金属概論:鉄および鋼

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  【鉄鋼の基礎】

 鉄と炭素のみで構成された鋼を 2元系合金という。2元系合金は,炭素含有量と温度に応じて種々の状態になることは,古くから研究され,図のように整理されている。

鉄‐炭素系平衡状態図

鉄‐炭素系平衡状態図
出典:田中良平「最近の鉄-炭素系平衡状態図について」鉄と鋼, Vol.53, pp.1586-1604(1967)

 鋼の性質を左右する要因は,鉄の相に炭素が溶け込んだ固溶体,介在物として生成されるグラファイト(黒鉛)やセメンタイト(Fe3C)の量と分布状態である。なお,鉄の中に炭素が均一に分散することを固溶するという。
 鉄は低温側からα鉄(体心立方格子),γ鉄(面心立方格子),δ鉄(体心立方格子)と,相の状態が変わる。
 固溶できる炭素の量は温度によって変化し,α鉄の温度領域では最大0.02%まで固溶できる。この状態の合金をフェライト(ferrite)という。
 γ鉄の温度領域では約2.14%までの炭素が固溶できる。この合金をオーステナイト(austenite)と呼ぶ。高温域では0.1%までしか炭素を固溶できず,デルタフェライト(δ-ferrite)という。
 それぞれの相に固溶している炭素は,温度が変化(低下)すると鉄と共有結合した炭化物のセメンタイトとして析出する。セメンタイトの形態は冷却速度などの処理条件によって大きく変化し,鉄鋼材料の機械的性質に大きく影響する。
 これらの特徴は,次の通りである。
 フェライト:α-FeにCを僅かに固溶した組織で,やわらかく摩耗には弱いがねばく,展延性に富んでいる。常温では強磁性体である。
 オーステナイト:Fe-C系合金において普通723°C以上の高温度でだけ存在する組織で,やわくかくねばい性質を持っている。
 セメンタイト:かたくてもろい金属化合物である。延びがぼとんどなく,板状の割れやすい結晶として存在する。
 パーライト:ある特定の条件で,微細なフェライトとセメンタイトが層状に混合した組織をつくる。この組織を持つ鋼をパーライト鋼(pearlitic steel)や共晶鋼(eutectoid steel)などと呼び,機械的にはねばり強く耐摩耗性に優れレールなどに用いられる。

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