熱処理後の鋼のミクロ組織

熱処理後に鋼の微細組織が記録するもの

熱履歴の記録としての微細組織

熱処理は、硬さという別個の性質を付加するのではなく、主として微細組織を変化させることによって鋼の特性を変化させる。NPTELは、2024年の鋼の熱処理に関する解説で、このプロセスと特性の関係を直接的に示している。加熱、保持、冷却によって、どの相が生成するか、炭素がどの程度移動できるか、また合金元素がどこに濃化するかが変化する。したがって最終的な組織には、加熱前の鋼の状態、オーステナイト化処理、拡散に利用できる時間、冷却経路、さらにその後に行われた焼戻しや焼なましが、熱履歴として記録される。

オーステナイトは、この記録における中心的な母相状態である。加熱中には、フェライトとセメンタイトがオーステナイトへ変態することがある。オーステナイトは、フェライトよりもはるかに多くの炭素を固溶できる鉄の相である。ただし、すべての原子が瞬時に均一な分布へ到達するわけではない。炭素は拡散しなければならず、セメンタイトは必要な程度まで溶解しなければならない。また、合金元素がこれらの過程を遅らせたり、別の方向へ導いたりすることもある。その結果生じたオーステナイトは、その後、複数の経路のいずれかによって分解する。

どの経路が支配的になるかは、冷却履歴によって決まる。ケンブリッジ大学相変態グループは2011年、亜共析鋼では連続冷却によって、一般に初析フェライトとパーライトが生成すると報告している。冷却経路が変化した場合や焼入性が高い場合、組織はより微細なパーライト、ベイナイト、マルテンサイト、残留オーステナイトへと移行し得る。これらは、単純に冷却速度の尺度上に並ぶものではない。組成、旧オーステナイト粒の組織、炭素活量、断面寸法、合金元素の作用が、いずれも変態に影響する。

遅い変態では、炭素が鉄に富むフェライトと鉄炭化物との間で分配される時間が得られる。急速な経路では、その拡散の大部分が抑制され、変位型変態によってマルテンサイトが生成することがある。中間的な経路では、フェライト変態に炭素の再分配と炭化物の生成が組み合わさったベイナイトが生成し得る。したがって、焼入れだけでは硬い鋼を十分に説明できない。焼入れは、オーステナイトがマルテンサイト、ベイナイト、パーライト、フェライト、または残留オーステナイトを含む混合組織のいずれになるかを決定する一連の過程の一部である。

相、組織構成体、形態、分布

相とは、明確な結晶構造と化学状態を持つ領域である。一方、組織構成体とは、複数の相を含むことがある、認識可能な構造上の組み合わせである。フェライトとセメンタイトは相である。パーライトは、通常、フェライトとセメンタイトが交互のラメラ状に配列した組織構成体である。ベイナイトも組織構成体であり、ScienceDirectはこれを非ラメラ状のフェライト–Fe3C組織と説明している。マルテンサイトは、過飽和状態にある変態生成鉄相であり、その炭素含有量と形態は、生成元となったオーステナイトを反映する。残留オーステナイトとは、冷却後も変態せずに残ったオーステナイトである。

名称だけでは、目に見える配列を説明できない。フェライトは、旧オーステナイト粒界に沿った初析的な粒として現れることもあれば、オーステナイト内部へ伸びるウィドマンステッテン・プレートとして現れることもある。パーライトは、セメンタイト・ラメラの間隔が広い粗いものにも、間隔がより狭い微細なものにもなり得る。ScienceDirectは、高い変態温度で生成した粗いパーライトは比較的軟らかく、より微細なパーライトは強度が高いと指摘している。この違いは、組成上の違いであると同時に形態上の違いでもある。

ベイナイトにも、複数の外観がある。上部ベイナイトは、ベイナイト変態域の高温側での変態に関連した配列で、フェライトと炭化物を含む。下部ベイナイトは、フェライト内部またはフェライトに密接して分布する、より微細な炭化物を伴って生成する。ScienceDirectは、下部ベイナイトは上部ベイナイトより硬いと述べている。この違いは、「ベイナイト」という名称だけから読み取ることはできない。

熱処理によって、すべての相を置き換えることなく形態を変化させることもできる。ケンブリッジ大学相変態グループは2008年、球状化処理ではパーライト中のセメンタイト・ラメラが粒子化すると報告した。鋼は依然としてフェライトとセメンタイトを含むが、粒子の配列が、変形に対する抵抗、切削時の挙動、さらに後続の変態が進行できる経路を変化させる。分布も重要である。粒界に存在する炭化物は、フェライト内部に微細分散した炭化物と同じ構造的効果を示さない。

ASM Internationalの2024年の資料では、オーステナイト、フェライト、炭素拡散、ベイナイト、セメンタイト、マルテンサイト、パーライト、相変態が、これらの組織を解釈するために必要な基礎的主題として挙げられている。同機関の2024年の説明では、熱処理された鋼の微細組織を、フェライト、ベイナイト、セメンタイト、マルテンサイト、パーライトを形成する鉄、炭素、その他の合金元素の組み合わせと定義している。したがって有用な記述は、「どの相と組織構成体が、どのような割合で存在し、どのような形態と分布を示すか」というものである。

硬さだけでは不十分な理由

異なる相の組み合わせと形態をもつ鋼でも、類似した硬さの値を示すことがあるため、硬さだけでは変態生成物を特定できない。 Limited evidence

硬さは、複雑な組織を一つの測定応答へと圧縮したものである。硬さは押込みに対する抵抗を示すことはできるが、その応答を生じさせた変態生成物を特定することはできない。微細パーライト、ベイナイト、マルテンサイト、残留オーステナイトの異なる組み合わせを含む2種類の鋼が、同程度の硬さを示すことがある。それでも、靭性、延性、寸法安定性、疲労挙動、焼戻しに対する応答は異なる可能性がある。

マルテンサイトでは、炭素がひずんだ結晶構造に閉じ込められるため、硬さが上昇することが多い。しかし、その結果は炭素含有量、合金元素、変態量、さらにその後の焼戻しに左右される。焼戻しをしていないマルテンサイトは、焼戻しマルテンサイトと同じ微細組織ではない。また、変態経路が不均一であった場合や、組成によって変態が遅延した場合、焼入れ鋼にベイナイトや残留オーステナイトが含まれることもある。

同じ注意は、より軟らかい組織にも当てはまる。粗いパーライトと球状化セメンタイトは、条件によっては同程度の硬さを示すことがあるが、炭化物の形状や変形機構は異なる。硬さからは、セメンタイトがラメラ状であるのか、粒子状であるのか、粒界に関連しているのか、あるいは微細分散しているのかを明らかにできない。この記録を復元するには、顕微鏡観察、回折、化学分析、そして処理スケジュールに関する知識が必要である。

熱処理後に問うべき正しい問いは、単に「鋼はどの程度硬いか」ではない。どのようなオーステナイトが存在し、炭素と合金元素はどのように移動し、どの変態が起こり、どのような配列が残っているのか、という問いである。硬さは証拠である。微細組織は、その説明である。

オーステナイト、フェライト、セメンタイト：基礎となる構成組織

[1][1] Introduction to Steel Heat Treatment. ASM International. ASM Handbook, 2024.

鋼のミクロ組織は、単純な軟らかさから硬さへの尺度上の点としてではなく、相および構成組織の配列として読み取られる。ASM Internationalによれば、熱処理された鋼のミクロ組織は、鉄、炭素、その他の合金元素の結合によって形成される相から構成され、フェライト、ベイナイト、セメンタイト、マルテンサイト、パーライトなどが含まれる（ASM International, 2024）。同機関による鋼の熱処理に関する説明でも、オーステナイト、フェライト、炭素の拡散、セメンタイト、パーライト、ベイナイト、マルテンサイト、相変態が同一の基本的枠組みの中に位置づけられている。この順序は重要である。熱処理後に存在する組織は、オーステナイトから何が形成されたか、炭素がどのように移動したか、そしてどの変態が進行することを許されたかによって決まる。

高温母相としてのオーステナイト

オーステナイトは、フェライトよりもはるかに多くの炭素を固溶できる、鉄の面心立方構造の形態である。通常の熱処理の考え方では、オーステナイトは、そこから複数の後続組織が発達する母相である。適切な鋼をオーステナイト域まで加熱しても、マルテンサイト、パーライト、ベイナイトが直接生成するわけではない。それは、化学的にも構造的にも異なる出発状態を準備する工程である。この段階では炭素や合金元素が再分配される可能性があり、既存のフェライトおよびセメンタイトは、組成、時間、温度、ならびに処理前の状態によって決まる程度まで溶解する。

「母相」という表現は、変態上の関係を示すものであり、部材のすべての部分が同一のオーステナイトに到達することを保証するものではない。未溶解炭化物、化学偏析、結晶粒径、加熱方法によって、局所的な差異が残る可能性がある。したがって、特定の組成に対して正確な処理条件を設定する前に、該当する状態図および変態温度を特定しなければならない。オーステナイトについての一般的な説明を、特定の鋼種に関する温度の主張と取り違えてはならない。

冷却時、オーステナイトは異なる経路をたどることがある。炭素が拡散し、原子が十分な時間をかけて再配列できる場合、フェライトとセメンタイトが形成され、通常は両者の規則的な混合組織であるパーライトが生成する。別の熱履歴では、ベイナイトが発達することがある。拡散に依存する反応が回避されると、オーステナイト格子は変位型機構によってマルテンサイトへ変態する一方、一部のオーステナイトが残留オーステナイトとして残ることがある。CambridgeのPhase Transformations Groupは、アロトリオモルフィック・フェライト、ウィドマンステッテン・フェライト、パーライト、上部ベイナイト、下部ベイナイト、マルテンサイト、セメンタイトを、それぞれ別個の組織上の記述として区別している。したがって、母相であるオーステナイトが出発領域を定める一方、冷却履歴がどの生成物が現れるか、またそれらがどのような形態を示すかを決定する。

フェライトと炭素固溶度の役割

フェライトは、体心立方構造を持つ鉄に富む相である。鋼の変態において最も重要な特徴は、オーステナイトと比較して炭素の平衡固溶度が低いことである。オーステナイトからフェライトが形成されるとき、炭素は同じ濃度のまま均一に固溶し続けることができない。炭素は成長するフェライトから拡散して離れるか、より多くの炭素を収容できる近傍領域に集積しなければならず、その結果、セメンタイトの形成に寄与することが多い。

炭素の拡散炭素の拡散 鉄格子内の侵入位置を通る炭素原子の移動。これにより組成変化、およびフェライト、セメンタイト、パーライトの生成などの拡散変態が可能になる。

炭素の拡散は、これらの拡散型変態を可能にする機構である。炭素原子は鉄格子中の侵入位置を通って移動し、その間に鉄に富む母相は結晶構造と組成を変化させる。この移動は温度および時間に依存するが、正確な速度と変態温度は組成によって異なるため、該当する状態図または速度論データから求めなければならない。合金元素は、拡散、界面の移動、炭化物の安定性、焼入性を変化させる可能性がある。その結果、一見類似した冷却スケジュールにさらされた2種類の鋼でも、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の生成割合や形態が異なることがある。

フェライトの形態は、それがどのように形成されたかについての情報を持つ。アロトリオモルフィック・フェライトは、通常、旧オーステナイト結晶粒界に沿って発達する。一方、ウィドマンステッテン・フェライトは、オーステナイト結晶粒内へ板状またはラス状に成長する。連続冷却された亜共析鋼について、Cambridgeは、一般的な生成組織をアロトリオモルフィック・フェライトとパーライトの組合せとして説明している。冷却が速くなる、または焼入性が高くなるにつれて、変態系列は、より微細なパーライト、ベイナイト、マルテンサイト、残留オーステナイトへと移行し得る。これらは、単にフェライトを段階的に硬くしたものではない。それぞれ、炭素分布、界面、結晶配列、変態機構が異なる組織である。

フェライト母相には、それ以前の熱的および化学的履歴によって生じた粒子、帯状組織、または領域が含まれることもある。したがって、ミクロ組織写真を読み取るには、明るく見えるフェライトを識別するだけでは不十分である。分析者は、それがどこで形成されたのか、排出された炭素がどうなったのか、そして周囲の構成組織がパーライト、ベイナイト、または炭化物を含む領域のいずれであるのかを問わなければならない。

変態組織中のセメンタイトとFe₃C

セメンタイトは鉄炭化物Fe₃Cであり、1個の炭素原子に対して3個の鉄原子が化学量論的に結合した、固有の化合物構造を持つ。これは、単にフェライトに炭素が固溶したものではない。セメンタイトは、鋼の炭素が低固溶度のフェライト母相中にとどまることができず、局所的な化学条件および熱条件が炭化物の析出または成長を許す場合に形成される。[2][2] Steel Heat Treatment. ScienceDirect. ScienceDirect Topics, 2024.

パーライトは一般に、フェライトとセメンタイトからなる協調的な層状構成組織として説明される。交互に並ぶラメラは、2つの相の間に大きな界面積を形成する。変態温度はその間隔に影響を及ぼす。ScienceDirectは、高い変態温度で形成された粗いパーライトを比較的軟らかいものとして特定し、より微細なパーライトは強度が高いとしている。この違いは、セメンタイトの存在そのものではなく、形態と寸法に基づく。

セメンタイトは、パーライトではない組織にも存在する。ScienceDirectは、ベイナイトを非ラメラ状のフェライト–Fe₃C組織として説明し、下部ベイナイトは上部ベイナイトより硬いとしている。上部ベイナイトでは、炭化物の配列が下部ベイナイトとは異なり、下部ベイナイトではフェライト板の内部またはそれに密接に関連する位置で析出が起こる。正確な外観は、組成および変態条件によって異なる。

熱処理によって、化学的同一性を変えずにセメンタイトの形状を変化させることができる。Cambridgeは、球状化によってパーライト中のセメンタイトのラメラが粒子へ変化すると記録している（University of Cambridge Phase Transformations Group, 2008）。これにより、パーライトの連続した層状形状が減少し、フェライト母相が炭化物によってどのように区分されるかが変化する。したがって、焼なまし、焼戻し、その他の処理は、粒子サイズ、間隔、分布を変えることで特性を変化させることができる。NPTELは、熱処理が主としてミクロ組織を変化させることによって機械的性質を変えると述べている（NPTEL, 2024）。セメンタイトの量、連続性、形態はその説明の一部であり、焼入れだけがその要因ではない。

パーライト：層状構造と冷却に依存するスケール

パーライトは単一の相ではない。これは、拡散律速変態によってオーステナイトが分解する際に生成する、フェライトとセメンタイトの二相組織であり、通常はフェライト–Fe₃Cと表記される。フェライトは比較的炭素含有量の少ない体心立方構造の鉄相であり、セメンタイトは、成長するフェライトから排出された炭素を収容する鉄炭化物相である。その結果、均一な固溶体ではなく、複合的なミクロ組織が形成される。

この区別が重要なのは、焼入れ鋼が急速に冷却されたという理由だけで硬くなるわけではないからである。硬さと強度は、どの変態が起こったか、どれだけの炭素が拡散できたか、どの合金元素が存在するか、そして生成物の形態がどのようなものかによって決まる。ASM Internationalは、熱処理された鋼のミクロ組織は、フェライト、ベイナイト、セメンタイト、マルテンサイト、パーライトなど、鉄、炭素、その他の合金元素の組み合わせによって形成される相から構成されると述べている（2024年）。したがって、パーライトは、ベイナイト、マルテンサイト、残留オーステナイトも含む変態生成物の系列の一部として位置づけるべきであり、焼入れの厳しさだけで決まる単純な軟質から硬質への尺度上に置くべきものではない。

フェライトとセメンタイトの層状組織の形成

オーステナイトがパーライトに変態するとき、炭素の拡散によってフェライトとセメンタイトが同時に形成される。フェライトの炭素含有量はオーステナイトと比較して少ないため、炭素は成長するフェライトの前方から移動し、隣接するセメンタイトに集積しなければならない。両構成相は協調的に成長する。すなわち、フェライトの板状または層状部分がセメンタイトの板状または層状部分に沿って成長し、繰り返し状の層状配列を形成する。

パーライトの一つのコロニーには通常、共通の方位をもつ層状組織が含まれるが、異なるコロニーは互いに異なる方位をとることがある。顕微鏡下では、見かけの層間隔が切断方向によって変化することがあるため、測定された距離が必ずしも真の三次元的な層間隔とは限らない。それでも、層状組織のスケールは変態履歴に関する有用な情報を与える。層間隔が小さい層状組織では、単位距離当たりのフェライト–セメンタイト界面が多くなり、炭素の再分配が生じやすい。層間隔が大きい層状組織は、より長い拡散距離が許容された条件下で成長したことを示している。

亜共析鋼では、連続冷却によって通常、他形フェライトとパーライトが生成する。 Strong evidence

亜共析鋼では、パーライトは通常、単独では形成されない。連続冷却中には、旧オーステナイト粒界に沿ってアロトリオモルフィックフェライトが先に形成され、その後、残りのオーステナイト中にパーライトが形成されることがある。University of Cambridge Phase Transformations Groupは、亜共析鋼の連続冷却における一般的な生成物として、「アロトリオモルフィックフェライトとパーライト」を挙げている（2011年）。冷却が速くなるにつれて、または組成によって焼入性が高くなるにつれて、変態系列は、より微細なパーライト、ベイナイト、マルテンサイト、残留オーステナイトの方向へ移行することがある。したがって、最終組織は全面的にパーライトとなるのではなく、共析前フェライトと隣接してパーライトを含む場合がある。

変態温度は、核生成、成長、炭素拡散のバランスを決めるため、スケールを支配する。比較的高い変態温度では、拡散が相対的に容易である。核生成するパーライトのコロニー数は少なくても、各コロニーはより大きな層間隔で成長できる。低い変態温度では、拡散がより制限され、変態の駆動力が大きくなる。そのため、多数のコロニーが形成され、フェライト層とセメンタイト層の間隔はより小さくなる。冷却速度は変態温度を変化させる実用的な手段であるが、それだけでは十分な説明にならない。合金元素は変態を遅らせ、炭素の活量を変化させ、パーライトが形成される温度と時間範囲を変えることがある。

粗いパーライトと微細なパーライト

粗いパーライトは、比較的大きなフェライト–セメンタイト間隔をもつ。これは、炭素が成長中により長い距離を拡散できる高い温度でオーステナイトが変態するときに形成される。ScienceDirectの鋼の熱処理に関する資料（2024年）で説明されているように、この組織は、より微細なパーライトと比較すると相対的に軟らかい。この比較は相対的なものであり、普遍的な硬さの値を示すものではない。組成、コロニーの大きさ、旧オーステナイト粒の組織、部材の断面寸法、後続の処理はいずれも測定結果に影響を及ぼす。

微細なパーライトは、より小さい層間隔をもつ。これは一般に、変態温度が低く、炭素の拡散がより限定される条件で形成され、フェライトとセメンタイトがより微細に配列した組織となる。ScienceDirectは、微細なパーライトが粗いパーライトより強いと述べている。その理由は形態にある。間隔の小さいセメンタイト層は、より短い距離ごとにフェライトの連続性を遮り、転位運動に対してより多くの界面を提供する。そのため、この組織は塑性変形により効果的に抵抗できる。ただし、その応答は炭素含有量や合金元素の添加にも依存する。

「微細」および「粗い」はスケールを表す語であり、別個の化学相を意味するものではない。どちらの組織もフェライトとセメンタイトを含み、実際の熱処理部品では、他の生成物と共存することもある。冷却曲線が複数の変態温度範囲を通過する場合、一つの領域ではフェライトとパーライト、別の領域ではベイナイトが形成され、またオーステナイトがマルテンサイト開始温度範囲まで残存した場所ではマルテンサイトが形成されることがある。NPTELは、熱処理が機械的性質を変化させる主な仕組みは、ミクロ組織を変化させることであると述べている（2024年）。パーライトはこの原理を明確に示している。すなわち、変態経路を変えることで、フェライトとセメンタイトという基本的な構成相を変えずに、層間隔と形態を変化させることができる。

長時間処理後の球状化セメンタイト[3][3] Steel Microstructure. University of Cambridge Phase Transformations Group. Phase Transformations Group reference material, 2008.

パーライトは層状形態を失うこともある。共析変態温度範囲より低い温度で長時間加熱する場合、または適切な焼なましサイクルを施す場合、セメンタイトの層状組織は徐々に分解し、フェライト母相中に分散した丸みを帯びた粒子となる。University of Cambridge Phase Transformations Groupは、「球状化によってパーライト中のセメンタイト層が粒子に変換される」と明確に述べている（2008年）。

この変化により、パーライトに特徴的な、鋭く連続したセメンタイト界面が減少する。界面面積を減らすことで系の界面エネルギーが低下するため、処理を継続すると粒子は粗大化する傾向がある。粒子の大きさと間隔は、出発時のパーライト、温度、時間、合金元素に依存する。したがって、長時間処理を行っても、すべての鋼で一つの固定された形態が得られるわけではない。

球状化したセメンタイトは依然としてセメンタイトであり、その周囲の母相も依然としてフェライトであるが、幾何学的形態は交互に並ぶ板状組織から分散粒子へと変化している。この形態により、特に成形や機械加工の際には、層状パーライトよりも変形しやすくなるのが一般的である。しかし、「球状化」という語だけから特定の硬さの値が導かれるわけではない。正しく解釈するには、フェライトの組成、セメンタイトの体積分率、粒子の大きさ、粒子間隔、残存パーライト、さらに過去の処理によって残されたマルテンサイトや残留オーステナイトの有無を含む、ミクロ組織全体を検討する必要がある。

連続冷却中の亜共析鋼

亜共析鋼は共析組成よりも炭素含有量が少ないため、オーステナイトは一斉にパーライトへ変態することはない。冷却中、通常、最初に生成するのはフェライトであり、その後、残留オーステナイトがパーライトへ、あるいは冷却速度がより高い場合には別の生成物へ変態する。したがって、最終組織には一連の過程が記録される。すなわち、成長するフェライトから炭素が排出され、残留オーステナイトが炭素に富み、その変化したオーステナイトが、利用可能な温度と時間に応じて後に変態する。

この過程により、硬さを単純に焼入れという行為そのものに直接結び付けられない理由が説明できる。NPTELは、熱処理が主としてミクロ組織を変化させることによって機械的性質を変えると述べている。一方、ASM Internationalは、熱処理鋼を解釈するために必要な基礎事項として、オーステナイト、フェライト、炭素の拡散、セメンタイト、パーライト、ベイナイト、マルテンサイト、および相変態を挙げている。冷却経路によって、これらの構成相のうち何が、どの割合で、どのような形態で生成するかが決まる。

パーライトに先行するアロトリオモルフィック・フェライト

オーステナイト域から冷却すると、亜共析鋼では、一般に旧オーステナイト粒界からアロトリオモルフィック・フェライトの形成が始まる。「アロトリオモルフィック」とは、フェライト自身の結晶学的形態ではなく、周囲のオーステナイトによって外形が決まるフェライトを表す。このフェライトは、旧オーステナイト粒界に沿った膜状、層状、または不規則な粒として現れることが多い。

フェライトは、オーステナイトと比較して炭素をほとんど含まない。フェライトが成長すると、炭素は隣接するオーステナイト中へ排出される。この拡散は変態の中心的な過程である。フェライトの形成によって、未変態オーステナイトは次第に炭素に富み、その組成は共析組成へ近づいていく。したがって、フェライトは構造の他の部分とは無関係に現れる単なる低炭素領域ではない。フェライトの成長は、残存するオーステナイトの化学組成を変化させる。

ケンブリッジ大学相変態研究グループは、連続冷却される亜共析鋼について、これを最も明確な従来型の過程として示している。まずアロトリオモルフィック・フェライトが形成され、次に残りのオーステナイトがパーライトへ変態する。変態が十分にゆっくり進行する場合、フェライトはほぼ連続した粒界ネットワークを形成することがある。ただし、正確な外観は、組成、旧オーステナイト粒径、および冷却スケジュールによって異なる。

アロトリオモルフィック・フェライトとウィドマンステッテン・フェライトの区別も重要である。より速い変態条件では、アロトリオモルフィック・フェライトに見られる粒界に支配された形態ではなく、オーステナイト中へ成長するフェライト板状晶またはサイドプレートが形成されることがある。したがって、組織写真にフェライトが写っているだけでは冷却履歴を特定できない。その形状と位置も調べなければならない。

フェライトとパーライトからなるミクロ組織

初析フェライトが形成された後、残りの炭素富化オーステナイトは通常、パーライトへ変態する。パーライトは、フェライトとセメンタイト Fe₃Cが協調的に形成した混合組織であり、両者が交互に並ぶ領域またはラメラから構成される。その結果、フェライトとパーライトからなるミクロ組織が形成される。比較的炭素の少ないフェライトは初析領域を占め、パーライトには残留オーステナイト中に濃化していた炭素が含まれる。

ただし、これは単一の決まった外観を示すものではない。比較的高い変態温度で形成されたパーライトは、フェライトとセメンタイトの間隔が広く、ScienceDirectでは粗パーライトと説明されている。粗パーライトは、より微細なパーライトと比較して相対的に軟らかい。より低い変態温度では、拡散距離が短くなり、ラメラ間隔は微細になる。微細パーライトは、間隔の狭いセメンタイトが転位運動をより効果的に妨げるため、強度が高くなる。ただし、その性質は全体の組成と形態にも依存する。

ケンブリッジ大学の資料は、連続冷却した亜共析鋼における一般的な結果として、アロトリオモルフィック・フェライトとパーライトの組合せを示している。この記述は一つの変態経路を示すものであり、あらゆる鋼種や冷却操作に共通する普遍的なミクロ組織を示すものではない。炭素含有量、マンガンなどの合金元素、オーステナイト粒径、部材厚さ、そして実際の温度・時間履歴は、各変態の開始と終了に影響を与える。

パーライトは、球状化セメンタイトとも区別する必要がある。球状化処理では、ケンブリッジ大学相変態研究グループによれば、パーライト中のセメンタイト・ラメラが粒子化する。したがって、丸みを帯びたセメンタイト粒子を含むフェライト母相は、通常のラメラ状パーライトを単に粗大化したものではない。それは、異なる処理と異なるセメンタイト形態を記録した組織である。

冷却速度の上昇と焼入性の影響

冷却が速くなるほど、鋼が炭素の拡散やフェライトおよびパーライトの成長が可能な温度域に滞在する時間は短くなる。変態によってなおフェライトとパーライトが生成することはあるが、パーライトはより微細になり、粒界フェライトの割合も変化し得る。冷却経路が十分に変化すると、オーステナイトはフェライトとパーライトの生成域の一部または全部を回避する。

ケンブリッジ大学の連続冷却の例では、この進行に沿って、より微細なパーライト、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示されている。ベイナイトは、パーライトのような交互のラメラではなく、非ラメラ状のフェライトと Fe₃Cの混合組織として形成される。上部ベイナイトと下部ベイナイトでは、フェライトとセメンタイトの配置が異なる。ScienceDirectは、下部ベイナイトの方が上部ベイナイトより硬いとしており、これはその微細な尺度と異なる炭化物分布を反映している。

冷却によって拡散変態がマルテンサイト域に達するまで抑制されると、オーステナイトは無拡散せん断機構によってマルテンサイトへ変態し得る。成長中にフェライトとセメンタイトへ分配される代わりに、炭素はひずんだ鉄格子内に閉じ込められる。マルテンサイトへ変態しなかったオーステナイトは、残留オーステナイトとして残ることがある。その量は、焼入れそのものではなく、組成と冷却経路によって決まる。

焼入性焼入性 規定された冷却条件下で、鋼が断面全体にわたってより硬い変態生成物を形成する能力。ある一箇所で測定した硬さとは異なる概念である。

焼入性は、実際の部材内部で鋼がこのような速い冷却経路をどこまでたどれるかを変化させる。合金元素はフェライト、パーライト、またはベイナイト変態を遅らせることができる。その結果、焼入性の低い鋼であればフェライトとパーライトへ変態する位置でも、マルテンサイトが形成されるようになる。したがって、部材全体が同じ処理を受けても、厚い部材では表面から中心にかけて異なる組織が存在することがある。

実用上の結論は明確である。亜共析鋼は、「軟らかい」状態から「硬い」状態へ一つのスイッチのように移行するわけではない。連続冷却によって、アロトリオモルフィック・フェライトとパーライト、より微細なパーライト、ベイナイト、マルテンサイト、残留オーステナイト、またはこれらの生成物の混合組織が形成され得る。決定的な証拠となるのは、変態の順序と、その結果生じる形態である。

ベイナイト：上部、下部、および非層状変態生成物

フェライト–Fe₃C組織としてのベイナイト

ベイナイトは単一相ではなく、単純な硬さ尺度上の一点として扱うべきものでもない。これは主としてフェライトと鉄炭化物Fe₃Cから構成される変態生成物であり、その性質はこれらの構成相の配列、寸法、および分布によって決まる。ScienceDirectによる2024年の鋼の熱処理に関する概説では、ベイナイトを「非層状フェライト–Fe₃C組織」と定義している。この定義は、形態学的なレベルでベイナイトをパーライトと区別する。両者はいずれもフェライトとセメンタイトを含むが、フェライトとセメンタイトの配列が異なる。

ベイナイト中のフェライトはオーステナイトから形成され、一方、成長するフェライトから排出された炭素は、周囲のオーステナイトにおける炭化物の形成または再分配に寄与する。したがって、この変態にはフェライト領域の形成と炭素の移動の両方が関与する。合金元素は、炭素活量、炭化物析出、フェライト成長、およびベイナイトが形成される温度範囲を変化させる可能性がある。そのため、最終組織は、鋼が焼入れされたか、または急速に冷却されたかという事実ではなく、変態経路によって決まる。

この区別は、ASM Internationalが2024年に示した熱処理鋼のミクロ組織に関する説明とも整合する。同説明では、熱処理鋼のミクロ組織を、鉄、炭素、およびその他の合金元素が結び付いて形成するフェライト、ベイナイト、セメンタイト、マルテンサイト、パーライトなどの組織として捉えている。オーステナイトは、これらの生成物のいくつかが発達する母相である。冷却によって炭素拡散と相変態の条件が変化し、変態がある温度範囲にわたって起こる場合、生成物は複数の構成相を含むことがある。

「非層状」という用語は、ベイナイトに繰り返し現れる内部配列がないことを意味しない。ベイナイト・フェライトは一般に、板状、ラス状、または束状として現れる一方、炭化物は変態生成物に応じて、フェライト単位の間、またはその内部に存在する。フェライトと旧オーステナイトとの界面および結晶学的な関係は、強度、靭性、ならびにき裂伝播に影響を及ぼす。したがって、ミクロ組織写真には、パーライトに伴う規則的な交互配列の板状組織が見られなくても、秩序だった組織が示されることがある。

変態機構も、純粋に長距離拡散によって支配される再配列とは異なる。フェライトは、オーステナイト格子に関連した形状変化を伴って形成され、その後、炭素が拡散によって再分配される。炭化物の析出は、局所的な炭素濃度と変態条件に従って進行する。フェライトの形成、格子変位、炭素の分配、および炭化物析出が組み合わさることで、ベイナイトがパーライト系生成物とマルテンサイト系生成物の間に位置する独自の組織となる理由が説明できる。ベイナイトは、単に微細化したパーライトでも、別名で呼ばれるマルテンサイトでもない。

上部ベイナイトと下部ベイナイト

ケンブリッジ大学相変態グループは、「上部ベイナイト」と「下部ベイナイト」を、別個の鋼のミクロ組織として区別している。この区別は、主として炭化物の位置と形態に基づく。上部ベイナイトでは、フェライトは一般にラス状または板状に形成され、セメンタイトは隣接するフェライト単位の間に優先的に現れる。炭化物に富む領域は、フェライト集合体の一部の輪郭を形成する。下部ベイナイトでは、炭化物粒子または薄い炭化物析出物が、関連する領域だけでなくフェライト板の内部にも形成される。内部析出のパターンはより微細であり、フェライトそのものとより密接に結び付いている。

これらの説明は形態学的なものであるが、フェライトの形成と炭素拡散の間にある異なるバランスを反映している。上部ベイナイトに対応する条件では、炭素が十分に再分配されるため、炭化物は主としてフェライト・ラスの間に形成される。下部ベイナイトの条件では、フェライト内部に炭素の過飽和がかなり残った状態でフェライトが形成されるため、フェライト単位の内部で炭化物が析出する。正確な外観は、鋼の組成、旧オーステナイト粒の組織、変態履歴、および合金元素の影響に依存する。

2024年のScienceDirectによる鋼の熱処理に関する概説によれば、下部ベイナイトは上部ベイナイトより硬い。この違いを「より強く焼入れした」ことの神秘的な結果として説明すべきではない。より微細なフェライト単位、内部での炭化物析出、およびそれによって生じる転位運動への障害が、下部ベイナイトに伴う高い硬さに寄与する。上部ベイナイトは異なる炭化物配列を持ち、一般に強度と靭性について異なるバランスを示す。混合生成物や寸法のばらつきは一般的であるため、いずれの名称だけでも完全な機械的性質の予測はできない。

連続冷却された亜共析鋼は、均一な単一構成相に変態するとは限らない。ケンブリッジ大学が2011年に扱った混合ミクロ組織に関する説明では、連続冷却によって一般に他形フェライトとパーライトが生成し、冷却速度が段階的に速くなる、または焼入れ性が高くなると、より微細なパーライト、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と述べている。したがって、1つの試料中に、初析フェライト、パーライト、上部ベイナイト、下部ベイナイト、マルテンサイト、または残留オーステナイトが、異なる領域に含まれることがある。公称上の熱処理名称と同様に、変態の順序も重要である。

ベイナイトを微細パーライトと表現してはならない理由

ベイナイトを「微細パーライト」と呼ぶのは、組成と組織を混同しているため誤りである。両生成物はいずれもフェライトとFe₃Cを含み得るが、パーライトは層状配列によって定義される。すなわち、共析変態中に生成するフェライトとセメンタイトの板が交互に配列した組織である。これに対してベイナイトは、フェライトとセメンタイトの非層状配列によって定義される。パーライトを微細化すると層間隔は小さくなるが、その層状組織がベイナイト・フェライトの板状組織や炭化物分布に変わるわけではない。

ScienceDirectによる2024年の概説は、この対比を直接示している。すなわち、高い変態温度で形成された粗いパーライトは比較的軟らかく、より微細なパーライトは強度が高く、ベイナイトは非層状フェライト–Fe₃C組織であり、下部ベイナイトは上部ベイナイトより硬い。最初の2つの記述は、同一の形態における寸法の違いを説明している。後の記述は、異なる形態を特定したうえで、ベイナイトの2つの形態を区別している。いずれの場合も硬さは変化するが、その構造的理由は同じではない。

この区別は、その後の熱処理を経ても維持される。ケンブリッジ大学は2008年、球状化によってパーライト中のセメンタイト層状組織が粒子状に変化すると報告した。この処理はパーライトの炭化物形態を変化させるが、生成物はベイナイトではなく、球状化パーライト組織のままである。逆に、マルテンサイト組織を焼戻しするとフェライト母相中で炭化物が析出するが、そのことによって、遡及的にその組織がベイナイトになるわけではない。名称は、存在する元素だけでなく、変態履歴と形態を表すものである。

NPTELは2024年、熱処理が機械的性質を変化させる主な仕組みは、ミクロ組織を変化させることであると述べた。ベイナイトは、この原理が重要である理由を示している。その硬さは、生成物が上部ベイナイトか下部ベイナイトか、フェライト単位の寸法、炭化物の位置と寸法、合金元素、さらに隣接するマルテンサイト、パーライト、フェライト、または残留オーステナイトの有無によって決まる。焼入れは履歴の一部にすぎない。決定的な証拠は、相変態と炭素の再分配によって残された組織である。

急冷後のマルテンサイトと残留オーステナイト

急冷生成物としてのマルテンサイト

マルテンサイトは、フェライト、セメンタイト、パーライト、またはベイナイトを生成する拡散反応がオーステナイト全体を先に消費しきれないほど急速にオーステナイトを冷却したときに生成します。したがって、炭素はセメンタイトへ完全に分配されたり、拡散して離れたりするのではなく、変態する鉄格子に結び付いたまま残ります。その結果、炭素過飽和の変態生成物が形成されますが、その構造と形態は、炭素含有量、合金元素、旧オーステナイト粒の構造、および熱履歴によって異なります。

これは、「焼入れによって硬さが生じる」と、直接的な物理効果として述べることと同じではありません。焼入れは、原子が移動するために利用できる時間と、競合する相が形成されるための時間を変化させます。その結果生成するマルテンサイトは、炭素を含む構造が塑性変形に抵抗するため、硬さを高めることがあります。しかし、最終的な特性は、生成したマルテンサイトの量、残存する他の構成相、さらに鋼が後で焼戻しされたかどうかによって決まります。焼入れした部材には、ベイナイト、パーライト、フェライト、または残留オーステナイトとともにマルテンサイトが含まれることがあります。

ケンブリッジ大学の相変態グループは、連続冷却した亜共析鋼で得られる生成物の変化の中にマルテンサイトを位置付けています。冷却速度が比較的遅い場合、または焼入性が低い場合、組織は通常、初めにアロトリオモルフィックフェライトとパーライトから構成されます。冷却が速くなる、または焼入性が高くなるにつれて、生成物はより微細なパーライト、ベイナイト、マルテンサイト、残留オーステナイトへと移行します。この変化は、競合する変態経路を示すものであり、断面のすべての部分が自動的に一つの構成相へ変換される切り替えを意味するものではありません。

合金元素は、拡散変態の速度論を変化させ、鋼の焼入性を変えることによって、この競合に影響を及ぼします。断面厚さが重要なのも同じ理由です。表面と中心部では、異なる冷却経路をたどることがあります。表面がマルテンサイト生成条件に達する一方で、内部はフェライト、パーライト、またはベイナイトが生成する温度範囲に十分な時間とどまることがあります。一つの旧オーステナイト粒の内部でさえ、局所的な組成と熱履歴が変態の順序に影響を及ぼす可能性があります。

NPTELの熱処理に関する枠組みは、この変化を工学的特性と関連付けています。「熱処理は、主として微細組織を変化させることによって機械的性質を変化させる」（NPTEL, 2024）。焼入れは、マルテンサイトを含む組織を形成しやすくするため、硬化処理として説明されます。その後、焼戻しによってその組織と炭素分布が変化します。したがって、得られた相を示さなければ、処理工程の名称だけでは不十分です。「焼入れ」は熱処理を特定するものであって、微細組織を確定する診断名ではありません。

連続冷却鋼における残留オーステナイト

残留オーステナイトとは、冷却後にマルテンサイトや他の生成物へ変態せずに残ったオーステナイトの部分です。それは単に、焼入れが終わるのを待っている未変態材料ではありません。その残存は、鋼の組成、旧オーステナイトの状態、冷却経路、ならびに他の変態がオーステナイトをどの程度消費または変質させたかを反映しています。

炭素濃化は、その安定化に至る重要な経路の一つです。フェライト、ベイナイト、または他の生成物が形成されると、炭素が残存オーステナイトへ排出されることがあります。合金元素も、変態速度論とオーステナイトの安定性を変化させる可能性があります。その結果、連続冷却した鋼には、オーステナイトの一部から生成したマルテンサイトと、残留オーステナイトとして存続した別の部分が同時に含まれることがあります。

ケンブリッジの資料では、より速く冷却した、またはより焼入性の高い亜共析鋼で得られる可能性のある生成物の一つとして、残留オーステナイトが明確に挙げられています。この点が重要なのは、鋼が急冷によって大きな影響を受けても、完全にマルテンサイト化するとは限らないためです。組織写真には、少量の残留オーステナイトを含む、主としてマルテンサイトからなる母相が示されることもあります。また、フェライト、ベイナイト、マルテンサイトを含む混合組織が示され、残留オーステナイトが変態領域の間に集中していることもあります。

残留オーステナイトの存在は、「硬さ」という語だけでは組織を十分に要約できないことも示しています。オーステナイトは一般にマルテンサイトより変形しやすいものの、その存在によって、組成や形態に依存しない一つの固定された硬さが生じるわけではありません。残留オーステナイトは、その後の機械的荷重、冷却、または焼戻しの際に変態し、寸法や内部応力を変化させることがあります。重要なのは、その名称だけでなく、量と分布です。ベイナイト領域またはマルテンサイト領域の間に存在する薄膜状の残留オーステナイトは、より大きな島状領域とは同じ構造的効果を持ちません。

したがって、適切な解釈は相に基づいて行うべきです。オーステナイトがどの程度変態したのか、どの生成物が最初に形成されたのか、炭素がどこへ移動したのか、そして冷却後にどの構成相が残っているのかを特定します。ASM Internationalの2024年の解説では、熱処理鋼の微細組織を、フェライト、ベイナイト、セメンタイト、マルテンサイト、パーライトを形成する鉄、炭素、その他の合金元素の集合体として説明しています。オーステナイト、炭素拡散、相変態が、残留オーステナイトが現れる理由を理解するための枠組みとなります。

なぜ焼入れは単相組織を保証しないのか

焼入れとは、特定の冷却強度と熱履歴を伴う冷却操作であって、単一の相になることを保証するものではありません。必要な冷却経路は、鋼の組成と部材の形状・寸法に依存します。いずれかの領域が、マルテンサイトが生成する前にフェライト、パーライト、またはベイナイトが形成するほどゆっくり冷却されれば、それらの生成物は焼入れ後にも残ります。利用可能な冷却経路の中で一部のオーステナイトが変態しなければ、残留オーステナイトも残存します。

このため、焼入れした亜共析鋼には、アロトリオモルフィックフェライトとマルテンサイト、ベイナイトとマルテンサイト、またはマルテンサイトと残留オーステナイトが含まれることがあります。別の位置、特に冷却の遅い中心部に近い領域では、パーライトがベイナイトやフェライトと共存することもあります。最終組織は、炉で行った処理の名称ではなく、変態領域を通過した経路を記録しています。

冷却速度だけでは、すべての結果を説明することもできません。炭素と合金元素は、拡散、相の安定性、焼入性を変化させます。旧オーステナイト粒径、オーステナイト化処理、表面状態、断面厚さは、利用可能な変態経路に影響を及ぼします。焼入れによって一部の拡散反応を抑制することはできても、すべての拡散反応を抑制できるとは限りません。その結果、多くの場合、混合構成相組織が形成されます。

ScienceDirectの2024年の鋼の熱処理に関する概説は、これらの区別が重要である理由を示しています。すなわち、より高い変態温度で形成された粗いパーライトは比較的軟らかく、より微細なパーライトは強く、ベイナイトは非ラメラ状のフェライト–Fe3C組織であり、下部ベイナイトは上部ベイナイトより硬いということです。マルテンサイトは、この一連の組織の一つにすぎません。最終的な機械的応答は、冷却処理の名称そのものではなく、生成物の組み合わせ、寸法、および分布によって決まります。

したがって、適切な微細組織の記述では、実際に存在する構成相を明示すべきです。「焼入れ鋼」は処理履歴を示すには有用ですが、相の記述としては不十分です。マルテンサイトに言及する際には、残留オーステナイトや他の変態生成物が存在する可能性も併記すべきです。この区別によって、急冷を単相の硬化機構が保証されるものとして扱う、よくある誤りを避けることができます。

熱処理プロセスが金属組織をどのように再編成するか

NPTELは、主要な鋼の熱処理プロセスを、その意図する効果に基づいて分類している。すなわち、焼入れと浸炭は硬化処理であり、焼戻し、焼鈍、応力除去は軟化処理である。この区分は有用だが、「硬化」と「軟化」は結果を間接的に表しているにすぎない。決定的な現象は、相と炭素の再編成である。NPTELは2024年、熱処理が主として金属組織を変化させることによって機械的性質を変えると説明している。ASM Internationalも同じ枠組みをさらに具体化しており、熱処理された鋼には、鉄、炭素、および合金元素の結合によって形成された相が含まれるとしている。その相には、フェライト、ベイナイト、セメンタイト、マルテンサイト、パーライトなどがある。

したがって、熱処理は硬さという独立した性質を単独で生み出すものではない。オーステナイトを選択された変態生成物の混合組織へ変化させるか、すでに存在する相の形状、間隔、分布を変化させるのである。冷却速度、炭素含有量、合金元素の添加量、断面寸法によって、鋼がより低温の状態に到達するまでに、どの変態が進行できるかが決まる。

硬化処理としての焼入れと浸炭

焼入れは、オーステナイトの冷却中に拡散変態を抑制することを目的とする。より遅い冷却では、炭素が鉄格子内を移動できるため、フェライトとセメンタイトがパーライトとして形成されたり、ベイナイト・フェライトとセメンタイトが発達したりする。十分に急速な焼入れでは、この再分配の大部分が中断される。その結果、オーステナイトは無拡散のせん断機構によってマルテンサイトへ変態し、その炭素過飽和格子には大きなひずみが生じる。

このため、焼入れを「鋼を硬くするために冷却すること」と表現するのは正確ではない。得られる組織にはマルテンサイトが含まれる可能性があるが、未変態の残留オーステナイトが含まれることもあり、冷却または焼入性が不十分な場合には、ベイナイトやパーライトも含まれ得る。合金元素は変態速度論を変化させることによって焼入性を変えるのであり、単独で硬さを加えるわけではない。University of Cambridge Phase Transformations Groupが2011年に報告したように、亜共析鋼を連続冷却すると、初析フェライトとパーライトが生成する可能性がある。より速い冷却、またはより高い焼入性では、その系列はより微細なパーライト、ベイナイト、マルテンサイト、残留オーステナイトの方向へ移行する。

浸炭は、最終的な硬化工程に先立って炭素分布を変化させる。低炭素鋼の表面へ炭素を拡散させ、炭素富化された表層部と、より低炭素の内部を形成する。その後の焼入れによって、表層部は高炭素マルテンサイトへ向かって変態する一方、芯部は、元の組成と適用された冷却経路によって許容される変態挙動に従う。重要な金属組織上の特徴は炭素濃度勾配である。表層部と芯部は同じオーステナイト化学組成から出発しないため、同一の生成物を形成するとは限らない。

したがって浸炭は、拡散を利用した準備工程に、急速な変態抑制を組み合わせたものである。炭素の拡散は富化中には中心的な役割を果たすが、焼入れ中には制限される。この処理は、炭素が均一に富化した材料を焼入れすることと同じではなく、最終組織は表面硬さの値だけから推定するのではなく、断面全体にわたって調べるべきである。

硬化組織の後に行う焼戻し

焼戻しは、焼入れ直後のマルテンサイトに伴う極端なひずみと脆性を低減するため、NPTELの軟化処理群に分類される。ただし、硬化組織を単純に消し去るわけではない。炭素が過飽和マルテンサイト格子から再分配され、組織が焼戻しマルテンサイトへ移行するにつれて、炭化物相が形成されるか、より安定になる。

得られる生成物は鋼の炭素含有量および合金元素含有量、さらに焼戻し条件に左右されるため、単一の普遍的な焼戻し金属組織は存在しない。概括的には、この処理によって格子ひずみが低減し、炭化物の形態と分布が変化する。また、一部の鋼では残留オーステナイトが分解または変態することもある。一般的な結果は、焼入れによって直接生成する炭素過飽和マルテンサイトではなく、微細に分散した炭化物を含むフェライト母相である。

この変化により、焼戻しは焼入れ直後の硬さを低下させる一方で、き裂や衝撃損傷に対する抵抗を向上させることができる。その本質的な対比は、閉じ込められた炭素と再分配された炭素との間にある。焼入れでは、炭素がひずんだマルテンサイト構造内に残る。焼戻しでは、炭素が炭化物形成と化学的分配へ向かう経路を得る。したがって、焼入れ焼戻し鋼は「硬さを低下させた焼入れ鋼」ではなく、母相と炭化物相の異なる結合状態である。

残留オーステナイトも重要である。焼入れ後に残留している場合、その後の焼戻しによって安定性が変化し、その変態が寸法安定性や最終的な相の混合状態に影響を及ぼす可能性がある。したがって、結果は焼戻し操作だけからではなく、オーステナイト化、焼入れ、残留オーステナイト、焼戻しという一連の工程全体から解釈しなければならない。

焼鈍と応力除去

焼鈍では、拡散と制御冷却を利用して、鋼をより低エネルギーで化学的に再分配された組織へ移行させる。焼入れと比較すると、炭素がフェライトとセメンタイトの間で分配されるための時間がより長く与えられる。組成と処理前の状態によって、生成物には粗いパーライトを伴うフェライト、より微細なパーライト、またはフェライト母相中の球状化セメンタイト粒子などが含まれる。

変態温度は形態に影響を及ぼす。ScienceDirectの2024年の鋼の熱処理に関する概説では、比較的高い変態温度で形成される、比較的軟らかな粗いパーライトと、より強度の高い微細なパーライトが区別されている。また、ベイナイトを非層状のフェライト–Fe3C組織として定義し、下部ベイナイトは上部ベイナイトより硬いとしている。これらの相違は、「焼鈍された」という表現だけでは金属組織を十分に記述できない理由を示している。セメンタイトの間隔、フェライト結晶粒組織、さらに残存するベイナイトやマルテンサイトの有無も重要である。

球状化は、拡散によって制御される変化を特に明確に示すものである。University of Cambridge Phase Transformations Groupは2008年、球状化によってパーライト中のセメンタイト層状組織が粒子へ変化すると述べている。連続したセメンタイト板状組織は丸みを帯びた粒子となり、フェライトとセメンタイトの界面形状が変化する。その結果、鋼は変形しやすくなる可能性があるが、中心的な現象は、説明のない硬さの低下ではなく、形態の粗大化と再分配である。

応力除去は、より限定された位置づけにある。その主な目的は、溶接、機械加工、成形、または不均一な冷却によって生じた残留応力を低減することであり、主要な相構成を意図的に置き換えることではない。原子拡散によって局所的な応力が緩和される一方、処理は主要な変態が意図される温度範囲より低い範囲にとどまる。しかし、条件が過度になると、回復、焼戻し、析出、または相変態が生じる可能性がある。したがって、応力除去は相に影響を与えないことを保証する処理ではなく、その金属組織への影響は鋼の種類と熱的曝露条件に依存する。

3つの処理経路すべてに共通する支配的な対比は明確である。焼入れは拡散を制限し、ひずみを持つ変態生成物を保持する。一方、焼戻し、焼鈍、応力除去では、炭素の再分配、炭化物の再配列、回復、または粗大化が進むための時間が、それぞれ異なる程度で与えられる。

金属組織学における混在した微細組織の読み解き

熱処理された鋼の断面には、完全に均一な単一の組織構成相だけが含まれているとは限らない。亜共析鋼をオーステナイトから連続冷却すると、旧オーステナイト粒界にアロトリオモルフィック・フェライトが現れ、残りの領域にはパーライトが形成され、局所的な冷却条件が異なる箇所には、より小さなベイナイトまたはマルテンサイトの領域が生じることがある。正しい解釈は、硬さの名称からではなく、変態履歴から始めなければならない。NPTELは、熱処理が機械的性質を変化させる主な仕組みは微細組織を変化させることであるとしている。したがって、硬さは目視で判定できる相の名称ではなく、組織、組成、形態の結果である。

フェライト、パーライト、ベイナイト、マルテンサイトを同時に識別する

まず低倍率から観察する。個々の組織構成相を特定する前に、各領域の分布を記録する。連続したマトリックス、粒界に沿った装飾状の組織、コロニー、パケット、針状組織、ラス、孤立した粒子に注目する。次に倍率を上げ、それぞれの領域の内部構造を観察する。

フェライトは、通常の方法で調製した炭素鋼試料では、一般に最もエッチングされにくい組織構成相である。亜共析鋼では、アロトリオモルフィック・フェライトは通常、旧オーステナイト粒界に沿って最初に形成され、比較的滑らかな多角形または不規則な粒界フィルムを生じる。また、より大きな等軸領域として存在することもある。ウィドマンステッテン・フェライトは外観が異なり、オーステナイト粒界からオーステナイト粒内へ向かって、プレートまたはサイドプレートとして成長する。ただし、プレート状に見えるというだけでは、その組織構成相がウィドマンステッテン・フェライトであるとは証明できない。

パーライトは、フェライトとセメンタイトが交互に並ぶコロニーによって識別される。低倍率では、コロニーは暗い島状領域に見えることがある。高倍率では、適切な方向を向いたラメラを分解して観察できる。他のコロニーは、ラメラが観察方向に対してほぼ平行である場合や、エッチングによるコントラストが弱い場合、暗いままに見えることがある。粗いパーライトは、一般に微細パーライトよりも高い温度での変態を記録している。ScienceDirectは、粗いパーライトを比較的軟らかく、微細パーライトをより高強度であると説明しているが、観察されるコントラストは、研磨、エッチング、断面の方向、合金の化学組成にも左右される。

ベイナイトは、そのフェライト–セメンタイト配置が、パーライトに見られる意味でのラメラ状ではないため、解釈上中間的な位置を占める。上部ベイナイトは通常、フェライトのラスまたはプレートの集団として現れ、その間にセメンタイトが存在する。一方、下部ベイナイトでは、フェライトプレートの内部またはその近傍に、より微細な炭化物の配置が見られる。ScienceDirectの鋼の熱処理に関する資料によれば、下部ベイナイトは上部ベイナイトより硬い。暗い針状領域をすべてベイナイトと呼んではならない。焼戻しされていないマルテンサイト、下部ベイナイト、強くエッチングされたパーライトは、外観が重なることがある。

多くの低炭素鋼および中炭素鋼では、マルテンサイトは一般にラス状であり、より高炭素の鋼や合金鋼の一部ではプレート状である。ラス・パケットや塊状領域が見えることもあるが、光学顕微鏡だけでは両者を確実に区別できない場合が多い。特に焼入性、断面寸法、または冷却が不均一な場合、マルテンサイトはフェライト、ベイナイト、炭化物、残留オーステナイトと混在することもある。旧オーステナイト粒界にある暗い組織構成相が、必ずしもマルテンサイトとは限らない。粒界フェライトや炭化物フィルムも、類似したコントラストを生じることがある。

このため、Cambridge Phase Transformations Groupは、亜共析鋼の連続冷却では、通常、アロトリオモルフィック・フェライトとパーライトが形成され、冷却速度が速くなる、または焼入性が高くなるにつれて、より微細なパーライト、ベイナイト、マルテンサイト、残留オーステナイトを含む組合せへと段階的に変化すると説明している。この順序は有用な枠組みであるが、実際の観察に代わるものではない。

形態と相の同定

形態とは、形状と配置を記述するものである。相の同定は、その領域が何であるかを確定することである。両者は重なり合うが、同じものではない。

形態を利用して仮説を立てる。粒界フィルムはアロトリオモルフィック・フェライトを示唆し、平行なプレートはウィドマンステッテン・フェライトを示唆し、コロニーはパーライトを示唆し、ラスの集団はベイナイトまたはマルテンサイトを示唆する。次に、その仮説を化学組成および結晶学的情報と照合する。選択エッチング、適切な場合の偏光、走査電子顕微鏡、電子後方散乱回折、透過電子顕微鏡、またはX線回折を用いることで、光学的外観だけでは得られない証拠を得ることができる。

試料調製によって、見かけ上の判定は変化し得る。過剰なエッチングは粒界を広げ、微細な組織構成相を暗くする。研磨不良はセメンタイトを脱落させたり、マルテンサイトに似た変形組織を残したりすることがある。断面の方向によってはパーライトのラメラが見えにくくなる一方、三次元的なラス構造を二次元的に切断すると、ベイナイトが粒状に見えることがある。倍率も重要である。200倍では均一に見える領域が、5,000倍ではフェライトとセメンタイトに分解して観察できる場合がある。

したがって、規律ある報告では、観察と解釈を分けなければならない。「ラメラが部分的に分解して見える暗いコロニー」は観察であり、「パーライト」は、その観察結果によって支持され、必要に応じてより高分解能の観察または分析的証拠によって裏付けられる解釈である。ASM Internationalの2024年の処理では、オーステナイト、フェライト、炭素拡散、ベイナイト、セメンタイト、マルテンサイト、パーライト、相変態が同一の解釈枠組みの中に位置づけられている。これは、単一の視覚的特徴だけで診断全体を確定できるわけではないことを示している。

残留オーステナイトとセメンタイトの形態

残留オーステナイトとは、冷却後に完全には変態せず残存するオーステナイトである。マルテンサイト組織中では、ラス間の薄いフィルム、パケット間の塊状島状領域、または炭素富化領域の近傍にある不規則な領域として現れることがある。コントラストはエッチング液やイメージング方法によって大きく変化する。そのため、マルテンサイトのラス間にある淡い領域を、外観だけから残留オーステナイトと同定してはならない。X線回折、EBSD、または慎重に検証された金属組織学的方法が必要になる場合がある。

セメンタイト Fe₃C も同様に重要である。その形状は、炭素がどのように再分配されたかを記録している。パーライト中では、セメンタイトはフェライトとともにラメラを形成する。ベイナイト中では、フェライトプレートに伴う離散的な粒子またはフィルムとして存在するが、その配置は上部ベイナイトと下部ベイナイトで異なる。球状化焼鈍された鋼では、パーライトのセメンタイト・ラメラが丸みを帯びた粒子へと変化している。Cambridge Phase Transformations Groupは2008年に、球状化によってパーライト中のセメンタイト・ラメラが粒子へ変換されることを明確に述べている。

最後に、観察されたすべての組織構成相を、熱履歴と関連づける必要がある。すなわち、オーステナイト化条件、炭素拡散、冷却の連続性、変態の中断、その後に行われた焼戻しまたは焼鈍を考慮する。混在した組織像は、必ずしも熱処理の失敗を意味しない。それは、変態がどこで開始し、どこで停止し、またはどの場所で異なる速度で進行したかを記録したものである。

微細構造から機械的性質へ

強度、硬さ、変態形態

機械的性質は、単に 焼入れ という言葉から生じるのではなく、変態中に形成された組織によって決まる。NPTELは2024年に、「熱処理は、主として微細構造を変化させることによって機械的性質を変化させる」と述べている。焼入れはオーステナイトからの熱履歴を変化させるが、最終的な硬さは、どの変態が起こるか、各構成相がどの程度生成するか、そしてそれらの構成相がどのように配置されるかによって決まる。

ASM Internationalは、熱処理された鋼の微細構造を、鉄、炭素、合金元素が結び付いて形成するフェライト、ベイナイト、セメンタイト、マルテンサイト、パーライトの集合体として説明している。オーステナイトは多くの熱処理における母相であり、炭素の拡散と変態機構間の競合によって、それに取って代わる生成相が決まる。ゆっくり、または中程度の速度で冷却された亜共析鋼は、アロトリオモルフィック・フェライトとパーライトを含むことがある。より速い熱経路では、組成と焼入性に応じて、より微細なパーライト、ベイナイト、マルテンサイト、または残留オーステナイトが生成する可能性がある。ケンブリッジ大学の相変態グループは、2011年に、連続冷却された亜共析鋼についてこの進展を説明した。

相の名称と同じ程度に、その形態も重要である。フェライト粒、セメンタイト粒子、パーライトコロニー、ベイナイト・フェライト板、マルテンサイト・パケット、残留オーステナイト領域は、同じように変形に抵抗するわけでも、同じように応力を分散させるわけでもない。フェライト母相中に少量のマルテンサイトを含む鋼は、孤立したフェライトを伴い大部分がマルテンサイトである鋼と、機械的に同等ではない。どちらも「マルテンサイト鋼」と表現できる場合があるが、強度、硬さ、延性、破壊応答は大きく異なり得る。

マルテンサイトは、無拡散のオーステナイトからマルテンサイトへの変態中に、炭素が過飽和でひずんだ鉄格子に閉じ込められるため、一般に硬さを高める。しかし、この説明だけでは、普遍的な硬さの値は得られない。炭素含有量、旧オーステナイト粒径、合金元素、焼入れの厳しさ、断面寸法、焼戻し、残留オーステナイトのすべてが結果に影響する。その後の焼戻しでは、炭素の再分配と炭化物の形成が可能になることでマルテンサイト組織が変化し、通常は焼入れ直後の硬さが低下する一方、寸法安定性と靭性は向上する。

残留オーステナイトも、単純な硬さの順位付けを難しくする。多くの焼入れ鋼では、残留オーステナイトは焼戻しを施していないマルテンサイトより軟らかいが、使用中または試験中に変態し、寸法と局所応力を変化させることがある。セメンタイトの形態も重要である。ケンブリッジ大学の2008年の資料では、球状化によってパーライト中のセメンタイト薄片が粒子へ変化すると述べている。その結果生じるフェライト–セメンタイト配置は、一般に層状パーライトとは異なる形で変形するため、「パーライト」だけでは機械的状態を十分に記述できない。

パーライト間隔とベイナイトの種類の役割

パーライトは、一般に交互に並ぶ薄片状組織として、フェライトとセメンタイトが同時に形成されたものである。その強度は、パーライト間隔、すなわち薄片の間隔と微細さ、およびパーライトコロニーの大きさに強く影響される。ScienceDirectの2024年の鋼の熱処理に関する概説では、より高い変態温度で形成される粗いパーライトは比較的軟らかく、より微細なパーライトは強いとされている。間隔の狭いセメンタイト薄片は、間隔の広い薄片よりも転位運動を効果的に妨げる。また、コロニーが微細であると、変形が集中し得る距離も短くなる。

これは、微細なパーライト鋼であればすべて同じ強度を持つという意味ではない。フェライトの化学組成、炭素含有量、コロニーサイズ、パーライトの割合、および共析前フェライトの有無も重要である。豊富なフェライトと微細なパーライトを含む亜共析組織は、両者が「微細なパーライト」を含んでいる場合でも、より高炭素でパーライト割合の大きい組織より弱いことがある。決定的なのは分布である。連続したフェライト領域、帯状の構成相、孤立したコロニーは、それぞれ異なる変形経路を生じさせる。[4][4] Steel Heat Treatment. ScienceDirect. ScienceDirect Topics, 2024.

ベイナイトについても、同様の注意が必要である。ScienceDirectは、ベイナイトを非層状のフェライト–Fe3C組織と説明し、下部ベイナイトは上部ベイナイトより硬いと述べている。上部ベイナイトは一般に、束状に形成されたフェライトと、フェライト領域の間に存在するセメンタイトを含む。一方、下部ベイナイトはより低い変態温度範囲で形成され、フェライト板の内部、またはその近傍に微細な炭化物が分布する。この微細な炭化物分布により、下部ベイナイトは転位運動に対してより大きな抵抗を示す。

したがって、「ベイナイト系」というラベルだけでは、重要な情報が示されない。上部ベイナイトと下部ベイナイトの違い、炭化物の大きさと位置、フェライトの形態、構成相の割合、マルテンサイトまたは残留オーステナイトの存在は、いずれも測定される性質に影響する。連続冷却後には混合組織が形成されることも多く、特に断面の各部が異なる熱履歴をたどる場合に顕著である。表面にはマルテンサイトが存在する一方、内部にはベイナイト、パーライト、またはフェライトが存在することがある。その場合、硬さは部品全体について一つの値を取るのではなく、深さに応じて変化する。

組成と焼入性が不可欠であり続ける理由

組成は、生成可能な変態生成物だけでなく、それらが形成される温度と時間も左右する。炭素は、オーステナイトの安定性、生成し得るセメンタイトの量、マルテンサイトの硬さの潜在能力に影響する。合金元素は、変態速度論、炭化物形成、拡散、焼入性を変化させる。焼入性は硬さと同じものではない。焼入性とは、規定された冷却条件の下で、鋼が断面全体にわたってより硬い変態生成物を形成する能力を表す。

断面寸法によって、この違いは実際的な意味を持つ。小さな断面は全体が急速に冷却され得るのに対し、大きな断面では内部の冷却経路がより緩やかになる。そのため、同じ組成と炉内処理条件でも、表面近傍にはマルテンサイトが形成され、中心部にはパーライトまたはベイナイトが形成されることがある。焼入れ媒体、撹拌、オーステナイト化処理、移送時間、焼戻し条件も、さらなるばらつきをもたらす。

したがって、組成、断面寸法、処理条件、試験方法を特定せずに、フェライト、パーライト、ベイナイト、マルテンサイト、または名称の付いた熱処理について、普遍的な性質の値を割り当てることはできない。ビッカース、ブリネル、ロックウェルによって測定された硬さは、注意を要さずに相互交換できるものではない。また、硬さの結果だけでは、靭性、延性、疲労特性、破壊挙動を完全に予測することもできない。妥当な解釈は、構成相の割合、形態、間隔、分布、変態履歴を含む完全な微細構造から始まる。焼入れは、その一連の過程における一つの出来事にすぎない。

鋼の熱処理解析のための実践的な参照手順

鋼の組成と初期状態から始める

測定硬さではなく、まず材料の同定から始める。等級表示は提示されたとおりに正確に記録し、適用規格、分かる場合は溶解単位または製品形態も記録する。「AISI/SAE 1045、焼ならし済み」という記述は、「中程度の硬さの鋼」よりも多くの情報を伝える。「ASTM A36」は仕様を特定するが、それだけで過去の熱履歴や最終的な組織を確定できるわけではない。化学分析には、炭素、マンガン、ケイ素、クロム、モリブデン、ニッケル、バナジウム、その他の意図的な添加元素を含めるべきであり、変態に影響を及ぼす可能性がある場合には残留元素も含める。

炭素含有量によって、普通炭素鋼が共析組成に対して亜共析鋼、共析鋼、過共析鋼のいずれであるかが決まる。亜共析鋼では、オーステナイトからの冷却中に、残りのオーステナイトがパーライトへ変態する前に初析フェライトが形成されるのが一般的である。この違いは重要である。フェライトとパーライトの混合組織は、両方の試料が同程度の硬さを示す場合であっても、パーライト単相の組織と同じではない。

出発状態も記録しなければならない。受入れ状態、熱間圧延状態、焼ならし状態、焼なまし状態、焼入れ焼戻し状態、浸炭状態、冷間加工状態では、結晶粒径、炭化物の分布、残留応力、旧オーステナイトの履歴がそれぞれ異なる。球状化鋼は特に重要な例である。ケンブリッジ大学相変態グループは2008年、球状化によってパーライト中のセメンタイトのラメラが粒子へ変化すると報告した。公称上の構成相はフェライトとセメンタイトのままだが、それらの幾何学的形態が、その後の加熱、変形、硬化に対する応答を変化させる。

結晶粒径と偏析も記録に含めるべきである。粗大な旧オーステナイト結晶粒組織は、微細なものとは異なる変態形態を促進する可能性がある。また、帯状組織によって、フェライト、パーライト、またはマルテンサイトの分布に方向依存性が生じることがある。したがって、「フェライト」という観察結果だけでは不十分であり、その位置と形状も記述しなければならない。

加熱および冷却経路を再構成する

次に、熱処理名を割り当てるのではなく、熱的経路を一連の過程として再構成する。開始温度、分かる場合は加熱速度、オーステナイト化温度と保持時間、炉または雰囲気の状態、移送時間、焼入れ媒体、攪拌、冷却中断、再加熱や焼戻しの工程を記録する。「焼入れ済み」という記述は操作を表すだけであり、断面全体がマルテンサイト化したことを証明するものではない。

まず、加熱中にどの相が存在していたかを検討する。焼なましや焼ならしでは、一部のセメンタイトが固溶してオーステナイトが生成する場合がある。一方、二相域処理では、フェライトが未固溶のまま残ることがある。浸炭によって炭素濃度分布が変化するため、冷却中には表面と中心部が異なる変態経路をたどる。脱炭では逆向きの濃度勾配が生じる可能性がある。一つの硬さ値だけでは、こうした両方の状態が隠れてしまうことがある。

次に、起こり得る変態温度域を特定する。炭素の拡散によって、拡散変態中にはフェライトとセメンタイトの再分配が可能になる。高い変態温度では、一般にパーライトの層間隔は粗くなる。ScienceDirectの2024年の鋼の熱処理に関する概説では、粗いパーライトは比較的軟らかく、微細なパーライトはより高強度であると説明されている。同じ資料では、ベイナイトを非層状のフェライト–Fe3C組織と定義し、下部ベイナイトは上部ベイナイトより硬いと述べている。これらは形態上および変態上の区別であり、単なる硬さ尺度上の点の違いではない。

冷却速度、断面厚さ、合金元素、旧オーステナイト結晶粒径によって、鋼が低温域に到達する前にどの変態が起こり得るかが決まる。クロム、モリブデン、マンガン、ニッケルは、拡散、変態時期、焼入れ性を変化させる可能性がある。冷却が速いほど、拡散によるフェライトやパーライトの生成が抑制され、ベイナイトまたはマルテンサイトが生成しやすくなる。しかし、部材全体で冷却が完全に同一になることはほとんどないため、結果として混合組織が残る場合がある。変態が不完全な場合には、残留オーステナイトが残存することがある。

ケンブリッジ大学相変態グループは2011年、連続冷却によって亜共析鋼に異形フェライトとパーライトが生成するのが一般的であると報告した。冷却速度が速い場合、または焼入れ性が高い場合には、その順序は微細パーライト、ベイナイト、マルテンサイト、残留オーステナイトの方向へ移行し得る。この順序は有用な解釈の枠組みであるが、実際の熱履歴の記録や顕微鏡観察の代わりにはならない。

構成相と形態を正確に報告する

構成相の名称と、その形態を分けて記述する。根拠がある場合には、「初析異形フェライト」、「微細な層間隔を持つパーライトコロニー」、「上部ベイナイト」、「下部ベイナイト」、「ラスマルテンサイト」、「プレートマルテンサイト」、「残留オーステナイト」、または「球状化したセメンタイト粒子」と報告する。エッチングで暗く見える領域をすべて「パーライト」と一括りにしてはならず、針状に見える領域をすべて「マルテンサイト」と判定してもならない。

フェライトは、旧オーステナイト粒界に沿った異形結晶粒として、またはウィドマンステッテン・プレートとして生成することがある。セメンタイトは、パーライトのラメラ、ベイナイト中の粒子、球状化粒子、または未固溶炭化物として現れることがある。マルテンサイトはラス状またはプレート状になり得るほか、その外観は焼戻しによって変化する可能性がある。ベイナイトは形状だけでなく、フェライトと炭化物の配列および変態の文脈に基づいて同定すべきである。

目的に適した顕微鏡法を用いる。光学顕微鏡では構成相の分布やパーライトコロニーの構造を確認でき、走査電子顕微鏡では、より微細な炭化物の配列を観察できる。硬さ試験や回折法は金属組織学的同定を補助できるが、それに取って代わるものではない。残留オーステナイトが疑われる場合は、どのように評価したかを明記する。画像が変態混合組織を示している場合に、単一の相であると断定することは避ける。

再現可能な手順は次のとおりである。まず、組成と、該当する場合には鋼が亜共析鋼であるかを確認する。次に、初期状態を記録し、加熱、オーステナイト化、冷却、焼入れ、焼戻しを再構成する。そのうえで、拡散、合金元素の影響、断面寸法、冷却速度を考慮し、生成した構成相を同定する。最後に、形態を公称上の相名称とは分けて報告する。ASM Internationalによる2024年の記述は、硬さを起点とする考え方を正すものとして適切である。熱処理された鋼の金属組織は、フェライト、ベイナイト、セメンタイト、マルテンサイト、パーライトを形成する鉄、炭素、合金元素の集合体である。熱処理後の鋼は通常、単一の硬さ区分ではなく、混合組織に記録された変態履歴である。

参考文献

1. [1]ASM International. Introduction to Steel Heat Treatment. ASM Handbook, 2024. https://dl.asminternational.org/handbooks/edited-volume/18/chapter-abstract/278662/Introduction-to-Steel-Heat-Treatment-1
2. [2]ScienceDirect. Steel Heat Treatment. ScienceDirect Topics, 2024. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/steel-heat-treatment
3. [3]University of Cambridge Phase Transformations Group. Steel Microstructure. Phase Transformations Group reference material, 2008. https://www.phase-trans.msm.cam.ac.uk/2008/Steel_Microstructure/SM.html
4. [4]ScienceDirect. Steel Heat Treatment. ScienceDirect Topics, 2024. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/steel-heat-treatment