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パーライト変態・マルテンサイト変態：金属材料基礎講座（その95）
1.パーライト変態
炭素鋼や工具鋼においてオーステナイトから温度が低下してフェライト+セメンタイトのパーライト変態を起こすことはとても重要なことです。
図1.パーライト組織の成長過程
パーライト組織の特徴はフェライトとセメンタイトの層状組織です。しかし、この組織がA1変態点を通過した瞬間に出来るわけではありません。パーライト組織にも成長過程があります。
液相から固相に凝固する時と同様にパーライト変態にも核があります。まず初めに結晶粒界からセメンタイトの核が生成し、そこからセメンタイトが成長します(A)。セメンタイトは炭素量が高いので、その周りは炭素量が低くなります。そこでセメンタイトを囲むようにフェライトができます(B)。フェライトは炭素量が少ないので、その周りには再びセメンタイトができます(C)。
これを繰り返しながら層状にフェライトとセメンタイトの析出(パーライト変態)が起こります。そして、すべてのオーステナイトがパーライト組織となって完了します。
2. マルテンサイト変態
マルテンサイト変態とは、鋼をオーステナイト温度まで加熱した状態から急冷(焼入れ)させることによって非常に微細で硬い組織にすることです。
マルテンサイト組織はフェライト、パーライト組織よりも微細な組織になります。マルテンサイト変態を起こすためにはいくつか条件があります。まず、鋼をオーステナイト相にする必要があるため、炭素量2%以下に限られます。また、炭素量が少なすぎてもマルテンサイト変態を起こしづらくなります。
次にオーステナイトの鋼を共析変態点以下に急冷するとマルテンサイト変態を起こしますが、この時の冷却速度が遅いとマルテンサイト変態が起きずに、通常のパーライト組織になります。
マルテンサイト変態によって鋼が硬くなる理由は主に炭素の影響です。
例えば共析鋼を焼入れする場合、炭素量は0.76%です。高温のオーステナイト相ではこの炭素量は全て固溶していますが、低温のフェライト相では炭素の最大固溶量はわずか0.02%程度しかなく、固溶できない炭素の大部分は共析反応でパーライト(フェライトとセメンタイト)になります。この共析反応は時間をかけて炭素の移動(拡散)が行われます。この時に急冷すると、炭素は拡散できずにフェライト相に強制的に取り込まれます(無拡散変態)。これがマルテンサイト組織になります。
次回に続きます。
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