鉄-炭素状態図の理解：冶金学への鍵となる洞察

状態図は、合金研究において冶金学の多くの実用的問題を解決するための極めて重要なツールです。これらの図は、一定大気圧条件下で合金系に存在し得る相の安定領域を定義します。二元系の場合、これらの図の座標は温度と組成です。合金系における相、温度、組成の相互関係は、通常、平衡条件下でのみ状態図によって示されます。このような条件は、合金の緩やかな加熱・冷却時に発生し、変態キネティクスが重要な役割を果たしません。

鉄-炭素系の基礎

最もシンプルな形で、鉄と鋼は鉄（Fe）と炭素（C）の合金です。鉄系合金には3タイプあります：（1）常温でC含有量0.0008%未満の鉄、（2）C含有量0.008〜2.14%（通常1%未満）でフェライトとセメンタイトからなる組織を持つ鋼、（3）C含有量2.14〜6.7%（通常4.5%未満）の鋳鉄。鉄鋼の組織と構造の研究は、鉄-炭素（Fe-C）状態図（図1）から始まります。Fe-C状態図は熱処理プロセス理解の基礎としても使用されます。

図1 鉄-炭素状態図

Fe-C系の多くの基本的特徴は、最も複雑な合金鉄鋼の挙動にも影響を与えます。例えば、単純二元Fe-C系で見られる相は複雑鋼にも存続しますが、合金元素がこれら相の形成と特性に与える影響を検討する必要があります。Fe-C図は、平炭素鋼と合金鋼双方の知識を構築する貴重な基盤を提供します。

図2の鉄-炭素図は実際には2つの図、すなわち（1）安定な鉄-グラファイト図（赤線）、（2）準安定Fe-Fe3C図を示しています。セメンタイトは準安定で、真の平衡は鉄とグラファイト（C）の間にあります。グラファイトは鋳鉄に広く見られますが、鋼ではこの平衡相を得るのは通常困難です。安定状態は特に低温・低炭素域で発現に非常に長い時間を要します。したがって、実際のほとんどの鋼の挙動に関連する準安定Fe-Fe3C図が通常の平衡図として一般的に使用されます。

Fe-C系の安定・準安定状態図の詳細、特にFeリッチ側については、類似の複雑さを持つ他の二元系よりもはるかによく知られています。しかし、鉄鋼製造と直接関係しない温度・組成・圧力範囲など、状態図が十分に確立されていない実質的な領域もまだ存在します。

図2 安定相と準安定相を示す鉄-炭素図

鉄-炭素系の重要な冶金学的相と微細構造

Fe-Fe3C系では、炭素はFe中の間隙不純物です。α（αフェライト）、γ（オーステナイト）、δ（δフェライト）相の鉄と固溶体を形成します。これらはFe-Fe3C状態図における重要な相です。単一相領域の間には、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、2相混合領域が見られます。最高温度では液相領域があり、その下に液相+オーステナイト、液相+セメンタイト、液相+フェライトの2相領域があります。鋼熱処理では液相は常に回避されます。共晶点（4.26%C）では、液相合金が冷却時に2相領域を経ずに直接オーステナイトとセメンタイトに転変します。同様に、共析点（0.76%C）では、オーステナイト相が冷却時に2相領域を経ずに直接フェライトとセメンタイトに転変します。単一相領域のいくつかの重要境界には、図理解を容易にする特別な名称が付けられています。

鉄鋼中の主要平衡相

• フェライトまたはα-鉄相： 常温での安定な鉄の形態。比較的軟らかな低温相で安定平衡相。910℃でFCCオーステナイト（γ相）に転変。フェライトは鋼の一般的構成要素でBCC構造を持ち、FCC構造より疎充填。軟らかく、かなり延性。768℃以下で強磁性。低強度、良好な靭性。
• オーステナイトまたはγ-鉄相： 高温相。FCC鉄中のC固溶体。したがってFCC構造、すなわち密充填構造を持つ。非磁性で延性の相。1394℃でBCC δフェライトに転変。共析温度（727℃）以下では急冷しない限り不安定。良好な強度と靭性。
• δフェライト相： BCC鉄中のC固溶体。1394℃以上の温度でのみ安定。1538℃で融解。常磁性を示す。
• セメンタイト： Fe3Cまたは炭化鉄。FeとCの金属間化合物。複雑な斜方晶構造を持ち、準安定相。硬く脆い相。低引張強度、良好な圧縮強度、低靭性。650〜700℃の温度範囲で（非常に遅く、数年かけて）αフェライトとC（グラファイト）に分解。

オーステナイトとフェライトを比較すると、炭素溶解度はオーステナイトでより大きく、1148℃で最大2.14%です。このオーステナイト中の高い炭素溶解度は熱処理で極めて重要で、オーステナイト中での固溶処理に続いて室温へ急冷することで、鉄中の炭素過飽和固溶体形成を可能にします。フェライト相は727℃で最大0.025%の炭素溶解度に制限されます。一般的鋼の炭素範囲が0.05〜1.5%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共存します。同様に、δ相は1394〜1538℃の温度範囲で非常に制限され、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（0.76%C）合金を緩冷すると、パーライトが形成されます。これはα-フェライトとセメンタイトの2相からなる層状構造です。パーライトはフェライト-セメンタイト相混合物です。特徴的外観を持ち、微細構造エンティティまたは微細構造構成要素として扱えます。交互に重なるフェライトとセメンタイト板状組織の集合体で、727℃以下での長時間保持によりセメンタイト粒子がフェライト母相中に分散した形に変化（球状化または粗大化）します。共析組織でBCC構造。FeとCの部分的固溶体。機械的には、軟らかく延性なフェライトと硬く脆いセメンタイトの中間特性。高強度、低靭性。

準共析合金は、共析温度以上で形成される準共析フェライト（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共存）を持ちます。過共析合金は、共析温度以上で形成される準共析セメンタイト（共析フェライトとセメンタイトを含むパーライトと共存）を持ちます。

Fe-C系の非平衡凝固では、追加の微細構造タイプも形成され得ます。そ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。硬い準安定微細構造成分で、極めて微細なスケールでフェライトとセメンタイトの非板状混合物からなる。上部ベイナイトは高温で形成され羽毛状外観。下部ベイナイトは低温で形成され針状外観。ベイナイト硬度は形成温度低下とともに増大。良好な強度と靭性。
• マルテンサイト： 非常に硬い鋼結晶構造。ドイツ冶金学者アドルフ・マルテンスに因む。急冷で形成され、硬く脆い。体心正方晶（BCT）鉄で、一部炭素が固溶。焼入れ時に、オーステナイトの面心立方格子が、含有炭素原子をセメンタイトとフェライトに放出せずに体心正方構造へ歪むことで形成。フェライト中のC原子過飽和固溶体。硬い準安定相。C 0.6%未満でラース形態、1%以上でプレート形態、その間で混合。高強度・高硬度、低靭性。
• ソルバイト/トロオスタイト： 非常に微細な片状を持つ下部パーライト段階構造をソルバイトとトロオスタイトと呼ぶ。パーライト段階の転変構造で、冷却速度増大に対応。しかし片間距離に関するパーライト構造比と形成を変化させる。光学顕微鏡では構造観察不可。
• ビドマンシュテッテン・フェライト： 準共析平炭素鋼をA3温度以上から急冷すると得られる。急冷により、フェライト結晶が結晶粒界上だけでなく、大きなオーステナイト粒内部にも核生成する時間がほとんどない。それらは粒内部の優先結晶方向へ急速に成長し、長針状になる。構造は針状（ラース）または板状で、1粒内で同一方向に整列する傾向がある。

鉄-炭素図の重要温度と臨界点

鉄-炭素図には、基礎的・実用的観点の双方から重要な多数の温度と臨界点があります。これらは冷却または加熱時に、相転変と磁気転変がそれらで起こる温度です。固体状態で転変が起こる温度を臨界温度、または臨界点と呼びます。主要温度と臨界点は以下の通りです。

• A0温度： セメンタイトの磁性→非磁性変化が加熱時に起こるキュリー温度。構造は転位、欠陥、空孔などの欠陥を発生可能。セメンタイトは金属性で約210℃のキュリー温度を持つ強磁性体。合金化時、金属溶質が鉄サイトに置換；ホウ素など小原子が間隙サイトで炭素置換。
• A1温度： 共析転変が起こる温度（727℃）。この温度でパーライトが加熱でオーステナイトに、冷却で逆転変。
• A2温度： フェライトのキュリー温度（768℃）と呼ばれ、加熱で強磁性フェライトが常磁性に変化。この温度では微細構造変化は伴わない。
• A3温度： 準共析鋼冷却時にフェライトがオーステナイトから形成し始める温度、または加熱時に遊離フェライト最終痕跡がオーステナイトに変化する温度。したがって、準共析鋼のγ+α/γ相境界に対応する温度で、鋼炭素含有量の関数として、0%Cで910℃から0.76%Cで727℃まで減少。準共析鋼の上部臨界温度とも呼ばれる。A1とA3温度間の温度区間は、オーステナイトがフェライトと平衡共存する臨界範囲と呼ばれる。
• Acm温度： 過共析鋼で、冷却時に準共析セメンタイトがオーステナイトから形成し始める温度。γ/γ+Fe3C相境界温度を表し、炭素の関数。Acm線は、オーステナイト中の炭素固溶度が最大2.14%（1148℃）から最大0.76%（727℃）まで非常に急速に減少することを示し、これは低温でセメンタイト安定性が高まるため。余剰炭素は過共析鋼で（鋳鉄では第二次セメンタイトとも呼ばれる）準共析セメンタイトとしてオーステナイトから析出。オーステナイトからのセメンタイト分離（冷却時）は放熱を伴う。
• A4温度： オーステナイトがδ鉄に転変する温度。この温度の最低値は純鉄で1394℃。炭素%増加とともに上昇。
• Ms温度： 冷却時にオーステナイトからマルテンサイトへの転変が開始する温度。
• Mf温度： 冷却時にマルテンサイト形成が完了する温度。マルテンサイト形成以外のすべての変化は、冷却時の方が加熱時より低温で起こり、温度変化速度に依存。

オーステナイト-フェライト転変

平衡条件下では、0.76%Cまでの炭素含有Fe-C合金に準共析フェライトが形成されます。反応は純鉄で910℃で起こりますが、Fe-C合金では910〜727℃の間で進行します。しかし、オーステナイト状態から共析温度以下の温度へ焼入れすることで、フェライトを600℃までの低温で形成可能です。転変温度低下に伴い顕著な形態変化が生じ、一般的に準共析相と過共析相の双方に適用されますが、各ケースで関与する相の正確な結晶学により変動があります。例えば、同じ原理がオーステナイトからのセメンタイト形成にも適用されますが、フェライトとセメンタイトを形態的に区別するのは困難ではありません。

オーステナイト-セメンタイト転変

段階的に低い転変温度で形成されるセメンタイトには異なる形態があります。初期の結晶粒界アロトリオモルフ発達はフェライトと非常に似ており、サイドプレートまたはビドマンシュテッテン・セメンタイトの成長も同じパターンに従います。アロトリオモルフは内部結晶対称性を反映しない形状を持ちます。これはオーステナイト粒表面で核生成しやすく、結晶粒界輪郭に沿った層を形成するためです。セメンタイトプレートは、オーステナイトとの配向関係がより複雑であるにもかかわらず、より厳密に結晶学的形態を持ちます。フェライトの場合と同様、ほとんどのサイドプレートは粒界アロトリオモルフから発生しますが、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生成します。

オーステナイト-パーライト反応

パーライトは鉄-炭素状態図で最も馴染み深い微細構造です。1世紀以上前にソービーが発見し、鉄と炭化鉄の板状混合物と正しく推測しました。幅広い鋼の非常に一般的な構成要素で、強度に大きく寄与します。このタイプの板状共析構造は鋼冶金学で広く見られます。これら構造はセルラー析出反応と多くの共通点を持ちます。両反応タイプとも核生成と成長によって進行し、したがって拡散制御されます。パーライト核はオーステナイト結晶粒界上で発生しますが、準共析フェライトとセメンタイトの両方とも関連付けられることが明らかです。市販鋼では、パーライト結節が介在物上で核生成することがあります。