亜共析炭素鋼の熱処理組織と強度特性
森山実 小林義一
1. 緒 言
炭素鋼は,熱処理に より組織が変わ り, また,概枕的性質 もいろいろ変化す る.筆者 らは, 炭素鋼における熱処理組織 と機械的性質の関連について一連の研究を進めてお り,今回は, 炭素含有量の異なる種 々の亜共析炭素鋼に,焼なまし,焼な らしお よび焼入れ焼 もどし熱処 理を施 した場合の引張強度,衝撃強度,硬 さ等の機枕的特性を実験により求め, これ らの特 性が炭素含有量に よりどのように変化す るかについて各熱処理毎に系統的に調べたのでその 結果を報告す る.
2.実 験 方 法 2‑1試料と熱処理
供試材は, 炭素含有量の異なる機械構造用炭素鋼でS15Cか らS55Cまでの8種頬を用い た.その化学分析値をTablelに示す.直径22mmの丸棒で,引張試験用には直径19mmに 丸由 りし,衝撃試験用には10.5×10.5×55mmの角材に形削 りしてか ら熱処理を行なった.
熱処理は,各 々の試料について,焼なまし,焼な らし及び焼入れ焼 もどしの3種類を施 し た. これ ら熱処理の委細をFig.1に示す. 焼なまし(Annealing)は, 同図(a)に示す よう に,.国中右側に示すオーステナイ ト化温度に加熱後2時間保持 し,その後炉中冷却 した･平 均冷却速度 (800oC〜600oC)紘, 3.2oC/minである. 焼な らし (Normalizing)は,焼な ましの場合 と同一条件でオーステナイ ト化後, (b)に示す ように空冷 した. この ときの平均 冷却速度は90oC/minである.焼入れ焼 もどし(Tempering)紘, (C)に示す ように,先ず オーステナイ ト化後速かに水焼入れ し,その後600oCに2時間保持 して焼 もどしを行ない, さらに水冷 した.なお,焼入れ焼 もどし試料については,質量効果の影響を極力抑えるため, あ らか じめ引張試験片の標点距離の部分を直径10.5mmに旋削 してか ら熱処理を した.
2‑2試 験
実験に用いた装置をTable2に示す.引張試験は,熱処理後の試験片を所定の寸法に仕上 げた後,オー トグラフDCS‑10Tを用いて,引張速度 5mm/minで試験 した.衝撃試験は, シャル ビ‑型衝撃試験機を用い,‑ソマの振上角 1440の条件で行なった.なお,引張試験 値,衝撃試験値 とも,3本の計測平均値を もってそれぞれの値 とした.硬 さ試験は,引張試 験片の一部を切出して研摩後, ロックウェル硬度計を用いて測定 し,10点の計測値の平均値 を求めた.光学顧徴鏡観察は,硬 さ試験の場合 と同様に引張試験片の一部を切出して試料 と
* 昭和59年12月 日本金属学会北陸信越支部学術講演会において発表
** 機械工学科助手
*** 戟枕工学科教授
原稿受付 昭和60年9月30日
16 長野工業高等専門学校紀要 ･第16号
Table1 CompositionofHypoeutectoidCarbon Steel/wt%
NQ Steel C Si Mn P S Cu Ni Cr 1 Sー5C 0.170.230.400.120.2ー0.170.050.05 2 S20C 0̲200.230.430.290.240.14 0.060.06 3 S25C 0.240.240.400.180.200.150ー060ー09 4 S35C 0̲350.240.700.250.200.160.050.09 5 538C 0̲380.240.690.200.190.14 0.050.07 6 545C 0.470̲250.700.140.180.ー50.070.06 7 S50C 0.530.200.700.180.140.020.020.03 8 555C 0.550.240.690.230.170,150̲050.08
Table2 Equipment
TensHMQChieTneestShimQdzuAutOgrophDCS10T ExtensohletShimqdzUST‑50‑50‑25 TestP'JeCe JISZ2201No.14A
⊂>
I . .. 0
70
lmpQCtT〜pe estChqrpy
MQChine ShirTndzu 30Kgf,m TestPiece JISZ2202 No.3
10x10x55 UNotch HcTLyperdness Rockwell
MQChine AkQShiModeLARK‑A TestPiece ￠18x10
OptMQCicqhilMne. OlympUs ModelBH Etchinq 5?/○̲PicrQt
SEMMQChine JEOLModelT‑200
(q)AnneQting
･BJnlDLad∈31
Time/Hr (b)NormQlizing
丁目¶e/Hr
Fig.1 HeatTreatment
L,バ フ研摩後5%ピクリン酸 アル コール溶液 で腐食 した. 走査電子顕徴鏡観察は,SPEED 法(1)に基づ き, 10%アセチルアセ トン･1%テ
トラメチルアンモニウムクロライ ド･メチルア ル コール混合液を使用 し,電圧0.5Vで 4分間 定電位を保つ ように常時提拝 しなが ら電解エ ッ チングを 行 な い,超音波洗浄後T1200型走査 電子顕敏鏡 に より観察 した.
3.結 果 と 考 察
3‑ 1 焼なま し材の組織 と強度
オーステナイ ト化後,焼 なまし (炉中冷却)した亜共析炭素鋼の組織をPhotolに示す.
同写真において,上段側は光学顕微鏡組織を,下段側は走査電子顕微鏡 (SEM)組織を示 し, また,左側のAとB,中央のCとD及び右側のEとFは, それぞれ S15C,S35C,S55Cの 組織を示す (以下同様). 炭素含有量が高 くなるほ どパーライ トの析 出量は増 えるが, パー ライ ト中のセメンタイ トの層間隔はほぼ一定で約 0.2‑0.4fLで あ る.結晶粒の大 きさは約 17‑22βで粒度8‑ 9に相当す る.焼なましした亜共析鋼の引張強度,破断応力,上降伏応 力及び下降伏応力を Fig.2に示す.炭素含有量に対 し,引張強度 と破断応力はほぼ直線的 に比例す るが, 上及び下降伏応力は飽和する傾向を示す. 真破断応力 とヤング率を Fig.3
舶り川 脱油湖の組 LIJi純 毛と･LlllA柑 ノL 17
Photo･1 M icrostructurcs of a.me山dS15C(A,Jう)S35C (C,D)and SSSC L･7.1･l
carbon stecls.
0oooooooo00ooooooo98765/勺32ー
Dd三fSSaJ7SaJnld⊃∝'tJIBuaJtsa]!sua1
'TenslteStrength oRuptureStress
一′
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‑r RiIf ･AA‑■‑A‑'ia‑
△
UpperYleldSl｢ess LowerYleLdStress (Anneq=ng) 01 0.2 03 Q4 05 06
CorbonContent/wto/｡
Dd三SS呈SPtむ.l^JaきOIPUDLadd⊃80,脚70060｡50｡畑30020｡伽
1600 1500 hZO1400
のU1300
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巴1100
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C'900
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800
700 01 0203040506 CQrbonContent/wt%
Dd9[山.Sつ)⊃PO∑S15U⊃o^
40302010∞90807062222〜111･I
Fig･2 TensileStrength･Ruptul･eStress Fig･3 TrueRupture Stress&Young,S
&Upperand LowerYie一d Stress Modulus
に示す･文破断応 ノJは,炭素含有量にかかわ らずほぼ一定で約1300MPaであ り,破断応プJ の約2‑ 3倍, また,降仙仁ノJの約3‑ 4倍であ る.ヤノダ率は,炭素含有量が増加す ると わずかに上昇す るが,170‑190GPaである･ 降伏点伸び と降tll,点降下 (上降伏応力 と下降 伏応力の差)をFig･ 4に示す･ この場 合は,両方 とも炭素含有丑に反比例す る傾向を示す.
ロックウェル硬 さ,伸び及び絞 りをFig･5に示す.硬 さは,炭素含有量に比例 し,従 って 引張強度に比例す る傾向を示す･一方伸び と絞 りは,炭素含有量に対 し反比例す る傾向を示 す･引張試験における試験片の吸収エネルギ (破断す るまでの荷虚 と伸びの境の撰･分値) と
18
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.
/tuo!1t)6uoIuP一a!^ 32長野工業高等専門学校紀要 ･第16号
Dd∑＼do占Pla!^
Fig.4 YieldElongation&YieldDrop
800
00oooo765rJ^BLau山uO!tdJosqva]!sua1
･TensileAbsorptionEne. oChQrPyImpactEne.
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(Annealing) ､←0､‑
zIUJU･rJ^6JaU山一Ut)dUJZJ(d‑DqU
30020000
CQrbonContent/wt'/. Fig.6▲TensileAbsorptionEnergy
&CIlarpy∫mpactEnergy
000000000210987654TpMOrOiPDIol)筆.S,aupLDHニむ呈,.∝
RodくWellHqrdness Elongqtion ReductionofArecL
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P品.uO!tD6uo
一山8070605040
3020̲O
CqrbonContent/wtY｡
Fig.5 RockwellHardness,Elongation
&ReductionofArea
シャルビー衝撃試駄値を Fig.6に示す.引張 吸収エネルギは,炭素含有量が約0.4wt% の とき最大を示 し, この値 より炭素含有量が増加 または減少すると減少する.シャル ビー衝撃値 は,炭素含有量が低いほど大きな値を示す.引 張吸収エネルギは材料の扱性と関係 し(2), シャ ルビー衝撃値と密接な関連があると言われてい るが,本結果を見る限 り, このような事実は必 ず しもあてはまらないように思われる.
3‑2 焼ならし材の組織と強度
オーステナイ ト化後,焼ならし (空冷) した 亜共析鋼の組織を Phot02に示 す.この場合 も,炭素含有量に比例 してパーライ トの析出畳 が増加 しているが,焼なましした場合より組織 が教組化 している.パーライ ト中のセメソタイ トの屑間隔は, 炭素含有量にかかわらずほぼ一定で約0.1‑0.3′̀で あ る. 結晶粒の大 きさ は約14‑20FLで,粒度8･5‑9.5に相当する. 焼ならしした亜共析鋼の引張強度,破断応九 上降伏応力及び下降伏応力をFig.7に示す.各応力とも,炭素含有量に対 しほぼ比例 して 上昇するが,その傾 きは同 じではな く,引張強度 と破断応力の方が,上及び下降伏応力と比 較 して大きい.また, これ らの強度は,焼なましした場合と比較 して全体的に高い値を示 し, 組織が微細化するはど強度が高 くなることを示 している.なお,下降伏応力については,ホ ール ･ペ ッチの関係(3)により結晶粒径の平方根に反比例すると言われるが,傾向的には一致 す る.真破断応力とヤング率の測定結果を Fig.8に示す.真破断応力は,炭素含有量が約 0･3wt%以上ではほぼ一定で約1300MPaであ り, これ は焼なま し した場合と一致 し,.熱
並^･析LR魂銅の触処J171.削蛾と徴収川 ′li 一一l∀ ‑い十,itJI̲JJII
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PJIOtO･2 Microsい̀ucLurUSOfnor･nalizedS15C (A,B).S35C (C,a)andS55C (lL.l･7 carbon sLccLs.
0ooooo0oo0oooo00oo987654321
Dd三＼SSaJlSaJ⊃ld⊃∝'qt6uaJ一Sal!SUaト
｡TensileStrength oRuptureStress/.
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夢▲ UpperYieldStress A LowerYieldStress
(NormQllZing) 0.1 0.2 Q3 0,4 0.5 06 carbonContent/wto/｡
t'd三[SSaJtSP]al^JaきOIPuDLadd⊃
90｡800700600500400300200Ⅷ L.Jtノん.‑C91‑■‑1
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●TrueRupture Stress oYoung‑ら Modu山S
o/ ‑‑0‑‑‑0‑･oo一一
･O･0 .‑ ･‑ '一
●･●/● /
(NormclHzJng) 0.1 02 03 04 Q5 06
CQrbonContent/vyt%
DdgJ山rSn]nPO∑S.5uno^
25｡240230220210抑別働17016
Fig･7 TensileStrength･RupLureSLreSS Fig･8 TrueRuptureSLl･eSS&Young･S
&Upperand LowerYieldStress Modulus
処理に よる差異は認 め られ な い･ ヤング率は, 炭素含有量に比例 して高 くなるが約190‑
210GPaであ り,焼なましした場合 より約20GPa高い.降伏点伸び と降伏点降下は, Fig.9 に示す ように,炭素含有品に反比例す る傾向を示すが,降伏点伸びは,焼なましした場合 と 比較 してやや大 きいのに対 し,降伏点降 Fは,ほぼ同 じ値を示す.降伏点伸びが大 きい こと は,低炭素鋼の絞 りを行な う場 乱 ス トレッチ ャ ･ス トレーン(4)の原因 となるので注意を要 す る･ ロックウェル硬 さ,伸び及び絞 りをFig･ 10に示す.焼なましした場合 と同様 の傾向
20
2.I.Iuo!tt)Buo)uPta!^
長野工業高等専門学校紀要 ･第16号
CQrbonContent/wt%
Fig.9 YieldElongation&YieldDrop
800
Ⅷ600500r＼･^BJauuuO!ldJoswat!sua1
･TensileAbsorptionEne.
oChQrPyImpcLCtEne.
))
I
t o t
QI 0.20.3 0.4 Q50.6 ccLrbonContent/wt%
･･uJ33/^BJau山"DduJz^dJDq330〜0000
Fig.ll TensileAbsorptionEnergy
&CharpylmpactEnergy
o000o00002‑098765′q
Ti6ピOrOIPBtJ)筆.ssaUPLDHt一aAPO∝
RockweuHQrdness EtongQt'LOn ReductionofArea
〜っ ･< :､､､
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I‑〇･〇一や一一､･ob､
(Normalizing)
Q1 02 03 Q4 0.5 0.6 carbonContentIwt.I.
eJ,[tnJViOUO!T3nP畠.uO!TD6uot山的706050403020100
Fig.10 RockwellHardness,Elongation
&ReductionofArea
を示すが,各値 とも焼なま し した 場合 よ り高 く, このことは,組織が微細化 しているためで ある.引張吸収エネルギとシャル ピー衝撃値を Fig.11に示す. この場合も焼なましした場合 と同様の傾向を示すが,引張吸収エネルギ, シ ャル ビ‑衝撃値 とも,焼なましした場合より高 い値を示す.
3‑3 焼入れ材の組織 と強度
オーステナイ ト化後,水焼入れ した亜共析鋼 の組織を Phot03に示す.同写真に お い て, S15C(A及び B)の場合は,結晶粒界に沿 って フェライ トが析出し,粒内はマルテンサイ ト組 織である. これは,鉄中の炭素の拡散速度が大
きいためフェライ トの析出を生 じた ものである.
S35C(C及びD)の場合は,粒界部にフェライ トの他, トルごまタイ トが析出している.Dの写真の右下側に トルースタイ トのSEM 組織 が観察され る.S55C(E及びF)の場合は,粒界にフェライ トは認め られず,一部 トルース タイ トが析出しているが,全体的にはほぼマルテンサイ ト組織である.DとFには,マルテ ンサイ ト特有の針状組織が観察 される.水焼入れ した ままの亜共析鋼の ロックウェル梗さを Fig.12に示す.硬 さは,炭素含有量に比例 してほぼ一様に増加する傾向を示す.
3‑4焼 もどし材の組織 と強度
オーステナイ ト化後水焼入れ し,さらに600oCで2時間焼 もどしした亜共析炭素鋼の組織 を phot04に示す.S15C (A及びB)の場合は,焼入れ した時の粒界に生 じたフェライ ト は,焼 もどししてもそのまま残 り,マルテンサイ トであった部分は,焼 もどしによって粒状
qi)t･析炭素鋼の熱処理組織と強度矧 'J三
風 ･E･指 節 I
警 :r;きし 些 ; photo.3 MicrostrucLuresofquenchedS15C(A,B),S35C(C,D)andS55C(E,F)
ぐarbonsLeels.
の炭化物 (Fe,C)が生 じている.Bに示す組織 によると,粒界部に生 じた フェライ ト中にも炭 化物の析出が少量認め られ るが,炭化物は一様 に分散 している状態ではな く,また結晶粒界が は っきりしな くなっている.S35C(C及びD)
の場合は,粒界部に/生 じた フェライ トの影響は まだ親 らか残 るが,かな りの粒状炭化物が析Lt'. している.S55C(E及びF)の場合は,全面に 均一に粒状炭化物が析化し, フェライ ト｢flに脱 化物が浮遊 した状態で況令 している. これ らの 組織は,今迄の焼なまし,焼な らし及び焼入れ 組織 とは本質的に興なる構造 と言える.焼入れ 焼 もどしした亜共析成果鋼の引蝦強度,破断応 九 上及び下降伏応 ノコをFig.13に示す.各献
olU00000098765ム32(SMOStPUO1)UUHJSSauP,DエlPきJUO∝
01 02 03 0J▲ 05 06
CorbonContent/wt'/.
Fig.12 RockweuHardnessafter･ Quenching
度 とも炭素含有量に対 して リニアに増加 し,そ
の勾配 もほぼ等 しい.引張強度は,焼なまし及び焼ならしした場令 よりも高 く,逆に,破断 応力は最 も低 くて降伏応力よりも低い ことはきわめて特徴的である.上及び下降伏応力は, 炭素含有量に対 し,焼なましした場合に観察された ような飽和する傾向を示 さず,また,焼 なまし及び焼な らしした場合よりもかな り高い. これは,比較的柔かいフェライ ト中に硬い 炭化物が粒状かつ均一に分散しているため と考え られ,炭化物の析出形態 としては理想的状 態 と言える.真破断応力とヤング率をFig,14に示す. 其破断応力は,炭素含有量が0.4%
長野工紫5..;等耕 一lj学校紀要･約16号
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Photo･4 MicrostructuresofLcmpeL･Cd S15C (A,B),S35C(C.D)a.‑dS55C(r:,F) carbon sleets.
0000000000000o00oo9凸0765′q32‑od三＼SSaL一SaJntdn∝'王5uaJtsal!SUa1
｡TensileStrength oRuptureStress
/ ･ I‑
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'./●■●･( .A,/,脅 ノ
二出 ニ!=/ケ ′
o′
○′
○′
▲UpperYietdStress ALowerYieldStress
( T e m
perm01 Q2 Q3 0.4 Q5 06 CorbonContenHwto/｡
Dd三＼SSJJtSPla!^La麦UIPuDJadd⊃
∞∞∞∞∞∞oo∞00987654321
Fig.13TensileStrength,'̲Rupture Stress& UpperandLowerYie一d Stress
＼ssaJlSaJntdn∝
+,.‑1‑I‑
,,.,J･(,･0( ･0･0‑‑‑0‑‑0‑'0‑
●TrueRuptureStress
｡Young●sModulus (Tempering)
504030222 2010∞90∞7022〜1‑1
01 02 0.3 0.i 05 0.6 160
Dd9[山■S⊃1コPO三S.Fno^
CQrbo,nContentIwto/･
Fig.14Tru eRuptureStress&Young's Modulus
以上ではほぼ一定で 1400MPaを示 し, 焼なましや焼な らしした場合 より約 100MPa高 く, また,引張強度の約2倍に相当す る.ヤt/グ率は,炭素含有量が増加す るほ ど高 くなるが, 約 200‑220GPaである.降伏点伸び と降伏点降下は,Fig.15に示す ように,炭素含有量 が約0.4wt%の点で極小を示す特異な形 とな る. この 原因が, 熱処理条件に よるものか,
または,炭化物の析出形態に基づ く闇有の ものかは今後検討す る予定である.降伏点伸びは,
亜共析炭素鋼の熱処理組織と強度特性
'YieldElongqtion oⅥeldDrop
00900
.),Iuo!1°6uot山P一山⁝>
㌔
(Temper7ng) 0.1 02 Q30.4､q5
Dd三＼do占Plむ!^7060504030･20
ccLrbonContent/wto/｡
Fig.15 YieldElongation&YieldDrop
II
焼なまし及び焼な らしした場合とそれほ ど変わ らないが,降伏点降下はかな り小 さい.ロ ッ ク ウェル硬 さ, 伸び及び絞 り倍 をFig.16に示 す.各値 とも焼なまし及び焼ならしした場合 と 同様な傾向を示す.焼なまし及び焼な らしした 場合 と比較 して,絞 りと硬 さほ高い値を示すが 伸びは逆に一番低い値を示 し,焼ならしした場 合の70‑80%程度である･引張吸収エネルギ阜 シャルビー衝撃値をFig.17に示す.引張吸収 エネルギは,炭素含有量約0.3wt% で極小を 示 し,約0.45wt%で極大を示す特異な傾向を 示 し,焼なまし及び焼な らしした場合 と比較 し て最 も小 さい値を示す. シャルビー衝撃値は, 炭素含有量に対 し一様に 減少 す る傾向 を示す
(iBMOOLP81)筆.ssaupJt)Hnaきち0∝
(Ternpering) +RockwetLHQrdness
.'A′J●′.A●>･く ニ
′
●､･〇､､･へ､､‑o1‑‑0‑lob̲
oELongcLtion
▲ReductionofAreQ 0.1 0.20.3 04 05
｡(.JDaJVIOUO!13コPa∝､uO!t
DBuo
l山807060504030201
23
CQrbonContent/wt./.
Fig.16王RocktwellHardness,Elongation 什 &ReductionofArea
o000oO008765rf^BJau山UO!)dJOSqVal!Sua1 ･gJ33/^BJau3T3DdEZ^dLq330畑∞
CqrbonContent/wt%
Fig.17 TensileAbsorptionEnergy
&CharpylmpactEnergy が,焼なまし及び焼な らしした場合と比較 して
格段に高い値を示す.比較的柔かいフェライ ト中に硬い炭化物が粒状に分散 していると,節 撃強度は大き く改善 され ることを示 している.
4.総 括
機枕構造用炭素鋼 (S15C〜S55C)について,オーステナイ ト化後,焼 な ま し,焼な らし 及び焼入れ焼 もどし熱処理を施 し, これ ら材料の組級,引張強度,衝撃強度及び硬 さ測定を 行ない,組織 と機枕的性質 との関連について実験的に調果 した結果,次のことがわか った.
(1)焼なまし及び焼な らしした場合の組織はフェライ トとパーライ トの混合組織であるが, 焼な らしした場合の組織の方が微細化している.
24 長野工業高等専門学校紀要 ･第16号
(2)焼入れ した場合の組織はマルテンサイ ト組織であるが,低炭素鋼においては粒界にフ ェライ トが生 じ また,中炭素鋼においては粒界にフェライ トと トルースタイ トが生 じ た. 焼 もどしした場合は,マルテンサイ トの部分はフェライ トと粒状炭化物(Fe3C)に 分解 して析出す るが, もともとあった粒界部のフェライ トははばそのまま残 る.
(3)冬熱処理において,引張強度,破断応力,上 !下降伏応力及び硬 さは,炭素含有量に 比例 して上昇 し,伸び,絞 り及び衝撃強度は下降す る.ヤング率 と真破断応力は,炭素 含有量に比例 してわずかに上昇するが,大 きくは変化 しない. また,引張吸収エネルギ は,炭素含有量約0.4‑0.5%のときに最大を示す.
(4)焼なましした場合 と焼ならしした場合の横根的性質を比較す ると,引張強度,破断応 力,其破断応力,上及び下降伏応力,硬 さ,伸び,絞 り,引張吸収エネルギ及び衝撃強 度などの点で,後者の場合が優 る.
(5)焼入れ焼 もどしした場合は,焼なまし及び焼 ならしした場合 と比較 して,引張強度, 真破断応力,上及び下降伏応力,絞 り,衝撃強度,硬 さ等の点で優れているが,伸び とヽ 引張吸収エネルギは劣る. これは,焼 もどし組織特有の柔かいフェライ ト中に硬い炭化
･物が分散 した組織のために生 じていると予想され る.
謝 辞
本研究を実施す るにあた り,終始強力な御指導をいただきました元長野工業高等専門学校 教授片山修一先生に深 く感謝の意を表 します.
文 献
(1) 黒沢文夫,田口勇,谷野満,日本金属学会会報,20(5),p.377(1981). (2)ジョン･ウルフ編,材料科学入門III 機械的性質,p.8 (1967),岩波書店.
(3)須藤‑,田村今男,西沢春二,金属組織学,p.220(1982),丸善.
(4)ガイ,金属学要論,p.282(1964),アグネ.
