鋼の冶金における過冷却：微細構造の形成と特性の制御
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定義と基本概念
過冷却（アンダークーリングとも呼ばれる）とは、液体または固体相を期待される相変化が起こることなく、その平衡変換温度以下に冷却するプロセスを指します。鋼の冶金において、過冷却は特にオーステナイトや他の高温相をその平衡変換点以下に冷却することを説明し、パーライト、ベイナイト、またはマルテンサイトの形成などの相変化を遅延または抑制します。
基本的に、過冷却は新しい相の核生成と成長を妨げる熱力学的および動力学的障壁から生じます。原子レベルでは、これは相がその熱力学的安定性限界を超えてメタ安定状態を保持することを含み、十分な核生成サイトや活性化障壁を克服するためのエネルギーが欠如していることによって維持されます。このメタ安定性により、冷却速度を制御することで微細構造を操作でき、特定の特性を持つユニークな微細構造的特徴が得られます。
鋼の冶金において、過冷却は相変化を制御することによって、強度や靭性の向上などの機械的特性を持つ微細構造の形成を可能にするため重要です。これは、さまざまな産業用途における鋼の性能を最適化することを目的とした高度な熱処理プロセスや微細構造工学戦略の基礎を形成します。
物理的性質と特性
結晶構造
鋼の過冷却相は主にオーステナイト（γ-Fe）を含み、これは室温で約0.36 nmの格子定数を持つ面心立方（FCC）結晶構造を特徴とします。平衡変換温度以下に冷却されると、オーステナイトはフェライト（α-Fe、BCC構造）、セメンタイト、またはマルテンサイトの核生成が抑制されるため、FCC構造でメタ安定のまま残ることがあります。
過冷却オーステナイトの原子配列はFCC格子を保持しますが、相は熱力学的に不安定になります。オーステナイトと他の相の間の相境界は、格子の不一致の程度や合金元素の存在に応じて、一貫したまたは半一貫した界面によって特徴付けられます。クルジュモフ–ザックスまたは西山–ワッサーマンの関係などの結晶方位関係は、過冷却オーステナイトからマルテンサイトまたはベイナイトへの変換経路を支配することがよくあります。
形態的特徴
過冷却から生じる微細構造は独特の形態的特徴を示します。オーステナイトがマルテンサイト開始温度（Ms）以下に過冷却されると、特有のラズまたはプレート形状のマルテンサイトに変換されます。これらのマルテンサイトプレートは通常、針状またはラズ状で、幅は0.2から2 μm、長さは数ミクロンに達します。
過冷却がベイナイト形成につながる場合、微細構造は針状または羽毛状のフェライトおよびセメンタイト成分として現れ、サイズは一般的に0.5から3 μmの範囲です。これらの相の分布はしばしば細かく均一であり、精緻な微細構造に寄与します。
光学顕微鏡または電子顕微鏡下で観察される視覚的特徴には、特有の双晶または転位構造を持つ高コントラストのラズまたはプレートが含まれます。微細構造の形態は過冷却の程度や冷却速度と直接相関し、硬度や靭性などの特性に影響を与えます。
物理的特性
過冷却微細構造は独自の物理的特性を示します。急冷によって形成されたマルテンサイト微細構造は、高硬度（最大700 HV）、高強度、および重要な残留応力を特徴とします。その密度は親相と同等ですが、格子欠陥や内部応力の存在によってわずかに影響を受けることがあります。
マルテンサイト鋼の電気伝導率は、転位密度と欠陥濃度の増加により、一般的にオーステナイトよりも低くなります。磁気特性も変化し、マルテンサイト鋼はオーステナイトに比べて高い磁気飽和を持つ傾向があります。
熱的には、過冷却マルテンサイトは室温で高い熱安定性を示しますが、内部応力を減少させ、特性を修正する焼戻しを受けることができます。過冷却相と他の微細構造間の物理的特性の違いは、特定の性能特性の基盤となります。
形成メカニズムと動力学
熱力学的基礎
過冷却微細構造の形成は、自由エネルギーの考慮を含む熱力学的原則によって支配されます。平衡変換温度以下の温度では、新しい相（例：マルテンサイト）の自由エネルギーが親相（オーステナイト）の自由エネルギーよりも低くなり、変換が促進されます。
しかし、変換は核生成に関連するエネルギー障壁によって動力学的に妨げられます。体積自由エネルギーの減少と界面エネルギーコストのバランスによって決定される臨界核サイズを超えなければ、変換は進行しません。冷却が核生成障壁を回避するのに十分な速さで行われると、相はメタ安定のまま残り、過冷却が生じます。
相図（例：Fe-C相図）は、平衡境界を示します。過冷却はこれらの境界以下のメタ安定領域を拡張し、平衡相が通常形成される温度でマルテンサイトのような非平衡微細構造の形成を可能にします。
形成動力学
過冷却相の形成の動力学は、核生成と成長メカニズムによって制御されます。核生成は均一（マトリックス全体に均一）または不均一（欠陥、粒界、または包含物で）であることがあります。急冷は原子の移動度を低下させ、安定した核を形成する確率を減少させることによって核生成を抑制します。
新しい相の成長は、原子の拡散と界面の移動性に依存します。マルテンサイト変換は拡散を伴わず、臨界温度に達するとほぼ瞬時に協調的なせん断と格子歪みが発生します。
冷却速度は過冷却の程度に直接影響します。冷却が速いほど、過冷却が増加し、より高い転位密度と内部応力を持つ微細構造が得られます。核生成と成長のための活性化エネルギー障壁は重要なパラメータであり、拡散制御変換の場合の典型的な値は50〜150 kJ/molの範囲です。
影響因子
合金組成は過冷却挙動に大きな影響を与えます。炭素