表7-1 純鉄：C 0.006% 以下 鋼：C 0.006%以 上から2%程度 第六回目 鉄鋼の熱処理の基礎 生命医科学部 医工学科 バイオメカニクス研究室（片山・田中研） IN116N 田中 和人 E-mail: [email protected] 内線: 6408 材料工学Ⅰ Biomechanics Laboratory b．過冷オ－ステナイトの変態と組織 （i）変態点におよぼす冷却速度の影響 変態：平衡状態図の温度（Ae）とは 異なる 過熱（Ac） 過冷（Ar） パ－ライト変態点が低下 マルテンサイト変態（Ms点）：原 子の拡散なし 鉄鋼材料 Biomechanics Laboratory b. マルテンサイト変態 マルテンサイト変態：拡散を伴わないで他の結晶構造へ変化す る変態 鋼の場合：オーステナイト相（fcc）からマルテンサイト相（bccま たはbct）へ変態 マルテンサイト変態の特徴 （1）単相から単相への結晶構造の変化，可逆的 （2）無拡散のせん断機構による変態，組成の変化なし（無拡散変 態) 図1.6 共析炭素鋼の熱膨張曲線に及 ぼす冷却速度の影響 1・3 鉄鋼の熱処理の基礎 Biomechanics Laboratory 4・4 相変態 P.57 Biomechanics Laboratory b．過冷オ－ステナイトの変態と組織 （ii）過冷オ－ステナイトの恒温変態と恒温変態線図 恒温変態（または等温変態）（isothermal transformation）：過冷オ －ステナイトを一定温度に保持した時におこる変態 恒温（または等温）変態線図（isothermal transformation diagram），TTT線図（time－temperature－transformation diagram）：共析炭素鋼をオ－ステナイト状態からAe1点以下の種々 の温度に急冷，その温度に保持して変態の開始時間および終了 時間を測定したもの Ｓ曲線，Ｃ曲線 550℃付近S曲線の鼻（nose） 300℃付近入江（bay） Ms点（共析炭素鋼の場合）220℃ 付近 図1.7 共析炭素鋼の恒温変態線 図（TTT線図） 1・3 鉄鋼の熱処理の基礎 図1.7 共析炭素鋼の恒温変態線 図（TTT線図） Biomechanics Laboratory （iii）オ－ステナイトの連続冷却変態 と連続冷却変態線図 連続冷却変態線図（continuous cooling transformation diagram）， CCT線図：オ－ステナイトを種々 の一定速度で冷却，変態の開始 点と終了点を測定，温度と時間 の関係を図示したもの Psパーライト変態の開始線 Pfパーライト変態の終了線 Msマルテンサイト変態開始温 度 図1.9 共析炭素鋼の連続冷却 連続冷却変態の場合ベイナ 変態線図（CCT線図） イト変態はおこらない （TTT線図も併せて示してある） b．過冷オ－ステナイトの変態と組織 （ii）過冷オ－ステナイトの恒温変態と恒温変態線図 パ－ライト変態： 層状セメンタイト間隔（ラメラ間隔）は 変態温度が低くなるほど小，硬さや強さが上昇，微細パー ライトという ベイナイト（bainite）変態 羽毛状の上部ベイナイト（upper bainite） 針状の下部ベイナイト（lower bainite） Biomechanics Laboratory b．過冷オ－ステナイトの変態と組織 （iii）オ－ステナイトの連続冷却変態と 連続冷却変態線図 冷却曲線（2）（下部臨界冷却速度） より遅く冷却 Ps線でパ－ライト変態 Pf線で完了，全面パ－ライト組織 冷却曲線（4）（上部臨界冷却速度） より速く冷却 オ－ステナイトはMs点まで過冷， マルテンサイト変態を開始，全面 マルテンサイト組織 焼き入れ硬化 冷却速度（3）：パ－ライト+マルテン サイト Biomechanics Laboratory 図1.10 共析炭素鋼の CCT線図の説明図 b．過冷オ－ステナイトの変態と組織 Biomechanics Laboratory 鋼のマルテンサイト Cが過飽和に固溶 転位密度が高い 非常に硬くて強い 固溶C量によって決まる（図1.11） 構造 bccまたはbct（体心正方晶：body centered tetragonal）構造のα‘マ ルテンサイト hcp構造のεマルテンサイト 旧オーステナイト粒界 ラス（lath） パケット（packet）：平行に並んだ（つ まり，同じ晶へき面の）多くのラスの 集団からなる領域 ブロック（block）：同じ晶へき面かつ 同じ結晶方位をもつ（つまり，同じバ リアントの）ラスの集団からなる領域 図1.11 マルテンサイト の硬さとC量の関係 c．鋼のマルテンサイト変態 Biomechanics Laboratory 残留オ－ステナイト（retained austenite） 焼入鋼の硬さが低下，硬さ不足 対策 サブゼロ処理（subzero treatment）または深冷処理：室温以 下の温度に冷却してマルテンサイト変態させる 図1.10 共析炭素鋼の CCT線図の説明図 c．鋼のマルテンサイト変態 図1.13 0.2％C鋼ラスマルテンサイト c．鋼のマルテンサイト変態 Biomechanics Laboratory f．焼もどし（tempering） 焼入れしたマルテンサイト組織：もろい 焼入鋼をA1点以下の適当な温度に加熱して組 織と性質を調整する処理 調質ともいう 図1.19 焼入炭素鋼の焼もどし過程 Biomechanics Laboratory f．焼もどし（tempering） Biomechanics Laboratory 焼なまし（annealing） 加熱してオ－ステナイト，十分な時間 加熱後，炉中にて徐冷 均質化焼なまし（拡散焼なまし） 軟化焼なまし（完全焼なまし） 球状化焼なまし：炭化物（主としてセメ ンタイト）の球状化 • 塑性加工性，被削性の向上，高炭 素鋼（工具鋼など）のじん性向上 ひずみとり焼なまし（応力除去焼なま し） • 鋳造，溶接，塑性加工，焼入れな どによって発生した残留応力を除 去，550～700℃の比較的低温で 焼なまし 焼ならし （normalizing） 粗大で不均一な結晶粒，局部的に 粗大化した炭化物など好ましくない 組織を改善．微細な整粒組織を得て 機械的性質の改善 A3点またはAcm点以上の適当な温 度（通常，A3，Acm以上40～60℃） に加熱して一様なオ－ステナイトに した後空冷 g．鋼の焼なましと焼ならし Biomechanics Laboratory 基本的な強化機構：転位の運動を妨害 （1）転位密度上昇による転位強化（加工強化） （2）結晶粒微細化強化 Hall－Petchの式 σ s = σ 0 + kd − 図1.20 各種焼なまし および焼ならしの温 度とC量の関係 図1.20 各種焼なまし および焼ならしの温 度とC量の関係 1 2 （3）合金元素による固溶強化 強化作用：侵入型元素＞置換型 元素 （4）析出強化および分散強化 マルテンサイト：上記4つを含む Cが過飽和に固溶，高密度の転位，組織が微細，焼もどし時 の析出物 h．鋼の強化法およびじん化法 Biomechanics Laboratory g．鋼の焼なましと焼ならし Biomechanics Laboratory 高じん性化の方策 （1）有害不純物や非金属介在物の除去：鋼中にP，S，H，Oなどの 不純物 （2）結晶粒の微細化：延性－ぜい性遷移温度が低温側 （3）オ－スフォ－ムや制御圧延などの加工熱処理の利用：組織の微 細化 （4）残留オ－ステナイトの利用：強いマルテンサイト地にオ－ステナ イトを少量分散させた組織 （5）変形中のひずみ誘起マルテンサイト変態の利用：準安定オ－ス テナイトを変形すると，応力によってマルテンサイトが生成，大きな 伸び，マルテンサイト変態誘起塑性またはTRIP （Transformationinduced plasticity）現象 （6）力学的じん化：圧縮残留応力による疲労強度上昇 h．鋼の強化法およびじん化法 Biomechanics Laboratory 表7-2 金属材料の熱処理 Biomechanics Laboratory
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