン比・バルク弾性率などと合わせて理解することが重要です。

タングステンのポアソン比は約0.28〜0.30、剛性率（せん断弾性率）は約160〜175GPa程度とされています。

これらの数値もヤング率と同様に、設計計算や有限要素解析（FEM）において必要不可欠なパラメータです。

複合的な機械的特性を把握することで、タングステンをより適切かつ効果的に活用できるでしょう。

まとめ

本記事では「タングステンのヤング率は？GPaやkgf/mm2の数値と温度依存性・モリブデンとの比較も解説」と題して、タングステンのヤング率に関する幅広い情報をご紹介しました。

タングステンのヤング率は室温で約390〜410GPa（約39,800〜41,800 kgf/mm²）であり、金属材料の中でも最高クラスの剛性を誇ります。

温度が上昇するにつれてヤング率は低下するため、高温使用環境では温度依存性データの参照が不可欠です。

また、同族金属のモリブデンと比較すると、タングステンは約20〜25%高いヤング率を持つ一方で、密度が約2倍と重く、用途に応じた材料選定が求められます。

文献によって数値が異なる場合には、純度・製造方法・測定条件・結晶状態などの違いを踏まえたうえでデータを活用することが大切です。

タングステンの高剛性という特性を正しく理解し、設計・研究・材料選定の場面にぜひお役立てください。