オーステナイト鋼、フェライト鋼、セメンタイト鋼、マルテンサイト鋼の結晶構造を探る

自然界に存在する固体は、結晶質と非晶質という2つのカテゴリーに分類できる。

結晶とは、結晶化の過程を経て形成された規則正しい幾何学的形状を持つ固体のことである。結晶の中では、原子や分子が一定の規則に従って空間内に周期的に繰り返し配置されている。

一方、非晶質固体は、原子や分子が周期性や対称性を持たずに不規則に配列した結晶に相当する。ガラスは非晶質固体の一例である。

固体の金属や合金は、そのほとんどが結晶である。金属や合金の結晶構造は、その物理的、化学的、機械的特性を決定する基本的な要因の一つである。

鉄と鋼は、鉄と炭素を基本元素とする合金系である。

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Fe-C系では 炭素含有量 が0.02%未満の場合は純鉄に分類される。炭素含有量が2.0%を超える場合は銑鉄と呼ばれ、この2つの限界の間の範囲は鋼鉄に分類される。

純鉄（錬鉄）は4つの結晶構造で特徴づけられる：このうちα、β、δの3つは立方晶の中心構造を示し、4つ目のcは立方晶の面中心構造を持つ。

純粋な鉄は1538 ℃で結晶化し、δ-鉄と呼ばれる立方晶の面心構造を形成する。1394 ℃まで冷却すると、γ-鉄と呼ばれる立方体の面心構造に変化する。さらに912℃まで冷却すると、α-鉄と呼ばれる立方晶の面心構造が形成される。

鉄鋼には主に4つの段階がある： オーステナイトフェライト、セメンタイト、マルテンサイト。

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(a) オーステナイト

オーステナイト は、γ-Fe中の炭素格子間化合物である。Fe原子とC原子の比率は27:1であり、立方体面中心のセル6～7個に1個だけC原子が存在することになる。γ-Feに溶解している炭素の濃度は、1148℃で2.11%、727℃で0.77%である。

オーステナイトの特徴は、次のとおりである。 強度と硬度 はフェライトに比べ高く、塑性と靭性は優れている。さらに、その結晶粒は多角形であり、粒界はフェライトよりも直線的である。

(b) フェライト

フェライトはα-Fe中の炭素の固溶体で、炭素含有量は約0.02%と純鉄に近い。

フェライトは、低強度、低硬度、良好な塑性と靭性など、純鉄に類似した特性を持っている。その微細構造は、明るい多角形の結晶粒が特徴である。

(c) セメンタイト

セメンタイトは、鉄と炭素が3：1の割合で結合した化合物で、Feと呼ばれる。₃C.直交結晶系に属し、複雑な結晶構造を持つ。セメンタイトの各セルは、12個のFe原子と4個のC原子で構成されている。

セメンタイトの特徴としては、硬度が高く、塑性に乏しく、靭性に富む。δとAkkの値はゼロに近く、非常に脆い。

(d) マルテンサイト

オーステナイト鋼は、150℃以下の温度に急冷されると、次のように変化する。 マルテンサイトこれは非常に硬い。マルテンサイトは、α-Fe中の1.6%炭素からなる過飽和固溶体と考えることができ、正方晶の結晶構造を持つ。

マルテンサイトには、高炭素マルテンサイト（ラスマルテンサイト）と低炭素マルテンサイト（ラメラマルテンサイト）の2種類がある。

マルテンサイトの特徴は、硬くて脆く、靭性に乏しいことである。 内部応力そして割れやすい。

4つの相の安定性は様々である。フェライトとセメンタイトは室温で安定した結晶形であるが、オーステナイトは高温で安定する。

炭素鋼を焼入れすると、主に不安定な結晶形態であるマルテンサイトが得られる。Mn、Ni、Crなどの組成が異なる合金鋼は、目的に応じて製造することができる。

ステンレス鋼業界の非研究者は、主にオーステナイト、フェライト、マルテンサイトにさらされ、セメンタイトに遭遇することはあまりない。

ステンレス鋼は、基本相に合金成分を加えることで特殊な特性を発揮する典型的な合金である。