風結ぶ言葉たち

重要概念

相図：システムの状態、温度、圧力、成分間の関係を示す図解。

状態：システム内の各相の凝縮状態、相の種類などを指す。

相変：合金中の相が一種類から別の種類に変わる過程。

特別提示

相図は熱力学的平衡の条件下で作成される。相図を測定する最も一般的な方法は熱分析法であり、合金が冷却時に非常に遅い冷却速度を要求し、これにより熱力学的平衡の条件を満たすことができる。そのため、相図は平衡相図とも呼ばれ、平衡図とも呼ばれる。

相図の作用

相図を利用することで、異なる成分の材料が異なる条件下で：

1. 存在する相；
2. 各相の相対量；
3. 成分、温度の変化時に材料中で発生する相変。

二元相図の建立#

熱分析法#

$ Cu-Ni $ 合金を例に

1. 一連の異なる $ Cu-Ni $ 合金を調製する（例：$ 100% Cu、80% Cu-20% Ni、60% Cu-40% Ni、40% Cu-60% Ni、20% Cu-80% Ni、100% Ni $ など 6 つの合金）；
2. 上記の合金の冷却曲線をそれぞれ測定する；

3. 冷却曲線上で合金の各臨界点（合金が凝固を開始する温度点と凝固を終了する温度点）を見つける；
4. 各臨界点を相図の座標平面上にマークする（二元相図の座標平面、横軸は成分、縦軸は温度）；
5. 相図平面上で性質が同じ臨界点をそれぞれ結びつけ、相図を構築する。

二元相図の基本タイプと分析#

二元均晶相図#

均晶反応（転変）#

液相から直接結晶化する固溶体の反応（転変）。 $ L \Rightarrow \alpha $

均晶相図を持つ二元合金系：$Cu-Ni, Au-Ag, Fe-Ni, Cu-Au, Cr-Mo$ など。

レバーの法則：二元合金が二相平衡にあるとき、二つの相の相対量の計算に使用される。

$Q_L=\frac{x_2-x}{x_2-x_1}\times100%$

$Q_\alpha=\frac{x-x_1}{x_2-x_1}\times100%$

枝晶偏析：合金が結晶化する際に通常樹枝状に成長し、幹と枝の成分に差異を生じる現象で、これは枝晶偏析であり、一種の冶金的欠陥である。

処理方法：一般的には鍛造と均一化アニーリング（または拡散アニーリング）によって軽減または除去できる。

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二元共晶相図#

共晶反応（転変）#

液相から同時に二種類の異なる固相が結晶化する反応（転変）。 $ L \Rightarrow \alpha+\beta $

共晶相図#

二組元が無限に互溶し、固体が有限に互溶または完全に不互溶で、冷却時に共晶反応が発生する相図。

共晶相図を持つ二元合金系：$ Pb-Sn, Al-Ag, Al-Si, Pb-Bi など。

二元包晶相図#

包晶反応（転変）#

液相から結晶化した固相と液相が作用し、新しい固相を生成する反応。 $ L+\alpha \Rightarrow \beta $

包晶相図#

二組元が液体中で無限に互溶し、固体が有限に互溶または完全に不互溶で、冷却時に包晶反応が発生する相図。

包晶反応を持つ二元合金系：$ Pt-Ag, Sn-Sb, Cu-Sn, Cu-Zn $ など。

形成安定化合物の二元相図#

安定化合物#

一つの融点を持ち、融点以下でその固有構造を保持し分解しない化合物。

安定化合物を持つ二元合金系：$ Mg-Si, Mn-Si, Fe-P, Cu-Sb $ など。

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共析反応を持つ二元相図#

共析反応（転変）#

一定成分の固相が、一定温度下で同時に二種類の化学成分と構造が完全に異なる新しい固相を析出する反応（転変）。 $ \alpha \Rightarrow \beta_1+\beta_2 $

共析相図と共晶相図は形状が非常に似ているが、発生する反応は全く異なる。共析相図の分析方法は共晶相図に類似している。

鉄炭合金相図#

鉄炭合金：鉄と炭素を基本成分とする合金。

二大類：炭素鋼（$ C% <2.11%$）、鋳鉄（$ C%> 2.11% $）

炭素の鉄炭合金中の存在形式：

1. C が Fe の格子間隙に溶け込んで間隙固溶体（フェライト、オーステナイト）を形成する。
2. C が Fe と作用して化合物（$Fe_3C$）を形成する。
3. 自由状態（グラファイト）で存在する。

鉄炭合金の基本相#

フェライト#

記号：$ \alpha $ または $ F $

定義：炭素が体心立方格子の $ \alpha-Fe $ に溶解して形成された間隙固溶体。

炭素が体心立方格子の $ \delta-Fe $ に溶解して形成された間隙固溶体もフェライトであり、区別のために $ \delta - フェライト $ または高温フェライトと呼ばれる。

性能：強度と硬度が低く、塑性と靭性が高い。

$HB=50-80, \delta = 30-50% $

オーステナイト#

記号：$ \gamma $ または $ A $

定義：炭素が面心立方格子の $ \gamma-Fe $ に溶解して形成された間隙固溶体。

性能：強度と硬度が低く、塑性と靭性が高い。

$HB=170-220, \delta = 30-50% $

フェライトと比較して、オーステナイトはより多くの炭素を溶解でき、強度と硬度が高い。

セメンタイト#

記号：$ C_m $ または $ Fe_3C $

定義：炭素と鉄が相互作用して形成された間隙化合物。

性能：融点が高く、硬度が大きく、脆性が高く、塑性はほぼゼロ。

$HB=800, \delta\approx 0% $

鉄炭合金相図分析#

特徴点#

特徴線#

液、固相線#

ABCD：液相線

AHJECF：固相線

三条水平線#

HJB：包晶線（$1495^\circ C$）

包晶反応：$L_{0.53} +\delta_{0.09} \leftarrow^{1495^\circ C}\rightarrow \gamma_{0.17}$

ECF：共晶線（$1148^\circ C$）

包晶反応：$L_{4.3} \leftarrow^{1148^\circ C}\rightarrow \gamma_{2.11}+Fe_3C$ ，形成レイリー体 ** $ L_d = \gamma_{2.11}+Fe_3C $ **

PSK：共析線（$727^\circ C$）

共析反応：$\gamma_{4.3} \leftarrow^{727^\circ C}\rightarrow \alpha_{0.0218}+Fe_3C$ ，形成パールイト ** $ P = \alpha_{0.0218}+Fe_3C $ **

三条固体転変線#

GS：$\gamma \leftarrow^{加熱}_{冷却} \rightarrow \alpha $ 転変温度線、別名 $ A_3 $ 線

ES：$\gamma \leftarrow^{加熱}{冷却} \rightarrow Fe_3C{II} $ 炭素がオーステナイト（$\gamma$）中の固溶度曲線、別名 $ A_{cm} $ 線

PQ：$\alpha \leftarrow^{加熱}{冷却} \rightarrow Fe_3C{III} $ 炭素がフェライト（$\alpha$）中の固溶度曲線

五種類の異なる形態のセメンタイト

• 一次セメンタイト（$Fe_3C_I$）：液相から析出したセメンタイト。

• 共晶セメンタイト：共晶反応中に生成されたセメンタイト

• 二次セメンタイト（$Fe_3C_{II}$）：オーステナイトから析出したセメンタイト

• 共析セメンタイト：共析反応中に生成されたセメンタイト

• 三次セメンタイト（$Fe_3C_{III}$）：フェライトから析出したセメンタイト

典型的な鉄炭合金の平衡結晶過程分析#

工業純鉄（$ \omega_c=0-0.0218% $）の室温組織：$F+Fe_3C_{III}$

亜共析鋼 （$ \omega_c=0.0218-0.77% $）の室温組織：$F+P$

共析鋼 （$ \omega_c=0.77% $）の室温組織：$P$

過共析鋼 （$ \omega_c=0.77-2.11% $）の室温組織：$P+Fe_3C_{II}$

亜共晶白口鋳鉄 （$ \omega_c=2.11-4.3% $）の室温組織：$P+Fe_3C_{II}+L_d'$

共晶白口鋳鉄 （$ \omega_c=0-4.3% $）の室温組織：$L_d'$

過共晶白口鋳鉄（$ \omega_c=4.3-6.69% $）の室温組織：$Fe_3C_{I}+L_d'$

含炭量が鉄炭合金の組織と性能に与える影響#

1. 含炭量が鉄炭合金の平衡組織に与える影響

   • 相組成物への影響

   鉄炭合金の室温下の相組成物：$ F $ と $ Fe_3C $。

   $ C% $ が上昇するにつれて、$ F $ の相対量が減少し、$ Fe_3C $ の相対量が増加する。

   • 組織組成物への影響

   鉄炭合金の室温下の組織組成物：$ F, Fe_3C_{III}, P, Fe_3C_{II}, L_d', Fe3C_I $。

   $ C% $ が上昇するにつれて、$ F $ の相対量が減少し、$ Fe_3C_I $ の相対量が増加し、他の組織の相対量は特性成分点に達する時に最大値に達する。

2. 含炭量が鉄炭合金の力学性能に与える影響

   フェライト（$ F $）：軟らかく靭性のある相；セメンタイト（$ Fe_3C $）：硬く脆い相。

   • 硬度への影響：$ C% $ が上昇するにつれて、硬度は徐々に増加する。

   • 強度への影響：$ C% $ が上昇するにつれて、強度は最初に増加し、その後減少する。

   • 塑性と靭性への影響：$ C% $ が上昇するにつれて、塑性と靭性は低下する。

3. 含炭量が鉄炭合金の加工性能に与える影響

   • 切削加工性への影響：中炭鋼の切削加工性能が最も良い。

   • 鍛造性への影響：低炭鋼は高炭鋼よりも鍛造性が良い。

   • 鋳造性への影響：共晶点付近の鋳鉄は鋳造性が良い。

   • 溶接性への影響：低炭鋼は高炭鋼よりも溶接性が良い。

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