鋼の変態温度と相

変態温度が実際に意味すること

鋼の変態温度は、鋼種の横に記載された普遍的な数値ではない。それは、化学組成、熱履歴、試験片の寸法、加熱または冷却速度、ならびにある組織が別の組織へ変化する機構に依存する境界、または観測される現象である。記載された温度は、平衡状態を示す場合もあれば、加熱中に反応が開始する温度、冷却中に反応が開始する温度、あるいは特定の測定方法によって変化が検出される温度を示す場合もある。これらは相互に関連する値ではあるが、置き換えて使用できるものではない。

相とは、明確な結晶配列と組成範囲を有する、物理的に異なる構造である。鋼において、オーステナイト（γ）は面心立方構造、フェライト（α）は体心立方構造、セメンタイトは斜方晶系の Fe₃C であり、University of Cambridge の Interpretation of the Microstructure of Steels（2008年）に記載されている。組織構成物とは、複数の相を含み得る微細組織上の集合体である。例えばパーライトは、フェライトとセメンタイトから成る組織構成物である。変態生成物とは、母相から形成される組織であり、パーライト、ベイナイト、マルテンサイト、初析フェライト、初析セメンタイトが、ASM によるオーステナイト変態の取り扱いで示される主要な生成物である。

温度（°C）

この区別が重要なのは、ある温度が相の消失を示していても、最終的な組織構成物を特定しているとは限らないためである。University of Cambridge の2002年の Fe–C 資料によれば、炭素量が約0.8 wt% で723 °C のとき、オーステナイトは共析反応 γ → α + Fe₃C を起こす。この式が示すのは、平衡状態での生成物であるフェライトとセメンタイトである。これは、炭素量が約0.8 wt% のすべての鋼が、実際の炉内サイクルにおいて、厳密に723 °Cで同じ組織を形成することを意味しない。

平衡境界と実用上の臨界温度

平衡を表す記号は、系が平衡に近づくために十分な時間を有し、熱力学的に安定な状態となった場合を示す。Ae1 は平衡共析温度であり、指定された組成と圧力のもとで、オーステナイトとフェライト＋セメンタイト混合物が共存できる境界である。Ae3 は亜共析鋼におけるオーステナイトの上側の平衡境界であり、オーステナイト単相域とオーステナイト＋フェライト二相域を分ける。Aecm は過共析鋼に対応する上側の境界であり、オーステナイト単相域とオーステナイト＋セメンタイト二相域を分ける。下付き文字の「e」は平衡を示す。

徐冷の場合、加熱時の臨界温度は冷却時の値より約33 °C高くなることがある。 Strong evidence

実操業上の温度は、通常、異なる記号で表される。Ac1 と Ac3 は加熱中に観測される変態温度を、Ar1 と Ar3 は冷却中に観測される変態温度を指す。「c」と「r」は、それぞれ加熱条件と冷却条件を示すものであり、新たな平衡相を意味するものではない。加熱中には、核生成と拡散に時間を要するため、材料が Ae1 を超えるまでオーステナイトの生成が開始しない場合がある。冷却中には、反応に過冷却が必要となるため、鋼が平衡境界を下回るまでフェライト、パーライト、またはセメンタイトが現れない場合がある。ASM International は、緩やかな冷却の場合、加熱時の臨界温度が冷却時の値より約33 °C高くなることがあると報告している（2024年）。この差はヒステリシスであり、状態図の誤りではない。

組成によっても、これらの境界は移動する。炭素は、オーステナイトの安定性と、フェライト、パーライト、セメンタイト、およびマルテンサイトが形成され得る温度に影響を及ぼす。合金元素は境界を移動させ、反応速度を変化させる。例えばシリコンは、変態温度範囲を高温側へ移動させ、オーステナイト中の炭素溶解度を低下させ、鉄炭化物を解離させる傾向がある。純鉄を基準としても、温度依存性はすでに存在する。Cambridge は、面心立方構造のオーステナイトが約910～1400 °C、融解温度が約1539 °Cであるとしている（2005年）。したがって、鋼種が純鉄から一つの固定された「オーステナイト化温度」をそのまま受け継ぐことはない。

加熱、冷却、恒温保持、連続冷却

加熱、冷却、保持では、それぞれ異なる点が問題となる。加熱時には、オーステナイトが形成されるのに十分な程度までフェライトとセメンタイトが溶解するのはいつか、という点が問題となる。熱遅れにより、厚い部材では炉温、表面温度、中心部温度が大きく異なる場合がある。放射温度計の読み値が Ac1 を超えていても、中心部はまだその温度に達していない可能性がある。そのため、炉の公称加熱スケジュールが同一であっても、断面寸法によって実効的な熱伝導経路は変化する。

冷却時には、反応経路が変態生成物を決定する。緩やかな冷却では、初析フェライトやパーライトのような、拡散に支配される再構成型の生成物が形成され、炭素原子と鉄原子が再分配される。より速い冷却では、これらの反応が抑制され、ベイナイトまたはマルテンサイトが生成することがある。Cambridge は、ベイナイトの成長について、鉄格子に関しては無拡散的であり、T₀温度以下では熱力学的に可能であると説明している。この温度域では、同一組成のオーステナイトよりもベイナイトの自由エネルギーが低い。マルテンサイトは、変位型で本質的に無拡散の変態である。その形成には炭素が長距離を移動する必要はないが、炭素量はその開始温度に強く影響する。

恒温変態では、オーステナイトを急速に所定の温度まで冷却した後、その一つの温度で保持する。TTT線図（time-temperature-transformation diagram：時間–温度–変態線図）は、そのような保持条件下で生成物の変態開始時期と終了時期を示す。そのC字曲線は、パーライトやベイナイトのような時間依存反応を表す。一方、マルテンサイト開始温度である Ms は、主として潜伏時間ではなく到達温度によって支配される非恒温的な変態を示す。Mf はマルテンサイト終了温度であるが、冷却が Mf より高い温度で停止し、残留オーステナイトが残ることもある。Cambridge は、炭素が Ms、Mf、および残留オーステナイト分率に影響すると報告している（2012年）。

一方、CCT線図は連続冷却中の変態を記録する。冷却速度によって、どの開始曲線を通過するか、また鋼が各反応温度域にどの程度の時間とどまるかが決まる。NIST の Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel（1990年）は、CCT線図によって焼入性を推定し、室温での微細組織、強度、硬さ、被削性、および疲労特性を予測できることを示している。したがって、CCTの値は Ae の値の代替にはならない。平衡境界は許容される相の安定性を示すものであり、TTT線図とCCT線図は、特定の熱履歴に沿って実際の変態生成物がいつ現れるかを示すものである。

鉄–炭素系の枠組み：相、結晶構造、領域

鉄–炭素状態図は、温度を調べるための一覧表ではなく、平衡状態を示す地図である。その各領域は、十分な拡散時間があることを前提として、特定の組成と温度において熱力学的に安定な相を示している。実際の鋼は、しばしばこれとは異なる経路をたどる。加熱速度と冷却速度は変態温度を変化させ、合金元素は相の安定性を変え、急冷は拡散律速の生成物の形成を抑制する可能性がある。そのため、同じ公称鋼種であっても、熱履歴によってフェライト、パーライト、ベイナイト、マルテンサイト、残留オーステナイト、またはこれらの混合組織を含むことがある。

この状態図はまた、相、微細組織構成成分、変態生成物を区別している。フェライト、オーステナイト、セメンタイトは相である。パーライトは二相からなる構成成分である。ベイナイトとマルテンサイトは、オーステナイトがどのように分解するかによって、その構造と組成が決まる変態生成物である。

フェライト、オーステナイト、セメンタイト

フェライトは、この文脈では通常 α と表記され、体心立方（BCC）結晶構造を持つ鉄に富む固溶体である。BCCフェライトでは、利用可能な侵入型格子位置が小さく、炭素に適していないため、炭素の固溶度は非常に低い。通常の温度では、低炭素鋼は一般に、連続相または母相としてフェライトを含んでいる。その比較的低い炭素含有量とBCC格子は、マルテンサイトと比べて硬さが低い理由の説明に役立つ。

オーステナイトは γ と表記され、面心立方（FCC）結晶構造を持つ。FCC格子には、より大きく、より適した侵入型格子位置があるため、フェライトよりもはるかに多くの炭素を固溶できる。この炭素保持能力は鋼の熱処理の中心的要素である。すなわち、冷却によってパーライト、ベイナイト、マルテンサイト、または別の混合組織が形成されるかどうかを決める前に、オーステナイト化によって炭素を γ 中に取り込もうとする。

純鉄について、ケンブリッジ大学の2005年の Stainless Steels: Phase Equilibria 資料では、FCCオーステナイトの温度範囲をおよそ910～1400 °Cとしている。この範囲は純鉄に固有のものであり、鋼に普遍的に適用できる範囲ではない。純鉄の融点は約1539 °Cであるが、炭素や合金元素の添加によって相境界と変態温度は移動する。

セメンタイト Fe₃C は、斜方晶結晶構造を持つ鉄炭化物である。これは約6.67 wt%の炭素を含む化合物相であり、通常の構造用鋼全体に含まれる炭素量よりはるかに多い。セメンタイトは硬く脆く、その量、形状、間隔、連続性は機械的挙動に大きな影響を与える。ケンブリッジ大学の Interpretation of the Microstructure of Steels（2008年）の資料は、三つの構造を直接示している。すなわち、オーステナイトはFCC、フェライトはBCC、セメンタイトは斜方晶のFe₃Cである。

これらの名称は、単に顕微鏡で見た外観ではなく、結晶構造を表している。フェライト粒は、欠陥や少量の溶質を含んでいても、一つの相である。フェライト中のセメンタイト粒子は、その組成と結晶構造が異なるため、独立した別の相であり続ける。

共析組成と反応[1][1] Materials Science & Metallurgy. University of Cambridge. University of Cambridge phase-trans materials, 2002.

整理に役立つ例が共析点である。ケンブリッジ大学の2002年の Materials Science & Metallurgy 資料では、次の反応について、炭素量を約0.8 wt%、温度を723 °Cとしている。

$$\gamma \to \alpha +{\mathrm{Fe}}_3\mathrm{C}.$$

どちらの値も近似値であり、出典に依存する。参照状態、実験データ、合金に関する仮定、または臨界温度の定義に用いる慣行が異なるため、公開されている状態図では若干異なる数値が示されることがある。0.8 wt%と723 °Cを厳密な定数として扱うよりも、表記された反応そのものの方が重要である。

共析組成では、平衡共析温度を通過して温度が低下すると、オーステナイトはフェライトとセメンタイトに変態する。適切な冷却条件では、これらの相は交互に並ぶ板状またはラメラ状の組織を形成し、これをパーライトと呼ぶ。パーライトは第三の結晶構造でも単一相でもない。各フェライトラメラはBCCであり、各セメンタイトラメラは斜方晶のFe₃Cである。このコロニー規模のパターンは、二つの相が協調的に成長することによって生じる変態生成物または微細組織構成成分である。

冷却速度は、ラメラ間隔、場合によっては生成物そのものを変化させる。徐冷では、炭素がより長い距離を拡散できるため、比較的粗いパーライトが形成されやすい。より速い冷却では、より微細なパーライト、ベイナイト、または拡散がほぼ阻止される場合にはマルテンサイトが形成されることがある。ASM Internationalは、オーステナイトから形成される主要な生成物として、パーライト、ベイナイト、マルテンサイト、初析フェライト、初析セメンタイトを挙げている。[2][2] Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel. National Institute of Standards and Technology. NIST Interagency Report, 1990.

このため、「鋼の変態温度」という表現だけでは不十分である。平衡状態図は、平衡共析温度である Ae₁ のような値を示す。一方、加熱および冷却では、それぞれ Ac 温度と Ar 温度が生じ、両者は異なる場合がある。ASMの2024年の Critical Temperature Ranges は、徐冷条件では、加熱時の臨界温度が冷却時の値より約33 °C高くなることがあると記している。等温変態図は、選択した温度で保持する場合を表す。連続冷却変態（CCT）図は、冷却を中断せずに行う場合を表す。NISTの1990年の研究 Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel は、CCT図を用いて焼入性を推定し、室温での微細組織、強度、硬さ、被削性、疲労特性を予測できることを示している。

シリコンは、固定値を想定すべきでないことをさらに示す例である。ASMによれば、シリコンは変態温度範囲を上昇させ、オーステナイト中の炭素の固溶度を低下させ、鉄炭化物を解離させる傾向がある。組成は、炉内サイクルが始まる前から相領域を変化させるのである。

初析フェライトと初析セメンタイト

共析組成よりも炭素量が少ない鋼は、亜共析鋼である。オーステナイトから冷却する際、残りのオーステナイトが共析組成に達する前に、フェライトが最初に形成される。この初期に形成されるフェライトを初析フェライトと呼ぶ。共析温度では、残留オーステナイトがその後パーライトに変態する。したがって、最終的な亜共析鋼の組織は一般に、初析フェライトとパーライトを含む。ただし、冷却速度と合金元素の影響によって、ベイナイトまたはマルテンサイトが形成されることもある。

共析組成よりも炭素量が多い鋼は、過共析鋼である。セメンタイトは通常、旧オーステナイト粒界やその他の形成に適した部位に沿って、オーステナイトから最初に形成される。これが初析セメンタイトである。残りのオーステナイトは共析組成となり、その後の冷却でパーライトに変態する。形成される組織は一般に、初析セメンタイトとパーライトを含む。

「初析」という語は「共析反応より前に形成された」という意味であり、「オーステナイトが存在する前に形成された」という意味ではない。両方の生成物は、冷却中にオーステナイトから形成される。その量は組成と相領域を通る経路に依存し、形態は核生成、拡散、粒径、冷却速度に依存する。冷却が十分に速い場合、共析分解は回避されることがある。ケンブリッジ大学の2008年の鋼の微細組織に関する資料は、これらの再構成型で拡散律速の反応と、変位型変態とを区別している。パーライトの形成に必要な長距離の化学拡散がなくても、マルテンサイトは形成され得る。炭素はまた、ケンブリッジ大学の2012年の Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel に記録されているように、マルテンサイト開始温度およびマルテンサイト終了温度、ならびに残留オーステナイトの割合にも影響を与える。

加熱中のオーステナイト形成

オーステナイトは、普遍的に決まった一つの温度で現れるわけではない。その形成は、炭素含有量、合金元素の添加量、加熱速度、保持時間、さらに加熱前に存在するフェライト–パーライト組織または焼戻し組織に依存する。オーステナイトそのものは面心立方晶のγ鉄であり、フェライトは体心立方晶のα鉄、セメンタイトは斜方晶のFe₃Cである。これは、ケンブリッジ大学の Interpretation of the Microstructure of Steels（2008年）で説明されている。加熱によって、結晶構造だけでなく、これらの相間における炭素の分布も変化する。

Ac1、Ac3、Accmという記号は、加熱中に測定または観察される実用的な臨界温度を表す。「c」は加熱を示し、「1」はオーステナイト形成の開始を示す。したがってAc1は、フェライトとパーライトから、または過共析鋼においてパーライトとセメンタイトから、オーステナイトが初めて形成される温度である。Ac3は、亜共析鋼において最後の初析フェライトが消失する温度である。Accmは過共析鋼に対応する上限境界であり、この温度を超えるとセメンタイトが固溶し、未固溶の合金炭化物を除いて組織は完全にオーステナイト化する。

これらはAe1、Ae3、Aecmと同じものではない。Ae表記は平衡条件を指し、規定された組成と温度において、拡散によって相の割合が調整される状態を意味する。Ac値は実際の加熱経路を表すため、加熱速度、試験片の寸法、加熱前の状態、測定方法によって変化する。ASM Internationalは、徐冷の場合、加熱時の臨界温度が冷却時の値よりおよそ33 °C高くなる場合があるとしている（Critical Temperature Ranges, 2024年）。したがって、公表されたAc1またはAc3の値は、鋼の組成および試験条件と併記されなければならない。

Ac1、Ac3、Accmを通過する過程

典型的な低炭素構造用鋼などの亜共析鋼では、出発組織は通常、フェライトとパーライトから成る。共析組成に近い場合、パーライトのコロニーはAc1で変態を開始する。ケンブリッジ大学の Materials Science & Metallurgy の資料（2002年）によれば、炭素量約0.8 wt%、温度723 °Cでは、平衡共析反応はγ → α + Fe₃Cである。加熱ではこの反応が逆向きに進み、パーライト中のフェライトとセメンタイトが消費されてオーステナイトを形成する。

この変態は、完全に鋭い境界面が進行するようには起こらない。オーステナイトは、フェライト–セメンタイト界面、パーライトコロニーの境界、その他の高エネルギー部位で核生成する。その後、周囲のフェライト内部へ成長する。置換型合金元素よりも炭素の方がオーステナイト中をはるかに速く拡散するため、初期段階では炭素濃度が不均一になる。最後に残ったフェライトは、温度がAc3に近づくにつれて初めて溶解する。Ac3未満では、組織はオーステナイトと初析フェライトの混合組織であり、Ac3を超えると、母相はオーステナイトになる。

過共析鋼では、異なる経路をたどる。パーライトはAc1以降に変態するが、初析セメンタイトは旧オーステナイト粒界の周囲、または組織内部に残存する。セメンタイトが十分に溶解し、温度がAccmを超えるまで、オーステナイトは完全には形成されない。したがって、Ac1をわずかに超える温度まで加熱しただけでは、相当量のセメンタイトを含むオーステナイトが残る可能性がある。この状態を「完全にオーステナイト化した」と呼ぶのは正しくない。

純鉄については、ケンブリッジ大学の相平衡データにより、面心立方晶のオーステナイトはおよそ910～1400 °Cの範囲に存在し、融解温度は約1539 °Cとされている。鋼は純鉄の限界に従うわけではない。炭素および合金元素によって境界は移動し、工業的な加熱はしばしば平衡状態から大きく外れて行われる。実際に重要なのは、炉が表示された温度に到達したかどうかだけではない。必要な相が断面全体で変態するための時間を確保できたかどうかが問題となる。

炭素の固溶と炭化物の再分配

炭素はセメンタイトから離れ、成長中のオーステナイトを通って拡散しなければならない。微細なパーライト組織は、粗大パーライトより通常速く変態する。これは、フェライト–セメンタイト界面の面積が大きく、拡散距離が短いためである。加熱前の冷間加工、粒径、偏析、さらに以前に施された焼戻し処理も、核生成サイトと溶解速度を変化させる。

Ac1以降、新たに形成されたオーステナイトは、その温度における平衡値よりも少ない炭素しか含まない場合がある一方、溶解中のセメンタイトに近い領域では炭素量が多くなる。保持によって炭素の再分配が進む。時間が不十分であると、未溶解セメンタイト、炭素の少ないオーステナイト、または局所的な組成勾配が残る可能性がある。溶解がすでに完了している場合でも、過度に高い温度または長時間の保持によって、旧オーステナイト粒は粗大化し得る。

合金炭化物が存在すると、この過程は遅くなる。クロム、モリブデン、バナジウム、ニオブ、チタンを含む炭化物は、通常のFe₃Cを溶解するのに必要な温度をはるかに超えても安定に残存することがある。それらを残存させることは意図的な場合もあるが、表示された「オーステナイト化温度」に達したからといって、炭素を含むすべての粒子が固溶したことを保証するわけではない。鋳造時およびそれ以前の加工中には、炭素や置換型原子も偏析するため、同一の部材内でも局所的な変態温度が異なることがある。

シリコンおよび合金元素添加の影響

シリコンは、変態温度を示す際に組成を併記しなければならない理由を明確に示す例である。ASM Internationalによれば、シリコンは変態温度範囲を上昇させ、オーステナイト中の炭素の固溶度を低下させ、鉄炭化物を解離させる傾向がある。シリコン合金鋼では、セメンタイトの安定性と炭素の分配が、普通炭素鋼の場合とは異なる。結果として、実用的な加熱境界の上昇、炭化物溶解挙動の変化、さらに熱サイクル中に炭素がオーステナイトと他の構成相との間に分配された状態で残りやすくなる傾向が生じる可能性がある。

マンガンは一般に臨界変態温度を低下させ、焼入性を高める。一方、ニッケルはオーステナイトを安定化し、クロム、モリブデン、バナジウム、ニオブ、チタンは安定な炭化物または窒化物を形成することがある。これらの複合的な効果を、単一の元素だけから推定することはできない。加熱速度も重要である。急速加熱では、拡散と核生成が炉温の上昇に遅れるため、観測されるAc値が高くなることがある。

このように形成されたオーステナイトが、その後の変態を支配する。冷却時には、組成と冷却経路に応じて、パーライト、ベイナイト、初析フェライト、初析セメンタイト、またはマルテンサイトを形成し得る。NISTの報告書 Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel（1990年）は、焼入性の推定や、室温組織、強度、硬さ、被削性、疲労特性の予測にCCT線図を用いる理由を示している。オーステナイト形成は出発条件であって、特定の最終組織を保証するものではない。

冷却生成物：パーライト、ベイナイト、マルテンサイト、および先共析相

オーステナイトには、冷却によって必ず生成する単一の生成物があるわけではありません。結果は、炭素量および合金元素量、旧オーステナイト結晶粒径、加熱条件、冷却速度、ならびに各温度での保持時間に依存します。ASM International は、オーステナイト変態の主要な生成物として、パーライト、ベイナイト、マルテンサイト、先共析フェライト、および先共析セメンタイトを挙げています。これらの名称は、すべて同じ種類のものを表しているわけではありません。フェライトとセメンタイトは相であり、パーライトとベイナイトは複数の相を含む変態生成物であり、マルテンサイトは異なる機構によって形成される過飽和相です。

よく知られた共析反応は、この違いを示しています。University of Cambridge の Materials Science & Metallurgy（2002）では、この反応を炭素量約 0.8 wt%、723 °C で生じるものとしています。

$$\gamma \to \alpha +{\mathrm{Fe}}_3\mathrm{C}$$

ここで、γ は面心立方オーステナイト、α は体心立方フェライト、Fe₃C は斜方晶セメンタイトです。これらについては、Cambridge の Interpretation of the Microstructure of Steels（2008）で説明されています。この温度は平衡状態における基準であり、普遍的な切替点ではありません。実際の変態開始温度は、熱履歴や組成によって、この温度より低くなる場合も高くなる場合もあります。

再構成型・拡散律速生成物としてのパーライト

パーライトは、オーステナイトがフェライトとセメンタイトの交互層へ協調的に分解するときに形成されます。炭素は再分配されなければなりません。フェライトが固溶できる炭素量はごく少ない一方、セメンタイトははるかに多くの炭素を収容できるためです。また、鉄の格子も、オーステナイトの面心立方配列から体心立方フェライト構造へと再構成されます。したがって、これは既存の格子が単純に形状変化するのではなく、再構成型の拡散律速変態です。

この協調的な性質は重要です。フェライトの形成によって炭素が近傍のオーステナイトへ排出され、局所的な炭素濃度が上昇することで、その隣にセメンタイトが形成されやすくなります。一方、セメンタイトの形成は、隣接するフェライトが成長できる条件をもたらします。その結果形成されるコロニーはラメラを含み、その間隔は変態温度に大きく依存します。一般に、変態温度が高いほど粗いパーライトが形成され、低いほど、利用可能な拡散距離が短くなるため微細なパーライトが形成されます。冷却速度は、変態開始温度だけでなく、生成物の間隔、体積分率、および形態も変化させます。

亜共析鋼では、残りのオーステナイトが共析組成に達する前に、先共析フェライトが形成されます。先共析フェライトは旧オーステナイト結晶粒界に沿って優先的に成長し、未変態オーステナイトから炭素を取り除くため、残りのオーステナイトは次第に炭素に富むようになります。過共析鋼では、代わりに先共析セメンタイトが形成され、通常はオーステナイト結晶粒界に沿って析出します。その間、残りのオーステナイトは、パーライトへ変態する前に、元の合金と比べて炭素に乏しくなります。したがって、最終組織はパーライト単独ではなく、フェライトとパーライト、またはセメンタイトとパーライトを含む場合があります。

Ae1、Ae3、および Aecm という用語は、平衡境界を表します。Ae1 は共析境界、Ae3 は適切な組成においてオーステナイトと、オーステナイトおよび先共析フェライトの二相域を分ける境界、Aecm はそれに対応するセメンタイト境界を示します。加熱時と冷却時の臨界温度は一致するとは限りません。ASM International の Critical Temperature Ranges（2024）によれば、徐冷の場合、加熱時の臨界温度は冷却時の値より約 33 °C 高くなることがあります。速度論および熱ヒステリシスは、状態図の誤りではなく、変態の一部です。

ベイナイトと T₀ 条件

ベイナイトは、単純化された状態図では見えにくくなりがちな中間的な位置を占めます。その成長は、鉄の格子に関しては無拡散的です。つまり、鉄原子は長距離を個別に拡散するのではなく、協調的な変位型機構によって移動します。ただし、炭素が無関係になるわけではありません。初期の格子変化によって形成された過飽和フェライトは、鋼の組成および変態条件に応じて、通常はオーステナイト中または炭化物中へ炭素を再分配しなければなりません。したがって、ベイナイトは、単に間隔がより細かいパーライトでも、高温で形成されたマルテンサイトでもありません。

T₀温度T₀温度 同一組成のオーステナイトとベイナイトフェライトの自由エネルギーが等しくなる温度。この温度より低温では、指定されたベイナイト変態が熱力学的に許容される。

University of Cambridge の The Bainite Reaction（2024）は、ベイナイトの成長を、鉄の格子に関しては無拡散的であり、T₀ 温度以下で熱力学的に可能なものとして説明しています。T₀ とは、化学組成が同一のオーステナイトとベイナイトフェライトの自由エネルギーが等しくなる温度です。T₀ 未満では、組成が変化していないベイナイトフェライトの自由エネルギーはオーステナイトより低いため、変位型の段階が熱力学的に許容されます。T₀ を超えると、同一組成の変態にはその駆動力がありません。

この条件は、すべての合金が T₀ を通過すると直ちにベイナイトへ変態することを意味しません。核生成障壁、炭素の分配、炭化物の析出、合金元素の添加、欠陥、および利用可能な時間のすべてが反応に影響します。最終的なベイナイト組織にはフェライトと炭化物が含まれる場合があり、その外観は、炭化物がフェライト板の間で形成されるか、あるいは組成と加工によってその形成が抑制されるかによって異なります。例えば、シリコンは変態温度域を高め、オーステナイト中の炭素溶解度を低下させ、鉄炭化物を解離させる傾向があります。このような効果は、単一の固定温度を単に移動させるのではなく、変態の経路と生成物を変化させます。

時間—温度—変態線図は、C 曲線によってこのような速度論的限界を示します。連続冷却変態線図は異なる結果を示します。これは、変態が進行する間、試料が温度域を通過し続けるためです。NIST の Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel（1990）は、CCT 線図によって焼入性を推定し、室温でのミクロ組織、強度、硬さ、被削性、および疲労特性を予測できると述べています。この予測用途があるため、冷却速度を単一の「ベイナイト温度」に置き換えることはできません。

変位型・非熱的変態としてのマルテンサイト

マルテンサイトは、オーステナイト格子の協調的なせん断とシャッフルによって形成されます。これは変位型変態です。鉄原子は、パーライトに必要な長距離の化学的拡散を伴わずに、短い距離を移動します。炭素は変態した格子内に捕捉され、過飽和と格子ひずみを生じさせます。炭素鋼では、生成するマルテンサイトは一般に体心正方晶構造として説明されますが、その正方晶性は炭素量と焼戻しによって変化します。

マルテンサイトは、冷却経路が核生成に十分な駆動力を与えると、マルテンサイト開始温度 Ms で形成され始めます。この変態が非熱的と呼ばれるのは、形成量が主として一定温度での保持時間ではなく、到達した温度によって決まるためです。したがって、Ms は変態温度であって、すべてのオーステナイトが変態したことを保証する温度ではありません。一般に、さらに冷却するとマルテンサイト量は増加しますが、室温で一部のオーステナイトが残留することがあります。[3][3] Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel. University of Cambridge. University of Cambridge phase-trans materials, 2012.

マルテンサイト終了温度 Mf にも同じ制限があります。Mf は、指定された条件におけるマルテンサイト変態の外挿上または測定上の完了範囲を示すものであり、残留オーステナイトが存在しないことを絶対的に保証するものではありません。Cambridge の Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel（2012）は、炭素が Ms、Mf、および残留オーステナイト分率に影響することを具体的に示しています。合金元素や先行する変態も結果を変化させます。

急速冷却によって再構成型生成物の形成を抑制し、マルテンサイトを形成させることができますが、「急速」の意味は鋼種によって異なります。ある冷却速度では、鋼の CCT 線図に Ms より前にパーライトまたはベイナイトが示され、別の冷却速度ではマルテンサイトが示されることがあります。したがって、相の選択は熱履歴全体に従って決まります。平衡温度は形成され得る状態を特定し、TTT 線図は等温変態の速度論を記述し、CCT 線図は実際の連続冷却を記述します。温度だけでは、ミクロ組織の全体像を決して説明できません。

TTT線図：恒温変態データで示せることと示せないこと

時間―温度―変態（TTT）線図は、オーステナイトを選択した温度まで加熱または冷却し、その温度で保持したときに何が起こるかを記録したものである。これは、固定された変態温度を網羅的に示す表ではない。曲線は、明記された鋼の組成、オーステナイト化処理、初期結晶粒径、ならびに変態開始および終了の実験的定義に対して適用される。

線図を作成するため、まず試験片をオーステナイト領域内の十分高い温度まで加熱し、必要なγ組織を生成させる。次に、選択した保持温度まで急冷する。この急冷中の温度降下の過程で変態が起こらないようにしなければならない。保持温度では、試験片を恒温で保持しながら、膨張測定、金属組織観察、磁気応答、またはその他の測定によって組織の変化を検出する。変態が検出可能になった時点を開始点としてプロットし、選択した割合の変態が完了したと判定された時点を終了点としてプロットする。この手順を多数の温度で繰り返すことにより、よく知られた曲線が得られる。

この結果により、変態生成物、相、および温度が区別される。オーステナイトは相であり、炭素および合金元素を含む面心立方晶のγ鉄である。パーライトおよびベイナイトは変態生成物であり、通常、異なる形態で配置されたフェライトと炭化物から構成される。マルテンサイトも変態生成物であり、格子の変位型変化によってオーステナイトから生成する。共析反応では、約0.8 wt%の炭素および723 °C付近において、University of Cambridge（2002）が説明しているように、オーステナイトはγ → α + Fe₃Cに従って変化する。Cambridgeは、フェライトを体心立方晶、セメンタイトを斜方晶のFe₃Cとして示している。

C曲線の読み方

縦軸には温度、横軸には通常対数目盛の時間が示される。鋼をオーステナイト化し、線図上のある点まで急冷した後、水平に保持する。その水平線が650 °Cで初めて変態開始曲線と交差する場合、その交点までの経過時間が、検出可能な変態が始まる前の潜伏期間である。そのまま保持を続けると、組織は対応する変態終了曲線に向かって進行する。2本の曲線の間の領域は、未変態オーステナイトと変態生成物との混合領域を示すものであり、正確に定義された単一の温度を有する単一相を示すものではない。

曲線は中間温度域で短時間側へ湾曲し、一般に「ノーズ」を形成する。このノーズ付近では、変態の駆動力が大きい一方で原子の移動も十分に速いため、変態が最も速く進行する。高温では駆動力が小さいため核生成が遅くなり、低温では拡散の低下によって成長過程が遅くなる。したがって、ノーズは単一の臨界温度ではなく、時間と温度の条件を示している。

該当する範囲より高い温度で恒温保持すると粗いパーライトが生成する場合があり、より低い温度で保持すると、組成および線図に応じて、より微細なパーライトまたはベイナイトが生成する場合がある。正確な境界は、炭素、マンガン、クロム、モリブデン、シリコン、初期オーステナイト結晶粒径、ならびにオーステナイト化条件によって変化する。例えばシリコンは、変態温度域を高温側へ移動させ、オーステナイト中の炭素溶解度を低下させ、鉄炭化物を解離させる傾向がある。また、加熱時と冷却時の臨界温度は一致するとは限らない。ASM International（2024）は、徐冷の場合、加熱時の臨界温度が冷却時の値より約33 °C高くなることがあると報告している。

TTT曲線を、連続的に冷却される部材へ直接適用することはできない。炉、油浴、溶接部、または厚肉部材は、水平な恒温保持ではなく、傾斜した温度―時間経路をたどる。その経路の途中で、材料は変態が開始する温度域を通過する可能性があるが、利用可能な時間は連続的に変化する。この問題には、連続冷却変態（CCT）線図が適切な手段となる。NIST（1990）によるSAE 1141鋼の研究では、焼入性の推定、および室温でのミクロ組織、強度、硬さ、被削性、疲労特性の予測にCCTデータを用いている。TTT線図はなお指針を与えることができるが、連続冷却に適用するには、通常、計算による冷却曲線または実験的に求めたCCTデータによる検証が必要である。

再構成型変態領域と変位型変態領域

多くの鋼の線図に示される別々のC曲線は、同じ現象に対する単なる異なる名称ではなく、異なる機構を反映している。再構成型変態では、原子が界面を横切り、拡散を伴う過程によって再配列する必要がある。パーライトはその標準的な例である。鉄格子がオーステナイト領域からフェライト領域へ変化する間に、炭素が分配され、フェライトとセメンタイトが生成する。共析反応に先立って生成する初析フェライトまたは初析セメンタイトも、拡散によって支配されるこの変態群に属する。

ベイナイトは異なる領域を占める。Cambridgeの The Bainite Reaction（2024）は、ベイナイトの成長が鉄格子に関しては無拡散的であり、同じ組成のベイナイトがオーステナイトより低い自由エネルギーを持つT₀温度以下で熱力学的に可能になると述べている。したがって、この変態は鉄格子の変位型変化と、最終的なベイナイト組織を決定する炭素の再分配または析出過程を組み合わせたものである。これを単に「微細なパーライト」として扱ってはならない。

マルテンサイトは、再構成型変態を抑制するのに十分な速さでオーステナイトを冷却したときに生成する。生成中、格子は協調的な変位によって変化し、長距離拡散は本質的に起こらない。そのため、マルテンサイト領域は通常の時間依存のC曲線ではなく、温度によって表される。

Ms、Mf、および残留オーステナイト

Msはマルテンサイト開始温度であり、オーステナイトを冷却した際にマルテンサイトの生成が始まる温度である。この温度域における変態はアサーマル変態であり、生成量は主として到達した温度によって決まり、一定温度での保持時間には左右されない。Mfはマルテンサイト終了温度であり、定義されたマルテンサイト変態が完了する公称温度である。

Mfは室温を下回る場合がある。その場合、室温まで冷却しても一部のオーステナイトは未変態のまま残る。これが残留オーステナイトであり、単純な温度の参照によって選択される別個の平衡相ではない。残留オーステナイトは組成と冷却経路の結果として生じ、その量は後続の焼戻し、使用中の負荷、または変形によって変化する可能性がある。

炭素は、これら3つの量すべてに強い影響を及ぼす。University of CambridgeのTTT資料（2012）は、炭素がMs、Mf、および残留オーステナイト分率に影響することを示している。一般に、炭素量が増加するとMsとMfは低下し、所定の冷却処理後に残るオーステナイトの割合は増加する。合金元素や、それまでの加工履歴も結果を変化させる。したがって、ある線図に示されたMsの線は、その鋼種および試験条件に固有のものであり、別の鋼種や部材に無批判に転用することはできない。

CCT線図と工業的な冷却経路の実際

変態温度範囲を通過する連続冷却

時間―温度―変態（TTT）線図は、オーステナイトを選択した温度に保持したときに何が起こるかを示す。この条件は等温反応の研究には有用であるが、鋼部品が通常たどる熱履歴ではない。鍛造品は金型から取り出されると連続的に熱を失う。圧延製品は変化する温度場を通過しながら冷却される。焼ならし鋼や焼なまし鋼は、炉冷または空冷中に変態温度範囲を通過する一方、焼入れ部品は、しばしばマルテンサイト開始温度 Ms に到達する前に、その範囲を急速に通過する。

したがって、連続冷却変態（CCT）線図のほうが、実際的なマップとなる場合が多い。CCT線図では、変態開始境界および変態終了境界が、連続的に低下する温度に対してプロットされる。線図上に冷却曲線を描くと、オーステナイトが特定の生成物を形成できる温度範囲に、いつ、どのくらいの時間存在するかが分かる。冷却曲線はフェライト開始領域に入り、パーライト形成領域へ進み、ベイナイト領域を通過した後、最後に Ms を横切ることで、残存オーステナイトがマルテンサイトへ変化する場合がある。したがって、最終組織は、単一の名称をもつ相または変態生成物ではなく、混合組織となり得る。

この区別が重要なのは、フェライト、パーライト、ベイナイト、マルテンサイトが同じ機構によって形成されるわけではないからである。亜共析鋼または過共析鋼では、共析反応に先立って初析フェライトまたは初析セメンタイトが形成されることがある。共析組成付近、すなわち炭素量約 0.8 wt%、温度 723 °C では、ケンブリッジ大学の Materials Science & Metallurgy 資料（2002年）によれば、オーステナイトは γ → α + Fe₃C の反応を起こす。ここで α はフェライト、Fe₃C はセメンタイトである。ケンブリッジ大学の Interpretation of the Microstructure of Steels（2008年）は、オーステナイトを面心立方構造、フェライトを体心立方構造、セメンタイトを斜方晶系の Fe₃C としている。

より低い温度では、鉄格子に関しては拡散を伴わない変態によってベイナイトが形成されることがある。ただし、炭素の再分配は、その反応および生成物にとって依然として重要である。ケンブリッジ大学の The Bainite Reaction（2024年）によれば、ベイナイトの成長は T₀ 温度以下で熱力学的に可能である。この温度域では、同一組成のオーステナイトよりもベイナイトの自由エネルギーが低い。冷却が十分に速ければ、拡散によって支配される生成物の形成を回避できる。その場合、オーステナイト格子は変位型にマルテンサイトへ変化し、Ms で形成が始まる。マルテンサイト形成は非熱活性化型であるため、形成量は、ある温度での保持時間よりも、温度が Ms をどこまで下回るかに主に依存する。

CCT曲線も、「鋼」に普遍的な性質ではない。オーステナイト化温度、保持時間、初期のフェライト・パーライト組織またはベイナイト組織、結晶粒径、合金元素量、冷却媒体のすべてが結果に影響する。例えばシリコンは、変態温度範囲を高温側へ移動させ、オーステナイト中の炭素溶解度を低下させ、鉄炭化物を解離させる傾向がある。さらに、加熱時と冷却時に測定された臨界温度は一致するとは限らない。ASM International の Critical Temperature Ranges（2024年）によれば、冷却速度が遅い場合、加熱時の臨界温度は冷却時の値より約 33 °C 高くなることがある。

SAE 1141の例

National Institute of Standards and Technology の報告書 Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel（1990年）は、応用上有用な例を示している。SAE 1141は硫黄を再添加した中炭素鋼であり、一般に SAE/AISI 1141の鋼種記号で обозначされる。硫黄の添加によって快削性は向上するが、この鋼種も、炭素含有量、オーステナイトの状態、冷却速度、断面形状の相互作用全体に応答する。

NISTの研究では、鋼種に一つの変態温度を割り当てるのではなく、CCTデータを用いて、オーステナイトの冷却経路と室温組織を結び付けている。比較的遅い冷却経路では、低温に到達する前にフェライトおよびパーライト領域と交差することがある。より速い冷却経路では、これらの反応の一部または全部が抑制され、ベイナイト領域に入るか、Ms を横切ってマルテンサイトを形成するまで拡散変態を回避することがある。冷却曲線が複数の変態開始領域と交差する場合、得られる鋼は、初析フェライトとパーライト、パーライトとベイナイト、ベイナイトとマルテンサイト、または複数の生成物を同時に含むことがある。冷却停止時に未変態のまま残ったオーステナイトは、残留オーステナイトとして存在し続けることがある。

この残留分は、些細な要素ではない。ケンブリッジ大学の Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel（2012年）は、炭素が Ms、マルテンサイト終了温度 Mf、および残留オーステナイト量に影響することを明確に示している。鋼を Mf より高い温度までしか冷却しない場合、一部のオーステナイトが残ることがある。それは後の使用中、機械加工中、または後続の熱処理中に変態し、寸法や応力を変化させる可能性がある。

NISTによる SAE 1141の研究は、実際的な要点を直接示している。鋼のCCT線図は、焼入性を推定し、室温での微細組織、強度、硬さ、被削性、疲労特性を予測するために利用できる。ただし、これらの予測は推定値であり、実際の熱サイクルと断面を確認する代替手段ではない。表面の冷却曲線が変態境界の十分左側を通過する一方で、中心部はより遅く冷却され、フェライトとパーライトを形成することがある。したがって、同じ部品でも、硬いマルテンサイトの表面層と、より軟らかい混合組織の中心部を持つ場合がある。

焼入性、断面寸法、特性予測

焼入性は、硬さと混同されることが多い。しかし、両者は異なる測定対象である。硬さは、特定の状態における押込みまたは変形に対する抵抗を表す。焼入性は、所定のオーステナイト化処理および冷却条件のもとで、鋼がマルテンサイトを形成する能力と、形成可能な深さを表す。焼入性の高い鋼に、普遍的な硬さの値が一つ割り当てられるわけではない。その硬さは、炭素含有量、マルテンサイト量、焼戻し、局所的な冷却速度にも依存する。

断面寸法は、その冷却速度を変化させる。細い棒材では、断面全体がフェライトやパーライトの形成を回避できるほど速く冷却されることがある。厚い鍛造品では、中心部に蓄えられた熱によって冷却曲線が遅くなり、表面が回避する変態開始領域に曲線が入ることがある。その結果、表面がマルテンサイトであるのに対し、中心部にはベイナイトまたはパーライトが含まれることがある。この熱勾配は、体積変化と変態応力の差も生じさせ、変形、焼入れ割れ、残留応力の原因となり得る。

したがって、CCTの解釈は、実際の工程から始めなければならない。すなわち、オーステナイト化温度と時間、炉または金型との接触、移送遅れ、冷却媒体、撹拌、部品の向き、局所的な断面厚さである。予測された生成物は、次に特性へ至る経路を示す。フェライトおよび粗いパーライトは、一般に、焼戻しを施していないマルテンサイトと比較して強度と硬さを低下させる一方、被削性を向上させる。ベイナイトは中間的な位置を占めるが、その特性は処理条件に大きく依存する。マルテンサイトは硬さと強度を高めるが、焼戻しを行わない場合、靭性を低下させることがある。混合組織と特性の勾配は疲労にも影響する。局所的な硬さ、残留応力、介在物、残留オーステナイトが、き裂の発生と成長を変化させるからである。温度の対応表だけでは、これらの影響を捉えることはできない。冷却経路なら、それらを捉えることができる。

鋼種や工程によって変態温度が変化する理由

変態温度は、「鋼」に対する普遍的な参照値ではない。特定の組成と熱履歴に対して、ある相変化が可能または検出可能となる条件を示すものである。また、その図が平衡状態、等温保持、連続冷却のいずれを記述しているかによっても結果は異なる。パーライト、ベイナイト、マルテンサイト、初析フェライト、初析セメンタイトはそれぞれ異なる変態生成物であり、単一の温度を指す互換可能な名称ではない。

炭素含有量と合金化学成分

炭素は、平衡相境界と冷却中に生成する相の双方を変化させる。鉄–炭素系では、共析反応は約0.8 wt%の炭素および723 °Cで生じる。

$$\gamma \to \alpha +{\mathrm{Fe}}_3\mathrm{C}$$

ケンブリッジ大学の Materials Science & Metallurgy（2002年）は、この反応をオーステナイトがフェライトおよびセメンタイトへ変態する反応として示している。ケンブリッジ大学の Interpretation of the Microstructure of Steels（2008年）に記載されているように、オーステナイトは面心立方構造、フェライトは体心立方構造、セメンタイトは斜方晶系のFe₃Cである。炭素含有量が変化すると、共析組成と共析温度が移動し、共析反応に先立ってどの相が現れるかも変わる。亜共析鋼では初析フェライトが生成する場合があり、過共析鋼では初析セメンタイトが生成する場合がある。

炭素は、マルテンサイト変態開始温度Msと、マルテンサイト変態が実質的に完了する温度Mfも変化させる。ケンブリッジ大学の Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel（2012年）は、炭素がMs、Mf、および残留オーステナイトの割合に影響すると明確に示している。炭素量が増加すると、一般にMsとMfは低下する。Mfが室温を下回ると、一部のオーステナイトが変態せずに残ることがある。この残留オーステナイトは、鋼が単一の固定された「焼入れ温度」を逃したことの証拠ではなく、組成と冷却の終点を反映したものである。

機構も重要である。パーライトと初析生成物の形成には炭素の再分配が必要であり、拡散によって支配される。マルテンサイトは急速な変位型変化によって形成されるため、セメンタイトの形成に必要な長距離の炭素拡散を伴わずに鉄格子が変態できる。ベイナイトは中間的な位置づけにある。ケンブリッジ大学の The Bainite Reaction（2024年）は、ベイナイトの成長が鉄格子に関しては無拡散であり、同じ組成のベイナイトの自由エネルギーがオーステナイトより低くなるT₀温度以下で熱力学的に可能になると述べている。

合金元素の添加によってこれらの関係は移動し得るが、その影響を同一のものとして扱ってはならない。シリコンは、文献で確認された一例である。ASM Internationalは、シリコンが変態温度範囲を上昇させ、オーステナイト中の炭素溶解度を低下させ、鉄炭化物を解離させる傾向があると述べている。したがって、シリコンを含む鋼は、修正を加えていない通常の炭素鋼の鉄–炭素系状態図から解釈することはできない。ただし、これはすべての合金元素に一律の補正を適用してよいことを意味しない。各元素は、相の安定性、拡散、炭化物の化学組成、またはこれらの組み合わせを変化させる。

加熱・冷却ヒステリシス

加熱中に記録される温度は、冷却中に記録される温度と一致するとは限らない。加熱時には、フェライトとセメンタイトが溶解し、オーステナイトが核生成して成長しなければならないため、熱的活性化と時間が必要となる。冷却時には、オーステナイトは異なる核生成・成長過程を経て分解する。そのため、炉の温度変化が緩やかであっても、変態にはヒステリシスが現れる。

ASM Internationalの Critical Temperature Ranges（2024年）は、徐冷条件下では、加熱時の臨界温度が冷却時の値より約33 °C高くなる場合があると述べている。これは出典に基づく定量的な主張であり、あらゆる炉のサイクルや合金に適用できる普遍的な許容値ではない。加熱速度が速いと、拡散と核生成が測定温度に遅れるため、見かけのオーバーシュートが大きくなることがある。急速焼入れでは、パーライトとベイナイトの形成が抑制され、マルテンサイトが形成されるのに十分な時間が確保されることがある。一方、等温保持では、連続冷却図における開始点には対応しない温度で変態が生じる場合がある。

この違いにより、Ae1、Ae3、Aecmのような平衡温度と、加熱・冷却中に測定される実用上のAc温度およびAr温度とが区別される。TTT図は、オーステナイト化後の等温保持中に生じる変態を記述する。CCT図は、温度が連続的に変化する過程を追跡する。NISTの Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel（1990年）は、CCTデータを用いて焼入性を推定し、室温での組織、強度、硬さ、被削性、および疲労特性を予測している。したがって、CCT曲線は工程マップであり、相平衡データの代替ではない。

旧オーステナイト粒径、時間、熱勾配

オーステナイト化時間は、温度計の読みから想定される以上の変化をもたらす。十分な時間保持すると、炭化物が溶解し、炭素が均質化し、オーステナイト粒が成長する。不十分な時間では、未溶解炭化物や、炭素濃度の高い領域および低い領域が残る可能性がある。そのため、同一部品の異なる部分が、異なる変態傾向を持った状態で冷却を開始することになる。過度に長い保持時間では、一般に旧オーステナイト粒が粗大化し、核生成に利用できる総粒界面積が減少するため、拡散変態が遅れることが多い。

したがって、旧オーステナイト粒径は新たな平衡組成を生じさせるのではなく、変態速度を変化させる。微細粒では核生成サイトが増加し、冷却中のフェライトまたはパーライトの生成が早まることがある。粗大粒では、粒界を起点とするこれらの生成物の形成が遅れ、より多くのオーステナイトがベイナイトまたはマルテンサイトが形成される条件まで到達できるため、焼入性が向上することがある。正確な変化量は、炭素、合金化学成分、粒界の状態、および冷却速度によって異なる。

実際の部品が炉のスケジュールに一様に従うことはほとんどない。厚肉部では、表面から熱が失われる一方、中心部は高温に保たれるため、断面内で冷却速度が異なる。炉内温度の均一性、装入状態、治具との接触、表面酸化も、実際の熱履歴に影響する。表面がパーライトまたはベイナイト領域を通過する間も、中心部はなおその領域より高温にある場合がある。その後、中心部は表面より遅い冷却速度のもとで変態することがある。したがって、同じ公称熱処理であっても、場所によってフェライト、パーライト、ベイナイト、マルテンサイト、および残留オーステナイトが生成し得る。温度は重要であるが、温度を通過する経路によって、どの変態生成物が現れるかが決まる。

読み方の基準、鋼種表示、変態用語

SAE 1141と鋼種別線図の限界

変態線図は、ある組成と定められた熱履歴についての記録であり、普遍的な温度表ではない。SAE 1141と表示されたCCT線図は、その線図の作成に用いられた化学組成、オーステナイト化処理、試験片寸法、および試験方法に適用されるものである。これを「炭素鋼の線図」と改称すべきではなく、ましてや、低合金鋼、ステンレス鋼、工具鋼に無条件で適用してはならない。

この区別が重要なのは、合金元素が相の安定性、拡散速度、炭化物の生成、および変態速度論を変化させるためである。炭素は、オーステナイトからマルテンサイトへの変態温度範囲と残留オーステナイトの割合を変化させる。ケンブリッジ大学の2012年の 鋼の時間—温度—変態線図 は、Ms、Mf、および残留オーステナイトの割合への影響を具体的に示している。ASM Internationalの2024年の 臨界温度範囲 によれば、ケイ素は変態温度範囲を高温側へ移動させ、オーステナイト中の炭素の溶解度を低下させ、鉄炭化物を解離させる傾向がある。ニッケル、クロム、モリブデン、マンガンは、変態曲線を移動させ、拡散変態生成物の形成を遅らせる可能性がある。ステンレス鋼の鋼種には、普通炭素鋼の線図には存在しないフェライト、オーステナイト、または金属間化合物の相領域が含まれることもある。一方、工具鋼では合金炭化物が生成し、平衡状態における変態生成物と、実際に観察される変態生成物の双方が変化する可能性がある。

よく知られた鉄のみを対象とする基準でさえ、組成に依存する。ケンブリッジ大学の2005年の ステンレス鋼：相平衡 は、純鉄における面心立方オーステナイトの温度範囲をおよそ910～1400 °Cとし、融解温度をおよそ1539 °Cとしている。これらの値は、SAE 1141の臨界温度を定義するものではない。NISTの1990年の SAE 1141鋼の連続冷却変態特性 は、鋼種別CCT線図の適切な使用方法を示している。すなわち、規定された冷却条件下での焼入性を推定し、室温組織、強度、硬さ、被削性、および疲労特性を予測することである。

したがって、引用する温度には、その根拠を付記する必要がある。鋼種表示と規格、組成の根拠（公称組成、溶解分析値、または実測組成）に加え、初期組織、オーステナイト化温度と保持時間、加熱速度または冷却速度、試験片形状、線図の種類、および測定方法を報告する。膨張計測法、示差熱分析、電気抵抗測定、および組織観察のための中断試験では、見かけ上の変態開始温度と終了温度が異なる場合がある。

Ae、Ac、Ar、Ms、Mf、Aecmの表記

Aeの接頭辞は、平衡状態における変態温度を示す。したがって、Ae1は平衡条件における共析境界を表し、Ae3は亜共析鋼においてオーステナイトからフェライトが生成する側の上限境界を表す。Aecmは、炭素に富む側における平衡オーステナイト—セメンタイト境界を示す。下付き文字「cm」はセメンタイトを意味し、セメンタイトはFe₃Cである。

およそ共析組成は、炭素約0.8 wt%である。約723 °Cでは、ケンブリッジ大学の2002年の 材料科学と冶金学 の資料が、反応 γ → α + Fe₃C を示している。ここでγはオーステナイト、αはフェライトである。この式は平衡状態における相を記述するものであり、723 °Cを通過して冷却されるすべての鋼がパーライトを形成することを意味するものではない。

Acの接頭辞は加熱中に測定された臨界温度を示し、Arは冷却中に測定された臨界温度を示す。Ac1とAr1は、核生成、溶解、拡散、および熱遅れが速度と初期組織に依存するため、異なる場合がある。ASM Internationalは、緩やかな冷却条件では、加熱時の臨界温度が冷却時の値より約33 °C高くなる場合があると報告している。Msは冷却中にマルテンサイトの生成が開始する温度であり、Mfはマルテンサイト変態が終了する温度である。マルテンサイトは、置換型で、概ね拡散を伴わない生成物である。Mf未満まで十分に冷却しなければ、残留オーステナイトが残る可能性がある。TTT線図では通常Msが示されるのに対し、CCT線図では連続冷却がパーライト、ベイナイト、およびマルテンサイトの各領域とどのように交差するかが示される。

相、組織構成物、およびミクロ組織の報告

相とは、明確な構造と組成範囲を有し、物理的および化学的に他と区別される材料の一部分である。ケンブリッジ大学の2008年の 鋼のミクロ組織の解釈 は、オーステナイトを面心立方構造、フェライトを体心立方構造、セメンタイトを斜方晶系のFe₃Cとして示している。平衡状態図上の相領域は、ある組成と温度においてどの相が安定であるかを予測する。しかし、それは写真ではなく、粒子寸法、間隔、形態、または変態速度を特定するものでもない。

組織構成物とは、観察されたミクロ組織の生成物または集合体である。パーライトは一般にフェライト—セメンタイトの集合体である。ベイナイトは、固有の変態機構によって生成したフェライト領域と炭化物の配列を含む。マルテンサイトは、特徴的な形態と炭素状態を有する、過飽和状態の変態フェライトである。ASM Internationalは、パーライト、ベイナイト、マルテンサイト、初析フェライト、および初析セメンタイトを、等温条件と連続冷却条件の双方における、オーステナイト変態の主要生成物として扱っている。ケンブリッジ大学の2024年の ベイナイト反応 は、ベイナイトの成長が鉄の格子に関しては無拡散的であり、同一組成のオーステナイトよりもベイナイトの自由エネルギーが低くなる T₀ 以下で熱力学的に可能になると述べている。

したがって、報告書では、計算上の相領域と実測された組織構成物を区別すべきである。出典が平衡Fe–CまたはFe–Fe₃C状態図、TTT線図、あるいはCCT線図のいずれであるかを明記し、そのうえで変態をどのように検出し、最終組織をどのように調べたかを示す必要がある。研磨・エッチングした画像、X線回折結果、膨張計曲線、および硬さ分布は、それぞれ異なる問いに答えるものである。その文脈を伴わない温度表示は、不完全な表示である。

図から微細組織へ：規律ある解釈のワークフロー

変態図は、温度の対応表ではない。それは、指定された組成、試験片の状態、加熱または冷却スケジュール、ならびに実験方法に対するマップである。したがって、規律ある問いは「700 °Cでどの相が生成するか」ではなく、「どのような材料が存在し、どの経路をたどり、どの変態機構が作用する時間を持っていたか」である。

組成と意図した熱履歴から始める

まず、鋼種と化学組成を記録する。「炭素鋼」では、信頼できる予測を行うには範囲が広すぎる。普通炭素共析鋼はSAE 1141とは異なる挙動を示し、両者とも、クロム、モリブデン、ニッケル、マンガン、またはケイ素を含む合金鋼種とは異なる。炭素および合金元素の含有量、初期状態、既知であれば結晶粒径、断面厚さ、オーステナイト化温度、保持時間、加熱速度および冷却速度を記録する。

結果が意思決定に関わる場合は、鋼種表示を実際の溶解分析値と照合すべきである。化学組成のわずかな変化によって、変態温度が移動し、変態生成物の割合が変化することがある。例えば、ケイ素は変態温度域を上昇させ、オーステナイト中の炭素溶解度を低下させ、鉄炭化物を解離させる傾向がある。熱的な変化の方向さえ重要である。ASM Internationalによれば、徐冷時には、加熱時の臨界温度が冷却時の値より約33 °C高くなる場合がある。

次に、熱処理プロセスを分類する。平衡計算では、変化が極めて遅く、相が平衡組成に近づくための十分な時間があることを仮定する。恒温処理では、鋼を選択した温度まで急速に移動させ、その温度で保持する。これはTTT図で表される条件である。連続冷却処理では、変化する温度に従って冷却し、CCT図で表される。炉冷、空冷、油焼入れ、水焼入れは、最終温度が類似していても、恒温保持ではなく連続的な経路である。

よく知られたFe–C状態図は有用な境界を示すが、すべての工業的微細組織を予測できるわけではない。ケンブリッジ大学のStainless Steels: Phase Equilibria（2005）によれば、純鉄では面心立方オーステナイトは約910～1400 °Cで安定し、純鉄の融点は約1539 °Cである。これらの数値は、合金鋼にそのまま適用することはできない。約0.8 wt%の炭素と723 °Cでは、共析反応はγ → α + Fe₃Cであるが、実際の鋼では、共析組織が生成する前に初析フェライトまたはセメンタイトが存在することがある。

TTTまたはCCTデータを通って経路を追跡する

プロセスに適合する図を選択する。TTT図では、オーステナイト化条件を確認し、保持温度まで急速に移動させ、その後、保持中の変態開始および終了を読み取る。CCT図では、実際の冷却曲線を描くか選択し、その曲線が通過する各領域を特定する。TTT図の変態開始時間をCCT処理に直接移し替えてはならない。変態が進行している間、鋼は温度範囲を移動しているからである。

順序を明示的に記述する。亜共析鋼では、オーステナイトから初析フェライトが最初に生成し、その後にパーライトが生成することがある。過共析鋼では、パーライトに先立って初析セメンタイトが生成することがある。パーライト領域を回避する冷却曲線は、ベイナイト域に入り、その後、マルテンサイト開始温度であるMsを通過することがある。その結果、最終組織には、フェライト、パーライト、ベイナイト、マルテンサイト、および残留オーステナイトが、異なる割合で含まれ得る。

これらの名称は、異なる種類のものも表している。フェライト、オーステナイト、およびセメンタイトは相である。ケンブリッジ大学のInterpretation of the Microstructure of Steels（2008）は、それぞれを体心立方フェライト、面心立方オーステナイト、および斜方晶Fe₃Cとして同定している。一方、パーライトとベイナイトは、特徴的な相の配列を持つ変態生成物であり、マルテンサイトは変位型変態による生成物である。変態温度は境界または事象を示すものであって、最終的に特定の組織構成相が必ず形成されることを保証するものではない。

機構が重要である。再構成型変態には原子拡散が必要であり、経路が炭素の再分配に十分な時間を与える場合、フェライト、パーライト、またはセメンタイトが生成することがある。マルテンサイトは、これらの反応に必要な長距離の化学拡散を伴わずに生成する。ベイナイトは、格子変化と炭素の再分配が異なる組み合わせで生じる。ケンブリッジ大学のThe Bainite Reaction（2024）は、ベイナイトの成長が鉄格子に関しては拡散を伴わず、T₀温度未満で熱力学的に可能であると述べている。

マルテンサイトが自動的に最後の生成物になるわけではない。Msが室温未満に位置する場合、またはオーステナイトが消費される前に冷却が停止する場合、残留オーステナイトが残存することがある。ケンブリッジ大学のTTT資料（2012）は、炭素がMs、マルテンサイト終了温度Mf、および残留オーステナイト量に影響を及ぼすことを明確に示している。したがって、「焼入れ鋼」は100%マルテンサイトではなく、混合組織を意味する場合がある。

予測を顕微鏡観察と特性試験で検証する

図から得られた結果は予測として扱う。鋼に適した方法で代表性のある試験片を作製し、研磨およびエッチングを行い、光学顕微鏡、走査電子顕微鏡、またはその他の適切な手法で組織を観察して確認する。金属組織学的観察によって、フェライトの形態、パーライトの層間隔、ベイナイト束、マルテンサイト領域、炭化物網、脱炭、および偏析を明らかにできる。ただし、エッチングによるコントラストは相を直接示す表示ではないため、一部の構成相については慎重な解釈が必要である。

定めた位置で硬さを測定し、尺度、荷重、およびサンプリング計画を報告する。用途上必要であれば、引張試験、衝撃試験、疲労試験、寸法測定、または残留オーステナイト測定を追加する。硬さだけでは、あらゆる混合組織を識別したり、靭性を確定したりすることはできない。

鋼の連続冷却変態線図は、焼入性を推定し、室温組織、強度、硬さ、被削性および疲労特性を予測するために利用できる。 Limited evidence

NISTの報告書Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel（1990）は、CCTデータの実用的な目的を示している。このような図を用いることで、焼入性を推定し、室温での微細組織、強度、硬さ、被削性、および疲労特性を予測できる。ただし、ここで重要なのはあくまで「予測」である。図のデータセットは、特定の組成、結晶粒の状態、試験片寸法、および試験手順に属する。誤差の影響が大きい場合は、熱履歴を追跡し、予測された生成順序を記録し、変態モデルを受け入れる前に、顕微鏡観察および測定した特性と比較する。

参考文献

1. [1]University of Cambridge. Materials Science & Metallurgy. University of Cambridge phase-trans materials, 2002. https://www.phase-trans.msm.cam.ac.uk/2002/MP10-6.pdf
2. [2]National Institute of Standards and Technology. Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel. NIST Interagency Report, 1990. https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/Legacy/IR/nistir3964.pdf
3. [3]University of Cambridge. Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel. University of Cambridge phase-trans materials, 2012. https://www.phase-trans.msm.cam.ac.uk/2012/Manna/Part2.pdf