オーステナイト

オーステナイトはガンマ相鉄（γ-Fe ）とも呼ばれ、鉄の金属的、非磁性の同素体、または合金元素を含む鉄の固溶体です。^[1]普通炭素鋼では、オーステナイトは臨界共析温度1000 K（727 °C）を超える温度で存在しますが、他の合金鋼では共析温度が異なります。オーステナイト同素体は、ウィリアム・チャンドラー・ロバーツ・オースティン卿（1843–1902）にちなんで命名されました。^[2]一部のステンレス鋼では、低温でオーステナイトを安定化させるニッケルの存在により、室温で存在します。

912 ～ 1,394 °C (1,674 ～ 2,541 °F) で、アルファ鉄は体心立方(BCC)から面心立方(FCC) のガンマ鉄 (オーステナイトとも呼ばれる) の構成に相転移します。ガンマ鉄も同様に柔らかく延性がありますが、かなり多くの炭素を溶解できます (1,146 °C (2,095 °F) で質量の 2.03% にもなります)。このガンマ鉄は、病院や食品サービス機器の製造に 最も一般的に使用されるタイプのステンレス鋼^{[要出典]に含まれています。}

オーステナイト化とは、鉄、鉄系金属、または鋼を、結晶構造がフェライトからオーステナイトに変化する温度まで加熱することを意味します。^[3]オーステナイトのより開いた構造は、炭素鋼の鉄炭化物から炭素を吸収することができます。初期のオーステナイト化が不完全な場合、マトリックス内に溶解していない炭化物が残る可能性があります。 ^[4]

一部の鉄金属、鉄系金属、鋼では、オーステナイト化の段階で炭化物が発生することがあります。これを一般的に2相オーステナイト化と呼びます。^[5]

オーステンパリングは、鉄系金属の機械的性質を向上させるために用いられる硬化処理である。金属は鉄セメンタイト 相図のオーステナイト領域まで加熱され、その後、300～375℃（572～707℉）の温度の塩浴またはその他の熱抽出媒体で急冷される。金属は、オーステナイトがベイナイトまたはオースフェライト（ベイナイトフェライト＋高炭素オーステナイト）に変化するまで、この温度範囲で焼き入れされる。^[6]

オーステナイト化温度を変えることで、オーステンパ処理は異なる望ましい微細構造を生み出すことができます。^[7]オーステナイト化温度が高いほどオーステナイト中の炭素含有量が高くなりますが、温度が低いほどオーステンパ構造の分布は均一になります。^[7]オーステナイト中の炭素含有量はオーステンパ時間の関数として確立されています。^[8]

オーステナイトが冷えると、炭素がオーステナイトから拡散して炭素を多く含む炭化鉄 (セメンタイト) を形成し、炭素の少ないフェライトが残ります。合金の組成によっては、パーライトと呼ばれるフェライトとセメンタイトの層が形成される場合があります。冷却速度が非常に速い場合、炭素が拡散する時間が十分になく、合金はマルテンサイト変態と呼ばれる大きな格子歪みを経験する場合があります。この変態では、合金は体心正方構造( BCT) であるマルテンサイトに変化します。冷却速度によって、マルテンサイト、フェライト、セメンタイトの相対的な割合が決まり、結果として得られる鋼の硬度や引張強度などの機械的特性が決まります。

厚い部分の冷却速度が速いと、材料に急激な温度勾配が生じます。熱処理された部品の外側の層は冷却が速く、収縮が大きいため、張力と熱ひずみが生じます。冷却速度が速いと、材料はオーステナイトからより硬いマルテンサイトへと変態し、はるかに低いひずみで亀裂が生じます。体積変化（マルテンサイトはオーステナイトよりも密度が低い）^[9]によっても応力が発生します。部品の内側と外側のひずみ速度の差によって外側に亀裂が生じる可能性があり、これを避けるためには焼入れ速度を遅くする必要があります。鋼をタングステンで合金化することで、炭素の拡散が遅くなり、BCT同素体への変態がより低い温度で起こるため、亀裂が避けられます。このような材料は硬化性が向上すると言われています。焼入れ後の焼戻しにより、脆いマルテンサイトの一部が焼戻しマルテンサイトに変換されます。硬化性の低い鋼を焼入れすると、微細構造内にかなりの量のオーステナイトが残留し、鋼に内部応力が生じて製品が突然破損しやすくなります。

オーステナイトが冷却されると、その分解が鋼の最終的な微細構造を決定する上で重要な役割を果たします。この変態の速度論は、材料中に存在する炭化物の形態に大きく影響されます。たとえば、粗大炭化物が存在すると、溶解速度が遅いため、インタークリティカル焼鈍中にオーステナイトの形成速度が遅くなる可能性があります。^[10]フェライトとセメンタイトの交互層からなる層状構造であるパー​​ライトは、オーステナイトからの共同核生成および成長プロセスを通じて形成されます。これらの層の厚さは、鋼の機械的特性に直接影響します。^[10]

オーステナイトの分解は冷却速度の影響を受け、冷却速度は炭化物の形態、ひいては最終的な鋼構造に影響します。冷却速度が遅いと粒界に粗いセメンタイト粒子が形成され、冷却速度が速いと微細なパーライトコロニーの形成が促進されます。特に巻き取り温度は炭化物の形態に大きな影響を与えます。巻き取り温度が低いと（共析温度未満）、微細なパーライトの形成が促進されますが、温度が高いと粗いセメンタイトの形成が促進されます。^[10]この炭化物の形態の違いは、その後の熱処理中にオーステナイトが形成および分解する速度と温度に影響します。^[10]

白鋳鉄（炭化鉄、すなわちセメンタイトを含むが、未結合炭素を含まない）を727℃（1,341℉）以上に加熱すると、一次セメンタイトの結晶中にオーステナイトが形成される。 [ ^{11 ]}この白鉄のオーステナイト化は、フェライトとの相界面にある一次セメンタイトで起こる。 [11]セメンタイト中にオーステナイト粒子が形成されると、セメンタイト結晶層の表面に沿って配向した層状のクラスターとして発生する。^[11]オーステナイトは、セメンタイトからフェライトへの炭素原子の拡散によって形成される。^{[11] [12]}

マンガンやニッケルなどの特定の合金元素を添加すると、オーステナイト構造が安定化し、低合金鋼の熱処理が容易になります。オーステナイト系ステンレス鋼の極端な例では、合金含有量が非常に高いため、この構造は室温でも安定します。

一方、シリコン、モリブデン、クロムなどの元素はオーステナイトを不安定にし、共析温度を上昇させる傾向があります。

オーステナイトは、バルク金属の形で910℃（1,670℉）以上でのみ安定します。しかし、fcc遷移金属は面心立方（fcc）またはダイヤモンド立方上で成長することができます。^[13]ダイヤモンド（100）面上のオーステナイトのエピタキシャル成長は、格子整合が近いこととダイヤモンド（100）面の対称性がfccであるため実現可能です。歪んだ多層膜の臨界厚さは単分子層よりも大きいため、γ鉄の単分子層以上を成長させることができます。^[13]決定された臨界厚さは理論予測とほぼ一致しています。^[13]

多くの磁性鉄合金では、磁性材料が磁気的に振る舞わなくなる温度であるキュリー点は、オーステナイト変態とほぼ同じ温度で発生します。この挙動はオーステナイトの常磁性に起因しますが、マルテンサイト^[14]とフェライト^{[15] [16]}はどちらも強い強磁性です。

熱処理中、鍛冶屋は鉄炭素系の相変化を引き起こし、材料の機械的特性を制御するために、多くの場合、焼鈍、焼き入れ、焼き戻しのプロセスを使用します。この文脈では、加工物から放出される光の色、つまり「黒体放射」が温度のおおよその指標となります。温度は多くの場合、加工物の色温度を観察することで測定されます。深いチェリーレッドからオレンジレッド (815 °C (1,499 °F) から 871 °C (1,600 °F)) への変化は、中炭素鋼および高炭素鋼のオーステナイト形成に対応します。可視スペクトルでは、この輝きは温度が上昇するにつれて明るさが増します。チェリーレッドの場合、輝きは最低強度に近く、周囲光では見えない場合があります。そのため、鍛冶屋は通常、鋼を暗い場所でオーステナイト化し、輝きの色を正確に判断します。

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