この記事の内容は、下記の質問にお答えします。
- 平衡状態図とは? (どんな組織の状態なのか解説)
- フェライト組織とは? (フェライト組織の変化について解説)
- 面心立方格子とは?体心立方格子とは? (組織変化と組織構造について解説)
- マルテンサイト組織とは? (平衡状態図にないマルテンサイト組織について解説)
- 変態とは?(変態と状態変化の違いについて解説)
- 炭素鋼の組織変化とは? (パーライト組織について解説)
![組立君](https://kikaiyacircle.com/wp-content/uploads/2023/05/23281770-150x150.jpg)
監督〜! やっと熱影響の解説ですね。
これまで、鉄の分類で、鋼のレンジと鋳鉄のレンジを理解しました。
鉄の分類は、炭素含有量で決まっていました。
その中で、鋼のレンジには、炭素鋼と合金鋼があり、
また、炭素含有量が、重要な要素となっていました。
調質鋼も炭素含有量が重要で、炭素が多く含まれていると熱影響が高く、
調質(焼き入れ、焼き戻し)は、炭素量と熱影響の関係を利用してるんでしたね。
![現場 監督](https://kikaiyacircle.com/wp-content/uploads/2023/05/8783d37f64547c5bff69e11e34333d67-150x150.png)
その通りやで! めっちゃいい感じで理解してるやんけ〜! レベル爆上がりやんけ〜!
よっしゃ!今回もバコ〜んと解説いくで〜!
鉄の分類とは、鋼と鋳鉄との違いについて、材料の特性(機械的性質)について解説しています。
レベル1 平衡状態図の見方とフェライト組織
まず、鉄の熱影響に関して解説するには、鉄の組織についての理解が必要なんや〜!
鉄の組織変化に関しては、この平衡状態図が有名やけど、俺なりに図解にしてみたで〜! これや!
![](https://kikaiyacircle.com/wp-content/uploads/2023/07/97c37cdaed9efb2980308f76b509c492-1024x576.jpg)
平衡状態図の見方やけど!
横軸は、炭素含有量で、縦軸が温度を示しているんやけど、各材質の炭素含有量が横軸にあるやろ
例えば、SM材なら、炭素含有量は、0.23%だから、状態図の真ん中に位置してるんやで、
炭素含有量が0.23%のSM材は、縦軸の温度上昇によって組織変化するんやけどな
727度を超えて加熱すると、フェライト組織からオーステナイト組織に変化するんや
バーナーなどで、加熱して真っ赤にあったまった状態やな!
また、1000度を超えて加熱すると、液体状態となるんや
要は、727度以下の鉄の組織は、フェライト組織で
セメンタイトはと言うと、鉄(Fe)に炭素(C)が連結した金属間化合物で、
炭化物って言われてるんや!
このセメンタイトは、炭素と連結してるから、横軸の炭素含有量が多くなると、炭素量に比例して
増えていくんや! これが平衡状態図の見方やな
左から、純鉄のレンジがあり、鋼のレンジがあり、鋳鉄のレンジになるんやで
しかし、727度以下の組織は、鉄の分類に関係なくフェライト組織とセメンタイト(炭化物)なんや!
何度も言うけどな! 平衡状態図の見方の基本で、鉄の分類に関わらず、鉄の常温時は、
フェライト組織やねん! 炭素含有量によって、炭素が増えるけど、炭素は、鉄と結びついて
セメンタイト(炭化物)となって、存在してるんや!
フェライト組織の構造は、体心立方格子をしてるんや!
これ見たことあると思うけど学生時代に勉強したやつやで〜
フェライト組織の体心立方格子は、格子の隙間が狭く、炭素が侵入できないのが特徴やねん
学生時代で忘れてると思うけど、ここ何気に重要やから追加で説明するで〜
面心立方格子と体心立方格子は、下記の図解やな!
レベル上げてくで〜!
レベル2 面心立方格子と体心立方格子
![](https://kikaiyacircle.com/wp-content/uploads/2023/07/910381fb77624e5be2ff6dbaf8de0d44-1024x576.jpg)
レベル1の平衡状態図だけでは、わかりずらいから、この図解を作ったけど、
学生時代に勉強した内容やから、ここでは、重要なポイントだけ、理解してや!
ここで重要なんは、温度の上昇による、組織の変形の中で、
炭素が侵入できる隙間があるか、ないかが、重要やねん!
それ以外のことは、バコ〜んと、ぶっ飛ばしていいで〜!
体心立方とか、面心立方とかは、忘れてや〜!
次を急ぐで〜〜〜!
次は、各炭素含有量によって、変化に違いがあるけど、フェライト組織がどう変化するかが、
ポイントになるんやで!
レベル3 平衡状態図とオーステナイト組織
727度以下では、鉄の分類に関係なく体心立方格子の組織形状で、炭素が侵入できないで、
セメンタイト(炭化物)と共存していた組織が、この727度以上の温度領域では
違った変化をするんやで!
例えば、炭素含有量が4.5%の鋳鉄のレンジでは、
フェライト組織がオーステナイト組織となり、1000度近くで、液状となるんや!
ドロドロに溶けた液体状の鉄やな! これが、鋳鉄(炭素含有量が多い鉄)の特徴でもある
低い温度で、ドロドロになるっちゅうことやで! 鋳造に向いてる鉄は、鋳鉄と言うこっちゃ!
SM材(炭素含有量 0.23%)は、1500度で液体となるから、比べると、約500度も違いがあるねんな〜
話を戻すで!
![](https://kikaiyacircle.com/wp-content/uploads/2023/07/daf93c61aede4d64960cce2c22389eb6-1024x576.jpg)
鉄は、727度以上では、オーステナイト組織になるんや!
しかし、それは、炭素含有量によって、ちょっと違ってくんねん!
炭素鋼や合金鋼の鋼のレンジでは、左側やな!ちょっと細かく「フェライト、オーステナイト」と、
小さく書いてある領域があるけど、そこは、炭素鋼の組織変化で、詳しく図解化してるから、
ここでは、ぶっ飛ばしといて、あとで、詳しく解説するで〜
(レベル6で詳しく解説)
727度以上の平衡状態図のポイントはやな、左側(炭素含有量が低い領域)では、
液状になるには、1500度程度の加熱が必要なこと、同じく、左側では、
セメンタイト(炭化物)は、鉄と炭素が分離して、炭素は、オーステナイト組織に
侵入してくんや! だから、左側のオーステナイト組織は、オーステナイト組織の単体になっとるやろ〜
セメンタイトが分離して、炭素がなくなってるんやで!
右側(炭素含有量が高い領域)では、オーステナイト組織に変化しても、
炭素含有量によって、セメンタイトが残っているから、共存してるんやで!
セメンタイトは、炭素と結びついた鉄と炭素の金属間化合物やったな! ここでも炭素やで!重要や!
ここをまとめると、727以下では、フェライト組織と共存してたセメンタイトの中の炭素は、
727度以上では、オーステナイトの組織内に侵入して一緒になり、
この一緒になることを、固溶すると言うんや!溶け込むイメージやな!
オーステナイト組織の特徴は、格子が広く、炭素が組織内に侵入してくることだったな!
鉄の組織と炭素が固溶した状態、それを固溶体言うんや
ここで、重要なこと言うで〜〜〜! めっちゃ重要やで〜〜〜!
鉄は、温度の加熱によって、組織変化 つまり、変態するんや!
その温度を変態温度と言い、変態と同時に、炭素の移動まで起こってしまうんや!
この変態(組織変化)と炭素の移動は、重要やから、覚えといてや!
次は、727度以上では、オーステナイト組織となり、炭素を含んだ固溶体となった状態で
加熱をやめて、温度が下がっていったら、どのような組織変化をするかが、問題なんや!
次行くで〜〜
レベル4 平衡状態図とマルテンサイト組織
![](https://kikaiyacircle.com/wp-content/uploads/2023/07/5373c83c6bf0f7ec9dfe36386ab995c8-1024x576.jpg)
727度以上で、オーステナイト組織となって、炭素を含んだ固溶体は、
冷却と共に、2つの道を辿るんや!しかし、この冷却の方法によってな!
重要なポイントの冷却とは、急冷か、徐冷 かの違いなんや!
急冷は、読んで字のごとく、真っ赤な状態から、水や油にぶっ込んで、
「ジュワア〜〜」湯気が「ボ〜〜ボ〜〜!」みないな感じやで、急速冷却やな!
徐冷は、ゆっくり冷ますことを言うんや!=徐々に冷ます
外で、放置プレイやな! 雨にあたって、「ジュ〜〜〜」は、無しやで!
まずは、徐冷のパターンは、フェライト組織に戻るんや! これ単純な理解やな!
この平衡状態図に載ってない登場人物やなくて、登場組織が2つあってな!
その1つが、マルテンサイト組織やねん!
つまり、727度以上の加熱で、オーステナイト組織となった固溶体が、急冷されると、
平衡状態図の番外へ!バッコーンと飛ばされて、変態するねん!
その組織がマルテンサイト組織で、特徴は、硬い組織やねん! 何となくわかってきたかいな〜!
![組立くん](https://kikaiyacircle.com/wp-content/uploads/2023/05/23265285-150x150.jpg)
わかってきましたよ〜!監督!
鉄は、加熱すると組織が変化するんですね。それが、変態であって、
727度が変態点なんですね。
変態点を超えると、フェライト組織からオーステナイト組織に
変態をして、そこで、重要なのは、炭素の移動が起こることなんですね。
オーステナイト組織は、組織構造が面心立方格子で、格子の隙間が広く
炭素の移動(侵入)が、行われて、固溶体となるんでしたね。
![現場 監督](https://kikaiyacircle.com/wp-content/uploads/2023/05/0d8f1ae7021ad4fbdb1b2b84d4c9d028-150x150.png)
その通りや! 楽勝やろ!
![組立くん](https://kikaiyacircle.com/wp-content/uploads/2023/05/23273885-150x150.jpg)
マルテンサイト組織は、平衡状態図の登場組織には、無いけど
オーステナイト組織を急冷すると、番外に飛ばされて、
マルテンサイト組織に変態するんでしたね。これが、硬い組織なんですね。
鉄の分類の特徴でも炭素が多くなると硬く、脆くなる特性があったけど、
その炭素を固溶したマルテンサイト組織は、硬く、脆い組織なんですね。
![現場 監督](https://kikaiyacircle.com/wp-content/uploads/2023/05/8783d37f64547c5bff69e11e34333d67-150x150.png)
その通りやで〜! 完〜〜全〜に、理解やな!
凄いで、組立くん 完璧な理解やで!
この変態(組織変化)のまとめを、下の図解で解説するで〜!
レベル5 変態と状態変化
![](https://kikaiyacircle.com/wp-content/uploads/2023/07/39b70d2194c427504d00acfc5dd8ce4d-1024x576.jpg)
727度以下の温度領域では、鉄の分類に関係なく、フェライト組織だったな!
状態図の右側、鋳鉄のレンジに入ると、炭素が増えるから、炭素は、鉄と連結して、
セメンタイト(炭化物)として、共存してるんやったな!
この727度が変態点と言って、変態を開始する温度なんや!
727度以上に加熱すると、フェライト組織は、オーステナイト組織に変態を開始するんや!
その時の重要な現象が、炭素の移動やな!オーステナイト組織の構造は、格子の隙間が広く、
炭素が侵入して、固溶するんやんで! ここで完成したのが、固溶体やな!
さらに、1000度以上に加熱すると、炭素含有量が多い鉄は、液状となるんだったな!
鋳鉄のレンジの特徴は、ドロドロの液状やったな!鋳物向けやな!
炭素含有量が低い炭素鋼や合金鋼を、ドロドロにするには、1500度までの加熱が必要なんやで!
この固体から液体になることを、状態変化と言うんんや!
これは、水が蒸気になったり、氷になるのと同じやな!
727度以上の領域で、オーステナイト組織となり、炭素を含んだ固溶体は、
冷めていく過程で、2つの道を辿るんやったな!
それが、徐冷(ゆっくり冷やす)されると、フェライト組織に戻るんやったな!
その際にも、炭素の移動があり、組織変化(格子の広さの変化)に伴って、
炭素は、格子の隙間から脱出して、セメンタイト(炭化物)となるんやったな!
急冷されると、マルテンサイト組織に変態するんやで!
刀鍛冶が、刀を加熱して、水に「ジュワ〜」と、あれと、一緒やで!
刀鍛冶の仕事は、鉄の焼き入れについて、理解を増やしてくれるから、大事な題材なんやで、
今度、解説することにするで〜 楽しみにしといてや〜!
話を戻すで、
組織の特徴を整理すると、フェライト組織は、軟らかく、延性があるのが特徴で、
マルテンサイト組織は、硬く、脆い特徴があるんや!
もうわかったと思うけど、
![組立くん](https://kikaiyacircle.com/wp-content/uploads/2023/05/23265285-150x150.jpg)
監督!わかりました。
焼き入れして、硬度を上げるには、このマルテンサイト組織にするんですね。
刀鍛冶が、刀を加熱して、真っ赤な状態で、水に浸けて、急冷することで、
刀は硬い、マルテンサイト組織となっているんですね。
しかし、この硬いだけの刀は、脆くて、直ぐに折れてしまうんじゃないですか?
それに、炭素含有量が多い鋳鉄は、鋳造した時に、高温な状態で、マルテンサイト化して
いるんだから、硬く脆い鋳物になってるんですよね?
![現場 監督](https://kikaiyacircle.com/wp-content/uploads/2023/05/8783d37f64547c5bff69e11e34333d67-150x150.png)
めっちゃくちゃ!いいところに気がつくんやんけ〜!
やりよるな!組立くん!
その通りや! マルテンサイト化しただけの鉄は、
ただ硬いだけで、脆く弱いんや!
鋳造品(鋳物)や鍛造品も熱を使って、加熱して、加工するんやけど、その時も
この変態(組織変化)が関わってくるねんな〜!
だから、この熱影響を利用したのが、調質(焼き入れ、焼き戻し)なんや!
機械的性質を調整することが、熱処理の目的で、この熱影響を利用してるんや!
次回は、焼き入れの解説に行くんやけど、最後に、
平衡状態図のもう1つの登場組織の解説をしとくわ〜
レベル6 炭素鋼の組織変化(変態)
これが、熱影響の最後の図解やで!
この平衡状態図は、先ほどのレベル3で、鋼のレンジの組織変化は、あとで説明するから、
ぶっ飛ばしておいたけど、ここで、解説するで〜!
![](https://kikaiyacircle.com/wp-content/uploads/2023/07/b66a60827bd18f88fee12a7990747328-1024x576.jpg)
最後の登場組織は、パーライト組織や!!
パーライト組織は、他の組織と違う点があってな! 共析してんねん!
共析とは、固溶体が温度低下により、2種類の固相成分に分解する現象やねん!
2種類とは、フェライト組織とセメンタイト(炭化物)やけど!
つまり、パーライト組織とは、黒いセメンタイトと白いフェライトが、
シマウマ模様になった感じの組織やねん!
特徴として、軟らかく延性のあるフェライト組織と、粘りのある強いセメンタイトとが合体した
複合鋼材なんや!
この状態図に、参考として、SM400とS45Cを載せているけど、この共析が起こる炭素含有量の点を
共析点と言ってな、ズバリ! 炭素含有量 0.765%やねん!
炭素鋼や合金鋼の鋼のレンジでは、このシマウマ模様のパーライト君が、重要な鍵になるんや!
焼き入れするのには、オーステナイト組織にするのが、必要不可欠で、急冷して、マルテンサイト化が
重要なポイントなんやけど、共析点(炭素量 0.765%)があり、炭素含有量が、共析点では、
オーステナイト組織は、冷却される過程で、シマウマ模様の層状の組織である
パーライト組織になるんや! これも、平衡状態図の番外に飛ばされた組織やねん!
オーステナイト組織からしか、現れないから、パーライト組織とマルテンサイト組織は、
わかりずらいんやな!
パーライト組織、重要やから覚えておいてや!
![組立くん](https://kikaiyacircle.com/wp-content/uploads/2023/05/23265285-150x150.jpg)
監督! よくわかりました。やっぱり、炭素量が重要なんですね。
調質(焼き入れ、焼き戻し)するには、この変態(組織変化)の理解が重要で、
加熱温度と炭素含有量が、重要なんですね。
焼入れは、変態点(727度)を、超えて加熱することで、
オーステナイト組織にすることが、必要不可欠なんですね。
常温時では、オーステナイト組織は、存在しないですからね。
![現場](https://kikaiyacircle.com/wp-content/uploads/2023/05/0d8f1ae7021ad4fbdb1b2b84d4c9d028-150x150.png)
その通りやね! 炭素!炭素!と何度も連発してるけど、やはり重要やな!
間違いないで〜〜!
あと、忘れてないけないのが、冷却温度やねん!
![組立くん](https://kikaiyacircle.com/wp-content/uploads/2023/05/23273894-150x150.jpg)
理解してますよ。
急冷と徐冷でしたね。
急速冷却(水や油にポチャ〜ん & ジュ〜〜)と、
ゆっくり冷却(放置プレイ)でしたね。
調質とは、炭素含有量と変態(組織変化)と加熱温度と冷却温度を、駆使することで、
機械的性質をコントロールすることなんですね。
あと、炭素の移動が、硬度と割れに重要な影響を与えるんですね。
この超重要なポイントの割れは、どこで出てくるんですか??
![現場 監督](https://kikaiyacircle.com/wp-content/uploads/2023/05/0d8f1ae7021ad4fbdb1b2b84d4c9d028-150x150.png)
流石やね!組立くん 完〜全な理解やな!やりよるな!
いい感じの理解やで、この知識があれば、次の焼き入れは、楽勝やで〜!
熱影響と焼入れは、めっちゃ重要なんや、それと、
熱影響の最終章は、やはり溶接割れやねんな〜
炭素の移動による割れは、溶接の時に、出てくるんやで〜
ちなみに、組立くんは、溶接できるんかいな?
![組立君](https://kikaiyacircle.com/wp-content/uploads/2023/05/23273875-1-150x150.jpg)
出来ません!
特別教育は、受講して、取得しているレベルで、実技は、まだまだです。
溶接は、うまくなりたいっすぅ!
![現場 監督](https://kikaiyacircle.com/wp-content/uploads/2023/05/aa3fe89ddaca2c63ea288ff475fb3faf-150x150.png)
全く問題やしやで!
溶接に関しては、知識も重要やけど、やはり、技術が大切やな〜!
溶接編では、知識と、合わせて、技術も解説するで〜
まずは、次の焼き入れに関してやな! では、次回まで、楽しみに待っといてや〜
熱影響と焼入れの関係について解説 下記の記事を参考にして下さい。