鉄-炭素平衡状態図徹底解説：平衡、用途、主要相

状態図（相図）とは

状態図（相図）は、温度、圧力、化学組成のさまざまな条件下で合金に存在する相をグラフィカルに表現したものです。

金属合金の凝固は平衡図によって明確に理解できます。これらは温度と濃度の変化による状態変化のグラフィカル表現です。この図は合金の性質と組織、与えられた系における相の量と組成を示すため、組織図または相図とも呼ばれます。

平衡図の特徴と用途

平衡とは、系における一方向のプロセスによる変化が、そのプロセスの逆向きによる変化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、原子移動の動的バランス状態で、結果がゼロと見なされます。

実験作業中の温度または組成の変化率は極めて遅く、温度などの変数が再び変更される前に合金が「休止」状態になるようにされています。したがってこの条件は変化ではなく休止状態です。

平衡図が示すもの：

1. 固体合金が溶け始め、溶け終わる温度。
2. 組成または温度の変更結果として発生する可能性のある相変化。

平衡図が表すもの

この図は、2つ以上の相が平衡状態で共存するための適切な条件を記述します。例えば、水の相図では三重点（水が3つの異なる相で同時に共存できる点）が記述されます。これは凝固点直上（0.01℃）と0.006気圧で発生します。

冶金学における平衡図の用途

• 用途要件に基づく新合金の開発。
• これらの合金の生産。
• これらの新合金の化学的・物理的・機械的特性を改善する適切な熱処理手順の開発と実施。
• これらの新合金の使用中に生じる問題のトラブルシューティング、最終的に製品予測性の向上。

鉄-炭素平衡状態図

鉄-炭素平衡状態図（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）の各微細組織状態をグラフィカルに表現したものです。

鉄-炭素相図は、鋼と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。鋼と鋳鉄はともに鉄と炭素の合金です。さらに両合金は少量の微量元素を含みます。

図はかなり複雑ですが、Fe₃C（セメンタイト）まで、つまり炭素量6.67質量%までに調査を限定します。

鉄-炭素平衡状態図の種類

二元系鉄-炭素平衡状態図は鋼と鋳鉄の基礎です。純鉄からセメンタイト（炭素6.67%）までの組成を持つ合金で起こる変態を扱います。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-セメンタイト系
2. 鉄-グラファイト系

これら2系は冷却速度に依存します。急冷はセメンタイトを生成し、鉄-セメンタイト系と呼ばれます。この系では凝固相で形成される組織が十分完全な平衡に達しないため、準安定系です。一方、徐冷はグラファイトを生成し、鉄-グラファイト系と呼ばれます。凝固相で形成される組織が十分完全な平衡に達するため、安定系です。

鉄-炭素平衡状態図上の鉄系合金の種類

鉄-炭素相図のX軸（質量%炭素）は0%から6.67%までです。炭素量が最大0.008%までの金属は単に鉄または純鉄と呼ばれ、室温ではフェライト状態で存在します。

鋼は炭素含有量0.008〜2.14%の鉄-炭素合金です。この範囲内の鋼種は低炭素鋼（軟鋼）、中炭素鋼、高炭素鋼として知られます。

炭素含有量が2.14%を超えると鋳鉄領域に達します。鋳鉄は極めて硬いですが、その脆さが用途と成形方法を大きく制限します。

鉄-セメンタイト系

異なる炭素含有量の鋼について時間-温度加熱曲線を作成し、対応する変態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-炭素相図として知られます。この図を参照すれば、任意の炭素鋼の適切な焼入れ温度を容易に確認できます。図2.14のPSK線上の変態点をA₁、GS線上のものをA₃、SE線上のものをAcmと表記します。

鉄-炭素平衡状態図の詳細解説

オーステナイト（Austenite）

オーステナイトは、γ（ガンマ）鉄と呼ばれる特定の形態の鉄中における炭素と他成分の固溶体です。例として0.20%炭素鋼を約850℃まで加熱した場合を考えます。Ar₃点（GS線）以上では、この鋼はγ鉄中の炭素の固溶体（間隙型）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。

通常のオーステナイトは1130℃で約2%までの炭素を含有可能です。この鋼を冷却すると、鉄原子がAr₃点（GS線）以下で体心立方格子を形成し始めます。新たに形成されるこの組織はフェライト（α鉄）と呼ばれ、室温で最大0.008%炭素を含むα鉄中の炭素固溶体です。

鋼をAr₁（PSK線）まで冷却すると、さらにフェライトが形成されます。Ar₁線では残存オーステナイトがパーライトと呼ばれる新しい組織に変態します。パーライトの名は真珠光沢に由来します。フェライトとセメンタイトの交互板状層からなり、約87%がフェライトです。パーライトは細〜粗板状または粒状構造を取ります。これは強靭な物質で、切削工具で比較的良く切削可能、つまり鋼中のパーライト成分は被削性が良好です。

共析鋼（Eutectoid Steel）

鋼の炭素含有量が0.20%を超えて増加すると、オーステナイトからフェライトが最初に析出する温度は低下し、約0.80%炭素（点S）ではオーステナイトから遊離フェライトが析出しなくなります。この鋼を共析鋼と呼び、100%パーライト組織となります。

共析点（Eutectoid Point）

共析点とは

前述の通り、いずれの金属においても共析点は固溶体中で変化が起こる最低温度です。

鋼の炭素含有量が共析点（0.8%炭素）より大きい場合、鉄-炭素相図にAcm（S線）で示される新しい線が観察されます。この線はフェライトの代わりにセメンタイト（炭化鉄）がオーステナイトから最初に析出する温度を示します。

炭化鉄（Fe₃C）はセメンタイトとして知られます。極めて硬く脆く、平行板状（板層）、球状粒子（球状化）、パーライト粒を包むエンベロープ状などで現れます。点Cでは4.3%炭素を含む共晶混合物をレデブライトと呼びます。これは徐冷合金ではまれにしか見られず、不安定な性質のため凝固後の冷却中に他の相へ分解するためです。

準共析鋼と過共析鋼

0.80%未満の炭素を含む鋼を準共析鋼、0.8%超の炭素を含む鋼を過共析鋼と呼びます。この用語は平炉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、組織が存在しないこともあります。

まず指摘すべきは、通常の平衡状態図が実際には鉄と炭化鉄（セメンタイト）の間の準安定平衡を表している点です。セメンタイトは準安定で、真の平衡は鉄とグラファイトの間にあるべきです。グラファイトは鋳鉄（2〜4 wt% C）では広範に発生しますが、鋼（0.03〜1.5 wt% C）ではこの平衡相を得るのは通常困難です。したがって、ほとんどの鋼の実用的振る舞いに関連するため、鉄と炭化鉄の間の準安定平衡を考慮すべきです。

鉄-グラファイト系

IRON-GRAPHITE SYSTEM

すでに述べた通り、炭化鉄（セメンタイト）は準安定ですが、通常条件下では無期限に持続しがちです。セメンタイトが分解する場合は以下の反応に従います：

Fe₃C ⟶ 3Fe + C

安定相では、遊離炭素またはグラファイトがセメンタイトと呼ばれる相の代わりに発生します。わずかな過冷却で、鋳鉄が液相から凝固する際にグラファイトが形成されます。徐冷はグラファイト化を促進します。急冷はグラファイト化を部分的または完全に抑制し、セメンタイト形成を導きます。

鉄-グラファイト系（点線）を図2.14に示します。質量ベースで3.5%炭素を含む炭素合金を例として取り上げます。

点1では合金は液相状態。点2の冷却線上では以下の反応が発生します：

（式省略）

点2と3の間では、オーステナイト中の過剰炭素がセメンタイトではなく遊離グラファイトとして析出します。点3では共析変態が発生します。これは以下で表されます：

（式省略）

共析変態のメカニズムは、単一固相を元の組成とは異なる組成を持つ2つの固相に変換しなければなりません。鉄の共析分解を例に取ると、0.8% Cを含むオーステナイトがフェライト（ほぼ炭素を含まない鉄）とセメンタイト（Fe₃C、25 at%炭素）に変化します。したがって炭素原子はFe₃Cを形成するために拡散し、フェライトを残さなければなりません。オーステナイトの結晶粒界にフェライトとセメンタイトの小さな板状核が形成され、界面直前のごく局所的なスケールで炭素拡散が起こります（下図概略）。

こうして板が成長し、オーステナイトを消費しながらパーライトを形成します。グラファイト化プロセスは冷却速度の制御と金属マトリックスの適切な合金化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（Eutectic Point）

いずれの金属においても共析点は固溶体中で変化が起こる最低温度です。（※原文ではEutectic Pointの説明として共析点の定義が重複していますが、本来は液相が2つの固相混合物に凝固する点です）

共晶反応はこれらの点で発生し、液相が2つの固相混合物に凝固します。これは共晶組成の液体合金が共晶温度まで冷却されたときに起こります。

共晶合金はこの点で形成される合金です。この点の左側と右側の合金はそれぞれ準共晶合金と過共晶合金と呼ばれます（「hypo」はギリシャ語で「未満」、「hyper」は「超過」を意味）。

オーステナイト（Austenite）

オーステナイトは、γ（ガンマ）鉄と呼ばれる特定形態の鉄中における炭素と他成分の固溶体です。この相はFCC鉄中の炭素固溶体で、最大溶解度2.14% C。さらに加熱すると1395℃でBCCフェライトに変態。γ-オーステナイトは共晶温度（727℃）以下では不安定（急冷しない限り）。

α鉄またはフェライト（Alpha Iron or Ferrite）

低温・低炭素領域で存在し、α-フェライトはBCC鉄中の炭素固溶体です。この相は室温で安定。グラフでは左端のスリバーとして見え、左側にY軸、右側にA₂線があります。この相は768℃以下で磁性を持ちます。

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

セメンタイト（Cementite）

セメンタイトはこの合金の準安定相で、Fe₃Cの固定組成を持ちます。室温では鉄と炭素（グラファイト）へ極めて遅く分解します。この分解時間は長く、室温での用途寿命よりはるかに長いため実用上問題になりません。高温や特定合金元素添加など他の因子がグラファイト形成を促進し、この分解に影響を与えることがあります。

セメンタイトは硬く脆く、鋼の強化に理想的です。その機械的特性はミクロ組織によって決まり、フェライトとの混合状態で決まります。

鉄-炭素相図に関連するすべての用語、さまざまな相と用語をより良く理解するために網羅しました。鉄-炭素平衡状態図についてのこの記事がお役に立てば幸いです。コメントでフィードバックをお寄せください。