知っておくべき5つのマルテンサイト形態

焼入れによって得られるマルテンサイト組織は、鋼に強度と靭性を与える上で重要な役割を果たす。

しかし、鋼の種類、組成、熱処理条件のばらつきにより、焼入れマルテンサイトの形態、内部微細構造、マイクロクラックの発生しやすさは大きく変化します。

これらの変化はマルテンサイトの機械的性質に大きな影響を与える。

したがって、マルテンサイトの形態学的特性を十分に理解し、その形態に影響を与える多様な要因を理解することが不可欠である。

1.マルテンサイトの形態

マルテンサイトの形態と微細構造は、薄膜透過電子顕微鏡を用いて広く研究されている。

調査の結果、鋼中のマルテンサイトの形態は多様であるが、その特性は一般的に以下のカテゴリーに分けられることが明らかになった：

1.格子状マルテンサイト

ラスマルテンサイトは、低炭素鋼から中炭素鋼、マルエージング鋼、ステンレス鋼、その他の鉄系合金に形成される一般的なマルテンサイト組織である。

図1は、軟鋼における典型的なラスマルテンサイトの構造を示している。

図1 低炭素のストリップ・マルテンサイト100X 合金鋼 (0.03% C、2% Mn)

ある種の鋼のミクロ組織は多数のラスから構成されており、これがラス・マルテンサイトと呼ばれる理由である。

場合によっては、ラスは容易に露出したりエッチングされたりせず、ブロック状に見えるため、ブロック状マルテンサイトと呼ばれることもある。

この種のマルテンサイトの主な下部組織は転位であるため、一般に転位マルテンサイトと呼ばれる。

クラスター状マルテンサイトは、複数の条群から構成され、各条群はほぼ等しい大きさの複数の条が特定の方向にほぼ平行に並んでいる。

図2は、ラス状マルテンサイトに特徴的なラス内の高密度転位を強調している。

図2 薄膜の透過微細構造 炭素合金鋼 (0.03% C, 2% Mn) 20000X

さらに、相変態双晶がラス内に存在することもあるが、一般的に局所的で、多量には存在せず、微細構造の主要な形態でもない。

ラス型マルテンサイトとその母相との結晶方位関係 オーステナイト は一般的にクルジュモフ・サックス（K-S）関係と呼ばれ、癖面は（111）γである。

しかし、18-8ステンレス鋼の場合、ラスマルテンサイトの癖面は(225)γである。

図3は、研究によって決定されたラス・マルテンサイト組織の結晶学的特徴を示している。

図3 ラス・マルテンサイト組織の結晶学的特徴の模式図

平行に並んだラス状マルテンサイトの束からなる大きな領域をラス群と呼び、Aで示す。

1つの一次オーステナイト粒は、通常3から5の範囲の複数のラスグループを含むことができる。

各ストリップグループは、図のBのように複数の平行領域に分割することができる。

ある種の溶液を腐食に使用した場合、ラスグループの境界のみが見える場合があり、その結果、ミクロ組織がブロック状に見えるため、ブロック状マルテンサイトと呼ばれる。

100ccのHCl＋5gのCaClのようなカラーエッチング技術を用いる場合₂ + 100cc CH₃CH溶液では、ラスのグループ内で黒と白の色調が観察される。

同じ色調を持つ領域は、同じ方位を持つマルテンサイトラスに対応し、ホモトロピックビームと呼ばれる。

Kurdjumov-Sachs（K-S）方位関係によると、マルテンサイトは親オーステナイト中で24の異なる方位を示すことができ、そのうちの6つの方位は平行にラスマルテンサイトを生成することができます（図4参照）。

図4 鋼のマルテンサイト(111) γ 平面成形時に可能な方位

アイソパティック・バンドルとは、1本のラスから変形したラスの束を指す。

平行に並んだ複数の束が組み合わさってストリップ・グループを形成する。

研究者の中には、1つのラスグループの中で、2つのグループだけが交互にポジションを取ることができると指摘する者もいる。

したがって、ラスグループは通常、互いに交互に並ぶ2つのラス梁グループから構成され、大きな角度の粒界で互いに交互に並ぶこともある。しかし、図3のCに示すように、ラス群が主に1種類のホモトロピック束で構成される場合もある。

整列バンドルは、図3のDに描かれているように、平行に配置されたストリップから構成される。

このシナリオは、図5に示すように、電子顕微鏡で観察することができる。

図5 Fe-0.2% C合金のラスマルテンサイトの等方性ビームにおけるいくつかの微細構造（透過電子顕微鏡写真）

Fe-0.2% C合金の研究結果によると、図6に示すように板幅分布は対数正規分布である。

図6 フィルムとレプリカ技術のストリップ分布

図から観察されるように、最も出現頻度の高いラス幅は0.15～0.20μmであり、分布曲線は小さいサイズのラスに大きく偏っている。しかし、1～2μmの幅を持つラスもわずかながら存在する。

図7は、より大きなラスがしばしばラス束全体に分布していることを示しており、これはラス束微細構造の重要な特徴である。

図7 Fe-0.2% C合金のラスマルテンサイト組織（透過電子顕微鏡写真）

実験結果は、オーステナイト化温度を変えるとオーステナイト粒径は変化するが、ラスの幅分布にはほとんど影響しないことを示している。

しかし、ラスグループのサイズはオーステナイト粒径が大きくなるにつれて大きくなるが、両者の比率はほぼ一定である。従って、オーステナイト粒内に生成するラスグループの数は通常変化しない。

薄膜電子顕微鏡による測定によると、単位マルテンサイト体積におけるラス境界の面積は約65000 cm²/cm³である。

ラス束の小角結晶境界の面積は、大角結晶境界の約5倍である。

18-8ステンレス鋼をベースとするFe-Cr-Ni合金では、図8に示すように、ラスマルテンサイトとε'-マルテンサイト（密着六方格子）の両方が生成し、Fe-C合金とは大きく異なる組織が得られる。

図8 Fe-15% Cr-12&Ni (Ms=- 90°)合金のラスマルテンサイト組織（アクアレジア、グリセリン腐食）

この構造にはラス群やシンポジュームバンドルは含まれず、むしろε'-マルテンサイトのシートを取り囲む薄いラス群として形成される（図中の平行ストリップに示されるように）。

とはいえ、このラスマルテンサイトの電子顕微鏡構造は、Fe-CやFe-Ni合金で見られるものと同一である。

2.フレーク状マルテンサイト

鉄系合金におけるもう一つの典型的なマルテンサイト組織はラメラマルテンサイトであり、これは焼入れした高炭素鋼や中炭素鋼、高NiFeNi合金によく見られる。

の典型的なラメラマルテンサイト構造である。 高炭素鋼 を図9に示す。

図9 T12A鋼400Xの過熱焼入れ組織（1000℃加熱、水焼入れ）

この特定のタイプのマルテンサイトは、その両凸レンズのような形状から、レンチキュラーマルテンサイトなど様々な名称で知られている。また、顕微鏡で試料の研削面と交差して観察すると、針状または笹の葉状の構造に見えることから、針状マルテンサイトまたは笹の葉マルテンサイトとも呼ばれる。

ラメラマルテンサイトの下部組織は主に双晶で構成されるため、双晶マルテンサイトとも呼ばれる。ラメラ状マルテンサイトの微細組織の特徴は、ラメラが互いに平行でないことである。

均一な組成のオーステナイト結晶粒をMsよりわずかに低い温度まで冷却すると、最初に形成されたマルテンサイトがオーステナイト結晶粒全体を貫通し、2つに分裂する。このため、後に形成されるマルテンサイトの大きさが制限され、ラメラ状マルテンサイトの大きさが様々になる。図 10 に示すように、後に形成されるマルテンサイト の薄片は小さくなる傾向があります。

図10 ラメラマルテンサイトの微細構造

フレークの大きさは、ほとんどオーステナイトの粒径に依存する。

薄片状マルテンサイトは、明らかな中間隆起とともにしばしば見られる（図11参照）。

図11 フレーク状マルテンサイト（T12鋼を1200 ℃で5時間浸炭し、180 ℃で急冷したもの。）

現在、ミッドリッジの形成ルールは明確になっていない。

ラメラマルテンサイトの癖面は、(225)γまたは(259)γのいずれかであり、母相との方位関係は、クルジュモフ・サックス(K-S)関係または西山関係のいずれかである。

図12に示すように、マルテンサイトには変態ルアン結晶である微細な線が無数に含まれ、中間接合部の帯状の細いリブは中リッジである。

図12 ラメラ状マルテンサイトのTEM構造

変態リューダース結晶の存在は、ラメラマルテンサイトの重要な特徴である。

リューダース結晶の間隔は約50Åで、通常はマルテンサイトの境界まで達しない。

シートの端には複雑な転位配列があり、これは一般に[111]α´方向に規則的に配列したスクリュー転位であると考えられている。

ラメラマルテンサイトの変態リューダース結晶は、一般に(112)α´リューダース結晶である。

しかし、Fe-1.82% C (c/a=1.08)合金では、(110)リューダース結晶と(112)α´リューダース結晶が混在する。

ラメラ状マルテンサイトの内部下部構造によって、中間稜を中心とした変態双晶領域（中間部）と双晶のない領域（ラメラの周辺部には転位がある）に分けられる。

ツインゾーンの割合は合金組成によって異なる。

Fe-Ni合金では、Ni含有量が高いほど（低いほど ポイント)、ツインゾーンが大きくなる。

Fe-Ni-C合金の研究によると、同じ組成の合金でも、Ms点の低下（オーステナイト化温度の変化など）に伴って双晶帯の割合が増加する。

しかし、変態双晶の密度はほとんど変化せず、双晶の厚さは約50Åのままである。

ラス状マルテンサイトとラメラ状マルテンサイトは、鋼や合金の最も基本的な2つのマルテンサイト形態である。

形態学的および結晶学的特徴を表1に示す。

表1 鉄炭素合金におけるマルテンサイトの種類と特徴

3.その他のマルテンサイト形態

3.1 バタフライ・マルテンサイト

Fe Ni合金やFe Ni C合金では、ある温度範囲内でマルテンサイトが生成すると、図13に示すような特殊な形態のマルテンサイトが出現する。

図13 皿状マルテンサイトの組織

このマルテンサイトの三次元形状は細長い棒状であり、その断面は蝶形であるため、蝶型マルテンサイトと呼ばれる。

Fe-31%ニッケルまたはFe-29%ニッケル-0.26%ニッケル-0.26%ニッケル合金では、0～-60℃の温度範囲でバタフライマルテンサイトが生成することが発見されている。

電子顕微鏡の研究により、その内部構造は高密度の転位からなり、双晶は見られないことが確認された。

母相との結晶学的関係は一般にK-S関係に従う。バタフライマルテンサイトは主に0～-20℃で生成し、-20～-60℃でラメラマルテンサイトと共存する。

前述の2つの合金系では、バタフライマルテンサイトの生成温度範囲は、ラスマルテンサイトとラメラマルテンサイトの生成温度範囲の間にあることが観察される。

バタフライマルテンサイトの両翼の接合部は、ラメラマルテンサイトの中稜に非常によく似ている。ここから異なる方向に沿って両側へ成長するマルテンサイト（おそらく双晶）が蝶の形を示すと推測される。

バタフライマルテンサイトの接合部は、爆発によって形成された2枚のマルテンサイトの接合部に似ているが、シート状マルテンサイトとは異なる双晶構造を含まない。

内部組織とミクロ組織の観点からは、バタフライ・マルテンサイトはラス・マルテンサイトに似ているが、列をなして発生することはない。

現在のところ、バタフライマルテンサイトの多くの側面はまだ明らかになっていない。しかし、その形態と特性は、ラス状マルテンサイトとラメラ状マルテンサイトの中間に位置し、興味深い研究テーマとなっている。

3.2 薄片状マルテンサイト

このマルテンサイトは、極めて低いMs点を示すFe-Ni-C合金から発見された。このマルテンサイトは、図14cに描かれているように、非常に細い帯状の三次元形状として現れ、その帯は互いに交差し、ねじれや枝分かれなどの独特な形状を示す。

図 14 Ms 点まで冷却された Fe-Ni-C 合金

同じ温度で形成されたマルテンサイトの組織

このマルテンサイトの電子顕微鏡組織を図15に示す。

 図15 ラメラマルテンサイト（Fe-31%、Ni0.23% C、Ms=- 190 ℃、- 196 ℃まで冷却）の電子顕微鏡構造。

検査中の材料は、ラメラ状マルテンサイトと区別できる中心隆起のない(112)α´ルアン結晶からなる完全なルアン・マルテンサイトである。

Fe-Ni-C系マルテンサイトの形態は、生成温度が下がるにつれて、レンズ状からラメラ状に変化することが観察されている。

炭素含有量約0.25%、Ms=-66 ℃のFe-Ni-C合金では、図14aに示すように爆発性ラメラマルテンサイト組織となる。

Msが-150℃まで減少すると、図14bに示すように、少量のラメラマルテンサイトが現れ始める。

Msが-171℃まで低下した時点では、組織全体がラメラマルテンサイトで構成されている（図14c参照）。

レンズシートから薄板への転移温度は、炭素含有量の増加とともに上昇することが判明している。

炭素量が0.8%になると、ラメラマルテンサイトの生成域は-100℃以下となる。

変態温度が低下すると、ラメラ状マルテンサイト変態の際に、新しいマルテンサイトシートが連続的に形成されるだけでなく、古いマルテンサイトシートが厚くなる。

ラメラ状マルテンサイトでは、古いマルテンサイトシートの肥厚は見られない。

3.3 ε' マルテンサイト

上記のマルテンサイトはすべて、体心立方晶（α'）または体心正方晶構造を持つ。

オーステナイトの積層欠陥エネルギーが低い合金では、緻密な六方格子ε'マルテンサイトも形成される。

このタイプのマルテンサイトは、高Mn-Fe-C合金に多く見られる。

しかし、Fe-Cr-Ni合金に代表される18-8ステンレス鋼は、α'-マルテンサイトと共存することが多い。

図16に示すように、ε'マルテンサイトも薄い。

(111)γ面に沿って、 ウィドマンシュタッテン 形成が観察され、多数の積層断層を特徴とする下部構造を持つ。

図16 Fe-16.4% Mn合金のマルテンサイト組織（硝酸アルコールによる腐食）

2.合金の化学組成とマルテンサイト形態および内部組織との関係

鋼中の合金元素の存在は、マルテンサイトの形状に決定的な影響を与える。

一般的な例として、Fe-CおよびFe-Ni合金のマルテンサイト形状は、合金含有量の増加に伴い、ラス状からフレーク状に変化する。例えば、Fe-C合金では、炭素0.3%以下ではマルテンサイトはラス状であるが、炭素1%以上ではフレーク状になる。0.3%から1.0%の炭素の範囲では、両方の形のマルテンサイトが存在し得る。

しかし、ソースが異なると、ラスからラメラ マルテンサイトへの遷移の引き金となる炭素濃度が一定 でないことがある。このばらつきは、急冷速度の影響と関連しており、急冷速度が速いほど、双晶マルテンサイトの形成に必要な最小炭素濃度が低くなる。

図17は、炭素含有量がマルテンサイトのタイプ、Ms点、 およびマルテンサイトの量に及ぼす影響を示している。 保持オーステナイト Fe-C合金の

図17：Ms 点、ラスマルテンサイト量、マルテンサイト量に及ぼす炭素含有量の影響 保持オーステナイト 含有量（室温まで急冷した炭素鋼）

この図は、炭素含有量が0.4%より低い鋼は、ほとんどオーステナイトを保持していないことを示している。

炭素含有量が増加すると、Ms点は低下し、ルアン晶マルテンサイトと保持オーステナイトの量が増加する。

表2は、二元系鉄合金のマルテンサイト形態と組成の関係をまとめたものである。

表2 Fe二元合金のマルテンサイト形態

この表は、ゾーンγのすべての合金元素がラスマルテンサイトに変態していることを示している。

膨張したPゾーンの合金元素濃度が高くなると、マルテンサイト形態の変化を伴って、一般的なMs点が著しく低下する。

例えば、Fe-C、Fe-N、Fe-Ni、Fe-Ptなどの二元合金では、合金元素の含有量の増加に伴い、マルテンサイトの形態がラス状からフレーク状に変化する。

しかし、Mn、Ru、Irの添加は、オーステナイトの積層欠陥エネルギーを大幅に減少させることができ、その結果、二元系鉄合金の合金元素含有量の増加に伴い、マルテンサイトの形態がラスからε´マルテンサイトに変化する。

Fe-Cu合金とFe-Co合金は、拡大γゾーンにある元素の中では例外である。

Cuは膨張するYゾーン元素の一部であるが、Feへの固溶量が少ないためMs点が比較的安定し、収縮するYゾーン合金と同じ傾向を示す。

Fe-Co合金は、他の合金と比較してユニークである。Co含有量が増加するとMs点が上昇し、特殊なケースとなる。

一般的に、合金には様々な種類がある。 鉄鋼要素しかし、Fe-CまたはFe-Ni合金に第3元素を添加した場合、少量であればマルテンサイトの形態は2元合金のそれと大きく変わることはない。

前述したように、Fe-Ni-C合金はラス、バタフライ、レンズシート、および薄板マルテンサイトを形成することができる。これら4種類のマルテンサイトの生成温度と炭素含有量およびMs点との関係を図18に示す。

図18 Fe-Ni-C合金のマルテンサイト形態、炭素含有量とMs点の関係

この図から、レンチキュラーマルテンサイトとラメラマルテンサイトの生成温度は、炭素含有量が増加するにつれて上昇することがわかる。

この図では、バタフライマルテンサイトの形成領域もハッチングで強調している。

表3は、鉄基合金におけるマルテンサイトの形態、下部構造、結晶学的特性の関係をまとめたものである。

表3 Fe系マルテンサイトの特性

鋼において、炭素含有量が0.20%未満のマルテンサイトは、一般的に体心立方格子構造を有すると考えられている。炭素含有量が0.20%を超えるマルテンサイトは、体心正方格子構造を持つと考えられている。

一般に、低炭素鋼の体心立方マルテンサイトは転位マルテンサイトに相当し、体心正方マルテンサイトは高炭素ツインマルテンサイトに相当すると考えられている。しかし、Fe-Ni合金では、ツインマルテンサイトも体心立方構造を持つことがある。

その結果、結晶構造と部分構造の関係は不確かなままである。

3.マルテンサイトの形態と下部構造に影響する因子

上記の議論は、合金組成の変化によるマルテンサイト形態の変化の法則を網羅している。

現在、この変化に影響を与える要因については多くの議論があり、明確なコンセンサスは得られていない。

形態学的変化は本質的に下部構造の変化であると広く信じられており、一般的な見方としては以下のようなものがある：

1.ポイント

この見解の支持者は、マルテンサイトの形態はMs温度に依存すると考えている。

彼らは、Fe-C合金では炭素含有量の増加はMs温度の低下をもたらすと主張している。

ある温度範囲（300～320℃）以下では、変態双晶が生成しやすくなり、その結果ラメラマルテンサイトが生成する。

表4は、炭素鋼の結晶特性であるマルテンサイト形態と、炭素含有量およびMs温度との関係をまとめたものである。

表4 炭素鋼のマルテンサイト形態および結晶学的特性と炭素含有量およびMs点との関係

Ms点の低下に伴う、ラスからフレークへのマルテンサイト形態の変化は、以下のように説明できる：

表 4 は、晶癖面とマルテンサイト形態との相関を示す。低炭素マルテンサイトの生成温度は一般に高く、(111) γ 面がその大きな剪断により晶癖面となると考えられている。このような高温では、双晶よりもすべりが生じやすく、面心立方格子の(111)γ結晶系が少ないため、マルテンサイト形成の初期方位が限られ、同じオーステナイト内にクラスター状のマルテンサイトが形成される。

Ms点の温度が低下すると、すべりよりも双晶が生じやすくなり、晶癖面が（225）γまたは（259）γにシフトする。このシフトにより、マルテンサイト形成のための結晶系と初期方位の数が増加し、同じオーステナイト内で隣接するシートが互いに平行でないLi結晶ラメラマルテンサイトが形成される。

高温マルテンサイトの形成は、たとえオーステナイトが著しく強化されたとしても、ツインラメラマルテンサイトには至らないことが立証されている。Fe-Ni-C合金のMs点は、オーステナイト化温度を変えることによって変えることができ、同じ合金内で異なるMs点を達成することができる。

冷却温度が対応するMs点よりわずかに低い場合、マルテンサイトの形態がバタフライ形状からシート形状に変化するのが観察される。さらに、生成温度の低下は、変態双晶帯の増加につながる。

また、同じ合金でMs点以上の様々な温度で形成される変形誘起マルテンサイトの形態を調べたところ、変形温度（すなわち変形誘起マルテンサイトの形成温度）の変化に伴ってマルテンサイトの形態が変化することが明らかになった。これらの結果から、この種の合金のマルテンサイト形態と内部構造は、Ms点のみに関係していることが確認された。

さらに、高圧下でMs点が低下すると、変態双晶が発生しやすくなり、図19に示すように、ラスからシートへとマルテンサイトの形態が変化する。この実験的証拠は、Ms点の重要性を裏付けている。

図 19 強磁性合金の Ms 点とマルテンサイト組織に及ぼす 4000MPa の圧力の影響

実際の生成過程では、Ms点とMf点の間のさまざまな温度で、複数のマルテンサイトが連続して生成される。

マルテンサイト結晶が形成される温度はそれぞれ異なるため、マルテンサイト結晶の内部構造と形態もそれぞれ異なる。

したがって、Ms点よりもむしろ生成温度がマルテンサイトの形態と内部構造に影響を及ぼすと述べた方がより正確である。

2.オーステナイトの積層欠陥エネルギー

Kellyらによると、オーステナイトの積層欠陥エネルギーが低いほど、ベイナイト結晶への変態を起こすのが難しくなり、ラス・マルテンサイトが形成されやすくなるという仮説を提唱している。

18-8ステンレス鋼とFe-8% Cr-1.1% C合金はともに積層欠陥エネルギーが低い。液体窒素温度では、転位マルテンサイトが形成される。この現象はMs点仮説で説明するのは難しいが、この仮説で説明できる。

さらに、Fe-30～33% Ni合金のラメラマルテンサイトでは、Ni含有量の増加に伴って変態双晶帯が増加する。Niはオーステナイトの積層欠陥エネルギーを増加させることが知られているので、この実験現象は仮説を支持するものである。

NiはMs点を減少させるので、この実験現象はMs点理論でも説明できることは注目に値する。

3.オーステナイトとマルテンサイトの強度

最近、DavisとMageeは、オーステナイトの強度とマルテンサイトの形態との関係に関する仮説を提唱した。彼らは合金化法を用いてオーステナイトの強度を変化させ、その結果生じるマルテンサイトの形態の変化を研究した。

その結果、マルテンサイトの形態はオーステナイトの強度に応じて変化することが明らかになった。 降伏強度 Ms点で約206MPaである。この境界より上では、｛259｝γの癖面を持つラメラ マルテンサイトが形成される。この境界より下では、｛111｝γの晶癖面を持つラス・マルテンサイト、または｛225｝γの晶癖面を持つラメラ・マルテンサイトが形成される。

その結果、DavisとMageeは、オーステナイトの強度がマルテンサイトの形態に影響を与える主な要因であると考えている。彼らはさらにマルテンサイトの強度についても調査した。オーステナイトの強度が 206MPa より低い場合、生成するマルテンサイトの強度が高ければ、{225}γ マルテンサイトとして形成される。マルテンサイトの強度が低ければ、{111}γマルテンサイトが形成される。

この仮説は、合金組成やMs点の変化に起因する形態変化、特にFe Ni合金における｛111｝γから｛225｝γへの変態、Fe-C合金における｛111｝γから｛225｝γ、｛259｝γへの変態を説明するために適用できる。

加えて、この仮説は、これまで明確 に定義されていなかった{225}γマルテンサイトの形成につ いても、明確な理解を与えてくれる。このマルテンサイトは、弱いオーステナイトが強いマルテンサイトに変態する際に形成される。

炭素がオーステナイトの強化に及ぼす影響は 限定的であるが、マルテンサイトの強化には大きな影 響を与える。{225}γマルテンサイトは、主に炭素含有量の高い合金系で発生する。

この仮説は以下に基づいている：

マルテンサイトの変態応力の緩和が双晶変形のみによって起こる場合、得られるマルテンサイトは癖面{259}γを持つ。

変態応力の緩和が、部分的にはすべりモードを通じてオーステナイトで、部分的には双晶モードを通じてマルテンサイトで行われる場合、マルテンサイトは｛225｝γの癖面を持つ。

マルテンサイトもスライディング・モー ドを起こす場合、癖面は｛111｝γとなる。

実験結果は、この仮説が部分的に正しいことを示唆しているが、今後さらなる研究が必要である。

この仮説で概説されているオーステナイトとマルテンサイトの強度は、合金の組成、種類、Ms点、オーステナイト積層欠陥エネルギーなど、さまざまな要因と密接に関係していることに留意すべきである。したがって、この仮説を単独で考えることはできない。

4.マルテンサイトすべりおよび双晶変形の臨界せん断応力

この仮説は、マルテンサイトの内部構造は主に変態時の変形様式によって決定され、その変形様式は主にすべりまたは双晶のいずれかの臨界せん断応力によって制御されることを強調している。

図20は、マルテンサイトすべりまたは双晶の臨界せん断応力と、MsおよびMfの温度がマルテンサイト形態の形成に及ぼす影響を示している。

図20 マルテンサイトのスリップまたはツインによるマルテンサイト形態に及ぼす臨界せん断応力とMs Mf温度の影響の模式図

図中の矢印は、合金組成の変化によって生じる、対応する線の潜在的な移動方向を示している。線の移動は、すべり双曲線の交点の移動につながる。

図から、低炭素鋼（Ms 点と Mf 点がともに高い）では、すべりに必要な臨界せん断応力は双晶に必要な応力よりも小さく、その結果、転位密度の高いラスマルテンサイトが形成されることが観察される。逆に、高炭素鋼（Ms 点と Mf 点が共に低い）では、双晶形成に必要な臨界せん断応力は小さく、その結果、双晶の数が多いラメラマルテンサイトが形成される。

炭素含有量が中程度の場合、Ms点とMf点は図のようになる。マルテンサイト変態では、まずラスマルテンサイトが形成され、続いてラメラマルテンサイトが形成される。その結果、両方のタイプのマルテンサイトが混在した構造になる。

この見解は基本的には正しいと思われるが、せん断応力の変化を引き起こす要因や、合金組成やMs点がマルテンサイトすべりや双晶の臨界せん断応力にどのように影響するかは、まだ明らかになっていない。

変態駆動力の増大がラメラ状マルテンサイトへの変態をもたらすという説もある。Fe-C合金の場合、マルテンサイト形態変化の駆動力の限界は1318J/molであり、Fe-Ni合金の場合は1255J/molから1464J/molである。また、マルテンサイト中のCとNの含有量の増加が秩序化を引き起こし、形態変態と密接に関係していると考える者もいる。

4.Fe-C合金におけるラメラマルテンサイト微細き裂の形成

高炭素鋼を焼入れすると、マルテンサイト中にマイクロクラックが形成されやすくなる。

以前は、これらの微小クラックは、マルテンサイト変態の際の体積膨張による微小応力の結果であると考えられていた。

しかし、最近の金属組織観察により、図21に示されるように、マイクロクラックの形成は、実際には成長するマルテンサイトの衝突によるものであることが明らかになっている。

図21.2枚のFe-Cマルテンサイトシートの衝突によって形成されたマイクロクラックの模式図。(セクションA-Aは、2枚のマルテンサイトシートに拡散した1枚のマルテンサイトシートの断面を示す)。

マルテンサイトの形成は急速に起こる。マルテンサイトシートが互いに、あるいはオーステナイト粒界と衝突すると、その衝撃により大きな応力場が発生する。

高炭素マルテンサイトは非常に脆く、すべり変形や双晶変形で緩和することができないため、衝撃亀裂を形成しやすい。

この固有の欠陥は、高炭素マルテンサイト鋼の脆さを増大させる。

熱応力や構造応力など、他の応力要因の影響下では、マイクロクラックはマクロクラックに成長する。

また、マイクロクラックの存在は、部品の疲労寿命を著しく低下させる。

Fe-C合金のラメラ状マルテンサイト中の微小クラックは、図22に示されるように、複数の放射状マルテンサイト針の接合部やマルテンサイト針内で発生することが多い。

図22 Fe-1.39% C合金のマルテンサイト中のマイクロクラックの光学顕微鏡的特性

マルテンサイトにおけるマイクロクラック形成の感度は、一般的にマルテンサイトの単位体積当たりのマイクロクラックの面積（Sv）で表される。

実験的証拠から、マルテンサイトのマイクロクラック形成に対する感受性は、以下のようないくつかの要因に影響されることが示唆されている：

1.焼入れ冷却温度の影響

焼入れ冷却温度の低下に伴い、焼入れ鋼組織中の保持オーステナイト量（γRで表される）は減少し、その結果、図23に示されるように、マルテンサイト量が増加し、マイクロクラックの形成に敏感になる。

図23 Fe-Cマルテンサイト生成マイクロクラック感受性と急冷温度の関係（1.39% C、1200 ℃、1時間加熱）

2.マルテンサイト変態量の影響

図24は、マルテンサイト変態量とマイクロクラックの発生しやすさ の関係を示している。

図24 Fe-1.86% C合金のマルテンサイト生成の微小亀裂感度（SV）とマルテンサイト各片の平均体積（V）、単位体積中のマルテンサイトシート数（NV）およびマルテンサイトの変態との関係：

図によると、マルテンサイト変態変数が増加するにつれて、マイクロクラック形成に対する感度（Sv）は増加するが、変態率（f）が0.27を超えると、Svは増加し続けなくなる。

単位体積中のマルテンサイトの数（Nv）が増加しても、オーステナイトが連続的に分割されるため、マルテンサイト片の平均体積（V）で表される形成されるマルテンサイトシートの大きさは減少する。

したがって、マルテンサイトシートの大きさ (V) は、マイクロクラック形成に対する感受性 (Sv) に影響する臨界値を持つ可能性がある。Vがこの臨界値を超えると、マイクロクラック形成に対する感受性(Sv)は変態率の増加とともに増加する。

結論として、亀裂の形成はマルテンサイトシートの大きさによって主に決定される。亀裂の総数と面積は、マルテンサイト変態変数の増加に伴って増加する可能性があるが、初期段階で形成される大きなマルテンサイト・フレークにより、亀裂の大部分は変態の初期段階で形成される。

3.マルテンサイト板長の影響

この実験から、マルテンサイトシートの長さが長くなる（すなわち、シートの最大サイズが大きくなる）と、図25に示されているように、マルテンサイトのマイクロクラック形成感受性も高くなることがわかる。

図25 マイクロクラックの発生感度とマルテンサイトシートの長さの関係（横の数字はマルテンサイト含有率%）

長いマルテンサイトシートは、その大きさゆえに他のマルテンサイトシートからの衝撃を受けやすい。さらに、オーステナイト粒と交差する傾向があるため、粒界に遭遇する可能性が高くなります。

実験によると、マイクロクラックは主に粗大マルテンサイトに形成され、微細マルテンサイトにマイクロクラックが形成されることはほとんどない。

その結果、マルテンサイトに微小クラックが発生するための臨界マルテンサイト粒径が存在する可能性が高い。同様に、オーステナイトの組成が比較的均一な場合、マイクロクラックが発生しない臨界オーステナイト粒径が存在する。

微細なオーステナイト粒が焼入れした高炭素鋼の微小き裂を減少させるという考え方は、生産現場で実施されている。しかし、マイクロクラックに対する感受性が、マルテンサイトシートのサイズそのものに依存するのか、臨界サイズのマルテンサイトシートの成長によって発生する応力場に依存するのかは、依然として不明である。

4.オーステナイト粒径の影響

均質なオーステナイトの場合、初期段階で形成されるマルテンサイトシートの長さは、オーステナイト結晶粒の大きさと連動する。オーステナイト粒が粗いと、微小亀裂が形成されやすい粗大マルテンサイトが形成される。

図26に示す実験結果は、この考えを裏付けている。この結果は、高炭素鋼は高温で急冷すると割れが発生しやすくなることを示している。

したがって、一般的に高炭素鋼の焼入れには、より低い焼入れ温度を選択することが推奨される。

図26 現場マイクロクラック感受性に及ぼす炭素鋼（1.22% C）のオーステナイト粒径の影響

5.マルテンサイト中の炭素含有量の影響

マルテンサイトのマイクロクラック形成に及ぼす炭素含有量の影響を図27に示す。

図27 マイクロクラック感度に及ぼすマルテンサイト中の炭素含有量の影響

図27から、マルテンサイト中の炭素含有量が増加するにつれて、微小亀裂が形成される可能性が高くなることがわかる。

しかし、オーステナイト中の炭素含有量が1.4%を超えると、マイクロクラックの形成感受性が低下する。これは、マルテンサイト変態時の結晶の癖面に関係している。

鋼中の炭素含有量が1.4%を超えると、マルテンサイトの形状が変化する。シートが厚く短くなり、マルテンサイトシート間の角度が小さくなり、衝撃力と応力が減少する。その結果、マイクロクラック形成に対する感受性が低下する。

表5は、1.39% 炭素鋼のマイクロクラック形成感受性が、マルテンサイト中の炭素含有量が減少するにつれて著しく低下することを示している。データは粒径 3.

金属組織学的分析によると、マイクロクラック感受性の低下は、ミクロ組織により多くの平行成長ラスマルテンサイトの存在と関連している。

ラス・マルテンサイトは高い塑性と靭性を持ち、ラス・マルテンサイトが平行に成長するため相互衝撃のリスクが低減され、マイクロクラックに対する感受性が低くなる。

先に述べたように、高炭素鋼はオーステナイト粒組織が粗く、マルテンサイト中の炭素含有量が高いため、割れの影響を受けやすい。これを緩和するため、製造工程では、マルテンサイト中の炭素含有量を減らし、より微細な結晶粒を得るために、加熱温度を低くし、保持時間を短くする傾向がある。

一般的に、不完全焼入れを経た過共析鋼は、微小割れを起こしにくい隠微晶マルテンサイトを生成する。そのため、全体的に優れた特性を持つ。