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、鉄の金属で非磁性の同素体、または鉄と合金元素の固溶体です。^{[ 1 ]}普通炭素鋼では、オーステナイトは共析臨界温度1000 K（727 °C）以上で存在します。他の鋼合金では共析温度が異なります。オーステナイト同素体は、サー・ウィリアム・チャンドラー・ロバーツ・オースティン（1843～1902）にちなんで名付けられました。^{[ 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 ℃（1,674～2,541 °F）の温度範囲で、α鉄は体心立方格子（BCC）構造から面心立方格子（FCC）構造のγ鉄（オーステナイトとも呼ばれる）へと相転移を起こします。γ鉄はα鉄と同様に軟らかく延性がありますが、より多くの炭素を溶解することができます（ 1,146 ℃（2,095 °F）では質量比で最大2.03% ）。このγ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ステンレス鋼に含まれています。    

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放的な構造は、炭素鋼中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、マトリックス中に未溶解の炭化物が残る可能性があります。 ^{[ 4 ]}

鉄金属、鉄系金属、鋼の一部では、オーステナイト化工程中に炭化物が生じることがある。この現象は一般的に二相オーステナイト化と呼ばれる。^{[ 5 ]}

オーステンパリングは、鉄系金属の機械的特性を向上させるために用いられる硬化処理です。金属を鉄-セメンタイト相図のオーステナイト領域まで加熱し、その後、 300～375 ℃（572～707 °F）の温度範囲の塩浴またはその他の熱抽出媒体で急冷します。この温度範囲で金属を焼きなまし、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）に変化させます。^{[ 6 ]}  

オーステナイト化温度を変えることで、オーステンパリング処理によって異なる望ましい微細構造が得られる。^{[ 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、温度が低いほどオーステンパリング構造の分布がより均一になる。^{[ 7 ]}オーステンパリング時間に対するオーステナイト中の炭素含有量が確立されている。^{[ 8 ]}

オーステナイトが冷却されるにつれて、炭素は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、フェライトとセメンタイトの層状構造であるパー​​ライトが形成されることがあります。冷却速度が非常に速い場合、炭素が拡散するのに十分な時間がなく、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起こし、体心正方晶構造（BCT）であるマルテンサイトに変化することがあります。冷却速度はマルテンサイト、フェライト、セメンタイトの相対的な割合を決定し、したがって、得られる鋼の硬度や引張強度などの機械的特性を決定します。

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層はより速く冷却され、より大きく収縮するため、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マルテンサイトに変化しますが、マルテンサイトははるかに硬く、はるかに低いひずみで亀裂が発生します。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 ]}も応力を発生させる可能性があります。部品の内側と外側の部分のひずみ速度の差により、外側の部分に亀裂が発生する可能性があり、これを避けるためにより遅い焼入れ速度を使用する必要があります。鋼にタングステンを合金化することで、炭素拡散が遅くなり、BCT同素体への変化がより低い温度で起こるため、亀裂を回避できます。このような材料は、焼入れ性が向上したと言われます。焼入れ後の焼き戻しにより、脆いマルテンサイトの一部が焼き戻しマルテンサイトに変化します。焼入れ性の低い鋼を焼入れすると、かなりの量のオーステナイトが微細構造中に残留し、鋼内部に応力が蓄積されるため、製品が突然破損しやすくなる。

オーステナイトが冷却されるにつれて、その分解は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。この変化の速度は、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、粗大炭化物の存在は、その溶解速度が遅いため、中間臨界焼鈍中のオーステナイト形成速度を遅くする可能性があります。^{[ 10 ]}フェライトとセメンタイトの層が交互に並んだ層状構造であるパー​​ライトは、オーステナイトからの協調的な核生成と成長プロセスによって形成されます。これらの層の厚さは、鋼の機械的特性に直接影響を与えます。^{[ 10 ]}

オーステナイトの分解は冷却速度の影響を受け、それが炭化物の形態、ひいては最終的な鋼組織に影響を与える。冷却速度が遅いと粒界に粗大なセメンタイト粒子が形成される一方、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る。特に、巻き取り温度は炭化物の形態に大きな影響を与える。巻き取り温度が低い（共析温度以下）と微細なパーライトの形成が促進される一方、温度が高いと粗大なセメンタイトの形成が促進される。 ^{[ 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を与える。^{[ 10 ]}

白鋳鉄（炭化鉄、すなわちセメンタイトを含み、未結合炭素を含まない）を727 ℃（1,341 °F）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 ]}この白鋳鉄のオーステナイト化は、フェライトとの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の結晶粒が形成されると、セメンタイト結晶層の表面に沿って配向した層状クラスターとして現れる。^{[ 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ことで、オーステナイト構造を安定化させ、低合金鋼の熱処理を容易にすることができる。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、室温でもこの構造が安定する。

一方、ケイ素、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化させ、共析温度を上昇させる傾向がある。

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が、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特性に起因するものであり、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体です。

熱処理の際、鍛冶屋は鉄-炭素系に相変化を起こさせて材料の機械的特性を制御します。この際、焼きなまし、焼き入れ、焼き戻しといった工程がよく用いられます。この文脈において、加工物から放出される光の色、すなわち「黒体放射」は、温度のおおよその目安となります。温度は、加工物の色温度を観察することで測られることが多く、濃いチェリーレッドからオレンジレッドへの変化（815 ℃（1,499 °F）から871 ℃（1,600 °F））は、中炭素鋼および高炭素鋼におけるオーステナイトの形成に対応します。可視光スペクトルでは、この発光は温度の上昇とともに明るさを増します。チェリーレッドのとき、発光は最も弱い強度に近く、周囲の光の下では見えない場合があります。そのため、鍛冶屋は通常、発光の色を正確に判断するために、低照度下で鋼をオーステナイト化します。    

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• 鉄の同素体