鉄炭素相図: 定義、相、および用途

鉄-炭素相図は、材料科学において非常に重要です。温度と炭素量の違いによって、鉄とその合金の相がどのように変化するかを示します。エンジニアがこの図を入手すれば、鋼鉄をさらに優れたものにすることができ、物を作る、飛行機を飛ばすなど、多くの分野で役立ちます。

図1: Fe-C相図

鉄-炭素相図とは何ですか?

この図は、温度と炭素レベルが鉄とその合金とどのように関係しているかを理解するのに役立つチャートです。鋼鉄や鋳鉄でどのような微細構造が得られるかを予測できるため、冶金学では非常に役立ちます。

鉄-炭素図で最も硬い相は何ですか?

さて、マルテンサイトは鉄-炭素相図の中で最も硬い相です。この硬い相はオーステナイトが急速に冷えると形成されます。急速に冷えると、炭素は鉄の構造から逃げることができません。そのため、非常に硬く強い固溶体が得られます。

なぜ鉄-炭素状態図では炭素含有量が 6.7% までしか示されないのでしょうか?

鉄-炭素相図には炭素量に制限があり、最大で 6.67% です。これは、そのレベルではセメンタイト (Fe₃C) が生成されるためです。これより炭素が多いと、材料が脆くなり、エンジニアリングには適さなくなります。

相、相境界、共晶点

フェーズ

システムの均質かつ明確な部分。システムの他の部分とは異なる特性を持ちます。

相境界

相転移が起こる領域は相境界として知られています。ここで言及しなければならない一般的な境界は、A1線、A3線、ACM線です。

共晶点

この点は、Fe-C 図上で液相から 1147 つの固相への変換を示します。この変換は、4.3°C で XNUMX% C で発生します。

合金設計において相図が不可欠な理由

これらの図は日常のアプリケーションにおいて非常に重要であり、アプリケーションに必要な正確な構成、特性、微細構造の変化を判断するのに役立ちます。

鉄の結晶構造

以下は、Fe-C 状態図に見られる主要な結晶構造です。

α-フェライト

アルファ鉄には、最大 0.02% の炭素含有量で BCC 構造が見られます。さらに、アプリケーションで優れた磁気特性が求められる場合、この相はその点で重要な役割を果たします。

γ-オーステナイト

この段階では、最大炭素含有量が 2.14% までの FCC 構造が見られます。さらに、アプリケーションで強度特性の変更が求められる場合、この段階では複数の熱処理プロセスを実行することが重要です。

δ-フェライト

この相は、約 1390°C の高温で発生し、BCC 構造で構成されます。この相は、高温での安定性が求められる用途に適しています。

セメンタイト (Fe₃C)

これは、最大 C 含有量が 6.67% に達するこの相図の中で最も硬い相です。さらに、高強度鋼を必要とする用途にも役立ちます。

液相（Fe-C溶液）

この段階は製造業者が鋳造プロセスを実行するのに役立ち、この段階はおよそ 1530°C 前後の高温で発生します。

鉄-炭素図における 5 つの固相とは何ですか?

このフェーズ図には次の 5 つのフェーズがあります。

• フェライト
• オーステナイト
• セメンタイト
• デルタフェライト
• パーライト

各フェーズの特徴

以下の表は、各フェーズの重要な特徴を示しています。

表1: 位相特性

各相の温度範囲と安定性

以下に、温度と安定範囲を伴う重要なフェーズを示します。

α-フェライト：この相は室温からほぼ910℃まで存在し、727℃以下では低いCで安定した状態が観察されます。

γ-オーステナイト: この相は727℃からほぼ1147℃まで存在し、727℃以上では高いCで安定した状態が観察されます。

セメンタイト：この相では、1147℃以下の温度範囲で安定しており、組成中に高炭素が含まれていることがわかります。

δ-フェライト：この相は1390～1538℃の間で形成され、高温での安定性が高い。

パーライト：共析組成において、この相の安定性が観察されます。また、その形成温度は723℃です。

鉄-炭素相図における主な反応

次のような反応が起こります。

共析反応

以下は、1 つの固相がさらに 2 つの固相に変化することを示す共析反応です。

共晶反応

以下は、液相がさらに 2 つの固相に変化することを示す共晶反応です。

包晶反応

約1498℃の高温では、固体と液体の反応によってオーステナイトが生成される以下の反応が観察されます。

相境界と臨界点

以下に、相境界と重要な臨界点の簡単な説明を示します。

共晶点と共析点を理解する

共晶点:

• 4.3% C および 1147°C の温度で発生します。
• 液体からγおよびFe₃への変化
• 鋳鉄生産において重要です。

共析点：

• 0.76% C および 727°C の温度で発生します。
• γのαとFe₃への変換
• 強度と靭性を兼ね備えたパーライトを供給します。

鉄炭素合金の臨界温度

表2: 臨界温度

境界におけるレバールールと構成分析

特定の温度範囲内での相比率（質量分率）と組成を提供する数学的計算ツールです。

位相場と安定領域

以下の詳細は、位相フィールドと安定領域の簡単な分析を示しています。

α、γ、δ相の安定領域の解釈

α-フェライトの場合、相は室温から約 910°C まで存在し、727°C 未満では低温で安定状態が観察されます。また、γ-オーステナイト相は 727 から約 1147°C まで存在し、727°C 以上では高温で安定状態が観察されます。最後に、1390 ～ 1538°C の間で δ 相が形成され、高温で安定性が高まります。

鋼の熱処理への影響

安定領域を効果的に理解すると、熱処理を最適化するのに役立ちます。したがって、相変態の制御、微細構造の開発、および材料の寿命にとって重要です。

炭素含有量による鋼の分類

鋼の主な分類は以下の通りです。

亜共析鋼と過共析鋼

亜共析鋼は、用途に応じて靭性とともに優れた延性を提供し、この鋼のC含有量は0.76％未満です。一方、過共析鋼は、延性を補いながら優れた硬度を提供し、0.76％を超えるCを含みます。

熱処理と合金カスタマイズにおける役割

この状態図は、特に熱処理と合金のカスタマイズに関して多くの洞察を提供します。

相分析による機械的特性の予測

相分析を通じて機械的特性を予測するのに役立つ主な機能は次のとおりです。

• 微細構造の変化を制御する
• 臨界温度をよく理解する
• 合金特性のカスタマイズ

鋼材の用途の種類

表2: 鋼材の種類と用途

Tuofa China 精密鋼加工の専門知識

Tuofa Technology は、精度と正確性を提供するだけでなく、製品の優れた品質を保証する CNC 加工サービスも提供しています。同社は 16 年以上の経験があり、製品の設計から最終出荷までの分野での専門知識をさらに証明しています。