金属概論:鉄および鋼

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  【鉄鋼の微細構造】

 鉄鋼材料の性質を支配する重要なパラメータの一つは金属組織である。金属組織は,添加した合金成分の量,加熱過程及び冷却過程で決まる。
 実際の鉄鋼材料製造過程では,凝固過程,連続鋳造鋼片の冷却,再加熱,圧延,熱処理などで種々の熱履歴を受ける。この熱履歴で,鉄鋼材料の内部で様々な相変態が起こり,金属組織が複雑に変化することになる。
 一般的な物理・化学用語では,「相変態」とは固体(固相),液体(液相),気体(気相)に変化することを言うが,金属学では,固体のままで結晶構造が変わることを意味する。
 なお,相変態は,固相変態,同素変態や単に変態とも称する。
 
 鉄鋼材料の相変態により,結晶構造と結晶と結晶の界面(結晶粒界)での変化が起こり,結果として鉄鋼の機械的特性に大きく影響する。これらの変化は,平衡状態図を用いると理解しやすい。
 炭素を 0.2%含む鋼(構造用鋼における一般的な炭素濃度)において,概ね 800℃以上の変態開始前の組織は,炭素が固溶したオーステナイト( 2.14%まで固溶可)の多角形結晶粒図中の①)となっている。
 鋼の温度が,図中の G-S線と交差する点まで低下すると,γ-α変態と称される変態が始まり,炭素をほとんど含まないフェライト( 0.02%まで固溶可)結晶の粒子界面からオーステナイト粒子内部に向って成長し始める(図中の⑤)。
 フェライト結晶の成長に伴い,オーステナイト中の炭素濃度が S点に向って増加し,温度が 727℃まで低下した段階でオーステナイト中の炭素濃度は S点の 0.765%になる。
 S点に置いて,オーステナイトは,変態(共析変態,あるいはパーライト変態という)しフェライトとセメンタイトが層状に重なったパーライト組織が形成される。温度の低下で,最終的には,図中の⑥に示すフェライトとパーライトの混合した組織(フェライト・パーライト組織という)が形成される。

炭素鋼を徐冷する際の組織の形成過程

炭素鋼を徐冷する際の組織の形成過程
出典:谷野満,鈴木茂「鉄鋼材料の科学―鉄に凝縮されたテクノロジー」内田老鶴圃(2006)p.81

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