鉄-炭素状態図

鉄-炭素状態図

状態図は、冶金学における多くの実際的な問題を解決するための合金の研究において非常に重要なツールです。これらの図は、一定の大気圧の条件下で合金系に存在する可能性のある相の安定領域を定義しています。バイナリシステムの場合、これらの図の座標は温度と組成です。合金系の相、温度、組成の相互関係は、通常、平衡状態でのみ状態図で表されます。このような条件は、合金の加熱速度と冷却速度が遅いときに発生しますが、変態の速度論は重要な役割を果たしません。

最も単純な形では、鉄と鋼は鉄（Fe）と炭素（C）の合金です。鉄合金には3つのタイプがあります。これらの合金は、（i）室温で0.0008％未満のC含有量の鉄、（ii）0.008％から2.14％（通常は1％未満）の範囲のC含有量の鋼で構成され、フェライトとセメンタイトからなる微細構造を持っています。 ）、および（iii）C含有量が2.14％から6.7％（通常は4.5％未満）の範囲の鋳鉄。鉄鋼の構成と構造の研究は、鉄-炭素（Fe-C）状態図から始まります（図1）。 Fe-C状態図は、熱処理プロセスを理解するための基礎としても使用されます。

Fe-Cシステムの基本的な機能の多くは、最も複雑な合金の鉄鋼の挙動にも影響を与えます。たとえば、単純な二元Fe-Cシステムに見られる相は複雑な鋼でも存続しますが、合金元素がこれらの相の形成と特性に及ぼす影響を調べる必要があります。 Fe-Cダイアグラムは、普通炭素鋼と合金鋼の両方の知識を構築するための貴重な基盤を提供します。

図1鉄の炭素状態図

Cは、Feの侵入型不純物です。鉄のアルファ、ガンマ、デルタ相を含む固溶体を形成します。アルファ鉄へのCの最大溶解度は、727℃で0.025％です。体心立方（BCC）鉄は、比較的小さな格子間位置を持っています。面心立方（FCC）ガンマ鉄へのCの最大溶解度は、1148℃で2.14％です。FCC鉄は、より大きな格子間位置を持っています。鉄-炭素合金（鉄と鋼）の機械的特性は、それらの微細構造、つまり、さまざまな相がどのように混合されるかに依存します。

図2の鉄-炭素相図は、実際には2つの図、つまり（i）安定した鉄-グラファイト図（赤い線）、（ii）および準安定なFe-Fe3C図を示しています。セメンタイトは準安定状態であり、真の平衡は鉄とグラファイトの間である必要があります（C）。グラファイトは鋳鉄で広く発生しますが、通常、鋼でこの平衡相を得るのは困難です。安定した状態は、通常、特に低温および低炭素の範囲で発達するのに非常に長い時間がかかります。したがって、実際に使用されるほとんどの鋼の挙動に関連するため、一般的に使用される通常の平衡状態図は準安定状態のFe-Fe3C状態図です。

特にFeに富む側での、Fe-Cシステムの安定および準安定状態図の詳細は、同様の複雑さを持つ他のどのバイナリシステムよりもはるかによく知られています。ただし、製鉄に直接関係のない温度、組成、圧力の範囲など、状態図が十分に確立されていない領域がまだかなりあります。

図2安定相と準安定相を示す鉄-炭素図

鉄炭素系にはいくつかの重要な冶金相と微量成分があります。 Fe–Fe3Cシステムでは、炭素はFeの侵入型不純物です。鉄のアルファ（アルファフェライト）、ガンマ（オーステナイト）、デルタ（デルタフェライト）相で固溶体を形成します。これらは、Fe –Fe3C状態図の重要なフェーズです。単相フィールドの間に、フェライトとセメンタイト、オーステナイトとセメンタイト、フェライトとオーステナイトなどの2つの相が混合した領域があります。最高温度では、液相フィールドが見られ、その下には、液体とオーステナイト、液体とセメンタイト、液体とフェライトの2つのフェーズフィールドがあります。鋼の熱処理では、液相は常に避けられます。共晶点（4.26％C）で、冷却中の液体合金は、2相フィールドなしでオーステナイトとセメンタイトに直接変換されます。同様に、共晶点（0.76％C）では、冷却時のオーステナイト相は、2相フィールドなしでフェライトとセメンタイトに直接変換されます。単相フィールドのいくつかの重要な境界には、図の理解を容易にする特別な名前が付けられています。

平衡状態にある鉄鋼の主な相は次の相です。

• フェライトまたはアルファ鉄相–室温で安定した形の鉄です。比較的軟らかい低温相であり、安定した平衡相です。 910℃でFCCオーステナイト（ガンマ相）に変化します。フェライトは鋼の一般的な成分であり、FCC構造よりも密度が低いBCC構造を持っています。それは柔らかく、かなり延性があります。 768℃以下で磁性を帯びています。強度が低く、靭性も良好です。
• オーステナイトまたはガンマ鉄相–オーステナイトは高温相です。これは、FCCアイアンのCの固溶体です。したがって、それは最密構造であるFCC構造を持っています。それは非磁性で延性のある相です。 1394℃でBCCデルタフェライトに変化します。急速に冷却しない限り、共晶温度（727℃）未満では安定しません。オーステナイトは優れた強度と靭性を備えています。
• デルタフェライト相–BCC鉄中のCの固溶体です。 1394℃より高い温度でのみ安定します。1538℃で溶けます。常磁性を持っています。
• セメンタイト–Fe3Cまたは炭化鉄です。これはFeとCの金属間化合物です。複雑な斜方晶構造を持ち、準安定相です。それは硬く、もろい段階です。引張強度が低く、圧縮強度が高く、靭性が低い。 650℃から700℃の温度範囲で（非常にゆっくりと、数年以内に）アルファフェライトとC（グラファイト）に分解します。

オーステナイトとフェライトを比較すると、炭素の溶解度はオーステナイトに多く、1148℃で最大値は2.14％です。このオーステナイトへの炭素の高い溶解度は、オーステナイトでの溶体化処理とそれに続く急速な急冷の場合の熱処理において非常に重要です。室温までは、鉄中の炭素の過飽和固体溶液の形成を可能にします。フェライト相は、727℃で0.025％の最大炭素溶解度で制限されます。一般的な鋼で利用可能な炭素範囲は0.05％から1.5％であるため、フェライトは通常、何らかの形でセメンタイトと結合します。同様に、デルタ相は非常に制限されており、1394℃から1538℃の間の温度範囲にあります/炭素含有量が0.5％に達すると完全に消失します。

共析組成の合金（0.76％C）をゆっくりと冷却すると、パーライトを形成します。パーライトは、アルファフェライトとセメンタイトの2つの相の層状構造です。パーライトはフェライト-セメンタイト相の混合物です。特徴的な外観を持ち、微細構造物または微小成分として扱うことができます。これは、フェライトとセメンタイトの交互のラメラの集合体であり、727℃未満で長時間保持した後、フェライトマトリックスとともに分散したセメンタイト粒子に縮退（球状化または粗大化）します。これは共析であり、BCC構造を持っています。これは、FeとCの部分的に溶解する溶液です。機械的には、パーライトは、柔らかく延性のあるフェライトと硬くて脆いセメンタイトの中間の特性を持っています。高強度、低靭性です。

低共析合金には、共析フェライトとセメンタイトを含む共析パーライトとともに、初析フェライト（共析温度以上で形成）が含まれています。超共析合金には、共析セメンタイトが含まれています（共析フェライトとセメンタイトを含むパーライトとともに、共析温度以上で形成されます。

Fe-Cシステムの非平衡凝固の場合、いくつかの追加のタイプの微細構造を形成することもできます。これらの微細構造のいくつかを以下に示します。

• ベイナイト–パーライトとマルテンサイトの間の相です。それは硬い準安定微小成分であり、非常に微細なスケールのフェライトとセメンタイトの非層状混合物で構成されています。上部ベイナイトは高温で形成され、羽毛状の外観をしています。下部ベイナイトは低温で形成され、針状の外観をしています。ベイナイトの硬度は、その形成温度が下がるにつれて増加します。強度と靭性に優れています。
• マルテンサイト–非常に硬い形の鋼の結晶構造です。ドイツの冶金学者アドルフ・マルテンスにちなんで名付けられました。それは急速な冷却によって形成され、硬くて脆い。これは、炭素がいくらか溶解している体心正方晶（BCT）型の鉄です。これは、オーステナイトの面心立方格子が、セメンタイトとフェライトに含まれる炭素原子を失うことなく、体心正方晶構造に変形する焼入れ中に形成されます。フェライト中のC原子の超飽和溶液です。これは、準安定状態のハードフェーズです。 Cが0.6％未満の場合はラスの形態、Cが1％を超える場合はプレートの形態、およびそれらの混合物があります。強度と硬度が高く、靭性が低いです。
• ソルバイト/トルースタイト–非常に細かいフレークを含む下部パーライト段階の構造は、ソルバイトおよびトルースタイトと呼ばれます。冷却速度の増加に対応するのは、パーライト段階の変態構造です。ただし、フレーク距離に関して、構造比とパーライトの形成が変化します。構造は光学顕微鏡では見ることができません。
• ウィドマンシュテッテンフェライト–亜共析普通炭素鋼が急速に冷却されてA3温度を超える温度になると得られます。冷却が速いため、フェライト結晶が粒界だけでなく大きなオーステナイト粒内でも核形成するために利用できる時間はほとんどありません。それらは、粒子内である好ましい結晶方向に急速に成長し、したがって長くなります。構造は針（ラス）またはプレートの形をしており、1つの粒子内で同じ方向に整列する傾向があります。

Iron-Cダイアグラムには、基本的な観点と実用的な観点の両方から重要な多くの温度と重要なポイントがあります。これらは、冷却中または加熱中に、それらの中で相の変換と磁気が発生するときの温度です。固体状態で変態が発生する温度は、臨界温度または臨界点と呼ばれます。主な温度と臨界点を以下に示します。

• A0温度–加熱時にセメンタイトの磁性から非磁性への変化が発生するキュリー温度です。構造は、転位、欠陥、空孔などの欠陥を発生させる可能性があります。セメンタイトは金属で強磁性であり、キュリー温度は約210℃です。合金化すると、金属溶質が鉄のサイトに置き換わります。ホウ素などの小さな原子が、格子間サイトの炭素に置き換わります。
• A1温度–共析変態が発生する温度（727℃）です。この温度では、パーライトは加熱するとオーステナイトに変化し、その逆も同様です。
• A2温度–フェライトのキュリー温度（768℃）と呼ばれ、加熱すると強磁性フェライトが常磁性に変化します。この温度では、微細構造の変化はありません
• A3温度–これは、亜共析鋼を冷却する際に、オーステナイトからフェライトが形成され始める温度、または加熱時に、遊離フェライトの最後の痕跡がオーステナイトに変化する温度です。したがって、これは亜共析鋼のガンマ+アルファ/ガンマ相境界に対応する温度であり、0％Cの910℃から0.76％Cの727℃に低下するため、鋼の炭素含有量の関数です。 。これは、亜共析鋼の上限臨界温度とも呼ばれます。 A1とA3の温度間隔は、オーステナイトがフェライトと平衡状態で存在する臨界範囲と呼ばれます。
• Acm温度–これは、超共析鋼の温度であり、オーステナイトから（冷却時に）共析セメンタイトが形成され始めます。これは、ガンマ/ガンマ+ Fe3C相境界の温度を表し、炭素の関数です。 Acm線は、低温でのセメンタイトの安定性が高いため、オーステナイトへの炭素の固溶度が1148℃で最大2.14％から727℃で最大0.76％に急速に低下することを示しています。余分な炭素は、超共析鋼のプロ共析セメンタイト（鋳鉄の二次セメンタイトとも呼ばれます）としてオーステナイトから析出します。 （冷却時の）オーステナイトからのセメンタイトの分離も、熱の発生を伴います。
• A4温度–オーステナイトがデルタ鉄に変化する温度です。この温度の最低値は、純鉄の場合の1394℃です。この温度は、炭素パーセントが増加するにつれて上昇します。
• Ms温度–冷却中にオーステナイトからマルテンサイトへの変態が始まる温度です。
• Mf温度–冷却中にマルテンサイトの形成が終了する温度です。マルテンサイトの形成を除くすべての変化は、加熱中よりも冷却中の方が低い温度で発生し、温度の変化率に依存します。

オーステナイト-フェライト変態 –平衡状態では、初析フェライトは、最大0.76％の炭素を含む鉄-炭素合金で形成されます。反応は純鉄では910℃で起こりますが、鉄-炭素合金では910℃から727℃の間で起こります。ただし、オーステナイト状態から共析温度未満の温度に急冷することにより、600℃までの低温までフェライトを形成できます。変態温度が低下すると、形態学的変化が顕著になります。これは通常、亜共析に適用されます。および超共析相。ただし、いずれの場合も、関与する相の正確な結晶学による変動があります。たとえば、同じ原理がオーステナイトからのセメンタイトの形成にも当てはまりますが、形態学的にフェライトとセメンタイトを区別することは難しくありません。

オーステナイト-セメンタイト変態 –セメンタイトにはさまざまな形態があり、徐々に低い変態温度で形成されます。粒界アロトリオモルフの初期発達はフェライトのそれと非常に類似しており、サイドプレートまたはウィドマンシュテッテンセメンタイトの成長は同じパターンに従います。アロトリオモルフは、その内部の結晶対称性を反映していない形状をしています。これは、オーステナイト粒表面で核形成する傾向があり、粒界の輪郭に沿った層を形成するためです。オーステナイトとの配向関係がより複雑であるという事実にもかかわらず、セメンタイトプレートはより厳密に結晶学的な形をしています。フェライトの場合と同様に、ほとんどのサイドプレートは粒界アロトリオモルフに由来しますが、セメンタイト反応では、より多くのサイドプレートがオーステナイトの双晶境界で核形成します。

オーステナイト-パーライト反応 –パーライトは、鉄の炭素状態図で最もよく知られている微細構造です。それは1世紀以上前にSorbyによって発見されました。彼は、それが鉄と炭化鉄の層状混合物であると正しく想定していました。それは多種多様な鋼の非常に一般的な構成要素であり、強度に大きく貢献します。このタイプの層状共析構造は、鋼の冶金学で広く使用されています。これらの構造は、細胞沈殿反応と多くの共通点があります。どちらのタイプの反応も核形成と成長によって発生するため、拡散律速反応が行われます。パーライト核はオーステナイト粒界に発生しますが、それらが初析フェライトとセメンタイトの両方に関連している可能性があることは明らかです。市販の鋼では、パーライトノジュールが介在物上で核形成する可能性があります。