鋼の変形範囲：微細構造の変化と特性の制御

定義と基本概念

変態範囲、または変態温度範囲は、鋼のオーステナイトが冷却または熱処理中にパーライト、ベイナイト、マルテンサイト、またはその他の相に相変化する特定の温度間隔を指します。これらの範囲は、最終的な微細構造を制御し、結果として鋼の機械的および物理的特性において重要です。

原子レベルでは、変態範囲の基本的な基盤は、異なる相の熱力学的安定性と動力学的経路にあります。相変化は、温度が変化するにつれて自由エネルギーの変化によって駆動され、親オーステナイトマトリックスから新しい相の核生成と成長を引き起こします。関与する相の原子配置と格子構造は変態挙動を決定し、原子拡散がいくつかの変態において重要な役割を果たす一方で、マルテンサイト変態のように拡散のないせん断メカニズムを介して発生するものもあります。

鋼の冶金学において、変態範囲を理解することは、望ましい微細構造を達成するための熱処理プロセスの設計に不可欠です。これらの範囲は、強度、靭性、延性、耐摩耗性などの特性を最適化するために相変化を制御するためのガイドラインとして機能します。これらは、相図の解釈、動力学的モデリング、材料科学における微細構造工学の基本的な要素を形成します。

物理的性質と特性

結晶構造

変態範囲に関与する相は、異なる結晶構造を持っています。オーステナイト（γ-Fe）は、格子定数が約0.36 nmの面心立方（FCC）相であり、高い対称性と原子密度効率が特徴です。冷却中、オーステナイトはパーライトに変態することができ、これは体心立方（BCC）のフェライト（α-Fe）とセメンタイト（Fe₃C、直方晶）の交互の層からなる層状混合物です。また、ベイナイトやマルテンサイトにも変態しますが、それぞれ独自の結晶構造を持っています。

パーライトは、FCCオーステナイトがBCCフェライトとセメンタイトの交互の層に分解する共晶変態を通じて形成されます。ベイナイトは、フェライトとセメンタイトの混合物からなる細い針状または板状の微細構造を持ち、パーライトよりも低い温度で、しかしマルテンサイト開始温度よりは高い温度で形成されます。一方、マルテンサイトは、拡散のないせん断変態を介して形成される過飽和の体心四方晶（BCT）相であり、歪んだBCC格子が特徴です。

結晶方位関係は、特に親オーステナイトと生成相の間の方位を説明するクルジュモフ–ザックスおよび西山–ヴァッサーマン関係が確立されています。これらの関係は、変態した微細構造の形態と特性に影響を与えます。

形態的特徴

変態微細構造は、変態メカニズムと温度範囲に依存する特有の形態を示します。パーライトは、フェライトとセメンタイトの交互の層を持つ層状または板状の構造として現れ、通常は0.5〜2 μmの厚さで、階層的なパターンで配置されています。ラメラは、FCCおよびBCC構造の特定の結晶面に沿って整列することがよくあります。

ベイナイトは、セメンタイト粒子と交互に配置された針状のフェライト板を持つ針状または羽毛状の微細構造として現れます。ベイナイトフェライト板のサイズは0.2〜1 μmの範囲で、冷却速度や合金元素によって分布が制御されることがあります。

マルテンサイトは、しばしば0.1〜1 μmのサイズのラットまたは板状の構造として現れ、光学顕微鏡および電子顕微鏡下で特有の針状またはブロック状の形態を持っています。その高い転位密度と過飽和の炭素は、鋼の組成や変態条件に応じてラットまたは板の形態を持つ独特の外観を与えます。

物理的特性

変態微細構造に関連する物理的特性は大きく異なります。層状構造を持つパーライトは、適度な強度と延性を示し、密度はフェライトに近い（約7.85 g/cm³）です。電気伝導率は比較的高く、非磁性です。

ベイナイトは、強度と靭性の良好なバランスを提供し、密度はパーライトに似ていますが、微細構造の特徴がより細かいため硬度が向上しています。熱伝導率は他の微細構造と同程度で、非磁性のままです。

マルテンサイトは、高硬度（最大700 HV）、高転位密度、および過飽和の炭素によって特徴付けられ、これがその磁気特性に影響を与えます—一般的に強磁性です。密度はフェライトよりもわずかに高く（約7.85 g/cm³）、高い欠陥密度のために電気伝導率は低いです。

他の微細構造と比較して、マルテンサイトの高硬度と強度は延性の低下を伴い、パーライトとベイナイトはさまざまな用途に適したよりバランスの取れた特性を提供します。

形成メカニズムと動力学

熱力学的基盤

変態範囲内の微細構造の形成は、熱力学の原則によって支配されています。相変化の駆動力は、親オーステナイトと生成相の間のギブズ自由エネルギーの差（ΔG）です。温度が低下すると、新しい相の自由エネルギーはオーステナイトのそれよりも低くなり、変態を促進します。

相安定性図、例えばFe–C相図は、特定の相が熱力学的に好まれる温度と組成の範囲を示します。例えば、共晶温度（約727°C）は、オーステナイトがパーライトに分解する境界を示します。ベイナイトは、パーライト開始温度よりも低いがマルテンサイト開始温度よりも高い温度範囲で形成され、自由エネルギーの差と動力学的要因がベイナイト変態を促進します。

相の熱力学的安定性は、合金元素によっても影響を受け、相境界や変態温度を変化させます。Mn、Si、Crのような元素は、特定の相を安定化または不安定化させることによって変態範囲をシフトさせ、微細構造の進化に影響を与えます。

形成動力学

相変化の動力学は、核生成と成長メカニズムに依存します。核生成は、親相内に新しい相の安定した核を形成する