第十回目
鉄鋼の熱処理の基礎
生命医科学部 医工学科 バイオメカニクス研究室（片山・田中研） IN116N 田中 和人 E-mail: [email protected] 内線: 6408材料工学Ⅱ
1・3 鉄鋼の熱処理の基礎
[email protected] a．Fe－C状態図と標準組織 炭素鋼（鋼）：Fe+少量のC Fe3C（セメンタイト， cementite）：準安定相で， 安定相は黒鉛，通常の熱 処理ではセメンタイトとして 存在 鋼（steel） ：C量が約2.0％ 以下 鋳鉄（cast iron）： C量が約 2％以上 黒鉛化を促進するSiが 多い，Fe－黒鉛系が重 要 図1.3 Fe－C合金の平衡状態図（実線： Fe－Fe3C系，点線：Fe－黒鉛系） [email protected]1・3 鉄鋼の熱処理の基礎
フェライト（ferrite，αFe ） 純鉄，室温ではbcc構造 磁気変態点（A2点，770℃） より低温では強磁性，高 温では常磁性 Cの最大固溶量は727℃ で0.02%，侵入型で固溶， 固溶限以上のC，セメンタ イト（Fe3C）を形成 セメンタイト（Fe3C） 斜方晶（orthorombic） 213℃に磁気変態点（A0 点とよぶ）以下で強磁性 図1.3 Fe－C合金の平衡状態図（実線： Fe－Fe3C系，点線：Fe－黒鉛系） [email protected]1・3 鉄鋼の熱処理の基礎
オ－ステナイト（austenite，γ Fe ） αFe を加熱して912℃（A3点） で fcc構造 A3点から1394℃（A4点）まで 安定 Cの最大固溶量2.11%（1148℃， 図1.3のE），侵入型で固溶 δ－フェライト（δFe） A4点から融点（1538℃）まで bcc構造 図1.3 Fe－C合金の平衡状態図（実線： Fe－Fe3C系，点線：Fe－黒鉛系）1・3 鉄鋼の熱処理の基礎
Sで示される組成（0.77%C，共析 組成）のオ－ステナイトを冷却 727℃（A1点）でフェライトとセ メンタイトの二相 共析変態 γ→α＋Fe3C パ－ライト（pearlite）が形成さ れる • フェライトとセメンタイトが層 状に配列 パ－ライト変態ともいう 図1.3 Fe－C合金の平衡状態図（実線： Fe－Fe3C系，点線：Fe－黒鉛系） [email protected]標準組織
標準組織：オ－ステナ イト状態から徐冷（たと えば炉冷）して，平衡 状態図にほぼ従って 生成した組織 共析鋼（eutectoid steel） 共析組成（ C量 0.77% ）の鋼 亜共析鋼（hypo－ eutectoid steel） C量0.77%以下の鋼 過共析鋼（hyper-eutectoid steel） C量0.77%以上 図1.4 各種炭素鋼の標準組織（焼ならし組織） （a）0.17％C，（b）0.30％C，（c）0.8％C（共析鋼），（d）1.1％C [email protected]1・3 鉄鋼の熱処理の基礎
A3線 亜共析鋼がオ－ステナイト 単相となるGS線 Acm線 過共析鋼はSE線以上でオ －ステナイト単相 SE線以下でオーステナイト 中にセメンタイトが析出 A1点 水平線PSK（727℃），共析 変態がおこる温度 共析変態 純鉄には現われない鋼特 有の重要な変態 図1.3 Fe－C合金の平衡状態図（実線： Fe－Fe3C系，点線：Fe－黒鉛系） [email protected]標準組織
共析鋼をYから徐冷 S点までオ－ステナイト単相 S点（A1点） 共析変態 パ－ライト組織：P点で示さ れるC濃度（0.02％）のフェラ イトとセメンタイト（Fe3C， C 量6.67mass％） 図1.5 C量の異なるFe－C合金をオース テナイトから徐冷したときの組織変化およ び室温での標準組織標準組織
0.4％Cの亜共析鋼をXから徐冷 温度T1 • C濃度a1のフェライトが析出 • 初析フェライト • オ－ステナイトの結晶粒界に 生成 温度低下にともなってフェライト量 が次第に増加 • フェライトのC濃度はGP線に沿っ てっ増加 • 残りの未変態オ－ステナイト のC量はGS線（A3線）に沿って 増加 U点（A1点）直上 重量比率でUS/PSの量のフェライ ト（C濃度P），PU/PS の量のオ－ ステナイト（C濃度S（共析組成）） オ－ステナイトの共析変態，パ－ ライト組織 図1.5 C量の異なるFe－C合金をオース テナイトから徐冷したときの組織変化およ び室温での標準組織 [email protected]標準組織
1.2％Cの過共析鋼Zから徐冷 Acm線 • セメンタイトの析出 • 初析セメンタイト，オーステ ナイトの結晶粒界に沿って 網目状に析出 温度の低下 • セメンタイトの析出量が増加 • 未変態オ－ステナイトのC量 がAcm線に沿って減少 A1点 • S点の共析組成 • 未変態のオ－ステナイトが パ－ライト変態 図1.5 C量の異なるFe－C合金をオース テナイトから徐冷したときの組織変化およ び室温での標準組織 [email protected]二元系状態図
平衡：ゆるやかに加熱・冷却が行われた時の相の状態 状態図上の線：変態点の集まり，境界で相が変化 CuとNiの合金で考える プリントNo.3 図3.1 図3.1 [email protected]二元系状態図
A,Cで冷却：凝固点まで単調に冷却，凝固点で一定温度， その後も単調に冷却 Bで冷却 L1の温度で固相の晶出 初晶という プリントNo.3 図3.1[email protected] 図3.1
二元系状態図
合金の特徴 冷却中の液相と固相の組成が異なる • 液相の組成 L1からL2へ • 固相の組成 S1からS2へ プリントNo.3 図3.1 [email protected]二元系状態図
相の割合と化学成分 平衡状態図から求められる C0の化学成分の合金で考える L相の組成 B元素 a0% A元素 (100-a0)% α相の組成 B元素 b0% A元素 (100-b0)% L相の割合 (b0-c0)/ (b0-a0) α相の割合 (c0-a0)/ (b0-a0) てこの法則 プリントNo.3 図3.2 図3.2 [email protected]二元系状態図
100g中のL相の重量をX(g)とすると α相の重量は(100-X)g a0X+ b0 (100-X)=100c0 X = (b0-c0)/ (b0-a0)*100 各相の比重から体積も求められる． プリントNo.3 図3.2 図3.2 [email protected]共晶型と共析型
共晶型 Al-Si系 Fe-C系 共晶反応 液相（L）→固相（α）+ 固相（β） 共析反応 固相（γ）→固相（α）+ 固相（β） Fe-0.8％C 固相γ（オーステナイト） →固相α （フェライト）+ 固相β （セメンタイト） プリントNo.3 図3.3 図3.3鉄鋼材料
純鉄：C 0.006% 以下 鋼：C 0.006%以 上から2%程度 表7-1 [email protected]1・3 鉄鋼の熱処理の基礎
b．過冷オ－ステナイトの変態と組織 （i）変態点におよぼす冷却速度の影響 変態：平衡状態図の温度（Ae）とは 異なる 過熱（Ac） 過冷（Ar） パ－ライト変態点が低下 マルテンサイト変態（Ms点）：原 子の拡散なし 図1.6 共析炭素鋼の熱膨張曲線に及 ぼす冷却速度の影響 [email protected]4・4 相変態 P.57
b. マルテンサイト変態 マルテンサイト変態：拡散を伴わないで他の結晶構造へ変化す る変態 鋼の場合：オーステナイト相（fcc）からマルテンサイト相（bccま たはbct）へ変態 マルテンサイト変態の特徴 （1）単相から単相への結晶構造の変化，可逆的 （2）無拡散のせん断機構による変態，組成の変化なし（無拡散変 態) [email protected]1・3 鉄鋼の熱処理の基礎
b．過冷オ－ステナイトの変態と組織 （ii）過冷オ－ステナイトの恒温変態と恒温変態線図 恒温変態（または等温変態）（isothermal transformation）：過冷オ－ステナイト を一定温度に保持した時におこる変態恒温（または等温）変態線図（isothermal transformation diagram），TTT線図 （time－temperature－transformation diagram）：共析炭素鋼をオ－ステナイト 状態からAe1点以下の種々の温度に急冷，その温度に保持して変態の開始 時間および終了時間を測定したもの 図1.7 共析炭素鋼の恒温変態線 図（TTT線図） Ｓ曲線，Ｃ曲線 550℃付近S曲線の鼻（nose） 300℃付近入江（bay） Ms点（共析炭素鋼の場合）220℃ 付近
