冷却中の鋼の変態
冷却は熱処理工程に不可欠なステップです。
鋼部品を加熱し、特定の温度に保持して、微細で均一な結晶粒を持つオーステナイトを得た後、冷却を行います。
I. 過冷却オーステナイトの変態生成物と変態プロセス
1. パーライト変態
- 変態条件: 過冷却オーステナイトは、A₁ → 550℃の温度範囲内でパーライト型の構造に変化します。
- 変態生成物: フェライトとセメンタイトが交互に並んだラメラ構造からなる機械的混合物。
- パーライトは、鉄-炭素合金における5つの最も基本的な構造の1つです。文字「P」（「パーライト」から）で示されます。その名前は、真珠のような光沢に由来します。
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分類：ラメラの厚さに基づいて
パーライト（P）
生成温度：A₁ ~ 650℃; 比較的厚いラメラを持つパーライトの一種です。光学顕微鏡下では、フェライトとセメンタイトのラメラ構造が明確に区別でき、ラメラ間隔は約150〜450 nmです。
ソルバイト（S）
生成温度：650〜600℃; 比較的薄いラメラを持ち、厚さは約80〜150 nmです。光学顕微鏡下ではラメラを区別することは困難であり、高倍率の光学顕微鏡（800〜1500倍）下でのみフェライトとセメンタイトのラメラ構造として識別できます。
トロオストライト（T）
生成温度：600〜550℃; 極めて薄いラメラを持ち、厚さは約30〜80 nmです。光学顕微鏡下ではラメラの特徴を全く区別できず、電子顕微鏡下でのみ識別できます。
変態前の焼入れ温度とオーステナイト粒径は、パーライトコロニーのサイズにのみ影響し、ラメラ間隔には影響しません。
パーライト（P）からソルバイト（S）、そしてトロオストライト（T）へと、温度が低いほどラメラ間隔は小さくなり、強度と硬度は高くなります。それらはラメラの細かさと特性のみが異なり、本質的な区別はありません。
加熱中のオーステナイト化プロセスと同様に、冷却中のパーライト変態プロセスも固相での核生成と成長のプロセスです。
同様に、粒界での不規則な原子配列、空孔や転位などのより多くの欠陥により、原子の再配列が容易に起こるため、セメンタイトは最初にオーステナイト粒界で核生成します。
セメンタイトが核生成した後、成長を開始します。成長過程で、セメンタイトの両側のオーステナイトの炭素含有量が減少し、フェライトの核生成を促進します。2つは交互に核生成し、成長し、フェライトとFe₃Cで構成される複数のラメラ構造を形成します。
同時に、核生成と成長も粒界の他の部分で同時に開始し、異なる配向を持つ複数のパーライトコロニーを形成します。
これらのパーライトコロニーは成長し、連続した塊に合体し、最終的に構造全体がパーライトに変化します。したがって、過冷却オーステナイトのパーライトへの変態が完了します。
オーステナイトからパーライトへの変態中に鉄と炭素原子が十分に拡散するため、このプロセスは拡散型変態と呼ばれます。
2. ベイナイト（B）変態
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変態条件: 過冷却オーステナイトは、550℃〜Msの温度範囲内で変態します。 析出鋼の場合、Ms温度は230℃です。
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変態生成物: Fe₃C（セメンタイト）と炭素過飽和フェライトの二相機械的混合物で、文字「B」で示されます。
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1930年、E.S. DavenportとE.C. Bainは、中温等温変態後の鋼の変態生成物の金属組織構造を最初に観察しました。後に、Bainの貢献を称えて、この構造は「ベイナイト」と名付けられました。
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微細構造の形態の違いに基づいて、ベイナイトは以下のように分類できます。
- 上部ベイナイト（B_u）
- 下部ベイナイト（B_l）
上部ベイナイト（B_upper / B_u）
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形態: 羽毛状。
不連続な棒状セメンタイト（Fe₃C）は、オーステナイト粒界から粒内部に成長する平行なフェライトラメラの間に分布しています。
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下部ベイナイト（B_lower / B_l）
形態: 竹の葉状。 微細なフレーク状炭化物（Fe₃C）がフェライト針上に分布しています。
下部ベイナイトの性能特性によって異なります：
下部ベイナイト中の炭化物は微細で均一に分布しています。 高い強度と硬度に加えて、優れた可塑性と靭性も備えており、工業生産で一般的に使用される構造となっています。 下部ベイナイト構造を得ることは、鋼材を強化する方法の1つです。
同じ硬度条件下では、下部ベイナイト構造の耐摩耗性はマルテンサイトよりも著しく優れており、マルテンサイトの1〜3倍に達することがあります。 したがって、鉄鋼材料のマトリックス構造として下部ベイナイトを得ることは、研究者や技術者が追求する目標です。
1）上部ベイナイトの形成プロセス
変態温度が比較的高い場合（550〜350℃）、フェライト核はオーステナイトの低炭素領域に優先的に形成されます。 これらの核は、オーステナイト粒界から粒内部に平行に成長します。 一方、フェライトが成長するにつれて、過剰な炭素原子は周囲のオーステナイトに拡散します。 最終的に、短い棒状または小さなフレーク状のFe₃C（セメンタイト）がフェライトラメラの間に析出し、平行で密なフェライトラメラの間に不連続に分布し、それによって羽毛状の上部ベイナイトが形成されます。
2）下部ベイナイトの形成プロセス
フェライト核は最初にオーステナイトの粒界に形成され、次に特定の結晶面に沿って針状に成長します。 下部ベイナイトの変態温度が比較的低いため、過剰な炭素原子は長距離にわたって拡散できません。 代わりに、フェライト内の特定の結晶面に沿って極めて微細な炭化物（Fe₃C）としてのみ析出できます。 このプロセスにより、竹の葉状の下部ベイナイトが形成されます。
3. マルテンサイト（M）変態
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変態条件: 温度範囲はMs点以下です。
過冷却オーステナイトは、この温度範囲では一定温度で変態することはできません。 代わりに、非常に大きな過冷却度で連続冷却中に変態を受けます。
変態生成物: α-Fe（フェライト）中の炭素の過飽和間隙固溶体で、記号「M」で示されます。
1890年代、マルテンサイトは、ドイツの冶金学者Adolf Martens（1850-1914）によって硬い鉱物で最初に発見されました。 1895年、フランスのF. Osmondは、ドイツの冶金学者A. Martensを称えて、この構造を「マルテンサイト」と名付けました。
マルテンサイトの分類
マルテンサイトの最も一般的なタイプは2つです：
ラメラ状マルテンサイト と
針状マルテンサイト。
形成されるマルテンサイトの種類は、オーステナイト中の炭素含有量によって異なります：
炭素含有量が1.0％より大きい場合、針状マルテンサイトが得られます。 炭素含有量が0.2％未満の場合、ラメラ状マルテンサイトが得られます。 炭素含有量が0.2％と1.0％の間（0.2％< C％< 1.0％）の場合、2つのタイプの混合構造が得られます。
