鋼の微細構造における共晶体: 形成、特性と影響

定義と基本概念

用語ユーテクトイドは、鋼および他の合金系における特定の相変態のタイプを指し、冷却時に単一の親相が二つの異なる娘相に変化することを特徴としています。鋼の冶金学において、ユーテクトイド変態は、オーステナイト（γ-Fe、面心立方構造）が、正確な温度であるユーテクトイド温度（通常は727°C）で、フェライト（α-Fe、体心立方）とセメンタイ（Fe₃C、鉄炭化物）の混合物に変化することを含みます。

原子レベルでは、この変態は鉄格子内の炭素原子の再配置によって支配されています。オーステナイトがユーテクトイド温度を下回ると、熱力学的に有利な相が析出し、フェライトとセメンタイの交互のラメラまたはプレートからなる微細構造が形成されます。この微細構造の変化は、自由エネルギーの最小化によって駆動され、相間の化学的自由エネルギー差と相境界に関連する界面エネルギーのバランスを取ります。

鋼におけるユーテクトイド微細構造の重要性は、強度、硬度、延性、靭性などの機械的特性に対する深い影響にあります。ユーテクトイド変態を理解し制御することは、構造部品、工具、自動車部品など、さまざまな産業用途に合わせた特性を持つ鋼を設計する上で基本的です。

物理的性質と特性

結晶構造

ユーテクトイド微細構造は主に、面心立方（FCC）結晶系を持つオーステナイトがフェライトとセメンタイの混合物に変化することを含みます。フェライトは、室温で約2.866 Åの格子定数を持つ体心立方（BCC）構造を採用し、セメンタイ（Fe₃C）は複雑な格子定数を持つ直交晶構造を示します。

変態は協調的せん断メカニズムを介して発生し、FCCオーステナイトがBCCフェライトと直交晶セメンタイのラメラに分解します。親オーステナイトと娘相との間の配向関係は、有名なクルジュモフ–サックスまたは西山–ヴァッサーマンの配向関係に従い、変態中の界面エネルギーを最小化する特定の結晶学的配列を示します。

結晶学的には、ラメラ構造はフェライトとセメンタイの交互の層を示し、界面はしばしば特定の結晶学的平面（FCCの{111}やBCCの{110}など）に沿って整列し、機械的挙動に影響を与えるコヒーレントまたはセミコヒーレントな界面を促進します。

形態的特徴

ユーテクトイド微細構造は、一般にパールライトと呼ばれるフェライトとセメンタイの細かいラメラ混合物として現れます。これらのラメラのサイズ、間隔、および分布は、特性に影響を与える重要なパラメータです。通常、ラメラ間隔は冷却速度や合金組成に応じて0.1から2マイクロメートルの範囲です。

三次元的には、パールライトは交互のプレートまたはロッドのネットワークとして現れ、層状または球状に配置されることがよくあります。光学顕微鏡下では、パールライトは特徴的な暗い帯と明るい帯の外観を示し、セメンタイラメラはその高い密度と異なる光学特性のために暗く見えます。

形態は粗いものから細かいものまで変化し、急冷によって得られる細かいパールライトは強度と硬度を高め、一方で粗いパールライトはより良い延性を提供します。ラメラ内のセメンタイの形状は一般的にラメラ状ですが、特定の熱処理の下で球状の粒子を形成することもあります。

物理的特性

ユーテクトイド微細構造は鋼の物理的特性に大きな影響を与えます。パールライトの密度は約7.85 g/cm³で、純鉄と同様ですが、セメンタイの存在は局所的な密度と硬度を増加させます。

パールライト鋼の電気伝導率は、セメンタイが半導体であるため、純鉄と比較して比較的低いです。磁気特性も影響を受け、パールライトはフェライトと同様の強磁性を示しますが、セメンタイ相は弱い磁性または常磁性です。

熱的には、パールライトは約50-60 W/m·Kの中程度の熱伝導率を持ち、純鉄よりも低く、相境界でのフォノンの散乱によるものです。微細構造の形態と相の分布はこれらの特性に影響を与え、細かいパールライトは一般的に高い強度をもたらしますが、延性は低下します。

マルテンサイトやベイナイトなどの他の微細構造成分と比較して、パールライトは強度と延性のバランスを示し、中程度の硬度と靭性を必要とする用途に適しています。

形成メカニズムと動力学

熱力学的基盤

ユーテクトイド微細構造の形成は、Fe–C相図に記載された相平衡の原則によって支配されています。ユーテクトイド温度（約727°C）では、オーステナイトはフェライトとセメンタイの混合物に対して熱力学的に不安定になります。

オーステナイトとフェライトおよびセメンタイの混合物との間の自由エネルギー差が変態を駆動します。相図は、ユーテクトイド点でのオーステナイトの組成が約0.76 wt%の炭素であり、変態が特定のフェライトとセメンタイの比率を持つ微細構造をもたらすことを示しています。

変態は、炭素の化学的ポテンシャルを低下させ、新しい相を安定化させることによって、全自由エネルギーを最小化します。変態が進行するにつれて相境界が移動します。反応のギブズ自由エネルギー変化（ΔG）は、ユーテクトイド温度以下で負となり、パールライトの形成を促進します。

形成動力学

パールライト形成の動力学は、核生成と成長プロセスを含みます。核生成は、粒界、転位、または既存の相界面で発生し、そこで局所的なエネルギー障壁が低くなります。核が形成されると、拡散制御メカニズムを介して成長し、炭素原子が過飽和のオーステナイトから成長するフェライトとセメンタイのラメラに移動します。

パールライト形成の速度は温度に依存し、ユーテクトイド点付近の高温では原子の移動度が増加するため、変態が速く進行します。冷却速度は重要な役割を果たし、急冷はより小さなラメラを持つ細かいパールライトをも