金属学知っておきたい基礎知識

1.純金属の構造と結晶化

1.金属の結晶構造

金属は固体結晶である。

結晶構造は、金属の特性、塑性変形、熱処理による相変態に関係している。

金属で最も一般的な3つの格子は、体心立方格子、面心立方格子、密着六方格子である。

結晶欠陥は、その幾何学的形状から、点欠陥、線欠陥、面欠陥の3つに分類することができる。

2.金属の結晶化

金属が液体から固体（結晶）状態に移行するプロセスは、金属の結晶化として知られている。

(1) 冷却曲線 と過冷却現象

冷却曲線とは、物質の冷却過程における温度と時間の関係を示すグラフである。金属結晶の冷却曲線は、熱分析法を用いて求めることができる。図1に示すように、できるだけ均一な温度になるように金属を溶かし、設定した速度で冷却し、時間の経過に伴う温度変化を記録し、そのデータを温度-時間グラフにプロットして冷却曲線を求める。

結晶化の際に放出される結晶化潜熱が、金属から外部への熱損失を打ち消し、冷却曲線上に水平線が現れる。この線に対応する温度が、金属の実際の結晶化温度である。

実験によると、金属の実際の結晶化温度（T1）は理論上の結晶化温度（T0）よりも常に低い。この現象は過冷却と呼ばれる。過冷却は結晶化が起こるための必要条件である。T0とT1の差、△T＝T0-T1は過冷却度として知られている。

図1 純鉄結晶の冷却曲線

(2) 結晶化プロセス

結晶化のプロセスには、核の生成と拡大が含まれる。このプロセスは核生成と核成長として知られている。

3.金属の異性体変換

固体状態で温度が変化すると、金属がある格子構造から別の格子構造に変化する現象は、同型転移として知られている。

この変態を示す金属には、鉄、コバルトがある、 チタンスズ、マンガン

同じ金属元素の結晶でも、異なる格子形で存在するものは、その金属の同素体結晶と呼ばれる。

2.合金の構造と結晶化

相：合金（または純金属）の中で、同じ組成、構造、特性を持ち、界面によって互いに分離された均一な成分を指す。

1.合金の相構造

合金の相構造は、構成元素間の相互作用に基づき、固溶体と金属化合物の2種類に分けられる。

(1) 固溶体：液体合金が凝固しても、元素は互いに溶解し、ある元素の原子が別の元素の格子中に分散した相を形成することができる。この相は固溶体として知られている。

(2) 金属化合物。

2.二元合金の状態図

合金平衡線図または合金状態線図としても知られる合金相線図は、平衡条件下における合金の温度、組成、および状態間の関係を示す図である。これは、組成の異なる合金を無限大までゆっくりと冷却または加熱したときの構造変化の法則を描いています。

合金相図は、適切な合金組成を選択し、合金の微細構造を分析し、その特性を研究し、鋳造、鍛造、熱処理工程を決定するための重要なツールである。

(1) 均質相図：このタイプのダイアグラムは、2つの成分が液体と固体の両方の状態で無限に混和できる合金系を表します。凝固中、合金は液相から固溶体を形成し、これは均質変態として知られるプロセスである。

(2) 共晶相図：この図では、2つの成分が液体状態で完全に混和し、共晶変態を起こす。共晶変態とは、特定の組成を持つ均一な液相から、特定の組成を持つ2つの固相が特定の温度で同時に結晶化することを指す。

(3) ペリキテティック相図：この図では、2つの成分が液体状態では無限に混和し、固体状態では有限の固溶体を形成する。また、ペリテクチック変換の状態もある。ペリテクチック変換とは、ある成分の液相と別の成分の固相が反応し、一定の温度で新しい固相が形成されることを指す。

3.鉄炭素相図

1.鉄炭素相図

鋼は、特定の組成範囲を持つ鉄と炭素の合金である。

鉄-炭素合金相図は、Fe-Fe3C相図に描かれているように、異なる温度における様々な組成の鉄-炭素合金の様々な平衡構造を示している。

Fe-Fe3C相図から、ある組成の鉄-炭素合金で相変態が起こる温度（臨界点とも呼ばれる）を求めることができる。

Fe-Fe3C相図を解析することで、異なる温度領域における相変態プロセスや、室温まで冷却した際の潜在的な平衡構造を予測することが可能である。

鉄-炭素合金相図における各点の説明については、Fe-Fe3C相図における特徴点を参照し、各線の説明については、特徴線を参照すること。

鉄と炭素の合金相図によると、炭素鋼は、鉄と炭素の合金相を持つ。 炭素含有量 2.11%未満の鋳鉄と2.11%を超える炭素含有量の鋳鉄は区別される。

構造的特徴に基づき、鉄-炭素合金は鉄-炭素合金相図における炭素含有量に基づいて7つのカテゴリーに分類される：

(1) 工業用純鉄で、炭素含有量が0.0218%未満のもの；

(2) 共析鋼、炭素含有量0.77%；

(3) 超共析鋼で、炭素含有量は0.0218%から0.77%；

(4) 超共析鋼で、炭素含有量は0.77%から2.11%；

(5) 共晶白鋳鉄、炭素含有量4.30%；

(6) 亜結晶白鋳鉄で、炭素含有量は2.11%～4.30%；

(7) 超結晶白鋳鉄で、炭素含有量は4.30%～6.69%。

2.金属構造

金属：熱伝導性と電気伝導性に優れた材料で、不透明な外観と金属光沢が特徴。金属の導電率は温度が上昇するにつれて低下し、延性と拡張性で知られる。

金属結晶は、原子が規則正しく並んだ固体である。

合金：金属と非金属を含む2種類以上の元素から構成される金属的性質を持つ物質。

固溶体の強化：溶質原子が溶媒格子の隙間や間隙を占有することにより、格子が歪み、固溶強化が起こる。 硬さと強さ 固溶体の

化合物：合金成分の組み合わせにより、金属特性を持つ新しい結晶固体構造が形成される。

機械的混合物：2つの異なる結晶構造から構成される合金組成物で、独立した機械的特性を持つ単一体のように見える。

フェライト：α-Fe（体心立方鉄）中の炭素の格子間固溶体。

オーステナイト:γ-Fe（面心立方鉄）中の炭素の格子間固溶体。

セメンタイト：炭素と鉄の結合によって形成される安定した化合物（Fe3C）。

パーライト：フェライトとセメンタイト（F + Fe3C、0.8%の炭素を含む）から成る機械的混合物。

レデブライト：セメンタイトと オーステナイト (4.3%の炭素を含む）。

金属の熱処理は、機械製造において極めて重要なプロセスである。他の加工方法とは異なり、熱処理はワークピースの形状や全体的な化学組成を変化させるのではなく、その微細構造や表面の化学組成を変化させることで性能を向上させます。

熱処理の目的は、肉眼では見えないことが多い被加工物の内部品質を向上させることである。金属加工品の望ましい機械的、物理的、化学的特性を達成するためには、材料の適切な選択と様々な処理に加えて、熱処理が必要となることが多い。 成形工程.

鋼は機械工業で最も広く使用されている材料であり、その微細構造は熱処理によって制御することができる。その結果、鋼の熱処理は金属熱処理の主要な側面となっている。

鉄鋼だけでなく、熱処理はアルミニウム、銅、マグネシウム、チタン、およびそれらの合金の機械的、物理的、化学的特性を変更するために使用することができ、さまざまなサービス特性を達成することができます。