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「製鋼プロセス工学入門」川崎製鉄 「鋼を熱処理すると、鋼の結晶構造や結晶粒の大きさが変化する」 鋼を熱処理すると、鋼の結晶構造や結晶粒の大きさが変化する以外に、鋼の中に含まれる異種原子の存在状態が変わる。異種原子が析出する最小平衡濃度を固溶限と定義する。異種原子はその濃度が固溶限より少ない場合は固溶状態で存在し、その濃度が固溶限を超えると、化合物として析出する。固溶限は析出物を形成のために相互反応する物質の熱力学的性質により決まる。物質間の相互作用が正で析出物形成のギブスのエネルギーが負で大きい場合は、物質の濃度が低くても析出物を形成する。 図は、鉄鋼材料で最も基本的な鉄-炭素の平衡状態図であり、変態点や固溶限が炭素量によってどのように変わるかを示している。低炭素鋼の熱処理では、フェライトへの炭素の固溶限を表す線分PQが重要である。この線分PQで表されるフェライトへの炭素の固溶限は高温ほど大きいので、鋼を加熱すると固溶限が増加し、その鋼の炭素濃度を超えると、析出していたすべての炭化物は分解して固溶する。この鋼を冷却して固溶限が減少すると、再び析出するという変化が起こる。 安定的に存在する結晶構造や異種原子の存在状態を取り扱うのが、熱力学による平衡論であるが、熱処理によって実際に生じる組織は、平衡論だけでは決まらない。鋼中の炭素が析出する場合、熱力学的に安定な状態はグラファイトであるが、実際には準安定形であるセメンタイト(Fe3C) が析出する。グラファイトが析出するには、平衡論から予想される変化が起こるまでの、十分な原子の拡散が必要である。急速冷却の場合のように十分な拡散が得られないときには、変化は途中で止まる。反対に、塑性変形は析出サイトを増やしたり、拡散を促進することによって析出を加速する。これらの現象を利用して、結晶構造や析出物の大きさ、分布を制御することにより、同じ成分の鋼でも異なる組織が得られる。 微細析出物は周辺の鉄の結晶格子を大きくひずませるため、転位の運動にとって大きな抵抗となり、微量でも強度を増す。析出物を微細に析出させるには、熱処理や熱間加工の温度範囲で、固溶、析出現象が生じる元素が適している。このような元素として、炭窒化物を形成するニオビウムやバナジウムがある。これらの元素を含む鋼の熱間圧延の過程で、圧延条件や冷却を制御し、結晶粒の微細化や微細析出物によって高強度化を図る加工熱処理技術が実用化されている。このような鋼は、熱処理によって組織を広範囲に変えることができる。これが、鉄鋼材料が幅広い特性を有し、かつ用途に応じた適切な特性を選びうる理由である。
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「機械工作」トピック
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工業高校 科目「機械工作」に関するトピックを集めた書庫です
「機械工作基礎講座」電子工作基礎（PIC）
座学では退屈になりがちな「機工作」。できるだけ動画や図を用いて、将来の「ものづくり日本」をしょって起つ工高生に興味を持ってもらいたいと思い纏めました。
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炭素鋼の鋳造されたままあるいは熱間圧延されたままの状態における金属組織は、鉄の低温における安定状態であるα- Fe（アルファ鉄）の結晶からなるフェライト相、および薄いセメンタイト（Fe３C）とフェライトの層が交合に重なったパーライト相で構成されている。このパーライト相は炭素含有率が高くなるにしたがってその量が多くなる。 左上の写真は炭素含有率0.13%の炭素鋼の鋳造したままの組織を、光学顕微鏡で観察したものである。この場合、凝固時にフェライト相が樹枝状に析出して生じた、いわゆるデンドライト組織が見られる。このデンドライト組織の間に見られる黒ずんだ部分がパーライト相である。 右上の写真は炭素含有率0.20%の圧延鋼材（SS400）の組織を、光学顕微鏡で観察したものである。この場合、鋳造によって作られたスラブなどの素材が高温に加熱され、塑性加工を受けたのち、徐冷される。そのために結晶粒が塑性変形の際に分裂して、加工以前の組織に比べて小さくなり、結晶粒の長軸が圧延方向に沿って並ぶ傾向がある。パーライト相はこのフェライト結晶粒の間を埋めるように分布している。また MnSなどの軟らかい介在物は圧延方向に引き延ばされ、圧延の方向に沿って筋状に配列している。 左下の写真は鋳造材のパーライト相の組織を、また右下の写真はSS400鋼の圧延材のパーライト組織を、電界放射型走査電子顕微鏡で、高倍率に拡大して観察したものである。いずれの場合もパーライト相に特有の層状組織の断面が見られる。
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工業高校課程「機械工作」・・金属の基本的性質はじめのうちは応力とひずみは比例しているが､ある応力を超えるとひずみだけが進んで行く。これを降伏という。更に､ひずみが進むと再び荷重が増え始め､やがて､応力は最大値に達した後,減少いて行き，ついには破断に至る。このときの最大応力を、引張り強さという。降伏が生じる少し前までは応力とひずみが比例しており，この領域を弾性域と呼ぶ。 弾性域内では応力を取り除くとひずみが0に戻るが，これを超えると，応力を0に戻してもある量のひずみ〔永久ひずみ〕が残る。 木材の場合，引っ張りでは鋼棒とは異なり，明確な降伏点が現れないまま破断してしまう。このような破壊を脆性破壊と呼ぶ。圧縮の場合降伏した後も粘り強く変形する
応力ひずみ曲線 応力歪みの概念再訪 プラスチックの物性入門〜応力−ひずみ曲線とは？] 金属材料の引張試験について 応力とひずみ〜やり直し塑性力学 |
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