ステンレス鋼密度表：総合ガイド
プロジェクトで使用するステンレス鋼の正確 な重量を計算するのに苦労したことはないだろ うか。ステンレス鋼種ごとに異なる密度を理解することは非常に重要です。この記事では、ステンレス鋼の...
鉄が冷えるとどうなるのか、不思議に思ったことはないだろうか。この記事では、ウィドマンスタッテンやマルテンサイト組織など、起こる魅力的な変化を探ります。これらの変化が鋼の特性にどのような影響を与えるのか、そしてなぜそれが実際の用途で重要なのかを学びます。スチールの強度と耐久性の秘密を解き明かしましょう！
実際の生産では、炭素含有量（ωc）が0.6%未満の低共析鋼や炭素含有量が1.2%を超える超共析鋼は、鋳造、熱間圧延、鍛造後に空冷される。また 溶接継ぎ目 または熱影響部を空冷するか、温度が高すぎる場合は急冷する。その結果、オーステナイトの特定の結晶面に沿って、オーステナイト粒界からプレ共析フェライトまたはプレ共析セメンタイトが針状に成長・析出する。
金属組織顕微鏡では、ほぼ平行または規則的に配列した針状フェライトまたはセメンタイトと、それらの間にあるパーライト構造の存在を観察することができる。この構造はウィドマンシュテッテンと呼ばれ、下図はフェライトとセメンタイトのウィドマンシュテッテンを示している。
ウィドマンシュタッテンフェライトは、ベイナイトのプロセスと同様のせん断メカニズムによって形成される。その結果、凸状の試料が得られる。
形成時の冷却速度が速いため、フェライトは以下の特定の結晶面に沿ってしか析出しない。 オーステナイト であり、母相であるオーステナイトと結晶方位の関係にある。
アシキュラーフェライトの形成は、オーステナイトから直接起こることもあれば、オーステナイトの粒界に沿ってネットワークフェライトが析出し、並行して結晶内に成長することもある。
ウィドマンシュタッテンフェライトが形成されると、炭素がフェライト相から母相であるオーステナイト相へと両側から拡散し、その結果、オーステナイト相が形成される。 炭素含有量 フェライト針間のオーステナイトが連続的に増加し、最終的にパーライトに変化する。
ベイナイト変態メカニズムによって形成されたウィドマンシュタッテンフェライトは、実際には炭素を含まないベイナイトである。
ウィドマンシュタッテン組織の形成は、鋼中の炭素含有量、オーステナイトの粒径、冷却速度（変態温度）に依存する。
次の図は、様々なフェライトとセメンタイトの形成温度と炭素含有量の範囲を示している。図に見られるように、ウィドマンシュタッテン構造（Wゾーン）は、比較的速い冷却速度と特定の炭素含有量の範囲でのみ形成される。
低共析鋼の場合、炭素の質量分率が0.6%を超えると、炭素含有量が高くなり、炭素の乏しい領域が形成される確率が低くなるため、ウィドマンシュテッテン組織の形成が困難になる。
研究によると、次亜共析鋼では、炭素含有量がωc=0.15%から0.35%の狭い範囲内にあり、冷却速度が速く、オーステナイト粒径が微細な場合にのみ、ウィドマンシュテッテン組織が形成される。
オーステナイト粒子が細かいほどネットワーク・フェライトを形成しやすいが、ウィドマンシュテッテン構造は形成しにくい。一方、オーステナイト粒子が粗いほど、ウィドマンシュタッテン構造を形成しやすくなり、その形成に必要な炭素含有量の範囲が広くなる。
このように、ウィドマンシュタッテン組織は、通常、粗大オーステナイト粒組織を持つ鋼で観察される。
(1)ウィドマンシュタッテンは鋼の過熱組織の一種で、鋼の機械的性質に悪影響を与える。これには衝撃靭性と塑性の低下、脆性遷移温度の上昇などが含まれ、鋼は脆性破壊を起こしやすくなる。
(2) 鋼の強度と衝撃靭性が著しく低下するのは、オーステナイト粒が粗大化し、粗大なフェライトまたはセメンタイトのウィドマンシュタッテン組織が出現し、マトリックスが著しく破砕された場合に限られることが広く認識されている。
しかし、オーステナイト粒が比較的微細な場合、たとえアシキュラーフェライトのウィドマンシュタッテン組織が少量存在しても、鋼の機械的特性には大きな影響はない。これは、ウィドマンシュ タッテン組織中のフェライトの下部組織が微細で転位密 度が高いためである。
(3)ウィドマンシュタッテン組織による鋼の機械的性質の低下は、常にオーステナイト粒の粗大化と関係している。鋼や鋳鋼にウィドマンシュテッテン組織が現れ、機械的性質を低下させる場合、まず高温加熱によるオーステナイト粒の粗大化が原因かどうかを検討する必要がある。
(4) ウィドマンシュテッテン組織が発生しやすい鋼種については、圧延工程の適切な管理、最終鍛造温度の低減、鍛造後の冷却速度の制御、または以下のような熱処理工程の変更により、ウィドマンシュテッテン組織の発生を防止または除去することができる。 焼き入れと焼き戻し焼ならし、焼きなまし、等温焼入れで結晶粒を微細化する。
1.定義
(1) マルテンサイト変態：マルテンサイト変態：鋼がオーステナイト状態から拡散分解を防ぐために急冷されたときに起こる非拡散性の相変態（鋼の温度以下）。 MSポイント)はマルテンサイト変態として知られている。
変態はマルテンサイトの特徴であり、変態生成物はすべてマルテンサイトと呼ばれることに注意することが重要である。
(2) マルテンサイト：要するに、鋼のマルテンサイトは、炭素がα-Fe中に過飽和に存在する格子間固溶体である。
2.クリスタル マルテンサイトの構造
マルテンサイト結晶構造は次のような形態をとる：
3.マルテンサイトの組織
鋼のマルテンサイトには、ラス状マルテンサイト（転位マルテンサイト）とラメラ状マルテンサイト（針状マルテンサイトとも呼ばれる）の2つの基本形態がある。
(1) ラスマルテンサイト
ラスマルテンサイトは、低炭素鋼、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見られる一般的なマルテンサイト組織である。
a) 構造的形態： マルテンサイトラス(D)→マルテンサイトバンドル(B-2; C-1)→ラスグループ(3-5)→ラスマルテンサイト。
b) 通常、緻密なラスは、炭素含有量の高い残留オーステナイトによって分離されている。
この薄い残留オーステナイト層の存在は、鋼の機械的特性を著しく向上させる。
c) ラスマルテンサイトには多数の転位があり、その分布は一様ではない。
転位セルと呼ばれるセル状の下部組織を形成するため、転位マルテンサイトとも呼ばれる。
(2) ラメラマルテンサイト
ラメラマルテンサイトは、高炭素鋼（ωC > 0.6%）、ニッケル（ωNi = 30%）ステンレス鋼、および一部の非鉄金属と合金に見られる。
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(a) 構造形態：ラメラ状マルテンサイトの空間形態は凸レンズ状である。
研磨時に試料が切断されるため、光学顕微鏡では断面が針状または笹の葉状に見える。
そのため、ラメラ状マルテンサイトは針状マルテンサイトや笹の葉状マルテンサイトとも呼ばれます。
(b) 組織特性：ラメラマルテンサイトのマルテンサイトシートは互いに平行ではない。
オーステナイト粒では、最初のシートで形成されたマルテンサイトがオーステナイト粒全体にまたがり、2つに分かれることが多いため、後から形成されるマルテンサイトシートの大きさがどんどん小さくなる。
(c) サイズ：ラメラ状マルテンサイトの最大サイズは、元のオーステナイト粒のサイズに依存する。オーステナイト粒子が大きいほど、マルテンサイトシートは粗くなる。
(d) 暗晶マルテンサイト：マルテンサイトの最大片が小さすぎて光学顕微鏡で識別できない場合、"隠微晶質マルテンサイト "と呼ばれる。
製造工程で通常の焼入れによって得られるマルテンサイトは、一般に隠微晶マルテンサイトの形をしている。
(e）下部組織：ラメラマルテンサイトの下部組織は主に双晶であり、そのため双晶マルテンサイトとも呼ばれる。
双晶は通常、マルテンサイトの中心に位置し、マルテンサイトシートのエッジ領域には及ばない。エッジ領域には高密度の転位が存在する。
炭素含有量がωC > 1.4%の鋼では、マルテンサイトシートの中央稜線に高密度の微細な双晶領域が見られる。
(f) マイクロクラック：マルテンサイトの急速な形成は、他のマルテンサイトやオーステナイト粒界と衝突する際にかなりの応力場を発生させる。
ラメラマルテンサイトは硬くて脆く、摺動や双晶変形によって応力を緩和することができないため、衝撃割れしやすい。
一般的に、オーステナイト粒が大きく、マルテンサイト板が大きいほど、焼入れ後にマイクロクラックが多く形成される。マイクロクラックの存在は、高炭素鋼部品の脆性を増大させる。
の影響下にある。 内部応力マイクロクラックはやがてマクロクラックに拡大し、ワークピースの亀裂や疲労寿命の顕著な低下につながる。
(g) 形態：マルテンサイトの形態は主にオーステナイトの炭素含有量に依存し、鋼のマルテンサイト変態開始温度（MS点）に関係する。
オーステナイトの炭素含有量が高いほど、MS点とMF点は低くなる。
| 炭素含有量 | 形状 | 形成温度（一般） |
| ωC＜0.2% | ラスマーテンサイト | 200℃以上 |
| ωC>0.6% | プレートマルテンサイト | 200℃以下 |
| ωC=0.2%~1% | ラス・シート混合構造 | まず板馬を作り、次に駒馬を作る |
(h) マルテンサイト形態に対する元素の影響：Cr、Mo、Mn、Ni (MS点を下げる)、Co (MS点を上 げる)などの元素はすべて、ラメラマルテンサイトを 形成する可能性を高める。
4.マルテンサイトの特性
(1) 機械的性質：マルテンサイトの特徴 強度と硬度.
(2) 特性に及ぼす炭素含有量の影響：マルテンサイトの硬度は主に炭素含有量に依存する。
ωC＜0.5%の場合、マルテンサイトの硬度は炭素含有量の増加とともに急峻に上昇する。
しかし、ωC > 0.6%の場合、マルテンサイトの硬度は増加するものの、残留オーステナイトが多く存在するため、鋼の硬度は低下する。
(3) 合金元素の影響：合金元素はマルテンサイトの硬度にはほとんど影響しないが、強度を高めることができる。
(4) 硬度：マルテンサイトは 硬さと強さこれは主に、溶液強化、相変態強化、エージング強化によって達成される。
詳細は以下の通り：
固溶体強化：α相格子の八面体間隙に格子間原子が存在することで、格子に正方形の歪みが生じ、応力場が発生する。
この応力場は転位と強く相互作用し、マルテンサイトの強度を高める。
相変態強化：マルテンサイトに相変態する際、結晶中に高密度の格子欠陥が形成される。ラス状マルテンサイトの高密度転位とラメラ状マルテンサイトの双晶が転位運動を抑制し、マルテンサイトを強化する。
時効強化：マルテンサイト形成後、炭素と 合金元素 原子が拡散したり、偏析したり、転位や他の格子欠陥に析出したりして転位を固定し、転位が動きにくくすることで、マルテンサイトを強化する。
(5) マルテンサイト強度：マルテンサイトのラスグループまたはシートのサイズが小さいほど、マルテンサイトの強度は高くなる。これは、マルテンサイトの相界面が転位の移動を妨げ、元のオーステナイト粒が小さいほどマルテンサイトの強度が高くなるためである。
マルテンサイトの塑性と靭性は、主にその下部構造に依存する。双晶マルテンサイトは強度が高いが靭性が低く、転位マルテンサイトは強度が高く靭性が高い。
(6) マルテンサイト体積：鋼の様々な組織の中で、オーステナイトの比体積が最も小さく、マルテンサイトの比体積が最も大きい。
このように、焼入れ時の鋼の体積膨張は、大きな焼入れ熱を発生させる大きな要因である。 内部応力ワークピースの変形、ひいてはクラックの発生さえも。
マルテンサイト変態の原動力は、他の固相変態と同様、新相（マルテンサイト）と母相（オーステナイト）の間の単位体積当たりの化学自由エネルギー差である。この相変化に対する抵抗は、新相の形成中に発生する界面エネルギーとひずみエネルギーにも影響されます。
オーステナイトとマルテンサイトの間にコヒーレントな界面が存在するにもかかわらず、界面エネルギーは小さい。マルテンサイトとオーステナイトの比体積が大きく異なり、せん断抵抗に打ち勝って多数の格子欠陥を生成する必要があるために、コヒーレントな歪みエネルギーが大きくなると、弾性歪みエネルギーが増大し、マルテンサイトの変態に対する抵抗が大きくなります。その結果、変態駆動力が変態抵抗を上回り、オーステナイトからマルテンサイトへの変態が起こるようにするためには、十分な過冷却が必要となる。
マルテンサイト変態の開始温度は「ms」と表記され、マルテンサイトとオーステナイト間の自由エネルギー差が変態に必要な最小駆動力に達する温度として定義される。
マルテンサイト変態は、低温で起こる過冷却オーステナイトの変態である。
パーライト変態やベイナイト変態に比べ、マルテンサイト変態には次のような特徴がある：
マルテンサイト変態は、オーステナイトが過冷却されたときに起こる。この時、鉄原子、炭素原子、または合金元素の活性は非常に低いため、変態は拡散することなく起こる。格子規則が再構築されるだけで、新しい相と母相の間に組成の変化はない。
剪断とは、同じ物体に作用する、近接し、大きさが等しく、方向が反対である2つの平行な力によって引き起こされる変形を指す。マルテンサイト変態の際、研磨前の試料の上面が傾斜し、凸状になることから、マルテンサイトの変態が母相の巨視的性質に直接関係し、せん断によってマルテンサイトが形成されることがわかる。
マルテンサイトとその母相であるオーステナイトは、界面の原子がマルテンサイトとオーステナイトの両方に属しており、コヒーレントな状態を保っている。相界面はせん断コヒーレント粒界であり、癖面とも呼ばれる。
マルテンサイト変態は、新しい相が母相の特定の結晶面や晶癖面上に形成され、母相の剪断によってコヒーレンスを維持する相変態プロセスである。
マルテンサイトの核生成
マルテンサイトの核生成は、合金全体で一様ではなく、格子欠陥、変形領域、炭素の乏しい領域など、母相内の有利な位置で起こる。
マルテンサイト変態プロセス
他の固体相転移と同様に、マルテンサイト変態も核生成と成長によって起こる。変態は原子の短距離移動であり、結晶核形成後の成長速度は非常に速く（102～106mm/s）、低温でも高いままである。
マルテンサイト変態率
マルテンサイト変態速度は核生成速度によって決定され、臨界核生成半径よりも大きな核がすべて消滅した時点で終了する。冷却不足が大きいほど、臨界核生成半径は小さくなる。より小さな核が核生成してマルテンサイトに成長するには、さらなる冷却が必要です。
一般工業用炭素鋼および 合金鋼マルテンサイト変態は、連続（可変温度）冷却中に起こる。鋼中のオーステナイトは、臨界焼入れ速度以上の速度でMS点以下に冷却され、その結果、いくつかのマルテンサイトが直ちに形成される。この変態には潜伏期間がなく、温度の低下とともに、最初に形成されたマルテンサイトが成長しないまま、さらにマルテンサイトが形成されます。マルテンサイト変態は、温度が下がるにつれて増加する。
マルテンサイト変態の量は、冷却中の到達温度によってのみ決定され、保持時間には影響されない。
保持オーステナイト
高炭素鋼や多くの合金鋼のMs点が室温以上で、Mf点が室温以下である場合、焼入れ後、室温まで冷却すると、かなりの量の未変態オーステナイトが残る。 保持オーステナイト.
を完全に変革する。 保持オーステナイト液体窒素に入れるなどの "低温処理 "を施すこともできる。
保持されるオーステナイト量に影響を与える要因としては、炭素含有量の増加やMSを低下させる元素の存在が挙げられる。
保持オーステナイトの機械的安定化
オーステナイトの機械的安定化とは、焼入れ時の大きな塑性変形や圧縮応力によって引き起こされる安定化現象を指す。残留オーステナイトは機械的安定化と関連している。マルテンサイトに囲まれたオーステナイトは圧縮された状態にあり、変態することができないため保持される。
変形誘起マルテンサイト（変形マルテンサイト）
MS点を超えるオーステナイトの塑性変形は、マルテンサイト変態を引き起こす可能性がある。変形量が大きければ大きいほど、マルテンサイト変態量も大きくなる。これを変形誘起マルテンサイト変態と呼ぶ。
可逆性とは、鉄、金、ニッケル、その他の非鉄金属の一部が、冷却するとオーステナイトからマルテンサイトに変化し、再加熱すると拡散することなくオーステナイトに戻る能力のことである。
しかし、マルテンサイト変態メカニズムに従ったこの逆変態は、加熱中にマルテンサイトがフェライトと炭化物に分解しているため、一般に炭素鋼では起こらない。このプロセスは焼戻しとして知られている。
MachineMFGの創設者として、私は10年以上のキャリアを金属加工業界に捧げてきました。豊富な経験により、板金加工、機械加工、機械工学、金属用工作機械の分野の専門家になることができました。私は常にこれらのテーマについて考え、読み、執筆し、常にこの分野の最前線にいようと努力しています。私の知識と専門知識をあなたのビジネスの財産にしてください。
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