鉄-炭素平衡状態図：鋼と鋳鉄の相変態、微細組織、臨界点を理解する

鉄-炭素平衡状態図

鉄-炭素平衡状態図は、鋼と鋳鉄の異なる相（フェーズ）を理解するために広く用いられます。両者とも鉄と炭素の混合物で、微量元素を含みます。

図は複雑ですが、Fe₃C（セメンタイト）に限定するため、炭素重量比6.67%までに焦点を当てます。

この状態図は、X軸に炭素濃度（重量%）、Y軸に温度をプロットしています。

図に示すFe-C平衡図では、加熱・冷却時の各種構造、相、鋼・鋳鉄の微細組織成分が描かれています。主要構造、各線・臨界点の意義について以下で解説します。

Fe-C図における主要微細組織

鉄鋼の主要微細組織成分は以下の通り：

• オーステナイト（γ相）
• フェライト（α相）
• セメンタイト（Fe₃C）
• パーライト

1. オーステナイト（γ鉄）

ガンマ鉄中に遊離炭素（フェライト）と鉄が固溶した固溶体。鋼を加熱し上部臨界温度超えで構造がオーステナイトへ完全変態。硬く、延性があり、非磁性。大量炭素固溶可能。加熱・冷却時の臨界/変態範囲内に存在。炭素1.8%まで、1130℃で形成。723℃以下冷却でパーライトとフェライトへ変態開始。オーステナイト鋼は通常熱処理で硬化不可、非磁性。

2. フェライト（α鉄）

鉄中に極微量またはゼロの炭素を含む。純鉄結晶の名称で、軟らかく延性がある。低炭素鋼を臨界温度以下で徐冷するとフェライト組織生成。急冷しても硬化しない。非常に軟らかく強磁性。

3. セメンタイト（Fe₃C）

炭素と鉄の化学化合物、炭化鉄。鋳鉄で6.67%炭素なら完全セメンタイト構造。遊離セメンタイトは0.83%以上炭素鋼に存在し、炭素%増加とともに増大（Fe-C図に反映）。極めて硬い。

鋳鉄の硬さと脆さはセメンタイト存在による。引張強度低下。炭素が鉄と定比化合物（炭化鉄）形成し極めて硬くなることで生成。鋳鉄の脆性・硬度は主にセメンタイトにより制御。200℃以下で磁性。

4. パーライト

フェライトとセメンタイトの共晶組織。中・低炭素鋼に特に見られ、フェライト:セメンタイト=87:13の機械的混合物として出現。パーライト比率増大で硬度上昇。

フェライトは軟弱・軟らか・延性、パーライトは比較的強く硬く延性。明暗交互の板状層構造。顕微鏡で真珠光沢に見えるためパーライト命名。硬鋼はパーライト+セメンタイト、軟鋼はフェライト+パーライト混合。

炭素含有量0.2%超で、フェライトがオーステナイトから最初に析出する温度が低下し、0.8%以上では遊離フェライト析出なし。この鋼を共晶鋼（ユーテクトイド鋼）と呼び、組織はパーライト単独。

様々な炭素%（最大6%）鉄を加熱冷却すると、以下の変態線が鉄の構造変化を示す。

変態線の意義

1. 線ABCD（液相線）

この線以上では加熱時に溶解完了。溶融金属は純粋な液相。この線以下かつ線AHJECF以上では固相と液相共存。固相はオーステナイト。線ABCDは溶解完了温度を示す。この線以上で完全溶融。水平線でないため融点は炭素量で変化。

2. 線AHJECF（固相線）

この温度で溶融開始。水平線でないため炭素量で溶融温度変化。この線以下かつ線GSEC以上で固相、オーステナイト構造。

3. 線PSK（A₁線・共晶変態線）

723℃付近の水平線、下部臨界温度線。鋼の変態開始線。炭素%影響なし、異なる炭素%鋼も同温度で変態。この線以上GSE線までを変態範囲と呼ぶ。炭素0.8%までの鋼が加熱時にフェライト+パーライトからオーステナイトへ変態開始する線。

4. 線ECF

1130℃の線。鋳鉄の炭素2〜4.3%範囲で示す。この線以下かつ線SK以上では、鋳鉄はオーステナイト+レデブライト、セメンタイト+レデブライトを持つ。

よくある質問（FAQ）

鉄-炭素図とは？

Fe-C図（鉄-炭素相図/平衡図）は、温度と炭素含有量に応じた鉄-炭素合金（Fe-C）の微細組織状態をグラフィカルに表現したもの。説明には金属構造と純鉄の導入が必要。

鉄-炭素図の読み方は？

なぜ鉄-炭素図を平衡図と呼ぶか？

炭化鉄は準安定相。ゆえに鉄-炭化鉄図は技術的には準安定条件を表すが、比較的緩やかな加熱冷却条件下では平衡変化を表すと見なせる。

鉄-炭素相図の相は？

関心相場：フェライト、セメンタイト、オーステナイト、フェライト+セメンタイト、フェライト+オーステナイト、オーステナイト+セメンタイト相場。

炭素平衡図とは？

鉄-炭素平衡図（鉄-炭素相図とも呼ばれる）は、温度と炭素含有量に応じた鉄-炭素合金（Fe-C）の微細組織状態をグラフィカルに表現したもの。

共晶鋼の炭素%は？

0.8% C含有鋼を共晶鋼（ユーテクトイド鋼）と呼ぶ。室温平衡微細組織はパーライト。

軟鋼（マイルドスチール）とは？

鉄と炭素からなる鉄系金属。低価格で汎用工学用途に適した特性。低炭素軟鋼は高鉄分により良好な磁性、すなわち「強磁性」。

鋼は何でできているか？

鉄と炭素の合金で炭素含有量2%まで（以上なら鋳鉄）。世界インフラ・産業で最も広く用いられ、縫い針から油槽船まで製造される。

鉄-炭化鉄図におけるA₀温度の意義は？

A₁線は共晶温度線、f.c.c.鉄（オーステナイト）が平衡条件下で存在しうる最低温度。A₁線直上では微細組織約25%オーステナイト、75%フェライト。

鉄-炭素図における臨界温度は？

γ+α/γ相境界に対応する温度で、準共晶鋼では炭素含有量の関数。0%Cで910℃から0.76%Cで727℃まで低下。準共晶鋼の上部臨界温度とも呼ばれる。

鉄-炭素図における共晶温度は？

共晶反応は1固相→2異なる固相への相変態。Fe-C系では約0.8wt% C、723℃に共晶点。共晶温度直上の相はオーステナイト（γ）。

鉄-炭素図の重要性は？

鋼と鋳鉄の異なる相を理解するために広く使用。両者は鉄と炭素の混合物で微量元素含有。

炭素はFCCか？

炭素はFCC相（相図上「γ」領域）により溶解度大、BCC相より溶解しやすい。炭素%によりFCC相からの冷却時、α鉄、炭素鋼（パーライト）、鋳鉄の何れが形成されるか決定。

BCCかFCCかどう判別か？

最も直接的差異は原子配列。FCC：8隅+6面中心に原子。BCC：8隅+立方体中心に原子。

鋼はBCCかFCCか？

α相はフェライトと呼ばれる。鋼の常在構成相で、体心立方（BCC）構造【FCCより低充填密度】。

鉄-炭素平衡とは？

平衡条件下、0.8%CまでのFe-C合金に先行フェライト形成。反応は純鉄で910℃、Fe-C合金では910〜723℃間で発生。

鉄-炭素図におけるパーライトとは？

セメンタイトとフェライトの共晶混合物。Fe-Fe₃C相図は真の平衡でない（炭化鉄が不安定相で、長時間熱処理で鉄と黒鉛に分解）。

鉄-炭素図におけるフェライトとは？

α固溶体として知られる。α（BCC）鉄に微量炭素が間隙固溶。最大溶解度723℃で0.025%C、室温で0.008%C。図上最も軟らかい構造。

ほぼ純鉄の相は？

純鉄（α鉄/フェライト）は910℃以上加熱で結晶構造変化、γ鉄（オーステナイト）形成。

なぜACM線はA₃線より急勾配か？

Acm線はA₃線よりはるかに急峻。商用鋼の先行セメンタイト量は極少だが、このセメンタイトを完全溶解・オーステナイト均質化するには非常に高温まで加熱必要。