説明付きの鉄炭素平衡図[状態図]

この記事では、鉄炭素平衡状態図について説明します。 、平衡状態図の使用、鉄炭素状態図の種類、および鉄炭素状態図に関連するさまざまな相と用語。

状態図とは何ですか？

状態図 は、さまざまな温度、圧力、および化学組成条件下で合金に存在する相をグラフで表したものです。

金属合金の凝固は、平衡状態図によって明確に理解されます。これらは、温度と濃度の変化による状態の変化をグラフで表したものです。この図は、合金の性質と構成、および特定のシステムの相の量と組成を示しているため、構成図または状態図とも呼ばれます。

平衡状態図の特性と用途

均衡 一方向に進行するプロセスの結果としてシステムで発生する変更は、システム内のプロセスの逆転による変更によって完全に補償されることを意味します。したがって、それは、結果がゼロである原子運動間のバランスの動的条件と見なされます。

実験作業中、温度または組成の変化の速度は非常に遅いため、温度などの変数が再び変化する前に合金は「静止」します。したがって、状態は変化ではなく休息の1つです。

平衡状態図は次のことを示しています：

1。 固体合金が溶融を開始し、溶融を終了する温度。

2。 組成または温度を変更した結果として発生する可能性のある相変化。

平衡状態図は何を表しますか？

この図は、2つ以上の相が平衡状態で存在するための適切な条件を示しています。たとえば、水相図は、水が3つの異なる相で同時に共存できるポイント（三重点）を示しています。これは、氷点下（0.01°C）および0.006気圧のすぐ上で発生します。

冶金における平衡状態図の使用

• アプリケーション要件に基づいた新しい合金の開発。
• これらの合金の製造。
• これらの新しい合金の化学的、物理的、および機械的特性を改善するための適切な熱処理手順の開発と実装。
• これらの新しい合金の使用中に発生するトラブルシューティングの問題により、最終的に製品の予測可能性が向上します。

鉄炭素平衡状態図

鉄の炭素平衡状態図 （鉄炭素相図とも呼ばれます）は、温度と炭素含有量に応じた合金鉄-炭素（Fe-C）のそれぞれの微細構造状態のグラフィック表現です。

鉄炭素状態図 鋼や鋳鉄のさまざまな相を完全に理解するために一般的に使用されます。鋼と鋳鉄は両方とも鉄と炭素の合金です。また、どちらの合金にも微量元素が含まれています。

グラフは非常に複雑ですが、調査対象をFe3Cに限定しているため、最大6.67重量パーセントの炭素のみを調べます。

鉄炭素平衡状態図の種類

二元鉄炭素平衡状態図は、鋼と鋳鉄の基礎です。これは、純鉄からセメンタイト（6.67パーセントの炭素）までの組成を持つ合金で発生する変態に関するものです。鉄炭素平衡状態図には2つのバージョンがあります。

1。 鉄-セメンタイトシステム。 2。 鉄-グラファイトシステム。

これらの2つのシステムは、冷却速度に依存します。急速冷却によりセメンタイトが生成され、このシステムは鉄-セメンタイトシステムとして知られています。 。このシステムでは、凝固相で形成された構造は十分に完全な平衡に達していません。したがって、鉄-セメンタイトシステムは準安定 1つ。

ゆっくりと冷却するとグラファイトが生成され、このシステムは鉄-グラファイトシステムとして知られています 。凝固相で形成される構造は、十分に完全な平衡に達します。つまり、これは安定した 1。

鉄炭素平衡状態図上の鉄合金の種類

鉄炭素状態図のX軸の重量パーセントスケール 範囲は0％ 〜 6.67％ 炭素。この金属は、最大炭素含有量が 0.008 になるまで、単に鉄または純鉄と呼ばれます。 炭素のパーセント重量。室温では、フェライトに存在します 州。

鋼 は、炭素含有量が0.008から2.14の範囲の鉄炭素合金です。 パーセント。この範囲内の鋼種は、低炭素鋼として知られています。 （または軟鋼）、中炭素鋼 、および高炭素鋼 。

炭素含有量が2.14を超える場合 パーセント、鋳鉄に到達します ステージ。鋳鉄は非常に硬いですが、その脆さはその用途と成形方法を厳しく制限します。

鉄-セメンタイトシステム

炭素含有量の異なる鋼に対して一連の時間-温度加熱曲線を作成し、対応する臨界点をプロットすると、図2.14のような図が得られます。この図は、徐冷条件下でのみ適用され、部分的な鉄炭素状態図として知られています。 。この図を参照することにより、任意の炭素鋼の適切な焼入れ温度を容易に観察できます。PSK線上の図2.14の臨界点は、A1で示され、GS線上の臨界点はA3で示され、SE線の臨界点はAcmで示されます。 P>

説明付きの鉄炭素平衡状態図

オーステナイト

オーステナイト 、γ（ガンマ）鉄として知られる特定の形態の鉄中の炭素および他の成分の固溶体。約850°Cの温度に加熱された0.20パーセントの炭素鋼の例を見てみましょう。 Ar3の上、ポイント（GSライン）この鋼はガンマ鉄中の炭素の固溶体（侵入型）であり、オーステナイトと呼ばれます。 。面心立方格子を持ち、非磁性です。

普通のオーステナイトは、1130°Cの温度で最大約2パーセントの炭素を含む可能性があります。この鋼を冷却すると、鉄原子は点Ar3（GS線）の下で体心立方格子を形成し始めます。形成されているこの新しい構造は、フェライトまたはアルファ鉄と呼ばれます。 室温で最大0.008パーセントの炭素を含むアルファ鉄中の炭素の固溶体です。

鋼がAr1（PSKライン）に冷却されると、追加のフェライトが形成されます。 Arıラインでは、残ったオーステナイトがパーライトと呼ばれる新しい構造に変化します。 。パーライトという名前は、その真珠のような光沢に由来しています。フェライトとセメンタイトの交互のプレートで構成され、約87％のフェライトが含まれています。パーライトは、微細から粗いラメラ構造または粒状構造のいずれかです。これは強力な物質であり、切削工具で適度に切断できます。つまり、鋼のパーライト成分は機械加工可能です。

共析鋼

鋼の炭素含有量が0.20％を超えると、フェライトがオーステナイトから最初に排除される温度は低下し、炭素が約0.80％（ポイントS）になると、遊離フェライトがオーステナイトから排除されなくなります。この鋼は共析鋼と呼ばれます 100％パーライト 。

共晶ポイント

共晶点とは何ですか？

共晶点 先に述べたように、どの金属でも、固溶体で変化が起こる最低温度です。

鋼の炭素含有量が共析（0.8％炭素）より大きい場合、Acm（S線）で示される鉄の炭素状態図に新しい線が観察されます。この線は、炭化鉄がフェライトではなくオーステナイトから最初に排除される温度を示しています。

炭化鉄（Fe3C）はセメンタイトとして知られています 。それは非常に硬く、もろく、平行板（ラメラ層）、丸みを帯びた粒子（回転楕円体）、またはパーライト粒子の周りのエンベロープとして現れます。ポイントCでは、4.3％の炭素を含む共晶混合物はレーデブライトとして知られています。 。これは、凝固後の冷却中に不安定な性質のために他の相に分解するため、ゆっくりと冷却される合金ではめったに見られません。

HypoeutectoidおよびHypereutectoid

炭素含有量が0.80％未満の鋼は、亜共析と呼ばれます。 また、0.8％を超える炭素を含むものは、過共析と呼ばれます。 鋼。この用語は、普通鋼と低合金鋼にのみ適用されます。高合金鋼では、共析組成が変化し、構造が存在しない場合もあります。

最初に、通常の平衡状態図は、鉄と炭化鉄（セメンタイト）の間の準安定平衡を実際に表していることを指摘しておく必要があります。セメンタイトは準安定であり、真の平衡は鉄とグラファイトの間でなければなりません。

グラファイトは鋳鉄（2〜4 wt％C）で広範囲に発生しますが、通常、鋼（0.03〜1.5 wt％C）でこの平衡相を得るのは困難です。したがって、鉄と炭化鉄の間の準安定平衡を考慮する必要があります。これは、実際のほとんどの鋼の挙動に関連しているためです。

鉄グラファイトシステム

鉄-グラファイトシステム

鉄カーバイドまたはセメンタイトは準安定状態であるとすでに言われていますが、通常の状態では無期限に持続する傾向があります。セメンタイトが分解するとき、それは反応に従って分解します：

Fe3C <——–> 3Fe + C

安定期では、遊離炭素またはグラファイト セメンタイトとして知られるフェーズの代わりに発生します 。過冷却度が低いと、鋳鉄が液体状態から固化するときにグラファイトが形成されます。ゆっくりと冷却すると、黒鉛化が促進されます 。急速冷却は部分的または完全に黒鉛化を抑制し、セメンタイトの形成につながります。

鉄-黒鉛系（点線）を図2.14に示します。実例として、3.5重量パーセントの炭素を含む炭素合金の場合を取り上げます。

ポイント1では、合金は液体状態です。冷却ラインのポイント2で発生する反応は、次のように表すことができます。

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>ポイント2と3の間で、オーステナイト中の過剰な炭素は、セメンタイトとしてではなく、遊離グラファイトとして沈殿します。ポイント3で、共析反応が発生します。これは次のように表されます。

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共析変換のメカニズムは、単一の固相を他の2つの固相に変換する必要があり、どちらも元の固相とは異なる組成になっています。

鉄の共析分解を例にとると、0.8％のCを含むオーステナイトはフェライト（ほとんど炭素を含まない鉄）とセメンタイト（Fe3C、25at％の炭素を含む）に変化します。したがって、炭素原子は一緒に拡散してFe3Cを形成し、フェライトを残す必要があります。オーステナイトの粒界にフェライトとセメンタイトの小板の核が形成され、炭素の拡散は界面のすぐ前の非常に局所的なスケールで起こります（下の概略図）。

したがって、プレートは成長し、オーステナイトを消費してパーライトを形成します。黒鉛化のプロセスは、冷却速度を変化させ、金属マトリックスを適切に合金化することによって制御されます。

鉄炭素平衡状態図で使用される用語

共晶点

金属の共晶点は、固溶体で変化が起こる最低温度です。

共晶反応は、液相が凍結して2つの固相の混合物になるこれらのポイントで発生します。これは、共晶組成の液体合金がその共晶温度まで完全に冷却されたときに発生します。

共晶合金は、この時点で形成される合金です。この点の左側と右側の合金は、亜共晶合金および過共晶合金として知られています（ギリシャ語で「hypo」はより小さいことを意味し、「hyper」はより大きいことを意味します）。

オーステナイト

オーステナイト、γ（ガンマ）鉄として知られる特定の形態の鉄中の炭素およびその他の成分の固溶体。

この相は、FCC Fe中の炭素の固溶体であり、最大溶解度は2.14％Cです。さらに加熱すると、1395°CでBCCフェライトに変換されます。 γ-オーステナイトは、急速に冷却されない限り、共晶温度（727°C）未満の温度では不安定です。

アルファ鉄またはフェライト

低温および低炭素含有量で存在するα-フェライトは、BCCFe中の炭素の固溶体です。この相は室温で安定しています。グラフでは、左端にスライバーがあり、左側にY軸、右側にA2があります。この相は768°C以下で磁性を帯びています。

最大炭素含有量は0.022％で、グラフに示すように912°Cでγ-オーステナイトに変態します。

セメンタイト

Fe3Cの組成が固定されたこの合金の準安定相であるセメンタイトは、この合金の準安定相です。室温では、鉄と炭素（グラファイト）に非常にゆっくりと分解します。

この分解時間は長く、室温でのアプリケーションの耐用年数よりもはるかに長くかかります。高温や特定の合金元素の添加などの他の要因は、グラファイトの形成を促進することによってこの分解に影響を与える可能性があります。

セメンタイトは硬くて脆いため、鉄筋に最適です。その機械的特性は、フェライトとの混合方法によって決まる微細構造によって決まります。

鉄の炭素状態図に関連するすべての用語を網羅するように努めました。これには、さまざまな相とその中で使用される用語が含まれ、よりよく理解できるようになっています。 鉄炭素の平衡状態図に関するこの記事が気に入っていただけたでしょうか。 。以下のコメントでフィードバックをお寄せください。